DE112010002699B4

DE112010002699B4 - Vorrichtung, System und Verfahren zur Abschätzung der Verschlechterung des Ansprechverhaltens elnes NOx-Sensors

Info

Publication number: DE112010002699B4
Application number: DE112010002699.8T
Authority: DE
Inventors: Daniel D. Wilhelm; David Everard; Carlos A. Lana; Jeff Runde; Xiao Lin
Original assignee: Cummins Intellectual Property Inc
Current assignee: Cummins Intellectual Property Inc
Priority date: 2009-06-24
Filing date: 2010-06-24
Publication date: 2023-11-09
Anticipated expiration: 2030-06-25
Also published as: CN102667090B; US20110016849A1; CN104791119A; WO2010151690A3; CN102667090A; BRPI1010131B1; DE112010002699T5; CN104791119B; US8336525B2; BRPI1010131A2; WO2010151690A2

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung einer Verschlechterung eines Ansprechverhaltens eines NOx-Sensors in einem Verbrennungsmotorsystem (10), umfassend:ein Motorsteuermodul (310), das dafür ausgelegt ist, die Kraftstoffzufuhr zu einem Verbrennungsmotor (100) zu unterbrechen, während sich der Verbrennungsmotor (100) in einem Schubbetrieb befindet;ein Signalüberwachungsmodul (320), das dafür ausgelegt ist, nach der Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr zu dem Verbrennungsmotor (100) durch das Motorsteuermodul (310) ein NOx-Sensorsignal zu überwachen und NOx-Sensorsignaldaten, die dem überwachten NOx-Sensorsignal entsprechen, zu speichern;ein Zeitkonstantenmodul (330), das dafür ausgelegt ist, unter Verwendung eines Funktionsanpassungsverfahrens eine Zeitkonstante für das Antwortsignal des NOx-Sensors nach der Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr durch das Motorsteuermodul (310) zu bestimmen; undein Ansprechverschlechterungsmodul (340), das dafür ausgelegt ist:einen Wert für die Verschlechterung des Ansprechverhaltens des NOx-Sensors zu bestimmen, welcher zumindest teilweise auf der bestimmten Zeitkonstante beruht, undeine Durchgangsverzögerung des NOx-Sensorsignals zu bestimmen,wobei das Funktionsanpassungsverfahren ein Verfahren der kleinsten Quadrate umfasst; undwobei die Kurvenanpassung des Verfahrens der kleinsten Quadrate über die Werte k und k2definiert wird, welche gemäß der Gleichung∏=∑i=1n[yi−k2+kyi−1−yi−1]2=minden kleinsten Wert für Π liefern, wobei yidie NOx-Konzentration im Abgas ist, welches von dem Verbrennungsmotor (100) zu einem laufenden Probennahmezeitpunkt i erzeugt wird, k von der Zeitkonstante des NOx-Sensorsignals und dem Probennahmezeitraum abhängt, und k2von k und von einer Abweichung des Grundwerts des NOx-Sensorsignals abhängt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft Abgassysteme für Verbrennungsmotoren und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung einer Verschlechterung des Ansprechverhaltens eines NO_x-Sensors, der dafür ausgelegt ist, NO_x in einem Abgasstrom zu detektieren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Abgasnachbehandlungssysteme nehmen Abgase auf, die von einem Verbrennungsmotor erzeugt werden, und unterziehen diese einer Behandlung. Typische Abgasnachbehandlungssysteme umfassen beliebige verschiedenartige Bauelemente, die dazu bestimmt sind, den Anteil der schädlichen Abgase zu verringern, welche mit dem Abgas ausgestoßen werden. So umfassen beispielsweise einige Abgasnachbehandlungssysteme dieselbetriebener Verbrennungsmotoren verschiedenartige Bauteile wie etwa einen Diesel-Oxidationskatalysator (DOC), einen Partikelfilter oder Diesel-Partikelfilter (DPF) sowie einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR). In einigen Abgasnachbehandlungssystemen gelangt das Abgas zuerst durch den Diesel-Oxidationskatalysator, dann durch den Diesel-Partikelfilter und anschließend durch den SCR-Katalysator.
Jedes der Bauteile DOC, DPF und SCR-Katalysator ist dafür ausgelegt, die Abgase, welche durch die Bauteile strömen, einem bestimmten Abgasbehandlungsvorgang zu unterziehen. Im Allgemeinen verringert der DOC durch Oxidationstechniken die Menge an Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen, die in dem Abgas enthalten ist. Der DPF filtert schädliche Dieselrußpartikel, die in dem Abgas enthalten sind, heraus. Zum Abschluss verringert der SCR-Katalysator die Menge an Stickoxiden (NO_x), die in dem Abgas enthalten ist.
Der Betrieb der Motor- und Abgasnachbehandlungsbauteile beruht in starkem Ausmaß auf der Menge an NO_x, die an verschiedenen Punkten innerhalb des Abgasnachbehandlungssystems im Abgasstrom enthalten ist. Die Menge an NO_x im Abgasstrom wird typischerweise unter Verwendung eines oder mehrerer NO_x-Sensoren detektiert, die zumindest teilweise innerhalb des Abgasstroms angeordnet sind, welcher durch das Abgasnachbehandlungssystem strömt. So umfassen einige herkömmliche Abgasnachbehandlungssysteme einen NO_x-Sensor in der Nähe einer Auslassöffnung des Motorabgaskrümmers, einer Auslassöffnung des SCR-Katalysators und einer Auslassöffnung des Endrohrs. Jeder der NO_x-Sensoren detektiert einen NO_x-Gehalt im Abgasstrom und überträgt ein Signal, das den detektierten NO_x-Gehalt wiedergibt, an ein elektronisches Steuermodul (ECM) oder ein Zwischenmodul. Das ECM verarbeitet den detektierten NO_x-Gehalt, den es vom NO_x-Sensor empfängt, gemäß einem beliebigen verschiedenartiger Rechenverfahren, um die Menge an NO_x abzuschätzen, die dort, wo sich der betreffende NO_x-Sensor befindet, im Abgasstrom enthalten ist.
Da die Menge an NO_x im Abgasstrom viele Aspekte des Motorsystems beeinflussen kann, ist die Richtigkeit des NO_x-Gehalts, welcher von den NO_x-Sensoren detektiert wird, von großer Bedeutung. Von besonders großer Bedeutung ist die Richtigkeit des Signals des Endrohr-NO_x-Sensors, da dieses die Menge an NO_x anzeigt, die vom Abgasnachbehandlungssystem in die Atmosphäre abgegeben wird. Wenn der Endrohr-NO_x-Sensor den Gehalt an NO_x in dem Abgasstrom, der das System verlässt, nicht richtig detektiert, könnte das System unnötigerweise zu viel NO_x reduzieren oder unbemerkterweise zu wenig NO_x reduzieren. Wenn beispielsweise der NO_x-Gehalt, der vom Endrohr-NO_x-Sensor detektiert wird, irrtümlicherweise zu hoch ist, könnte das System ineffizient arbeiten, indem es mehr NO_x reduziert, als nötig wäre. Wenn hingegen der NO_x-Gehalt, der vom Endrohr-NO_x-Sensor detektiert wird, irrtümlicherweise zu niedrig ist, könnte das System nicht genug NO_x reduzieren, um die Abgasnormen zu erfüllen.
Eine Ursache für unrichtige Detektionswerte des NO_x-Gehalts besteht darin, dass sich das Ansprechverhalten des NO_x-Sensors im Laufe der Zeit verschlechtert. Wenn ein NO_x-Sensor altert, zeigt sich eine zunehmende Verschlechterung des Ansprechverhaltens des NO_x-Sensors, und die Richtigkeit des NO_x-Gehalts, der vom NO_x-Sensor detektiert wird, nimmt ab. Einige herkömmliche Systeme sind derart ausgerüstet, dass sie das Ausmaß der Verschlechterung des Ansprechverhaltens eines NO_x-Sensors abschätzen können. Diese Systeme können verschiedenartige Techniken und Verfahren zur Anwendung bringen, um das Ausmaß der Verschlechterung des Ansprechverhaltens des NO_x-Sensors abzuschätzen. Diese Techniken und Verfahren können indes mit bestimmten Nachteilen behaftet sein. So können einige Systeme beispielsweise nicht zwischen einer allmählichen Verhaltensänderung eines NOx-Sensorsignals und einem verlangsamten Ansprechen aufgrund einer Verschlechterung des NO_x-Sensors unterscheiden. Hinzu kommt, dass einige Systeme weder die Abweichung des Signalgrundwerts (z.B. Grundrauschen) berücksichtigen noch die Durchgangsverzögerungen, die charakteristisch für bestimmte NO_x-Sensorsignale sein können, wie etwa für die Signale eines Endrohr-NO_x-Sensors.
DE 102 44 125 A1 beschreibt z.B. ein Verfahren zur Bewertung des Zeitverhalten eines im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine angeordneten NO_x-Sensors, der ein Messsignal abgibt, bei dem eine Konzentrations-Änderung im Abgas der Brennkraftmaschine verwertet wird. Die Funktionsfähigkeit des NO_x-Sensors wird überprüft, indem sein dynamisches Verhalten regelmäßig dahingehend ausgewertet wird, dass eine Verlangsamung im Ansprechen des NO_x-Sensors festgestellt und bei ungenügendem Dynamikverhalten ein fehlerhafter NO_x-Sensor diagnostiziert werden kann. Zur Überprüfung wird eine mittlere Geschwindigkeit der Änderung der NO_x-Konzentration mit einer zu erwartenden maximalen Änderungsgeschwindigkeit des Messsignals verglichen. Um die Änderung der NO_x-Konzentration herbei zu führen, kann auch die Schubabschaltung verwendet werden. Die sich aus der Verringerung der NO_x-Konzentration ergebende Sprungfunktion dient dann zu Diagnose der Sensor-Dynamik.
Weiterer Stand der Technik ist aus US 2008/0189008 A1 bekannt. Das Dokument beschreibt, Anomalitäten eines in einem Abgasrohr platzierten AFR Sensors (der das Luft/Kraftstoff Verhältnis erfasst) zu diagnostizieren. Dort sind stromauf eines Katalysators ein Breitband-AFR-Sensor und stromab des Katalysators ein O₂-Sensor platziert. NO_x-Sensoren werden nicht angesprochen. Vorrichtung und Verfahren der US 2008/0189008 A1 verlassen sich auf das Verlagern von Input- und Output-Funktionen, um den Zeitverlust für den Transport der Luft/Kraftstoff-Mischung von der Brennkammer zum Breitband-AFR-Sensor auszugleichen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegend beanspruchten Gegenstände sind im Hinblick auf die Einschränkungen entwickelt worden, welche der gegenwärtige Stand der Technik auf dem Gebiet der Steuersysteme für die Abgasnachbehandlung und der bordgestützten Diagnosesysteme aufweist, nämlich um eine Vorrichtung nach Patentanspruch 1, und ein Verfahren nach Patentanspruch 10 bereitzustellen, die/das mindestens einige der Unzulänglichkeiten des gegenwärtigen Standes der Technik behebt.
