DE19844178A1

DE19844178A1 - Katalysatordiagnoseverfahren

Info

Publication number: DE19844178A1
Application number: DE19844178A
Authority: DE
Inventors: Andreas Blumenstock; Klaus Winkler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-09-25
Filing date: 1998-09-25
Publication date: 2000-03-30
Also published as: JP2000104537A; FR2783872B1; FR2783872A1

Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren der Beurteilung der Funktionsfähigkeit eines Katalysators, der von den Abgasen eines Verbrennungsprozesses durchströmt wird, DOLLAR A mit den Schritten: DOLLAR A Durchführen eines Regenerationsversuchs zur Beseitigung reversibler Einbußen der Funktionsfähigkeit, DOLLAR A Prüfen der Funktionsfähigkeit DOLLAR A und Beurteilen der Funktionsfähigkeit auf der Basis der genannten Prüfung nach erfolgtem Regenerationsversuch.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft die Diagnose eines Dreiwege- oder eines NOx-Speicherkatalysators.

Eine Diagnose eines Dreiwegekatalysators im Abgas eines Verbrennungsmotors ist bspw. bereits aus der DE 24 44 334 bekannt.

Problematisch bei der Diagnose ist, daß sowohl reversible als auch irreversible Einbußen der Funktionsfähigkeit von Katalysatoren auftreten. So wurde beobachtet, daß Schwefeleinträge in den Katalysator dessen Konvertierungsfähigkeit herabsetzen. Diese Schwefeleinträge sind temperaturabhängig und können im Betrieb des Verbrennungsmotors wieder freigesetzt werden (SAE 750697).

Gesetzliche Forderungen richten sich auf eine Überwachung der Funktionsfähigkeit emissionsrelevanter Kraftfahrzeugkomponenten wie Katalysatoren mit on board- Mitteln. Festgestellte Fehlfunktionen sind dem Fahrer anzuzeigen. Bislang ist keine Unterscheidung möglich, ob die Konvertierungsleistung des Katalysators altershalber (irreversibel)oder wegen Schwefelvergiftung (reversibel) abnimmt; in beiden Fällen wird die Fehlerlampe MIL angesteuert. Es besteht ein Interesse daran, zu unterscheiden, ob die Konvertierungsleistung durch Schwefel oder durch Katalysatoralterung abnimmt und im ersten Fall keine Fehlerlampe anzusteuern.

In diesem Zusammenhang besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Verfahrens zur Unterscheidung von reversiblen und irreversiblen Einbußen der Funktionsfähigkeit von Katalysatoren. Vorteilhafterweise werden nur irreversible Fehler angezeigt. Die reversiblen Einbußen sind ggf. durch eine Regeneration des Katalysators im Betrieb des Verbrennungsmotors rückgängig zu machen.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Stärke der reversiblen Einbußen ist mit dem Schwefelgehalt im Kraftstoff korrelierbar. Dieser kann abhängig von Mineralölgesellschaft (bzw. Bundesland in USA) stark schwanken, wobei derzeit eine Schwankungsbreite von 15 ppm bis 1000 ppm realistisch ist.

Beim Betrieb des Motors mit stark schwefelhaltigem Kraftstoff wird der Katalysator derart vergiftet, daß die Konvertierungsleistung abnimmt. Der Effekt verschwindet nach Betrieb mit schwefelarmen Kraftstoff oder durch Betrieb des Katalysators mit fettem Gemisch und bei hohen Temperaturen.

Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß die Diagnose gegenüber bisherigen Verfahren verfeinert wird, daß keine Falschmeldungen (MIL) aufgrund eines Schwefeleinflusses auftreten, da die Beurteilung des Katalysators zwischen irreversiblen Schädigungen und reversiblen Vergiftungen unterscheidet. Damit verlängert sich die mögliche Gebrauchsdauer des Katalysators, da die Diagnose nur bei irreversibler Schädigung eine Fehlermeldung liefert.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 zeigt das technische Umfeld der Erfindung.

Die Fig. 2 und 3 zeigen Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form von Flußdiagrammen.

Fig. 4 zeigt Signale in Verbindung mit der Prüfung der Funktionsfähigkeit.

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. Der Katalysator weist einen ersten Teil 2a und einen zweiten Teil 2b auf. Teil 2a stellt den NOx-Speicherkatalysator dar. Teil 2b repräsentiert einen integrierten oder nachgeschalteten Sauerstoffspeicher. Die Erfindung ist jedoch auch bei einem Drei-Wege-Katalysator anwendbar, bei dem sowohl der Bereich 2a als auch der Bereich 2b jeweils einen Sauerstoffspeicher repräsentiert.

