DE19801629A1 - Katalysatordiagnoseverfahren und Vorrichtung - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft die Diagnose von Katalysatoren, die zur Konvertierung von Schadstoffen im Abgas von Verbrennungsmotoren verwendet werden.

Die Konvertierungsfähigkeit derartiger Katalysatoren ist alterungsabhängig und kann durch Fehlfunktionen des Motors oder Fehlbedienungen durch den Fahrer eines Kraftfahrzeuges geschädigt werden. Gesetzgeberische Forderungen sehen eine On-Board-Diagnose von schadstoffemissionsrelevanten Kraftfahrzeugkomponenten wie Katalysatoren vor. Aus der DE-OS 24 44 334 ist eine Katalysatordiagnose bekannt, die auf der Auswertung der Phasenverschiebung zwischen den Signalen einer vor und einer hinter dem Katalysator angeordneten Sauerstoffsonde basiert. Die bekannte Diagnose nutzt den Zusammenhang der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators mit seiner Konvertierungsfähigkeit. Dazu erfolgt zunächst ein Betrieb des Verbrennungsmotors mit Sauerstoffmangel, hervorgerufen durch eine Kraftstoffanreicherung des im Motor zu verbrennenden Gemisches aus Kraftstoff und Ansaugluft. Eventuell im Katalysator gespeicherter Sauerstoff reagiert mit dem überschüssigen Kraftstoff so, daß nach einer gewissen Zeit ein definiert von Sauerstoff entleerter Katalysator vorliegt. Dementsprechend signalisieren die vor und hinter dem Katalysator angeordneten Abgassonden Sauerstoffmangel. Anschließend wird der Motor mit sauerstoffreichem Gemisch betrieben. Der daraus resultierende Sauerstoffüberschuß im Abgas wird im Katalysator zunächst gespeichert, so daß hinter dem Katalysator zunächst weiter Sauerstoffmangel herrscht. Dies ändert sich erst, nachdem die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators erschöpft ist. Die hinter dem Katalysator angeordnete Sonde reagiert daher verzögert auf die Änderung des Sauerstoffgehaltes im Abgas. Das Ausmaß der Verzögerung, die sich als Phasenverschiebung zwischen den Signalen beider Sonden bemerkbar macht, spiegelt die Sauerstoffspeicherkapazität und damit die Konvertierungsfähigkeit des Katalysators wieder.

Es hat sich gezeigt, daß Phasenverschiebungen von typischerweise 200 ms auftreten, die mit einer Meßunsicherheit von etwa 30 ms behaftet sind. Die Meßunsicherheit geht beispielsweise auf Temperatureinflüsse zurück. Da die zu erwartende Phasenverschiebung mit zunehmender Katalysatorgröße steigt, die Meßunsicherheit aber im wesentlichen konstant bleibt, eignet sich die bekannte Diagnose umso besser, je größer der zu beurteilende Katalysator ist. Für kleinere Katalysatoren, beispielsweise Vorkatalysatoren bei Fahrzeugen mit Vor- und Hauptkatalysator ist die bekannte Diagnose daher nur bedingt geeignet.