In einer typischen Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung zur Bestimmung der Verschlechterung des Ansprechverhaltens eines NOx-Sensors in einem Verbrennungsmotorsystem ein Motorsteuermodul, das dafür ausgelegt ist, die Kraftstoffzufuhr zu einem Verbrennungsmotor zu unterbrechen, während sich der Verbrennungsmotor im Schubbetrieb befindet. Die Vorrichtung umfasst weiterhin ein Signalüberwachungsmodul, das dafür ausgelegt ist, nach der Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr zum Verbrennungsmotor durch das Motorsteuermodul, während sich der Motor im Schubbetrieb befindet, ein NO_x-Sensorsignal zu überwachen und die NO_x-Sensorsignaldaten, die dem überwachten NO_x-Sensorsignal entsprechen, zu speichern. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung ein Zeitkonstantenmodul, das dafür ausgelegt ist, eine Zeitkonstante für das Ansprechen des NO_x-Sensors nach der Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr durch das Motorsteuermodul zu bestimmen. Die Vorrichtung umfasst weiterhin ein Ansprechverschlechterungsmodul, das dafür ausgelegt ist, einen Wert für die Verschlechterung des Ansprechverhaltens des NO_x-Sensors zu bestimmen, welcher zumindest teilweise auf der bestimmten Zeitkonstante beruht.
Die Zeitkonstante des Ansprechens des NO_x-Sensors wird unter Verwendung eines Funktionsanpassungsverfahrens bestimmt, wobei es sich in einigen Fällen um ein Verfahren der kleinsten Quadrate handeln kann. Die Kurvenanpassung des Verfahrens der kleinsten Quadrate kann über die Werte k und k₂ definiert werden, welche gemäß der Gleichung $Π = \sum_{i = t}^{n} {[y_{t} - k_{2} + k y_{t - 1} - y_{t - 1}]}^{2}$
den kleinsten Wert für Π liefern, wobei y_i die NO_x-Konzentration im Abgas ist, das von dem Verbrennungsmotor zu einem laufenden Probennahmezeitpunkt i erzeugt wird, k von der Zeitkonstante des NO_x-Sensorsignals und dem Probennahmezeitraum abhängt, und k₂ von k und von einer Abweichung des Grundwerts des NO_x-Sensorsignals abhängt. In einigen Umsetzungen beruht die Zeitkonstante des NO_x-Sensorsignals auf einer zeitdiskreten Näherung einer kontinuierlichen mathematischen Funktion.
In anderen Umsetzungen ist das Ansprechverschlechterungsmodul dafür ausgelegt, eine Abweichung des Grundwerts des NO_x-Sensorsignals zu bestimmen. Die Zeitkonstante kann zumindest teilweise auf der Abweichung des Grundwerts beruhen.
In anderen Umsetzungen ist das Ansprechverschlechterungsmodul dafür ausgelegt, eine Durchgangsverzögerung des NO_x-Sensorsignals zu bestimmen. Die Durchgangsverzögerung des NO_x-Sensorsignals kann zumindest teilweise auf einem geschätzten Zeitpunkt des Beginns eines Abklingens der Signalantwort des NO_x-Sensors beruhen. In einigen Umsetzungen beruht der geschätzte Zeitpunkt des Beginns eines Abklingens der Signalantwort des NO_x-Sensors auf einem Vergleich zwischen einem geschätzten NO_x-Wert zu einem Zeitpunkt, an dem das Motorsteuermodul die Kraftstoffzufuhr unterbrochen hat, und einem NO_x-Wert, der zum selben Zeitpunkt gemessen wird. In spezifischen Umsetzungen ist der geschätzte Zeitpunkt des Beginns eines Abklingens des NO_x-Sensorsignals gleich dem Zeitpunkt, an dem ein Unterschied zwischen dem geschätzten NO_x-Wert und dem gemessenen NO_x-Wert einen Schwellenwert überschreitet. In anderen Umsetzungen kann der geschätzte NO_x-Wert unter Verwendung einer Kurvenanpassung der NO_x-Sensorsignaldaten geschätzt werden, welche während eines Testzeitfensters nach der Unterbrechung der Kraftstoffversorgung des Verbrennungsmotors durch das Motorsteuermodul gespeichert wurden, und zwar während sich der Verbrennungsmotor im Schubbetrieb befindet. In derartigen Umsetzungen kann der geschätzte NO_x-Wert zu einem Zeitpunkt geschätzt werden, der vor einem Beginn des Testzeitfensters liegt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst ein System zur Bestimmung eines Sensorzustands einen NO_x-Sensor, der dafür ausgelegt ist, eine NO_x-Menge in einem Abgasstrom zu detektieren und ein Antwortsignal zu erzeugen, dass den detektierten Eigenschaftswert wiedergibt. Das System umfasst weiterhin ein Steuergerät, das derart mit dem Sensor in Verbindung steht, dass es das Antwortsignal empfängt. Das Steuergerät ist dafür ausgelegt, die Kraftstoffzufuhr des Motors zu unterbrechen und ein Abklingverhalten des Antwortsignals zu überwachen, während die Kraftstoffzufuhr des Motors unterbrochen ist. Das Steuergerät ist ferner dafür ausgelegt, für das Antwortsignal einen entsprechenden Verschlechterungsfaktor zu bestimmen. In bestimmten Umsetzungen erstellt das Steuergerät ein Rechenmodell des Sensoransprechens als lineares dynamisches System erster Ordnung, wobei das Abklingverhalten der negative Kehrwert der Zeitkonstante des Systems ist. Das Steuergerät kann dafür ausgelegt sein, das Abklingverhalten zu bestimmen, indem es die Zeitkonstante des Systems ausgehend vom Sensorsignal abschätzt, beispielsweise unter Verwendung eines Verfahrens der kleinsten Quadrate. Der Verschlechterungsfaktor kann zumindest teilweise auf der geschätzten Zeitkonstante des Systems beruhen.
Gemäß bestimmten Umsetzungen des Systems umfasst das System weiterhin einen Verbrennungsmotor, der dazu befähigt ist, einen Abgasstrom zu erzeugen. Im Allgemeinen ist der Verbrennungsmotor derart mit einer Kraftstoffquelle verbunden, dass er von dieser Kraftstoff erhält. Bei der Zeitkonstante kann es sich um eine Zeitkonstante des Antwortsignals während eines zuvor festgelegten Testzeitraums handeln. Der zuvor festgelegte Testzeitraum kann als Zeitraum definiert werden, während dessen die Kraftstoffzufuhr des Verbrennungsmotors unterbrochen wird, wobei der Verbrennungsmotor im Schubbetrieb weiterläuft.
In einigen Umsetzungen umfasst das System weiterhin einen bordgestützten Diagnosewertanzeiger, welcher derart mit der Steuergerät in Verbindung steht, dass er ein Signal empfängt. Das Steuergerät signalisiert dem bordgestützten Diagnosewertanzeiger, einen Zustand des Sensors anzuzeigen, als Antwort auf einen geschätzten Verschlechterungsfaktor, welcher einen Schwellenwert überschreitet.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Bestimmung einer Verschlechterung der Ansprechverhaltens eines NO_x-Sensors das Unterbrechen des Kraftstoffverbrauchs in einem Verbrennungsmotor, während sich der Motor im Schubbetrieb befindet, und das Überwachen eines NO_x-Sensorsignals nach der Unterbrechung des Kraftstoffverbrauchs. Das Verfahren umfasst weiterhin das Abschätzen eines Abklingverhaltens des NO_x-Sensorsignals unter Verwendung eines Funktionsanpassungsverfahrens wie etwa der Anpassung mittels der kleinsten Quadrate. Im vorliegenden Schriftstück wird der Begriff Funktionsanpassungsverfahren bedeutungsgleich mit dem Begriff Kurvenanpassungsverfahren verwendet. Zusätzlich umfasst das Verfahren das Abschätzen eines Wertes der Verschlechterung des Ansprechverhaltens des NO_x-Sensorsignals, wobei dieser zumindest teilweise auf dem geschätzten Abklingverhalten beruht.
In bestimmten Umsetzungen umfasst das Verfahren das Abschätzen einer Durchgangsverzögerung des NO_x-Sensorsignals, indem ein Zeitpunkt des Beginns des Abklingens des NO_x-Sensorsignals nach dem Unterbrechen des Kraftstoffverbrauchs abgeschätzt wird, und zwar auf Grundlage von gespeicherten NO_x-Sensorsignaldaten, die während eines zuvor festgelegten Zeitraums aufgezeichnet wurden, welcher auf die Unterbrechung des Kraftstoffverbrauchs folgt. Das Abklingverhalten des NO_x-Sensorsignals kann auf Grundlage des geschätzten Zeitpunkts des Beginns des Abklingens des NO_x-Sensorsignals abgeschätzt werden. Die jeweilige Dauer des zuvor festgelegten Zeitraums kann auf mindestens einer Länge eines Abgasnachbehandlungssystem, an welches das NOx-Sensorsignal gekoppelt ist, beruhen sowie auf einer Abgasflussrate durch Abgasnachbehandlungssystem, einem Durchmesser eines Auspuffrohrs des Abgasnachbehandlungssystem und auf einer Ansprechfrist des NO_x-Sensors in einem nicht-verschlechtertem Zustand.
Das Abschätzen des Zeitpunkts des Beginns des Abklingens des NO_x-Sensorsignals kann das Verwenden eines ersten Satzes gespeicherter NO_x-Sensorsignaldaten umfassen, welcher mit einem ersten Zeitfenster in Verbindung steht, um die Kurvenanpassung für eine erste exponentielle oder nicht-exponentielle Funktion, die hinsichtlich ihrer Eigenschaften einer exponentiellen Funktion ähnelt, vorzunehmen. Zusätzlich kann das Verfahren das Verwenden der Kurvenanpassung der ersten exponentiellen Funktion zur Abschätzung eines NO_x-Werts zu einem ersten Zeitpunkt vor dem ersten Zeitfenster umfassen, sowie das Vergleichen des geschätzten NO_x-Wertes zum ersten Zeitpunkt mit einem tatsächlichen NO_x-Wert zum ersten Zeitpunkt. Wenn der Unterschied zwischen dem geschätzten NO_x-Wert und dem tatsächlichen NO_x-Wert einen Schwellenwert überschreitet, umfasst das Verfahren das Einstellen des ersten Zeitpunkts als Zeitpunkt des Beginns des Abklingens des NO_x-Sensorsignals.
Wenn hingegen der Unterschied zwischen dem geschätzten NO_x-Wert und dem tatsächlichen NO_x-Wert unter einem Schwellenwert bleibt, umfasst das Verfahren das Verwenden eines zweiten Satzes gespeicherter NO_x-Sensorsignaldaten, welcher mit einem zweiten Zeitfenster in Verbindung steht, das vor dem ersten Zeitfenster liegt, um die Kurvenanpassung einer zweiten exponentiellen Funktion vorzunehmen. Wenn die obigen Bedingungen erfüllt sind, umfasst das Verfahren weiterhin das Verwenden einer zweiten exponentiellen Funktion zum Abschätzen eines NO_x-Wertes zu einem zweiten Zeitpunkt, der vor dem zweiten Zeitfenster und dem ersten Zeitpunkt liegt, das Vergleichen des geschätzten NO_x-Werts zum zweiten Zeitpunkt mit einem tatsächlichen NO_x-Wert zum zweiten Zeitpunkt, und das Einstellen des zweiten Zeitpunkts als Zeitpunkt des Beginns des Abklingens des NO_x-Sensorsignals, wenn der Unterschied zwischen dem geschätzten NO_x-Wert zum zweiten Zeitpunkt und dem tatsächlichen NO_x-Wert zum zweiten Zeitpunkt den Schwellenwert überschreitet.
In bestimmten Umsetzungen des Verfahrens wird das Abklingverhalten des NO_x-Sensorsignals auf Grundlage des geschätzten Zeitpunkts des Beginns des Abklingens des NO_x-Sensorsignals abgeschätzt. Die jeweilige Dauer des zuvor festgelegten Zeitraums kann auf mindestens einer Länge eines Abgasnachbehandlungssystem, an welches das NO_x-Sensorsignal gekoppelt ist, beruhen sowie auf einer Abgasflussrate durch Abgasnachbehandlungssystem, einem Durchmesser eines Auspuffrohrs des Abgasnachbehandlungssystems und auf einer Ansprechfrist des NO_x-Sensors in einem nicht-verschlechtertem Zustand.
