EP1180594B1 - Verfahren zur Überprüfung einer Abgasrückführanlage - Google Patents

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EP1180594B1 EP01118459A EP01118459A EP1180594B1 EP 1180594 B1 EP1180594 B1 EP 1180594B1 EP 01118459 A EP01118459 A EP 01118459A EP 01118459 A EP01118459 A EP 01118459A EP 1180594 B1 EP1180594 B1 EP 1180594B1
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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung einer Abgasrückführanlage einer Brennkraftmaschine.
  • Um den Kraftstoffverbrauch von Otto-Brennkraftmaschinen weiter zu reduzieren, kommen immer häufiger Brennkraftmaschinen zum Einsatz, die außer mit stöchiometrischem Gemisch auch mit magerer Verbrennung betrieben werden können. Bei Otto-Brennkraftmaschinen mit magerer Verbrennung wird der Luftüberschuß so groß gewählt, wie es die Lastanforderung an die Brennkraftmaschine gestattet; bei geringer Lastanforderung kann in einem Schichtlade-Betrieb das Kraftstoff/LuftGemisch, mit dem die Brennkraftmaschine betrieben wird, Lambda-Werte von 3 und mehr aufweisen.
  • Zur Erfüllung geforderter Abgasemissionsgrenzwerte sind bei solchen Brennkraftmaschinen spezielle Maßnahmen erforderlich, da ansonsten die emittierten NOx-Massen zu groß wären. Dies gilt ebenso für Diesel-Brennkraftmaschinen. Neben dem Einsatz von NOx-Speicherkatalysatoren, die aufgrund ihrer Beschichtungen in der Lage sind, NOx-Verbindungen aus dem Abgas, die bei magerer Verbrennung entstehen, in einer Speicherphase zu absorbieren und in einer Regenerationsphase unter Zugabe eines Reduktionsmittels in unschädliche Verbindungen umzuwandeln, sind auch sogenannte Abgasrückführanlagen bekannt. In solchen Abgasrückführanlagen wird ein Teil des Abgasstroms dem in die Zylinder strömenden Frischgasstrom beigemischt. Da Abgas für die Verbrennung ein Inertgas ist, sinkt dadurch die NOx-Rohemission der Brennkraftmaschine. Die Regelung des rückgeführten Abgasstromes, der sogenannten Abgasrückführrate, erfolgt meist über ein in die Rückführleitung geschaltetes Abgasrückführventil.
  • Es handelt sich bei einer solchen Abgasrückführanlage um ein emissionsrelevantes Bauteil. Solche Bauteile sind aufgrund geltender bzw. zukünftiger Vorschriften im Betrieb einer Brennkraftmaschine einer Überprüfung zu unterziehen, da ein Versagen oder fehlerhafter Betrieb der Abgasrückführanlage das Emissionsverhalten einer Brennkraftmaschine drastisch verschlechtern und zu einer Überschreitung vorgegebener Grenzwerte führen könnte.
  • Ein vom Ausfall besonders bedrohtes bzw. bei Ausfall besonders zu Emissionserhöhungen führendes Bauteil einer Abgasrückführanlage ist das Abgasrückführventil, über das die Abgasrückführrate eingestellt wird. Bislang setzt man zur Diagnose dieses Abgasrückführventils einen im Saugrohr angeordneten Drucksensor ein, der den Saugrohrdruck erfaßt. Zugleich wird die angesaugte Luftmasse über einen Luftmassenmesser ermittelt. Aus der angesaugten Luftmasse kann man den bei einer bestimmten Stellung des Abgasrückführventils zu erwartenden Saugrohrdruck stromab einer Drosselklappe einer Brennkraftmaschine berechnen. Ergibt sich eine Abweichung zwischen gemessenem und berechnetem Saugrohrdruck, wird ein fehlerhaftes Abgasrückführventil diagnositiziert. Dieses Prinzip ist beispielsweise in der DE 44 06 281 A1 beschrieben.
