DE4440276C2 - Verfahren zur Überwachung des Konvertierungsgrades eines Abgaskatalysators - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Aus der DE 41 00 397 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Überwachung des Kon­ vertierungsgrades eines Katalysators einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei im Betrieb an mindestens zwei Stellen im Abgasstrang Temperaturwerte erfaßt und in einem Steuer­ gerät zu Gewinnung eines Überwachungssignales miteinander verglichen werden. Dieses Verfahren basiert auf dem sogenannten Störgrößenprinzip, daß heißt in einer ganz be­ stimmten Betriebsweise der Brennkraftmaschine wird bewußt und gezielt ein anormaler Betriebszustand erzeugt. Dies erfolgt in dem genannten Verfahren in Schubphasen der Brennkraftmaschine durch Erzeugung von Zündaussetzern und Zuführen eines definierten Kraftstoffluftgemisches zur Erzeugung einer Reaktion am Katalysator. Zur Gewinnung eines Überwachungssignales wird aus den im Abgasstrang erfaßten Temperaturwerten die chemische Reaktion des Katalysators auf dieses Gemisch ausgewertet.

Aus der DE 42 27 207 A1 ist ein Verfahren zur Überprüfung eines Katalysators bekannt, bei welchem das räumliche und/oder zeitliche Temperaturverhalten einer örtlich im Katalysator erfaßten Temperatur während eines bezüglich eines Betriebsparameters gestörten Betriebes des Verbrennungsmotors erfaßt wird. Das auf die plötzliche Änderung des Betriebszustandes erfolgende Tempera­ turverhalten wird mit zuvor aufgenommenen Daten verglichen und aus diesem Vergleich auf den Zustand des Katalysators geschlossen.

Das zuvor im Zusammenhang mit DE 42 27 207 A1 genannte Verfahren wird gemäß WO 94/04800 dahingehend erweitert, daß die Reaktion des Katalysators auf die Störgröße innerhalb mehrerer Teilvolumina dieses Katalysators erfaßt wird. Vorzugsweise wird dabei die zeitliche Ableitung oder das zeitliche Integral der in den Teilvolumina erfaßten Temperatur beobachtet.

Aus DE 41 22 787 A1 ist eine Einrichtung zur Überwachung eines Abgaskataly­ sators bekannt, welche mittels eingangs- und ausgangsseitig des Katalysators angeordneter Temperaturfühler die Abgastemperatur ermittelt und einer Aus­ werteeinheit zu führt. Diese verarbeitet weiterhin das Signal eines stromab des Katalysators angeordneten Fühlers für den Abgasmassenstrom. Basierend auf diesen Eingangsgrößen und unter Berücksichtigung der Katalysatorgeometrie errechnet die Auswerteeinheit die Temperatur, die von dem Temperaturfühler stromab des Katalysators ermittelt werden müßte und liefert aus der Differenz ein Signal für den jeweiligen Konvertierungsgrad.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren anzugeben, welches eine kontinuierliche und zuverlässige Überwachung des Konvertierungsgrades eines Abgaskatalysators im Betrieb einer Brennkraftmaschine ermöglicht, ohne dabei an besondere Betriebszustände der Brennkraftmaschine gebunden zu sein.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht zunächst auf der Erkenntnis, daß sich die Tempe­ ratur des Abgases im Katalysator bei seiner vollen Aktivität um einen bestimmten Tempera­ turbetrag, beispielsweise 30°C steigert. Bleibt diese Temperaturdifferenz aus, kann auf ei­ nen defekten oder nicht mehr seine volle Konvertierungsrate aufweisenden Abgaskataly­ sator geschlossen werden. Werden nun in der Praxis im Betrieb der Brennkraftmaschine beispielsweise vor und hinter dem Abgaskatalysator Temperaturwerte in ihrem zeitlichen Verlauf erfaßt, so stellt sich heraus, das zwar in der Regel eine auswertbare Temperatur­ differenz vor und nach Katalysator vorliegt, jedoch aus verschiedenen Gründen zu bestimm­ ten Zeitpunkten diese Temperaturdifferenz unterschritten wird ohne das der Katalysator etwa defekt wäre.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht hier vor, daß zumindest eine der kontinuierlich erfaßten Temperaturen vor oder hinter dem Katalysator einem Filter zugeführt wird, und anschließend aus diesem gefilterten Signal und dem jeweils anderen Temperaturwert eine Ist-Temperaturdifferenz ermittelt wird.

