DE4112477A1 - Verfahren und vorrichtung zum simulieren des zeitlichen verhaltens eines abgaskatalysators - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Simulieren des zeitlichen Verhaltens des Lambdawertes am Auslaß eines Abgaskatalysators an einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor, insbesondere ein Verfahren und eine Vor­ richtung zum Bestimmen der Konvertierungsfähigkeit des Kata­ lysators mit Hilfe des simulierten genannten zeitlichen Ver­ haltens.

Stand der Technik

Es ist seit langem bekannt, daß Abgaskatalysatoren mit zu­ nehmendem Alter Schadgase zunehmend schlechter konvertieren. Es hat sich herausgestellt, daß die Signale von jeweils einer Lambdasonde vor und hinter einem Katalysator dazu ge­ eignet sind, die Konvertierungsfähigkeit desselben festzu­ stellen. Gemäß DE-A-23 04 622 (US-A-39 62 866) wird die Dif­ ferenz der Signale der eben genannten beiden Sonden gebil­ det. Wenn die Differenz unter einen Schwellwert fällt, wird ein Warnsignal ausgegeben, das anzeigt, daß der Katalysator ausgewechselt werden sollte. Gemäß US-A-46 22 809 erfolgt ein entsprechendes Warnsignal, wenn die Amplitude des Sig­ nals der Sonde hinter dem Katalysator über einen Schwellwert steigt oder der Mittelwert aus einem vorgegebenen Bereich heraustritt, obwohl versucht wird, auf minimale Amplitude und auf Einhalten des Bereichs zu regeln. Zum eben genannten Zweck werden die Regelparameter abhängig vom Signal von der Sonde hinter dem Katalysator verändert.

Es ist offensichtlich, daß die Signale von der Sonde hinter dem Katalysator nicht nur vom Alterungszustand des Katalysa­ tors abhängen, sondern auch von der Amplitude und vom zeit­ lichen Verlauf des Signals der Sonde vor dem Katalysator, also von der Sauerstoffmenge, die in den Katalysator fließt oder aus diesem entnommen wird. Für genaue Aussagen der Kon­ vertierungsfähigkeit eines Katalysators ist es daher erfor­ derlich, die Bedingungen für die Sondensignale zu optimie­ ren, bei denen der Katalysator als nicht mehr brauchbar be­ urteilt wird.

Es ist in der Technik wohlbekannt, daß es für Optimierungs­ probleme sehr hilfreich ist, wenn das zu optimierende System simuliert werden kann. Dadurch können viele verschiedene zeitliche Abläufe rechnerisch untersucht werden, ohne daß aufwendige Versuche erforderlich sind. Auch für den vorge­ nannten Fall bestand entsprechend der Wunsch, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Simulieren des zeitlichen Verhal­ tens eines Abgaskatalysators anzugeben.

Darstellung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Simulieren des zeitlichen Verhaltens des Lambdawertes λ_H_SIM am Auslaß eines Abgas­ katalysators in einem Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungs­ motor weist folgende Schritte auf:

• - Messen des vom Motor angesaugten Luftmassenstroms QS_L_AS;
• - Berechnen des vom Motor angesaugten Sauerstoffstroms als QS_O₂_AS=k×QS_L_AS mit k=Masseanteil von Sauerstoff in Luft;
• - Bestimmen der Abweichung Δλ des Lambdawertes vor dem Kata­ lysator vom Lambdawert Eins, die im Fall eines mageren Ge­ mischs positiv und im Fall eines fetten Gemischs negativ ist;
• - Berechnen des aus dem Motor in den Katalysator strömenden Sauerstoffpartialstroms QS_O₂_IN=Δλ×QS_O₂_AS, der im Fall positiver Werte von Δλ ein Sauerstoffzufuhrstrom und im Fall negativer Werte ein Sauerstoffentnahmestrom ist, je­ weils bezogen auf die Wirkung am Katalysator;
• - Vorgeben des Sauerstoff-Speichervolumens SPV_O₂ des Kata­ lysators als Sauerstoffmenge, die der Katalysator bei kon­ tinuierlichem Sauerstoffzufuhrstrom ausgehend vom sauer­ stofffreien Zustand bis zu einer Überlaufschwelle aufnehmen kann, bei der das an seinem Ausgang ausströmende Gas eines Sauerstoffkonzentration über einer vorgegebenen Schwelle aufweist,
• - und Berechnen des zeitlichen Verhaltens des Lambdawertes λ_H_SIM am Auslaß des Katalysators dadurch, daß dieser
  • -- auf "1" gesetzt wird, solange sich der Sauerstoffspeicher in einem Füllungszustand unterhalb der Überlaufschwelle oder einem Entleerungszustand oberhalb einer Verarmungsschwelle befindet, wobei die Verarmungsschwelle einer vorgegebenen niederen Sauerstoffkonzentration am Ausgang des Katalysators entspricht;
  • -- dagegen zumindest zeitweilig auf den Lambdawert am Ein­ gang des Katalysators gesetzt wird, wenn die Überlaufschwel­ le überschritten oder die Verarmungsschwelle unterschritten wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Simulieren des zeitli­ chen Verhaltens des genannten Lambdawertes weist Einrichtun­ gen zum Ausführen der genannten Schritte auf.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vor­ richtung nutzen ein Modell über das zeitliche Verhalten von Sauerstoffpartialströmen, das weiter unten näher erläutert wird. Es ist von Vorteil, wenn beim Überschreiten der ge­ nannten Schwellen zusätzlich Vorgänge mit zeitlichem Über­ gangsverhalten berücksichtigt werden. Dies ist Gegenstand vorteilhafter Weiterbildungen des Verfahrens.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann sehr zuverlässig zum Be­ stimmen des Alterungszustandes eines Abgaskatalysators ver­ wendet werden. Dies erfolgt dadurch, daß die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Simulationsmodells berechneten Lambdawerte am Auslaß eines Abgaskatalysators mit tatsächlich gemessenen Werten verglichen werden. Es wird dann das im Modell verwen­ dete Speichervolumen des Katalysators so lange verändert, bis die simulierten Werte und die gemessenen Werte im zeit­ lichen Mittel übereinstimmen. Das so bestimmte Speichervolu­ men wird als Maß für den Alterungszustand des Katalysators verwendet.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen des Alte­ rungszustandes eines Katalysators weist folgende Funktions­ gruppen auf:

• - eine Simulationseinrichtung, die so ausgebildet ist, daß sie die oben genannten Verfahrensschritte zum Berechnen des zeitlichen Verhaltens des Lambdawertes am Auslaß des Kataly­ sators ausübt,
• - eine Einrichtung zum Messen des tatsächlichen Lambdawerts am Ausgang dss Katalysators,
• - und eine Einrichtung zum Verändern des Speichervolumens des Katalysators im Modell so lange, bis die Lambdawerte ge­ mäß dem Modell im zeitlichen Mittel mit den gemessenen Wer­ ten übereinstimmen, und zum Verwenden des so bestimmten Speichervolumens als Maß für den Alterungszustand.

Zeichnung

Fig. 1 schematische Darstellung von Gasströmen durch einen Motor und einen Katalysator;

Fig. 2 Diagramm zum Erläutern des zeitlichen Verhaltens des Lambdawertes am Auslaß eines Abgaskatalysators;

Fig. 3 Blockschaltdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Simulieren des zeitlichen Verhal­ tens des Lambdawertes am Auslaß eines Abgaskatalysators;

Fig. 4 Blockschaltdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Bestimmen des Alterungszustandes eines Katalysators; und

Fig. 5 Blockschaltdiagramm zum Erläutern einer Signalver­ gleichseinrichtung im Blockschaltdiagramm von Fig. 4.

Fig. 1 stellt schematisch einen Motor 10 und einen Katalysa­ tor 11 mit zugehörigen gasführenden Rohren dar. In den Motor führt ein Saugrohr 12. Der Motor und der Katalysator sind über ein Rohr verbunden, das als Einlaßrohr 13 bezeichnet wird, da es im folgenden insbesondere auf die Gasströme an­ kommt, die in den Katalysator 11 eintreten und aus diesem austreten. Die austretenden Gasströme verlassen den Kataly­ sator über ein Auslaßrohr 14. Im Einlaßrohr 13 ist vor dem Katalysator 11 eine vordere Lambdasonde 15.v angeordnet, die einen Lambdawert λ_V mißt. Hinter dem Katalysator ist im Auslaßrohr 14 eine weitere Lambdasonde 15.h angeordnet, die einen Lambdawert λ_H_IST mißt. Im Saugrohr 12 ist ein Luft­ massenmesser 16 angeordnet.

Der Luftmassenmesser 16 mißt den vom Motor 10 angesaugten Luftmassenstrom QS_L_AS. Aus diesem berechnet sich der ange­ saugte Sauerstoffstrom QS_O₂_AS zu k×QS_L_AS. Hierbei ist k der Anteil von Sauerstoff in Luft (konstant etwa 21 Mol­ prozent bis in große Höhen). Ob aus dem Motor noch ein Net­ tovolumen an Sauerstoff ausströmt, hängt vom Lambdawert ab, auf den der Motor geregelt wird. Ist der Lambdawert größer Eins, wird ihm also ein mageres Gemisch zugeführt, gibt er ein Nettovolumen an Sauerstoff aus, das im Katalysator 11 gespeichert werden kann. Wird er dagegen auf einen Lambda­ wert kleiner Eins geregelt, gibt er noch oxidierbare Gasbe­ standteile aus, die Sauerstoff im Katalysator 11 verbrauchen können, falls dort noch solche gespeichert sein sollten. Die Abweichung des Lambdawertes, auf den der Motor geregelt wird, vom Lambdawert Eins wird im folgenden als Δλ bezeich­ net. Dieser Wert darf nicht mit der Lambdaregelabweichung verwechselt werden. Wird der Motor auf einen Sollwert von 1,01 geregelt, und wird dieser Sollwert auch tatsächlich erreicht, ist die Regelabweichung Null. Der im folgenden interessierende Wert Δλ ist jedoch 0,01. Dieser Wert legt zusammen mit dem angesaugten Sauerstoffmassenstrom den Sauerstoffpartialstrom QS_O₂_IN fest, wie er in den Kataly­ sator strömt. Dabei gilt QS_O₂_IN=Δλ×QS_O₂_AS. Im Fall positiver Werte von Δλ ist dieser Partialstrom ein Sauer­ stoffzufuhrstrom, im Fall negativer Werte dagegen ein Sauer­ stoffentnahmestrom, der also dem Katalysator Sauerstoff ent­ nimmt, solange dort Sauerstoff gespeichert ist. Wegen des Speicherverhaltens des Katalysators stellt sich an seinem Ausgang ein Lambdawert λ_H_IST ein, der in seinem zeitlichen Verhalten nicht mit demjenigen des Lambdawertes λ_V am Ein­ gang des Katalysators übereinstimmt.

