DE19913901A1 - Verfahren zum Überprüfen der Funktionsfähigkeit eines Katalysators - Google Patents

Abstract

Um die Funktionsfähigkeit eines Drei-Wege-Katalysators (4) einer lambda-geregelten Brennkraftmaschine (1) zu überprüfen, wird auf herkömmliche Art und Weise der Katalysatorwirkungsgrad durch Bestimmung der Sauerstoffspeicherfähigkeit ermittelt. Um diesen Wirkungsgrad hinsichtlich Temperaturänderungen bereinigen zu können, wird eine Ersatzgröße für die Temperatur im Katalysator berechnet und der damit für den Katalysatorwirkungsgrad ermittelte Wert bereinigt. Das so erhaltene Maß für die Funktionsfähigkeit des Katalysators (4) ist auch nach instationären Betriebsphasen der Brennkraftmaschine (1) aussagekräftig, wenn der Katalysator noch nicht isotherm ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprü­ fen der Funktionsfähigkeit eines Katalysators gemäß dem Ober­ begriff des Anspruches 1.

Bei Lambda-geregelten Brennkraftmaschinen wird ein Katalysa­ tor, üblicherweise ein Drei-Wege-Katalysator im Abgastrakt zur Reinigung der Abgas eingesetzt, wobei der Wirkungsgrad des Katalysators für die Qualität der Abgasreinigung wesent­ lich ist. Aufgrund von Alterung und Vergiftung sinkt jedoch die Konvertierungsfähigkeit des Katalysators und damit sein Wirkungsgrad. Es ist bekannt, daß das Sauerstoffspeicherver­ mögen eines Katalysators mit dessen Wirkungsgrad abnimmt. Das Sauerstoffspeichervermögen eines Drei-Wege-Katalysators ist jedoch stark temperaturabhängig.

Um sicherzustellen, daß vorgegebene Grenzwerte im Betrieb der Brennkraftmaschine eingehalten werden, überprüft man anhand des Sauerstoffspeichervermögens den Wirkungsgrad des Kataly­ sators. Sinkt der Wirkungsgrad des Katalysators unter eine vorgegebene Schwelle, was beispielsweise zur Folge haben kann, daß das emittierte Abgas nicht gesetzlichen Vorschrif­ ten entspricht, wird ein Signal abgegeben, das einen defekten Katalysator anzeigt.

Aus EP 0 444 783 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung des Wirkungsgrades eines Katalysators bekannt, bei dem am Ausgang des Katalysators ein Sauerstoffsensor vorgesehen ist, der die Sauerstoffkonzentration im Abgas mißt. Da bei herkömmlicher Lambda-Regelung das der Brennkraftmaschine zugeführte Luft/Kraftstoffverhältnis um den Lambdawert Eins oszillierend eingestellt wird, mißt der Sauerstoffsensor stromab des Kata­ lysators eine oszillierende Sauerstoffkonzentration. Nach EP 0 444 783 A1 wird als Maß für das Sauerstoffspeichervermögen und mithin für den Wirkungsgrad die Konvertierungsfähigkeit des Katalysators die Differenz zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert dieser oszillierenden Sauerstoffkonzentration verwendet, wobei der Wirkungsgrad des Katalysators um so grö­ ßer ist, je kleiner der Abstand zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert ist.

Aus DE 196 30 940 A1 ist ein weiteres Verfahren zur Überwa­ chung der Funktionsfähigkeit eines Katalysators bekannt, bei dem der Mittelwert der Sauerstoffkonzentration stromab des Katalysators aus dem Signal eines Sauerstoffsensors bestimmt wird und die von der Oszillation des Sauerstoffsensorsignals um diesen Mittelwert umgrenzte Fläche als Maß für das Sauer­ stoffspeichervermögen des Katalysators herangezogen.

Beide Verfahren arbeiten fortlaufend in einem gewissen Zeitraster und machen es sich also zu Nutze, daß das Signal des Sauerstoffsensors stromab des Katalysators eine Aussage über die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators er­ laubt.