Um eine genaue und zuverlässige Überwachung zu gewährleisten wird diese Ist-Tempera­ turdifferenz mit einem Soll-Temperaturdifferenzwert verglichen. Dieser wird aus einem Soll- Kennfeldspeicher ermittelt, welcher ständig mit den Eingangsgrößen Drehzahl der Brenn­ kraftmaschine, Abgastemperatur im Abgasstrang und aktuelle Kraftstoffeinspritzmenge der Brennkraftmaschine beaufschlagt wird. Der Ausgangswert dieses Soll-Kennfeldspeichers wird anschließend ebenfalls einem Filter zugeführt und dann mit dem Ist-Temperatur­ differenzwert verglichen. Um eine zuverlässige Aussage für den Fall zu erhalten, bei dem die Ist- unterhalb der Soll-Temperaturdifferenz liegt, wird anschließend verfahrensgemäß festgestellt, ob dieser Zustand zumindest für eine von der aktuellen Abgastemperatur ab­ hängende Zeitdauer vorliegt. Ist dies der Fall, wird ein Überwachungssignal ausgelöst.

Vorteilhafterweise ermöglicht dieses Verfahren eine kontinuierliche Überwachung des Kata­ lysators im Betrieb bei gleichzeitig hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit. Das Verfahren ist dabei nicht an bestimmte Betriebszustände der Brennkraftmaschine gebunden, kann also jederzeit durchgeführt werden. Die Filterung des zumindest einen Abgastemperaturwertes sorgt dafür, daß in zuverlässiger Weise eine Ist-Temperaturdifferenz ermittelt werden kann, während das die genannten Eingangsgrößen verarbeitende, dreidimensionale Soll-Kenn­ feld eine Messung in jedem Betriebspunkt erlaubt.

In vorteilhafter Ausgestaltung weist das Verfahren eine Plausibilitätsprüfung auf, welche mehrere Kriterien umfaßt und gegebenenfalls zum Abbruch des Verfahrens führt. So sollte nach dem Kaltstart der Brennkraftmaschine der aktuell erfaßte Abgastemperaturwert zu­ mindest einmalig einen Anspringtemperaturwert des Katalysators erreicht haben. Bevorzug­ terweise wird als aktueller Temperaturwert im Abgasstrang der kontinuierlich erfaßte zweite Abgastemperaturwert im Abgasstrang herangezogen. Das Überschreiten der Anspring­ temperatur stellt sicher, daß das eventuelle Auslösen des Überwachungssignales erst im betriebswarmen Zustand erfolgt.

Ebenso wird überprüft, ob die aktuelle Abgastemperatur unterhalb einer Abschalttemperatur liegt, unterhalb derer angenommen werden muß, daß der Katalysator seine Anspringtempe­ ratur noch nicht erreicht hat. Der Wert für die Anspringtemperatur liegt dabei oberhalb des Wertes für die Abschalttemperatur, wobei zwischen beiden Werten eine Hysterese vorliegt.

Die Abschaltung der Überwachung kann in der Weise erfolgen, daß das in Abhängigkeit der aktuellen Abgastemperaturausgelesene Zeitfensteraufeinen Wert von unendlich gesetzt wird. In bevorzugter Ausgestaltung ist ein besonders genauer Abgleich zwischen ermittelter Ist-Temperaturdifferenz und erwünschter Soll-Temperaturdifferenz dadurch möglich, daß der Soll-Kennfeldspeicher ein mit den Eingangsgrößen Drehzahl der Brennkraftmaschine und aktuelle Abgastemperatur beaufschlagtes Soll-Kennfeld aufweist, aus welchem eine Soll-Temperaturdifferenzvorgabe aus gelesen wird, welche anschließend multiplikativ mit einem Ausgangswert eines mit den Eingangsgrößen Drehzahl der Brennkraftmaschine und aktuell eingespritzte Kraftstoffmenge beaufschlagten Korrektur-Kennfeld korrigiert wird.