Das zeitliche Verhalten der eben genannten Lambdawerte ist in Fig. 2 dargestellt. Dabei zeigt der obere Teil von Fig. 2 den Verlauf des Lambdawertes λ_V vor dem Katalysator 11. Zu einem Zeitpunkt T1 wird dieser Lambdawert sprunghaft von Fett nach Mager verstellt. Umgekehrt erfolgt zu einem Zeit­ punkt T2 eine sprunghafte Änderung von Mager nach Fett.

Im unteren Teil von Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf von λ_H_IST dargestellt. Vor dem Zeitpunkt T1 entspricht der Wert dieses Signals demjenigen von λ_V, da in Fig. 2 davon ausgegangen wird, daß vor dem Zeitpunkt T1 dem Katalysator 11 über längere Zeit Abgas aus fetter Verbrennung zugeführt wurde. Dann speichert der Katalysator keinerlei Sauerstoff mehr, so daß er nicht dazu in der Lage ist, oxidierbare Schadgaskomponenten zu konvertieren. Er läßt daher das Abgas im wesentlichen unverändert durch, weswegen die hintere Lambdasonde 15.h im wesentlichen dasselbe Signal mißt wie die vordere Lambdasonde 15.v. Sobald jedoch dem Katalysator zum Zeitpunkt T1 Abgas aus magerer Verbrennung zugeführt wird, wandelt er im Abgas enthaltene oxidierbare Schadstoffe um, und er speichert überschüssigen Sauerstoff. Hierbei stellt sich an seinem Ausgang ein Signal ein, das dem Lambdawert Eins entspricht. Sobald der Katalysator sein maximales Speichervermögen für Sauerstoff ausgeschöpft hat, was etwa ab einem Zeitpunkt T3 der Fall ist, tritt an seinem Ausgang Sauerstoff in verstärktem Maße auf, weswegen nun auch die Sonde hinter dem Katalysator ein mageres Gemisch anzeigt. Es ist jedoch zu beachten, daß der Anstieg vom Lambdawert auf einen Lambdawert für magere Verbrennung nicht schlagartig, sondern mit einem Übergang zweiter Ordnung er­ folgt. Derjenige Zustand des Katalysators, ab dem der Sauer­ stoffanstieg an seinem Ausgang merklich wird, wird als Über­ laufzustand bezeichnet. Der Zustand, in dem er ganz mit Sauerstoff gesättigt ist, wird dagegen als Sättigungszustand bezeichnet. Wieviel Sauerstoff der Katalysator im Sätti­ gungszustand speichern kann, hängt von seinem Alterungszu­ stand, aber auch vom Sauerstoffpartialdruck ab. So kann der Katalysator dann, wenn ihm praktisch nur Luft zugeführt wird, wie dies zeitweilig im Schubbetrieb der Fall ist, etwa die 1,5- bis 2-fache Menge an Sauerstoff speichern als im üblichen Verbrennungsbetrieb des Motors 10. Im üblichen Ver­ brennungsbetrieb ist die Speicherfähigkeit allerdings ziem­ lich unabhängig davon, ob z. B. ein Lambdawert von 1,01 oder von 1,1 eingestellt wird. Dies hat nur Einfluß auf die Zeit­ spanne, die verstreicht, bis der Katalysator von ganz ent­ leertem Zustand in den Sättigungszustand gelangt.

Der Einfachheit halber werden im folgenden nur Verfahren be­ schrieben, die während des Verbrennungsbetriebs des Motors ausgeführt oder simuliert werden, also bei dauernd in etwa gleichbleibendem Speichervolumen des Katalysators, nicht aber im Schubbetrieb ohne Kraftstoffzufuhr. Wird dieser Zu­ stand mitberücksichtigt, sind weitere zeitliche Übergänge zwischen den unterschiedlichen Speicherungszuständen des Ka­ talysators zu beachten.

