DE4112478A1

DE4112478A1 - Verfahren und vorrichtung zum beurteilen des alterungszustandes eines katalysators

Info

Publication number: DE4112478A1
Application number: DE4112478A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl Ing Schnaibel; Erich Dipl Ing Schneider
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1991-04-17
Filing date: 1991-04-17
Publication date: 1992-10-22
Anticipated expiration: 2011-04-18
Also published as: FR2675539B1; JP3247720B2; DE4112478C2; JPH05149128A; US5267472A; FR2675539A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beurteilen des Alterungszustandes eines Katalysators, dem das Abgas eines lambdageregelten Verbrennungsmotors zu geführt wird.

Stand der Technik

Es ist seit langem bekannt, daß der Alterungszustand eines Katalysators mit Hilfe des Signals von einer hinter ihm an geordneten Lambdasonde beurteilt werden kann. Solange er wenig gealtert ist, weist er ein gutes Speichervermögen für Sauerstoff auf, was dazu führt, daß er in Magerphasen einer Lambdaregelung auf den Wert Eins Sauerstoff speichert und diesen in Fettphasen wieder abgibt. Dadurch wird am Ausgang des Katalysators dauernd der Lambdawert Eins gemessen. Mit zunehmend verschlechtertem Alterungszustand des Katalysators nimmt jedoch sein Speichervermögen ab, was dazu führt, daß er in der genannten Magerphase nicht mehr den gesamten, dort anfallenden Sauerstoff speichern kann. Dies führt dazu, daß nach einiger Zeit in der Magerphase Sauerstoff in dem den Katalysator verlassenden Abgas vorhanden ist, was ein Mager signal der dort angeordneten Lambdasonde zur Folge hat. Um gekehrt steht in der Fettphase nicht mehr genug Sauerstoff zur Verfügung, um die insgesamt anfallende Menge zu oxidie render Schadgaskomponenten zu konvertieren, weswegen nach einiger Zeit in der Fettphase zu oxidierende Komponenten von der Lambdasonde hinter dem Katalysator gemessen werden. Auf grund des regelungsbedingten Signalverlaufs des Lambdawertes vor dem Katalysator hängt die Amplitude des Lambdawertsig nals, wie es hinter dem Katalysator gemessen wird, von dem Zeitpunkt ab, zu dem der Sauerstoffspeicher überläuft oder ganz entleert ist. Je früher der Zeitpunkt liegt, desto grö ßer ist die Amplitude des hinter dem Katalysator gemessenen Signals (vorausgesetzt, daß der Zeitpunkt nicht übermäßig früh liegt). Die Amplitude des Signals hinter dem Katalysa tor ist somit ein Maß für das Speicherungsvermögen und damit den Alterungszustand des Katalysators.

Nun hängt die genannte Amplitude nicht nur vom Speicherungs vermögen des Katalysators ab, sondern auch von der Amplitude des vor dem Katalysator gemessenen Lambdawertsignals. Um diesen Einfluß zu kompensieren, ist es bekanntgeworden, die vor und hinter dem Katalysator gemessenen Lambdawerte zuein ander in Beziehung zu setzen. Hierzu gibt DE-A-23 04 622 (US-A-39 62 866) an, die Differenz zwischen den beiden ge nannten Signal zu bilden und ein Warnsignal auszugeben, wenn die Differenz unter einen Schwellwert fällt. DE-A-35 00 594 gibt demgegenüber an, das Verhältnis der genannten beiden Signale zu bilden und einen Mittelwert die ses Verhältnisses zum Beurteilen des Alterungszustandes zu verwenden.