Gemäß einigen Umsetzungen des Verfahrens umfasst das Abschätzen des Zeitpunkts des Beginns des Abklingens des NO_x-Sensorsignals das Auswerten von NO_x-Sensorsignaldaten, die nach einem vorhergesagten Zeitpunkt des Beginns des Abklingens des NO_x-Sensorsignals gespeichert wurden, und das schrittweise Rückverfolgen von NO_x-Sensorsignaldaten, die früher gespeichert wurden, um diese zu auszuwerten.
In der gesamten vorliegenden Beschreibung sind Bezugnahmen auf Merkmale, Vorteile, oder ähnliche Aussagen, keinesfalls derart aufzufassen, dass sämtliche dieser Merkmale oder Vorteile, die mit dem Gegenstand der vorliegenden Anmeldung erzielt werden können, in ein und derselben Ausführungsform oder Umsetzung des Gegenstandes vorhanden sind oder sein müssten. Vielmehr sind Aussagen, die sich auf Merkmale und Vorteile beziehen, derart aufzufassen, dass spezifische Merkmale, Vorteile oder kennzeichnende Eigenschaften, die in Verbindung mit einer Ausführungsform beschrieben werden, in mindestens einer Ausführungsform des Gegenstands der vorliegenden Anmeldung vorhanden sind. In der gesamten vorliegenden Beschreibung können sich Erörterungen von Merkmalen und Vorteilen, und ähnliche Aussagen, auf ein und dieselbe Ausführungsform oder Umsetzung beziehen, müssen dies jedoch nicht notwendigerweise.
Die beschriebenen Merkmale, Vorteile und kennzeichnenden Eigenschaften des Gegenstands der vorliegenden Anmeldung können auf eine beliebige geeignete Art und Weise in einer oder mehreren Ausführungsformen und/oder Umsetzungen kombiniert werden. Der Fachmann wird erkennen, dass der vorliegende Gegenstand auch dann in die Praxis umgesetzt werden kann, wenn ein oder mehrere der spezifischen Merkmale oder Vorteile einer bestimmten Ausführungsform oder Umsetzung nicht gegeben sind. In anderen Fällen lassen sich bei bestimmten Ausführungsformen und/oder Umsetzungen möglicherweise zusätzliche Merkmale und Vorteile erkennen, die nicht bei sämtlichen Ausführungsformen der Umsetzungen gegeben sein müssen. Diese Merkmale und Vorteile des Gegenstands der vorliegenden Anmeldung werden noch umfassender in der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offengelegt, oder sie werden erkenntlich, wenn der im folgenden beschriebene Gegenstand in die Praxis umgesetzt wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zum besseren Verständnis der Vorteile des Gegenstands erfolgt eine ausführlichere Beschreibung des oben in Kürze beschriebenen Gegenstands unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Mit dem Hinweis, dass in diesen Zeichnungen lediglich typische Ausführungsformen des Gegenstands dargestellt und diese daher nicht als Einschränkung des diesbezüglichen Schutzbereichs aufzufassen sind, wird der Gegenstand anhand dieser Zeichnungen auf spezifischere und ausführlichere Weise beschrieben und erläutert, wobei

1 ein schematisches Blockschaltbild eines Verbrennungsmotorsystems ist, das ein Abgasnachbehandlungssystem und ein Steuergerät gemäß einer typischen Ausführungsform aufweist;
2 ein schematisches Blockschaltbild eines Steuergeräts eines Verbrennungsmotorsystems gemäß einer typischen Ausführungsform ist;
3 ein Diagramm der tatsächlichen und gemessenen NO_x-Werte und der Kraftstoffzufuhr in Abhängigkeit von der Zeit gemäß einer typischen Ausführungsform ist;
4 ein Diagramm der NO_x-Werte, die als Antwortsignal gemessen wurden, sowie eine geschätzte Kurvenanpassung der gemessenen NO_x-Werte gemäß einer typischen Ausführungsform ist;
5 ein schematisches Blockschaltbild eines Zeitkonstantenmoduls gemäß einer typischen Ausführungsform ist; und
6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung eines Zeitpunkt des Beginns des Abklingens einer Sensorsignalantwort gemäß einer typischen Ausführungsform ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In der gesamten vorliegenden Beschreibung ist eine Bezugnahme auf „die Ausführungsform“, „eine Ausführungsform“ oder ähnliche Aussagen derart aufzufassen, dass bestimmte Merkmale, Strukturen oder kennzeichnende Eigenschaften, die in Verbindung mit dieser Ausführungsform beschrieben werden, bei mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegeben sind. In der gesamten vorliegenden Beschreibung können sich die Formulierungen „in dieser Ausführungsform“, „in einer Ausführungsform“ oder ähnliche Aussagen stets auf ein und dieselbe Ausführungsform beziehen, müssen dies jedoch nicht notwendigerweise. In ähnlicher Weise bedeutet Verwendung des Begriffs „Umsetzung“, dass eine Umsetzung mit bestimmten Merkmalen, Strukturen oder kennzeichnenden Eigenschaften vorliegt, die in Verbindung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, wobei eine Umsetzung stets mit einer oder mehreren Ausführungsformen in Verbindung stehen kann, es sei denn, es wird ausdrücklich eine andersartige Verbindung hergestellt.
In der nachfolgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Einzelheiten aufgeführt, die dem umfassenden Verständnis der Ausführungsformen des Gegenstands der vorliegenden Anmeldung dienen. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass der Gegenstand der vorliegenden Anmeldung auch bei fehlendem Vorliegen einer oder mehrerer der spezifischen Einzelheiten oder aber mit anderen Verfahren, Bauteilen, Werkstoffen und so weiter in die Praxis umgesetzt werden kann. In anderen Fällen sind bekannte Strukturen, Werkstoffe oder Vorgänge nicht ausführlich abgebildet oder beschrieben, damit die Aspekte des Gegenstands der vorliegenden Anwendung deutlicher in Erscheinung treten.
Im vorliegenden Schriftstück sind verschiedenartige Ausführungsformen einer Vorrichtung, eines Systems und eines Verfahren zur richtigen Abschätzung der Verschlechterung des Ansprechverhaltens eines NO_x-Sensors beschrieben. In einigen Ausführungsformen wird die Verschlechterung des Ansprechverhaltens des NO_x-Sensors im Allgemeinen auf Grundlage eines Ansprechens des NO_x-Sensors im Schubbetrieb abgeschätzt, unter Verwendung eines Funktionsanpassungsverfahrens wie etwa desjenigen der kleinsten Quadrate, wobei die Auswahl aber nicht auf dieses Verfahren beschränkt ist. In einigen Umsetzungen wird bei der Abschätzung der Verschlechterung des Ansprechverhaltens des NO_x-Sensors eine mögliche Abweichung des Grundwerts sowie Durchgangsverzögerungen, die in Verbindung mit dem Antwortsignal des NO_x-Sensors auftreten können, berücksichtigt. In bestimmten Umsetzungen unterscheidet das Verfahren zur Abschätzung der Verschlechterung des Ansprechverhaltens des NO_x-Sensors zusätzlich zwischen einer allmählichen Verhaltensänderung eines NO_x-Sensorsignals, wobei diese ein Anzeichen für einen unbeschädigten und ordnungsgemäß funktionierenden NOx-Sensor sein kann, und einem verlangsamten Ansprechverhalten aufgrund einer Verschlechterung des Ansprechverhaltens des Sensors, wobei diese ein Anzeichen für einen alten oder gestörten NO_x-Sensor sein kann. Bei einigen Umsetzungen kommt in dem Verfahren darüber hinaus ein Zustand zur Anwendung, in welchem einem damit verbundenen Verbrennungsmotor keinerlei Kraftstoff zugeführt wird, um den Schätzwert der Verschlechterung des Ansprechverhaltens des NO_x-Sensors zu bestimmen. Obgleich die verschiedenartigen Ausführungsformen, die im vorliegenden Schriftstück beschrieben sind, mit einem NO_x-Sensor eines Abgasnachbehandlungssystems in Verbindung stehen, kann die Erfindung im wesentlichen auf einen beliebigen Sensor eines beliebigen Systems angewendet werden, wo immer dies erstrebenswert ist.
1 zeigt eine Ausführungsform eines Verbrennungsmotorsystems 10. Zu den Hauptbestandteilen des Motorsystems 10 gehören ein Verbrennungsmotor 100, ein Abgasnachbehandlungssystem 200, das mit dem Auspuff des Motors gekoppelt ist, und ein Steuergerät 300.
Bei dem Verbrennungsmotor 100 kann es sich um einen Verbrennungsmotor handeln, der durch Verdichtung gezündet wird, wie etwa um einen Motor, der mit Dieselkraftstoff betrieben wird, oder um einen Verbrennungsmotor, der mittels eines Zündfunkens gezündet wird, wie etwa um einen Ottomotor, der mager betrieben wird. Der Motor 100 umfasst einen Motorblock 111, ein Luftführungssystem 150 mit einem Lufteinlass 112, Einlasskrümmer 114, Abgasrückführungssystem 130 sowie ein Kraftstoffzufuhrsystem 140, das Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 115 umfasst, die derart mit einer Kraftstoffversorgung 142 Verbindung stehen, dass sie ein Fluid empfangen. Das Motorsystem 10 umfasst weiterhin einen Abgaskrümmer 116, Turboladerturbine 118, Turboladerkompressor 120 und verschiedenartige Sensoren. In der dargestellten Ausführungsform umfasst der Motor 100 beispielsweise Temperatursensoren (z.B. Temperatursensor 124), Drucksensoren (z.B. Drucksensor 126) einen Luftflussratensensor 156, NO_x-Sensoren (z.B. Motorausgangs-NO_x-Sensor 172), und Massenflussratensensoren (z.B. Abgas-Massenflussratensensor 174). Der Lufteinlass 112 wird über die Atmosphäre mit Luft versorgt und ist an eine Einlassöffnung des Einlasskrümmers 114 angeschlossen, um es zu ermöglichen, dass Luft in den Einlasskrümmer gelangt. Der Einlasskrümmer 114 umfasst eine Auslassöffnung, die im Betrieb mit den Verdichtungskammern 113 des Motorblocks 111 gekoppelt ist, um die Einlassladung, z.B. Luft, sowie Abgasrückführungsgas in die Kompressionskammern einzuleiten. Das Luftführungssystem 150 kann weiterhin ein Kompressor-Bypass-Ventil 152 umfassen, das wahlweise betätigt werden kann, um es der Einlassluft vom Lufteinlass 112 und dem Abgasrückführungsgas entweder, bei geöffnetem Ventil 132, zu ermöglichen, durch den Kompressor 120 strömen, oder aber am Kompressor vorbeizuströmen. Das Kraftstoffzufuhrsystem 140 leitet Kraftstoff in den Zylinder ein, damit dieser sich mit der Einlassladung und der Abgasrückführung vermischt, bevor es in dem Zylinder zur einer Verbrennung kommt.