Beide Verfahren, insbesondere das nach DE 196 30 940 A1, er­ lauben es, eine relativ genaue Aussage über den Wirkungsgrad des Katalysators zu treffen, benötigen dazu jedoch relativ stationäre Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine, da die Abgastemperatur einer Lambda-geregelten Brennkraftmaschine und damit die Temperatur des Katalysators stark vom Betriebs­ zustand der Brennkraftmaschine abhängt. Das nichtisotherme Verhalten des Katalysators nach instationären Betriebszustän­ den ist besonders dann stark ausgeprägt, wenn der Katalysator aufgrund der Einbauverhältnisse starke Temperaturschwankungen zeigt. Dies ist beispielsweise bei einem Metallkatalysator gegeben, der physikalisch bedingt eine hohe Wärmeleitfähig­ keit hat. Auch Katalysatoren, die nahe des Abgaskrümmers an­ geordnet sind und kleines Volumen aufweisen sind starken Tem­ peraturschwankungen ausgesetzt. Solche Katalysatoren werden vermehrt bei Brennkraftmaschinen eingesetzt, da sie aufgrund der großen Nähe zur Brennkraftmaschine vorteilhaft einzubauen sind und darüber hinaus beim Start der Brennkraftmaschine schnell ansprechen.

Durch die Forderung stationärer Betriebsbedingungen versucht man sicherzustellen, daß der Katalysator isotherm die Abga­ stemperatur hat. Es wird dann die Abgastemperatur bei der Be­ stimmung des Katalysatorwirkungsgrades berücksichtigt.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfah­ ren zum Überprüfen der Funktionsfähigkeit eines Drei-Wege- Katalysators so fortzubilden, daß nicht so strikte Anforde­ rungen hinsichtlich stationärer Betriebszustände gestellt werden müssen.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 definierte Erfin­ dung gelöst.

Erfindungsgemäß wird ein Ersatzwert für die Temperatur im Ka­ talysator berechnet und der auf bekannte Weise ermittelte Wert für den Katalysatorwirkungsgrad um Temperaturänderungen bereinigt. So können die Anforderungen an die Stationarität der Betriebsbedingungen gelockert werden.

Aus dem Katalysatorwirkungsgrad wird dann ein Maß für die Funktionsfähigkeit gewonnen, beispielsweise indem eine nor­ mierte Größe errechnet wird, die über verschiedene Prüfzyklen gemittelt wird. Bei Überschreiten eines Schwellenwertes wird der Katalysator dann als defekt erkannt, was geeignet zur An­ zeige gebracht wird.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß auch nach instationären Betriebszuständen, d. h. wenn die Brenn­ kraftmaschine wieder in einer weitgehend stationären Be­ triebsphase läuft, die Temperaturänderungen im Katalysator noch nicht abgeschlossen sind. Der nach herkömmlichen Metho­ den bestimmte Wert für den Katalysatorwirkungsgrad wird des­ halb mittels des Ersatzwertes korrigiert, der diese Tempera­ tureinflüsse im noch nicht isothermen Katalysator nach insta­ tionären Betriebszuständen berücksichtigt.

Dazu wird dieser Ersatzwert im gleichen Zeitraster berechnet wie der Katalysatorwirkungsgrad.

Vorzugsweise wird zur Berechnung des Ersatzwertes die durch das Abgas erfolgende Wärmezufuhr aufsummiert. Diese Wärmezu­ fuhr kann abhängig von Drehzahl und Last der Brennkraftma­ schine einem Kennfeld entnommen werden. Um dabei nur kurzfri­ stige Temperaturänderungen zu berücksichtigen und langfristi­ ge, quasi-isotherme Trends, die ja bei der Bestimmung des Ka­ talysatorwirkungsgrades nach einem der bekannten Verfahren bereits durch Berücksichtigung der Abgastemperatur Eingang finden, nicht fälschlicherweise in den Ersatzwert einfließen zu lassen, kann der Ersatzwert einer Tiefpaßfilterung unter­ zogen werden, und dieser tiefpaßgefilterte Wert vom Ersatz­ wert abgezogen werden, so daß sich nur kurzfristige Tempera­ turänderungen im Ersatzwert widerspiegeln.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftma­ schine, bei der das Verfahren zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Katalysators Anwendung fin­ det,

Fig. 2 ein Flußdiagramm des Verfahrens und

Fig. 3a, 3b Zeitreihen des Katalysatorwirkungsgrades bzw. des Ersatzwertes.

