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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Überwachungseinrichtung
für einen
Katalysator.
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Änderungen
bei den Emissionsvorschriften und das allgemeine Bestreben, Emissionen
zu minimieren, haben zu Untersuchungen bezüglich der Überwachung des Betriebsverhaltens
eines Katalysators geführt.
Diese kann vorgenommen werden, um sicherzustellen, dass der Motor
innerhalb des Leistungsvermögens
des Katalysators arbeitet, und auch um festzustellen, ob sich das
Betriebsverhalten des Katalysators durch den Gebrauch bis zu einem Punkt
verschlechtert hat, an dem er ausgetauscht werden muss.
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Es sind verschiedene Überwachungssysteme
vorgeschlagen worden, von denen die meisten die Verwendung von Sauerstoffsensoren
sowohl oberstromig als auch unterstromig von dem Katalysator umfassen.
Der Unterschied in den Sensorsignalen wird dazu verwendet, das Vermögen des
Katalysators, Sauerstoff zu speichern, zu bestimmen und daraus festzustellen,
ob das Betriebsverhalten des Katalysators zufrieden stellend ist.
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Bei einem System aus dem Stand der
Technik wird das Signal des unterstromigen Sauerstoffsensors verarbeitet,
um das Sauerstoffspeichervermögen
des Katalysators festzustellen. (Die Signalverarbeitung ist derart,
dass die Steigung des Signals des unterstromigen Sauerstoffsensors
das Sauerstoffspeichervermögen
des Katalysators angeben wird). Dieses System funktioniert auf die
Art und Weise, die durch die folgenden Gleichungen gezeigt ist:
Hypothese:
x = A/D-Wert des hinteren O2-Sensors
xf = gefiltertes Signal des hinteren O2-Sensors
O2-Index
= Sauerstoffspeichervermögen
des Katalysators
t = Zeitpunkt
6 msec = Dauer zwischen
zwei Zeitpunkten
α =
Filterkoeffizient von x, um xf zu erzeugen
These:
O2-Index steht mit der Steilheit des hinteren O2-Sensors in Beziehung
Beweis:
O2-Index(t) = x(t) – xf(t)gegenwärtige Diagnose
xf(t) = xf(t – 1) – {α*(xf(t – 1) – x(t)}gegenwärtige Diagnose
xf(t) = (1 – α)*xf(t – 1)
+ α*x(t)
O2-Index(t) = x(t) – {(1 – α) * xf(t – 1)
+ α*x(t)}
O2-Index(t) = (1 – α)*x(t) – (1 – α)*xf(t – 1)
O2-Index(t) = (1 – α)*(x(t) – xf(t – 1))
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Der Filterkoeffizient an dem Signal
des hinteren O2-Sensors ist groß. Da die
Schleifenzeit konstant ist, wird der Wert des O2-Index
auf seinem Maximum sehr nahe bei der Steigung des Signals des hinteren
O2-Sensors liegen.
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Das Ergebnis dieser Analyse ist in 1 gezeigt. Es ist ersichtlich,
dass der Index des Sauerstoffsensors ein Maß der Steilheit des unterstromigen Sauerstoffsensors
ist. Die Steilheit steht mit der Ansprechzeit des Sensors aber nicht
mit dem Speichervermögen
des Katalysators in Beziehung. Somit wird alles, was die Ansprechzeit
des Sensors beeinträchtigen
kann, einen falschen Index des Sauerstoffsensors erzeugen. Faktoren,
die die Ansprechzeit des Sensors beeinträchtigen können, sind beispielsweise Vergiftung
der Abgase, Alterung des Sensors, Steuerung des Luft/Kraftstaff-Verhältnisses,
Anordnung des Sensors usw.
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Die Erfahrung hat gezeigt, dass ein
träger unterstromiger
Sauerstoffsensor bewirken kann, dass es so aussieht, als ob ein
inerter Katalysator richtig funktioniert.
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Die EP-A-0478133 offenbart eine Überwachungseinrichtung
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Eine weitere Überwachungseinrichtung für einen
Katalysator ist in der WO-93/09335 offenbart. Diese Überwachungseinrichtung
verwendet Luft/ Kraftstoff-Änderungen
mit offenem Regelkreis, um den Sensor zwischen seinen beiden Sättigungsniveaus
umzuschalten. Die Punkte, an denen das Sensorsignal umschaltet,
werden überwacht
und dann dazu verwendet, das Sauerstoffvermögen des Katalysators zu bestimmen.
Ein Problem bei diesem System ist, dass die Kraftstoffsteuerung
mit offenem Regelkreis das Fahrverhalten des Fahrzeugs beeinträchtigen
kann. Wenn bewirkt wird, dass die Sensoren in Sättigung gelangen, beeinträchtigt dies
außerdem
ihre Ansprechzeit und dadurch die Genauigkeit des Systems während des
Motorbetriebes.
