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DE102009054817A1 - Verfahren und Vorrichtung zur "On-Board"-Felerdiagnose im Betrieb eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur "On-Board"-Felerdiagnose im Betrieb eines Verbrennungsmotors Download PDF

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DE102009054817A1
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emission
value
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internal combustion
combustion engine
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Application number
DE102009054817A
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English (en)
Inventor
Yasser Mohammed Sayed 50858 Yacoub
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ford Global Technologies LLC
Original Assignee
Ford Global Technologies LLC
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur ”On-Board”-Fehlerdiagnose im Betrieb eines Verbrennungsmotors. Ein Verfahren zur ”On-Board”-Fehlerdiagnose weist folgende Schritte auf: Ermitteln eines Emissions-Referenzwertes auf Basis einer Solleinstellung für den Luft- und Kraftstoffpfad, Ermitteln eines aktuellen Emissions-Wertes in einem aktuellen Betriebszustand, Ermitteln eines Indexwertes, wobei dieser Indexwert dem Quotienten aus dem Integral des aktuellen Emissions-Wertes über ein vorbestimmtes Zeitintervall und dem Integral des Emissions-Referenzwertes über dieses Zeitintervall entspricht, und Erzeugen eines Fehlersignals auf Basis dieses Indexwertes.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur ”On-Board”-Fehlerdiagnose im Betrieb eines Verbrennungsmotors.
  • Seitdem Dieselpartikelfilter in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, findet die Analyse der Rußemissionen des Verbrennungsmotors zunehmend im Wege der Auswertung der Rußbeladung des Dieselpartikelfilters statt. Die Auswertung von Anomalien im Betrieb des Verbrennungsmotors, die zu einer Überladung des Dieselpartikelfilters führen können, ist von wesentlicher Bedeutung für die Vorhersage von Situationen, in denen der Dieselpartikelfilter überladen ist, und für die Vermeidung eines Austauschs des Dieselpartikelfilters infolge der Zusetzung mit Rußpartikeln, wenn eine sichere, kontrollierte Regeneration nicht mehr möglich ist. Ein weiterer nachteiliger Effekt der wachsenden Beladung des Partikelfilters besteht in einem Anstieg des Gegendruckes über dem nominellen Wert, wodurch Kraftstoffverbrauch und Leistungsvermögen des Verbrennungsmotors beeinträchtigt werden.
  • Es besteht somit ein Bedarf, Aufschluß über die Auswirkungen von Störungen im Betrieb des Verbrennungsmotors auf die Rußemissionen des Verbrennungsmotors zu erhalten.
  • Des Weiteren eröffnet eine ”On-Board”-Messung der NOx-Emissionen im Abgassystem eines Verbrennungsmotors eine Reihe neuer Möglichkeiten zur Steuerung und zur Fehlerdiagnose im Betrieb des Verbrennungsmotors. Wenngleich gegenwärtig die Fehlerdiagnose unter Verwendung eines Sensors durchgeführt wird, besteht auch die Möglichkeit einer Rückführungsregelung hinsichtlich des Luft- und Kraftstoffpfades.
  • Dabei tritt das Problem auf, dass im Rahmen einer ”On-Board”-Fehlerdiagnose eine Beschränkung auf einen NOx-Schwellenwert insofern nicht trivial ist, als für eine von demselben Ausgangspunkt zu demselben Zielort führende Testfahrt ein erster Fahrer je nach den Fahrgewohnheiten andere NOx-Emissionen und einen anderen Kraftstoffverbrauch verglichen mit einem zweiten Fahrer hervorrufen kann, da z. B. eine aggressivere Fahrweise in höheren NOx-Emissionen und einem erhöhten Kraftstoffverbrauch resultiert. Hingegen sind für einen Regeltestfahrtzyklus NOx-Emission und Kraftstoffverbrauch unabhängig vom Fahrverhalten, da per Definition der Testzyklus eine solche Abhängigkeit auf eine akzeptable Variation zwischen unterschiedlichen Testzyklen beschränkt.
  • Bislang wurde im Stand der Technik die Verwendung einer ”On-Board”-Erfassung der NOx-Emissionen weder für eine ”On-Board”-Fehlerdiagnose noch für eine Steuerung des Betriebs des Verbrennungsmotors intensiv erforscht.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur ”On-Board”-Fehlerdiagnose im Betrieb eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, welche hinsichtlich der Rußemission und/oder der NOx-Emission eine zuverlässige ”On-Board”-Fehlerdiagnose sowie gegebenenfalls eine geeignete Steuerung ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 bzw. die Vorrichtung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 9 gelöst.