In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine schematisch darge­ stellt, an der das Verfahren zur Überprüfung der Funktionsfä­ higkeit des Katalysators angewendet werden soll. Dabei sind nur die Elemente schematisch dargestellt, die für das Ver­ ständnis der Erfindung wesentlich sind.

Die Brennkraftmaschine 1 hat einen Abgastrakt 3, in dem ein Drei-Wege-Katalysator 4 angeordnet ist, stromab dessen sich eine Lambda-Sonde 5 befindet. Diese Lambda-Sonde 5 ist mit einem Steuergerät 6 verbunden, das die Lambda-Sonde 5 steuert und in dem das Verfahren zur Überprüfung der Funktionsfähig­ keit des Drei-Wege-Katalysators abläuft. Dazu ist das Steuer­ gerät 6 mit einem Betriebssteuergerät 2 der Brennkraftmaschi­ ne 1 verbunden, das den Betrieb der Brennkraftmaschine steu­ ert und regelt.

Im Betrieb mißt das Betriebssteuergerät 2 die von der Brenn­ kraftmaschine 1 angesaugte Luftmasse und ermittelt aufgrund der gemessenen Luftmasse eine entsprechende Kraftstoffmenge, die sie an einer (nicht dargestellten) Einspritzanlage der Brennkraftmaschine 1 so eingestellt, daß sich bei der Ver­ brennung ein nahezu stöchiometrisches Verhältnis von Luft und Kraftstoff einstellt, das einem Lambda-Wert von Eins ent­ spricht.

Die Lambda-Sonde 5 detektiert im Abgas stromab des Katalysa­ tors 4 die Sauerstoffkonzentration. Aufgrund der bekannten Lambda-Regelung der Brennkraftmaschine 1 zeigt das Ausgangs­ signal der Lambda-Sonde 5 eine Oszillation um einen Mittel­ wert. Die Meßwerte für die Sauerstoffkonzentration im Abgas, die von der Lambda-Sonde 5 geliefert werden, werden dabei vom Steuergerät 6 an das Betriebssteuergerät 2 gemeldet.

Das Abgas im Abgastrakt 3 wird im Katalysator 4 durch Oxida­ tion von Schadstoffen von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstof­ fen gereinigt. Ein Maß für die Oxidationsfähigkeit und damit den Wirkungsgrad des Katalysators 4 ist die Sauerstoffspei­ cherfähigkeit. Ein Katalysator 4 mit gutem Wirkungsgrad glät­ tet deshalb die Schwankungen des Sauerstoffverhältnisses im Abgas, so daß die Lambda-Sonde 5 nur eine geringe Oszillation der Sauerstoffkonzentration feststellt. Deshalb wird nach dem Stand der Technik das Meßsignal der Lambda-Sonde 5 vom Steu­ ergerät 6 zur Beurteilung des Wirkungsgrades des Katalysators 4 verwendet.

Wird ein schlechter Wirkungsgrad festgestellt, so wird dies dann beispielsweise in einem Fehlerspeicher im Steuergerät 6 oder im Betriebssteuergerät 2 abgelegt bzw. ein entsprechen­ des Warnsignal zur Anzeige gebracht.

Um diese schlechte Konvertierungsfähigkeit festzustellen, wird nach EP 0 444 783 A1 bzw. DE 196 30 940 A1 das Signal der Lambda-Sonde 5 bewertet, um eine Aussage dahingehend zu treffen, wie groß die Schwingung der Sauerstoffkonzentration stromab des Katalysators 4 ist. Dabei wird die Abgastempera­ tur berücksichtigt, die vom Betriebssteuergerät 2 beispiels­ weise modellbasiert ermittelt wird.