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Die vorliegende Erfindung strebt
an, ein verbessertes Interferometer bereitzustellen. Eine Überwachungseinrichtung
für einen
Katalysator und ein Überwachungsverfahren
gemäß der vorliegenden Erfindung
sind durch die jeweils in den Ansprüchen 1 bzw. 5 beschriebenen
Merkmale gekennzeichnet.
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Es ist möglich, durch Beibehalten der
Regelung die Auswirkung der Änderungen
um das stöchiometrische
Verhältnis
des Motors herum auf Niveaus zu begrenzen, die der Fahrzeugführer und
die Fahrgäste
nicht wahrnehmen können.
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Die Verstellung nach Fett kann erreicht
werden, indem der Schaltpunkt der Regelung an dem oberstromigen
O2-Sensor verschoben wird.
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Die Regelung erzeugt vorzugsweise
kalibrierbare Ausschläge
des Systems nach Mager aufgrund einer asymmetrischen proportionalen
Regelung der Amplitude und Dauer. Diese Regelung wird stärkere Luft/Kraftstoff-Änderungen
als während
eines normalen Betriebes mit geschlossenem Regelkreis zulassen.
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Dieser Asymmetrietest einer Bereitstellung einer
Verstellung nach Fett mit Übergängen nach
Mager ist durch keines der Systeme aus dem Stand der Technik in
Betracht gezogen worden.
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Das Regelungsmittel ist bei der bevorzugten Ausführungsform
in der Lage, die Dauer der Ausschläge nach Mager zu verändern, um
Dauern zu erreichen, die die erforderliche Änderung in Sauerstoffionenniveaus
unterstromig des Katalysators und dadurch eine zufrieden stellende Änderung
im Signal des unterstromigen Sensors liefern.
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Das Regelungsmittel dient vorzugsweise
dazu, die proportionale Dauer des Signals von dem unterstromigen
Sensor zu bestimmen. Mit anderen Worten misst das Regelungsmittel
bei dieser Ausführungsform
die Zeit, während
der der unterstromige Sensor ein Sauerstoffionenniveau jenseits
einer vorbestimmten Schwelle erfasst. Tatsächlich macht die bevorzugte
Ausführungsform
von Sauerstoffniveaus und nicht von Sensorsteilheiten Gebrauch,
so dass die Ansprechzeit des Sensors nicht relevant ist.
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Das Regelungsmittel dient vorteilhafterweise dazu,
das Speichervermögen
für Sauerstoffionen des
Katalysators aus den Signalen des oberstromigen und des unterstromigen
Sensors zu bestimmen.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird nachstehend lediglich beispielhaft anhand der begleitenden
Zeichnungen beschrieben, in denen
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1 ein
Graph eines Signals eines Sauerstoffionensensors über die
Zeit für
eine Überwachungseinrichtung
für einen
Katalysator aus dem Stand der Technik ist;
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2 ein
schematisches Schaubild einer Ausführungsform einer Überwachungseinrichtung
für einer
Katalysator ist; und
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3A–3D Graphen von Sensorausgängen von
oberstromigen und unterstromigen Sauerstoffsensoren der Überwachungseinrichtung
von 2 während einer
bevorzugten Überwachungsroutine sind.
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Nach 2 ist
die gezeigte Ausführungsform
einer Überwachungseinrichtung
für einen
Katalysator an einen Verbrennungsmotor 10 eines herkömmlichen
Typs gekoppelt gezeigt, der ein herkömmliches Ventilsystem 12 von
Einlass- und Auslassventilen für
die Motorzylinder umfasst. Ein Auspuffkrümmer 14 führt zu einem
Katalysator 16. Ein elektronisches Steuergerät 18 ist
zur Einstellung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses mit der Steuerung
der Motorventile und/oder Kraftstoffeinspritzvorrichtung gekoppelt,
um es normal im Wesentlichen auf dem stöchiometrischen Verhältnis zu
halten. Dieses Steuergerät 18 kann
ein Teil eines Motormanagementsystems sein.
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Oberstromige und unterstromige Sauerstoffsensoren 20, 22 sind
gekoppelt, um jeweils Sauerstoffionenniveaus des Abgases vor und
nach der Behandlung durch den Katalysator 16 zu überwachen. Beide
Sensoren 20, 22 sind mit dem Steuergerät 18 gekoppelt.
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Das Steuergerät 18 dient dazu, eine
Diagnoseroutine an dem Katalysator 16 auszuführen, wenn der
Motor in einem stationären
Zustand arbeitet. Die bevorzugte Ausführungsform zieht statt der
Ansprechzeit des Sensors vielmehr den fetten oder mageren Zustand
der Sensoren in Betracht, der eine direkte Beziehung mit der Menge
von Sauerstoffionen in den Abgasen aufweist. Der Spannungspegel
eines Sensors, der die magere oder fette Bedingung gemessener Luft
angibt, wird durch Alterung und dergleichen weniger beeinträchtigt und
ist leichter zu diagnostizieren als eine Änderung der Ansprechzeit.