In den Zylindern 113 des Motorblocks 111 wird die Luft aus der Atmosphäre sowie, wenn dies gewünscht wird, das Abgasrückführungsgas mittels der Einspritzvorrichtungen 115 mit dem eingespritzten Kraftstoff kombiniert, um den Motor anzutreiben. Die Einspritzvorrichtungen 115 sind elektrisch mit dem Steuergerät 300 verbunden, welches derart betrieben werden kann, dass es die Kraftstoffmenge steuert, die zur Verbrennung in die Verbrennungskammer eingespritzt wird. Die Verbrennung des Kraftstoffs und der Luft erzeugt Abgas, das im Betriebszustand zum Abgaskrümmer 116 abgeführt wird. Ausgehend vom Abgaskrümmer 116 kann ein Teil des Abgases zum Antrieb der Turboladerturbine 118 verwendet werden. Die Turbine 118 treibt den Turboladerkompressor 120 an, der zumindest einen Teil der am Lufteinlass 112 eintretenden Luft verdichtet, bevor er sie zum Einlasskrümmer 114 und in die Kompressionskammern 113 des Motorblocks 111 leitet. Der Motor 100 umfasst weiterhin ein Bypass-Ventil 119 der Turbine 118, das wahlweise geöffnet werden kann, um den Antrieb der Turbine 118 durch das Abgas zuzulassen, und das wahlweise geschlossen werden kann, damit die Abgase an der Turbine 118 vorbeiströmen und in Auspuffrohr 160 gelangen, das der Turbine nachgeschaltet ist.
Das Abgasnachbehandlungssystem 200 ist an das Auslassrohr 160 des Abgaskrümmers 116 gekoppelt. Zumindest ein Teil des Gases, das aus dem Abgaskrümmer 116 austritt, kann durch das Abgasnachbehandlungssystem 200 strömen. Wie oben erwähnt, umfasst der Motor 100 das Abgasrückführungssystem 130, welches ein Abgasrückführungsventil 132 aufweist, das derart ausgelegt ist, dass es geöffnet werden kann, damit ein Teil der Abgase zur Veränderung der Verbrennungseigenschaften des Motors 100 in die Kompressionskammern 113 zurückgeführt werden kann.
Im Allgemeinen ist das Abgasnachbehandlungssystem 200 dafür ausgelegt, verschiedenartige chemische Verbindungen und ausgestoßene Partikel zu beseitigen, die in dem Abgas enthalten sind, welches aus dem Abgaskrümmer 116 stammt und nicht in die Zylinder 113 des Motorblocks 111 zurückgeführt wird. Das Abgasnachbehandlungssystem 200 umfasst einen Oxidationskatalysator 210, einen Partikelfilter 220, ein SCR-System 230, das ein Reduktionsmittelzufuhrsystem 232 und einen SCR-Katalysator 234 aufweist sowie einen Ammoniak-Oxidationskatalysator (AMOX-Katalysator) 240. In Strömungsrichtung der Abgase, wobei diese durch den Richtungspfeil 244 angezeigt wird, kann Abgas aus dem Abgaskrümmerrohr 160 durch den Oxidationskatalysator 210, durch den Partikelfilter 220, durch den SCR-Katalysator 234, durch den AMOX-Katalysator 240 strömen und dann über ein Endrohr in die Atmosphäre ausgestoßen werden. Anders ausgedrückt, ist der Partikelfilter 220 dem Oxidationskatalysator 210 nachgeschaltet, der SCR-Katalysator 234 dem Partikelfilter 220 nachgeschaltet, und der AMOX-Katalysator 240 dem SCR-Katalysator 234 nachgeschaltet. Im Allgemeinen enthalten daher Abgase, die im Abgasnachbehandlungssystem 200 behandelt und anschließend in die Atmosphäre freigesetzt werden, erheblich weniger Schadstoffe, wie etwa Dieselpartikel, NO_x, Kohlenwasserstoffe, wie etwa Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, als unbehandelte Abgase.
Bei dem Oxidationskatalysator 210 kann es sich um einen beliebigen der verschiedenartigen Durchfluss-Dieseloxidationskatalysatoren (DOC) handeln, die innerhalb des Fachgebietes bekannt sind. Im Allgemeinen ist der Oxidationskatalysator 210 dafür ausgelegt, zumindest einige Partikel, z.B. die lösliche organische Rußfraktion, im Abgas zu oxidieren und die unverbrannten Kohlenwasserstoffe sowie CO im Abgas zu weniger umweltschädlichen Verbindungen zu reduzieren. So kann der Oxidationskatalysator 210 beispielsweise die Kohlenwasserstoff- und CO-Konzentrationen im Abgas hinreichend stark vermindern, um die geltenden Emissionsnormen zu erfüllen.
Bei dem Partikelfilter 220 kann es sich um einen beliebigen der verschiedenartigen Partikelfilter handeln, die innerhalb des Fachgebietes bekannt sind, wobei er dafür ausgelegt ist, die Konzentrationen an Partikeln, z.B. an Ruß und Asche, im Abgas zu vermindern, um die geltenden Emissionsnormen zu erfüllen. Der Partikelfilter 220 kann elektrisch mit einem Steuergerät, wie etwa dem Steuergerät 300, verbunden sein, welches die verschiedenartigen Kennwerte des Partikelfilters, wie beispielsweise den Zeitpunkt und die Dauer von Filterregenerierungsvorgängen, steuert. In einigen Umsetzungen ist der Partikelfilter 220 und das damit verbundene Steuersystem den jeweiligen Partikelfiltern und Steuersystemen gleich oder ähnlich, welche in US 7 231 291 B2 ; US 7 562 524 B2 ; US 7 478 527 B2 ; US 7 587 892 B2 beschrieben sind und durch Verweis in das vorliegende Schriftstück einbezogen werden (nachstehend als „einbezogene Partikelfilteranmeldungen“ bezeichnet).
Das SCR-System 230 kann dem SCR-System ähnlich sein, das in US 8 109 079 B2 , US 8 074 445 B2 , US 8 181 450 B2 , und US 8 161 730 B2 beschrieben ist, wobei diese durch Verweis in das vorliegende Schriftstück einbezogen werden (nachstehend als „einbezogene SCR-Patentanmeldungen“ bezeichnet).
Das SCR-System 230 umfasst beispielsweise ein Reduktionsmittelzufuhrsystem 232, das eine Reduktionsmittelquelle, -pumpe und -abgabevorrichtung oder -einspritzvorrichtung umfasst, wobei diese nicht dargestellt sind. Bei der Reduktionsmittelquelle kann es sich um einen Behälter oder Tank handeln, der ein Reduktionsmittel, wie etwa Ammoniak (NH₃), Harnstoff, Dieselkraftstoff oder Dieselöl aufnehmen kann. Die Reduktionsmittelquelle ist derart mit der Pumpe verbunden, dass sie Reduktionsmittel liefert, wobei die Pumpe dafür ausgelegt ist, Reduktionsmittel von der Reduktionsmittelquelle zur Abgabevorrichtung zu pumpen. Die Abgabevorrichtung kann eine Reduktionsmitteleinspritzvorrichtung umfassen, die dem SCR-Katalysator 234 vorgeschaltet ist. Die Einspritzvorrichtung ist wahlweise derart steuerbar, dass sie Reduktionsmittel direkt in den Abgasstrom einspritzt, bevor dieser in den SCR-Katalysator 234 eintritt. In einigen Ausführungsformen kann es sich bei dem Reduktionsmittel entweder Ammoniak handeln oder um Harnstoff, der zu Ammoniak zerfällt. In Gegenwart des SCR-Katalysators 234 reagiert der Ammoniak mit NO_x, sodass das NO_x zu weniger schädlichen Emissionen, wie etwa N₂ und H₂O reduziert wird. Bei dem SCR-Katalysator 234 kann es sich um einen beliebigen der verschiedenartigen Katalysatoren handeln, die innerhalb des Fachgebietes bekannt sind. In einigen Umsetzungen handelt es sich beispielsweise bei dem SCR-Katalysator 234 um einen Katalysator auf Vanadiumbasis, und in anderen Umsetzungen handelt es sich bei dem SCR-Katalysator um einen Katalysator auf Zeolithbasis, wie etwa einen Cu-Zeolith- oder einen Fe-Zeolith-Katalysator. In einer typischen Ausführungsform handelt es sich bei dem Reduktionsmittel um eine wässrige Harnstofflösung, und der SCR-Katalysator 234 ist ein Katalysator auf Zeolithbasis.
Der AMOX-Katalysator 240 kann ein beliebiger der verschiedenartigen Durchflusskatalysatoren sein, die dafür ausgelegt sind, mit Ammoniak zu reagieren, um hauptsächlich Stickstoff zu erzeugen. Im Allgemeinen wird der AMOX-Katalysator 240 zur Beseitigung von Ammoniak verwendet, der den SCR-Katalysator 234 durchlaufen hat oder aus diesem ausgetreten ist, ohne mit dem NO_x im Abgas zu reagieren. In bestimmten Fällen kann das Nachbehandlungssystem 200 mit oder ohne AMOX-Katalysator betrieben werden. Weiterhin kann der AMOX-Katalysator 240 in einigen Umsetzungen, obwohl er als eine vom SCR-Katalysator 234 getrennte Einheit dargestellt ist, mit dem SCR-Katalysator zusammengelegt sein, z.B. können der AMOX-Katalysator und der SCR-Katalysator im selben Gehäuse angeordnet sein.
Wie in 1 dargestellt ist, umfasst das Abgasnachbehandlungssystem 200 verschiedenartige Sensoren, wie etwa Temperatursensoren (z.B. Temperatursensoren 224, 224A, 224B), Drucksensor (z.B. Drucksensor 226), Sauerstoffsensoren (z.B. Sauerstoffsensor 270), NO_x-Sensoren (z.B. NO_x-Sensor 272A des SCR-Katalysators, NO_x-Sensor 272B der SCR-Katalysatorauslassöffnung und NO_x-Sensor 272C des Endrohrs), duale Ammoniak/NO_x-Sensoren (nicht dargestellt) und Ähnliches, wobei diese im gesamten Abgasnachbehandlungssystem angeordnet sind.
Die verschiedenartigen Sensoren des Motors 100 und Abgasnachbehandlungssystems 200 können elektrisch mit dem Steuergerät 300 verbunden sein. Das Steuergerät 300 kann derart betrieben werden, dass es die Betriebsbedingungen überwacht und den Motor 100 und das Abgasnachbehandlungssystem 200 steuert. In einigen Umsetzungen umfasst das Motorsystem 10 ein Signalrelais 20, das derart mit einem oder mehreren Sensoren des Systems 10 verbunden ist, dass es Signale empfängt. Obgleich das Signalrelais 20 in 1 derart dargestellt ist, dass es in elektrischer Verbindung mit dem NO_x-Sensor 172 der Motorauslassöffnung, dem Sauerstoffsensor 270 der Partikelfilterauslassöffnung, dem Ammoniaksensor 274 der SCR-Katalysatoreinlassöffnung, dem NO_x-Sensor 272A des SCR-Katalysators, den Temperatursensoren 124A, 124B der Abgaseinlass- und auslassöffnung des AMOX-Katalysators, dem NO_x-Sensor 272B der AMOX-Katalysatoreinlassöffnung und dem NO_x-Sensor 272C des Endrohrs steht, kann das Signalrelais 20 mit einer geringeren oder größeren Anzahl von dargestellten oder nicht-dargestellten Sensoren des Motorsystems 10 elektrisch in Verbindung stehen. Das Signalrelais 20 kann empfangene Signale zur Berechnung und Auswertung an das Steuergerät übertragen. In bestimmten Umsetzungen umfasst das Motorsystem 10 kein Signalrelais 20, und jeder der verschiedenartigen Sensoren des Motorsystems steht direkt mit dem Steuergerät 300 elektrisch in Verbindung.