Trotz der eben genannten Korrekturmaßnahmen war es bisher in der Praxis nur in besonders ausgewählten Betriebszuständen möglich, den Alterungszustand eines Katalysators mit einer der vorstehend genannten Methoden zu bestimmen. Der Grund hierfür ist aus dem oben angegebenen Speicherverhalten des Katalysators leicht ableitbar. Wenn z. B. in einem Betriebs zustand nicht genau auf den Lambdawert Eins geregelt wird, sondern auf einen fetteren Wert, was häufig der Fall ist, sind die Magerphasen gegenüber den Fettphasen verkürzt. Es kann dann unter Umständen in der Magerphase gar nicht so viel Sauerstoff eingelagert werden, wie der Katalysator ei gentlich noch speichern könnte. Dies führt dann in der Fett phase zu einer besonders großen Amplitude des hinter dem Katalysator gemessenen Lambdawertsignals. Ähnliche Effekte treten auf, wenn die Magerphase aus einem anderen Grund ver kürzt ist, z. B. wegen einer Änderung der Reglerfrequenz oder einem Instationärvorgang.

Es bestand demgemäß das Problem, ein Verfahren und eine Vor richtung zum Beurteilen des Alterungszustandes eines Kataly sators anzugeben, bei denen der Einfluß von Betriebszustän den auf den berechneten Alterungszustandswert möglichst ge ring ist.

Darstellung der Erfindung

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Beurteilen des Alte rungszustandes eines Katalysators, dem das Abgas eines lambdageregelten Verbrennungsmotors zugeführt wird, wird wie folgt verfahren:

- es werden die Lambdawerte vor und hinter dem Katalysator gemessen;
- und es wird untersucht, ob bei einer Regelschwingung des Lambdawertes vor dem Katalysator von Fett nach Mager oder umgekehrt der Lambdawert hinter dem Katalysator einen ent sprechenden Übergang zeigt, und dann, wenn dies der Fall ist, wird wie folgt verfahren;
- der den Katalysator durchströmende Gasmassenstrom wird be stimmt;
- das zeitliche Integral des Produktes aus Gasmassenstrom und Lambdawert vor dem Katalysator wird berechnet;
- das zeitliche Integral des Produktes aus Gasmassenstrom und Lambdawert hinter dem Katalysator wird berechnet;
- und als Maß für den Alterungszustand des Katalysators wird
- entweder die Differenz zwischen den beiden Integralen
- oder der Quotient aus den beiden Integralen
- oder der Quotient zwischen der Differenz und einem der beiden Integrale verwendet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Beurteilen des Alte rungszustandes eines Katalysators, dem das Abgas eines lambdageregelten Verbrennungsmotors zugeführt wird, weist folgende Merkmale auf:

- eine Lambdasonde vor dem Katalysator,
- eine Lambdasonde hinter dem Katalysator,
- einen Luftmassenmesser im Ansaugrohr zum Verbrennungsmo tor,
- eine Berechnungseinrichtung, die so ausgebildet ist, dar sie die zeitlichen Integrale der Produkte aus Gasmassenstrom und Lambdawert vor bzw. hinter dem Katalysator berechnet und als Maß für den Alterungszustand des Katalysators
- entweder die Differenz zwischen den beiden Integralen
- oder den Quotienten aus den beiden Integralen
- oder den Quotienten aus der Differenz und einem der bei den Integrale verwendet,
- und eine Entscheidungseinrichtung, die untersucht, ob bei einer Regelschwingung des Lambdawertes vor dem Katalysator von Fett nach Mager oder umgekehrt der Lambdawert hinter dem Katalysator einen entsprechenden Übergang zeigt, und dann, wenn dies der Fall ist, die Berechnungseinrichtung so an steuert, daß diese die genannten Maßnahmen ausführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vor richtung unterscheiden sich vor allem in zweierlei Hinsicht vom Stand der Technik. Der eine wesentliche Unterschied ist der, dar Berechnungen zum Alterungszustand des Katalysators immer nur dann vorgenommen werden, wenn sichergestellt ist, daß bei einer Regelschwingung des Lambdawertes vor dem Kata lysator dieser völlig mit Sauerstoff gefüllt und anschlie ßend wieder völlig geleert wurde oder umgekehrt. Dadurch liegen genau definierte Verhältnisse zum Beurteilen des Speicherverhaltens des Katalysators vor. Der zweite wesent liche Unterschied ist, daß nicht zeitliche Mittelwerte von Lambdawerten alleine ausgewertet werden, sondern zeitliche Integrale von Produkten aus Gasmassenströmen und Lambdawer ten. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei konstantem (magerem) Lambdawert der Katalysator um so schneller mit Sauerstoff gefüllt wird, je mehr Gas durch ihn strömt. Der Zeitpunkt, zu dem er gefüllt ist und damit der an seinem Ausgang gemessene Lambdawert hängt somit nicht nur vom Lambdawert am Eingang, sondern auch vom Gasmassenstrom ab.