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 1a der einzelnen Zylinder ausgestaltet sein. Die Variation der Gemischzusammensetzung kann über eine Veränderung der Einspritzimpulsbreiten erfolgen, mit denen das Kraftstoffzumeßmittel angesteuert wird. Der Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft in diesem Umfeld in erster Linie das Steuergerät 5, die hinter dem Katalysator angeordnete Abgassonde 4 sowie das Mittel 10 zur Anzeige und/oder Abspeicherung einer Information über die Speicherfähigkeit.

Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Danach wird in einem Schritt 2.1 ein Regenerationsversuch unternommen, der die Entfernung von eingelagertem Schwefel bewirken soll.

Eingespeicherter Schwefel belegt die Speicherplätze, in die sonst O₂ eingespeichert wird. Durch stöchiometrisches oder fettes Gemisch (λ<1) und hohe Temperaturen läßt sich der Schwefel wieder aus dem Kat entfernen. Hohe Abgastemperaturen lassen sich beim Ottomotor durch Spätziehen des Zündwinkels erreichen. Beim Dieselmotor kommt dafür eine Spätverlegung des Einspritzbeginns in Frage.

Im Schritt 2.2 erfolgt eine Prüfung der Funktionsfähigkeit des Katalysators. Derartige Prüfungen sind in den Patentanmeldungen DE 198 01 625 und DE 198 01 626 beschrieben. Deren Offenbarung soll bzgl. der Prüfung der Funktionsfähigkeit mit einbezogen sein. Ein Beispiel einer Prüfung ist in Fig. 4 dargestellt:

Fig. 4 stellt in Fig. 4a den Wechsel in der Gemischzusammensetzung vor dem Katalysator in Verbindung mit dem Signal US der hinteren Abgassonde 4 (Fig. 4b) bei einem Ausführungsbsp. der Erfindung dar.

In einer ersten Phase Ph1 wird der Motor mit Lambda größer als Eins, d. h. mit Luftüberschuß betrieben. Der niedrige Signalpegel der hinteren Sonde in Fig. 4b zeigt an, daß auch hinter dem Katalysator Luft- bzw. Sauerstoffüberschuß herrscht. Zum Zeitpunkt t1 wird die Gemischzusammensetzung von Lambda größer Eins auf Lambda kleiner Eins, also Sauerstoffmangel umgesteuert. Zum Zeitpunkt t2 reagiert der hintere Sensor 4 auf den Sauerstoffmangel mit einem Anstieg seines Signals vom niedrigen auf den hohen Pegel. Aus den oben dargestellten Gründen ist die Zeitdauer T = Betrag(t2-t1) ein Maß für die Summe der NOx- und der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysatorsystems. Mit anderen Worten: Die Zeit T ist eine zur quantitativen Beurteilung geeignete Größe. Wie aus Fig. 4b ersichtlich ist, kann der Zeitpunkt t2 bspw. durch eine Schwellwertüberschreitung des Signals der hinteren Sonde bestimmt werden.

Die Zeit t1 kann im Steuergerät direkt erfaßt werden. Bei einem sprungartigen Umsteuern von Lambda ist t1 der Zeitpunkt, ab dem die Einspritzimpulsbreiten vergrößert werden. In diesem Fall ist t1 noch mit der Unschärfe der Gaslaufzeit zwischen Beginn der Einspritzung und dem Zeitpunkt, zu dem die Verbrennungsprodukte den Katalysator erreichen, behaftet. Diese Zeit ist jedoch klein gegen die Zeit T und kann daher in erster Näherung vernachlässigt werden. Wird eine höhere Genauigkeit der Bestimmung des Zeitpunktes t1 gewünscht, kann der Zeitpunkt des Signalpegelwechsels der vorderen Abgassonde 3 genutzt werden. Die dargestellte Änderung der Gemischzusammensetzung führt dazu, daß der Verbrennungsmotor Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid als Reduktionsmittel emittiert. Alternativ zur Emission von reduzierend wirkenden Abgaskomponenten kann das Reduktionsmittel auch aus einem Vorratstank über ein vom Steuergerät angesteuertes Ventil dem Abgas vor dem Katalysator zugeführt werden. Der Motor kann dann durchgehend mit magerem Gemisch betrieben werden.