Vorstehend wurde angegeben, daß der hinter dem Katalysator gemessene Lambdawert bei Erreichen des Sättigungszustandes des Katalysators mit dem vor ihm gemessenen Lambdawert über­ einstimmt. Dies gilt auf Dauer jedoch nur für einen neuen Katalysator. Bei einem gealterten Katalysator verringert sich der hinter dem Katalysator gemessene Lambdawert nach einer Verzögerungszeit von einigen 10 Millisekunden um einen vom Alterungszustand abhängigen Wert. Dieser Rückgang ist in Fig. 2 ab einem Zeitpunkt T4 eingezeichnet. Der Effekt ist auch in einer Voranmeldung (DE-A-40 39 762) beschrieben.

Nach dem Umschalten von mageren auf fetten Verbrennungsbe­ trieb zum Zeitpunkt T2 treten oxidierbare Abgasbestandteile im Überschuß in den Katalysator 11 ein. Sie werden vom dort noch gespeicherten Sauerstoff oxidiert, weswegen sich am Ausgang des Katalysators wieder der Lambdawert Eins ein­ stellt. Ist der Sauerstoffinhalt des Katalysators ganz ent­ leert, strömt wiederum, wie am Anfang der beschriebenen Ab­ lauffolge, Abgas im wesentlichen unverändert durch den Kata­ lysator durch, weswegen hinter ihm dasselbe Signal gemessen wird wie vor ihm. Dieser Übergang erfolgt jedoch entspre­ chend dem Übergang vom Überlaufzustand in den Sättigungszu­ stand nicht sprunghaft, sondern mit einem Übergang zweiter Ordnung von einem Verarmungszustand in den Leerzustand. In Fig. 2 setzt dieser Übergang merklich ab einem Zeitpunkt T5 ein.

In Fig. 2 sind noch Zeitkonstanten τ1 und τ2 eingetragen. τ1 ist dabei ein Hinweis auf das zeitliche Verhalten folgen­ der Übergänge: Übergang vom Leerzustand (Fett) nach Eins (Füllungszustand) ab dem Zeitpunkt T1, Übergang von Eins (Überlaufzustand) nach Mager (Sättigungszustand) ab dem Zeitpunkt T3, Übergang von Mager nach Eins ab dem Zeitpunkt T2, Übergang von Eins (Verarmungszustand) nach Fett (Leerzu­ stand) ab dem Zeitpunkt T5. Alle diese Übergänge sind im we­ sentlichen Übergänge zweiter Ordnung, also eigentlich mit zwei Zeitkonstanten zu beschreiben. Auch stimmen die vier Übergänge in ihrem zeitlichen Verhalten nicht exakt mitein­ ander überein. Es hat sich jedoch für Simulationszwecke als ausreichend erwiesen, wenn die Übergänge alle gleich behan­ delt werden, mit Verzögerungszeitkonstanten und Einschwing­ zeitkonstanten von jeweils einigen bis einigen 10 Millise­ kunden.

Wie oben angegeben, stimmt der hinter dem Katalysator gemes­ sene Lambdawert nach Erreichen des Sättigungszustandes nur vorübergehend mit dem Lambdawert vor dem Katalysator über­ ein. Diese Verzögerungszeit ist in Fig. 2 mit t_Z vor dem Zeitpunkt T4 eingezeichnet. Die Abfallszeitkonstante ist mit τ2 eingetragen. Sie beträgt typischerweise einige 10 Milli­ sekunden. Sowohl die Verzögerungszeit t_Z wie auch die Zeit­ konstante τ2 hängen vom Alterungszustand des Katalysators ab.

Fig. 3 veranschaulicht ein Simulationsmodell zum Nachbilden des zeitlichen Verlaufs von λ_H_IST, wie er in Fig. 2 darge­ stellt ist, als λ_H_SIM. Eingangsgrößen des Modells sind die angesaugte Luftmasse QS_L_AS, der Lambdawert λ_V vor dem Ka­ talysator sowie Vorgabewerte für die Überlaufschwelle und die Verarmungsschwelle. Ausgabegröße ist der Simulationswert λ_H_SIM für den Lambdawert hinter dem Katalysator.

Zwischen der Eingangsgröße λ_V und einem innerhalb des Mo­ dells bereitgestellten Lambdawert Eins wird abhängig vom Signal einer Speicherzustandsbeurteilungseinrichtung 17 durch einen Umschalter 18 umgeschaltet. Vom jeweils weiter­ gegebenen Signal wird ggf. in einer Subtraktionsstelle 19 ein Wert ab einem dem Zeitpunkt T4 in Fig. 2 entsprechenden Zeitpunkt abgezogen. In einer Übergangseinrichtung 20 wird dem Signal das oben erläuterte Zeitverhalten zweiter Ordnung aufgeprägt, das durch die Zeitkonstante τ1 angedeutet wird. Das so bearbeitete Signal ist der Ausgangswert λ_H_SIM. Auf welche Weise der Umschalter 18 betätigt wird und wie beur­ teilt wird, wann in der Subtrahiereinrichtung 19 ein Signal abzuziehen ist, wird im folgenden beschrieben.