Dabei wird das Verfahren auch dann sinnvollerweise abgebrochen, wenn der gefilterte Soll- Temperaturdifferenzwert unterhalb eines vorgegebenen Schwelltemperaturwertes liegt. Hierdurch wird zum Beispiel vermieden, daß derart geringe Soll-Temperaturdifferenzwerte vorgegeben werden, daß diese zum Beispiel im Bereich der möglichen Meßungenauigkeit der erfaßten Temperaturwerte liegt. Vorzugsweise wird der kontinuierlich im Abgasstrang ermittelte erste und zweite Abgastemperaturwert sowie der aus dem Soll-Kennfeldspeicher ausgelesene Wert jeweils einem als im zeitlichen Verlauf mittelwertbildenden Tiefpaß aus­ gebildeten Filter zugeführt. Dabei werden vorzugsweise bei zunehmenden bzw. abneh­ menden Temperatur bzw. Differenzwerten unterschiedliche Filterzeitkonstanten appliziert. Durch geeignete Auslegung dieser Filterzeitkonstanten ist es möglich, das Verfahren opti­ mal auch bei stark wechselnden, daß heißt instationären Betriebszuständen anzuwenden.

Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens werden aus der nachstehenden, bei­ spielhaften Erläuterung einer Ausführung der Erfindung ersichtlich. Die dafür verwendete
Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine schematische Systemübersicht und in

Fig. 2 ein den zeitlichen Verlauf von gemessenen bzw. gefilterten Temperaturen darstel­ lendes Diagramm.

Eine als Selbstzünder ausgebildete Brennkraftmaschine 1 weist in einem Abgasstrang 2 einen als Oxidationskatalysator ausgebildeten Abgaskatalysator 3 auf. In Strömungs­ richtung des Abgases hintereinander liegend sind zwei Meßstellen 4 und 5 im Abgasstrang 2 angeordnet, wobei an der Meßstelle 4 ein erster Abgastemperaturwert TAV und an der Meßstelle 5 ein zweiter Abgastemperaturwert TAN im Betrieb der Brennkraftmaschine kon­ tinuierlich erfaßt wird.

Diese beiden Temperaturwerte TAV, TAN sowie die aktuelle Drehzahl N der Brennkraft­ maschine 1 und eine über eine Einspritzvorrichtung 6 aktuell eingespritzte Kraftstoffmenge MKS sowie eine aktuelle Abgastemperatur TA werden einem nicht gezeigten Steuergerät der Brennkraftmaschine zugeführt. Als aktuelle Abgastemperatur TA wird der an der Meß­ stelle 5 ermittelte Wert TAN verwendet.

Die Abgastemperaturwerte TAV bzw. TAN werden in dem Steuergerät jeweils einem als Tiefpaß ausgebildeten Ist-Filter 7 bzw. 8 zugeführt.

Die Filter 7 und 8 wirken als zeitliche Mittelwertbildner und weisen für zunehmende Werte von TAV bzw. TAN, zum Beispiel in Beschleunigungsphasen der Brennkraftmaschine 1, eine erste Ist-Filterzeitkonstante IKV1 bzw. IKN1 auf. Bei abnehmenden Werten TAV bzw. TAN sind zweite Ist-Filterzeitkonstanten IKV2 bzw. IKN2 appliziert. Der Wert von IKV1 beträgt hierbei etwa das zwanzigfache von IKN1, während der Wert von IKV2 etwa das fünfzehnfache des Wertes von IKN2 beträgt. An den Ausgängen der Ist-Filter 7 bzw. 8 liegen nach der Filterung die gefilterten Temperaturwerte TVf bzw. TNf an. Anschließend wird im Steuergerät aus diesen beiden Werten eine Ist-Temperaturdifferenz DTI gebildet.

Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der bei der Meßstelle 4 ermittelten Abgastemperatur TAV in einem Kurvenverlauf 9, ein Kurvenverlauf 10 zeigt den entsprechenden Tempera­ turverlauf von TAN an der Meßstelle 5. Deutlich werden die durch die exotherme Reaktion in dem Abgaskatalysator 3 hervorgerufenen höheren Werte stromab des Katalysators 3. Ebenso deutlich wird aber auch der insgesamt unruhige Verlauf insbesondere der Kurve 9. Nicht zu jedem Zeitpunkt liegt eine verwertbare Differenz zwischen den Kurvenverläufen 9 und 10 vor. Ein Kurvenverlauf 11 stellt den gefilterten Wert TVf der stromauf des Katalysa­ tors 3 erfaßten ersten Abgastemperatur TAV dar. Deutlich wird die zu jedem Zeitpunkt vor­ liegende, auswertbare Temperaturdifferenz zwischen dem gefilterten Kurvenverlauf 11 und dem Kurvenverlauf 10.

