DE4402618C2 - Verfahren und Meßanordnung zur Überprüfung des Lambda-Regelkreises bei geregelten Abgaskatalysatoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Meßanordnung zur Überprüfung der entsprechend STVZO vorgeschriebenen Funktionsfähigkeit des Lambda-Regelkreises bei geregelten Abgaskatalysatoren zur Anwendung bei Abgasuntersuchungen von Ottomotoren.

Die Lambda-Regelung stellt in Verbindung mit dem Katalysator heute das wirksamste Abgasreinigungsverfahren für den Ottomotor dar. Derartig geregelte Katalysatoren haben die Eigenschaft, Kohlenstoffwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide in einem hohen Grad abzubauen, wenn der Motor in einem sehr engen Bereich um das stöchiometrische Luft- Kraftstoffverhältnis mit Lambda = 1 betrieben wird. Dieser sehr kleine zulässige Bereich ist unter allen Betriebsbedingungen des Motors notwendig.

Zur Gewährleistung eines stöchiometrischen Kraftstoff-Luftverhältnisses wird die Lambda- Regelung verwandt. D. h., die Zusammensetzung des dem Motor zugeführten Gemisches aus Luft und Kraftstoff wird durch einen geschlossenen Regelkreis ständig innerhalb des optimalen Streubereichs gehalten. Dazu wird das Abgas am Motorausgang noch vor dem Katalysator mittels Lambdasonde gemessen sowie die zugeführte Kraftstoffmenge in Abhängigkeit noch einiger anderer Einflußfaktoren, wie z. B. Motortemperatur und Betriebszustand, entsprechend des gemessenen Ergebnisses korrigiert.

Üblicherweise wird von einer im Abgaskanal eines Ottomotors angeordneten Lambdasonde ein Lambda-Regler zur entsprechenden Nachregelung der Einspritzventile (in Kraftstoffmenge oder Einspritzzeit) angeregt. Die Lambdasonde besteht dabei aus einem zum Abgasstrom hin geschlossenen, gasundurchlässigen Keramikkörper, dessen Oberflächen mit einer dünnen Platinschicht versehen sind. Diese dient als Elektrode. Während der äußere Teil des Körpers mit dem Abgas in Verbindung steht, ist der innere Teil, die Referenzseite der Lambda-Sonde, mit der Außenluft verbunden. Ab ca. 300°C wird der Keramikkörper für Sauerstoffinnen elektrisch leitend. Wenn der Sauerstoffgehalt auf beiden Seiten des Keramikkörpers unterschiedlich ist, entsteht zwischen ihnen eine elektrische Spannung, welche umso größer ist, je größer der Sauerstoffunterschied zwischen Abgas und Außenluft ist. Die Spannung liegt dann am elektrischen Steuerteil an, welches wiederum an die Einspritzanlage den "Befehl" der Gemischabmagerung oder -anfettung gibt. Ein mageres Gemisch hat einen hohen, ein fettes Gemisch einen geringen Sauerstoffanteil im zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisch.

Neben der üblichen Untersuchung des Abgases von Ottomotoren auf CO-, COX-, CH- und NO-Werte ist es auch notwendig, die Funktionsweise geregelter Katalysatoren, insbesondere des Lambda-Regelkreises zu überprüfen. Bislang erfolgt die Überprüfung des Regelkreises dadurch, daß gezielt durch Anfetten und Abmagern des Kraftstoff-Luftgemisches auf der Primärseite des Motors der Lambdawert zur Abweichung von 1 gebracht wird. Innerhalb einer bestimmten Zeit, in Deutschland ist lt. § 47 STVZO ein Zeitintervall von 60 s vorgegeben, muß dann der Lambdaregler die Kraftstoffzufuhr entsprechend gegenregeln, so daß sich wieder ein Lambdawert von 1 durch die Abgaszusammensetzung am Motorausgang einstellt. Überprüft wird dann die Einhaltung der Zeit zwischen Lambda-Ablenkung aufgrund der gezielten Störgrößenaufschaltung und der Wiederherstellung des Lambda-Normalwertes 1 mit der vom Fahrzeughersteller vorgeschriebenen Abweichungstoleranz (i. a. 2-3%). Die Einhaltung der vorgeschriebenen Regelzeit zum Einregeln des Lambdawertes in den vorgeschriebenen Toleranzbereich läßt dann einen Rückschluß auf die Funktionsfähigkeit des Lambda-Regelkreises zu.

