DE10039952C2 - Verfahren zur Überprüfung einer Abgasrückführanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung einer Abgasrückführanlage einer Brennkraftmaschine.

Um den Kraftstoffverbrauch von Otto-Brennkraftmaschinen wei­ ter 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 Luftü­ berschuß so groß gewählt, wie es die Lastanforderung an die Brennkraftmaschine gestattet; bei geringer Lastanforderung kann in einem Schichtlade-Betrieb das Kraftstoff/Luft- Gemisch, mit dem die Brennkraftmaschine betrieben wird, Lamb­ da-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 Beschich­ tungen 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 ei­ nes Reduktionsmittels in unschädliche Verbindungen umzuwan­ deln, 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 Abgasrückführra­ te, erfolgt meist über ein in die Rückführleitung geschalte­ tes 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 fehlethaftes Abgasrückführventil diagnositiziert. Dieses Prinzip ist beispielsweise in der DE 44 06 281 A1 beschrieben.

Aus EP 0 170 018 ist ein Verfahren zur Eigendiagnose von Stellgliedern bekannt. Hierbei werden willkürliche Stellgliedansteuerungen vorgenommen und nachfolgende Änderungen von Ist-Wertgrößen aufgezeichnet. In einem Plausibilitätsvergleich werden abhängig von dem Betriebspunkt die vorgenommen Stellgliedänderungen mit den gemessenen Ist- Wertänderungen in Korrelation gesetzt.

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

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überprüfung einer Abgasrückführanlage anzugeben, bei dem kei­ ne Druckmessung im Saugrohr erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, daß Veränderungen der Ab­ gasrückführrate die NOx-Emissionen eines Verbrennungsmotors stark beeinflussen können. Verändert man nun die Abgasrück­ führrate um ein bestimmtes Maß, kann an einem Ausbleiben der an und für sich zu erwartenden Änderung der NOx-Emission der Brennkraftmaschine eine fehlerhafte Abgasrückführanlage er­ kannt werden. Dieses Konzept ist für alle mit Abgasrückführ­ anlagen ausgerüsteten Brennkraftmaschinen geeignet.

Diese Überprüfung ist besonders dann einfach durchzuführen, wenn die NOx-Emission der Brennkraftmaschine ansonsten kon­ stant wäre, was insbesondere bei statischen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine der Fall ist, insbesondere wenn also die zeitliche Änderung von Last und/oder Drehzahl der Brenn­ kraftmaschine 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 Konzentrationsdiffe­ renz aus der im Abgas gemessenen NOx-Konzentration vor und nach Veränderung der Abgasrückführrate bilden. Diese Konzent­ rationsdifferenz hängt natürlich von der vorgenommenen Verän­ derung 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 die­ ser NOx-Konzentrationsmessungen auch durch eine Modellbestim­ mung der NOx-Rohemissionen ersetzen, wobei dazu bekannte Mo­ delle 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 Ver­ änderung bilden und dafür entweder den Modellwert für die NOx-Konzentration vor der Veränderung der Abgasrückführrate oder den Modellwert für den Betriebszustand nach der Verände­ rung der Abgasrückführrate heranziehen. Zweckmäßig ist es da­ bei jedoch, daß im übrigen weitgehend konstante Betriebsbe­ dingungen der Brennkraftmaschine vorliegen, da dann der Feh­ ler 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 Katalysa­ tors vorgesehen ist. Ähnliches gilt für Brennkraftmaschinen mit einem 3-Wege-Katalysator im Abgastrakt. Eine bekannte An­ ordnung ist z. B. ein stromab des Katalysators liegender Me­ ßaufnehmer. Da ein solcher NOx-Speicherkatalysator aber in der Regel die NOx-Verbindungen im Abgas absorbiert, muß bei dieser Anordnung zur Durchführung der Überprüfung dafür ge­ sorgt werden, daß diese Absorption zeitweise nicht stattfin­ det. Dies kann in einer bevorzugten Weiterbildung der Erfin­ dung dadurch erreicht werden, daß der Katalysator vor der Ü­ berprüfung bis zu seiner maximalen Speicherfähigkeit gesät­ tigt 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 Speichervor­ gangs anfallenden Gradienten der NOx-Konzentration stromab des NOx-Speicherkatalysators.

Ist der NOx-Katalysator gesättigt, schlagen Änderungen der NOx-Konzentration stromauf des Katalysators zum Katalysator­ ausgang 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 be­ sonders bevorzugte nahe Null gestellt wird.

Grundsätzlich erhält man eine besonders gute Diagnose, wenn die Abgasrückführrate von einem Maximalwert auf einen Mini­ malwert gestellt wird. Um dies in der Variante mit der be­ schleunigten Sättigung eines NOx-Speicherkatalysators zu er­ reichen, muß, wenn festgestellt wird, daß der NOx- Speicherkatalysator in der Sättigung ist, zuerst die Abgas­ rückführrate von dem unter den Minimalwert liegenden Wert er­ höht werden, damit sie anschließend wieder verringert werden kann, um die Konzentrationsdifferenz zu bilden.

Wie die zur Überprüfung eingestellte Veränderung der Abgas­ rückführrate zeitlich durchgeführt wird, ist prinzipiell un­ erheblich. Stellt man eine rampenartige Änderung der Abgas­ rückführrate ein, verläuft die Diagnose mit besonders gerin­ gen Auswirkungen auf den Betrieb der Brennkraftmaschine, da die mit der Änderung der Abgasrückführrate unvermeidlich ein­ hergehende Änderung der Laufruhe der Brennkraftmaschine lang­ sam verläuft. Möchte man die Diagnose möglichst sicher ges­ talten, 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:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschi­ ne mit einer Abgasrückführanlage,

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Überprüfung einer Abgasrückführanlage und

Fig. 3 ein weiteres Ablaufdiagramm für ein abgewandeltes Ü­ berprüfungsverfahren.