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Wie der fachmännische Leser wissen wird, führt eine
fette Bedingung zu einem Mangel an Sauerstoffionen in den Abgasen
in Bezug auf die Umgebungsluft; während eine magere Bedingung
zu einem Überschuss
an Sauerstoffionen führt.
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Das Steuergerät 18 stellt zunächst fest, wann
der Betrieb des Katalysators zu prüfen ist, beispielsweise in
regelmäßigen Intervallen
des Motorbetriebes oder bei vorbestimmten Ereignissen, wie etwa
beim Einschalten des Fahrzeugs. Wenn eine derartige Diagnose durchgeführt werden
soll und festgestellt wird, dass der Motor in einem stationären Zustand
arbeitet, verstellt das Steuergerät 18 das Luft/Kraftstoff-Verhältnis nach
Fett, um das Sauerstoffniveau in den Abgasen von dem Motor 10 zu
verringern.
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Während
dieser Verstellung nach Fett behält das
Steuergerät 18 die
Regelung des Motorbetriebes auf der Grundlage des Signals von dem
oberstromigen Sauerstoffsensor 20 unter Verwendung der üblichen
Werte der adaptiven Steuerung aufrecht, um das Fahrverhalten beizubehalten
und die Auswirkung der Verstellung nach Fett auf den Betrieb des
Fahrzeuges zu verringern. Die proportionale Verstärkung bei
der Verstellung nach Fett wird für
eine relativ lange Dauer angewandt, um die Kraftstoffregelung zu stabilisieren
und dadurch die merklichen Änderungen im
Betriebsverhalten des Motors zu minimieren.
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Das Ausmaß der Verstellung nach Fett
wird durch den Schaltpunkt der Regelung und die proportionale Luft/Kraftstoff-Regelung
bestimmt. Diese proportionale Zunahme ist derart, dass jegliche
Sättigung
der Sensoren 20, 22 vermieden wird, da diese die
Ansprechzeit des Sensors beeinflussen und Sensorausgänge erzeugen
würde,
die nicht die gewünschte
Auflösung
im Pegel des Signals liefern würden.
Außerdem
liefert die bevorzugte Ausführungsform
nur eine einzige proportionale Zunahme für den verwendeten Sensortyp,
obwohl es bei manchen Anwendungen erwünscht sein kann, mehr als eine
proportionale Zunahme zu liefern, um in der Lage zu sein, die Sensorantworten
von unterschiedlichen Verstellungen nach Fett zu messen.
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Das Steuergerät 18 erzeugt Ausschläge nach
Mager von der Verstellung nach Fett in Perioden, die eine eingestellte
Dauer aufweisen, bis von dem unterstromigen Sensor 22 das
gewünschte
Ausgangssignal erzeugt wird. Insbesondere wenn die Dauer jedes Ausschlages
zu kurz ist, kann der Katalysator 16 in der Lage sein,
all die zusätzlichen
Sauerstoffionen ohne irgend einen Durchbruch, der von dem unterstromigen
Sensor 22 detektiert werden kann, zu absorbieren. Wenn
andererseits der Ausschlag zu lang ist, kann es sein, dass der Katalysator nicht
genug Zeit hat, um sich zu regenerieren, was zu einem permanenten
Durchbruch von Sauerstoffionen führt.
Beispielhafte Dauern können
abhängig
von der Anwendung zwischen 1/10-Sekunde bis 1/2 Sekunde betragen.
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3A zeigt
die Antwort des oberstromigen Sensors auf eine Verstellung nach
Fett mit langen Ausschlägen
nach Mager. Wie ersichtlich ist, wird es bei nach Fett verstelltem
Motor einen niedrigen Sauerstoffionengehalt in den Abgasen geben,
und deshalb werden beide Sensoren ein niedriges Sauerstoffausgangssignal
erzeugen. Ein Ausschlag nach Mager wird den Sauerstoffionengehalt
in den Abgasen erhöhen,
was sofort durch den oberstromigen Sensor 20 (abhängig von
der Ansprechzeit des Sensors) erfasst wird. Das gleiche wird normalerweise
für den
unterstromigen Sauerstoffsensor gelten, da der Katalysator 16 einige
oder alle überschüssigen Sauerstoffionen
abhängig
vom Sauerstoffvermögen
des Katalysators 16 und der Dauer der Ausschläge nach Mager
absorbieren wird.
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3B zeigt
die Antwort des oberstromigen Sensors auf eine Verstellung nach
Fett mit kurzen Ausschlägen.