Derzeit bekannt und in der Praxis angewendet werden nachfolgende primärseitige, d. h. vor dem Einlaßventil bzw. den Einlaßventilen des Ottomotors im Ansaugsystem bzw. am Gemischaufbereitungssystem, und damit indirekte Störgrößenaufschaltungsmethoden:

• - "Blow by"-Schlauch abziehen (Schlauch zwischen Ventildeckel und Saugrohr),
• - Intervallbremsen mit fahrzeugspezifischer Frequenz,
• - Querschnitt des Kraftfahrzeugschlauches verringern,
• - Installation von Kalibrierventilen in verschiedenen Unterdruckschlauchleitungen (fahrzeugspezifisch unterschiedlich),
• - Abziehen bestimmter Unterdruckschläuche,
• - Abgaszuführung zum Ansaugstutzen,
• - Stecker zum Lufttemperaturfühler abziehen,
• - Lambdasondenspannung mit Voltmeter prüfen,
• - Aktivkohlefilterschlauch abziehen,
• - Belüftungsschlauch zum Absorber am Vergaseroberteil abziehen,
• - Querschnitte des Entlüftungsschlauches zwischen Kurbelgehäuseentlüftung und Ansaugkrümmer verengen,
• - Unterdruckschlauch am Schaltgerät abziehen,
• - Stecker vom Drosselklappenschalter abziehen und kurzschließen.

Vorgenannte Überprüfungsverfahren sind jedoch sehr an fahrzeugspezifische Motorausführungen und deren gemischbildungsrelevante Anbauteile gebunden. Eine allgemeingültige Störgrößenaufschaltungsmethode, die bei unterschiedlichen Fahrzeugtypen anwendbar wäre, ist aufgrund der unterschiedlichen Motorenausführungen primärseitig nicht möglich. Auch ist das Überprüfungsverfahren mit primärseitiger Störgrößenaufschaltung aufwendig, da ständig fahrzeugspezifisch andere Methoden der Störgrößenaufschaltung zu beachten sind und das Funktionieren der vorgegebenen Methoden auch nicht immer garantiert ist. Eine nicht unbeträchtliche Anzahl von Autoherstellern hat derzeit noch nicht einmal eine Störgrößenaufschaltungsvariante definiert.

Aus DE 42 25 495 A1 ist ein Kontrollmechanismus für eine Lambda-Regelung bekannt, bei dem auf der Primärseite des Motors als Störgröße Falschluft in das Brennkraftmaschinen- Ansaugsystem eingeleitet wird. In einem komplizierten Mechanismus ist ein definiert arbeitendes Kontrollventil vorgesehen, das entweder einen definierten Querschnitt freigibt oder in einem definierten Maße die Falschluftzufuhr drosselt. Gerade weil die primärseitige Verbrennungsluftzufuhr für jeden Motortypen spezifisch ausgelegt ist, führt der Lösungsvorschlag der DE 42 25 495 A1 nicht zu einer universellen kraftfahrzeugtypunabhängigen und vergleichbaren Lösung. Des weiteren birgt diese Lösung die Gefahr eines Nebenschlusses in der Ansauganlage nach dem Luftmengenmesser sowie in der Kraftstoffanlage vor den Einspritzventilen jeweils durch Undichtheiten an den Betätigungsorganen für die Verstimmung der Ansaugluft- und Kraftstoffzufuhranlage. Die zusätzlich für die Verstimmung in das System eingebauten Taster o. ä. sind also weitere Fehlerquellen für ein selbständiges Verstellen von definiert für den einwandfreien Motorbetrieb vorgegebenen motorspezifischen Werten.

Die DE 37 05 823 A1 beinhaltet ein Verfahren und eine Einrichtung zum wiederholten Überprüfen einer Lambdameßsonde. Aufgabe dieser Erfindung ist es, die temperaturabhängige Betriebsbereitschaft der Lambdameßsonde sowie des von ihr erfaßten Kraftstoffgemischzustandes zu überprüfen. Gleichzeitig soll damit die grundsätzliche Funktionsfähigkeit der Lambdameßsonde erkennbar sein. Die technische Lösung nach DE 37 05 823 A1 bedient sich dabei einer Spannungsteilungsmessung, die die an der Lambdameßsonde anstehenden Spannungen in verschiedenen Temperaturbereichen mit Spannungsschwellwerten vergleicht. Damit ist diese technische Lösung auf die Überprüfung der Betriebsbereitschaft der Lambdasonde und nicht auf die Überprüfung des Lambda- Regelkreises ausgelegt. Eine prinzipielle Aussage zur Funktionsfähigkeit des Lambda- Regelkreises geht aus diesem Meßverfahren nicht hervor. Auch sind die notwendigen Vergleichsdaten (Vergleichsspannungen) sehr stark Kfz-Typ-abhängig und geben damit einer Werkstatt oder Prüforganisation kein universelles Meßverfahren für die Funktionsprüfung geregelter Abgaskatalysatoren in die Hand.