  • In dem Dokument JP 63 263 258 A ist eine Diagnosevorrichtung für eine Abgasrückführeinrichtung einer Brennkraftmaschine beschrieben. Zur Diagnose wird ein Abgasrückführventil geschlossen. Bei einer intakten Abgasrückführung führt dies zu einem erhöhten Frischluftanteil in den Abgasen, was mittels eines O2-Sensors gemessen wird. Wird in den Abgasen ein solcher Frischluftanteil nicht festgestellt, so wird auf einen Fehler der Abgasrückführeinrichtung geschlossen. Mit dieser Vorrichtung kann festgestellt werden, dass das Abgasrückführventil nicht richtig schließt, ein Fehler hinsichtlich eines nicht mehr öffnenden Abgasrückführventils kann damit nicht festgestellt werden.
  • Aus der DE 42 16 044 A1 ist es bekannt, die Funktion einer Abgasrückführanlage anhand der Laufruhe der Brennkraftmaschine zu erkennen, da die Häufigkeiten von Aussetzer bzw. die Laufunruhe einer Brennkraftmaschine mit der Abgasrückführrate steigt.
  • Weiter ist es aus der DE 36 24 441 A1 bekannt, im Leerlauf einer Brennkraftmaschine die Abgasrückführrate zu verändern und die Drehzahlschwankung der Brennkraftmaschine zu überwachen. Ein ähnliches Verfahren ist auch in der EP 0 635 629 A1 offenbart.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überprüfung einer Abgasrückführanlage anzugeben, bei dem keine Druckmessung im Saugrohr erforderlich ist.
  • Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gegekennzeichnete Erfindung gelöst.
  • Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, daß Veränderungen der Abgasrückführrate die NOx-Emissionen eines Verbrennungsmotors stark beeinflussen können. Verändert man nun die Abgasrückführrate um ein bestimmtes Maß, kann an einem Ausbleiben der an und für sich zu erwartenden Änderung der NOx-Emission der Brennkraftmaschine eine fehlerhafte Abgasrückführanlage erkannt werden. Dieses Konzept ist für alle mit Abgasrückführanlagen ausgerüsteten Brennkraftmaschinen geeignet.
  • Diese Überprüfung ist besonders dann einfach durchzuführen, wenn die NOx-Emission der Brennkraftmaschine ansonsten konstant wäre, was insbesondere bei statischen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine der Fall ist, insbesondere wenn also die zeitliche Änderung von Last und/oder Drehzahl der Brennkraftmaschine unter einer gewissen, geeigneten Grenze bleibt.
  • Um ein Ausbleiben einer zu erwartenden NOx-Konzentration im Abgas der Brennkraftmaschine zu erkennen, sind verschiedene Ansätze denkbar. Zum einen kann man eine Konzentrationsdifferenz aus der im Abgas gemessenen NOx-Konzentration vor und nach Veränderung der Abgasrückführrate bilden. Diese Konzentrationsdifferenz hängt natürlich von der vorgenommenen Veränderung der Abgasrückführrate ab. Bleibt trotz Veränderung der Abgasrückführrate eine zu erwartende Konzentrationsdifferenz aus, ist die Abgasrückführanlage defekt. Die NOx-Konzentration kann dabei an beliebiger Stelle im Abgastrakt gemessen werden, insbesondere stromauf eines Katalysators.
  • Zur Ermittlung der Konzentrationsdifferenz kann man eine dieser NOx-Konzentrationsmessungen auch durch eine Modellbestimmung der NOx-Rohemissionen ersetzen, wobei dazu bekannte Modelle verwendet werden können, die aus Betriebsparametern der Brennkraftmaschine die für diesen Betriebszustand emittierte NOx-Konzentration schätzen. Mit einem solchen Modellwert für die NOx-Konzentration kann man die Konzentrationsdifferenz zusammen mit der Messung der NOx-Konzentration nach der Veränderung bilden und dafür entweder den Modellwert für die NOx-Konzentration vor der Veränderung der Abgasrückführrate oder den Modellwert für den Betriebszustand nach der Veränderung der Abgasrückführrate heranziehen. Zweckmäßig ist es dabei jedoch, daß im übrigen weitgehend konstante Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine vorliegen, da dann der Fehler bei der Modellermittlung der NOx-Konzentration möglichst gering ist.