Die Sensoren des Motorsystems 10 sind dafür ausgelegt, einen Eigenschaftswert zu detektieren und ein Antwortsignal zu erzeugen, das den detektierten Eigenschaftswert wiedergibt. Die Sensoren des Motorsystems 10 können beispielsweise dafür ausgelegt sein, die jeweiligen Eigenschaftswerte zu detektieren, die mit dem Abgasstrom vom Motor 100 durch das Abgasnachbehandlungssystem 200 in Verbindung stehen. Die Sensoren können dafür ausgelegt sein, die jeweiligen Eigenschaftswerte in regelmäßigen Zeitabständen, z.B. alle 200 Millisekunden, zu detektieren oder an einer Probe zu bestimmen. Für jeden Detektionszeitraum überträgt ein Sensor eine Antwort, die den detektierten Eigenschaftswert wiedergibt, über ein Signalrelais 20 an das Steuergerät 300, sofern dies gewünscht wird. Das Steuergerät verarbeitet die Antwort, die es vom Sensor empfangen hat, unter Verwendung zuvor festgelegter Referenztabellen oder Algorithmen, um der detektierten Eigenschaft einen Zahlenwert zuzuordnen. Bei unbeschädigten Sensoren ist das Ansprechverhalten der Sensoren nach der Detektion eines Eigenschaftswerts verhältnismäßig schnell, z.B. übersteigt es einen bestimmten Schwellenwert. Bei gealterten oder mangelhaften Sensoren hingegen kann das Ansprechverhalten der Sensoren verhältnismäßig langsam sein, z.B. unterschreitet es einen Schwellenwert. Im Zusammenhang mit Motorsystemen gilt, dass bei einem langsamen Ansprechverhalten die Richtigkeit des Sensors beeinträchtigt wird, sodass die Leistungsfähigkeit des Systems und die Einhaltung der Emissionsvorgaben gestört werden. Dementsprechend gibt es Bestimmungen, die bordgestützte diagnostische Steuervorrichtungen vorschreiben, welche dem Anwender mitteilen, dass sich bei einem Sensor das Ansprechverhalten derart verschlechtert hat, dass ein bestimmter Schwellenwert überschritten wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Steuergerät 300 dafür ausgelegt, das Ausmaß der Verschlechterung der Ansprechverhaltens verschiedenartiger Sensoren abzuschätzen. Das Steuergerät 300 weist daraufhin ein bordgestütztes Diagnosesystem an, den Anwender zu warnen, dass ein geschätzten Ausmaß der Verschlechterung einen Schwellenwert überschreitet, wobei die Verbindung über die bordgestützte Diagnoseschnittstelle 900 erfolgt. Das Steuergerät 300 in 1 ist als ein einzige gegenständliche Einheit dargestellt, wobei es jedoch in einigen Ausführungsformen zwei oder mehr gegenständlich getrennte Einheiten umfassen kann, wenn dies gewünscht wird. Im Allgemeinen empfängt das Steuergerät 300 mehrere Eingangssignale, verarbeitet die Eingangssignale und überträgt mehrere Ausgangssignale. Die mehreren Eingangssignale können Messwerte der Sensoren, virtuelle Sensoreingangssignale und verschiedenartige Anwendereingaben umfassen. Die Eingangssignale werden vom Steuergerät 300 unter Verwendung verschiedenartiger Algorithmen, gespeicherter Daten und anderer Eingangssignale verarbeitet, um die gespeicherten Daten zu aktualisieren und/oder Ausgabewerte zu erzeugen. Die erzeugten Ausgabewerte und/oder Befehle werden an andere Bauteile des Steuergeräts und/oder an ein oder mehrere Elemente des Motorsystems 10 übertragen, um das System derart zu steuern, dass die angestrebten Ergebnisse erzielt werden und, auf spezifischere Weise, die angestrebten Abgasemissionen am Endrohr erzielt werden. Der Einfachheit halber erfolgt die Beschreibung der Merkmale des Steuergeräts 300 hinsichtlich der Abschätzung der Verschlechterung des Ansprechverhaltens unter Bezugnahme auf den Endrohr-NO_x-Sensor 272C. Es ist jedoch unbestreitbar, dass die folgenden Prinzipien, die mit der Verschlechterung des Ansprechverhaltens in Verbindung stehen, auf andere Sensoren anwendbar sind, die dafür ausgelegt sind, andere Eigenschaftswerte zu detektieren, ohne dass wesentliche Abweichungen von der Erfindung erforderlich wären.
Unter Bezugnahme auf 2 umfasst das Steuergerät 300 ein Motorsteuermodul 310, das dafür ausgelegt ist, den Motor 100 im Schubbetrieb zu betreiben, indem es einen Befehl zur Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr 315 erzeugt. Der Befehl zur Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr 315 wird direkt an die Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 115 oder ein Kraftstoffeinspritzsteuermodul (nicht dargestellt) übertragen. Als Antwort auf den Befehl zur Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr 315 unterbrechen die Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 115 die Zufuhr von Kraftstoff in die Verbrennungskammern. Unter Bezugnahme auf das Diagramm 400 der 3 wird in einem Beispiel die Kraftstoffzufuhr zum Motor 100, welche durch die Linie 410 dargestellt ist, zu einem Zeitpunkt T_start unterbrochen. Da keinerlei Kraftstoff in die Verbrennungskammern gelangt, findet keine Verbrennung statt und die Verbrennungsnebenprodukte im Abgas, welches den Motor 100 verlässt, werden näherungsweise zum selben Zeitpunkt, an dem die Kraftstoffzufuhr ausbleibt und der Schubbetrieb beginnt, das heißt zum Zeitpunkt T_start, auf einen konstanten Wert gesenkt. Im Falle der NO_x-Konzentration im Abgas wird der Wert im Schubbetrieb näherungsweise auf null gesenkt. Die tatsächliche Menge an NO_x im Abgas, das den Motor verlässt, ist durch die Linie 420 dargestellt.
Schlussendlich wird die tatsächliche Menge an NO_x, die das Endrohr verlässt, wobei diese im Diagramm 400 durch die Linie 430 dargestellt ist, zum Zeitpunkt T_Abkling auf näherungsweise null oder unter einen Schwellenwert fallen. Die Differenz zwischen der Zeitpunkt T_start und dem Zeitpunkt T_Abkling ist als eine Durchgangsverzögerung definiert. Auf spezifischere Weise steht die Durchgangsverzögerung für die Zeitspanne, die verstreicht, bis die letzte Menge an NO_x, die vom Motor 100 erzeugt wird, bevor der Schubbetrieb beginnt, durch die Systeme, die dem Motor nachgeschaltet sind, durch das Abgasnachbehandlungssystem und bis zum Endrohr-NO_x-Sensor 272C gelangt ist. Die Durchgangsverzögerung eines Motorsystems 10 hängt von vielen Faktoren ab und ist typischerweise je nach Fahrzeugplattform unterschiedlich. Zu den typischen Faktoren gehören die Größe der Bauteile des Nachbehandlungssystems, die Länge des Nachbehandlungssystems, die Anzahl an Bauteilen des Nachbehandlungssystems usw. Je nach Auslegung des Motorsystems kann die Durchgangsverzögerung in einigen Ausführungsformen im Bereich von ungefähr 20 bis 90 Millisekunden bis zu ungefähr sechs Sekunden liegen.
Das Motorsteuermodul 310 kann dafür ausgelegt sein, den Motor 100 gemäß einem Testprogamm für den Endrohr-NO_x-Sensor im Schubbetrieb zu betreiben. Das Testprogamm für den Endrohr-NO_x-Sensor kann mehrere Testzeiträume umfassen, die mit einer zuvor festgelegten Häufigkeit aufeinanderfolgen, beispielsweise jeden Tag, jede Woche, jeden Monat oder mit einer anderen angestrebten Wiederholhäufigkeit. Alternativ dazu können die Testzeiträume das Testprogamm für den Endrohr-NO_x-Sensor im Laufe der Zeit auf Grundlage von beliebigen verschiedenartiger Motorbetriebsbedingungen, Anwendereingaben und externen Faktoren angepasst werden. Die Testzeiträume stellen jeweils einen Zeitraum dar, in welchem das Steuergerät 300 Sensorsignaldaten empfängt und speichert. Nach einem Testzeitraum schätzt das Steuergerät 300 einen gegenwärtigen Wert der Verschlechterung des Endrohr-NO_x-Sensors 272C und leitet erforderlichenfalls einen OBD-Warnbefehl an die OBD-Schnittstelle 900 weiter.
Der Testzeitraum ist im Diagramm 400 als Zeit zwischen dem Zeitpunkt T_start und dem Zeitpunkt T_Ende dargestellt.
Während der Motor 100 im Schubbetrieb läuft, überwacht ein Signalüberwachungsmodul 320 des Steuergeräts 300 Sensorsignale 305, die vom Endrohr-NO_x-Sensors 272C empfangen werden. Ein typisches überwachtes Sensorsignal 305 von einem Endrohr-NO_x-Sensor 272C ist durch die Linie 440 des Diagramms 400 dargestellt (siehe 3). Wie unten ausführlicher beschrieben wird, speichert das Signalüberwachungsmodul 320 in einem Speicher mehrere NO_x-Sensor-Datenpunkte. Jeder Datenpunkt umfasst einen NO_x-Wert, der von einem Sensorsignal 305 angezeigt wird, und einen damit verbundenen Zeitwert, der für einen Zeitpunkt stehen kann, an welchem das Signal vom Signalüberwachungsmodul empfangen wurde. Das Signalüberwachungsmodul 320 zeichnet kontinuierlich Datenpunkte auf und speichert diese, während der Motor im Schubbetrieb läuft, z.B. während der Testzeiträume des NO_x-Sensors oder zwischen dem Zeitpunkt T_Start und dem Zeitpunkt T_Ende (siehe 3).
In 3 ist zu sehen, dass die Menge an NO_x 440, welche im Abgasstrom im Bereich des Endrohrs detektiert wird, zum Zeitpunkt T_Abkling nicht auf null oder nahe null absinkt, wie auch die Menge an NO_x 430, die sich tatsächlich im Abgasstrom befindet. Zum Zeitpunkt T_Abkling beginnt die detektierte Menge an NO_x 440 eher abzuklingen, und zwar gemäß einer nahezu exponentiellen Funktion, selbst wenn das Endrohr-NO_x-Sensorsignal eine Treppenfunktion ist Dementsprechend kann das Abklingverhalten der detektierten Menge an NO_x 440 quantifiziert werden, indem mittels einer exponentiellen Funktion ein Modell der nahezu exponentiellen Funktion erstellt wird und das Abklingverhalten der nahezu exponentiellen Funktion als das Abklingverhalten der exponentiellen Funktion definiert wird. Um die Aufgabe der Parameterschätzung leichter formulieren zu können, kann die exponentielle Funktion gemäß der nachfolgenden Beschreibung als Lösung einer nicht-homogenen linearen Differentialgleichung erster Ordnung dargestellt werden.
Da das Fahrzeug zum Zeitpunkt T_Abkling im Schubbetrieb läuft, steht die langsame Änderung des Endrohr-NO_x-Sensorsignals 440 nach dem Zeitpunkt T_Abkling (anders als die schnelle Änderung der tatsächlichen NO_x-Konzentration 430) ausschließlich mit der inhärenten Sensordynamik in Beziehung. Dementsprechend geht das Ansprechverhalten des Sensors zurück, je weiter sich der Sensor verschlechtert (d.h. die Ansprechfrist nimmt zu) Das Zeitkonstantenmodul 330 des Steuergeräts ist dafür ausgelegt, unter Verwendung eines Kurvenanpassungsverfahrens eine Zeitkonstante der detektierten Menge an NO_x abzuschätzen. Die Kurvenanpassung 460 des Abklingens des Signals der detektierten Menge an NO_x 440 ist im Diagramm 450 der 4 dargestellt. Die Kurvenanpassung 460 der Figur kann durch die folgende Gleichung dargestellt werden: $N O x = A \cdot e^{(- \frac{(t - t_{0})}{τ})} + N O x_{0}$
wobei A die anfängliche Amplitude des Signals, vor dem Abklingen ohne Abweichung im Sensorverhalten ist, τ eine Zeitkonstante ist, die das Abklingverhalten oder die Verschlechterung des Signals wiedergibt und NOx₀ die Abweichung des NO_x-Grundwerts 360 ist (siehe 3 und 4).