Zur Gewinnung eines mit dem Ist-Temperaturdifferenzwert DTI vergleichbaren Soll-Tempe­ raturwertes DTS steht in dem Steuergerät ein Soll-Kennfeldspeicher SKF zur Verfügung. Dieser weist als Eingangsgrößen die aktuelle Abgastemperatur TA, die Brennkraftmaschi­ nendrehzahl N und die aktuell eingespritzte Kraftstoffmenge MKS auf Abgastemperatur TA und Drehzahl N werden einem Soll-Kennfeld TSK zugeführt, aus welchem in Abhängigkeit der Eingangsgrößen eine Soll-Temperaturdifferenzvorgabe aus gelesen wird. Weiterhin umfaßt der Soll-Kennfeldspeicher SKF ein mit den Eingangsgrößen Drehzahl N und Kraft­ stoffmenge MKS beaufschlagtes Korrektur-Kennfeld TKK, aus welchem in Abhängigkeit dieser beiden Eingangsgrößen ein Korrekurfaktor aus gelesen wird, welcher die aus dem Soll-Kennfeld TSK ausgelesene Soll-Temperaturdifferenzvorgabe multiplikativ korrigiert.

Am Ausgang des Soll-Kennfeldspeichers SKF seht somit eine Soll-Temperaturdifferenz DTS bereit, welche anschließend in einem als Tiefpaß ausgelegten Soll-Filter 12 in einen Soll-Filterausgangswert DSf umgeformt wird. Dieses Soll-Filter 12 arbeitet bei im zeitlichen Verlauf zunehmenden Werten von DTS mit einer ersten Soll-Filterzeitkonstanten SK1 und bei abnehmenden Werten von DFS mit einer zweiten Soll-Filterzeitkonstanten SK2.

Anschließend werden im einem Komparator K die Werte von DTI und DSf miteinander verglichen. Ist der Soll-Filterausgangswert DSf größer als der Ist-Temperaturdifferenzwert DTI, wird ein Komparatorausgangswert KA auf "ein" gesetzt andernfalls auf "aus". Aus einem Zeit-Kennfeld tK wird in Abhängigkeit der aktuellen Abgastemperatur TA ein aktuel­ les Zeitfenster bestimmter Dauer ausgelesen. Zur Auslösung eines Überwachungssignales SI muß der Komparatorausgangswert KA mindestens für die Dauer des aktuell aus­ gelesenen Zeitfensters vorliegen.

Um das Auslösen des Überwachungssignales SI bei Vorlage von nicht sinnvollen Rand­ bedingungen auszuschließen, werden eine Reihe von Kriterien einer Plausibilitätskontrolle vor Auslösen des Signales SI unterzogen. So wird beispielsweise das gefilterte Soll-Tempe­ raturdifferenzsignal DSf mit einer im Steuergerät gespeicherten, vorgebbaren Schwell­ temperatur ST verglichen. Diese Temperatur wird als Abschaltschwelle genutzt und liegt im - Bereich von wenigen Grad Celsius, beispielsweise 2°C.

Desweiteren wird überprüft, ob die Abgastemperatur TA zumindest einmalig einen dem Ab­ gaskatalysator 3 zugeordneten Wert einer Anspringtemperatur TAS, beispielsweise 200°C überschritten hat oder ob die Abgastemperatur TA etwa unterhalb einer ebenfalls dem Ab­ gaskatalysator 3 zugeordneten Abschalttemperatur TAA, zum Beispiel 140°C liegt. Bei Überschreiten von TAS wird die Plausibilitätsprüfung freigegeben, während sie bei unter­ schreiten von TAA abgebrochen wird.

Die zuvor genannten Kriterien werden in einer Nicht-Oderschaltung 13 verarbeitet, welche über einen Eingang 14 die Funktionstüchtigkeit der an den Meßstellen 4 bzw. 5 angeordneten Temperaturfühler verarbeitet sowie über einen Eingang 15 eine Endstufe des Steuer­ gerätes überwacht. Der Ausgang der Nicht-Oderschaftung 13 wird in einer ersten Undschaltung 16 mit dem Komparatorausgangswert KA verknüpft, dessen Ausgang einerseits direkt einer zweiten Undschaltung 17 zugeführt wird, andererseits zunächst das aus dem Zeitkennfeld TK ausgelesene Zeitfenster durchlaufen muß und dann der zweiten Undschaltung 17 zu­ geführt wird.