Gegenstand der Erfindung ist eine Katalysatordiagnose, die auch bei kleinen Katalysatoren (Vor- und Hauptkatalysator) zuverlässige Ergebnisse liefert.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Dar Kern des Gegenstands der Erfindung liegt in der Stimulation von Verbrennungsaussetzern zur Erzeugung definierter Verhältnisse bei der Katalysatordiagnose. Die Stimulation von Einspritzausblendungen, das heißt die ein- oder mehrmalige Nichtbetätigung einzelner Einspritzventile des Motors bewirkt, daß vor dem Katalysator eine definierte, im wesentlichen bekannte Luftmenge zur Verfügung steht. Wird beispielsweise eine einzelne Einspritzung für einen Zylinder ausgeblendet, so pumpt dieser Zylinder eine Luftmenge, die etwa dem Hubraum des Motors dividiert durch die Zahl seiner Zylinder entspricht. Diese Luftmenge bildet gewissermaßen die Maßeinheit, die das Auflösungsvermögen der Diagnose bestimmt. Der Diagnose kann vorteilhafterweise das Sauerstoffspeichervermögen eines Grenzkatalysators zugrundegelegt werden. Dieser ist definiert durch eine Konvertierungsfähigkeit, die die Grenze zwischen noch guten und bereits schlechten Katalysatoren markiert. Ein derartiger Grenzkatalysator für Vorkatalysatoranwendungen besitzt typischerweise eine Sauerstoffspeicherfähigkeit, die einer Luftmenge von etwa 100 mg entspricht. Diese Luftmenge liegt in der Größenordnung derjenigen Luftmenge, die sich durch einzelne Einspritzausblendungen erzeugen läßt. Der Gegenstand der Erfindung ist daher vorteilhafterweise für die Diagnose kleinerer Katalysatoren geeignet.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß sich die Testluftmenge, die durch Einspritzausblendungen erzeugt wird, durch Variation der Zahl der Einspritzausblendungen fein abgestuft variieren läßt. Dabei gibt das Luftmengenäquivalent zu einer einzelnen Kraftstoffeinspritzung gewissermaßen die Quantisierungsschrittweite vor, mit der das erfindungsgemäße Verfahren gute von schlechten Katalysatoren unterscheiden kann. Im Unterschied zur weiter vorn genannten Auswertung der Phasenverschiebung tritt bei dem Erfindungsgegenstand bei gutem Katalysator keine Reaktion der Abgassonde hinter dem Katalysator auf. Dadurch wird vorteilhafterweise eine Abgasverschlechterung infolge einer Überlastung des Katalysators vermieden.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Bezug auf die Figuren beschrieben.

Fig. 1 zeigt das technische Umfeld, in dem die Erfindung ihre Wirkung entfaltet. Fig. 2 stellt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dar und Fig. 3 veranschaulicht die Erfindung durch eine graphische Darstellung des Sauerstoffüllungsgrades verschiedener Katalysatoren bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 einen Verbrennungsmotor 1 mit einem Katalysator 2, Abgassonden 3 und 4, einem Steuergerät 5, einem Kraftstoffzumeßmittel 6, sowie verschiedenen Sensoren 7, 8, 9 für Last L und Drehzahl n sowie ggf. weitere Betriebsparameter des Verbrennungsmotors wie Temperaturen, Drosselklappenstellung etc. . Eine Fehlerlampe 10 dient als Mittel zur Anzeige festgestellter Fehlfunktionen.

Aus den genannten und ggf. weiteren Eingangssignalen bildet das Steuergerät u. a. Kraftstoffzumeßsignale, mit denen das Kraftstoffzumeßmittel 6 angesteuert wird. Das Kraftstoffzumeßmittel 6 kann sowohl für eine sogenannte Saugrohreinspritzung als auch für eine Benzindirekteinspritzung in die Brennräume der einzelnen Zylinder ausgestaltet sein. Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft in diesem Umfeld in erster Linie in erster Linie das Steuergerät 5, das Kraftstoffzumeßmittel 6 und die hinter dem Katalysator angeordnete Abgassonde 4 sowie das Mittel 10 zur Fehleranzeige. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird daraus realisiert durch die Merkmale des Vorrichtungsanspruchs 8.

Fig. 2 offenbart ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie es durch das Steuergerät 5 abgearbeitet werden kann.