Gemäß der vorliegenden Begriffsbestimmung ist die Abweichung des NO_x-Grundwerts der Unterschied zwischen einem gemessenen Ausgabesignal einer Eigenschaft im Gleichgewichts- oder Ruhezustand und dem tatsächlichen Eigenschaftswert im Gleichgewichts- oder Ruhezustand. Im Allgemeinen gibt die Abweichung des NO_x-Grundwerts NOx₀ das Grundrauschen im System oder die Unbestimmtheit im Rechenmodell wieder. Typischerweise nimmt die Abweichung des NO_x-Grundwerts NOx₀ einen Wert an, der von null verschieden ist, da in der Praxis der NO_x-Wert nicht exponentiell abklingt und zumindest ein gewisses Grundrauschen vorhanden ist. Die Zeitkonstante τ steht für die Zeitkonstante für eine kontinuierliche mathematische Funktion, die der Gleichung 1 ähnlich ist. Anders ausgedrückt gibt die Zeitkonstante τ wieder, wie rasch das NO_x-Signal das Gleichgewicht erreicht, und sie ist gleich dem Kehrwert des exponentiellen Abklingverhaltens mit negativem Vorzeichen. Die Zeitkonstante τ kann dazu verwendet werden, die Verschlechterung des Ansprechverhaltens des NO_x-Sensors zu bewerten. Um die Zeitkonstante τ für die kontinuierliche Funktion zu bestimmen, ist das Zeitkonstantenmodul 330 dafür ausgelegt, zunächst eine Konstante k einer zeitdiskreten Näherung der kontinuierlichen mathematischen Funktion (z.B. Gleichung 1) zu bestimmen, wie unten beschreiben wird.
Gemäß einer typischen Ausführungsform schätzt das Zeitkonstantenmodul 330 die Parameter, welche die exponentielle Abklingkurve 460 definieren, indem die Abklingkurve an die Signalkurve 440 angepasst wird. Die Gleichung 1 kann als Lösung einer nicht-homogenen linearen Differenzengleichung erster Ordnung dargestellt werden. Da die heutigen Rechner in diskreten Schritten rechnen, besteht eine leichter anwendbare Form der Parameterschätzung darin, sich der nicht-homogenen linearen Differentialgleichung erster Ordnung mittels einer nicht-homogenen linearen Differenzengleichung anzunähern. In dieser Ausführungsform kann ein beliebiges der verfügbaren Näherungsverfahren verwendet werden. Eine der Näherungen führt zu der folgenden linearen Differenzengleichung: $F = y_{t} = k * (u - y_{t - 1}) + y_{t - 1} = k_{2} - k y_{t - 1} + y_{t - 1}$
wobei y, die NO_x-Konzentration zum laufenden Probennahmezeitpunkt i ist, k eine bekannte Funktion der Zeitkonstante τ und der Probennahmezeitraums ist, u die Abweichung NOx₀ des NO_x-Grundwerts ist, und k₂ gleich k-mal u ist.
Für einen gegebenen Datensatz {(t₁,y₁), (t₂,y₂), ... (t_n,y_n)} ist die Kurvenanpassung mittels der kleinsten Quadrate 460 über die Werte von k und k₂ definiert, die den kleinsten Wert für Π liefern, wie in der folgenden Gleichung 3 dargestellt ist: $Π = {\sum_{t = 1}^{n} [y_{t} - F]}^{2} = \sum_{t = 1}^{n} {[y_{t} - k_{2} + k y_{t - 1} - y_{t - 1}]}^{2} = min$
Die Werte für k und k₂, die in Gleichung 3 eine Minimierung von Π bewirken, können erzielt werden, indem die partielle Ableitung der Summe Π nach k und k₂ gebildet und folgendermaßen gleich null gesetzt wird: $\frac{\partial Π}{\partial k} = 2 \sum_{t = 1}^{n} y_{t - 1} [(y_{t} - y_{t - 1}) - k_{2} + k y_{t - 1}] = 0$
$\frac{\partial Π}{\partial k_{2}} = - 2 \sum_{t = 1}^{n} [(y_{t} - y_{t - 1}) - k_{2} + k y_{t - 1}] = 0$
Die Gleichung 4 kann umgestellt werden, sodass sich Folgendes ergibt: $\sum_{t = 1}^{n} y_{t - 1} (y_{t} - y_{t - 1}) = k_{2} \sum_{t = 1}^{n} y_{t - 1} - k \sum_{t = 1}^{n} {(y_{t - 1})}^{2}$
und die Gleichung kann umgestellt werden, sodass sich Folgendes ergibt: $\sum_{t = 1}^{n} (y_{t} - y_{t - 1}) = k_{2} \sum_{i = 1}^{n} 1 - k \sum_{t = 1}^{n} y_{t - 1}$
Um die Gleichungen 6 und 7 zu vereinfachen, können die folgenden Substitutionen vorgenommen werden: $\begin{matrix} a_{1} = \sum_{t = 1}^{n} y_{t - 1} & (8) & b_{1} = \sum_{t = 1}^{n} - {(y_{t - 1})}^{2} & (9) \end{matrix}$
$\begin{matrix} c_{1} = \sum_{t = 1}^{n} y_{t - 1} (y_{t} - y_{t - 1}) & (10) & a_{2} = \sum_{t = 1}^{n} 1 = n & (11) \end{matrix}$
$\begin{matrix} b_{2} = \sum_{t = 1}^{n} - y_{t - 1} & (12) & c_{2} = \sum_{t = 1}^{n} (y_{t -} y_{t - 1}) & (13) \end{matrix}$
sodass sich Folgendes ergibt: $c_{1} = k_{2} a_{1} + k b_{1}$
$c_{2} = k_{2} a_{2} + k b_{2}$
Wenn die Gleichungen 14 und 15 nach k und k₂ aufgelöst werden, sowie bei Verwendung einer Beziehung zwischen u, k und k₂, werden die folgenden Lösungen erhalten: $k = \frac{a_{2} c_{1} - a_{1} c_{2}}{a_{2} b_{1} - a_{1} b_{2}}$
$k_{2} = \frac{b_{1} c_{2} - b_{2} c_{1}}{a_{2} b_{1} - a_{1} b_{2}}$
$u = \frac{k_{2}}{k}$
Wie oben erörtert, kann der Schätzwert für die Zeitkonstante τ ausgehend von k folgendermaßen über eine direkte Beziehung bestimmt werden: $k = 1 - e^{- d T / τ}$
Anstelle der Verwendung von Gleichung 19, oder zusätzlich dazu, können andere Ansätze und/oder Näherungen verwendet werden, um die Zeitkonstante τ ausgehend von k zu bestimmen. In der Gleichung 18 ist der Parameter u gleich der Abweichung NOx₀ des NO_x-Grundwerts aus Gleichung 1. Dementsprechend, auf Grundlage des oben erörterten Verfahrens der kleinsten Quadrate, ist das Zeitkonstantenmodul 330 dafür ausgelegt, die Zeitkonstante 335 (d.h. die Zeitkonstante τ) des Endrohr-NO_x-Sensorsignals bei Schubbetrieb zu bestimmen, sowie die Abweichung NOx₀ des NO_x-Grundwerts des Endrohr-NO_x-Sensorsignals, d.h. die Abweichung des NO_x-Grundwerts 360 (siehe 2).
Für Ausführungsformen, bei denen ein anderen Anpassungsverfahren als die kleinsten Quadrat verwendet wird (d.h. Anpassungsverfahren, bei denen eine andere Definition von Π als in Gleichung 3 zur Anwendung kommt, können die Formulierungen zur Abschätzung von k und k₂ anders als diejenigen sein, welche in den Gleichungen 16 beziehungsweise 17 angegeben sind. Für ein anderes Anpassungsverfahren als die kleinsten Quadrat können die Formulierungen zur Abschätzung von k und k₂ erhalten werden, indem ein ähnlicher Ableitungsvorgang verfolgt wird, wie derjenige, welcher in den obigen Gleichungen 4-19 dargestellt ist, wobei jedoch in Verbindung mit dem Anpassungsverfahren eine andere Definition von Π zur Anwendung kommt.
Auf Grundlage der geschätzten Zeitkonstante τ ist das Ansprechverschlechterungsmodul 340 dafür ausgelegt, einen Wert 345 oder Faktor der Verschlechterung des Ansprechverhaltens zu bestimmen. Der Wert 345 der Verschlechterung des Ansprechverhaltens kann ein beliebiger der verschiedenartigen Werte sein, die ein Ausmaß der Verschlechterung des Ansprechverhaltens des Endrohr-NO_x-Sensors wiedergeben. Beispielsweise kann der Wert 345 der Verschlechterung des Ansprechverhaltens eins-zu-eins der geschätzten Zeitkonstante τ oder einem gleichwertigen Wert entsprechen, wie etwa einem maßstäblichen Prozentsatz oder Verhältniswert.
Der bestimmte Wert 345 der Verschlechterung des Ansprechverhaltens wird anschließend mit einem Schwellenwert verglichen, der zuvor vom OBD-Modul 350 festgelegt wurde. Auf Grundlage des Vergleichs zwischen dem Wert 345 der Verschlechterung des Ansprechverhaltens und dem Schwellenwert kann das OBD-Modul 350 einen Warnbefehl 355 aussenden. Wenn beispielsweise der Schwellenwert für eine Verschlechterung des Ansprechverhaltens des Endrohr-NO_x-Sensor steht, die gemäß Emissionsvorschriften maximal zulässig ist, wird das OBD-Modul 350 einen Warnbefehl 355 aussenden, wenn der Wert 345 der Verschlechterung des Ansprechverhaltens den Schwellenwert überschreitet. Als Antwort auf den Empfang eines Warnbefehl 355 befiehlt die OBD-Schnittstelle 900 einem OBD-Anzeiger, einen Anwender zu warnen, dass der Wert der Verschlechterung des Ansprechverhaltens einen Schwellenwert überschreitet. In einigen Fällen wird die Warnung dem Anwender anzeigen, ob der Sensor korrekt funktioniert oder versagt hat, z.B. dass er ersetzt werden muss oder eine Betriebsstörung aufweist.
Das Zeitkonstantenmodul 330 ist weiterhin dafür ausgelegt, die Durchgangsverzögerung 365 zu bestimmen, welche gleich dem Zeitraum zwischen dem Zeitpunkt T_start und dem Zeitpunkt T_Abkling ist, wie oben erörtert wurde. Im Allgemeinen wird die Durchgangsverzögerung 365 bestimmt, indem der Zeitpunkt T_Abkling abgeschätzt wird, an welchem das Abklingen des Signals oder das Ansprechen erster Ordnung beginnt. Darüber hinaus kann eine richtige Abschätzung des Zeitpunkts, an welchem das Abklingen des Signal beginnt, d.h. von T_Abkling, bei der Abschätzung einer richtigen Zeitkonstante von Bedeutung sein.
