DE102007016763B3

DE102007016763B3 - Verfahren zur Diagnose eines Drei-Wege-Katalysators für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102007016763B3
Application number: DE102007016763A
Authority: DE
Inventors: Bodo Odendall
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2007-04-07
Filing date: 2007-04-07
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2027-04-08
Also published as: US8011173B2; US20080245057A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Diagnose eines Drei-Wege-Katalysators für eine Brennkraftmaschine unter Verwendung des Spannungssignals einer nachgeschalteten binären Lambdasonde wird vorgeschlagen, dass bei einem Wechsel des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses lambda von Fett nach Mager das Spannungssignal U<SUB>lambda</SUB> der Lambdasonde auf seinen Sprung überwacht wird, um eine ersten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC1 des Katalysators zu ermitteln, bei einem Wechsel des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses von Mager nach Fett das Spannungssignal der Lambdasonde auf seinen Sprung überwacht wird, um eine zweite Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC2 des Katalysators zu ermitteln, und/oder bei einer Modulation des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses zwischen Fett und Mager das Spannungssignal der Lambdasonde auf seine Sprünge überwacht wird, um eine dritte Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC3 des Katalysators zu ermitteln, wobei basierend auf dem Verhältnis zwischen zwei der drei Sauerstoffspeicherfähigkeiten die Diagnoses des Katalysators durchgeführt wird. Vorschlagsgemäß wird ein bezüglich reversibler und irreversibler Schädigung sowie bezüglich oxidierender und reduzierender Fähigkeiten differenziertes Diagnoseverfahren bereitgestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Drei-Wege-Katalysators für eine Brennkraftmaschine, unter Verwendung des Spannungssignals einer nachgeschalteten binären Lambdasonde.
Bei der Diagnose von Katalysatoren ist problematisch, dass durch Schwefelvergiftung bedingt ein reversible Schädigung und durch Alterung bedingt eine irreversible Schädigung der Katalysatorfunktion auftritt. Beides führt zu einer Herabsetzung der Schadstoffkonvertierung, so dass eine gegebenenfalls nicht mehr ausreichende Konvertierung angezeigt wird. Im Falle der reversiblen Schädigung kann die Herabsetzung der Schadstoffkonvertierung jedoch wieder rückgängig gemacht werden.
In der Druckschrift DE 103 18 214 B4 ist ein Verfahren zur Ermittlung des Alterungszustands eines Speicherkatalysators beschrieben. Dort wird zunächst in herkömmlicher Weise die gesamte Abnahme des Speichervermögens des Katalysators ermittelt, dann wird anhand eines Verschwefelungsmodells unter Berücksichtigung eines vorgegebenen Schwefelgehalts des Kraftstoffs die schwefelbedingte Abnahme des Speichervermögens berechnet und wird zuletzt die Differenz zwischen der gesamten Abnahme und der schwefelbedingten reversiblen Abnahme gebildet. Diese Differenz entspricht der irreversiblen Abnahme des Speichervermögens des Katalysators und wird abschließend mit einem vorgegebenen Maximalwert verglichen.
Aus der Druckschrift DE 198 44 178 A1 ist ein Katalysatordiagnoseverfahren bekannt, welches in einem ersten Verfahrensschritt einen Regenerationsversuch zur Beseitigung reversibler Einbußen der Funktionsfähigkeit durchführt, nach erfolgtem Regenerationsversuch die Funktionsfähigkeit überprüft und auf Basis dieser Prüfung schließlich die Funktionsfähigkeit des Katalysators beurteilt. Bei diesem Verfahren werden also die reversiblen Einbußen eliminiert, so dass bei der Beurteilung des Katalysators letztlich nur die irreversiblen Einbußen berücksichtigt werden.
Zudem ist in der Druckschrift DE 103 02 700 A1 ein Verfahren zur Diagnose eines Speicherkatalysators beschrieben. Gemäß diesem Verfahren wird der Speicherkatalysator in einem Einspeicher- und Regenerationsmodus betrieben und wird in Abhängigkeit von dem Einspeicherverhalten und der Regenerationsdauer zwischen einer reversiblen und irreversiblen Schädigung des Speicherkatalysators unterschieden. Bei einem schlechtem Einspeicherverhalten und einer langen Regenerationsdauer wird demnach eine Verschwefelung angenommen, während bei einem schlechten Einspeicherverhalten und einer kurzen Regenerationsdauer eine thermische Alterung diagnostiziert wird.