  • Verfügt die Brennkraftmaschine über einen NOx-Speicherkatalysator, kann man zur Diagnose auch einen NOx-Konzentrationsmeßaufnehmer verwenden, wie er üblicherweise zur Steuerung eines NOx-Speicherkatalysators dieses Katalysators vorgesehen ist. Ähnliches gilt für Brennkraftmaschinen mit einem 3-Wege-Katalysator im Abgastrakt. Eine bekannte Anordnung ist z.B. ein stromab des Katalysators liegender Meßaufnehmer. Da ein solcher NOx-Speicherkatalysator aber in der Regel die NOx-Verbindungen im Abgas absorbiert, muß bei dieser Anordnung zur Durchführung der Überprüfung dafür gesorgt werden, daß diese Absorption zeitweise nicht stattfindet. Dies kann in einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung dadurch erreicht werden, daß der Katalysator vor der Überprüfung bis zu seiner maximalen Speicherfähigkeit gesättigt wird. Das Erreichen des Sättigungszustandes kann man mit dem stromabwärts angeordneten NOx-Konzentrationsmeßaufnehmer erfassen, z.B. durch Vergleich einer modellierten NOx-Konzentration mit einer gemessenen NOx-Konzentration oder durch geeignete Intepretation des während eines Speichervorgangs anfallenden Gradienten der NOx-Konzentration stromab des NOx-Speicherkatalysators.
  • Ist der NOx-Katalysator gesättigt, schlagen Änderungen der NOx-Konzentration stromauf des Katalysators zum Katalysatorausgang durch, so daß dann eine Überprüfung möglich ist.
  • Die Sättigung kann besonders schnell erreicht werden, wenn für eine hohe NOx-Rohemission stromauf des NOx-Speicherkatalysators gesorgt wird, beispielsweise indem die Abgasrückführrate unter einem bestimmten Schwellwert oder besonders bevorzugte nahe Null gestellt wird.
  • Grundsätzlich erhält man eine besonders gute Diagnose, wenn die Abgasrückführrate von einem Maximalwert auf einen Minimalwert gestellt wird. Um dies in der Variante mit der beschleunigten Sättigung eines NOx-Speicherkatalysators zu erreichen, muß, wenn festgestellt wird, daß der NOx-Speicherkatalysator in der Sättigung ist, zuerst die Abgasrückführrate von dem unter den Minimalwert liegenden Wert erhöht werden, damit sie anschließend wieder verringert werden kann, um die Konzentrationsdifferenz zu bilden.
  • Wie die zur Überprüfung eingestellte Veränderung der Abgasrückführrate zeitlich durchgeführt wird, ist prinzipiell unerheblich. Stellt man eine rampenartige Änderung der Abgasrückführrate ein, verläuft die Diagnose mit besonders geringen Auswirkungen auf den Betrieb der Brennkraftmaschine, da die mit der Änderung der Abgasrückführrate unvermeidlich einhergehende Änderung der Laufruhe der Brennkraftmaschine langsam verläuft. Möchte man die Diagnose möglichst sicher gestalten, bietet es sich an, die Abgasrückführrate sprungartig zu erhöhen. Dieses Vorgehen hat weiter den Vorteil, daß die Überprüfung nur eine sehr kurze Zeitdauer in Anspruch nimmt, mithin nur eine sehr geringe Erhöhung der emittierten NOx-Masse durch die Überprüfung anfällt.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen in Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
    • Figur 1
    eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführanlage,
    Figur 2
    ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Überprüfung einer Abgasrückführanlage und
    Figur 3
    ein weiteres Ablaufdiagramm für ein abgewandeltes Überprüfungsverfahren.
  • In Figur 1 ist in Form eines Blockschaltbildes eine Otto-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung dargestellt, wobei nur diejenigen Komponenten eingezeichnet sind, die für das Verständnis der Erfindung notwendig sind; insbesondere sind der Kraftstoffkreislauf sowie eine Abgasnachbehandlungsanlage nicht dargestellt.
  • Die Brennkraftmaschine der Figur 1 weist einen Ansaugtrakt 1 mit einem Luftsammler 2 auf, der über ein Saugrohr 3 in einen Zylinder 6 der Brennkraftmaschine mündet. Der besseren Übersichtlichkeit halber ist nur ein Zylinder 6 eingezeichnet; auf die Zahl der Zylinder kommt es jedoch nicht an.
