DE19726791A1 - Verfahren zur Überwachung der Konvertierungsrate eines Abgaskatalysators für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur Überwachung der Konvertierungsrate eines Abgaskatalysators für eine Brennkraftmaschine

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Konvertierungsrate eines einer Brennkraftmaschine zugeordneten Abgaskatalysators.
Die DE 44 33 988 A1 offenbart ein Katalysatorüberwachungsverfahren, welches Abgas­ temperaturen stromauf und stromab des Katalysators erfaßt. Die Geschwindigkeit des Wärmeübergangs vom Abgas zum Katalysatormaterial wird ständig errechnet, daraus die Katalysatortemperatur und die Änderungsgeschwindigkeit dieser Katalysatortemperatur ermittelt.
Aus der Geschwindigkeit des Wärmeübergangs und der Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur des Katalysators wird für eine bestimmte Zeitdauer der Quotient bestimmt, wobei die Zeitdauer vom Kaltstart der Brennkraftmaschine bis zum Erreichen der Um­ wandlungstemperatur des Katalysators gewählt ist. Aufgrund des zeitlichen Verlaufs des Quotienten wird ständig ein Trend für die Zeit bis zum Erreichen der Umwandlungs­ temperatur ermittelt. Die bis zum Erreichen der Umwandlungstemperatur verstrichene Zeit wird mit einem Schwellwert für diese Zeitdauer verglichen und bei Überschreiten des Schwellwerts ein Fehlersignal ausgegeben.
Eines der in DE 42 11 092 A1 offenbarten Verfahren basiert auf einer Temperaturab­ schätzung für den Katalysator auf der Basis eines Temperaturmodells. Hierbei wird für das Modell nach dem Erreichen der Umwandlungsbeginntemperatur und für die bei der Konvertierung entstehende Wärme ein gerade noch brauchbarer Katalysator angesetzt. Zur Nachbildung des Temperaturverhaltens des Katalysators wird hierbei zunächst die Wärmekapazität des Katalysators als bekannt angenommen und weiterhin die dem Motor zugeführte Wärmemenge abgeschätzt. Dies erfolgt durch Erfassen der dem Motor zugeführten Kraftstoffmenge und Berechnen des Anteils von Wärmeenergie, die dem Katalysator zugeführt wird. Hierbei hängt der Anteil an Wärmeenergie vom jeweiligen Lastzustand und der Drehzahl des Motors ab. Für vergleichsweise kleine Zeiteinheiten wird somit aus Kraftstoffmenge, Last und Drehzahl die Wärmemenge erfaßt, die dem Katalysator zugeführt wird. Diese Wärmemengen werden aufsummiert, um so eine Gesamtwärmemenge zu erhalten, die der Katalysator ab dem Start des Verfahrens erhält. Darüber hinaus wird noch die vom Katalysator an die Umgebung abgegebene Wärmemenge abgeschätzt. Die mit diesem Wärmemengenmodell abgeschätzte Tempe­ ratur wird abschließend mit seiner tatsächlichen Temperatur verglichen.
Dieses Verfahren, welches auch im Fahrbetrieb eines Fahrzeugs anwendbar sein soll, wird nur dann gestartet, wenn der Katalysator zu Beginn des Verfahrens etwa Umge­ bungstemperatur aufweist. Ab dem Start des Verfahrens wird mit Hilfe eines Tempera­ turmodellblocks unter Verwendung von Signalen der Last, Drehzahl, Einspritzzeiten, Lufttemperatur, Luftdruck und Oktanzahl des Kraftstoffs, eine Katalysatortemperatur abgeschätzt. Diese wird mit einer abgespeicherten Vergleichstemperatur verglichen. An­ schließend wird noch untersucht, ob die Umwandlungstemperatur des Katalysators be­ reits erreicht ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Überwachungsverfahren für die Konvertierungsrate eines Abgaskatalysators einer Brennkraftmaschine anzugeben, welches eine erhöhte Diagnosegenauigkeit und eine Unabhängigkeit von der Kata­ lysatorbeschichtung aufweist und darüber hinaus unabhängig von der Betriebsweise der Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart ist.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen be­ nannt.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, daß nach einem Kaltstart der Brennkraftma­ schine die stromab des Abgaskatalysators aktuell vorliegenden Temperaturwerte wäh­ rend eines bestimmten Zeitfensters aufsummiert werden und dieser Summenwert mit einem vorbestimmten Grenzwert verglichen wird.