Von Vorteil ist es, das Bestimmen des Alterungszustandes auch dann auszusetzen, wenn der Betrag des zeitlichen Inte grals aus Gasmassenstrom und Lambdawert vor dem Katalysator einen Grenzwert überschreitet. Dadurch werden z. B. Auswer tungen direkt im Anschluß an eine Schubphase verboten. In diesem Fall muß vielmehr eine sich anschließende Fettphase abgewartet werden, bevor eine neue Berechnung des Alterungs zustandes vorgenommen wird. In der Schubphase ohne Kraft stoffeinspritzung ist das Speichervermögen des Katalysators etwa 1 1/2 bis 2 Mal größer als bei Lambdawerten, wie sie bei üblicher Lambdaregelung auftreten. Die eben genannte Be dingung verhindert also, daß Sonderzustände die Beurteilung des Alterungszustandes verfälschen.

An jedem Lambdageregelten Verbrennungsmotor sind Einrichtun gen zum Erfassen der Luftmasse im Ansaugrohr des Verbren nungsmotors bekannt. Es ist von Vorteil, diese Einrichtungen zum Beurteilen des Gasmassenstroms zu nutzen, der durch den Katalysator fließt. Dies, weil bei einem lambdageregelten Motor der Kraftstoff im wesentlichen proportional zum Luft massenstrom zugemessen wird und demgemäß der Gasmassenstrom am Ausgang des Motors und damit am Eingang des Katalysators im wesentlichen proportional zum einströmenden Luftmassen strom ist.

Zeichnung

Fig. 1 schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit nachfolgendem Katalysator, sowie von Funktionsmitteln zum Beurteilen des Alterungszustandes des Katalysators;

Fig. 2a bis c zeitkorrelierte Diagramme der zeitlichen Ver laufe des Lambdawertsignals vor einem Katalysator (a) sowie des Lambdawertsignals hinter einem schwach (b) bzw. einem stark gealterten Katalysator (c); und

Fig. 3 Flußdiagramm für ein Verfahren zum Beurteilen des Alterungszustandes eines Katalysators, das Integrale aus Gasmassenströmen und Lambdawerten nutzt.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Fig. 1 zeigt schematisch einen Verbrennungsmotor 10, einen Katalysator 11, eine Entscheidungseinrichtung 12 und eine Berechnungseinrichtung 13. Im Ansaugrohr des Motors 10 ist ein Luftmassenmesser 14 angeordnet, dessen Luftmassenstrom signal LM der Berechnungseinrichtung 13 zugeführt wird. Im Abgasrohr zwischen dem Motor 10 und dem Katalysator 11 ist vor dem letzteren eine vordere Lambdasonde 15.v angeordnet, während am Auslaß des Katalysators eine hintere Lambdasonde 15.h vorhanden ist. Die Lambdawertsignal λ_V bzw. λ_H von diesen beiden Sonden werden sowohl der Entscheidungseinrich tung 12 wie auch der Berechnungseinrichtung 13 zugeführt. Letztere gibt ein Signal AZ aus, das ein Maß für den Alte rungszustand des Katalysators 11 ist.