Im Schritt 2.3 erfolgt ein Vergleich der festgestellten Funktionsfähigkeit mit einem Schwellenwert. Eine ungenügende Funktionsfähigkeit wird im Schritt 2.4 als Fehler angezeigt oder, bspw. zur statistischen Absicherung von Fehlermeldungen, gespeichert.

Das Verfahren nach Fig. 2 beginnt mit einem Regenerationsversuch. Dadurch wird gewissermaßen ein definierter Ausgangszustand für die nachfolgende Diagnose erzeugt: Das nach Fig. 2 gewonnene Diagnoseergebnis wird nicht von reversiblen Einbußen der Funktionsfähigkeit beeinträchtigt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in der Fig. 3 dargestellt. Fig. 3 unterscheidet sich von der Fig. 2 im wesentlichen durch vorgeschaltete Verfahrensschritte 3.1 und 3.2. Die Abarbeitung der Schritte 3.1 und 3.2 bewirkt, daß ein Regenerationsversuch nur dann durchgeführt wird, wenn die vorher festgestellte Funktionsfähigkeit als nicht mehr ausreichend bewertet wird. Nach diesem Ausführungsbeispiel wird bei erkannter Abnahme der Konvertierungsleistung des Katalysators durch eine Katalysatordiagnose zunächst eine motorsteuerungstechnische Regeneration einer möglichen Schwefelvergiftung eingeleitet.

Falls in einer nachfolgenden, zweiten Diagnose der Katalysator eine bessere Konvertierung aufweist, war eine Schwefelvergiftung für die Fehlermeldung der ersten Diagnose verantwortlich, und der Katalysator wird als gut beurteilt. Falls in der nachfolgenden, zweiten Diagnose der Katalysator nach wie vor eine verminderte Konvertierung aufweist, wird er als schlecht beurteilt und die Fehlerlampe (MIL) angesteuert.

Bei der Diagnose kann ist unter Umständen zwischen a) Motoren bei λ = 1-Betrieb und b) Motoren im Magerbetrieb, insbesondere Motoren mit Benzindirekteinspritzung, zu unterscheiden.

a) Für Fz mit konventionellem λ = 1-System ist die heute gängige Überwachungsmethode, die Konvertierungsrate des Drei-Wege-Katalysators über dessen Sauerstoffspeichervermögen zu bestimmen. Es gilt der Zusammenhang, daß Konvertierungsrate und Sauerstoffspeichervermögen bei dem Alterungsvorgang des Kats miteinander abnehmen.

Nach einer ersten Diagnose, die eine nicht ausreichende Funktionsfähigkeit liefert, wird eine Schwefel- Regenerationsphase wie oben beschrieben eingeleitet. Danach wird eine erneute Diagnose ausgeführt.

b) Für Fz mit magerem Motorbetrieb λ < 1 (MagerMix, Benzin- Direkteinspritzung) genügt der Drei-Wege-Katalysator den Anforderungen an die Abgasqualität nicht mehr. Die eingesetzten Speicherkatalysatoren speichern während des Magerbetriebs NOx-Emissionen ein. Durch "fetten" Motorbetrieb werden eingespeicherte Nitrate freigesetzt und zu N₂ reduziert. Danach ist der NOX-Speicher wieder aufnahmebereit.

Ähnlich wie beim Drei-Wege-Katalysator kann eine Verkürzung der Zeitspanne T zur Regeneration des Speicherkatalysators ausgewertet, da im gealterten Zustand weniger NOx-Emissionen eingespeichert werden können und somit der Bedarf an Reduktionsmittel geringer ist.

Das verringerte NOx-Speichervermögen läßt sich aber auch heir auf eine reversible Schwefelvergiftung zurückführen, welche erkannt und durch geeignete Maßnahmen beseitigt werden muß.

Das NOx-Speichervermögen wird vom Alterungszustand und Vergiftungszustand des Speicherkatalysators bestimmt. Bei gealtertem Katalysator wird das aktive Speichermaterial geschädigt und es können weniger NOx-Emissionen eingespeichert werden (Steigung des NOX-Emissionsverlaufs nach Kat ist größer).

Schematisch läßt sich die Einspeicherung mit folgender Reaktionsgleichung darstellen:

BaO + 2 NO₂ + 0.5 O₂ → Ba(NO₃)₂ (1)

Hierbei ist stellvertretend Bariumoxid als Speichermaterial angeführt.

