DE19931321A1 - Verfahren zum Überprüfen eines Dreiwege-Abgaskatalysators einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum Überprüfen eines Dreiwege-Abgaskatalysators einer Brennkraftmaschine

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Abstract

Zur Überprüfung eines Dreiwege-Katalysators wird ein NOx-Sensor zur Bestimmung der NOx-Konzentration stromabwärts des zu diagnostizierenden Katalysators eingesetzt. Aus der gemessenen NOx-Konzentration (c_NOx) kann aufgrund des engen Zusammenhanges von NOx- und HC-Umsetzung auf die HC-Konvertierungseigenschaften des Dreiwege-Katalysators geschlossen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen eines Dreiwege-Abgaskatalysators einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Zur Überwachung von Abgaskatalysatoren für Brennkraftmaschi­ nen sind Verfahren bekannt, welche die Sauerstoffspeicherfä­ higkeit (Oxygen Storage Capacity, OSC-Verfahren) des Kataly­ sators ausnutzen. Diese Speicherfähigkeit korreliert mit der Kohlenwasserstoff-Konvertierung im Katalysator. Wenn der Ka­ talysator gute Konvertierungsfähigkeiten besitzt, werden die Lambdaschwankungen vor dem Katalysator, welche durch den Lambdaregler erzeugt und von einer ersten Lambdasonde erfasst werden, durch die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysa­ tors geglättet. Hat der Katalysator infolge Alterung, Vergif­ tung durch verbleiten Kraftstoff oder durch Verbrennungs­ aussetzer keine oder nur verminderte Konvertierungseigen­ schaften, so schlägt die stromauf des Katalysators vorhandene Regelschwingung auf die Lambdasonde stromab des Katalysators durch. Durch Vergleich der Signalamplituden der beiden Lambdasonden kann auf einen funktionsfähigen oder defekten Katalysator geschlossen werden (z. B. DE 23 28 459 A1).
Bei Fahrzeugen, die nach den strengen ULEV (Ultra Low Emissi­ on Vehicle) oder SULEV (Super Ultra Low Emission Vehicle)- Grenzwerten zertifiziert sind, führen schon Verschlechterun­ gen der Konvertierungsrate von wenigen Prozent zu einer Über­ schreitung der Diagnosegrenzwerte. Bei diesen Konvertierungs­ raten werden jedoch relativ niedrige Amplitudenverhältnisse ermittelt. Damit ist eine sichere Unterscheidung zwischen ei­ nem defekten und einem funktionsfähigen Katalysator, insbe­ sondere unter Berücksichtigung der Serienstreuung und der nicht linearen Korrelation zwischen Sauerstoffspeicherfähig­ keit und HC-Konvertierung nicht mehr gegeben.
Aus der DE 197 14 293 C1 wird der Zusammenhang zwischen exo­ thermer Energieumsetzung im Katalysator und HC-Konvertierung mittels Temperaturverfahren zur Diagnose des Katalysators ge­ nutzt. Zur Beurteilung der Konvertierungsfähigkeit des Kata­ lysators wird dabei nach einem Temperaturmodell die in einem nicht katalytisch beschichteten Referenzkatalysator erzeugte Wärmeenergie berechnet und mit der in dem Katalysator erzeug­ ten Wärmeenergie verglichen, die gemessen wird. Aus der Dif­ ferenz wird ein Maß für die Konvertierungsfähigkeit des Kata­ lysators ermittelt und durch Vergleich mit einem Vergleichs­ wert entweder auf einen defekten Katalysator oder auf einen Katalysator mit ausreichender Konvertierungsfähigkeit ge­ schlossen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein genaues Verfah­ ren zum Überprüfen der Konvertierungsfähigkeit eines Dreiwe­ ge-Abgaskatalysators anzugeben, das ohne teuere Temperatur­ sensoren und ohne eine zweite Lambdasonde auskommt, weil der NOx-Sensor ein binäres Sauerstoffsignal liefert, das für die Trimmregelung verwendet werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Vorliegender Erfindung liegt die Idee zugrunde, zur Überprü­ fung eines Dreiwege-Katalysators einen NOx-Sensor zur Bestim­ mung der NOx-Konzentration stromabwärts des zu diagnostizie­ renden Katalysators einzusetzen. Vorraussetzung für das Dia­ gnoseverfahren ist ein Luftverhältnis λ, das sich im Konver­ tierungsfenster des Katalysators (typischerweise: 0.995 ≦ λ ≦ 0.999) befindet, da insbesondere für Lambdawerte größer 0.999 die NOx-Konvertierung gravierend absinkt.