DE 31 18 522 A1 betrifft ein Verfahren zum Überwachen der Funktionsfähigkeit einer Sauerstoffmeßsonde insbesondere für Industrieabgasanlagen. Derartige Sauerstoffmeßsonden werden eingesetzt, um den Verbrennungsvorgang eines Brenners abhängig von dem Sauerstoffgehalt im Rauchgas zu optimieren. Die in dieser Lösung offenbarte Kurzschlußregelung ist zur Überprüfung des Lambda-Regelkreises nicht geeignet, da sie die Zerstörung der Lambdasonde bewirken kann.

Aus DE 31 49 136 C2 ist eine Einrichtung zur Regelung des Kraftstoff-Luftverhältnisses bei Brennkraftmaschinen bekannt, die zwar eine Aussage über die Betriebsbereitschaft der Lambdasonde aber nicht über deren ordnungsgemäßes Funktionieren erlaubt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Meßanordnung zu schaffen, die es gestatten, die Lambda-Regelkreise von Ottomotoren mit geregelten Abgaskatalysatoren und in den Abgaskanal eingebauter Lambdasonde einfach und zuverlässig sowie weitgehend unabhängig vom Motorentyp auf deren Funktionsfähigkeit nach STVZO zu untersuchen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Lambdasonde an ihrer Referenzseite mit einem Gas, das im Sauerstoffgehalt von dem der Umgebungsluft abweicht, beaufschlagt, dadurch der Lambdawert zur Abweichung vom Lambda-Normalwert 1 gebracht und in Abhängigkeit der Nachregelung durch den Lambda-Regelkreis dessen Funktionsfähigkeit überprüft wird.

Es hat sich gezeigt, daß das Verfahren zur Überprüfung des Lambda-Regelkreises bei geregelten Abgaskatalysatoren wesentlich einfacher und weitestgehend vom Fahrzeugtyp unabhängig durchgeführt werden kann, wenn die Lambdasonde auf der Sekundärseite des Otto-Motors direkt durch Aufschalten einer Störgröße zur Abweichung vom Lambda- Normalwert 1 gebracht wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur direkten Aufschaltung einer Störgröße die Lambdasonde an deren Referenzseite mit Abgas vom Auspuffmotor des zu untersuchenden Motors beaufschlagt. Möglich ist auch eine Beaufschlagung der Lambdasonde mit einem anderen im Sauerstoffgehalt von der Umgebungsluft verschiedenen Gas oder dem Abgas eines anderen Motors. Die Abgasbeaufschlagung bzw. Beaufschlagung mit einem anderen im Sauerstoffgehalt von der Umgebungsluft verschiedenen Gas bewirkt eine Verkleinerung oder Vergrößerung des Unterschiedes im Sauerstoffgehalt zwischen Abgas- und Referenzseite der Lambdasonde und damit eine Verkleinerung oder Vergrößerung des an den Lambdaregler abgegebenen Spannungswertes. Infolge eines bei Beaufschlagung mit gegenüber der Umgebungsluft sauerstoffarmen Gases als Sauerstoffüberschuß (zu mageres Gemisch) simulierten Niveaus wird über den Lambdaregler ein Anfetten des Kraftstoff-Luftgemisches am Gemischbilder bewirkt und damit der Normalwert 1 an der Lambdasonde wieder erreicht. Umgekehrt wird bei einer Beaufschlagung mit einem gegenüber der Umgebungsluft sauerstoffreicheren Gas ein zu fettes Gemisch simuliert und der Lambdaregler durch Abmagern des Kraftstoff- Luftgemisches zum Gegenregeln in Richtung des Normalwertes 1 aktiviert. Wird nun die Gaszuführung wieder von der Lambdasonde entfernt, stellt sich der gegenteilige Effekt ein. D. h., an der Lambdasonde steigt oder sinkt die entsprechende Spannung und das Steuergerät erkennt das Kraftstoff Luftgemisch als zu fett oder zu mager. Der Lambdawert beträgt <1 oder <1. Es erfolgt nun das Abmagern oder Abfetten des Gemisches bis zum Ausgangswert Lambda = 1.