  • Ein Verfahren zur ”On-Board”-Fehlerdiagnose im Betrieb eines Verbrennungsmotors weist folgende Schritte auf:
    • – Ermitteln eines Emissions-Referenzwertes auf Basis einer Solleinstellung für den Luft- und Kraftstoffpfad;
    • – Ermitteln eines aktuellen Emissions-Wertes in einem aktuellen Betriebszustand;
    • – Ermitteln eines Indexwertes, wobei dieser Indexwert dem Quotienten aus dem Integral des aktuellen Emissions-Wertes über ein vorbestimmtes Zeitintervall und dem Integral des Emissions-Referenzwertes über dieses Zeitintervall entspricht; und
    • – Erzeugen eines Fehlersignals auf Basis dieses Indexwertes.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, einen Emissions-Referenzwert, bei dem es sich um einen Emissions-Referenzwert für die Rußemission oder für die NOx-Emission des Verbrennungsmotors handeln kann, zu berechnen, welcher gewissermaßen einen Sollwert für das Emissionsniveau darstellt, wobei dieser Emissions-Referenzwert für eine ”On-Board”-Fehlerdiagnose sowie gegebenenfalls eine Emissionssteuerung verwendet wird.
  • Gemäß der Erfindung erfolgt dabei die Berechnung eines Referenzwertes für die Rußemission (in Einheiten von mg/m3) als Funktion von Solleinstellungen für den Luft- und Kraftstoffpfad, wobei der Einfluß der Fahrzeugdynamik (d. h. transienter Korrekturen) auf die Gleichgewichtszustands-Kalibrierungswerte berücksichtigt wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Ermitteln des Emissions-Referenzwertes auf Basis eines Referenzwertes (Fexh,ref) des verbrannten Massenanteils im Abgas. Des Weiteren kann das Ermitteln des aktuellen Emissions-Wertes in einem aktuellen Betriebszustand auf Basis eines Wertes des verbrannten Massenanteils im Abgas (Fexh,ref) erfolgen.
  • Für einen vorgegebenen Betriebszustand hängt die durch den Verbrennungsvorgang erzeugte Rußkonzentration im Wesentlichen von dem verbrannten Massenanteil im Abgas (Fexh) ab. Für den Referenzwert der Rußemission wird ein Referenzwert des verbrannten Massenanteils im Abgas (Fexh,ref) für die Solleinstellung für den Luft- und Kraftstoffpfad berechnet. Eine Berücksichtigung des Fahrverhaltens findet hierbei insofern statt, als ein offensiverer bzw. aggressiverer Fahrstil zu einer ausgeprägteren Korrektur des Sollwertes führt (d. h. zu einer größeren Abweichung aufgrund der Hochpaßfilterung für transiente Korrekturen) sowie zu größeren Abweichungen zwischen den Solleinstellungen und gemessenen Werten, insbesondere was den Luftpfad betrifft.
  • Gemäß einer Ausführungsform erfolgt in Abhängigkeit von dem Fehlersignal eine Emissionssteuerung des Verbrennungsmotors.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt in Abhängigkeit von dem Fehlersignal eine Korrektur der Solleinstellung für den Luftpfad und/oder den Kraftstoffpfad.
  • Gemäß einer Ausführungsform erfolgt für einen ersten Wertebereich des Fehlersignals eine Korrektur der Solleinstellung für den Luftpfad, und für einen zweiten Wertebereich des Fehlersignals eine Korrektur der Solleinstellung für den Kraftstoffpfad, wobei der zweite Wertebereich größeren Abweichungen der aktuellen Emission von dem Referenzwert der Emission entspricht als der erste Wertebereich.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur ”On-Board”-Fehlerdiagnose im Betrieb eines Verbrennungsmotors, wobei die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen. Zu bevorzugten Ausgestaltungen der Vorrichtung wird auf die vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem Verfahren Bezug genommen.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Abbildung näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung der Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Fehlerdiagnose gemäß einer Ausführungsform unter Anwendung auf die Rußemission;
  • 2 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung der Rußemission;
  • 3 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung der Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Fehlerdiagnose gemäß einer Ausführungsform unter Anwendung auf die NOx-Emission; und
  • 4 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung der NOx-Emission.
  • Im Weiteren wird zunächst unter Bezugnahme auf 1 und 2 eine mögliche Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Fehlerdiagnose bzw. zur Steuerung eines Verbrennungsmotors unter Anwendung auf die Rußemission erläutert.
