DE3443649A1

DE3443649A1 - Verfahren zur ueberpruefung der katalysatorfunktion bei einem mit (lambda)-sonden-regelung ausgeruesteten kraftfahrzeug-otto-motor

Info

Publication number: DE3443649A1
Application number: DE19843443649
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr.-Ing. 7067 Plüderhausen Abthoff; Günther 7150 Heiningen Ebinger; Rainer 7000 Stuttgart Kreeb; Christoph Dipl.-Ing. 7050 Waiblingen Noller; Hans-Georg 7050 Waiblingen Schmitz; Hans-Dieter Dipl.-Ing. 7060 Schorndorf Schuster; Gottfried Dipl.-Ing. Wollenhaupt
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1984-11-30
Filing date: 1984-11-30
Publication date: 1986-06-05
Also published as: DE3443649C2

Description

Otto-Motoren enthalten in ihrem Abgas noch geringe Mengen an brennbaren Bestandteilen wie Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe sowie Stickoxide. Um den Anteil dieser Bestandteile auf einen vom Gesetzgeber geforderten Minimalwert zu senken, müssen die Abgase weitgehend von diesen Stoffen befreit werden. Das bedeutet, daß die brennbaren Bestandteile möglichst vollständig zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert und die Stickoxide zu Stickstoff reduziert werden müssen.

Zu Erfüllung dieser Forderungen wird das Kraftstoff-Luft verhältnis des Motors mittels einer X-Sonde geregelt und das Abgas an einem Dreiwegekatalysator weiter umgesetzt.

Die bekannten A--Sonden arbeiten nach dem Prinzip der Sauer· stoffkonzentrationskette. Sie weisen daher eine Bezugselektrode auf, die mit Sauerstoff eines bekannten, konstanten PartwJ-aldrucks in Verbindung steht. Als derartige Sauerstoff quelle kann beispielsweise der Luftsauerstoff dienen, die Bezugselektrode kann aber auch mit einem Metall-Metall -

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oxidgemisch wie Eisen/Eisenoxid, Nickel/Nickeloxid usw. (DE-AS 28 36 900), mit einer CO/CO₂-Mischung (DE-AS 24 43 037) oder mit Kohlenstoff (DE-OS 29 17 265) zwecks Einstellung eines bestimmten Sauerstoffpartialdrucks in Verbindung stehen.

Von der van de^-Sonde abgegebenen Spannung wird über eine Sonden kennlinie auf das Kraftstoff-Luft-Verhältnis zurückgeschlossen Auf Grund der Sondenkennlinie arbeitet der an die Sonde angeschlossene Regler im allgemeinen als 2-Punkt-Regler , d. h.

bei Abweichung der abgegebenen Spannung von dem Arbeitspunkt wird der Kraftstoff anteil im Kraftstoff-Luft-Gemisch vergrößert oder verkleinert. Die Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches schwankt daher immer geringfügig um das stöchio metrische Verhältnis, d. h. das Kraftstoff-Luft-Verhältnis ist zeitweise geringfügig zu fett und zeitweise zu mager. Die Funktionsweise einer λ-Sonden gesteuerten Regelung ist allgemein bekannt und wird zum Beispiel ausführlich beschrieben in: Glöckler, "Advances in closed-loop lamb da-controlled feel injection systems means to meet most stringend emission levels" Proc. Int. Symposium on Automotive Technology and Automation, ISATA 81, Stockholm 7. bis 11. September 1981, Band 1, Seiten 308 - 326, herausgegeben durch Automotive Automation .Ltd. Croydon, England.

Das den Motor verlassende Abgasgemisch wird dann an einem Dreiwegekatalysator, der sowohl in der Lage ist, die unverbrannten Bestandteile zu oxidieren als auch das Stickoxid in Stickstoff zu überführen, weiter umgesetzt. Diese Mehrfachfunktion des Dreiwegekatalysators beruht in erster Linie darauf, daß der Katalysator während der Magerphase der

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Regelung in der Lage ist, überschüssiges Oxidationsmittel (Sauerstoff) zu speichern, um dieses während der nächsten Fettphase der X-Regelung den zu oxidierenden Abgaskomponenten zur Verfügung zu stellen.