Das Blockschaltbild von Fig. 3 weist in Zusammenwirken mit der Speicherzustandsbeurteilungseinrichtung 17 noch folgende Funktionsmittel auf: ein Summationsglied 21, einen ersten Multiplizierer 22.1, einen zweiten Multiplizierer 22.2, einen Speicherintegrator 23, einen Überlaufschwellenkompara­ tor 24, einen Verarmungsschwellenkomparator 25, ein ODER- Glied 26 und einen Vorzeichenwechseldetektor 27.

Im ersten Multiplizierer 22.1 wird das Produkt k×QS_L_AS gebildet, um QS_O₂_AS zu erhalten. Dieser Wert wird im zwei­ ten Multiplizierer 22.2 mit einem Wert Δλ multipliziert, um QS_O₂_IN zu bilden. Δλ wird im Addierglied 21 als Differenz λ_V-1 gebildet. Es sei angenommen, daß der Wert λ_V gerade von Fett auf Mager gesprungen ist, also gerade der Zustand entsprechend dem Zeitpunkt T1 in Fig. 2 vorliegt. Es wurde also auf den Lambdawert Eins geschaltet, und dieser Wert wird zeitlich verzögert durch das Übergangsglied 20 als Aus­ gangswert von λ_H_SIM erhalten. Der Wert von Δλ ist dann positiv, was dazu führt, daß der Speicherintegrator 23 zu immer höheren Werten integriert, und zwar so lange, bis der Komparator 24 feststellt, daß die Überlaufschwelle erreicht ist. Über das ODER-Glied 26 gibt der Komparator ein Signal, das dieses Ereignis anzeigt, an die Speicherzustandsbeurtei­ lungseinrichtung 17, die in diesem Fall den Umschalter 18 umschaltet, was dazu führt, daß der Speicherintegrator 23 auf seinem aktuellen Wert stehenbleibt und daß vom Lambda­ wert Eins auf den Wert λ_V umgeschaltet wird. Dieser Wert wird dann, wiederum durch das Übergangsglied 20 verzögert, als Signal λ_H_SIM ausgegeben. Dies entspricht dem Übergang ab dem Zeitpunkt T3. Mit den Umschalten wird auch die Zeit­ spanne t_Z gestartet.

Zum Zuführen eines abzuziehenden Signals zum Subtraktions­ glied 19 weist die Vorrichtung von Fig. 3 folgende Funk­ tionsgruppen auf: einen dritten Multiplizierer 22.3, eine Umschalteinrichtung 28 und ein zweites Verzögerungsglied 20.2. Die Umschalteinrichtung 28 erhält ein Signal vom Vor­ zeichenwechseldetektor 27 mit jedem Wechsel des Vorzeichens von Δλ, und sie erhält darüber hinaus den vom Umschalter 18 weitergeführten Lambdawert. Sobald sie aufgrund des letztge­ nannten Merkmals feststellt, daß vom Lambdawert Eins auf einen Lambdawert für magere Verbrennung umgeschaltet wurde, schaltet sie einen Umschalter 18.2 so um, daß dieser statt dem Wert Null einen besonderen Multiplikationswert an das zweite Übergangsglied 20.2 mit dem Zeitverhalten τ2 ausgibt. Das Ausgangssignal von diesem zweiten Übergangsglied 20.2 wird im Subtraktionsglied 19 vom Lambdaausgangssignal vom Umschalter 18 abgezogen. Der besondere Multiplikationswert wird durch Multiplizieren des eben genannten Lambdawertes vom Umschalter 18 mit einem Faktor F im dritten Multipli­ zierglied 22.3 erzeugt. Dieser Faktor ist bei einem neuen Katalysator Null, nimmt dann aber zunehmend größere positive Werte an, die jedoch nie größer als Eins werden. Beim bevor­ zugten Ausführungsbeispiel hängt die Größe des Faktors von der Differenz zwischen Überlaufschwelle und Verarmungs­ schwelle ab, die entsprechend dem Alterungszustand des Kata­ lysators zeitlich zu verändern sind.

Es wird darauf hingewiesen, daß das genannte Umschalten des Umschalters 18.2 erst um die Zeitspanne t_Z zeitverzögert nach dem Sprung von Eins auf Mager erfolgt. Nur bei diesem Übergang wird also ein Signal ungleich Null an das zweite Übergangsglied 20.2 und demgemäß an das Subtraktionsglied 19 weitergegeben. Beim nächsten Vorzeichenwechsel, wie er vom Vorzeichendetektor 27 gemeldet wird, wird wieder auf Null umgeschaltet.

