DE19910336A1 - Verfahren zur Überprüfung der Funktion von Katalysatoren in Brennkraftmaschinen - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Überprüfung der Katalysatorfunktion in Brennkraftmaschinen vorgeschlagen, bei welchem anhand erfaßter Betriebsparameter der Brennkraftmaschine gleichartige Betriebszustände ermittelt werden. Es wird vorgeschlagen, aus einer definierten Anzahl gemessener Abgaswerte während eines gleichartigen Betriebszustandes einen statistisch abgesicherten Abgasmittelwert zu berechnen und mit einem für diesen Betriebszustand gespeicherten zulässigen Abgaswert zu vergleichen, so daß bei einer Abweichung des aktuell ermittelten Abgaswertes von dem zulässigen Abgaswert ein defekter Katalysator erkannt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der Funktion von Katalysatoren in Brennkraftmaschinen, die die Aufgabe haben, im Motorabgas vorhandenen Schadstoffe abzubauen.

Ein Verfahren zur Überprüfung der Wirksamkeit eines Katalysators ist bereits aus der DE 37 19 174 A1 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird das Mischungsverhältnis der Gaskomponenten des in den Katalysator einströmenden Gasgemisches mit dem Mischungsverhältnis der Gaskomponenten des aus dem Katalysator ausströmenden Gasgemisches verglichen und anhand dieses Ergebnisses eine Bewertung der Katalysatorfunktion vorgenommen. Hierbei wird beispielsweise die Katalysatorfunktion im Hinblick auf die Korrelation zwischen dem HC-Konvertierungsvermögen und der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators ermittelt. Die Sauerstoffspeicherfähigkeit wird mit Sauerstoffsonden, die vor und nach dem Katalysator angeordnet sind, gemessen.

Auf der Grundlage des Verhältnisses der Schadstoffkonzentration vor und nach dem Katalysator wird eine sogenannte Umsetzungsrate bestimmt. Bei einer Umsetzungsrate von annähernd 100% ist der Katalysator voll funktionstüchtig, während z. B. bei einer Umsetzungsrate von kleiner 92% der Katalysators als nicht mehr funktionstüchtig erkannt wird.

Die Überwachung der Funktion des Katalysators ist notwendig, da Schäden am Katalysator die Abgasemissionen stark erhöhen können. Man ist aus diesem Grund bestrebt, die Überwachung des Katalysators zu verbessern und damit den strengen Abgasnormen und der zunehmend geforderten On-Bord-Diagnose (OBD) gerecht zu werden.

Das Verfahren zur Überprüfung der Katalysatorfunktion in einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Hauptanspruches hat gegenüber dem bekannten Auswertungsverfahren den Vorteil, daß eine relativ große Zahl von Abgaskenngrößen (z. B. Konzentration), die in gleichartigen, ausgewählten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine gemessen werden, nach den Methoden der Statistik zu einem statistisch abgesicherten und in seiner Aussageschärfe beurteilbaren, aktuellen Abgasmittelwert verdichtet werden, der mit der Qualität der Katalysatorfunktion korreliert. Der aktuelle Abgasmittelwert wird mit einem Abgasschwellwert verglichen, der wiederum mit einem definiert gealterten Schwellwertkatalysator ermittelt wurde. Bei dem vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Verfahren kann auf einen zweiten Sensor vor dem Katalysator verzichtet werden. Da die Unterschiede zwischen der Abgasumwandlung von einem neuen zu einem gealterten oder defekten Katalysator am deutlichsten in transienten Zuständen wie Beschleunigung und Verzögerung bei betriebswarmen Motor und betriebswarmer Katalysatoranlage sind, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ganz bewußt eine Bewertung der Katalysatorfunktion in diesen Betriebszuständen erfolgen. Das Durchfahren aller möglichen Fahrzustände für eine Beurteilung der Katalysatorfunktion und eine permanente Überwachung dieser Betriebszustände, insbesondere der weniger kritischen, ist damit nicht notwendig, wodurch wiederum die Steuereinheit von unnötigen Rechenoperationen entlastet wird.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gegeben.