Unter Bezugnahme auf die 5 umfasst das Zeitkonstantenmodul 330 ein Durchgangsverzögerungsmodul 380, das ein Testzeitfenstermodul 400, ein Kurvenanpassungsmodul 410, ein Vergleichsmodul 420, ein Durchgangsverzögerungsberechnungsmodul 430 umfasst. Das Durchgangsverzögerungsmodul 380 verwendet ein Verfahren 600 zur Bestimmung der Durchgangsverzögerung 365 (siehe 6). Im Allgemeinen umfasst das Verfahren 600 das Auswerten von Daten, die eine geraume Zeit nach dem Beginn des Ansprechens erster Ordnung anfallen (z.B. rechts des Zeitpunkts T_Abkling im Diagramm 400) sowie das schrittweise Rückverfolgen zwecks Auswertung früherer Daten. Die früheren Daten werden mit den späteren Daten verglichen, bis der Punkt gefunden wird, an welchem das Abklingen der Antwort einsetzt (z.B. der Zeitpunkt T_Abkling). Bei 610 des Verfahrens 600 wählt das Testzeitfenstermodul 400 ein Testzeitfenster aus, innerhalb dessen Datenpunkte dazu verwendet werden können, den Beginn eines geschätzten Ansprechen erster Ordnung zu bestimmen. In bestimmten Umsetzungen erstreckt sich das Testzeitfenster vom Zeitpunkt T_start bis zu einem variablen Zeitpunkt T_w. Der Zeitpunkt T_w hängt von einem oder mehreren Faktoren ab, wenn dies gewünscht wird. In Systemen, die beispielsweise Sensoren mit verhältnismäßig langen Ansprechzeiten oder verhältnismäßig lange Abgasnachbehandlungssysteme haben, liegt der Zeitpunkt T_w deutlich nach dem Zeitpunkt T_Start, z.B. 20 Sekunden nach dem Zeitpunkt T_Start. In Systemen, die Sensoren mit verhältnismäßig kurzen Ansprechzeiten oder verhältnismäßig kurze Abgasnachbehandlungssysteme haben, liegt der Zeitpunkt T_w verhältnismäßig nahe am Zeitpunkt T_Start, z.B. 5 Sekunden nach dem Zeitpunkt T_Start· Darüber hinaus können die Flussrate des Abgases durch das Nachbehandlungssystem und der Durchmesser des Auspuffrohrs die Auswahl der Zeitpunkts T_w beeinflussen.
Nach der Auswahl des Testzeitfenster durch das Testzeitfenstermodul 400 verwendet das Kurvenanpassungsmodul 410 eine ausgewählte Anzahl von Datenpunkten innerhalb des Testzeitfensters zwischen dem Zeitpunkt T_w und dem variablen Zeitpunkt T_n (siehe 3), der innerhalb des Testzeitfensters liegt, um eine vorläufige oder erste Zeitkonstante zu bestimmen, die der Zeitkonstante 335 ähnlich ist, sowie eine vorläufige oder erste Abweichung des NO_x-Grundwerts, die der Abweichung 360 des NO_x-Grundwerts ähnlich ist. Das Kurvenanpassungsmodul 410 verwendet daraufhin die vorläufigen Werte der Zeitkonstante und der Abweichung des NO_x-Grundwerts, um bei 620 des Verfahrens 600 die Parameter einer vorläufigen oder ersten Kurve des abklingenden Antwortsignals 440 unter Verwendung der oben erörterten Gleichungen und Techniken abzuschätzen. In bestimmten Umsetzungen sind die ausgewählten Datenpunkte weniger zahlreich als die Gesamtheit der Datenpunkte, welche das Signalüberwachungsmodul 320 zwischen dem Zeitpunkt T_w und dem Zeitpunkt T_n gespeichert hat. Das Signalüberwachungsmodul 320 speichert beispielsweise sehr häufig Datenpunkte, z.B. alle 200 Millisekunden. Die Datenpunkte, welche vom Kurvenanpassungsmodul 410 ausgewählt werden, können indes weniger zahlreich sein und lediglich alle 1.000 Millisekunden oder noch seltener auftreten. Die ausgewählten Datenpunkte werden dazu verwendet, eine vorläufige oder erste Zeitkonstante sowie eine vorläufige oder erste Abweichung des NO_x-Grundwerts zu bestimmen, welche dazu verwendet werden, eine vorläufige oder erste Kurvenanpassung zwischen dem Zeitpunkten T_w und dem Zeitpunkt T_n abzuschätzen.
Das Kurvenanpassungsmodul 410 verwendet die Parameter der vorläufigen oder ersten Kurvenabschätzung zwischen dem Zeitpunkt T_w und dem Zeitpunkt T_n, um den NO_x-Wert zum Zeitpunkt T_n-1 bei 630 des Verfahrens 600 abzuschätzen. Bei 640 des Verfahrens vergleicht das Vergleichsmodul 420 den geschätzten NO_x-Wert zum Zeitpunkt T_n-1 mit dem tatsächlichen NO_x-Wert zum Zeitpunkt T_n-1. Wenn der Unterschied zwischen dem geschätzten NO_x-Wert zum Zeitpunkt T_n-1 und dem tatsächlichen NO_x-Wert zum Zeitpunkt T_n-1 bei 650 des Verfahrens 600 unter einem Schwellenwert liegt, wird n bei 660 auf n-1 gesetzt, sodass der Zeitpunkt T_n zum Zeitpunkt T_n-1 wird und der Zeitpunkt T_n-1 zum Zeitpunkt T_n-2. Das Kurvenanpassungsmodul 410 schätzt daraufhin neue Parameter einer neuen Kurve, unter Verwendung eines oder mehrerer zusätzlicher Datenpunkte, die zeitlich früher als der früheste Datenpunkt liegen, welcher in der ersten oder vorhergehenden Kurvenanpassungsabschätzung verwendet wurde, z.B. zwischen dem Zeitpunkt T_w und dem Zeitpunkt T_n-1, und das Vergleichsmodul 420 führt wie oben erörtert einen weiteren NO_x-Wertvergleich durch. Zum Beispiel verwendet das Kurvenanpassungsmodul 410 die neuen Parameter der neuen Kurve zwischen dem Zeitpunkt T_w und dem Zeitpunkt T_n-1 bei 630, um den NO_x-Wert zum Zeitpunkt T_n-2 abzuschätzen. Anschließend, bei 640, vergleicht das Vergleichsmodul 420 den geschätzten NO_x-Wert bei T_n-2 mit dem tatsächlichen NO_x-Wert bei T_n-2 und das Verfahren geht zu 650 über.
Der Vorgang des Hinzufügens früherer Datenpunkte, wobei zusätzliche Parameter für zusätzliche Kurven geschätzt werden, und des Vergleichens geschätzter NO_x-Werte mit tatsächlichen NO_x-Werten wird fortgesetzt, bis der Unterschied zwischen dem frühesten NO_x-Wert, der unter Verwendung der geschätzten Parameter der spätesten Kurvenabschätzung geschätzt wurde, und dem entsprechenden tatsächlichen NO_x-Wert bei 650 einen Schwellenwert überschreitet. Daraufhin nimmt das Verfahren bei 670 eine Einstellung des Zeitpunkts vor, der mit dem Beginn des nahezu exponentiellen Abklingens der detektierten Menge an NO_x 440 in Verbindung steht (d.h. des Zeitpunkts T_Abkling), und zwar auf einen geschätzten Zeitpunkt T_Abkling,_Schätz der den Beginn des Abklingens der Signal-Kurvenanpassung 460 wiedergibt, welche in 4 dargestellt ist. Der geschätzte Zeitpunkt T_{Abkling,Schätz} entspricht dem Zeitpunkt, der mit dem frühesten geschätzten NO_x-Wert (wie er bei 630 bestimmt wurde) in Verbindung steht. Das Durchgangsverzögerungsmodul 430 empfängt daraufhin den eingestellten Zeitpunkt T_Abkling und schätzt die Durchgangsverzögerung 365 des Systems, indem es den Unterschied zwischen dem Zeitpunkt T_Abkling und dem Zeitpunkt T_Start nimmt.
Sobald die Abschätzung des Zeitpunkts T_Abkling vorliegt, verwendet das Zeitkonstantenmodul 330 den Zeitpunkt T_Abkling, welchen das Durchgangsverzögerungsmodul 380 abgeschätzt hat, als Beginn der geschätzten Antwortsignalkurve sowie sämtliche Datenpunkte, die in den oben erörterten Gleichungen zwischen den Zeitpunkten T_Abkling und T_Ende liegen, um eine endgültige Zeitkonstante 335, eine endgültige Abweichung des NO_x-Grundwerts 360 sowie endgültige Parameter der Kurvenanpassung 460 für das Ansprechen des Systems abzuschätzen. Die endgültigen Schätzwerte werden anschließend von dem Ansprechverschlechterungsmodul 340 verwendet, um einen endgültigen Wert 345 der Verschlechterung des Ansprechverhaltens unter Verwendung der oben erörterten Techniken zu bestimmen. Das OBD-Modul 350 sendet daraufhin erforderlichenfalls einen Warnbefehl 355 als Antwort auf den endgültigen Wert 345 der Verschlechterung des Ansprechverhaltens aus.
Viele der Funktionseinheiten sind in der vorliegenden Beschreibung als Module bezeichnet worden, um noch genauer hervorzuheben, dass die unabhängig voneinander ausgestaltet werden können. So kann ein Modul beispielsweise als Hardwareschaltkreis ausgestaltet sein, der speziell angefertigte Schaltkreise mit sehr hohem Integrationsgrad (VLSI-Schaltkreisen) oder Gate Arrays, Standard-Halbleiter wie Logikchips, Transistoren oder andere gesonderte Bauteile umfasst. Weiterhin kann ein Modul als programmierbare Hardwarevorrichtung wie etwa als Field Programmable Gate Arrays, Programmable Array Logic, programmierbare Logikvorrichtunge oder Ähnliches ausgestaltet sein.
Die Module können weiterhin als Teil einer Software ausgestaltet sei, die von verschiedenartigen Prozessoren ausgeführt werden kann. Ein bezeichnetes Modul mit ausführbarem Code kann beispielsweise einen oder mehrere physische oder logische Blocks von Computeranweisungen umfassen, die z.B. als Objekt, Vorgang oder Funktion ausgebildet sein können. Die ausführbaren Elemente eines bezeichneten Moduls müssen indes nicht physisch nebeneinander angeordnet sein, sondern können aus an verschiedenen Orten gespeicherten verschiedenartigen Anweisungen bestehen, die, wenn sie logisch miteinander verbunden sind, das Modul bilden und den Zweck erreichen, der für das Modul angegeben ist.
In der Tat kann ein Modul mit ausführbarem Code aus einer einzigen Anweisung oder aus vielen Anweisungen bestehen, und es kann sogar über mehrere verschiedene Codesegmente, zwischen verschiedenen Programmen und über verschiedene Speichervorrichtungen verteilt sein. In ähnlicher Weise können im vorliegenden Schriftstück Betriebsdaten innerhalb von Modulen benannt und dargestellt werden, und sie können in jeder geeigneten Form ausgeführt und innerhalb einer beliebig gearteten Datenstruktur geordnet sein. Die Betriebsdaten können in einem einzigen Datensatz gesammelt oder auf verschiedene Orte einschließlich verschiedener Datenspeichervorrichtungen verteilt sein, und sie können zumindest teilweise lediglich als elektronische Signale in einem System oder Netzwerk vorliegen. Wenn ein Modul oder Teile eines Moduls als Teil einer Software ausgestaltet ist/sind, erfolgt die Speicherung der Softwareteilbereiche auf einem oder mehreren computerlesbaren Medien.
