DE19545693C2

DE19545693C2 - Verfahren zur Überprüfung des Wirkungsgrades eines Katalysators in einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19545693C2
Application number: DE19545693A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Staufenberg; Peter Olejnik
Original assignee: Mannesmann VDO AG
Current assignee: Mannesmann VDO AG
Priority date: 1995-12-07
Filing date: 1995-12-07
Publication date: 1999-03-25
Anticipated expiration: 2015-12-08
Also published as: US5761901A; DE19545693A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung des Wirkungsgrades eines Katalysators in einer Brennkraftmaschine, bei welchem aus der Amplitude des Ausgangssignals einer hinter dem Katalysator angeordneten Lambdasonde und aus der Amplitude des Ausgangssignals einer vor dem Katalysator angeordneten Lambdasonde ein Verhältnis gebildet und die Verhältniszahl mit einem Schwellwert verglichen wird, wobei bei Unterschreitung des Schwellwertes der Katalysator als fehlerhaft erkannt wird.

Zur Erzielung möglichst schadstofffreier Abgase sind Regeleinrichtungen für Brennkraftmaschinen bekannt, bei denen der Sauerstoffgehalt im Abgaskanal gemessen und ausgewertet wird. Hierzu sind Sauerstoffmeßsonden, sogenannte Lambdasonden bekannt, die nach dem Prinzip der Ionenleitung durch einen Festelektrolyten infolge einer Sauerstoffpartialdruckdifferenz arbeiten und entsprechend dem im Abgas vorliegenden Sauerstoff-Partialdruck ein Spannungssignal abgeben, das beim Übergang vom Sauerstoffmangel zum Sauerstoffüberschuß bzw. andersherum einen Spannungssprung aufweist.

Das Ausgangssignal der Lambdasonde wird durch einen Regler ausge wertet, welcher wiederum über ein Stellglied das Kraftstoff-Luft-Gemisch einregelt.

Mit der Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses wird in erster Linie eine Verminderung schädlicher Anteile der Abgasemission von Brennkraftmaschinen angestrebt.

Zur Diagnose des Konvertierungsgrades des Katalysators wird eine zweite Lambdasonde hinter dem Katalysator angeordnet.

Aus der DE 40 09 901 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung des Konvertierungsgrades eines Katalysators bekannt, bei welchem die Signale beider Lambdasonden der Überwachung des Konvertierungsgrades dienen. Dabei werden beiden Sondensignalen Zulässigkeitsbereiche zugeordnet und ein Fehlersignal erzeugt, wenn beide Sondensignale ihre Zulässigkeitsbereiche überschreiten.

Der Wirkungsgrad eines Katalysators wird üblicherweise dadurch bestimmt, daß die Amplitude des Signals der hinteren Lambdasonde und die Amplitude des Signals der vorderen Lambdasonde ins Verhältnis gesetzt werden. Überschreitet diese Verhältniszahl einen vorgegebenen Grenzwert, ist der Katalysator defekt.

Das so bestimmte Amplitudenverhältnis orientiert sich am maximal möglichen Hub der jeweiligen Lambdasonde. Dieser Hub verändert sich aber auch von Sonde zu Sonde in Abhängigkeit der Streuungen des Herstellungsprozesses sowie aufgrund der Sondenalterung.

Weiterhin unterliegt die vor dem Katalysator angeordnete Lambdasonde im Betrieb einer stärkeren Sondenalterung.

Daraus ergeben sich Unschärfen für die jeweilige Bestimmung des Wirkungsgrades des Katalysators.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung des Wirkungsgrades des Katalysators anzugeben, welches die Unschärfen infolge des Herstellungsprozesses und der Sondenalterung kompensiert.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß für jede Sonde nach jedem Sondenumschlag ein Extremwert des jeweiligen Sondenausgangssignals bestimmt wird.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Bestimmung des Amplitudenverhältnisses über jeweils eine Vollschwingung der Sondensignale erfolgt. Dabei werden die Signalhubänderungen über die Lebensdauer der Lambdasonden miteinbezogen.

Vorteilhafterweise ergeben sich die Extremwerte über eine kontinuierliche Differenzbildung von aufeinanderfolgenden diskreten Abtastungen des Ausgangssignals jeder Lambdasonde, wobei nach einem Vorzeichenwechsel der Differenz vom positiven zum negativen auf ein Maximum und bei einem Vorzeichenwechsel der Differenz vom negativen zum positiven ein Minimum erkannt wird.