Die Bestimmung des aktuell zu vergleichenden Abgaswertes aus einer Reihe von gleichartigen Vergangenheitswerten hat den Vorteil, daß die Messungen statistisch abgesichert sind und die Auswertung somit auf der Basis einer ausreichend großen Anzahl gemessener Werte erfolgt. Eine sehr einfache und aussagekräftige Variante für das Zusammenfassen einer vorgebbaren Anzahl von gemessenen Werten ist die Bildung eines Mittelwertes. Ebenso ist es möglich, wenn auch im folgenden nicht weiter erläutert, den Flächenschwerpunkt bzw. das Integral über die vorgebbare Anzahl der gemessenen Abgaswerte zu bilden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 den Prinzipaufbau eines Motors mit Katalysatorüberwachung,

Fig. 2 den Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens in allgemeiner Form,

Fig. 3 den Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens in detaillierter Form.

Fig. 1 zeigt im Prinzip den Motorblock 10 einer Brennkraftmaschine, ein Steuergerät 11, welches die Funktionen des Motors entsprechend verschiedener Betriebsparameter, die mittels nicht dargestellter Sensoren am Motor erfaßt und dem Steuergerät über eine Verbindung 12 zugeführt werden, über entsprechende Befehle an Stellgrößen den Betrieb des Motors steuert. Die Ausgabe der Steuergrößen ist symbolisch durch die Verbindungspfeile 13 angegeben. An den Motor 10 schließt sich der Abgastrakt 14 an, in welchem der Katalysator 15 angeordnet ist. In der Fig. 1 ist vor dem Katalysator ein erster Sensor 16 und nach dem Katalysator ein zweiter Sensor 17 angeordnet, dessen gemessene Signale jeweils an das Steuergerät 11 geführt sind, wobei bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Sensor 16 vor dem Katalysator entfallen kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll nun zunächst unter Zuhilfenahme der Fig. 2 an einem ersten allgemein dargestellten Verfahrensablaufplan grundsätzlich erläutert werden.

In Fig. 2 werden zunächst in einem ersten Verfahrensschritt 20 die Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, wie beispielsweise Drehzahl n, Druck p, Temperatur T, Last L, Geschwindigkeit v und dergleichen erfaßt. In einem nachgeordneten Arbeitsschritt 21 wird anhand dieser Betriebsparameter der momentane Betriebszustand BZ der Brennkraftmaschine bestimmt. Als nächstes wird im Schritt 22 der aktuelle Abgaswert AGW_gem gemessen. Im darauffolgendem Arbeitsschritt 23 wird der für den Betriebszustand zugehörige zulässige Abgas-Referenzwert AGW_SP aus einer Speichereinrichtung ausgelesen. Der zulässige Abgas-Referenzwert AGW_SP wird beispielsweise in der Applikation oder auf einem Abgas-Rollenprüfstand für die einzelnen Betriebspunkte ermittelt und dann z. B. in einem Kennfeld, welches sich über Drehzahl und Last aufspannt, abgelegt. Da nicht alle Betriebsbereiche des Betriebes einer Brennkraftmaschine kritisch im Hinblick auf die Abgaswerte sind, ist es u. U. sinnvoll eine Überwachung der Abgaswerte nur in den Betriebsbereichen durchzuführen, in denen ein defekter Katalysator sich am stärksten negativ auf die Abgaswerte auswirkt. In einer Abfrage 24 wird geprüft, ob der gemessene Abgaswert AGW_gem größer ist als der aus dem Speicher entnommene Referenzwert für das Abgas AGW_SP. Wird die Abfrage:
AGW_gem < AGW_SP
mit JA beantwortet, dann wird im nachfolgenden Arbeitsschritt 25 die Katalysatorfunktion als nicht o.k. erkannt. Wurde die Abfrage verneint, dann wird im Arbeitsschritt 26 der Katalysator als o.k. und damit voll funktionsfähig erkannt.

Im Folgenden soll anhand der Fig. 3 das erfindungsgemäße Verfahren detaillierter erläutert werden.