Im vorigen ist der Ablauf bis zu einem Zeitpunkt entspre­ chend dem Zeitpunkt T2 in Fig. 2 beschrieben. Zu diesem Zeitpunkt ändert sich der Lambdawert λ_V von Mager auf Fett. Der zugehörige Vorzeichenwechsel von Δλ wird vom Vorzeichen­ wechseldetektor 27 festgestellt, der dann, wie bereits er­ wähnt, den zweiten Umschalter 18.2 wieder auf den Wert Null umschaltet und der darüber hinaus die Speicherzustandsbeur­ teilungseinrichtung 27 so umschaltet, daß diese den ersten Umschalter 18 wieder so schaltet, daß er einerseits den Lambdawert Eins ausgibt und andererseits den Speicherinte­ grator 23 wieder mit dem Wert QS_O₂_IN versorgt. Mit dem Um­ schalten auf den Lambdawert Eins fällt der Ausgangswert λ_H_SIM mit dem vom ersten Übergangsglied 20 aufgeprägten Zeitverhalten ebenfalls auf den Wert Eins ab, wie ab dem Zeitpunkt T2 in Fig. 2 dargestellt. Der Speicherintegrator 23 integriert währenddessen zu kleineren Werten, da Δλ und damit QS_O₂_IN negativ ist. Sobald der Verarmungsschwellen­ komparator 25 feststellt, daß die Verarmungsschwelle unter­ schritten wird, wird das zugehörige Signal über das ODER- Glied 26 an die Speicherzustandsbeurteilungseinrichtung 27 weitergegeben, die dann erneut den Umschalter 18 so schal­ tet, daß der Speicherintegrator 23 seine Arbeit beendet und der Lambdawert λ_V über das Subtraktionsglied 19 und das er­ ste Verzögerungsglied 20 an den Ausgang gegeben wird. Da­ durch fällt das Ausgangssignal λ_H_SIM mit dem Zeitverhalten τ1 auf den Eingangswert λ_V. Es findet also der Übergang ab einem dem Zeitpunkt T5 in Fig. 2 entsprechenden Zeitpunkt statt.

Fig. 4 veranschaulicht, wie mit Hilfe dieser Simulationsvor­ richtung das Speichervermögen und damit der Alterungszustand eines Katalysators bestimmt werden kann.

Das Blockschaltbild gemäß Fig. 4 verfügt über die Simula­ tionsmodellvorrichtung 9 gemäß Fig. 3, eine Signalver­ gleichseinrichtung 29, die in Fig. 5 genauer dargestellt ist, einen Überlaufschwellen-Grenzwertkomparator 30, einen Verarmungsschwellen-Grenzwertkomparator 31 sowie ein UND- Glied 32.

Die Simulationsvorrichtung 9 erhält von der in Fig. 1 darge­ stellten vorderen Lambdasonde 15.v den Lambdawert λ_V, von dem ebenfalls in Fig. 1 dargestellten Luftmassenmesser 16 den Wert QS_L_AS und von der Signalvergleichseinrichtung 29 die Werte für die Überlaufschwelle und die Verarmungsschwel­ le. Sie gibt ihr Ausgangssignal λ_H_SIM an die Signalver­ gleichseinrichtung 29, wo es mit dem Lambdawert λ_H_IST ver­ glichen wird, wie er von der in Fig. 1 dargestellten hinte­ ren Lambdasonde 15.h ausgegeben wird. Die Signalvergleichs­ einrichtung 29 verstellt die Werte für die Überlaufschwelle und die Verarmungsschwelle so lange, bis der zeitliche Ver­ lauf von λ_H_SIM im wesentlichen mit dem von λ_H_IST über­ einstimmt. Je älter der Katalysator wird, desto niedriger wird die Überlaufschwelle und desto höher wird die Verar­ mungsschwelle. Die Differenz zwischen diesen Werten ist di­ rekt proportional zum Speicherverhalten des Katalysators. Die Vorrichtung von Fig. 4 wertet jedoch nicht diese Diffe­ renz unmittelbar aus, sondern sie gibt ein Fehlersignal aus, wenn der Überlaufschwellen-Grenzwertkomparator 30 fest­ stellt, daß die Überlaufschwelle unter einen Überlaufschwel­ lengrenzwert gefallen ist, und gleichzeitig der Verarmungs­ schwellen-Grenzwertkomparator 31 feststellt, daß die Verar­ mungsschwelle über einen Verarmungsschwellengrenzwert ge­ stiegen ist. Das gleichzeitige Erfülltsein dieser beiden Erfordernisse wird mit Hilfe des UND-Gliedes 32 festge­ stellt, dessen Ausgangssignal demgemäß das Fehlersignal ist, das anzeigt, daß der Katalysator unbrauchbar geworden ist.

Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß die Verar­ mungsschwelle physikalisch gesehen ein Wert sein müßte, der dauernd im wesentlichen gleich groß und dicht bei Null lie­ gen müßte, da er ja anzeigt, wann die im Katalysator gespei­ cherte Sauerstoffmenge beinahe aufgebraucht ist. In der Si­ mulationsvorrichtung 9 von Fig. 3 ist es jedoch so, daß der Speicherintegrator 23 nicht notwendigerweise bei Null los­ laufen muß, wenn der Katalysator damit beginnt, Sauerstoff zu speichern. Die tatsächlichen Werte von Überlaufschwelle und Verarmungsschwelle hängen somit vom Ausgangszustand des Speicherintegrators 23 ab. Die Differenz zwischen den beiden Werten ist jedoch von der absoluten Lage der Werte unabhän­ gig. Die absolute Lage der Werte ist jedoch beim Festlegen des Überlaufschwellengrenzwerts und des Verarmungsschwellen­ grenzwerts für die Komparatoren 30 und 31 zu berücksichti­ gen.