Erfindungsgemäß besteht die Meßanordnung zur Überprüfung des Lambdaregelkreises mittels Gasbeaufschlagung der Referenzseite der Lambdasonde als Störgröße aus einem Abgasmeßgerät, Abgasmeßsonde und einem Verbindungsschlauch. Über den Verbindungsschlauch wird entweder Abgas aus dem Auspuffendrohr des zu untersuchenden Motors oder ein anderes im Sauerstoffgehalt von der Umgebungsluft verschiedenes Gas oder Abgas eines anderen Ottomotors zu der Referenzseite der Lambdasonde geführt. Dabei stellt der Verbindungsschlauch eine lösbare Verbindung zwischen Lambdasonde und Auspuffendrohr bzw. einer anderen Gasquelle her. Das Abgasgerät ist über die Abgassonde mit den Auspuffendrohr sowie über eine Drehzahlerfassungseinrichtung und einem Öltemperaturmeßfühler mit dem zu untersuchenden Motor verbunden. Das Abgasgerät ist ein übliches, speziell für die Abgasuntersuchung zugelassenes elektronisches Anzeigegerät, das den Bediener durch den Prüfablauf führt, die entsprechenden Meßergebnisse anzeigt und bei Bedarf ausgibt.

Anhand beigefügter Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Blockschaltbild Regelkreisprüfung mit Gasbeaufschlagung

Fig. 2 Meßanordnung Lambda-Regelkreisprüfung

Fig. 3 Funktionsdiagramm Lambda-Regelkreisprüfung

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild zur Lambda-Regelkreisprüfung. Dabei wird die Lambdasonde (1) direkt durch Beaufschlagung ihrer Referenzseite mit Abgas zur Abweichung vom Normalwert 1 gebracht. Als Beaufschlagungsgas wird hier Abgas aus dem Auspuffendrohr (5) des zu untersuchenden Motors (6) zugeführt. Das Blockschaltbild gibt dabei einen Lambda-Regelkreis bestehend aus Einspritzventilen (10), Steuergerät (11) und Lambdasonde (1) wieder. Mit Us ist die von der Lambdasonde (1) erzeugte elektrische Spannung bezeichnet, die an das Steuergerät (11) geleitet wird.

Mit durchgezogenen Linien sind in Fig. 1 die elektrische Verbindung zwischen Lambdasonde (1), Steuergerät (11) und Einspritzventilen (10) gekennzeichnet. Gestrichelt ist die Luftzuführung zum Motor (6) über Lambdasonde (1) und Katalysator (12) gezeichnet, ebenso die in diesem Fall dargestellten Motorabgase als Beaufschlagungsgas zur Störgrößenaufschaltung. Gepunktet ist die Kraftstoffeinspritzung von den Einspritzventilen (11) in den Brennraum des Motors (6) dargestellt.

Fig. 2 stellt eine Meßanordnung zur Überprüfung eines Lambdaregelkreises dar. Diese Meßanordnung besteht aus einem Abgasmeßgerät (3), einer Abgasmeßsonde (4) und einem Verbindungsschlauch (2). Über den Verbindungsschlauch (2) wird entweder Abgas aus dem Auspuffendrohr (5) des zu untersuchenden Motors (6) oder ein anderes im Sauerstoffgehalt von der Umgebungsluft an der Referenzseite der Lambdasonde (1) verschiedenes Gas oder Abgas eines anderen Verbrennungsmotors der Lambdasonde (1) an der Auspuffaußenseite zugeführt. Dabei stellt der Verbindungsschlauch (2) eine lösbare Verbindung zwischen Lambdasonde (1) und Auspuffendrohr (5) her. Das Abgasmeßgerät (3) ist mit der Abgasmeßsonde (4), einer Drehzahlerfassungseinrichtung (7) und einem Öltemperaturmeßfühler (8) des zu untersuchenden Motors (6) verbunden. Das Abgasmeßgerät (3) ist ein übliches, speziell für die Abgasuntersuchung zugelassenes elektronisches Anzeigegerät, wie z. Bsp. ein "AVL DiGas 465". Das Abgasmeßgerät (3) führt den Bediener durch den Prüfablauf, zeigt die entsprechenden Meßergebnisse an und druckt sie bei Bedarf aus.