In einem ersten Arbeitsschritt 30 wird das Verfahren zur Überprüfung der Katalysatorfunktion gestartet, wobei zwei Zahlwerte i und f auf Null gesetzt werden, i = 0 und f = 0. Die Zahlwerte i und f können jeweils in einem nicht näher ausgeführten Zähler gezählt werden. Im Arbeitsschritt 31 werden die momentanen Betriebsparameter erfaßt und anhand dieser Betriebsparameter der Betriebszustand BZ ermittelt. In der nachfolgenden Abfrage 32 wird, geprüft, ob der Betriebszustand BZ in einem auswerterelevanten Bereich liegt, in welchem ein aussagekräftiges Ergebnis bei der Überwachung der Katalysatorfunktion gewährleistet ist. Transiente Fahrzustände, wie beispielsweise Beschleunigungsvorgänge, sind besonders gut geeignet für die Katalysatordiagnose, weil sich hier am ehesten Schwächen des Katalysators durch erhöhte Schadstoffkonzentrationen nach dem Katalysator zeigen. Vor dem Katalysator stellen sich bei solchen definierten Fahrzuständen jeweils gleich hohe Schadstoffkonzentrationen dann ein, wenn der Motor sein Emissionsverhalten nicht ändert. Bei gleicher Ausgangsbasis der Abgaszusammensetzung vor dem Katalysator ist die Auswertung der Abgaszusammensetzung nach dem Katalysator damit am aussagekräftigsten.

Für den Fall, daß die Abfrage 32 mit JA beantwortet wird, wird in einem nachfolgenden Arbeitsschritt 32.1 der Zahlwert f um eins erhöht, so daß gilt: f = f + 1. Gleichzeitig wird der aktuelle Abgaswert AGW_f gemessen. Im anschließenden Arbeitsschritt 32.2 wird geprüft, ob der aktuell gemessene Abgaswert AGW_f plausibel ist. Bei dieser Prüfung auf Plausibilität wird abgefragt, ob der gemessene Abgaswert AGW_f in einem definierten Band möglicher Meßwerte liegt. War der Abgaswert AGW_f plausibel, so führt der Ja-Ausgang dieser Abfrage 32.2. an den Arbeitschritt 31, in welchem die Erfassung eines nächsten Abgaswertes gestartet wird. Ein Nein auf die Abfrage 32.2. führt über den Arbeitsschritt 32.3, in welchem der Zahlwert f wieder um eins dekrementiert wird, so daß gilt: f = f - 1. Das bedeutet, daß der unplausible Abgaswert AGW_f im folgenden nicht berücksichtigt wird.

Ein Nein auf diese Abfrage 32 führt zu einer weiteren Abfrage 33, in welcher geprüft wird, ob ein OBD relevanter Betriebszustand innerhalb einer vorgebbaren Zeit oder für eine vorgebbare Anzahl Messungen vorhergegangen ist. Der Einfachheit halber ist sowohl für die Überprüfung einer Zeitdauer als auch für die Überprüfung einer vorgebbare Anzahl von Messungen der Wert g im Programmablaufplan eingesetzte, so daß sich in Schritt 33 die Frage f < g ergibt.

Ein Nein in der Abfrage 33 setzt in einem Arbeitsschritt 34 den Zähler f wieder auf den Wert Null (f = 0) und beginnt dann im Arbeitsschritt 31 erneut mit der Erfassung der Betriebsparameter und der Bestimmung des Betriebszustandes BZ. Wurde die Abfrage 33 (f < g) mit Ja beantwortet, dann führt der Ja-Ausgang an einen nachfolgenden Arbeitsschritt 35. Hier wird der Zähler i um den Wert 1 erhöht, so daß gilt: i_neu = i + 1. Anschließend wird im Arbeitsschritt 36 aus der Anzahl 1 . . . f der gemessenen Abgaswerte AGW_1-f der Abgasmittelwert AGMW_i-neu gebildet. Dieser neue Abgasmittelwert AGMW_i-neu wird in einem Arbeitsschritt 37 auf Plausibilität geprüft. Die Plausibilitätsprüfung 37 prüft, ob der ermittelte Abgasmittelwert AGMW_i-neu Wert in einem zulässigen Bereich (z. B. 0 < AGMW_i-neu < AGMW_Mmax) liegt. Hierbei sollen mögliche durch Meßfehler bedingte Werte von einer weiteren Auswertung ausgeschlossenen werden. Daraus folgt, daß ein Nein auf diese Abfrage 37 - AGMW_neu nicht plausibel - über einen Arbeitsschritt 38, in welchem der Zähler i um 1 dekrementiert wird, zurückführt zum Arbeitsschritt 31, in welchem erneut die aktuellen Betriebsparameter erfaßt und der Betriebszustand BZ ermittelt wird.