Fig. 5 veranschaulicht, wie die Signalvergleichsvorrichtung 29 aufgebaut ist und arbeitet. Sie verfügt über einen Über­ laufschwellenintegrator 33 und einen Verarmungsschwellenin­ tegrator 34. Beide integrieren das Differenzsignal λ_H_SIM -λ_IST, wobei jedoch der Überlaufschwellenintegrator 33 nur dann integriert, wenn λ_H_SIM größer Eins ist, und der Ver­ armungsschwellenintegrator 34 nur dann integriert, wenn der genannte Wert kleiner Eins ist. Beträgt z. B. der Lambdawert λ_V am Eingang des Katalysators 1,02 und springt der Wert λ_H_SIM früher als der Wert λ_IST von 1 auf 1,02, weil die Überlaufschwelle zu niedrig liegt, integriert der Überlauf­ schwellenintegrator 33 zu höheren Werten, und zwar so lange, bis λ_H_SIM im wesentlichen gleichzeitig mit λ_IST den Über­ gang vom Lambdawert Eins auf magere Lambdawerte zeigt. Ist dagegen λ_V z. B. 0,98 und zeigt der Wert λ_H_SIM früher als der Wert λ_IST den Übergang von 1 auf 0,98, erfolgt Integra­ tion des Differenzwertes -0,02. Es wird also die Verarmungs­ schwelle erniedrigt, und zwar so lange, bis wiederum im we­ sentlichen der zeitliche Verlauf von λ_H_SIM mit demjenigen von λ_IST übereinstimmt.

Für jeden Katalysatortyp sind die Zeitkonstanten für die Übergangskurven gesondert zu bestimmen. Sind die Zeitkon­ stanten alterungsabhängig, ist auch dieses Verfahren indivi­ duell zu ermitteln. Im praktischen Betrieb des Modells kann dann der jeweilige Alterungszustand mit Hilfe der Differenz zwischen Überlaufschwelle und Verarmungsschwelle bestimmt werden, um damit wieder die Zeitkonstanten, insbesondere die Zeitkonstante τ2, und auch die Verzögerungszeitspanne t_Z zu modifizieren. Das Modell gemäß Fig. 4 zum automatischen Ein­ stellen der Überlaufschwelle und der Verarmungsschwelle kann so weitergebildet werden, daß es auch Übergangszeitkonstan­ ten und die genannte Verzögerungszeit optimiert. Es hat sich jedoch gezeigt, daß dies für realitätsnahe Nachbildung des zeitlichen Verhaltens des Lambdawertes am Auslaß eines Ab­ gaskatalysators nicht erforderlich ist.

Claims (7)

1. Verfahren zum Simulieren des zeitlichen Verhaltens des Lambdawertes λ_H_SIM am Auslaß eines Abgaskatalysators in einem Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, mit folgen­ den Schritten:

• - Messen des vom Motor angesaugten Luftmassenstroms QS_L_AS;
• - Berechnen des vom Motor angesaugten Sauerstoffstroms als QS_O₂_AS=k×QS_L_AS mit k=Masseanteil von Sauerstoff in Luft;
• - Bestimmen der Abweichung Δλ des Lambdawertes vor dem Kata­ lysator vom Lambdawert Eins, die im Fall eines mageren Ge­ mischs positiv und im Fall eines fetten Gemischs negativ ist;
• - Berechnen des aus dem Motor in den Katalysator strömenden Sauerstoffpartialstroms QS_O₂_IN=Δλ×QS_O₂_AS, der im Fall positiver Werte von Δλ ein Sauerstoffzufuhrstrom und im Fall negativer Werte ein Sauerstoffentnahmestrom ist, je­ weils bezogen auf die Wirkung am Katalysator;
• - Vorgeben des Sauerstoff-Speichervolumens SPV_O₂ des Kata­ lysators als Sauerstoffmenge, die der Katalysator bei kon­ tinuierlichem Sauerstoffzufuhrstrom ausgehend vom sauer­ stofffreien Zustand bis zu einer Überlaufschwelle aufnehmen kann, bei der das an seinem Ausgang ausströmende Gas eine Sauerstoffkonzentration über einer vorgegebenen Schwelle aufweist,
• - und Berechnen des zeitlichen Verhaltens des Lambdawertes λ_H_SIM am Auslaß des Katalysators dadurch, daß dieser
  • -- auf "1" gesetzt wird, solange sich der Sauerstoffspeicher in einem Füllungszustand unterhalb der Überlaufschwelle oder einem Entleerungszustand oberhalb einer Verarmungsschwelle befindet, wobei die Verarmungsschwelle einer vorgegebenen niederen Sauerstoffkonzentration am Ausgang des Katalysators entspricht;
  • -- dagegen zumindest zeitweilig auf den Lambdawert am Ein­ gang des Katalysators gesetzt wird, wenn die Überlaufschwel­ le überschritten oder die Verarmungsschwelle unterschritten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - ein Übergang zweiter Ordnung vom Überlaufzustand in den Sättigungszustand bzw. vom Verarmungszustand in den Leerzu­ stand des Katalysators vorgegeben wird,
• - und das Setzen des simulierten Lambdawertes λ_H_SIM auf den Lambdawert λ_V am Eingang des Katalysators unter Berück­ sichtigung dieses Übergangs erfolgt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lambdawert λ_H_SIM am Ausgang des Katalysators nach Erreichen eines Wertes größer Eins nach Ablauf einer Verzögerungszeitspanne t_Z gegenüber dem Wert λ_V um einen Wert F×λ_V verringert wird, wobei die Größen t_Z und F von der Differenz zwischen Überlaufzustand und Verarmungszustand abhängen.