In Fig. 1 sind auch Werte für Gasmassenströme eingezeichnet. Dabei ist QS_L_AS der vom Luftmassenmesser 14 gemessene Luftmassenstrom. Der zugehörige Sauerstoffstrom ist mit QS_O₂_AS bezeichnet. Dieser hängt mit dem Luftmassenstrom über eine Proportionalitätskonstante k (21 Molprozent) zu sammen, die bis in große Höhen im wesentlichen unverändert gilt. Der Sauerstoffpartialstrom, der den Motor 10 verläßt, hängt vom angesaugten Sauerstoffstrom und vom Unterschied zwischen λ_V zum Lambdawert Eins ab. Der Lambdawert Eins bedeutet, daß der gesamte zugeführte Sauerstoff verbraucht wurde, so daß der austretende Sauerstoffpartialstrom den Wert Null hat. Ist die Differenz zwischen λ_V und Eins grö ßer Null, d. h. liegt magere Verbrennung vor, flieht ein Sauerstoffstrom in den Katalysator, der sich zu (λ_V-1)- x QS_O₂_AS berechnet. Diese Größe nimmt für fette Verbren nung einen negativen Wert an. Dies bedeutet, daß dem Kataly sator 11 im Ausmaß des entsprechenden Strömungswertes Sauer stoff entzogen statt zugeführt wird. Eine entsprechende Be ziehung, nämlich (λ_H-1) × QS_O₂_AS gilt auch für den Sauerstoffpartialstrom hinter dem Katalysator, der wiederum ein sauerstofführender oder ein sauerstoffverbrauchender Strom sein kann. Der Sauerstoffpartialstrom zum Katalysator 11 wird im folgenden auch als QS_O₂_V bezeichnet, während der vom Katalysator als QS_O₂_H bezeichnet wird.

Fig. 2a zeigt den zeitlichen Verlauf des Lambdawertes λ_V vor dem Katalysator bei einer gleichmäßigen Schwingung um den Lambdawert Eins. Zu Zeitpunkten T1 finden Übergänge von Mager nach Fett statt, während zu Zeitpunkten T1′ die umge kehrten Übergänge von Fett nach Mager auftreten. Die Kurve ist als Dreieckskurve dargestellt, was bedeutet, daß der Einfachheit halber davon ausgegangen wird, daß die Lambdare gelung ausschließlich mit Integralanteilen arbeitet und daß die Signalform des Lambdawertsignals nicht gegenüber der Signalform des Kraftstoffmengensignals verfälscht wird, das bei der Lambdaregelung eingestellt wird. Diese Bedingungen gelten für praktische Fälle zwar nur in sehr grober Annähe rung, jedoch ist der konkrete Signalverlauf für die folgen den Betrachtungen unerheblich.

Die Fläche zwischen der eingezeichneten Kurve und dem Lamb dawert Eins entspricht dem zeitlichen Integral (λ_V-1) × dt. Nimmt man den angesaugten Luftmassenstrom als konstant an, entspricht die Fläche auch dem Integral ∫QS_O₂_V×dt. Damit geben die Flächen zwischen jeweiligen Zeitpunkten T1′ und T1 die in den Katalysator strömende Sauerstoffmenge wie der, während die Flächen zwischen den Zeitpunkten T1 und T1′ derjenigen Sauerstoffmenge entsprechen, die auf zuwenden ist, um die in diesem Zeitraum in den Katalysator strömenden oxi dierbaren Gasanteile zu oxidieren.

