DE4337793A1

DE4337793A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Beurteilen des Funktionszustandes eines Katalysators

Info

Publication number: DE4337793A1
Application number: DE4337793A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl Ing Schnaibel; Erich Dipl Ing Schneider; Frank Dr Blischke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-11-05
Filing date: 1993-11-05
Publication date: 1995-05-11
Anticipated expiration: 2013-11-06
Also published as: SE9403770L; DE4337793C2; US5553450A; JP3638319B2; SE9403770D0; SE514056C2; JPH07198543A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beurteilen des Funktionszustandes eines Katalysators an einem Kraftfahrzeug, um zu erkennen, wann dieser ausge tauscht werden sollte, weil sein Konvertierungsvermögen so weit abgenommen hat, daß unzulässig hoher Schadgasausstoß zu befürchten ist.

Stand der Technik

Zum Beurteilen der Funktionsfähigkeit eines Katalysators sind eine Vielzahl von Verfahren bekannt. Wichtige Vertreter sind Verfahren, die mit Amplitudenauswertung arbeiten, und solche, die mit Frequenzauswertung arbeiten.

Ein Verfahren mit Frequenzauswertung ist aus dem Dokument DE-C-34 43 649 bekannt. Gemäß diesem Verfahren wird eine Zweipunkt-Gemischregelung für den Motor ausgeführt, wie sie im Merkmal c) des beigefügten Anspruchs 1 definiert ist. Es wird nämlich die Regelung mit Hilfe des Signals einer hinter dem Katalysator angeordneten Sonde als Ist-Regelsignal aus geführt. Dieses bekannte Verfahren verfügt weiterhin über die Schritte d) und e) des beigefügten Anspruchs 1, gemäß denen die Regelfrequenz dieser Gemischregelung ermittelt und mit einem Frequenz-Schwellenwert verglichen wird, und dann, wenn die ermittelte Regelfrequenz höher als der Frequenz- Schwellenwert ist, der Katalysator als auszutauschend bewer tet wird. Dieser Vorgehensweise liegt die Erkenntnis zugrun de, daß es bei gut konvertierendem Katalysator relativ lange dauert, bis sich eine Verstellung des Gemisches nach Fett oder nach Mager hinter dem Katalysator auswirkt. Diese lange Totzeit nach einer Veränderung des Gemisches von Fett nach Mager oder umgekehrt führt zu geringer Regelfrequenz. Je schlechter der Katalysator konvertiert, desto kürzer wird die Totzeit und desto höher die Regelfrequenz.

Ein Beurteilungsverfahren, das mit Amplitudenauswertung ar beitet, ist aus der US-Patentschrift US-A-4,622,809 bekannt. Dieses Verfahren weist die Merkmale a) und b) des beigefüg ten Anspruchs 1 auf. Hier wird in üblicher Weise Zweipunkt- Gemischregelung für den Motor mit dem Signal einer vor dem Katalysator angeordneten Sonde als Ist-Regelsignal ausge führt. Mit einer hinter dem Katalysator angeordneten Sonde wird untersucht, ob die am Eingang des Katalysators auftre tenden Regelschwingungen des Sauerstoffgehalts am Eingang des Katalysators sich auch an seinem Ausgang bemerkbar ma chen. Solange der Katalysator gut konvertiert, ist an seinem Ausgang keine Regelschwingung beobachtbar. Ab einem bestimm ten Alterungszustand treten jedoch Schwingungen des Sauer stoffgehalts des Abgases auch an der Sonde hinter dem Kata lysator auf. Solche Schwingungen können auch gewollt dadurch erzeugt werden, daß der Motor mit veränderten Regelungspara metern betrieben wird, die zu größeren Schwingungsamplituden am Katalysatoreingang führen. Auch kann die Prüfung nur bei bestimmten Motorbetriebszuständen, z. B. im Leerlauf, ausge führt werden. Zur Amplitudenauswertung ist eine Vielzahl von Detailverfahren bekannt.

Unter den vorstehend genannten Auswertungen ist die Fre quenzauswertung empfindlicher als die Amplitudenauswertung, jedoch existieren zu ihr erheblich weniger Realisierungsvor schläge als zur Amplitudenauswertung, weil sich die Kataly satorbeurteilung mit Hilfe des Frequenzverfahrens stark auf die Laufruhe des Motors und den Schadgasausstoß auswirkt, was unerwünscht ist.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beurteilen des Funktionszustandes eines Katalysators anzugeben, das empfindlich ist, jedoch keine nachteiligen Auswirkungen auf die Laufruhe und den Schadgas ausstoß eines Motors haben, an dem der überprüfte Katalysa tor betrieben wird.