Diesem Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich ein brauchbarer Katalysator von einem unbrauchbaren Katalysator während des bestimmten Zeitfensters dadurch unterscheidet, daß der bessere Katalysator zu einem früheren Zeitpunkt seine Umwand­ lungstemperatur erreicht und somit während der Dauer des Zeitfensters einen höheren Summenwert aufweist als ein schlechterer Katalysator.
Das Verfahren nutzt die Erkenntnis aus, daß sich die beiden genannten Katalysatoren vor Erreichen des Zeitfensters sowie nach Ablauf des Zeitfensters nicht signifikant von­ einander unterscheiden und daher zur Auswertung das exakte Treffen des Zeitfensters von äußerster Wichtigkeit ist. Wesentlich ist weiterhin der Startzeitpunkt für das Zeit­ fenster, da ab diesem Zeitpunkt die Temperaturwerte kumuliert werden.
Nach jedem Kaltstart der Brennkraftmaschine kann der Beginn des Zeitfensters in Ab­ hängigkeit von der Betriebsweise der Brennkraftmaschine festgelegt werden, d. h. es wird berücksichtigt, ob diese nahezu stationär oder vergleichsweise dynamisch betrieben wird. Diese Betriebsweise hat einen erheblichen Einfluß auf die in das Abgas einge­ brachte Wärmemenge, welche letztendlich den Zeitpunkt des Erreichens der Umwand­ lungstemperatur bestimmt.
Hierdurch wird der Startzeitpunkt des Zeitfensters sowie auch die zeitliche Dauer des
Zeitfensters betriebsweise abhängig festgelegt.
In vorteilhafter Ausgestaltung können die Abgastemperaturwerte stromauf des Abgas­ katalysators entweder mit Hilfe eines Abgastemperaturmodelles innerhalb der Kontroll­ einrichtung berechnet werden oder alternativ mit Hilfe eines Temperatursensors direkt erfaßt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und dem anhand einer Zeichnung nachfolgend näher erläuterten Aus­ führungsbeispiel der Erfindung. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasstrang und einer elektronischen Kontrolleinrichtung,
Fig. 2 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs von Temperaturwerten und
Fig. 3 eine schematische Übersicht über einen Teil der elektronischen Kontrolleinrich­ tung.
Eine Brennkraftmaschine 1 weist Einspritzdüsen 2, einen mit einer Drosselklappe 3 ver­ sehenen Lufteinlaß 4 sowie einen mit einem Katalysator 5 versehenen Abgasstrang 6 auf.
Eine als Motorsteuergerät ausgebildete elektronische Kontrolleinrichtung 7 empfängt Signale U1 eines zwischen Brennkraftmaschine 1 und Abgaskatalysator 5 eingesetzten ersten Temperatursensors 8 sowie Signale U2 eines stromab des Katalysators 5 einge­ setzten zweiten Temperatursensors 9.
Ein Steuerblock 10 der Kontrolleinrichtung 7 empfängt das Signal U1, ein Drosselklap­ penwinkelsignal ADK und gibt Einspritzzeitensignale TI sowie Zündwinkelsignale ZI an die Brennkraftmaschine 1 ab.