Solange der Katalysator mehr Sauerstoff speichern kann, als ihm während einer Magerphase zugeführt wird und ihm während der Fettphase nur die zuvor zugeführte Sauerstoffmenge wie der entzogen wird, bleibt der Lambdawert λ_H am Ausgang des Katalysators dauernd auf dem Wert Eins. Für Fig. 2b ist je doch angenommen, daß der Katalysator bereits schwach geal tert ist, so daß er nicht mehr dazu in der Lage ist, den ge samten in einer Magerphase zugeführten Sauerstoff zu spei chern. Es ist weiterhin der Anschaulichkeit halber angenom men, dar der Sauerstoffspeicher schlagartig gefüllt ist, was zur Folge hat, daß ab dem Moment seiner Füllung das Lambda wertsignal λ_H am Ausgang mit dem Signal λ_V am Eingang des Katalysators übereinstimmt. Für den Sauerstoffentnahmevor gang wird entsprechendes angenommen, also daß der Speicher schlagartig leer ist und dann das Signal λ_H mit dem Signal m_V übereinstimmt. Die Flächen zwischen den so erzeugten Signalbereichen und der Linie für den Lambdawert Eins ent sprechen beim angenommenen konstanten Luftmassenstrom dem Sauerstoffüberschußstrom bzw. Entnahmestrom im weiter oben erläuterten Sinn. Die Flächen entsprechen den Integralen ∫QS_O₂_H×dt.

Fig. 2c veranschaulicht einen Fig. 2b entsprechenden Fall, nämlich den Verlauf des Signals λ_H für einen stark gealter ten statt einen schwach gealterten Katalysator. Beim stark gealterten Katalysator ist das Sauerstoffspeichervermögen stark verringert, weswegen das Signal λ_H im Fall von Fig. 2c bereits erheblich früher auf den Wert von λ_V springt als im Fall von Fig. 2b.

Die Differenz von ∫QS_O₂_V×dt - ∫QS_O₂_H×dt entspricht der in der Magerphase im Katalysator gespeicherten Sauer stoffmenge bzw. der in der Fettphase aus dem Katalysator entnommenen Sauerstoffmenge. Diese Differenz ist somit un mittelbar ein Maß für das Speichervermögen und damit den Alterungszustand des Katalysators. Dieser Zusammenhang gilt für beliebige zeitliche Verläufe des Signals λ_H und des angesaugten Luftmassenstroms, solange nur mit jedem Phasen wechsel des Signals λ_V auch ein solcher des Signals λ_H stattfindet. Fehlt ein solcher Phasenwechsel, kann das Spei chervermögen nicht beurteilt werden, da unklar ist, wie weit der Speicher in einer Magerphase gefüllt bzw. in einer Fett phase geleert wurde. Wegen der Unabhängigkeit der genannten Größe von den zeitlichen Verläufen des Lambdawertes und des Luftmassenstroms ist diese Größe zum Beurteilen des Alte rungszustandes von unterschiedlichen Betriebszuständen und Betriebszustandsänderungen während der Messung ziemlich un abhängig. Probleme treten nur in Sonderbetriebszuständen auf, insbesondere in Schubphasen ohne Kraftstoffeinsprit zung, da in diesen der Katalysator erheblich mehr Sauerstoff speichern kann als während einer geregelten Magerphase, näm lich etwa das 1 1/2- bis 2-fache. Um Fehlbeurteilungen durch derartige Sonderbetriebszustände zu verhindern, ist es von Vorteil, die genannte Größe nicht zu bilden, wenn das Inte gral aus Lambdawert vor dem Katalysator und Luftmassenstrom im Betrag einen Grenzwert übersteigt.

