DE4337793C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Beurteilen des Funktionszustandes eines Katalysators - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Beurteilen des Funktionszustandes eines KatalysatorsInfo
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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.
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 34 43 649 C2 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 4,622,809 A 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 Realisierungsvorschläge
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.
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.
Fig. 1 Blockfunktionsdiagramm einer Vorrichtung zum Beurteilen
des Funktionszustandes eines Katalysators; und
Fig. 2 Flußdiagramm zum Erläutern eines mit der Vorrichtung ge
mäß Fig. 1 ausführbaren Verfahrens.
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 Amlitudenverfahren. 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 die 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 s.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 (7)
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;
- a) 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;
- b) die Regelfrequenz (f) bei dieser Zweipunkt-Gemischrege lung wird ermittelt und mit einem Frequenz-Schwellenwert (f_SW) verglichen, und
- c) 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.
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.
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1994
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