Der Rückgriff auf ein computerlesbares Medium kann eine beliebige Form annehmen, die dazu befähigt ist, maschinenlesbare Anweisungen auf einem digitalen Verarbeitungsgerät zu speichern. Ein computerlesbares Medium kann als eine Übertragungsleitung, eine Kompaktdiskette, eine digitale Videospeicherplatte, ein Magnetband, ein Bernoulli-Laufwerk, eine Magnetspeicherplatte, eine Lochkarte, ein Flash-Speicher, als integrierte Schaltkreise oder als eine sonstige Speichergerätvorrichtung zur digitalen Verarbeitung ausgeführt sein.
Die vorliegende Erfindung kann in anderen spezifischen Formen ausgeführt werden, ohne von ihrem Geist oder ihren wesentlichen Merkmalen abzuweichen. Die beschriebenen Ausführungsformen sind in jeder Hinsicht lediglich als erläuternd, nicht jedoch als einschränkend zu betrachten. Der Schutzbereich der Erfindung wird daher nicht durch die vorstehende Beschreibung, sondern vielmehr durch die beigefügten Ansprüche angegeben. Sämtliche Änderungen, die den Ansprüche vom Sinn und Umfang her gleichwertig sind, fallen in deren Schutzbereich.

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung einer Verschlechterung eines Ansprechverhaltens eines NO_x-Sensors in einem Verbrennungsmotorsystem (10), umfassend: ein Motorsteuermodul (310), das dafür ausgelegt ist, die Kraftstoffzufuhr zu einem Verbrennungsmotor (100) zu unterbrechen, während sich der Verbrennungsmotor (100) in einem Schubbetrieb befindet; ein Signalüberwachungsmodul (320), das dafür ausgelegt ist, nach der Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr zu dem Verbrennungsmotor (100) durch das Motorsteuermodul (310) ein NO_x-Sensorsignal zu überwachen und NO_x-Sensorsignaldaten, die dem überwachten NO_x-Sensorsignal entsprechen, zu speichern; ein Zeitkonstantenmodul (330), das dafür ausgelegt ist, unter Verwendung eines Funktionsanpassungsverfahrens eine Zeitkonstante für das Antwortsignal des NO_x-Sensors nach der Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr durch das Motorsteuermodul (310) zu bestimmen; und ein Ansprechverschlechterungsmodul (340), das dafür ausgelegt ist: einen Wert für die Verschlechterung des Ansprechverhaltens des NO_x-Sensors zu bestimmen, welcher zumindest teilweise auf der bestimmten Zeitkonstante beruht, und eine Durchgangsverzögerung des NO_x-Sensorsignals zu bestimmen, wobei das Funktionsanpassungsverfahren ein Verfahren der kleinsten Quadrate umfasst; und wobei die Kurvenanpassung des Verfahrens der kleinsten Quadrate über die Werte k und k₂ definiert wird, welche gemäß der Gleichung $\prod = \sum_{i = 1}^{n} {[y_{i} - k_{2} + k y_{i - 1} - y_{i - 1}]}^{2} = min$
den kleinsten Wert für Π liefern, wobei y_i die NO_x-Konzentration im Abgas ist, welches von dem Verbrennungsmotor (100) zu einem laufenden Probennahmezeitpunkt i erzeugt wird, k von der Zeitkonstante des NO_x-Sensorsignals und dem Probennahmezeitraum abhängt, und k₂ von k und von einer Abweichung des Grundwerts des NO_x-Sensorsignals abhängt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Ansprechverschlechterungsmodul (340) dafür ausgelegt ist, eine Abweichung eines Grundwerts des NO_x-Sensorsignals zu bestimmen, wobei die Zeitkonstante zumindest teilweise auf der Abweichung des Grundwerts beruht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Durchgangsverzögerung des NO_x-Sensorsignals zumindest teilweise auf einem geschätzten Zeitpunkt des Beginns eines Abklingens der Signalantwort des NO_x-Sensors beruht.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der geschätzte Zeitpunkt des Beginns eines Abklingens der Signalantwort des NO_x-Sensors auf einem Vergleich zwischen einem geschätzten NO_x-Wert zu einem Zeitpunkt, an welchem das Motorsteuermodul (310) die Kraftstoffzufuhr unterbrochen hat, und einem NO_x-Wert, der zum selben Zeitpunkt gemessen wird, beruht.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der geschätzte Zeitpunkt des Beginns eines Abklingens des NO_x-Sensorsignals gleich dem Zeitpunkt ist, an welchem ein Unterschied zwischen dem geschätzten NO_x-Wert und dem gemessenen NO_x-Wert einen Schwellenwert überschreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der geschätzte NO_x-Wert unter Verwendung einer Kurvenanpassung für diejenigen NO_x-Sensorsignaldaten geschätzt wird, welche während eines Testzeitfensters gespeichert wurden, und zwar nachdem die Kraftstoffzufuhr an den Verbrennungsmotor (100) vom Motorsteuermodul (310) unterbrochen wurde, während sich der Verbrennungsmotor (100) im Schubbetrieb befindet, wobei der geschätzte NO_x-Wert zu einem Zeitpunkt geschätzt wird, der vor dem Testzeitfenster liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zeitkonstante des NO_x-Sensorsignals auf einer zeitdiskreten Näherung einer kontinuierlichen mathematischen Funktion beruht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ferner ein System zur Bestimmung eines Sensorzustands aufweist, wobei das System umfasst: einen NO_x-Sensor, der dafür ausgelegt ist, eine NO_x-Menge in einem von einem Verbrennungsmotor (100) erzeugten Abgasstrom zu detektieren und ein Antwortsignal zu erzeugen, welches den detektierten Eigenschaftswert wiedergibt, ein Steuergerät (300), das dafür ausgelegt ist, die Kraftstoffzufuhr des Motors (100) zu unterbrechen, ein Abklingverhalten eines Antwortsignals zu überwachen, welches es vom Sensor empfängt, während die Kraftstoffzufuhr des Motors (100) unterbrochen ist, unter Verwenden eines Funktionsanpassungsverfahrens eine Zeitkonstante des Antwortsignals zu bestimmen, und für das Antwortsignal, welches es vom Sensor empfängt, einen Verschlechterungsfaktor abzuschätzen, der zumindest teilweise auf der bestimmten Zeitkonstante beruht; und einen bordgestützten Diagnosewertanzeiger, welcher derart mit dem Steuergerät (300) in Verbindung steht, dass er ein Signal empfängt, wobei das Steuergerät (300) dem bordgestützten Diagnosewertranzeiger signalisiert, einen Zustand des Sensors anzuzeigen, sobald ein geschätzter Verschlechterungsfaktor einen Schwellenwert überschreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Verbrennungsmotor (100) derart mit einer Kraftstoffquelle verbunden, dass er von dieser Kraftstoff erhält, und wobei die Zeitkonstante eine Zeitkonstant des Antwortsignals während eines zuvor festgelegten Testzeitraums umfasst, wobei der zuvor festgelegte Testzeitraum einen Zeitraum umfasst, während dessen die Kraftstoffzufuhr des Verbrennungsmotors (100) unterbrochen wird, während der Verbrennungsmotor (100) im Schubbetrieb bleibt.
Verfahren zur Bestimmung einer Verschlechterung des Ansprechverhaltens eines NO_x-Sensors, umfassend folgende Schritte: Unterbrechen eines Kraftstoffverbrauchs in einem Verbrennungsmotor (100) während sich der Motor in einem Schubbetrieb befindet; Überwachen eines NO_x-Sensorsignals, nachdem der Kraftstoffverbrauch unterbrochen wurde; Abschätzen eines Abklingverhaltens des NO_x-Sensorsignals unter Verwendung eines Funktionsanpassungsverfahrens; Abschätzen eines Wertes der Verschlechterung des Ansprechverhaltens des NO_x-Sensorsignals, wobei dieser zumindest teilweise auf dem abgeschätzten Abklingverhalten beruht; und Abschätzen einer Durchgangsverzögerung des NO_x-Sensorsignals, indem ein Zeitpunkt des Beginns des Abklingens des NO_x-Sensorsignals nach dem Unterbrechen des Kraftstoffverbrauchs abgeschätzt wird, und zwar auf Grundlage von gespeicherten NO_x-Sensorsignaldaten, die während eines zuvor festgelegten Zeitraums aufgezeichnet wurden, welcher auf die Unterbrechung des Kraftstoffverbrauchs folgt; wobei das Abschätzen des Zeitpunkts des Beginns des Abklingens des NO_x-Sensorsignals ein Verwenden eines ersten Datensatz von NO_x-Sensordaten, die in Verbindung mit einem ersten Zeitfenster gespeichert wurden, zum Erstellen einer Kurvenanpassung einer ersten exponentiellen Funktion umfasst sowie ein Verwenden der Kurvenanpassung der ersten exponentiellen Funktion zum Abschätzen eines NO_x-Werts zu einem ersten Zeitpunkt, der vor dem ersten Zeitfenster liegt, ein Vergleichen des NO_x-Werts, der zum ersten Zeitpunkt geschätzt wurde, mit einem NO_x-Wert, der zum ersten Zeitpunkt tatsächlich vorliegt, und ein Einstellen des ersten Zeitpunkts als Zeitpunkt des Beginns des Abklingens des NO_x-Sensorsignals, wenn der Unterschied zwischen dem geschätzten NO_x-Wert und dem tatsächlichen NO_x-Wert einen Schwellenwert überschreitet; und wobei das Verfahren, wenn der Unterschied zwischen dem geschätzten NO_x-Wert und dem tatsächlichen NO_x-Wert unter einem Schwellenwert liegt, das Verwenden eines zweiten Datensatzes gespeicherter NO_x-Sensorsignaldaten umfasst, welche mit einem zweiten Zeitfenster in Verbindung stehen, das vor dem ersten Zeitfenster liegt, um die Kurvenanpassung einer zweiten exponentiellen Funktion zu erstellen, wobei das Verfahren weiterhin ein Verwenden der Kurvenanpassung der zweiten exponentiellen Funktion zur Abschätzung eines NO_x-Wertes zu einem zweiten Zeitpunkt umfasst, der vor dem zweiten Zeitfenster und dem ersten Zeitpunkt liegt, sowie ein Vergleichen des NO_x-Werts, der zum zweiten Zeitpunkt geschätzt wurde, mit einem NO_x-Wert, der zum zweiten Zeitpunkt tatsächlich vorliegt, und ein Einstellen des zweiten Zeitpunkts als Zeitpunkt des Beginns des Abklingens des NO_x-Sensorsignals, wenn der Unterschied zwischen dem geschätzten NO_x-Wert und dem tatsächlichen NO_x-Wert zum zweiten Zeitpunkt den Schwellenwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Abklingverhalten des NO_x-Sensorsignals auf Grundlage des geschätzten Zeitpunkts des Beginns des Abklingens des NO_x-Sensorsignals abgeschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die jeweilige Dauer des zuvor festgelegten Zeitraums auf mindestens einem einer Länge eines Abgasnachbehandlungssystem, an welches das NO_x-Sensorsignal gekoppelt ist, einer Abgasflussrate durch Abgasnachbehandlungssystem, eines Durchmessers eines Auspuffrohrs des Abgasnachbehandlungssystem und einer Ansprechfrist des NO_x-Sensors in einem nicht-verschlechtertem Zustand beruht.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Abschätzen des Zeitpunkts des Beginns des Abklingens des NO_x-Sensorsignals ein Auswerten von NO_x-Sensorsignaldaten umfasst, die nach einem vorhergesagten Zeitpunkt des Beginns des Abklingens des NO_x-Sensorsignals gespeichert wurden, sowie ein schrittweise Rückverfolgen von NO_x-Sensorsignaldaten, die früher gespeichert wurden, um diese zu auszuwerten.