Die Mulden in dem Graphen sind viel schmaler als bei den langen
Ausschlägen,
da es weniger Zeit geben wird, während
der es einen Überschuss
an Sauerstoffionen in den Abgasen gibt. Dies wird wiederum zu schmaleren
Mulden in dem Signal des unterstromigen Sensors führen, so
lange es noch einen Durchbruch von Sauerstoffionen gibt.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform
stellt das Steuergerät 18 die
Länge der
Ausschläge
nach Mager bis zu dem Punkt ein, bei dem sie noch eine Wirkung an
dem unterstromigen Sensor erzeugen. Die Ausschläge sind, wie bei dem Grad der
Verstellung nach Fett, vorzugsweise so kurz wie möglich, um
merkliche Änderungen
im Betriebsverhalten des Motors zu verringern oder zu beseitigen.
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Ein guter Katalysator besitzt eine
gutes Sauerstoffspeichervermögen,
das deshalb dazu führen wird,
dass der unterstromige Sauerstoffsensor ein unterschiedliches (verringertes)
Signal in Bezug auf den oberstromigen Sauerstoffsensor erzeugen
wird. Andererseits wird ein Katalysator mit einem schlechten Betriebsverhalten
eine schlechtes oder kein Sauerstoffspeichervermögen haben, mit dem Ergebnis, dass
der unterstromige Sauerstoffsensor enger dem oberstromigen Sauerstoffsensor
folgen wird. Für
einen normalen Katalysator wird es eine Zeitspanne zwischen einer
Mulde in dem Signal des unterstromigen Sensors in Bezug auf die
entsprechende Mulde in dem Signal des oberstromigen Sensors geben.
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3C zeigt
die Antwort des Signals des unterstromigen Sensors für einen
Katalysator mit einem befriedigenden Sauerstoffspeichervermögen. Es
ist zu sehen, dass das Signal des unterstromigen Sensors im Vergleich
mit dem Signal des oberstromigen Sensors ungleichmäßig ist,
was durch Sauerstoffionenabsorption durch den Katalysator 16 hervorgerufen
wird, und auch relativ zu dem Signal des oberstromigen Sensors verzögert ist.
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Andererseits zeigt 3D die Antwort des unterstromigen Sensors
22 im Fall eines schlechten Katalysators. Dieses Signal spiegelt
sehr nahe das Signal des oberstromigen Sensors 20 und ist
relativ zu diesem wenig verzögert.
Dies ist infolge der geringen Sauerstoffionenabsorption durch den
Katalysator 16 der Fall.
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Die bevorzugte Ausführungsform
ist derart entworfen, dass die Zeit detektiert wird, während der das
Signal des unterstromigen Sauerstoffsensors durch einen Schwellensignalpegel
hindurch geht, d. h. die Zeit, während
der er den Schwellensauerstoffüberschuss
misst. Diese Zeit steht, wenn sie mit der äquivalenten Zeit für den oberstromigen
Sensor 20 verglichen wird, mit dem Sauerstoffspeichervermögen des
Katalysators 16 in Beziehung. Somit kann für den Katalysator
auf der Grundlage dieser Zeitdifferenz und, falls es erwünscht ist,
anderer Betriebsparameter des Motors, wie Emissionsniveaus und dergleichen,
ein Sauerstoffindex entwickelt werden. Dem Fachmann wird ersichtlich
sein, wie ein geeigneter Sauerstoffindex entwickelt werden kann.
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Das hierin beschrieben System kann
mehrere Vorteile in Bezug auf den Stand der Technik haben, wobei
diese wie folgt sind:
- a) Der Sauerstoffindex
liegt näher
bei dem Speichervermögen
des Katalysators;
- b) da das System den Spannungspegel des Signals des unterstromigen
Sensors überwacht,
ist es weniger empfindlich auf die Ansprechzeit des Sensors;
- c) die während
der Testperiode angewandte Verstellung nach Fett hat im Allgemeinen
einen geringen Einfluss auf das Fahrverhalten;
- d) die während
der Testperiode angewandte Verstellung nach Fett hat im Allgemeinen
keinen Einfluss auf Nox-Emissionen. Falls
es erwünscht
ist, kann dies zur Motorstabilität
verbessert werden, indem die Abgasrückführung während der Testperiode geschlossen
wird;
- e) Experimente haben nur kleine Veränderungen in den Testergebnissen
gezeigt, was zu einer genaueren Diagnose führt. Dies erlaubt es auch, dass
die Zeit für
den Test in Bezug auf Systeme nach dem Stand der Technik verkürzt werden kann;
- f) der Einfluss der Emissionen auf die Diagnose ist insbesondere
für zukünftige Doppel-Katalysator-Systeme
sehr begrenzt. Die reduktive Atmosphäre wird von Nutzen sein.