Im einzelnen wird das Verfahren zur Abgasuntersuchung (AU) wie folgt durchgeführt:

Bei der Abgasuntersuchung entsprechend den in Deutschland gültigen Bestimmungen nach § 47 STVZO werden zunächst nach Eingabe der Fahrzeugsolldaten und dem Anschluß des Meßgerätes (3) an den zu prüfenden Motor (6) aller CO-Werte im erhöhten Leerlauf gemessen (Drehzahl i. a. 2500 U/min bis 2800 U/min) und der entsprechende Lambdawert am Meßgerät (3) kontrolliert. Anschließend wird die Leerlaufdrehzahl gemessen und der dazu gehörige CO- Wert. Nun muß vom Bediener des Meßgerätes (3) der Beginn der Regelkreisprüfung mit der "Enter"- bzw. "Start"-Taste bestätigt werden, es wird nun die Störgröße aufgeschaltet, d. h. die Lambdasonde (1) wird mit Abgas aus dem Auspuffendrohr (5) beaufschlagt. Es kommt nun zum Anstieg des Lambdawertes. Ab dem Zeitpunkt, wo der Lambdawert über das entsprechende Toleranzband (meist 1,03) hinausgeht, verbleiben maximal 60 s Zeit, um bei intaktem Regelkreis bei immer noch zugeschalteter Störgröße wieder innerhalb des Toleranzbandes mit dem Lambdawert 1 zu gelangen. Erst wenn vom Meßgerät (3) der Bediener aufgefordert wird, die Störgröße abzuschalten, ist die Beaufschlagung der Lambdasonde (1) mit Abgas zu beenden. Nun sinkt zunächst der Lambdawert unterhalb des Toleranzbandes, ab dem Austrittszeitpunkt des Lambdawertes aus dem Toleranzband verbleiben bei intaktem Regelkreis nun erneut 60 s Zeit bis zum Wiedereinregeln des Lamdawertes in das Toleranzband. Mit dem eingeregelten Lambdawert ist die Prüfung beendet. Die innerhalb der vorgeschriebenen Zeitintervalle erfolgten Nachregelungen des Lambdaregelkreises lassen dann eine Aussage über dessen ordnungsgemäßes Regeln zu.

Anhand des Lambda-Zeitdiagramms nach Fig. 3 läßt sich die Störgrößenaufschaltung und Lambdanachregelung des Lambdaregelkreises verdeutlichen. Das Diagramm mit den Koordinaten Lambda und t gibt dabei die Lamda-Zeit-Funktion eines zu prüfenden Regelkreises an. Die Funktionswerte A bis G bedeuten:

A: Beginn der Störgrößenaufschaltung
B: Meßgerät zeigt an "Lambdaabweichung erkannt" bzw. "Ausregelung erkannt"
C: Meßgerät zeigt an "Einregelung erkannt"
D: Meßgerät zeigt an "Störgröße ausschalten"
E: Meßgerät zeigt an "Lambdaabweichung erkannt" bzw. "Ausregelung erkannt"
F: Meßgerät zeigt an "Einregelung erkannt"
G: Meßgerät zeigt an "Regelkreisprüfung bestanden/ nicht bestanden"

Claims (4)

1. Verfahren zur Überprüfung des Lambda-Regelkreises von Ottomotoren mit geregeltem Abgaskatalysator und in den Abgaskanal eingebauter Lamda-Sonde durch Aufschalten einer Störgröße und Überprüfen der Nachregelung des Lamda-Regelkreises, dadurch gekennzeichnet, daß als Störgröße der Referenzseite der Lambda-Sonde (1) ein Gas, das im Sauerstoffgehalt von dem der Umgebungsluft abweicht, zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Referenzseite der Lamda- Sonde (1) mit Abgas des zu überprüfenden Ottomotors beaufschlagt wird.

3. Meßanordnung zur Überprüfung des Lambda-Regelkreises von Ottomotoren mit geregeltem Abgaskatalysator sowie in den Abgaskanal eingebauter Lamda-Sonde, bestehend aus einem Abgasmeßgerät, einer Drehzahlerfassungseinrichtung und einem Öltemperaturmeßfühler, gekennzeichnet dadurch, daß ein Verbindungsschlauch (2) vorgesehen ist, der eine Gasquelle mit einem Gas, dessen Sauerstoffgehalt von dem der Umgebungsluft an der Auspuffaußenseite abweicht, und die Referenzseite der Lambda- Sonde (1) des zu untersuchenden Motors lösbar verbindet.

4. Meßanordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Verbindungsschlauch (2) das Auspuffendrohr (5) des zu untersuchenden Motors und die Referenzseite der Lambda-Sonde (1) lösbar verbindet.