Aus der gemessenen NOx-Konzentration kann aufgrund des engen Zusammenhanges von NOx- u. HC-Umsetzung neben der direkt er­ mittelten NOx-Konvertierungseigenschaften auch auf die HC- Konvertierungseigenschaften eines Dreiwege-Katalysators ge­ schlossen werden. Dieser Zusammenhang gilt für den oben be­ schriebenen Bereich des Luftverhältnisses.
Das Verfahren hat insbesondere den Vorteil, daß es auch die Diagnose von Abgasanlagen mit Dreiwege-Katalysatoren mit ho­ her Genauigkeit erlaubt, selbst wenn strenge Abgasgrenzwerte einzuhalten sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläu­ tert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine mit zu­ gehöriger Abgasnachbehandlungsanlage,
Fig. 2 ein Diagramm für den zeitlichen Verlauf der NOx- Konzentration stromabwärts des Abgaskatalysators bei Warmlauf der Brennkraftmaschine und
Fig. 3 ein Diagramm für den zeitlichen Verlauf der NOx- Konzentration stromabwärts des Abgaskatalysators bei Zufuhr von Sekundärluft während des Warmlaufs der Brennkraftmaschine.
In Fig. 1 ist in Form eines Blockschaltbildes sehr verein­ facht eine Brennkraftmaschine mit einer ihr zugeordneten Ab­ gasnachbehandlungsanlage gezeigt, bei der das erfindungsgemä­ ße Verfahren angewendet wird. Dabei sind nur diejenigen Kom­ ponenten dargestellt, die für das Verständnis der Erfindung notwendig sind. Insbesondere ist auf die Darstellung des Kraftstoffkreislaufes verzichtet worden.
Der Brennkraftmaschine 10 wird über einen Ansaugkanal 11 die zur Verbrennung notwendige Luft zugeführt. Im Ansaugkanal 11 sind in Strömungsrichtung der angesaugten Luft gesehen nach­ einander ein Lastsensor in Form eines Luftmassenmessers 12, ein Drosselklappenblock 13 mit einer Drosselklappe 14 und entsprechend der Zylinderzahl ein Satz Einspritzventile 15 vorgesehen, von denen nur eines gezeigt ist. Das erfindungs­ gemäße Verfahren ist aber auch bei einem System anwendbar, das nur ein Einspritzventil für alle Zylinder aufweist (Zen­ traleinspritzsystem, Single Point Injection System) oder bei dem Kraftstoff direkt in die jeweiligen Zylinder eingespritzt wird (Direkteinspritzung, Hochdruckeinspritzung).
Ausgangsseitig ist die Brennkraftmaschine 10 mit einem Abgas­ kanal 16 verbunden, in dem ein Dreiwege-Abgaskatalysator 17 angeordnet ist. Im folgenden wird dafür der vereinfachte Be­ griff Abgaskatalysator verwendet.
Die Sensorik für die Abgasnachbehandlung beinhaltet u. a. ei­ nen stromaufwärts des Abgaskatalysators 17 angeordneten Sau­ erstoffmeßaufnehmer in Form einer Lambdasonde 18 und einen NOx-Sensor 19 zur Bestimmung der NOx-Konzentration und zur Lieferung eines entsprechendes Signals zur Trimmregelung stromabwärts des Abgaskatalysators 17. Als Sauerstoffmeßauf­ nehmer 18 kann entweder eine Breitband-Lambdasonde eingesetzt werden, welche in Abhängigkeit des Sauerstoffgehaltes im Ab­ gas ein stetiges, z. B. lineares Ausgangssignal abgibt oder eine Lambda-Sprungsonde verwendet werden, dessen Ausgangs­ signal sich bei Übergang von fettem nach magerem Gemisch und umgekehrt sprunghaft ändert. Mit dem Signal dieses Meßaufneh­ mers 18 wird das Gemisch entsprechend der Sollwertvorgaben geregelt. Diese Funktion übernimmt eine an sich bekannte Lambdaregelungseinrichtung 20, die vorzugsweise in eine den Betrieb der Brennkraftmaschine steuernde bzw. regelnde Steue­ rungseinrichtung 21 integriert ist. Solche elektronischen Steuerungseinrichtungen 21, die in der Regel einen oder meh­ rere Mikroprozessoren beinhalten und die neben der Kraftstof­ feinspritzung und der Zündungsregelung noch eine Vielzahl weiterer Steuer- und Regelaufgaben, u. a. auch die Überprüfung des Abgasnachbehandlungsystems übernehmen, sind an sich be­ kannt, so daß im folgenden nur auf den im Zusammenhang mit der Erfindung relevanten Aufbau und dessen Funktionsweise eingegangen wird. Insbesondere ist die Steuerungseinrichtung 21 mit einer Speichereinrichtung 22 verbunden, in der u. a. verschiedene Kennfelder KF1-KF3 gespeichert sind, deren je­ weilige Bedeutung anhand der Beschreibung der nachfolgenden Figuren noch näher erläutert wird.