Da die Wirksamkeit des Katalysators mit steigender Betriebsdauer abnimmt, ist die regelmäßigeüberprüfung der ordnungsgemäßen Katalysatorfunktion unumgänglich. Diese Überprüfung erfolgt zur Zeit in der Form, daß die Abgasemission der Fahrzeuge mittels vorgeschriebener Messverfahren (CVS-Technik) innerhalb eines vorgeschriebenen Fahrzykluses (FTP) ermittelt werden. Diese Verfahren sind jedoch auf Grund der vorgeschriebenen Vorkonditionierung der Fahrzeuge,der aufwendigen Fahrsi wu J ation und der hohen Genauigkeitsanforderungen an die Abgasmeßtechnik außerordentlich zeit- und kistenintensiv.

Auf Grund der starken Überbewertung von Kaltstart und Warmlauf phase, also jener Bereiche, die außerhalb der Betriebsbereitschaft des Katalysators liegen und damit von den motorischen Parametern bestimmt werden,lassen sich anhand des Summenergebnisses des Abgastest nur unzulängliche Rückschlüsse auf den Alterungszustand des Katalysators und seine Funktionsbereitschaft ziehen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Überprüfung der Katalysatorfunktion zu finden, das billig und so einfach ist, daß es praktisch in jeder Werkstatt durchgeführt werden kann und trotzdem genaue Rückschlüsse auf den Alterungszustand und die Funktion des Katalysators zuläßt.

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Diese Aufgabe wird durch das in dem Patentanspruch beschriebene Verfahren gelöst.

Grundlage des Verfahrens bildet somit die Sauerstoff Speicherfähigkeit des Katalysators und die darauf beruhenden unterschiedlichen Regelfrequenzen einer λ Sonden-Regelung mit vor oder hinter dem Katalysator angeordneten Sauerstoffmeßfühler.

Bei der Λ-Sonden-Regelung wird ein Regelsignal erzeugt, sobald das Kraftstoff-Luft-Verhältnis aus dem fetten in den mageren Bereich kommt und umgekehrt. Betrachtet man nun eine vor dem Katalysator im Abgasstrang angeordnete λ-Sonde, so wird die Frequenz, mit der das Luft-Kraftstoff-Verhältnis um λ= 1 schwank, die sogenannte Regelfrequenz, grundsätzlieh durch die Totzeit des jeweiligen Regelkreises gebildet. Die Totzeiten wiederum können über die Regel-Parameter noch variert werden, wodurch Stabilisierungen der Regelung und Veränderungen der Regelfrequenz möglich werden. Die Gesamttotzeit des Regelkreises setzt sich aus den jeweils zu durchlaufenden Einzelabschnitten des Regelkreises zusammen. Diese sind im einzelnen: Die Ansprechzeit der λ-Sonde, die Arbeitszeit der Regelelektronik, die Zeit der Kraftstoffzumeßung, die Gemischaufbereitungszeit, die Zeit des motorischen Arbeitspiels und die Laufzeit des Abgases bis zur Sonde. Ferner wird die Frequenz selbstverständlich noch durch die Art der Regelung selbst beeinflußt. Die höchste Frequenz, d. h. die schnellste Regelung wird durch die Rechteckregelung (ausschließlich P-Anteile) erreicht. Diese Regelung ist zwar sehr schnell aber instabil. Die einfache Dreiecksregelung (ausschließlich i-Anteile) ist zwar stabil, aber sehr langsam. In der Praxis verwendet man daher eine Kombination aus beiden Regelungsarten,

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die Trapez-Regelung (i-und P-Anteile). Diese Regelungs art ist ähnlich schnell wie die reine P-Regelung, hat jedoch den Vorteil der besseren Stabilität.