In einer Ausführung wird das Ausgangssignal jeder Lambdasonde diskret abgetastet und aus den diskreten Abtastungen zur Glättung des jeweiligen Signals ein Mittelwert gebildet, der wiederum der Extremwertbildung zugrundegelegt wird. Vorteilhafterweise erfolgt die Glättung über eine gleitende Mittelwertbildung aus mehreren aufeinanderfolgenden Abtastungen der Ausgangssignale jeder Lambdasonde nach einem Sondenumschlag. Um die Genauigkeit der Bestimmung des Wirkungsgrades zu erhöhen, wird das Amplitudenverhältnis des Ausgangssignals der hinter dem Katalysator angeordneten Lambdasonde zu dem Ausgangssignal der vor dem Katalysator angeordneten Lambdasonde für mehrere Diagnosefenster gebildet, wobei die in den einzelnen Diagnosefenstern ermittelten Amplitudenverhältnisse gemittelt werden und mit einem Schwellwert verglichen werden.

Vorzugsweise werden die Ausgangssignale der Lambdasonden während mehrerer aufeinanderfolgender, sich nicht überlappender Drehzahlbereiche der Brennkraftmaschine gemessen.

In einer anderen Ausführung werden die Ausgangssignale während mehrerer aufeinanderfolgender, sich nicht überlappender Lastbereiche gemessen.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsbeispiele zu. Eines davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.

Es zeigt

Fig. 1: schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Gemisches für eine Brennkraftmaschine

Fig. 2: gemittelte Lambda-Signalverläufe mit Extrema

Fig. 3: Spannungsverlauf einer Lambdasonde über dem Kraftstoff-Luft- Gemisch (λ-Faktor)

Gemäß Fig. 1 besteht die Vorrichtung aus einem Verbrennungsmotor 1 mit einem Katalysator 2. Über ein Saugrohr 3 wird dem Motor 1 Luft zugeführt. Der Kraftstoff wird über Einspritzventile 4 in das Saugrohr 3 eingespritzt. Zwischen Motor 1 und Katalysator 2 ist eine erste Lambdasonde 5 zur Erfassung des Motorabgases angeordnet. Im Abgaskanal ist hinter dem Katalysator 2 eine weitere Lambdasonde 6 vorgesehen. Die Lambdasonden 5 und 6 messen den jeweiligen Lambdawert des Abgases vor und hinter dem Katalysator 2. Beide von den Lambdasonden 5 und 6 gelieferten Signale werden an einen Regler 8 mit PI-Charakteristik geführt, der gewöhnlich in einem nicht weiter dargestellten Steuergerät im Kraftfahrzeug angeordnet ist.

Aus diesen Signalen und einem ebenfalls zugeführten Sollwert bildet der Regler 8 ein Stellsignal, welches den Einspritzventilen 4 zugeführt wird. Dieses Stellsignal führt zu einer Veränderung der Kraftstoffzumessung, welche zusammen mit der angesaugten Luftmasse (Luftmassenmesser 7) einen bestimmten Lambdawert des Abgases zur Folge hat.

Zur Feststellung der Funktionstüchtigkeit des Katalysators wird eine Katalysatordiagnose bei Betriebstemperatur des Katalysators in verschiedenen Last- bzw. Drehzahlbereichen durchgeführt, welche sich nicht überlappen.

Unter der Voraussetzung, daß die Katalysatortemperatur zwischen einer minimalen und einer maximalen Katalysatortemperaturschwelle liegt und die Motortemperatur eine vorgegebene Motortemperaturschwelle übersteigt, wird das Diagnoseprogramm gestartet.

Zunächst wird mit Sondenumschlag von "mager" nach "fett" an der als Regelsonde arbeitenden ersten Lambdasonde 5 ein Analyseintervall gestartet, welches endet, wenn die Regelsonde 5 in die andere Richtung umschlägt. Aus dem nicht gemittelten Sondensignal der ersten Lambdasonde 5 erfolgt die Erkennung der Sondenumschläge über Spannungsschwellwerte für die erste Lambdasonde 5.

Die Sondensignale LS5A und LS6A der Lambdasonden 5 und 6 werden innerhalb des Analyseintervalls in einem festgelegten Zeitraster von 20 ms abgetastet.

Für jede Lambdasonde werden die Sondensignale über vier Abtastwerte gleitend gemittelt.

Bei diskreter Abtastung des Sondensignals weist ein Vorzeichenwechsel zweier aufeinanderfolgender Abtastsignale auf ein Extremum hin. Die Extremwertbildung erfolgt aufgrund der Berechnung des Differenzbetrages aufeinanderfolgender Signale.