Wurde jedoch der Abgasmittelwert AGMW_i-neu als plausibel erkannt und damit die Abfrage 35 mit Ja beantwortet, dann wird in einer nachfolgenden Abfrage 37 überprüft, ob der Zähler i bereits einen vorgebbaren Wert n erreicht hat. Der vorgebbare Wert n wird in der Regel so gewählt, daß eine repräsentative Anzahl von gemessenen Abgasmittelwerten AGMW_i-neu zur Verfügung steht. Ein möglicher Wert für n könnte beispielsweise der Wert 50 sein. Wurde die Abfrage 37 verneint, dann ist noch nicht eine ausreichende Anzahl von Abgaswerten erfaßt, das Verfahren springt zurück zum Arbeitsschritt 31, infolgedessen dann ein neuer Abgasmittelwerten AGMW_i-neu ermittelt wird.

War der ermittelte Abgasmittelwerten AGMW_i-neu plausibel, so wird in einer nachgeordneten Abfrage 39 geprüft, ob die bereits eine vorgebbare Anzahl n von Abgasmittelwerten AGMW_i-neu erfaßt wurde. Die Prüfung erfolgt in der Art, daß ein einfacher Vergleich des Inhaltes des Zählers i und damit von "i-neu" mit der vorgebbaren Anzahl n (i-neu < n) durchgeführt wird. Ist das Ergebnis dieses Vergleichs negativ, dann führt der Nein-Ausgang zurück zum Arbeitsschritt 31, und es werden weitere Abgasmittelwerte AGMW_i-neu erfaßt.

Wurde die Abfrage 39 bejaht, dann sind n Abgasmittelwerte AGMW_i-neu erfaßt. Im anschließenden Arbeitsschritt 40 ist der jeweils älteste erfaßte Wert gelöscht und der neu erfaßte Abgasmittelwert AGMW_i-neu gespeichert. Diese Funktion kann beispielsweise mit einem Schieberegister realisiert werden, welches bei jedem Dateneingang alle erfaßten Werte um einen Wert weiterschiebt, so daß schlußendlich der älteste Wert herausfällt. Die Zahl der erfaßten und gespeicherten Meßwerte bleibt somit konstant. Alle relevanten Abgasmittelwerte AGMW_i=1 bis AGMW_i=n werden in einem Arbeitsschritt 41 für die weitere Bearbeitung gespeichert. Aus diesen gespeicherten Abgasmittelwerten AGMW_i=1 bis AGMW_i=n wird im nachgeordneten Arbeitsschritt 42 ein Gesamtabgasmittelwert x_k berechnet. Bei dieser Berechnung ist es sinnvoll, eine mögliche Standartabweichung zu berechnen und einen zulässigen Vertrauensbereich zuzulassen. Dies ist jedoch im Verfahrensschritt 42 nicht explizit erwähnt, da die Werte für die Standartabweichung und den Vertrauensbereich ggf. auch den Wert null einnehmen können und von Fahrzeug zu Fahrzeug bzw. von Betriebzustand zu Betriebszustand unterschiedlich sein kann. Der so berechnete Gesamtabgasmittelwert x_k stellt einen Wert dar, der für den momentanen Funktionszustand des Katalysators repräsentativ ist.