Der im Kraftstoff vorhandene Schwefelgehalt wird im Abgas in Form von SO₂ auftreten und bei der Einspeicherung in den NOx-Kat das NO₂ substituieren. Dies bedeutet, daß neben den Nitraten ebenfalls Sulfate die Speicherplätze im NOx-Kat belegen. Die gespeicherten Sulfate sind wesentlich stabiler und werden bei der Standardregeneration (siehe Anlage 2) nicht freigesetzt und belegen weiterhin Speicherplätze. Die oben beschriebene Kat-Diagnose erkennt diese Vergiftungserscheinung (T wird kleiner; das benötigte Reduktionsmittel wird geringer, da weniger NOx eingespeichert werden kann).

Wird durch die Kat-Diagnose der Katalysator als defekt erkannt, muß zuerst überprüft werden, ob der Defekt aufgrund der Schwefelvergiftung auftritt. Dies bedeutet, daß nach Anschlagen der Diagnosefunktion der Motor in einen Betriebszustand gebracht werden muß, welcher den Schwefel zuverlässig austreibt. Danach sind die durch Schwefel belegten Speicherplätze wieder frei und die Diagnosefunktion erkennt den Speicherkat als gut (ausreichend NOx- Speichervermögen).

Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, den Betriebszustand des Motors zur Schwefelregeneration so zu wählen, daß eine Temperatur im Katalysator von Tkat < 650°C und ein λ = 0.98 für eine Zeitdauer von 60 bis 120 Sekunden z. B. durch Spätziehen der Zündwinkel bei gleichzeitiger Anfettung gewährleistet ist. Die Zeitdauer für die Schwefelregeneration richtet sich in jedem Fall danach, daß der Katalysator von Schwefel zuverlässig befreit ist.

Claims

1. Verfahren der Beurteilung der Funktionsfähigkeit eines Katalysators, der von den Abgasen eines Verbrennungsprozesses durchströmt wird, mit den Schritten:
Durchführen eines Regenerationsversuchs zur Beseitigung reversibler Einbußen der Funktionsfähigkeit,
Prüfen der Funktionsfähigkeit
und Beurteilen der Funktionsfähigkeit auf der Basis der genannten Prüfung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine erste Prüfung der Funktionsfähigkeit erfolgt,
daß der Regenerationsversuch nur bei ungenügender Funktionsfähigkeit erfolgt,
daß nach dem Durchführen des Regenerationsversuchs eine erneute Prüfung der Funktionsfähigkeit erfolgt und daß die Beurteilung der Funktionsfähigkeit auf der Basis der erneuten Prüfung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung des Regenerationsversuches die Menge reduzierender Abgasbestandteile vor dem Katalysator erhöht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ergänzend die Abgastemperatur vor dem Katalysator erhöht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Menge reduzierender Abgasbestandteile die Zusammensetzung des Kraftstoff/Luft-Gemisches für den Verbrennungsprozeß verändert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, daß die Erhöhung der Abgastemperatur bei einem Verbrennungsmotor über eine Spätverlegung des Beginns der Verbrennung erzielt wird.

7. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Feststellung der Funktionsfähigkeit des Katalysators mit einem hinter dem Katalysator angeordneten Abgassensor eine Änderung des Signals des Abgassensors durch Beeinflussen des Abgases vor dem Katalysator ausgelöst wird und bei dem der Zeitverzug zwischen dem Beginn des Beeinflussens und der Änderung des Signals zur Diagnose ausgewertet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Beginn der Beeinflussung der Abgaszusammensetzung vor dem Katalysator durch die Änderung des Signals eines vor dem Katalysator angeordneten Abgassensors erfaßt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Steuerung des Kraftstoff/Luftverhältnisses eines Verbrennungsmotors zwischen ersten Phasen mit gegenüber der stöchiometrischen Gemischzusammensetzung kraftstoffärmerem Gemisch und zweiten Phasen mit stöchiometrischem oder kraftstoffreicherem Gemisch periodisch gewechselt wird, daß diejenige Zeitdauer erfaßt wird, die zu einer Reaktion des Signals des hinteren Abgassensors führt und daß diese Zeitdauer als Kriterium zur Bewertung der Funktionsfähigkeit verwendet wird.

10. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Prüfung der Funktionsfähigkeit das Signal eines hinter dem Katalysator angeordneten NOx-Sensors verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen der Schwefelregeneration und der zweiten Diagnose liegende Zeit oder ein anderes Maß für den Schwefeleintrag in den Kat eine vorbestimmte Schwelle nichtüberschreitet, andernfalls die zweite Diagnose nicht durchgeführt wird.