Die Speichereinrichtung umfasst ferner einen Fehlerspeicher 23, dem eine Fehleranzeigevorrichtung 24 zugeordnet ist. Diese Fehleranzeigevorrichtung 24 ist vorzugsweise als Fehlerlam­ pe (MIL, malfunction indication lamp) realisiert.
Die Drehzahl N der Brennkraftmaschine wird mit Hilfe eines Drehzahlsensors 25 erfasst. Dieses Drehzahlsignal wird ebenso der Steuerungseinrichtung 21 zur weiteren Aus- und Verarbei­ tung zugeführt, wie das Ausgangssignal MAF des Luftmassen­ messers 12 und das Signal c_NOx_nk des NOx-Sensors 19.
Zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 10 ist die Steuerungseinrichtung 21 über eine Daten- und Steuerleitung 26 noch mit weiteren, nicht explizit dargestellten Sensoren und Aktoren verbunden.
Zum Zuführen von Sekundärluft in den Abgaskanal 16 stromauf­ wärts des Abgaskatalysators 17 ist ein an sich bekanntes Se­ kundärluftsystem vorgesehen, das eine Sekundärluftpumpe 27, eine Sekundärluftzuleitung 28, ein Sekundärluftventil 29 und einen Sekundärluftmassenmesser 30 aufweist. Die Sekundärluft­ pumpe 27 und das Sekundärluftventil 29 sind über Ansteuerlei­ tungen mit der Steuerungseinrichtung 21 verbunden. Der Sekun­ därluftmassenmesser 30 gibt ein der von der Sekundärluftpumpe 27 geförderten Luftmasse entsprechendes Signal an die Steue­ rungseinrichtung 21 ab.
Die Fig. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen der NOx- Konzentration stromabwärts des Abgaskatalysators und der Zeit t während des Warmlaufs der Brennkraftmaschine mit einem Luftverhältnis innerhalb oder geringfügig unterhalb des ange­ gebenen Konvertierungsfensters für einen neuen und einen ge­ alterten Abgaskatalysator. Auf der Abszisse ist dabei die Zeit t nach dem Start der Brennkraftmaschine, auf der Ordina­ te die Konzentration c_NOx aufgetragen, die mittels des NOx- Sensors 19 (Fig. 1) erfasst wird.
Erreicht der Abgaskatalysator die Light-Off-Temperatur, die als Temperatur definiert ist, bei der 50% der NOx-Emission konvertiert werden, typischerweise 250°C-300°C bei üblichen Abgaskatalysatoren, so nimmt die gemessene NOx-Konzentration stromabwärts des Abgaskatalysators deutlich ab. Abhängig von der Alterung des Abgaskatalysators ergibt sich für einen ge­ alterten Abgaskatalysator ein zeitlich verzögertes Einsetzen der NOx-Konvertierung. Dieser Effekt wird zur Diagnose ge­ nützt. Auf der Abszisse ist die Anspringzeit (Light-Off-Zeit) für einen neuen Abgaskatalysator mit t_loff_n, die Anspring­ zeit (Light-Off-Zeit) für einen gealterten Abgaskatalysator mit t_loff_g eingezeichnet.
Die schraffierte Fläche der NOx-Konzentration stromabwärts des Abgaskatalysators ist durch den Zeitpunkt t1, bei dem eine vorbestimmte NOx-Konzentrationsschwelle c_NOx_th unterschrit­ ten wird, begrenzt. Diese Fläche ist ein Maß für die NOx- Konvertierungseigenschaft des Abgaskatalysators.
Gemäß der Darstellung nach Fig. 2 wird der Integrationswert für einen gealterten Abgaskatalysator aufgrund des verzöger­ ten Anspringens um die Zusatzfläche A' größer sein als für ei­ nen neuwertigen Abgaskatalysator (Fläche A). Der Schwellen­ wert c_NOx_th wird erst zum Zeitpunkt t1_g unterschritten, während er bei einem neuen oder neuwertigen Abgaskatalysator schon zum Zeitpunkt t1_n unterschritten wird.