  • Gemäß 1 erfolgt die Berechnung eines Referenzwertes für die Rußemission (in Einheiten von mg/m3) im Wesentlichen als Funktion von Solleinstellungen für den Luft- und Kraftstoffpfad.
  • Wie in 1 schematisch dargestellt, ist für einen vorgegebenen Betriebszustand die durch einen Verbrennungsvorgang erzeugte Rußkonzentration im Wesentlichen abhängig vom verbrannten Massenanteil im Abgas (Fexh). Entsprechend wird zur Ermittlung eines Referenzwertes der Rußemission ein Referenzwert (Fexh,ref) des verbrannten Massenanteils im Abgas für die Solleinstellung für den Luft- und Kraftstoffpfad berechnet.
  • Im Falle einer nicht-dynamischen Variation der Solleinstellung für den Kraftstoffpfad wird der Referenzwert für die Rußemission im Wesentlichen auf Basis des Referenzwertes für den verbrannten Massenanteil im Abgas (Fexh,ref) berechnet, welcher wiederum im Wesentlichen aus MAF- und MAP-Sollwerten für den Fall einer nicht modell-basierten Steuerung des Luftpfades berechnet wird. Der Referenzwert für die Rußemission wird dann für die Emissionen des Verbrennungsmotors in der Solleinstellung für den Luft- und Kraftstoffpfad abgeschätzt.
  • Zum Zwecke einer ”On-Board”-Fehlerdiagnose wird gemäß 1 das Integral der aktuellen Rußemission über ein Zeitintervall berechnet und durch das Integral des Referenzwertes für die Rußemission über das Zeitintervall dividiert. Die Auswahl des hierbei verwendeten Zeitfensters ist relevant für den Zeitrahmen eines Vorkalibrierungs-Massenanteils im Dieselpartikelfilter für den nächsten Betriebszyklus, um eine korrekte Fehlerdiagnose sicherzustellen.
  • Der so berechnete Indexwert wird mit einem OBD-Schwellenindexwert für die Fehlerdiagnose (OBD-Schwellenindexwert, OBD = ”On-Board-Diagnostik”) verglichen, wobei dieser OBD-Schwellenindexwert dem Quotienten aus einem OBD-Schwellenwert (in g pro Betriebszyklus) und dem Integral des Referenzwertes für die Rußemission (in Gramm pro Betriebszyklus) entspricht. Für Werte oberhalb des OBD-Schwellenindexwertes wird bei der Fehlerdiagnose eine Fehlermeldung angezeigt bzw. ein Fehlersignal ausgegeben.
  • Gemäß 2 wird die Abweichung zwischen dem Referenzwert für den Rußpegel und dem aktuellen Wert für die Rußemission dazu verwendet, ein Fehlersignal zu erzeugen. Dieses Fehlersignal wird in der Luft- und Kraftstoffpfad-Struktur wie folgt verwendet:
    Eine Luft- und Kraftstoffpfad-Steuerungskoordinierung ermittelt, ob eine Korrektur der Solleinstellung für den Luftpfad und/oder den Kraftstoffpfad erforderlich ist, um die Abweichung zwischen dem Referenzwert für die Rußemission und dem gemessenen Wert für die Rußemission in einen akzeptablen Toleranzbereich zu bringen.
  • Abhängig von dem Betriebsbereich des Verbrennungsmotors wird für große Abweichungen der Rußemission (d. h. bei Erfordernis einer schnellen Dynamik) die Solleinstellung für den Kraftstoffpfad korrigiert. Im Falle vergleichsweise kleinerer Abweichungen in der Rußemission sowie einer guten Nachführung zwischen Referenzwert und aktueller Solleinstellung für den Luftpfad wird die Solleinstellung für den Luftpfad korrigiert.
  • Alternativ kann in einer geschlossenen (”Closed loop”-)Rückführungsregelung für den Luftpfad direkt das Ruß-Fehlersignal verwendet werden, um die Einstellung des Luftpfades anzusteuern. Die Steuerungsmöglichkeit ist bei diesem Ansatz begrenzt durch die Verknüpfung mit den NOx-Emissionswerten, welche von dem OBD-Schwellenwert für die NOx-Emissionen toleriert werden, wenn ein Betrieb an einem anderen Arbeitspunkt der NOx-Ruß-Ausgleichskurve erfolgt.