Die Kontrolleinrichtung 7 enthält weiterhin einen Überwachungsblock 11, dem die Signale U2 des ersten Temperatursensors 9 zugeführt werden und welcher mit dem Steuerblock 10 kommuniziert und ggf. eine Störfallsignalleuchte 12 betätigt. Dieser Überwachungsblock 11 ist im Zusammenhang mit Fig. 3 näher erläutert.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird den Einspritzdüsen 2 mittels einer Kraftstoff­ pumpe 13 Kraftstoff aus einem Vorratsbehälter 14 zugeführt.
Der Überwachungsblock 11 besteht im Detail gemäß Fig. 3 aus einem Abgastempera­ turmodell-Block 20, einem Katalysatortemperaturmodell-Block 21, einem Korrekturblock 22 und einem Auswerteblock 23.
Die den Blöcken 20 und 21 zugeführten Eingangsgrößen sind jeweils Signale für die Wassertemperatur TW, Lufttemperatur TL, Kraftstoffmassenstrom MKS, Brennkraftma­ schinendrehzahl N, Zündwinkelsignale ZI, weitere Größen P1, P2, . . . sowie die Signale U1 und U2, die die aktuell erfaßten Temperaturwerte TvKat stromauf des Abgaskataly­ sators 5 und TnKat stromab dieses Abgaskatalysators 5 repräsentieren.
Das Verfahren läuft wie folgt ab:
Ein Kaltstart der Brennkraftmaschine 1 wird in an sich bekannter Weise durch Plausibili­ tätsüberprüfung von Werten für Kühlwassertemperatur und/oder Lufttemperatur oder Öltemperatur etc. festgestellt. Nach dem Feststellen dieses Kaltstarts wird mit Hilfe des Abgastemperaturmodell-Blocks 20 und des Katalysatortemperaturmodell-Blocks 21 unter Verwendung der vorbeschriebenen Parameter zunächst die Abgastemperatur TAB und anschließend die Katalysatortemperatur TKA geschätzt.
Hierbei wird in dem Abgastemperaturmodell-Block 20 für den Beginn der Schätzung der Wert für TAB gleich dem Wert der Wassertemperatur TW und der Lufttemperatur TL gesetzt. In vorbestimmten Zeitintervallen wird der zuvor ermittelte Wert von TAB ständig um einen Temperaturdifferenzwert erhöht, wobei für diesen insbesondere die den ersten Temperaturwert TvKat signalisierende Größe U1, die erste Ableitung der Fahrge­ schwindigkeit eines mit der Brennkraftmaschine 1 ausgestatteten Kraftfahrzeugs, die Drehzahl N, die Zündwinkelsignale ZI sowie die Kraftstoffqualität in Form der Oktanzahl eingeht.
Hierdurch wird bereits deutlich, daß die von diesem Abgastemperaturmodell-Block 20 abgeschätzte Abgastemperatur TAB ganz wesentlich vom Fahrzyklus, d. h. von der Betriebsweise des Kraftfahrzeugs, abhängt.
Zur Korrelation mit einer im Abgaskatalysator 5 vorliegenden Katalysatortemperatur TKA wird zeitgleich in dem Katalysatortemperaturmodell-Block 21 unter Verwendung der bereits erwähnten Parameter und der Abgastemperatur TAB die Temperatur im Bereich der Reaktionsfront des Substrats des Katalysators 5 geschätzt.
Der am Ausgang vorliegende Katalysatortemperaturwert TKA wird, ebenso wie der Ausgang des Abgastemperaturmodell-Blocks 20, dem Korrektorblock 22 zugeführt. Dieser nimmt eine Korrektur des Werts TAB unter Berücksichtigung vom Wert TKA zur Bildung eines Temperaturstartwerts TST vor.
Erreicht dieser ständig erneuerte Startwert TST einen vorgegebenen Temperatur­ schwellwert TSW, löst der Korrekturblock 22 ein Startsignal AS aus, welches dem Auswerteblock 23 zugeführt wird.