Die Erfindung ist für das Verfahren durch die Lehre von An spruch 1 und für die Vorrichtung durch die Lehre von An spruch 7 gegeben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet.

Das erfindungsgemäße Verfahren kombiniert die relativ unge naue, jedoch motorbetriebsfreundliche Amplitudenauswertung mit der empfindlichen Frequenzauswertung. Dabei wird die Am plitudenauswertung so lange ausgeführt, wie der Alterungszu stand eines Katalysators noch relativ gut ist, so daß noch nicht empfindlich und möglichst zutreffend beurteilt werden muß, ob er ausgetauscht werden sollte oder nicht. Sobald je doch Regelungsamplituden am Ausgang des Katalysators festge stellt werden, die einer bestimmte Bedingung genügen, die darin bestehen kann, daß überhaupt eine Amplitude festge stellt wird, wird zur weiteren Beurteilung auf die Frequenz auswertung umgeschaltet.

Dieser Vorgehensweise liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich das Frequenzverfahren dann nicht mehr in nachteiliger Weise auf den Motorbetrieb auswirkt, wenn der Katalysator bereits ziemlich gealtert ist. Dann fügt der Katalysator nämlich zur Gaslauf-Totzeit, die der Laufzeit eines Gemischs ab dem Zeitpunkt des Einspritzens von Kraftstoff bis zum Zeitpunkt des Erreichens der Lambdasonde vor dem Katalysator nach dem Durchlaufen der Vorgänge im Motor entspricht, nur noch eine relativ kurze Totzeit hinzu, die durch das Konver tierungsvermögen des Katalysators bestimmt ist. Beträgt die Gaslaufzeit z. B. 0,5 sec und damit die Regelfrequenz 1 Hz bei Regelung mit dem Signal der vorderen Sonde als Ist- Regelsignal, so beträgt die Gesamttotzeit ab dem Zeitpunkt einer veränderten Einspritzmenge bis zum Zeitpunkt der Gemischänderung an der hinteren Sauerstoffsonde bei einem neuen Katalysator etwa 10 sec, dagegen bei einem Katalysa tor, der so weit gealtert ist, daß bei normalem Regelungs betrieb Regelungsamplituden an seinem Ausgang erkennbar sind, ca. 3 bis nur 2 sec. Die letztgenannte Verlängerung der Totzeit bedingt von der Zweipunkt-Gemischregelung vorge nommene Gemischänderungen, die noch ohne Beeinträchtigung des Motorbetriebs und des Schadgasausstoßes hingenommen werden können.

Während bisherige Verfahren zum Beurteilen des Funktionszu standes eines Katalysators zum Erhöhen der Empfindlichkeit der Beurteilung oder zum Vermeiden von Fahrunruhe darauf an gewiesen waren, die Beurteilung bei vorgegebenen Betriebszu ständen, insbesondere im Leerlauf, auszuführen, besteht für das erfindungsgemäße Verfahren eine solche Beschränkung nicht. Lediglich in Ausnahmefällen von in bezug auf die Prüfverfahren sehr kritisch zu betreibenden Motoren kann es empfehlenswert sein, die Beurteilungen in besonderen Motor betriebszuständen, insbesondere im Leerlauf, auszuführen.

Zeichnungen

Fig. 1 Blockfunktionsdiagramm einer Vorrichtung zum Beur teilen des Funktionszustandes eines Katalysators; und Fig. 2 Flußdiagramm zum Erläutern eines mit der Vorrichtung ge mäß Fig. 1 ausführbaren Verfahrens.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Die rechts von einer gestrichelten Linie in Fig. 1 darge stellte Beurteilungsvorrichtung wird an einem Motor 10 be trieben, in dessen Ansaugstrang eine Einspritzventilanord nung 11 vorhanden ist. Im Abgasstrang des Motors liegt ein Katalysator 12 mit einer vor diesem angeordneten Sauerstoff sonde 13.v und einer hinter diesem angeordneten Sauerstoff sonde 13.h. Die Beurteilungsvorrichtung verfügt über eine Regelungseinrichtung 14, eine Umschalteinrichtung in Form eines Umschalters 15, eine Schaltsignalausgabeeinrichtung 16 und eine Frequenzbestimmungs- und Bewertungseinrichtung, die ein Bewertungssignal BWS ausgibt, das bei hohem Pegel an zeigt, daß der Katalysator 12 ausgetauscht werden sollte. Die Regelungseinrichtung 14 verfügt über ein Einspritzzeit- Vorsteuerkennfeld 18, einen Regler 19, einen Sollwertgeber 20, einen Regelgrößesubtrahierer 21 und einen Korrekturmul tiplizierer 22.