Für einen neuen Abgaskatalysator gilt:
Das Überschreiten des Schwellenwertes S1, welcher über ein empirisch ermitteltes und/oder durch Fahrversuche aufgenomme­ nes Kennfeld KF1 abhängig von den Betriebsgrößen Luftverhält­ nis λ, Drehzahl N und angesaugtem Luftmassenstrom MAF ausge­ lesen wird, führt zur Aktivierung der Fehleranzeigevorrich­ tung 24. Parallel hierzu kann das Überschreiten des Schwel­ lenwertes S1 in einen Fehlerspeicher 23 eingetragen werden, der beim nächsten Werkstattaufenthalt des Fahrzeuges ausgele­ sen werden kann.
In Fig. 3 ist der Zusammenhang zwischen der NOx-Konzentra­ tion stromabwärts des Abgaskatalysators und der Zeit bei Zu­ fuhr von Sekundärluft während des Warmlaufs der Brennkraftma­ schine für einen neuen und einen gealterten Abgaskatalysator gezeigt.
Um das Anspringen des Abgaskatalysators zu beschleunigen, wird in fettes Verbrennungsabgas Sekundärluft eingeblasen, was eine beschleunigte Oxidation der Abgasbestandteile be­ wirkt. Dieses Vorgehen führt zu einer mageren Abgaszusammen­ setzung.
Ist das Sekundärluftsystem aktiviert, d. h. die Sekundärluft­ pumpe 27 eingeschaltet und das Sekundärluftventil 29 (Fig. 1) geöffnet, so kann aufgrund der fehlenden NOx-Konvertierung des Abgaskatalysators im mageren Abgas keine Diagnose durch­ geführt werden.
Wird die Zeitdauer t_sL, innerhalb derer das Sekundärluftsy­ stem aktiviert ist, so bemessen, daß sie mit der Light-Off- Zeit t_loff_n eines neuen Abgaskatalysators identisch ist, so kann aus dem Rückgang der NOx-Konzentration die Konvertierung abgeleitet werden. Nach dem Ablauf der Zeitdauer t_sl stellt die Lambdaregelung eine Abgaszusammensetzung ein, die im Ka­ talysator-Konvertierungsfenster liegt und folgedessen bei der gute Bedingungen zur NOx-Konvertierung herrschen.
Die schraffierte Fläche der NOx-Konzentration stromabwärts des Abgaskatalysators, ist durch den Zeitpunkt t1, bei dem eine vorbestimmte NOx-Konzentrationsschwelle c_NOx_th unter­ schritten wird, begrenzt. Diese Fläche ist ein Maß für die NOx-Konvertierungseigenschaft des Abgaskatalysators.
Die NOx-Konzentration ändert sich mit Abschalten des Sekun­ därluftsystems auch bei einem gealterten Abgaskatalysator, da sich nach Beenden der Aufheizmaßnahme mittels Sekundär­ lufteinblasung in den Abgaskanal auch das motorische Verbren­ nungslambda ändert.
Gemäß der Darstellung nach Fig. 3 wird der Integrationswert für einen gealterten Abgaskatalysator, aufgrund des verzöger­ ten Anspringens um die Zusatzfläche A' größer sein als für ei­ nen neuen oder neuwertigen Abgaskatalysator (Fläche A). Der Schwellenwert c_NOx_th wird erst zum Zeitpunkt t1_g unter­ schritten, während er bei einem neuen oder neuwertigen Abgas­ katalysator schon zum Zeitpunkt t1_n unterschritten wird.
Für einen neuen Abgaskatalysator gilt:
Das Überschreiten des Schwellenwertes S2, welcher über ein empirisch ermitteltes und/oder durch Fahrversuche aufgenomme­ nes Kennfeld KF2 abhängig von den Betriebsgrößen Luftverhält­ nis λ, Drehzahl N und angesaugtem Luftmassenstrom MAF ausge­ lesen wird, führt zur Aktivierung der Fehleranzeigevorrich­ tung 24. Parallel hierzu kann das Überschreiten des Schwel­ lenwertes S1 in einen Fehlerspeicher 23 eingetragen werden, der beim nächsten Werkstattaufenthalt des Fahrzeuges ausgele­ sen werden kann.
Neben den bereits beschriebenen Möglichkeiten, die Konvertie­ rungsfähigkeit des Abgaskatalysators während des Warmlaufes der Brennkraftmaschine zu diagnostizieren, ist es auch mög­ lich die Diagnose des Abgaskatalysators bei betriebswarmer Brennkraftmaschine durchzuführen.
Ist die Lambdaregelung aktiv (0.995 ≦ λ ≦ 0.999) so kann auch in stationären Betriebszuständen der Brennkraftmaschine eine Diagnose ausgeführt werden. Zur Erhöhung der Diagnosesicher­ heit wird die gemessene NOx-Konzentration über einen vorbe­ stimmen Zeitraum t_Stat aufintegriert und mit einem Schwel­ lenwert S3, welcher wiederum über ein Kennfeld KF3 von Be­ triebsgrößen abhängt, verglichen.