In Fig. 2 ist mit Kurve a der Signalverlauf der Sonde 5 vor dem Katalysator und mit Kurve b der Signalverlauf der Sonde 6 hinter dem Katalysator dargestellt. Die Extremwerte sind entsprechend markiert.

Nachdem ein Maximum für das Signal der ersten Lambdasonde 5 bestimmt ist, wird das entsprechende Maximum für das Signal der zweiten Lambdasonde 6 ermittelt. Ist bis zu dem zweiten Maximum des Signals der ersten Lambdasonde 5 kein entsprechendes Signal der zweiten Lambdasonde 6 erkannt worden, wird für dieses Analyseintervall die Amplitude der zweiten Sonde 6 zu Null gesetzt und damit das Amplitudenverhältnis gebildet.

Die Ermittlung des Minimums erfolgt analog zu der Maximabestimmung nach einem Sondenumschlag von "fett" nach "mager" an der Lambda- Regelsonde.

Zwischen dem Maximum und dem Minimum des Signals der ersten Lambdasonde 5 muß sich das Maximum der zweiten Lambdasonde 6 finden lassen. Nach dem Minimum des zweiten Sondensignals wird ein Betrachtungsintervall abgeschlossen.

Aus dem Minimum und dem Maximum der Meßwerte der Lambdasonde 5 und den entsprechenden Werten der Lambdasonde 6 für das jeweilige Analyseintervall werden die Amplitudenwerte gebildet. Das Amplitudenverhältnis ergibt sich dann aus der Division der Amplitudenwerte der Lambdasonde 6 durch den der Lambdasonde 5.

Der Amplitudenverhältniswert wird gespeichert. Je nachdem, wieviele Analyseintervalle untersucht werden, wird für jedes Analyseintervall nach oben beschriebenem Verfahren ein Amplitudenverhältniswert gebildet.

Aus den für ein Diagnosefenster ermittelten Amplitudenverhältniswerten wird anschließend eine Amplitudenverhältnis-Mittelwertbildung vorgenommen.

Dieser Amplitudenverhältnis-Mittelwert wird mit einem für jedes Diagnosefenster abgelegten Amplitudenverhältnis-Schwellwert verglichen.

Ein defekter Katalysator ergibt einen großen mittleren Amplitudenverhältniswert. Ist der mittlere Amplitudenverhältniswert kleiner oder gleich dem entsprechenden Schwellwert, ist der Katalysator intakt.

Jede Lambdasonde liefert über den das jeweilige Kraftstoff-Luft-Gemisch repräsentierenden λ-Faktor einen Signalverlauf, wie er in Fig. 3 dargestellt ist. Je nachdem, welcher Typ von Lambdasonde für die Regelung verwendet wird, können entweder der Widerstand oder die Spannung über dem λ- Faktor betrachtet werden.

Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich auf die Signalspannung.

Ist die Sonde aktiv, so weist sie eine Signalspannung auf, welche außerhalb des Bereiches (ULSU, ULSO) liegt. Während des Mager-Ausschlages liefert die Lambdasonde ein minimales Ausgangssignal, das unterhalb von ULSU liegt. Während des Fett-Ausschlages wird ein maximales Spannungssignal oberhalb von ULSO in einem Bereich von 600 bis 800 mV gemessen. Dieser maximale Wert unterliegt aufgrund von Herstellungstoleranzen und Alterungserscheinungen gewissen Streuungen, die durch einen Sondenkorrekturfaktor korrigiert werden.

Das Verfahren soll nun am Beispiel der Katalysatordiagnose zur Überwachung der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators näher erläutert werden.

Nach dem Start des Verbrennungsmotors wird der Katalysator mit einem überfetteten Kraftstoff-Luft-Gemisch versorgt, was eine Nachverbrennung im Katalysator zufolge hat. Die auf diese Weise im Katalysator erzeugte Temperatur liegt unter der Betriebstemperatur des Katalysators, welche normalerweise bei 200°C bis 300°C liegt. Der Katalysator weist somit eine stark eingeschränkte O₂-Speicherfähigkeit auf. Voraussetzung für die Bestimmung des Sondenkorrekturfaktors ist, daß kein Regelkreis aktiv ist.

Die Meßzeit T_MAX umfaßt ca. 2 Min und sollte vor Erreichen der Betriebstemperatur des Katalysators abgeschlossen sein.