Zu Einzelheiten dazu sei auf diese beiden Druckschriften ver­ wiesen.

Für das Verständnis dieser Erfindung ist dabei nur wesent­ lich, daß iterierend und fortlaufend aus der Sauerstoffspei­ cherfähigkeit des Katalysators 4 ein Wert gewonnen wird, der den Katalysatorwirkungsgrad wiedergibt. Wesentlich ist wei­ ter, daß dieser auf bekannte Weise gewonnene Wert nur in sta­ tionären Betriebszuständen oder in quasi stationären Last- und Drehzahlbereichen aussagekräftig ist, da nur dann die An­ nahme, daß die Katalysatortemperatur der Abgastemperatur ent­ spricht, richtig ist. Dieser Wert wird üblicherweise so nor­ miert, daß er zwischen 0 und 1 liegt. Dieser Wert für den Ka­ talysatorwirkungsgrad wird nun so bereinigt, daß die Anforde­ rungen hinsichtlich Stationarität weniger strikt ausfallen Fig. 2 zeigt ein Flußdiagramm dazu. Dabei bezeichnen die Zif­ fern nach den Buchstaben S die jeweiligen Schrittnummern.

S1: Start des Verfahrens
S2: Es wird überprüft, ob gewisse Randbedingungen er­ füllt sind, die notwendig sind, um das Verfahren durchführen zu können. So darf für keine der beteiligten Komponenten eine Fehlermeldung vorliegen, muß die Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine in einem vorbestimmten Bereich liegen, ebenso muß die Abgastemperatur in einem gewissen Fenster lie­ gen, darüber hinaus darf die Dynamik der Brennkraftmaschine eine Obergrenze nicht überschreiten. Ist einediese Bedingun­ gen nicht erfüllt, wird in der mit "-" gekennzeichneten Ver­ zweigung zurückgesprungen und die Abfrage noch mal überprüft. Sind die Bedingungen erfüllt, wird mit der mit "+" gekenn­ zeichneten Verzweigung weitergegangen.
S3: Dieser Schritt wird parallel mit S4 abgearbeitet. Es wird auf bekannte Weise der Wert eta_kat für den Katalysa­ torwirkungsgrad bestimmt.
S4: In diesem Schritt wird der Ersatzwert aus dem Wär­ meeintrag in den Katalysator durch das Abgas berechnet. Dazu wird die vom Abgas an den Katalysator abgegebene Wärme aus einem Kennfeld entnommen, das über der Drehzahl und der Last der Brennkraftmaschine aufgespannt ist. Dieses Kennfeld wurde an einem geeigneten Prüfstandsmotor ermittelt.
S5: Der in S4 ermittelte Ersatzwert wird aufsummiert. Dabei wird in jedem Iterationsschritt dieses iterierend durchgeführten Verfahrens der aktuelle Ersatzwert hinzuad­ diert. Die so erhaltene Summe wird zum einen im Schritt S6 weiterverarbeitet zum anderen direkt an Schritt S7 geliefert.
S6: In diesem Schritt wird die Summe einer Tiefpaßfil­ terung unterzogen und das Ergebnis an Schritt S7 geliefert.
S7: In Schritt S7 wird von der Summe, die von Schritt S6 geliefert wurde, das Ergebnis der Tiefpaßfilterung aus Schritt S6 abgezogen, so daß das in Schritt S7 erhaltene Er­ gebnis nur die kurzfristigen Änderungen des Ersatzwertes auf­ grund des Wärmeeintrages widerspiegelt. Dieses durch die Schritte S6 und S7 erreichte Ergebnis kann beispielsweise da­ durch verwirklicht werden, daß die von S5 gelieferte Summe der Ersatzwerte im vorgegebenen Zeitraster um einen vorbe­ stimmten Wert dekrementiert wird. Der so erhaltene, nur kurz­ fristige Temperaturänderungen widerspiegelnde Wert stellt ei­ nen Korrekturfaktor dar, der an Schritt S8 geliefert wird.
S8: In Schritt S8 wird der Katalysatorwirkungsgrad aus Schritt S3 mit dem Korrekturfaktor aus Schritt S7 multipli­ ziert. Der Korrekturfaktor ist dabei so ausgelegt, daß er den Wert 1 annimmt, wenn keine Korrektur durchzuführen ist, d. h. wenn der Katalysator isotherm ist.
S9: Bei jedem Iterationsdurchlauf wird ein Zähler in­ krementiert.
S10: Der korrigierte Katalysatorwirkungsgrad wird auf­ summiert, indem bei jedem Iterationsdurchlauf der aktuelle Katalysatorwirkungsgrad zur bisher erhaltenen Summe hinzuad­ diert wird.
S11: Aus dem Zählerwert aus S9 sowie dem Summenwert der Katalysatorwirkungsgrade wird ein Mittelwert gebildet.
S12: Hat der Zähler aus S9 eine Mindestanzahl von Itera­ tionen, d. h. Überprüfungszyklen erreicht, wird mit S13 wei­ tergefahren, ansonsten wird zum Beginn des Verfahrens zu ei­ ner weiteren Iteration zurückgesprungen ("-"-Zweig).
S13: Unterschreitet der in S11 bestimmte Mittelwert ei­ nen vorbestimmten Schwellenwert, wird mit S15 fortgefahren ("+"-Zweig), ansonsten wird zu S14 zurückgesprungen ("-"- Zweig).
S14: Da der Mittelwert nicht den vorbestimmten Schwel­ lenwert einhält, ist der Katalysator defekt und entsprechende Maßnahmen wie Fehleranzeige, Ablegen von Informationen im Fehlerspeicher usw. werden veranlaßt.
S15: Da der Mittelwert unter dem vorbestimmten Schwel­ lenwert geblieben ist, ist der Katalysator funktionsfähig. Für diesen Betriebslauf der Brennkraftmaschine ist das Ver­ fähren erfolgreich beendet, eine entsprechende Information kann ggf. abgespeichert werden.
S16: Ende des Verfahrens.