Schritt 2.1 dient zur Überprüfung geeigneter Katalysatordiagnosevoraussetzungen. Der der Diagnosedurchführung zugeordnete definierte Betriebszustand ist vorteilhafterweise stationär, zeichnet sich durch eine ausreichende Katalysatortemperatur aus und umfaßt darüber hinaus das Vorliegen von Sauerstoffmangel hinter dem Katalysator als weitere Bedingung. Stationäre Betriebszustände zeichnen sich durch näherungsweise konstante Betriebsparameter, insbesondere Last und Drehzahl des Verbrennungsmotors aus. Die Katalysatortemperatur kann gemessen werden oder im Steuergerät 5 aus den übrigen Betriebsparametern modelliert werden. Der Sauerstoffmangel hinter dem Katalysator wird vorteilhafterweise mit der hinter dem Katalysator angeordneten Abgassonde detektiert. Üblicherweise wird der Verbrennungsmotor mit einer Kraftstoffluftverhältnisregelung (Lambdaregelung) betrieben, die auf dem Signal der vor dem Katalysator angeordneten Abgassonde 3 basiert. Dabei führt die hinter dem Katalysator angeordnete Abgassonde 4 bekanntermaßen die Lambdaregelung so, daß die hintere Abgassonde 4 unter normalen Bedingungen einen leichten Sauerstoffmangel signalisiert, was einer leicht fetten Kraftstoffluftgemischeinstellung entspricht. Liegt der Sauerstoffmangel nicht vor, wird er im Schritt 2.2 erzeugt. Dazu ist eine vorübergehende Gemischanfettung geeignet. Liegt dagegen bereits Sauerstoffmangel vor, ist die Durchführung von Schritt 2.2 nicht zwangsläufig erforderlich. Gleichwohl verbessert und vervollständigt es 2.2 die Entleerung des Katalysators von gespeichertem Sauerstoff und verbesserte damit die Reproduzierbarkeit der Diagnoseergebnisse. Im Idealfall enthält der Katalysator vor der Aussetzerstimulation keinen gespeicherten Sauerstoff mehr. Schritt S2.3 schaltet die Lambdaregelung aus. Auch dieser Schritt ist nicht zwangsläufig erforderlich. Ein Ausschalten der Lambdaregelung verhindert ein Anfetten der Lambdaregelung als Reaktion auf den durch Aussetzer hervorgerufenen vorübergehenden Sauerstoffüberschuß im Abgas. Im Schritt S2.4 werden Verbrennungsaussetzer durch vorübergehendes Abschalten der Kraftstoffzufuhr für einen oder mehrere verbrennungstaktisch stimuliert. Die Zahl der Einspritzausblendungen richtet sich nach dem zu richtenden Katalysatorvolumen, dem Hubraum des Verbrennungsmotors, seiner Zylinderzahl und der momentanen Luftfüllung der Zylinder. Letztere ist im Steuergerät aus der üblichen Bestimmung der Einspritzimpulsbreiten aus Last und Drehzahl des Verbrennungsmotors bekannt. Im Schritt S2.5 wird festgestellt, ob die Sauerstoffmenge, die durch den wenigstens einen stimulierten Aussetzer in das Abgas gelangt ist, bereits eine Reaktion der Sonde hinter dem Katalysator hervorruft. Die Zahl der Aussetzer ist vorteilhafterweise so bestimmt, daß ein gerade noch guter Katalysator, das heißt ein Katalysator, der beispielsweise die Abgasnormen gerade noch erfüllt, die genannte Sauerstoffmenge noch aufnehmen kann. Wenn bei dem Test keine Sondenreaktion auftritt, ist der Katalysator mindestens genauso gut wie der Grenzkatalysator, der die Grenze zwischen guten und schlechten Katalysatoren markiert. In diesem Fall wird die Abfrage des Schrittes S2.5 verneint und es kann in Schritt S2.6 eine Information abgespeichert werden, die besagt, daß der Katalysator in Ordnung ist. Tritt jedoch im Schritt S2.5 eine Sondenreaktion auf, so ist der Katalysator bereits schlechter als der Grenzkatalysator. In diesem Fall erfolgt die Anzeige oder Abspeicherung einer Fehlermeldung im Schritt S2.7. Die Fehlermeldung kann direkt durch die Fehlerlampe angezeigt werden oder auch, um die Sicherheit der Diagnoseaussage zu erhöhen, zunächst abgespeichert werden und erst nach wiederholtem Auftreten angezeigt werden.

Zur Steigerung der Diagnosesicherheit dient auch die Variante der Fig. 2b, die zwischen die Schritte S2.5 und S2.7 eingefügt werden kann. Der Unterschied zur vorherbeschriebenen Variante ergibt sich im wesentlichen aus den Schritten S2.9 und S2.10. Danach wird im Schritt S2.9 nach dem Auftreten einer Sondenreaktion (Sauerstoffüberschußanzeige) abgewartet, bis das Sondensignal wieder in seinen normalen Arbeitsbereich (Sauerstoffmangelanzeige) zurückkehrt und die für die Rückkehr notwendige Zeitdauer t_rück erfaßt. Diese Zeit ist ebenfalls ein Maß für die Sauerstoffspeicherfähigkeit. Sie wird gewissermaßen für das Entleeren des Katalysators von Sauerstoffbenötigt und steigt daher mit zunehmender Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators an. Im Schritt 2.10 erfolgt ein Vergleich dieser Zeit mit einem Schwellwert, der einer Sauerstoffspeicherfähigkeit entspricht, die einen Grenzkatalysator aufweist. Wird der Schwellwert nicht erreicht, gilt der Katalysator als defekt und es erfolgt die Ausgabe oder Abspeicherung einer Fehlermeldung im Schritt S2.7. Schritt 2.8 schaltet vorher die Lambdaregelung dann wieder ein, wenn sie vorher im Schritt 2.3 ausgeschaltet wurde.