Der Temperaturschwellwert TSW ist ein empirisch ermittelter Temperaturwert, bei des­ sen Erreichen angenommen werden kann, daß ein neuwertiger Katalysator 5 zu konver­ tieren beginnt. Der in der Kontrolleinrichtung 7 abgelegte Wert für TSW kann adaptiv um eine Größe ergänzt werden, welche einen aktuell verbauten Katalysator 5 in dem Kraft­ fahrzeug berücksichtigt.
Mit Anliegen des Startsignals AS am Auswerteblock 23 beginnt die Abarbeitung eines Summieralgorithmus zur Erfassung einer bestimmten Anzahl von Temperaturwerten TnKat, die während eines vorbestimmten Zeitfensters stromab des Katalysators 5 durch den zweiten Temperatursensor 9 und weiterer Parameter ermittelt wird.
In vorbestimmten Zeitabständen werden ständig neue Temperaturwerte TnKat erfaßt und während einer Zeitspanne dt des Zeitfensters zu einem Summenwert THC summiert.
Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der vom Temperatursensor 9 erfaßten Werte TnKat im Abgas über der Zeit t und den zeitlichen Verlauf der Abgastemperatur T stromauf des Katalysators 5.
Eine Kurve 25 zeigt dabei den Temperaturverlauf für einen neuen, voll funktionstüchtigen Abgaskatalysator 5. Eine Kurve 26 zeigt einen entsprechenden Verlauf für einen bereits gealterten Katalysator 5. Erkennbar ist, daß sich unmittelbar nach einem Kaltstart bis zum Erreichen des Anfangszeitpunkts tA für das sich über die Zeitspanne dt erstreckende Zeitfenster keine signifikanten Unterschiede zwischen den Kurvenverläufen 25 und 26 ergeben. Dieser Zeitbereich ist somit für eine sichere Erkennung eines even­ tuell geschädigten Katalysators ungeeignet.
Eine Kurve 28 zeigt den zeitlichen Verlauf der Abgastemperatur T stromauf des Kataly­ sators 5, in diesem Fall also den Abgastemperaturwert TAB. Mit Erreichen des Tempera­ turschwellwerts TSW werden ab dem Anfangszeitpunkt tA die Temperaturwerte TnKat während der Zeitspanne dt zu einem Summenwert TTnKat summiert.
Ein nach dem erstmaligen Starten der Brennkraftmaschine 1 mit dem jeweils eingesetz­ ten Katalysator 5 ermittelte Summenwert TTnKat 1 wird in der Kontrolleinrichtung 7 als Referenzwert gespeichert. Dieser kann zu Diagnosezwecken während eines Werk­ stattaufenthalts ausgelesen und zur Beurteilung der Güte des verwendeten Katalysators herangezogen werden.
Während der Lebensdauer der Kombination aus Brennkraftmaschine 1 und Abgaskataly­ sator 5 verschlechtern sich dessen Umwandlungseigenschaften unter anderem dahinge­ hend, daß die für die Umwandlung erforderliche Temperatur zunimmt, d. h. schädliche Abgasemissionen nehmen zu.
Die Kurve 26 gemäß Fig. 2 zeigt den typischen Temperaturverlauf stromab eines solchen gealterten Katalysators. Die dem Summenwert TTnKat entsprechende Fläche unterhalb des Kurvenverlaufs 26 im Rahmen des Zeitfensters ist signifikant kleiner als die unter­ halb der Kurve 25.
Das Summieren der Temperaturwerte TnKat wird beendet, wenn der Korrekturblock 22 ein Stopsignal ES an den Auswerteblock 23 abgibt. Das Ende des Zeitfensters wird be­ stimmt vom Anfangszeitpunkt ta und der Zeitspanne dt. Diese wiederum setzt sich zu­ sammen aus einem empirisch ermittelten voreingestellten Mittelwert tM sowie einem von Parametern der Brennkraftmaschine 1 abhängigen Korrekturwert tK.