  • In den Zylinder 6 wird über ein von einem Steuergerät 10 gesteuertes Einspritzventil 20 Kraftstoff eingespritzt. Im Luftsammler 2 befindet sich eine Drosselklappe 5, die von einem Drosselklappensteller 12 betätigt wird, der ebenfalls vom Steuergerät 10 angesteuert wird. Weiter ist ein Luftmassenmesser 4 stromauf der Drosselklappe 5 im Ansaugtrakt 1 vorgesehen. Stromab der Drosselklappe 5 mündet in den Ansaugtrakt 1 eine Abgasrückführleitung 8, die andererseits an den Abgastrakt 7 der Brennkraftmaschine angeschlossen ist, in dem die Verbrennungsgase aus dem Zylinder 6 strömen. In der Abgasrückführleitung 8 befindet sich ein Abgasrückführventil 9, das von einem Stellglied 14 betätigt wird, welches vom Steuergerät 10 angesteuert wird. Dabei ist eine Lagerückmeldung vorgesehen, über die das Steuergerät 10 den am Abgasrückführventil 9 eingestellten Öffnungsgrad erfaßt.
  • Weiter ist noch ein Kurbelwellensensor 13 vorgesehen, der die Drehzahl der Kurbelwelle 15 abfühlt.
  • Im Abgastrakt 7 befindet sich schließlich noch ein NOx-Sensor 16, der die NOx-Konzentration im Abgas mißt, das durch den Abgastrakt strömt. Etwaige im Abgastrakt vorgesehene Katalysatoren, NOx-Speicher- oder 3-Wege-Katalysatoren, sind der besseren Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet.
  • Das Steuergerät 10 weist mehrere Programm-Module 11, 17, 19 und 18 auf, auf die noch eingegangen werden wird.
  • Zur Überprüfung des Abgasrückführventils 9 wird nun folgendes, als Flußdiagramm in Figur 2 dargestellte Verfahren durchgeführt. Dabei bezeichnen die Bezugszeichen, denen der Buchstabe "S" vorangestellt ist, Schritte des Verfahrens.
  • Zuerst wird in einem Schritt S1 eine erste NOx-Konzentration NOx1 gemessen. Dies erfolgt mit Hilfe des Meßmoduls 11 des Steuergerätes 10, das den NOx-Sensor 16 ausliest. Anschließend wird in einem Schritt S2 am Abgasrückführventil 9 eine im Speichermodul 17 voreingestellte Änderung der Abgasrückführrate eingestellt; dies wird vom AGR-Modul 18 des Steuergerätes 10 vorgenommen. Die Änderung ist dabei so gewählt, daß die Abgasrückführrate einen vorbestimmten Sprung von hoher Abgasrückführrate auf kleine Abgasrückführrate, beispielsweise von einem hohen Sollwert auf 0 %, durchführt. Nach dieser Änderung der Abgasrückführrate wird wiederum über den NOx-Sensor 16 die NOx-Konzentration im Abgas der Brennkraftmaschine gemessen und als Wert NOx2 im Speichermodul 17 des Steuergeräts 10 gespeichert. Auch dies erfolgt wieder über das Meßmodul 11 (Schritt S3). Dann wird in Schritt S4 überprüft, ob die Differenz zwischen NOx1 und NOx2 einen ebenfalls im Speichermodul 17 gespeicherten Schwellwert SW1 überschreitet. Ist dies nicht der Fall (N-Verzweigung), wird in einem Schritt S5 ein Fehler der Abgasrückführanlage (insbesondere des Abgasrückführventils 9) festgestellt. Ansonsten (J-Verzweigung) wird in Schritt S6 eine ordnungsgemäße Rückführanlage diagnostiziert.
  • Anstelle der Differenzbildung der gemessenen NOx-Konzentration in NOx1 und NOx2 in Schritt S4 kann als Wert NOx1 auch ein in einem Modell ermittelte NOx-Konzentration verwendet werden. Diese Modellermittlung erfolgt im NOx-Modellmodul 19 des Steuergerätes 10. Das NOx-Modellmodul 19 berechnet auf bekannte Weise die Rohemission an NOx im Abgas der Brennkraftmaschine. Damit diese Modellberechnung möglichst genau ausfällt, wird das Überprüfungsverfahren nur durchgeführt, wenn der Kurbelwellensensor 13 anzeigt, daß die Drehzahl der Kurbelwelle 15 und dabei der Brennkraftmaschine innerhalb eines gewissen Fensters bleibt, vorzugsweise konstant ist. Die Genauigkeit wird weiter gesteigert, wenn zugleich auch die Last, d.h. die vom Luftmassenmesser 4 angezeigte, in die Brennkraftmaschine strömende Luftmasse in bestimmten Grenzen konstant ist.