Während der Meßzeit T_MAX wird sowohl die Sondenspannung LS5 der vor dem Katalysator 2 angeordneten Lambdasonde 5 als auch die Sondenspannung LS6 der hinter dem Katalysator 2 angeordneten Lambdasonde 6 mehrmals in zeitlich gleichmäßigen Abständen gemessen.

Die Meßwerte LS5_n und LS6_n werden gemittelt und die Mittelwerte LS5_Mit und LS6_Mit werden in einem Speicher abgelegt.

Die Bestimmung des Sondenkorrekturfaktors erfolgt für jede der beiden Lambdasonden 5 und 6 getrennt, aber nach analogem Algorithmus.

Die Mittelwerte LS5_Mit und LS6_Mit werden jeweils durch eine applizierbare Konstante LS5_MAX bzw. LS6_MAX dividiert.

Diese applizierbare Konstante entspricht dem maximalen Signalwert (Fett- Spannungswert) einer Referenz-Sonde und ist üblicherweise für beide Sonden unterschiedlich. Es ist aber auch denkbar, für beide Lambdasonden dieselbe Konstante zu verwenden.

Der so ermittelte Quotient entspricht dem Sondenkorrekturfaktor LS5_KOR und LS6_KOR

Die Kalibrierungswerte LS5_KOR und LS6_KOR werden im Speicher des Steuergerätes abgelegt. Sie werden während des Betriebes des Motors ständig genutzt und bei einem neuen Startvorgang vor Erreichen der Betriebstemperatur des Motors neu gebildet.

Zur eigentlichen Katalysatordiagnose wird das Amplitudenverhältnis der jeweils korrigierten Amplituden der ersten und zweiten Lambdasonde gebildet, wobei LSiA die maximale Spannung der jeweiligen Sonde repräsentieren.

Claims

1. Verfahren zur Überprüfung des Wirkungsgrades eines Katalysators in einer Brennkraftmaschine, bei welchem aus der Amplitude des Ausgangssignals einer hinter dem Katalysator angeordneten Lambdasonde und aus der Amplitude des Ausgangssignals einer vor dem Katalysator angeordneten Lambdasonde ein Verhältnis gebildet und die Verhältniszahl mit einem Schwellwert verglichen wird, wobei bei Überschreitung des Schwellwertes der Katalysator als fehlerhaft erkannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Sonde nach jedem Sondenumschlag ein Extremwert (Maximum, Minimum) des jeweiligen Sondenausgangssignals bestimmt wird, welcher der Amplituden verhältnisbildung zugrunde gelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Extremwerte sich über eine kontinuierliche Differenzbildung von aufeinanderfolgenden diskreten Abtastungen der Ausgangssignale jeder Lambdasonde ergeben, wobei nach einem Vorzeichenwechsel der Differenz vom positiven zum negativen auf ein Maximum und bei einem Vorzeichenwechsel der Differenz vom negativen zum positiven ein Minimum erkannt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal jeder Lambdasonde diskret abgetastet wird, aus den diskreten Abtastungen zur Glättung des jeweiligen Signals ein Mittelwert gebildet wird, der wiederum der Extremwertbildung zugrundeliegt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Glättung die Mittelwerte gleitend aus mehreren aufeinanderfolgenden Abtastungen der Ausgangssignale jeder Lambdasonde nach einem Sondenumschlag ermittelt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem fett/mager-Umschlag der ersten Lambdasonde das Maximum des jeweiligen diskret abgetasteten Ausgangssignals und nach einem mager/fett-Umschlag das Minimum des jeweiligen diskret abgetasteten Ausgangssignals bestimmt wird, wobei der Differenzbetrag zwischen Maximum und Minimum die Amplitude des jeweiligen Ausgangssignals jeder Sonde darstellt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Amplitudenverhältnis des Ausgangssignals der hinter dem Katalysator angeordneten Lambdasonde zu dem Ausgangssignal der vor dem Katalysator angeordneten Lambdasonde für mehrere Diagnosefenster gebildet wird, wobei die in den einzelnen Diagnosefenstern ermittelten Amplitudenverhältnisse gemittelt werden und mit einem Schwellwert verglichen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale während mehrerer aufeinanderfolgender, sich nicht überlappender Drehzahlbereiche der Brennkraftmaschine gemessen werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale während mehrerer aufeinanderfolgender, sich nicht überlappender Lastbereiche gemessen werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Amplitude der beiden Lambdasonden mittels eines Sondenkorrekturfaktors angepaßt werden bevor sie zum Amplitudenverhältnis verarbeitet wird.