  • Je nachdem, ob eine ”On-Board”-Steuerung und/oder -Überwachung des Rußemission erwünscht bzw. erforderlich ist, kann zur Abschätzung der Rußemission auch ein Modell einer beliebigen Abgasnachbehandlungskomponente einbezogen werden, welche den Rußgehalt im Auspuffrohr (bzw. in der Überwachungsposition) beeinflußt, z. B. beliebige Dieselpartikelfilter-Katalysatorelemente, welche die Rußpartikel am Einlaß in das Dieselpartikelfiltersubstrat speichern bzw. umwandeln. In ähnlicher Weise kann ein Modell für die aktuelle Rußemission zur Auswertung der Rußemissionen an der Überwachungsposition herangezogen werden, in diesem Falle jedoch unter direkter ”On-Board”-Messung und/oder einem geeigneten Abschätzungsalgorithmus. Dieser kann dem Abschätzungsalgorithmus entsprechen, welcher im Zusammenhang mit dem Referenzwert für die Rußemission verwendet wurde, wobei jedoch die aktuell gemessenen Werte für den Luftpfad (MAF, MAP, Abgas-Lambda-Wert, Einlaß-Lambda-Wert) und den Kraftstoffpfad zugrunde gelegt bzw. verwendet werden.
  • Das unter Bezugnahme auf 1 beschriebene Verfahren zur ”On-Board”-Fehlerdiagnose kann analog auch für einen Emissions-Referenzwert für die NOx-Emission eingesetzt werden. Im Weiteren wird zunächst unter Bezugnahme auf 3 und 4 eine mögliche Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Fehlerdiagnose bzw. zur Steuerung eines Verbrennungsmotors unter Anwendung auf die NOx-Emission erläutert.
  • Dabei kann ein Referenzwert für die NOx-Emission basierend auf folgender Schritte berechnet werden: Abschätzung der Emissionen an unverbranntem NOx, Anwendung eines thermischen und kinetischen Modells reduzierter Ordnung für die Abgasnachbehandlungskomponente, und Abschätzung der stromabwärtigen NOx-Emissionen.
  • Gemäß 3 wird für einen vorgegebenen Betriebszustand die durch einen Verbrennungsvorgang erzeugte NOx-Konzentration in Abhängigkeit vom verbrannten Massenanteil im Abgas (Fexh) ermittelt. Entsprechend wird zur Ermittlung eines Referenzwertes der NOx-Konzentration ein Referenzwert (Fexh,ref) des verbrannten Massenanteils im Abgas für die Solleinstellung für den Luft- und Kraftstoffpfad berechnet.
  • Im Falle einer nicht-dynamischen Variation der Solleinstellung für den Kraftstoffpfad wird der Referenzwert für die NOx-Konzentration im Wesentlichen auf Basis des Referenzwertes für den verbrannten Massenanteil im Abgas (Fexh,ref) berechnet, welcher wiederum im Wesentlichen aus MAF- und MAP-Sollwerten für den Fall einer nicht modell-basierten Steuerung des Luftpfades berechnet wird. Der Referenzwert für die NOx-Konzentration wird dann für die Emissionen des Verbrennungsmotors in der Solleinstellung für den Luft- und Kraftstoffpfad abgeschätzt.
  • Zum Zwecke einer ”On-Board”-Fehlerdiagnose wird gemäß 3 das Integral der aktuellen NOx-Emission über ein Zeitintervall berechnet und durch das Integral des Referenzwertes für die NOx-Emission über das Zeitintervall dividiert. Die Auswahl des hierbei verwendeten Zeitfensters ist relevant für den Zeitrahmen eines Vorkalibrierungs-Massenanteils im Dieselpartikelfilter für den nächsten Betriebszyklus, um eine korrekte Fehlerdiagnose sicherzustellen.
  • Der so berechnete Indexwert wird mit einem OBD-Schwellenindexwert für die Fehlerdiagnose (OBD-Schwellenindexwert, OBD = ”On-Board-Diagnostik”) verglichen, wobei dieser OBD-Schwellenindexwert dem Quotienten aus einem OBD-Schwellenwert (in g pro Betriebszyklus) und dem Integral des Referenzwertes für die NOx-Emission (in Gramm pro Betriebszyklus) entspricht. Für Werte oberhalb des OBD-Schwellenindexwertes wird bei der Fehlerdiagnose eine Fehlermeldung angezeigt bzw. ein Fehlersignal ausgegeben.