In Fig. 3 ist dargestellt, wie der Wirkungsgrad eta_kat, der den Wirkungsgrad des Katalysators wiedergibt, sich beim Wech­ sel zwischen zwei stationären Betriebszuständen verhalten kann, und wie sich der Korrekturfaktor zeitgleich dazu ver­ hält.

In Fig. 3a ist die Zeitreihe des Katalysatorwirkungsgrades eta_kat dargestellt. Bis zum Zeitpunkt t1 wird die Brenn­ kraftmaschine quasi stationär betrieben, d. h. Last und Dreh­ zahl vollführen nur Änderungen innerhalb eines vorbestimmten Fensters. Jeder Punkt auf der Kurve der Fig. 3a gibt einen Iterationsdurchlauf durch das Verfahren des Blockschaltbildes der Fig. 2 wieder. Wie zu sehen ist, liefert jeder der Itera­ tionsdurchläufe bis zum Zeitpunkt t1 im wesentlichen den gleichen Wert. Zwischen Zeitpunkt t1 und t2 verläuft der Be­ trieb der Brennkraftmaschine instationär, beispielsweise steigt die Drehzahl stark an. Zum Zeitpunkt t2 ist dieser in­ stationäre Übergang beendet und die Betriebsparameter der Brennkraftmaschine fallen wieder in das quasistationäre Fen­ ster, wie es die Bestimmung des Katalysatorwirkungsgrades verlangt. Dennoch zeigt der eigentlich auf 1 normierte Kata­ lysatorwirkungsgrad eta_kat Werte um 2. Dies liegt daran, daß die Brennkraftmaschine zwar wieder eine stationäre Betriebs­ phase erreicht hat, der Katalysator 4 jedoch nicht isotherm ist. Die Abgastemperatur, die beispielsweise vor dem Zeit­ punkt t1 550°C betragen haben mag, ist zwar in der Betriebs­ phase nach t2 auf 700°C gestiegen, jedoch ist noch nicht der gesamte Katalysator isotherm. Daß sich dabei ein Katalysator­ wirkungsgrad eta_kat von über 1 ergibt, liegt daran, daß das Verfahren zur Bestimmung des Katalysatorwirkungsgrades (S3 in Fig. 2) implizit davon ausgeht, daß die Temperatur im Kataly­ sator nach Ablauf des instationären Übergangs zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 an allen Stellen gleich der Abgastempe­ ratur ist.