In Fig. 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 Fig. 1 weist einen Ansaugtrakt 1 mit einem Luftsammler 2 auf, der über ein Saugrohr 3 in einen Zylinder 6 der Brennkraftmaschine mündet. Der besseren Über­ sichtlichkeit 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 ge­ steuertes Einspritzventil 20 Kraftstoff eingespritzt. Im Luftsammler 2 befindet sich eine Drosselklappe 5, die von ei­ nem Drosselklappensteller 12 betätigt wird, der ebenfalls vom Steuergerät 10 angesteuert wird. Weiter ist ein Luftmassen­ messer 4 stromauf der Drosselklappe 5 im Ansaugtrakt 1 vorge­ sehen. Stromab der Drosselklappe 5 mündet in den Ansaugtrakt 1 eine Abgasrückführleitung 8, die andererseits an den Abgas­ trakt 7 der Brennkraftmaschine angeschlossen ist, in dem die Verbrennungsgase aus dem Zylinder 6 strömen. In der Abgas­ rückführleitung 8 befindet sich ein Abgasrückführventil 9, das von einem Stellglied 14 betätigt wird, welches vom Steu­ ergerät 10 angesteuert wird. Dabei ist eine Lagerückmeldung vorgesehen, über die das Steuergerät 10 den am Abgasrückführ­ ventil 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 Kataly­ satoren, 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 folgen­ des, als Flußdiagramm in Fig. 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. Anschlie­ ßend wird in einem Schritt S2 am Abgasrückführventil 9 eine im Speichermodul 17 voreingestellte Änderung der Abgasrück­ führrate eingestellt; dies wird vom AGR-Modul 18 des Steuer­ gerätes 10 vorgenommen. Die Änderung ist dabei so gewählt, daß die Abgasrückführrate einen vorbestimmten Sprung von ho­ her Abgasrückführrate auf kleine Abgasrückführrate, bei­ spielsweise 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 Brenn­ kraftmaschine gemessen und als Wert NOx2 im Speichermodul 17 des Steuergeräts 10 gespeichert. Auch dies erfolgt wieder ü­ ber das Meßmodul 11 (Schritt S3). Dann wird in Schritt S4 ü­ berprüft, ob die Differenz zwischen NOx1 und NOx2 einen eben­ falls im Speichermodul 17 gespeicherten Schwellwert SW1 ü­ berschreitet. Ist dies nicht der Fall (N-Verzweigung), wird in einem Schritt S5 ein Fehler der Abgasrückführanlage (ins­ besondere des Abgasrückführventils 9) festgestellt. Ansonsten (J-Verzweigung) wird in Schritt S6 eine ordnungsgemäße Rück­ führanlage 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 mög­ lichst 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 kon­ stant ist. Die Genauigkeit wird weiter gesteigert, wenn zugleich auch die Last, d. h. die vom Luftmassenmesser 4 ange­ zeigte, in die Brennkraftmaschine strömende Luftmasse in be­ stimmten 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 ent­ fallen, da nicht mehr die gemessene NOx-Konzentration NOx1, sondern ein modellierter Wert in Schritt S4 Eingang findet.

Natürlich können die gespeicherten Werte (SW1, . . .) auch be­ triebsparameterabhängig gewählt werden. Das Speichermodul 17 enthält dann geeignete Kennfelder.

Bei einer Brennkraftmaschine mit NOx-Speicherkatalysator stromauf des NOx-Sensors 16 werden vor Durchführung des Ver­ fahrens die in Fig. 3 als Flußdiagramm dargestellten Schrit­ te durchgeführt. Zuerst wird in einem Schritt S7 die Abgas­ rückführrate 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 über­ schreitet.

Ist dies nicht der Fall (N-Verzweigung), wird in Schritt S8 zurückgesprungen. Erst wenn die Abfrage in Schritt S9 zu ei­ nem 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 Fig. 2.

Claims (8)

1. Verfahren zur Überprüfung einer Abgasrückführanlage, die bei einer Brennkraftmaschine Abgas mit einer Abgasrückführrate vom Auspufftrakt zum Ansaugtrakt zurückführt, dadurch gekennzeichnet, daß ein NOx- Katalysator bis zu seiner maximalen Speicherfähigkeit gesättigt und eine bestimmte Veränderung der Abgasrückführrate eingestellt wird, die NOx-Konzentration im Abgas stromab des NOx-Katalysators gemessen und bei Ausbleiben einer bestimmten von der Veränderung der Abgasrückführrate abhängigen Konzentrationsdifferenz ein Defekt der Abgasrückführanlage festgestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die 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 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 vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sättigung an einer vorbestimmten NOx-Konzentration stromab des Katalysators erkannt wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum schnellen Erreichen der Sättigung die Abgasrückführrate unter einem bestimmten Minimalwert, vorzugsweise nahe Null, gestellt wird.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmte Veränderung der Abgasrückführrate eine rampen- oder stufenförmige Verringerung ist.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zum schnellen Erreichen der Sättigung unter einen bestimmten Minimalwert geführte Abgasrückführrate wieder erhöht und anschließend in der bestimmten Veränderung verringert wird.

8. 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.