Im nachfolgenden Arbeitsschritt 43 wird der berechnete Gesamtabgasmittelwert x_k mit einem Offset x_v beaufschlagt, wobei dieser Offset x_v einen nach Verfahren der Statistik bestimmten Bereich darstellt, der ein Maß für die Meßunsicherheit des berechnenten Abgasmittelwertes ist. Diese Summe aus Gesamtabgasmittelwert x_k und Offset x_v wird mit dem aus einem Speicher für diesen Betriebszustand BZ entnommenen Referenzwert verglichen (x_k + x_v < GW_Sp). Wurde die Abfrage 43 mit Nein beantwortet, so erfolgt im Arbeitsschritt 44 die Fehlerinformation, daß die Katalysatorfunktion - nicht ok - ist. Wurde jedoch der Referenzwert nicht überschritten dann wird im Arbeitsschritt 45 der Katalysator als funktionstüchtig -ok- erkannt. Sowohl der Arbeitsschritt 44 als auch der Arbeitsschritt 45 sind mit dem letzten Arbeitsschritt 46 verbunden, in welchem das Ende des Programmablaufs erkannt wird, so daß dann ggf. eine neue Auswertung erfolgen kann.

Bei der Auswertung und Überprüfung der Funktionstüchtigkeit eines Katalysators werden in der Regel HC-, CO- und NOx-Reaktionen im Katalysator, oder Reaktionen anderer Abgaskomponenten ausgewertet, wobei als Meßgröße für diese Effekte die Abgaskonzentration und deren Verlauf erfaßt wird.

In einer anderen Ausführung kann das Verfahren mit zwei Sensoren durchgeführt werden. Bei der Anordnung zweier Sensoren im Abgastrakt, wie in Fig. 1 dargestellt, besteht die Möglichkeit in kritischen Bereichen die Abgaszusammensetzung vor und nach Katalysator auszuwerten und anhand eines Plausibiltätsvergleich die Ergebnisse der Verfahren überprüfen zu können. Damit kann überprüft werden, ob der Motor sein Emissionsverhalten verändert hat. Im Falle einer Änderung kann die Diagnose angepaßt werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Überprüfung der Funktion des Katalysators in Brennkraftmaschinen mit einem im Abgastrakt nach dem Katalysator angeordneten Sensor zur Erfassung der Abgaswerte, dadurch gekennzeichnet, daß anhand erfaßter Betriebsparameter (n, L, T, v) gleichartige Betriebszustände (BZ) der Brennkraftmaschine bestimmt werden, daß aus einer definierten Anzahl von Abgaswerten während eines gleichartigen Betriebzustandes (BZ) ein statistisch abgesicherter Gesamtabgasmittelwert (x_k) gebildet wird und mit einem aus einer Speichereinrichtung für diesen Betriebszustand entnommenen, maximal zulässigen Abgaswert (AGW_SP) verglichen wird und daß ein defekter Katalysator erkannt wird, wenn der aktuell ermittelte Gesamtabgasmittelwert den zulässigen Abgaswert (x_k < AGW_SP) überschreitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den ausgewählten auszuwertenden Betriebszustand aus einer vorgebbaren Anzahl (g) gemessener Abgaswerte (AGW_{1 . . . f}) ein Abgasmittelwert (AGMW_i) berechnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gesamtabgasmittelwert (x_k) aus aus einer vorgebbaren Anzahl (n) von während eines Betriebzustandes berechneten Abgasmittelwerten (AGMW_i...n) bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ermittelte Gesamtabgasmittelwert (x_k) mit einem betriebspunktabhängigen durch statistische Verfahren ermittelten Offset (x_v) beaufschlagt wird.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das die Überprüfung der Katalysatorfunktion nur in Betriebszuständen, die einen erhöhten Stickoxidanteil, CO-Anteil und/oder HC-Anteil im Abgas aufweisen, durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gemessene Abgaswert (AGW) wahlweise mit einer Motorzustandsgröße, insbesondere einem Wert für den Luftmassenstrom und/oder für den Kraftstoffmassenstrom mathematisch verknüpft wird.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Überprüfung der Katalysatorfunktion in transienten Betriebszuständen bei betriebswarmem Motor und betriebswarmer Katalysatoranlage durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ergebnis des Vergleichs des aktuell ermittelten Gesamtabgasmittelwertes mit dem dem Speicher entnommenen zulässigen Abgaswert (AGW_akt < AGW_SP) mittels eines zweiten vor dem Katalysator befindlichen Sensors und der Auswertung der Umsetzungsrate auf Plausibilität überprüft wird.