Auf Grund dieser Faktoren,die konstruktionsbedingt festliegen, ergibt sich bei konstanten Betriebsbedingungen des Motors für eine Λ -Regelung mit vor dem Katalysator angeordneter λ-Sonde eine bestimmte relativ hohe Regelfrequenz, die leicht ermittelt werden kann.

Ordnet man nun die λ-Sonde hinter den Katalysator an und führt die Regelung mit den von dieser Sonde abgegebenen Signalen durch, so stellt man fest, daß die Regelungsfrequenz nur noch einen Bruchteil der Frequenz erreicht, die mit einer vor dem Katalysator angeordneten Sonde erreicht wird.

Zurückzuführen ist dieses Verhalten auf die Sauerstoffspei cherfähigkeit des Katalysators. Da die Regelungsvorgänge, motorisch gesehen, sehr dicht um das stöchiometrische Kraftstoff-Luft-Verhältnis λ= 1 verlaufen, verbleibt für den Katalysator auch in der Magerphase nur ein geringer SauerstoffÜberschuß. Da der Katalysator auf Grund seiner großen Oberfläche in der Lage ist, selbst große Mengen Sauerstoff zwischenzuspeichern . ergeben sich für die λ-Sonde hinter dem Katalysator erheblich Totzeiten, bis das gesamte Katalysatorvolumen mit Sauerstoff aufgefüllt ist und überflüssiger Sauerstoff von der Sonde erkannt werden kann.

Da die Wirkung des Katalysators unmittelbar an die Sauerstoff Speicherfähigkeit gebunden ist, ist auch die Frequenz der Regelung mittels einer Sonde hinter dem Katalysator von der Wirkung des Katalysators abhängig.

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Mit zunehmender Betriebsdauer nehmen die Umsetzungsraten der Katalysatoren in Abhängigkeit von ihren Betriebs-Parametern mehr oder weniger schnell ab. Im gleichen Masse verliert der Katalysator die Fähigkeit, Sauerstoff zwischenzuspeichern. Eine gealterte Katalysatoranlage führt auf Grund der reduzierten SauerstoffSpeicherfähigkeit des Katalysators bei einer Regelung mittels Λ-Sonde hinter dem Katalysator zu Regelfrequenzen, die ein Vielfaches dessen betragen, was an einer neuen Katalysatoranlage gemessen

werden kann.
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Da produktionsbedingt im Regelkreis Frequenzenstreuungen auftreten können, die unter anderem auch durch unterschiedliche zum Teil auch alterungsbedingte Ansprechzeiten der vor dem Katalysator liegenden Sonde und durch Streuungen in den Bauelementen der Regelelektronik auftreten können, wird nicht einfach die Frequenz der Regelung an einer hinter dem Katalysator angeordneten Sonde gemessen, sondern es wird zur Ausschaltung dieser Ungenauigkeiten der Quotient der Regelfrequenz einer Regelung vor und nach dem Katalysator ermittelt. Da, bedingt durch unterschiedliche Baugrößen des Katalysators, unterschiedliche Entfernungen der vor und hinter dem Katalysator angebrachten Sonden zum Katalysator unterschiedliche Regelfrequenzen auftreten, ist der Quotient als solcher bei beliebigen Anlagen noch nicht sonderlich aussagekräftig. Eine genaue Aussage über den Zustand des Katalysators kann man nur treffen, wenn die Werte bekannt sind, die in der gegebenen Anordnung von einem Katalysator mit bekanntem Zustand erreicht werden. Diese Werte sind für einen Fahrzeugtyp einmal zu ermitteln und dienen dann als Vergleichsbasis in dem gefundenen Verfahren. Die Prüfdrehzahl, bei der die Vergleichswerte bei einem Katalysator bekannten Zustands und bei dem zu prüfenden Katalysator ermittelt werden,