Da dies natürlich nicht der Fall ist, wandert bei Temperatu­ ränderungen aufgrund von Abgastemperaturerhöhungen eine Tem­ peraturfront durch den Katalysator und es ergibt sich ein falscher Wert für den Katalysatorwirkungsgrad, wenn lediglich die Abgastemperatur bei dessen Bestimmung herangezogen wird.

Wird der Katalysatorwirkungsgrad um solche durch Nicht-Iso­ thermie begründeten Fehler mittels des Korrekturfaktors kor bereinigt, kann entweder die Stationaritätsanforderung ge­ lockert werden oder es werden weniger Iterationsschritte ab­ gebrochen, weil ungültige Werte (z. B. <1) für den Katalysa­ torwirkungsgrad auftreten. Wie Fig. 3b zeigt, sinkt kor mit der instationären Übergangsphase zwischen t1 und t2 auf 0,5 und geht erst langsam wieder auf den neutralen Ausgangswert 1 zurück. Die Multiplikation von kor mit eta_kat bereinigt so den temperaturbedingten Fehler, der sich nach instationären Betriebsphasen einstellt, so daß der korrigierte Katalysator­ wirkungsgrad insgesamt die Verhältnisse richtig widerspie­ gelt.

Claims (8)

1. Verfahren zum Überprüfen der Funktionsfähigkeit eines Ka­ talysators (4) im Abgastrakt (3) einer lambdageregelten Brennkraftmaschine (1), bei dem der Katalysatorwirkungsgrad (eta_kat) durch Bestimmung der Sauerstoffspeicherfähigkeit ermittelt und daraus ein Maß für die Funktionsfähigkeit des Katalysators (4) gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ersatz­ größe für die Temperatur im Katalysator (4) berechnet und der für den Katalysatorwirkungsgrad (eta_kat) ermittelte Wert mittels der Ersatzgröße um Temperatureinflüsse bereinigt wird und erst dann das Maß für die Funktionsfähigkeit des Kataly­ sators gewonnen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berechnung der Ersatzgröße die dem Katalysator durch das Ab­ gas zugeführte Wärme fortlaufend aufsummiert wird, welche ab­ hängig von Drehzahl und Last der Brennkraftmaschine ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe einer Tiefpaßfilterung unterworfen wird und die Ersatz­ größe sich aus der Summe minus dem Ergebnis der Tiefpaßfilte­ rung ergibt.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ersatzgröße einer Glättungsfunktion un­ terworfen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Glättungsfunktion eine PT1-Glättung bewirkt.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß aus der Ersatzgröße ein Korrekturfaktor (kor) errechnet wird, mit dem der Katalysatorwirkungsgrad (eta_kat) multipliziert wird.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es während instationären Betriebszuständen der Brennkraftmaschine (1), in denen die Drehzahl- und/oder Laständerungen der Brennkraftmaschine (1) eine bestimmte Grenze überschreiten, ausgesetzt wird.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Maß für die Funktionsfähigkeit des Ka­ talysators (4) fortlaufend gemittelt wird und nach einer aus­ reichenden Zahl von Mittelungen entschieden wird, ob der Ka­ talysator (4) funktionsfähig ist, was dann der Fall ist, wenn die letzte Mittelung unter einem Schwellenwert liegt.