Die für die Ermittlung der Abgastemperaturwerte TAB, der Katalysatortemperaturwerte TKA und des Korrekturwerts tK herangezogenen Parameter sind solche, die insbesondere die Fahrweise, mit der das Kraftfahrzeug betrieben wird, berücksichtigen. Hierdurch wird der individuelle Fahrzyklus auf einen normierten Fahrzyklus zurückgeführt und kann mit solchen normierten Zyklen verglichen werden. Solche werden vom Gesetzgeber in verschiedenen Ländern der Erde beispielsweise als sogenannter FTP- oder auch MVEG-Zyklus vorgeschrieben. Diese vorgeschriebenen Zyklen weisen ein genau definiertes Geschwindigkeitsprofil über der Zeit auf, d. h. der Fahrzyklus ist exakt vorgegeben. Der Einfluß der fahrzyklusabhängigen Parameter, wie beispielsweise dem Kraftstoffmas­ senstrom MKS pro Zeiteinheit, macht sich verfahrensgemäß dahingehend bemerkbar, daß mit zunehmenden Werten für den Kraftstoffmassenstrom MKS pro Zeiteinheit die Zeitspanne dt verkürzt wird. Dieses ist insofern vorteilhaft, als daß die durch den erhöhten Kraftstoffmassenstrom MKS eingebrachte Energie den Katalysator 5 schneller aufheizt und infolge dessen der Kurvenverlauf 26 im Bereich des Zeitfensters in Fig. 2 nach links verschoben wird, so daß sich bei Beibehaltung der ursprünglichen Zeitspanne dt zunehmend der sich nicht signifikant unterscheidende Abschnitt der Kurvenverläufe 25 und 26 nach dem Endzeitpunkt tE bemerkbar machen würde.
Für eine weitere Verbesserung der Genauigkeit des Verfahrens kann in Abhängigkeit der fahrzyklusabhängigen Parameter beispielsweise mit zunehmendem Kraftstoffmassen­ strom MKS pro Zeiteinheit der Anfangszeitpunkt tA in Richtung früh verschoben werden.
Im Auswerteblock 23 ist ein Grenzwert GTT für den Summenwert TTnKat gespeichert. Dieser Grenzwert GTT kann beispielsweise länderspezifisch gesetzt werden und reprä­ sentiert einen noch als tolerierbar erachteten Katalysator 5. Ergibt der Vergleich von TTnKat und GTT das Erreichen eines bestimmten Abweichungswerts DT, wird ein Feh­ lersignal ausgelöst, welches nach einmaligem oder mehrmaligem Auftreten die Störfall­ signalleuchte 12 ansteuert.
Vorteilhafterweise bietet das zuvor beschriebene Verfahren eine bessere Diagnosege­ nauigkeit als bisher bekannte Verfahren und ist darüber hinaus unabhängig von der Kata­ lysatorbeschichtung; des weiteren können auch bleivergiftete Katalysatoren erkannt werden. Von entscheidender Bedeutung für das erfindungsgemäße Verfahren ist das Setzen des Startsignals AS sowie die Dauer der Zeitspanne dt.
Das erfindungsgemäße Verfahren vergleicht die stromab des Abgaskatalysators 5 vorliegenden Temperaturwerte TnKat somit letztendlich gegen die insgesamt eingebrachte Wärmeenergie in den Abgasstrang. Diese tatsächlich eingebrachte Energie wird durch die fahrzyklusunabhängige Auswertung normiert und könnte in Fig. 2 gleichwertig auf der Abszisse anstelle der Zeit t aufgetragen werden. Das Verfahren erkennt funktionstüch­ tige Abgaskatalysatoren 5 in sicherer Weise über die Größe des Flächenintegrales unterhalb des Kurvenverlaufs 25 im Zeitfenster. Je größer dieses Flächenintegral ist, desto bessere Eigenschaften bezüglich der Konvertierungsrate weist der Abgaskata­ lysator 5 auf. Damit korreliert auch die vergleichsweise niedrige Lage des Schnittpunktes zwischen Kurvenverlauf 25 und 28, d. h. ein funktionstüchtiger Abgaskatalysator 5 weist einen signifikanten Ab­ stand zu dem Schnittpunkt des bereits gealterten Katalysators, vgl. Kurvenverlauf 26 in Fig. 2, auf.