  • Die Differenzbildung in Schritt S4 erfolgt dann zwischen der modellierten NOx-Konzentration und der gemessenen NOx-Konzentration NOx2 nach der Veränderung der Abgasrückführrate in Schritt S2. Der Schritt S1 kann in dieser Abwandlung entfallen, da nicht mehr die gemessene NOx-Konzentration NOx1, sondern ein modellierter Wert in Schritt S4 Eingang findet.
  • Natürlich können die gespeicherten Werte (SW1, ...) auch betriebsparameterabhängig gewählt werden. Das Speichermodul 17 enthält dann geeignete Kennfelder.
  • Bei einer Brennkraftmaschine mit NOx-Speicherkatalysator stromauf des NOx-Sensors 16 werden vor Durchführung des Verfahrens die in Figur 3 als Flußdiagramm dargestellten Schritte durchgeführt. Zuerst wird in einem Schritt S7 die Abgasrückführrate auf einen unter einem Schwellwert liegenden Wert, in diesem Fall auf Null, gestellt. Dann wird in Schritt S8 mittels des NOx-Sensors 16 die NOx-Konzentration gemessen und als Wert NOx3 im Speichermodul 17 abgelegt. In Schritt S9 wird dann überprüft, ob der Wert NOx3 einen Schwellwert überschreitet.
  • Ist dies nicht der Fall (N-Verzweigung), wird in Schritt S8 zurückgesprungen. Erst wenn die Abfrage in Schritt S9 zu einem positiven Ergebnis (J-Verzweigung) führt, ist der NOx-Speicherkatalysator in der Sättigung und ihm zugeführte NOx-Mengen schlagen zu seinem Ausgang durch. Dann wird in Schritt S10 die Abgasrückführrate auf einen hohen Wert, beipielsweise 100 % gesetzt, und es folgen die Verfahrensschritte der Figur 2.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Überprüfung einer Abgas, mit einer Abgasrückführrate vom Abgastrakt (7) zum Ansaugtrakt (1) rückführenden Abgasrückführanlage einer Brennkraftmaschine, bei dem eine bestimmte Veränderung der Abgasrückführrate eingestellt, die NOx-Konzentration im Abgas gemessen und bei Ausbleiben einer bestimmten von der Veränderung der Abgasrückführrate abhängigen NOx-Konzentrationsdifferenz ein Defekt der Abgasrückführanlage festgestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeicnet, daß die NOx-Konzentrationsdifferenz aus der vor und nach der Veränderung der Abgasrückführrate im Abgas gemessenen NOx-Konzentration ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die NOx-Konzentrationsdifferenz aus der nach der Veränderung der Abgasrückführrate im Abgas gemessene NOx-Konzentration und einer mit einem Modell aus Betriebsparametern der Brennkraftmaschine für den vor oder nach der Veränderung der Abgasrückführrate vorliegenden Betriebszustand der Brennkraftmaschine erhaltenen NOx-Konzentration ermittelt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die NOx-Konzentration stromab eines NOx-Speicherkatalysators gemessen wird und vor der Einstellung der bestimmten Veränderung der Abgasrückführrate der NOx-Speicherkatalysator bis zu seiner maximalen Speicherfähigkeit gesättigt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sättigung an einer vorbestimmten NOx-Konzentration stromab des Katalysators erkannt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum schnellen Erreichen der Sättigung die Abgasrückführrate unter einem bestimmten Minimalwert, vorzugsweise nahe Null, gestellt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmte Veränderung der Abgasrückführrate eine rampen- oder stufenförmige Verringerung ist.
  8. Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zum schnellen Erreichen der Sättigung unter einen bestimmten Minimalwert Abgasrückführrate wieder erhöht und anschließend in der bestimmten Veränderung verringert wird.
  9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Überprüfung nur erfolgt, wenn Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, insbesondere Last und/oder Drehzahl, innerhalb eines bestimmten Bereiches liegen und/oder begrenzte Dynamik aufweisen.
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