4. Verfahren zum Bestimmen des Alterungszustandes eines Katalysators, dadurch gekennzeichnet, daß

• - mit einem Simulierverfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche der Lambdawert λ_H_SIM am Ausgang des Katalysators berechnet wird,
• - der tatsächliche Lambdawert λ_H_IST am Ausgang des Kataly­ sators gemessen wird,
• - das Speichervolumen SPV_O₂ im Simulationsmodell so lange verändert wird, bis der Lambdawert gemäß dem Simulationsmo­ dell im zeitlichen Mittel mit dem gemessenen Wert überein­ stimmt,
• - und das Speichervolumen als Maß für den Alterungszustand verwendet wird.

5. Vorrichtung zum Simulieren des zeitlichen Verhaltens des Lambdawertes λ_H_SIM am Auslaß eines Abgaskatalysators in einem Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, mit fol­ genden Funktionsgruppen:

• - einer Einrichtung (16) zum Messen des vom Motor angesaug­ ten Luftmassenstroms QS_L_AS,
• - einer Einrichtung (22.1) zum Berechnen des vom Motor ange­ saugten Luftmassenstroms als QS_O₂_AS=k×QS_L_AS mit k= Anteil von Sauerstoff in Luft;
• - einer Einrichtung (21) zum Bestimmen der Abweichung Δλ des Lambdawertes vor dem Katalysator vom Lambdawert Eins, die im Fall eines mageren Gemischs positiv und im Fall eines fetten Gemischs negativ ist;
• - einer Einrichtung (22.2) zum Berechnen des aus dem Motor in den Katalysator strömenden Sauerstoffpartialstroms QS_O₂_IN=Δλ×QS_O₂_AS, der im Fall positiver Werte von Δλ ein Sauerstoffzufuhrstrom und im Fall negativer Werte ein Sauerstoffentnahmestrom ist, jeweils bezogen auf die Wirkung am Katalysator;
• - einer Einrichtung (23-25) zum Vorgeben des Sauerstoff- Speichervolumens SPV_O₂ des Katalysators als Sauerstoffmen­ ge, die er bei kontinuierlichem Sauerstoffzufuhrstrom ausgehend vom sauerstofffreien Zustand bis zu einer Über­ laufschwelle aufnehmen kann, bei der das an seinem Ausgang ausströmende Gas eine Sauerstoffkonzentration über einer vorgegebenen Schwelle aufweist,
• - und einer Einrichtung (18, 19, 20) zum Berechnen des zeit­ lichen Verhaltens des Lambdawertes λ_H_SIM dadurch, daß sie diese
  • -- auf "1" setzt, solange sich der Sauerstoffspeicher in einem Füllungszustand unterhalb der Überlaufschwelle oder einem Entleerungszustand oberhalb einer Verarmungsschwelle befindet, wobei die Verarmungsschwelle einer vorgegebenen niederen Sauerstoffkonzentration am Ausgang des Katalysators entspricht;
  • -- dagegen zumindest zeitweilig auf den Lambdawert am Ein­ gang des Katalysators setzt, wenn die Überlaufschwelle über­ schritten oder die Verarmungsschwelle unterschritten wird.

6. Vorrichtung zum Bestimmen des Alterungszustandes eines Katalysators, mit

• - einer Sonde (15.h) zum Messen des Lambdawertes λ_H_IST am Ausgang des Katalysators (11),

gekennzeichnet durch

• - eine Simulationseinrichtung (9) gemäß Anspruch 5,
• - und eine Einrichtung (29-32) zum Verändern des Speicher­ volumens SPV_O₂ in dem in der Simulationseinrichtung ausge­ führten Simulationsmodell so lange, bis der Lambdawert gemäß dem Simulationsmodell im zeitlichen Mittel mit dem gemesse­ nen Wert übereinstimmt, und zum Verwenden des so bestimmten Speichervolumens als Maß für den Alterungszustand des Kata­ lysators.