Claims (9)

1. Verfahren zur Überwachung des Konvertierungsgrades eines Abgaskatalysators in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, wobei im Betrieb an mindestens zwei Stellen im Abgasstrang Temperaturwerte erfaßt und in einem Steuergerät zur Gewinnung eines Überwachungssignales miteinander verglichen werden, gekennzeichnet durch die Schritte

• - kontinuierliches Erfassen eines ersten Abgastemperaturwertes (TAV) und eines zweiten Abgastemperaturwertes (TAN), wobei die beiden Stellen zur Temperatur­ erfassung in Strömungsrichtung des Abgases durch mindestens ein Teilvolumen des Abgaskatalysators (3) getrennt voneinander liegen,
• - Filtern von zumindest einem der Temperaturwerte (TAV, TAN) in einem Ist-Filter (7, 8) des Steuergerätes,
• - Bilden eines Ist-Temperaturdifferenzwertes DTI im Steuergerät aus dem am Aus­ gang des Ist-Filters (7, 8) anliegenden Temperaturwert (TVf, TNf) und dem jeweils anderen Temperaturwert (TNf, TVf),
• - Auslesen eines Soll-Temperaturdifferenzwertes (DTS) aus einem Soll-Kennfeld­ speicher (SKF) mit den Eingangsgrößen Drehzahl (N) der Brennkraftmaschine, Abgastemperatur (TA) im Abgasstrang (2) und aktueller Kraftstoffeinspritzmenge (MKS) der Brennkraftmaschine (1),
• - Umformen des ausgelesenen Wertes (DTS) in einem Soll-Filter (12) des Steuergerätes in einen Soll-Filterausgangswert (DSf)
• - Vergleichen der Werte von (DTI) und (DSf) in einem Komparator (K),
• - Auslesen eines aktuellen Zeitfensters aus einem Zeit-Kennfeld (tK) in Abhängigkeit der Abgastemperatur (TA),
• - Auslösen eines Überwachungssignales (SI), wenn für die Dauer des aktuellen Zeit­ fensters der Vergleich im Komparatoreinen über dem Wert von (DTI) liegenden Wert von (DSf) ergibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß festgestellt wird, ob die Abgastemperatur (TA) zumindest einmalig einen dem Abgaskatalysator (3) zugeordne­ ten Anspringtemperaturwert (TAS) überschritten hat und Abbruch des Verfahrens, falls dies nicht der Fall ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Auslösen des Überwachungssignales (SI) festgestellt wird, ob die Abgastemperatur (TA) unter­ halb eines dem Abgaskatalysator (3) zugeordneten Abschalttemperaturwertes (TAA) liegt und Abbruch des Verfahrens, falls dies der Fall ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren abgebro­ chen wird, wenn der Soll-Filterausgangswert (DSf) unterhalb eines vorgebbaren Schwelltemperaturwertes (ST) liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Soll-Kennfeldspeicher (SKF) ein mit den Eingangsgrößen (N) und (TA) beaufschlagtes Soll-Kennfeld (TSK) und ein mit den Eingangsgrößen (N) und (MKS) beaufschlagtes Korrektur-Kennfeld (TKK) aufweist und der aus dem Soll-Kennfeld (TSK) ausgelesene Wert multiplikativ mit dem Ausgangswert des Korrektur-Kennfeldes (TKK) korrigiert wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Soll-Filter (12) als mittelwertbildender Tiefpaß ausgebildet ist, welcher bei im zeitlichen Verlauf zunehmenden Soll-Temperaturdifferenzwerten (DFS) mit einer ersten Soll-Filterzeitkonstanten (SK1) und bei abnehmenden Werten (DFS) mit einer zweiten Soll-Filterzeitkonstanten (SK2) arbeitet.

7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine zweite Filterzeitkonstante (SK2), die geringer ist als die erste Filterzeitkonstante (SK1).

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der erste (TAV) wie auch der zweite Abgastemperaturwert (TAN) jeweils einem als mittelwertbildenden Tiefpaß ausgebildeten Ist-Filter (7, 8) zu­ geführt wird, welche bei zunehmenden Werten (TAV, TAN) mit einer ersten Ist- Filterzeitkonstanten (IKV1, IKN1) und bei abnehmenden Werten (TAV, TAN) mit einer zweiten Ist-Filterzeitkonstanten (IKV2, IKN2) arbeiten.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dem ersten Abgas­ temperaturwert (TAV) zugeordneten Filterzeitkonstanten (IKV1 und IKV2) mindestens um einen Faktor 10 länger gewählt sind, als die dem zweiten Abgastemperaturwert (TAN) zugeordneten Filterzeitkonstanten (IKN1 und IKN2), vorzugsweise um einen Faktor im Bereich von 15 bis 20.