Der insoweit beschriebene Aufbau ist aus der Funktionsbe schreibung im Dokument DE-C-34 43 649 ableitbar, wobei je doch der Unterschied besteht, daß dort die Schaltsignal-Aus gabeeinrichtung 16 lediglich eine Einrichtung ist, die beim Vorliegen bestimmter Motorbetriebsbedingungen oder beim Ein schalten von Hand auf eine Prüfstellung schaltet, in der der Funktionszustand des Katalysators 12 durch ein Frequenzver fahren bestimmt wird, wie es in der Frequenzbestimmungs- und Bewertungseinrichtung 17 ausgeführt wird. Bei der erfin dungsgemäßen Vorrichtung führt dagegen schon die Schaltsi gnal-Ausgabeeinrichtung 16 selbst ein Prüfverfahren zum Be urteilen des Funktionszustandes des Katalysators 12 aus, und zwar ein Amplitudenverfahren. Dies sei im folgenden näher erläutert.

Solange keine Beurteilung mit dem Frequenzverfahren ausge führt wird, steht der Schalter 15 in der in Fig. 1 darge stellten Stellung, d. h., daß er das Ausgangssignal der vor deren Sonde 13.v als Ist-Regelgröße auf den Regelgrößesub trahierer 21 gibt, der diesen Istwert der Regelgröße von einem Sollwert subtrahiert, wie er vom Sollwertgeber 20 aus gegeben wird. Aus der im Substrahierer 21 gebildeten Diffe renz erzeugt der Regler 19 nach einem beliebigen Regelalgo rithmus, in der Regel einem PI-Algorithmus zur Zweipunktre gelung, einen Regelungsfaktor FR, der im Korrekturmultipli zierer 22 Multiplikation mit einer Vorsteuer-Einspritzzeit erfährt, wie sie aus dem Einspritzzeit-Vorsteuerkennfeld 18 abhängig von aktuellen Werten von Motorbetriebsparametern ausgelesen wird, z. B. der Drehzahl n und der Last L (z. B. Drosselklappenstellung, Saugrohrdruck, Luftmasseströmung). Bei dieser Zweipunktregelung stellt sich eine bestimmte Re gelfrequenz ein, die drehzahlabhängig ist und typischerweise im Bereich um 1 Hz liegt.

Wie aus Fig. 1 erkennbar, liegt das Ausgangssignal der hin teren Sonde 13.h dauernd an der Schaltsignal-Ausgabeeinrich tung 16 an, also auch dann, wenn der Schalter 15 auf das Signal der vorderen Sonde 13.v geschaltet ist. Die Schalt signal-Ausgabeeinrichtung 16 führt ein beliebiges Amplitu denverfahren zum Beurteilen des Funktionszustandes des Kata lysators 12 aus. Beim Ausführungsbeispiel erzeugt sie ein Schaltsignal, sobald von der hinteren Sonde 13.h ein Signal ausgegeben wird, das eine Schwingung des Sauerstoffgehalts am Ausgang des Katalysators anzeigt und dessen über eine vorgegebene Zeitspanne gebildeter Mittelwert einen vorgege benen Schwellenwert überschreitet. Durch das Schaltsignal wird der Schalter 15 so umgeschaltet, daß nun das Signal der hinteren Sonde 13.h als Ist-Regelgröße auf den Regelgröße subtrahierer 21 gegeben wird. Demgemäß wird Regelung ge stützt auf den Istwert der Regelgröße von der hinteren Sonde 13.h. ausgeführt. Gleichzeitig wird die Frequenzbestimmungs- und Bewertungseinrichtung 17 vom Schaltsignal aktiviert, woraufhin sie die Frequenz des ihr zugeführten Signals des Regelungsfaktors FR bestimmt und mit einer vorgegebenen Fre quenz vergleicht. Sobald die ermittelte Frequenz über den Frequenz-Schwellenwert steigt, wird das Bewertungssignal auf hohen Pegel gesetzt, um dadurch anzuzeigen, daß der Kataly sator 12 ausgetauscht werden sollte.