Fig. 3 veranschaulicht die Erfindung anhand einer Darstellung des Katalysatorfüllungsgrades über der Zeit bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 3a entspricht den Verhältnissen bei einem guten Katalysator. Dieser ist zu Testbeginn leer, enthält also keinen Sauerstoff mehr, was Voraussetzungen für den Sauerstoffmangel hinter dem Katalysator ist. Zum Zeitpunkt T1 werden ein oder mehrere Einspritzaussetzer ausgelöst. Dieses entspricht einem Füllen des Katalysators mit einer definierten Menge Sauerstoff. Im Fall der Fig. 3a wird die Füllungsobergrenze, die hier durch die mit "voll" bezeichnete obere durchgezogene Linie markiert wird, nicht erreicht. Die Speicherfähigkeit dieses Katalysators wird also durch die definierte, einem Grenzkatalysator angemessene Sauerstoffmenge nicht erschöpft.

Andere Verhältnisse liegen beim Katalysator vor, der der Abb. 3b zugrundeliegt. Hier wird die obere durchgezogene Linie durchbrochen, was sich in einem Sauerstoffüberschuß im Abgas hinter dem Katalysator bemerkbar machen würde und von der hinteren Abgassonde registriert werden würde. Die Sauerstoffspeicherfähigkeit dieses Katalysators reicht nicht mehr aus, die den Grenzkatalysator angepaßte definierte Sauerstoffmenge zu speichern. Bei der Anwendung der Erfindung wird dieser Katalysator daher als fehlerhaft beurteilt.

Claims (8)

1. Verfahren der Diagnose eines im Abgas eines Verbrennungsmotors angeordneten Katalysatorvolumens mit Hilfe des Signals einer hinter dem Katalysatorvolumen angeordneten Abgassonde, bei welchem Verfahren wenigstens ein Aussetzer einer Verbrennung im Verbrennungsmotor stimuliert wird und bei dem die Reaktion der genannten Abgassonde auf die genannte Stimulation für die Diagnose ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Aussetzer durch eine vorübergehende Abschaltung der Kraftstoffzufuhr zu wenigstens einem Arbeitsvolumen (Zylinder) des Verbrennungsmotors stimuliert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stimulation nur beim Eintreten vorbestimmter Bedingungen erfolgt, die einen definierten Betriebszustand des Katalysatorvolumens einschließen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der definierte Betriebszustand wenigstens dadurch charakterisiert ist, daß die hinter dem Katalysator angeordnete Abgassonde eine fette Gemischzusammensetzung des Verbrennungsmotors signalisiert.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß so viele Aussetzer stimuliert werden, daß die damit in das Abgas gepumpte Luftmenge einer Sauerstoffmenge entspricht, die der Sauerstoffspeicherkapazität eines Katalysators entspricht, der die Grenze zwischen noch guten und bereits schlechten Katalysatoren markiert und daß ein Fehlersignal ausgegeben und/oder abgespeichert wird, wenn das Signal der hinter dem Katalysator angeordneten Abgassonde eine vorgegebene Bandbreite verläßt.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine ggf. vorhandene Lambdaregelung im Anschluß an die Kraftstoffabschaltung vorübergehend ausgeschaltet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Fehlersignal erst dann ausgegeben oder abgespeichert wird, wenn das Signal der hinter dem Katalysator angeordneten Abgassonde wieder in seinen üblichen, außerhalb der vorgegebenen Bandbreite liegenden Arbeitsbereich zurückgekehrt ist.

8. Katalysatordiagnosevorrichtung mit

• - Mitteln, die wenigstens einen Aussetzer einer Verbrennung in einem Verbrennungsmotor stimulieren,
• - einer in Strömungsrichtung der Abgase hinter dem Katalysator angeordneten Abgassonde und
• - Mitteln, die die Reaktion der genannten Abgassonde auf die genannte Aussetzerstimulation zur Diagnose auswerten und ggf. ein Fehlersignal ausgeben und/oder abspeichern.