Claims (10)

1. Verfahren zur Überwachung der Konvertierungsrate eines Abgaskatalysators (5) für eine Brennkraftmaschine (1) mit einer elektronischen Kontrolleinrichtung (7), mit den Schritten:
  • a) Kaltstarten der Brennkraftmaschine (1),
  • b) Ermitteln eines stromauf des Abgaskatalysators (5) herrschenden Abgastemperaturwertes (TAB),
  • c) Erfassen der stromab und stromauf des Abgaskatalysators (5) vorliegenden aktuellen Temperaturwerte (TvKat, TnKat) des Abgases mittels Temperatursensoren (8, 9) zumindest für die Zeitdauer eines bestimmten Zeitfensters nach dem Kaltstart,
  • d) Summieren der stromab des Abgaskatalysators (5) vorliegenden aktuellen Temperaturwerte (TnKat) zumindest während des Zeitfensters zu einem Summenwert (TTnKat),
  • e) Vergleichen dieses Summenwertes (TTnKat) mit einem Grenzsummenwert (GT),
  • f) Auslösen eines Fehlersignals, wenn der Vergleich unter e) das Erreichen eines bestimmten Abweichungswertes (DHC) ergibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im erstmaligen, gemeinsamen Betrieb von Brennkraftmaschine (1) und Abgaskatalysator (5) der im Schritt d) ermittelte Sum­ menwert (TTnKat) als Referenzwert gespeichert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt c) in der Kontrolleinrichtung (7) für den Beginn des Zeitfensters durch
  • c1) Ermitteln eines Katalysatortemperaturwerts (TKA) und,
  • c2) Korrigieren des Abgastemperaturwertes (TAB) mit dem Katalysatortemperatur­ wert (TKA) zu einem Temperaturstartwert (TST), dann in einem Schritt,
  • c3) ein Startsignal (AS) des Anfangszeitpunktes (tA) ausgelöst wird, wenn der Temperaturstartwert (TST) einen vorgegebenen Temperaturschwellwert (TSW) erreicht hat.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der im Schritt c1) ermittelte Katalysatortemperaturwert (TKA) in einem Katalysatortemperaturmodell-Block (21) der Kontrolleinrichtung (7) geschätzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für das Ende des Zeitfensters zu einem Endzeitpunkt (tE) ein Stopsignal (ES) ausgelöst wird, wenn seit dem Angangszeitpunkt (tA) eine Zeitspanne (dt) vergangen ist, welche sich aus einem voreingestellten Mittelwert (tM) und einem von den Parametern der Brennkraftmaschine abhängigen Korrekturwert (tK) zusammensetzt.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Parameter der Brennkraftmaschine (1) insbesondere vom Fahrzyklus abhängige Parameter, wie der Kraftstoffmassenstrom (MKS), erfaßt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit zunehmenden Werten für den Kraftstoffmassenstrom (MKS) pro Zeiteinheit die Zeitspanne (dt) verkürzt wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit zunehmenden Werten für einen Kraftstoff­ massenstrom (MKS) der Anfangszeitpunkt (tA) in Richtung früh verschoben wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt b) der Abgastemperaturwert (TAB) direkt als der aktuelle Temperaturwert (TvKat) mittels des ersten Temperatursensors (8) erfaßt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt b) der Abgastemperaturwert (TAB) in einem Abgastemperaturmodell-Block (20) der Kontrolleinrichtung (7) in Abhängigkeit von Parametern der Brennkraftmaschine (1) ermittelt wird.
DE19726791A 1997-06-24 1997-06-24 Verfahren zur Überwachung der Konvertierungsrate eines Abgaskatalysators für eine Brennkraftmaschine Withdrawn DE19726791A1 (de)

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