  • Gemäß 4 wird die Abweichung zwischen dem Referenzwert für die NOx-Emission und dem aktuellen Wert für die NOx-Emission dazu verwendet, ein Fehlersignal zu erzeugen. Dieses Fehlersignal wird in der Luft- und Kraftstoffpfad-Struktur wie folgt verwendet:
    Eine Luft- und Kraftstoffpfad-Steuerungskoordinierung ermittelt, ob eine Korrektur der Solleinstellung für den Luftpfad und/oder den Kraftstoffpfad erforderlich ist, um die Abweichung zwischen dem Referenzwert für die NOx-Emission und dem gemessenen Wert für die NOx-Emission in einen akzeptablen Toleranzbereich zu bringen.
  • Abhängig von dem Betriebsbereich des Verbrennungsmotors wird für große Abweichungen der NOx-Emission (d. h. bei Erfordernis einer schnellen Dynamik) die Solleinstellung für den Kraftstoffpfad korrigiert. Im Falle vergleichsweise kleinerer Abweichungen in der NOx-Emission sowie einer guten Nachführung zwischen Referenzwert und aktueller Solleinstellung für den Luftpfad wird die Solleinstellung für den Luftpfad korrigiert.
  • Alternativ kann in einer geschlossenen (”Closed loop”-)Rückführungsregelung für den Luftpfad direkt das NOx-Fehlersignal verwendet werden, um die Einstellung des Luftpfades anzusteuern.
  • Je nachdem, ob eine ”On-Board”-Steuerung und/oder -Überwachung der NOx-Emission erwünscht bzw. erforderlich ist, kann zur Abschätzung der NOx-Emission auch ein Modell einer beliebigen Abgasnachbehandlungskomponente einbezogen werden, welche den NOx-Emission im Auspuffrohr (bzw. in der Überwachungsposition) beeinflußt, z. B. beliebige Dieselpartikelfilter-Katalysatorelemente, welche das NOx-Emission am Einlaß in das Dieselpartikelfiltersubstrat speichern bzw. umwandeln. In ähnlicher Weise kann ein Modell für die aktuelle NOx-Emission zur Auswertung der NOx-Emission an der Überwachungsposition herangezogen werden, in diesem Falle jedoch unter direkter ”On-Board”-Messung und/oder einem geeigneten Abschätzungsalgorithmus. Dieser kann dem Abschätzungsalgorithmus entsprechen, welcher im Zusammenhang mit dem Referenzwert für die NOx-Emission verwendet wurde, wobei jedoch die aktuell gemessenen Werte für den Luftpfad (MAF, MAP, Abgas-Lambda-Wert, Einlaß-Lambda-Wert) und den Kraftstoffpfad zugrunde gelegt bzw. verwendet werden.

Claims (9)

  1. Verfahren zur ”On-Board”-Fehlerdiagnose im Betrieb eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Ermitteln eines Emissions-Referenzwertes auf Basis einer Solleinstellung für den Luft- und Kraftstoffpfad; b) Ermitteln eines aktuellen Emissions-Wertes in einem aktuellen Betriebszustand; c) Ermitteln eines Indexwertes, wobei dieser Indexwert dem Quotienten aus dem Integral des aktuellen Emissions-Wertes über ein vorbestimmtes Zeitintervall und dem Integral des Emissions-Referenzwertes über dieses Zeitintervall entspricht; und d) Erzeugen eines Fehlersignals auf Basis dieses Indexwertes.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Emissions-Referenzwert ein Referenzwert für die Rußemission des Verbrennungsmotors ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Emissions-Referenzwert ein Referenzwert für die NOx-Emission des Verbrennungsmotors ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln des Emissions-Referenzwertes auf Basis eines Referenzwertes (Fexh,ref) des verbrannten Massenanteils im Abgas erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln des aktuellen Emissions-Wertes auf Basis eines Wertes des verbrannten Massenanteils im Abgas (Fexh,ref) in einem aktuellen Betriebszustand erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von dem Fehlersignal eine Emissionssteuerung des Verbrennungsmotors erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von dem Fehlersignal eine Korrektur der Solleinstellung für den Luftpfad und/oder den Kraftstoffpfad erfolgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für einen ersten Wertebereich des Fehlersignals eine Korrektur der Solleinstellung für den Luftpfad erfolgt, und für einen zweiten Wertebereich des Fehlersignals eine Korrektur der Solleinstellung für den Kraftstoffpfad erfolgt, wobei der zweite Wertebereich größeren Abweichungen der aktuellen Emission von dem Referenzwert der Emission entspricht als der erste Wertebereich.
  9. Vorrichtung zur ”On-Board”-Fehlerdiagnose im Betrieb eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dahingehend ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
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