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muß so noch liegen, daß die Be trieb temperatur des Katalysators sicher erreicht wird. Während des PrüfVorganges muß die jeweilige Motordrehzahl konstant gehalten werden. Aufwendige Fahrzyklen und Abgasmeßungen sind bei der gefundenen Prüfmethode nicht mehr erforderlich. Da die Regelfrequenzen insbesondere der nachgeschalteten Sonde in starkem Masse von den jeweiligen Regel-Parametern abhängig sind, ist ein Frequenzvergleich ,wie gesagt,nur an einem Fahrzeugtyp unter Beibehaltung der speziellen Regel-Parameter zuläßig.

Die Meßung der Regelfrequenzen bei der vor bzw. hinter dem Katalysator angeordneten λ -Sonde kann so erfolgen, daß zunächst die Regelfrequenz mit der im allgemeinen serienmäßig vor dem Katalysator eingebauten λ-Sonde ermittelt wird. Dann wird diese Regelsonde von der Regelelektronik getrennt und die Regelelektronik mit der hinter dem Katalysator angeordneten K -Sonde verbunden und die sich einstellende Regelfrequenz ermittelt. Man bildet anschließend den Quotienten aus den beiden Regelfrequenzen und vergleicht diesen Wert mit den bekannten Werten,.die an Katalysatoren bekannten Zustands einmalig ermittelt wurden. Die hinter dem Katalysator angebrachte Λ -Sonde kann dort stets vorhanden sein, es ist jedoch günstiger, sie lediglich zum Zweck Prüfung in eine vorbereitete Öffnung des Auspuffrohres einzusetzen und nach der Prüfung wieder zu entfernen. Voraussetzung für eine erfolgreiche Prüfung ist natürlich, daß die serienmäßige, vor dem Katalysator im Auspuff angeordnete λ-Sonde sowie die zugehörige Regelelektronik ordnungsgemäß funktioniert, was anhand der sich einstellenden Regelfrequenz bei der Messung vor dem Katalysator unschwer erkannt werden kann.

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Weiterhin ist es auch möglich, bei Abgasreinigungsanlagen, die mehrere hintereinander geschaltete Katalysator-Monolithe enthalten, jeden einzelnen Monolith auf Funktionsfähigkeit zu überprüfen, indem die Regelfrequenz vor der Katalysatoranlage und hinter jedem einzelnen Monolithen gemessen wird und die sich aus den Meßungen ergebenden Quotienten-mit-entsprechenden Vergleichswerten verglichen werden.

Da die Vergleichswerte für jeden Fahrzeugtyp bzw. jede Katalysatoranlage bei einem mit ^_n -Sondenregelung ausgerüsteten Motor nur einmal ermittelt werden müssen, ergibt sich insgesamt gesehen ein außerordentlich einfaches und preiswertes Verfahren zur Ermittlung des Katalysator zustandes, das ohne Schwierigkeiten praktisch in jeder Werk statt mit nur geringem technischen Aufwand routinemäßig durchgeführt werden kann und dennoch eine außerordentlich genaue Aussage über den Katalysatorzustand ermöglicht.

Claims

Daimler-Benz Aktiengesellschaft Daim 16 111/4

Stuttgart EPT Dr. Am-kr

28. November 1984

Patentanspruch

Verfahren zur Überprüfung der Katalysatorfunktion bei einem mit λ -Sonden-Regelung ausgerüsteten Kraftfahrzeug-Otto Motor,

dadurch gekennzeichnet, daß bei konstanten Betriebsbedingungen die Regelfrequenz der Regelung mit einer vor dem Katalysator angeordneten Λ-Sonde und die Regelfrequenz der Regelung mit einer hinter dem Katalysator angeordnete λ-Sonde ermittelt wird, daß der Quotient dieser Regelfrequenzen gebildet und mit einem vorgegebenen Soll-Wertbereich für den Quotienten verglichen wird.