Das vorstehend, gestützt auf Fig. 1 erläuterte Verfahren wird auch durch Fig. 2 veranschaulicht. Gemäß dieser Figur wird nach dem Start des Verfahrens der Motor 10 mit dem Si gnal der Sonde 13.v vor dem Katalysator 12 mit Zweipunkt-Re gelung betrieben (Schritt s1). Dann (Schritt s2) wird unter sucht, ob Regelschwingungen an der hinteren Sonde feststell bar sind. Ist dies nicht der Fall, erfolgt Rückkehr zum Schritt s1. Andernfalls wird der Motor mit dem Signal der hinteren Sonde mit Zweipunkt-Regelung betrieben (Schritt s3). Dabei wird die Regelfrequenz f gemessen, was im Fluß diagramm von Fig. 2 durch einen gesonderten Meß-Verfahrens schritt 5.4 veranschaulicht ist. Falls die gemessene Regel frequenz f größer ist als ein Frequenz-Schwellenwert f_SW (Untersuchung in einem Schritt s5) wird der Katalysator als auszutauschend bewertet, und dieses Ergebnis wird angezeigt, was durch das Betreiben einer Lampe am Armaturenbrett und/ oder durch das Einschreiben in einen Fehlerspeicher erfolgt, der bei einem Werkstattdiagnosevorgang ausgelesen werden kann. Nach diesen abschließenden Vorgängen in einem Schritt s6 oder dann, wenn sich im Schritt s5 herausstellt, daß die Regelfrequenz unter dem Frequenz-Schwellenwert liegt, wird wieder der Schritt s1 erreicht. Diese beschriebene Routine wird ausgeführt, bis der Motor abgestellt wird.

Claims

1. Verfahren zum Beurteilen des Funktionszustandes eines Katalysators (12), der im Abgasstrang hinter einem Verbren nungsmotor (10) betrieben wird, wobei eine Sauerstoffsonde (13.v) vor dem Katalysator und eine zweite (13.h) hinter demselben angeordnet ist, mit den folgenden Schritten:

a) es wird eine Zweipunkt-Gemischregelung für den Motor mit dem Signal der vorderen Sonde als Ist-Regelsignal vorgenom men; und
b) eine eventuell an der Sonde hinter dem Katalysator fest stellbare Regelschwingung wird beurteilt;

gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

c) sobald eine Regelschwingung des Signals der hinteren Son de festgestellt wird, die vorgegebenen Bedingungen genügt, wird eine Zweipunkt-Gemischregelung für den Motor mit dem Signal der hinteren Sonde als Ist-Regelsignal vorgenommen; d) die Regelfrequenz (f) bei dieser Zweipunkt-Gemischrege lung wird ermittelt und mit einem Frequenz-Schwellenwert (f_SW) verglichen, und
e) wenn die ermittelte Regelfrequenz höher als der Frequenz- Schwellenwert ist, wird der Katalysator als auszutauschend bewertet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt c) zusätzlich abgefragt wird, ob eine vorgegebene Motorbetriebsbedingung vorliegt, und nur wenn dies der Fall ist, zu Schritt d) weitergegangen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die vorgegebene Bedingung in Schritt c) für die genannte Amplitude diejenige ist, daß überhaupt eine Regelschwingung im Signal der hinteren Sonde festgestellt wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Zweipunkt-Gemischregelung in Punkt a) und/oder Punkt c) unter Verwendung spezieller Prüfparameter erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Schritte ab Schritt c) nur ausgeführt werden, wenn ein vorgegebener Motorbetriebszu stand vorliegt.

6. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß der genannte Motorbetriebszustand der Leerlauf ist.

7. Vorrichtung zum Beurteilen des Funktionszustandes eines Katalysators (10), der im Abgastrakt eines Verbrennungsmo tors (10) betrieben wird, wobei eine Sauerstoffsonde (13.v) vor dem Katalysator und eine zweite (13.h) hinter demselben angeordnet ist, mit:

- einer Regelungseinrichtung (14) zum Vornehmen einer Zwei punkt-Gemischregelung für den Motor mit dem Signal der vor deren Sonde als Ist-Regelsignal;
- einer von einem Schaltsignal angesteuerten Umschaltein richtung (15), um entweder das Signal der vorderen Sonde oder dasjenige der hinteren Sonde als Ist-Regelsignal auf die Regelungseinrichtung zu geben;
- einer Schaltsignal-Erzeugungseinrichtung (16) und
- einer Bewertungseinrichtung (17), die so ausgebildet ist, daß sie
- - die Regelfrequenz (f) bei dieser Zweipunkt-Gemischrege lung ermittelt und mit einem Frequenz-Schwellenwert (f-SW) vergleicht, und
- - wenn die ermittelte Regelfrequenz höher als der Frequenz- Schwellenwert ist, den Katalysator als auszutauschend bewer tet;

dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltsignal-Ausgabeeinrich tung (16) als Beurteilungseinrichtung ausgebildet ist, die eine eventuell an der hinteren Sonde feststellbare Regel schwingung beurteilt, wenn der Motor mit dem Signal der vorderen Sonde als Ist-Regelsignal mit Zweipunkt-Gemisch regelung betrieben wird, und die dann, wenn diese beurteilte Regelschwingung einer vorgegebenen Amplitudenbedingung genügt, ein Schaltsignal ausgibt, das die Umschalteinrich tung (15) so umschaltet, daß sie das Signal der hinteren Sonde als Ist-Regelsignal an die Regelungseinrichtung aus gibt.