Der Integrationswert für einen gealterten Katalysator ist aufgrund der verminderten Konvertierung größer als für einen neuwertigen Abgaskatalysator. Das Überschreiten des Schwel­ lenwertes S3, welcher über ein empirisch ermitteltes und/oder durch Fahrversuche aufgenommenes Kennfeld KF3 abhängig von den Betriebsgrößen Luftverhältnis λ, Drehzahl N und angesaug­ tem Luftmassenstrom MAF ausgelesen wird, führt zur Aktivie­ rung der Fehleranzeigevorrichtung 24. Parallel hierzu kann das Überschreiten des Schwellenwertes S1 in einen Fehlerspei­ cher 23 eingetragen werden, der beim nächsten Werkstat­ taufenthalt des Fahrzeuges ausgelesen werden kann.

Claims (7)

1. Verfahren zum Überprüfen der Konvertierungsfähigkeit eines in einem Abgaskanal (16) einer Brennkraftmaschine (10) ange­ ordneten Dreiwege-Abgaskatalysators (17), wobei die Brenn­ kraftmaschine mit einem Luftverhältnis (λ) betrieben wird, das dem Konvertierungsfenster des Dreiwege-Abgaskatalysators (17) entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die NOx-Konzentration im Abgaskanal (16) stromabwärts des Dreiwege-Abgaskatalysators (17) mittels eines NOx-Sensors (19) erfasst wird und aus den Werten der NOx-Konzentration (c_NOx) auf die Konvertierungseigenschaften des Dreiwege- Abgaskatalysators geschlossen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Warmlaufs der Brennkraftmaschine (10) mit einem Luftverhältnis (λ< = 1)
  • - ein Summenwert (A, A') gebildet wird aus der gemessenen NOx- Konzentration (c_NOx) ab Beginn des Starts der Brennkraftma­ schine (10) bis zum Zeitpunkt (t1), bei dem die NOx- Konzentration (c_NOx) einen vorgegebenen Schwellenwert (c_NOx_th) unterschreitet,
  • - der Summenwert (A, A') mit einem vorgegebenen Schwellenwert (S1) verglichen wird und
  • - bei Überschreiten des Schwellenwertes (S1) auf einen geal­ terten Abgaskatalysator (17) geschlossen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Warmlaufs der Brennkraftmaschine (10) und Zufüh­ ren von Sekundärluft
  • - ein Summenwert (A, A') gebildet wird aus der gemessenen NOx- Konzentration (c_NOx) ab dem Zeitpunkt (t_sl) des Beendens der Sekundärluftzufuhr bis zum Zeitpunkt (t1), bei dem die NOx- Konzentration (c_NOx) einen vorgegebenen Schwellenwert (c_NOx_th) unterschreitet,
  • - der Summenwert (A, A') mit einem vorgegebenen Schwellenwert (S2) verglichen wird und
  • - bei Überschreiten des Schwellenwertes (S2) auf einen geal­ terten Abgaskatalysator (17) geschlossen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem stationären Betriebszustand der Brennkraftmaschine (10) und aktiver Lambdaregelung
  • - ein Summenwert (A, A') gebildet wird aus der gemessenen NOx- Konzentration (c_NOx) ab einem Startwert (t_Start) bis zu ei­ nem vorbestimmten Zeitpunkt (t_Stat),
  • - der Summenwert (A, A') mit einem vorgegebenen Schwellenwert (S1) verglichen wird und
  • - bei Überschreiten des Schwellenwertes (S1) auf einen geal­ terten Abgaskatalysator (17) geschlossen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei Überschreiten des Schwellenwertes (S1; S2; S3) eine Fehleranzeigevorrichtung (24) aktiviert wird und/oder ein Eintrag in einen Fehlerspeicher (23) erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellenwert (S1; S2; S3) in einem Kennfeld (KF1; KF2; KF3) ab­ hängig von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine (10) abge­ legt ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Betriebsgrößen der von der Brennkraftmaschine (10) mindestens eine der Größen angesaugte Luftmassenstrom (MAF), das Luft­ verhältnis (λ) und die Drehzahl (N) der Brennkraftmaschine (10) verwendet werden.
DE19931321A 1999-07-07 1999-07-07 Verfahren zum Überprüfen eines Dreiwege-Abgaskatalysators einer Brennkraftmaschine Withdrawn DE19931321A1 (de)

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