Anhand von Fig. 3 wird nun ein Verfahren erläutert, das die vorstehend beschriebenen Grundsätze nutzt. In einem Schritt s1 werden die Lambdawert λ_V, λ_H und der Luftmassenstrom LM gemessen. Anschließend (Schritt s2) werden Integrale I_V und I_H gebildet, wie in Fig. 3 angegeben. In einem Entschei dungsschritt s3 wird untersucht, ob der Integralwert I_V über einer Schwelle liegt. Beim Ausführungsbeispiel ist die se Schwelle so bemessen, daß sie dem Dreifachen des aktuel len Wertes des Speicherungsvermögens des Katalysators ent spricht. Ist diese Bedingung nicht erfüllt, wird in einem weiteren Entscheidungsschritt s4 danach gefragt, ob das Sig nal λ_H den selben Wechsel von Fett nach Mager oder umge kehrt aufweist wie das Signal λ_V. Ist dies der Fall, wird eine Alterungszustandsgröße AZ berechnet, und zwar aus der Differenz zwischen den genannten beiden Integralen oder als beliebiger Quotient aus zweien der Größen IV, IH und IV-IH. Abschließend (Schritt s6) wird untersucht, ob das Verfahren beendet werden soll. Ist dies nicht der Fall, lau fen die Vorgänge ab Schritt s1 erneut ab. Dieser Abfrage schritt wird auch ausgehend von Schritt s3 erreicht, wenn die Schwelle für I_V überschritten ist, oder ausgehend von Schritt s4 erreicht, wenn das Signal λ_H nicht denselben Wechsel zeigt wie das Signal λ_V.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist da von ausgegangen, daß die Entscheidungsschritte s3 und s4 in der Entscheidungseinrichtung 12 und die anderen Schritte in der Berechnungseinrichtung 13 ablaufen und daß die zwei Ein richtungen diejenigen Daten austauschen, die sie wechselsei tig benötigen. Tatsächlich sind diese Einrichtungen durch Funktionen eines entsprechend programmierten Mikrocomputers realisiert.

Claims

1. Verfahren zum Beurteilen des Alterungszustandes eines Katalysators, dem das Abgas eines lambdageregelten Verbren nungsmotors zugeführt wird, bei welchem Verfahren

- die Lambdawerte vor und hinter dem Katalysator gemessen werden; dadurch gekennzeichnet, daß
- untersucht wird, ob bei einer Regelschwingung des Lambda wertes vor dem Katalysator von Fett nach Mager oder umge kehrt der Lambdawert hinter dem Katalysator einen entspre chenden Übergang zeigt, und dann, wenn dies der Fall ist;
- der den Katalysator durchströmende Gasmassenstrom bestimmt wird;
- das zeitliche Integral des Produktes aus Gasmassenstrom und Lambdawert vor dem Katalysator berechnet wird;
- das zeitliche Integral des Produktes aus Gasmassenstrom und Lambdawert hinter dem Katalysator berechnet wird;
- und als Maß für den Alterungszustand des Katalysators
- entweder die Differenz zwischen den beiden Integralen
- oder der Quotient aus den beiden Integralen
- oder der Quotient aus der Differenz und einem der beiden Integrale verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Verbrennungsmotor fliegende Luftmassenstrom ge messen wird und der den Katalysator durchströmende Gasmas senstrom als zum Luftmassenstrom proportional behandelt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Alterungszustand auch dann nicht be stimmt wird, wenn der Betrag des zeitlichen Integrals aus Gasmassenstrom und Lambdawert vor dem Katalysator einen Grenzwert überschreitet.

4. Vorrichtung zum Beurteilen des Alterungszustandes eines Katalysators, dem das Abgas eines lambdageregelten Verbren nungsmotors zugeführt wird, mit

- einer Lambdasonde (15.v) vor dem Katalysator (11);
- einer Lambdasonde (15.h) hinter dem Katalysator;
- einem Luftmassenmesser (14) im Ansaugrohr zum Verbren nungsmotor (10); gekennzeichnet durch
- eine Berechnungseinrichtung (13), die so ausgebildet ist, daß sie die zeitlichen Integrale der Produkte aus Gasmassen strom und Lambdawert vor bzw. hinter dem Katalysator berech net und als Maß für den Alterungszustand des Katalysators
- entweder die Differenz zwischen den beiden Integralen
- oder den Quotienten aus den beiden Integralen
- oder den Quotienten aus der Differenz und einem der bei den Integrale bestimmt;
- und eine Entscheidungseinrichtung (12), die untersucht, ob bei einer Regelschwingung des Lambdawertes vor dem Katalysa tor von Fett nach Mager oder umgekehrt der Lambdawert hinter dem Katalysator einen entsprechenden Übergang zeigt, und dann, wenn dies der Fall ist, die Berechnungseinrichtung so ansteuert, daß diese die genannten Berechnungen ausführt.