Darüber hinaus geht aus der Druckschrift DE 10 2005 028 001 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Diagnose eines Katalysators im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine hervor, wobei die Diagnose auf der Basis einer Zeitmessung in einem Zeitintervall erfolgt, in welchem das Kraftstoff/Luftverhältnis zunächst von Fett nach Mager eingestellt wird und anschließend von Mager nach Fett eingestellt wird. Aus der Gesamtzeit wird dann der Zustand des Katalysators diagnostiziert.
Und schließlich ist in der Druckschrift US 6 637 194 B2 eine Abgasregelung für eine Brennkraftmaschine geoffenbart. Bei dieser Abgasregelung werden nacheinander zwei Werte für die Sauerstoffspeicherkapazität ermittelt, nämlich ein erster Wert bei einem Wechsel des Kraftstoff/Luftverhältnisses von Fett nach Mager und ein zweiter Wert bei einem Wechsel von Mager nach Fett. Aus diesen beiden Werten wird dann eine Ziel-Sauerstoff-Füllung für den Katalysator ermittelt.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein weiter verbessertes Verfahren zur Diagnose eines Drei-Wege-Katalysators bereitzustellen, welches eine genaue Differenzierung einer gegebenenfalls auftretenden Schädigung erlaubt. Zudem soll die Durchführung des Diagnoseverfahrens möglichst keine zusätzlichen Emissionen verursachen.
Gelöst wird die Aufgabe indem bei einem Wechsel des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses von Fett nach Mager das Spannungssignal der Lambdasonde auf seinen Sprung überwacht wird, um eine erste Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC1 des Katalysators zu ermitteln, bei einem Wechsel des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses von Mager nach Fett das Spannungssignal der Lambdasonde auf seinen Sprung überwacht wird, um eine zweite Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC2 zu ermitteln, oder bei einer Modulation des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses zwischen Fett und Mager das Spannungssignal der Lambdasonde auf seine Sprünge überwacht wird, um eine dritte Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC3 des Katalysators zu ermitteln, wobei basierend auf dem Verhältnis zwischen zwei der drei Sauerstoffspeicherfähigkeiten OSC1, OSC2 bzw. OSC3 die Diagnose des Katalysators durchzuführen. Durch diese Vorgehensweise wird deutlich, auf welche Art sich die Konvertierungsfähigkeit des Katalysators verändert hat. Dabei kann prinzipiell zwischen reversibler oder irreversibler Schädigung und oxidierenden bzw. reduzierenden Fähigkeiten des Katalysators differenziert werden.
Steigt das Verhältnis zwischen der ersten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC1 bzw. der zweiten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC2 und der dritten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC3 gegenüber einem für einen neuwertigen Kataly sators gespeicherten Referenzwert RW13 oder RW23 an, so kann von einer Verminderung der Warmkonvertierung ausgegangen werden und wird bei der Diagnose eine reversible Schädigung des Katalysators angenommen. Denn diese vergiftungsbedingte Schädigung bewirkt ein „Verstopfen" der Speicherplätze für Sauerstoff, so dass die Lambdasonde stromab des Katalysators dementsprechend einen vorzeitigen Mangel bzw. Überschuss an Sauerstoff im Abgas detektiert. Bei der Annahme einer reversiblen Schädigung wird dann gegebenenfalls eine Regeneration des Sauerstoffspeichers eingeleitet.
Fällt das Verhältnis zwischen der ersten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC1 bzw. der zweiten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC2 und der dritten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC3 gegenüber einem für einen neuwertigen Katalysator gespeicherten Referenzwert RW13 oder RW23 ab, so wird bei der Diagnose eine Verminderung des Sauerstoffspeichers angenommen, was eine irreversible Schädigung des Katalysators darstellt.
Steigt das Verhältnis zwischen der ersten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC1 und der zweiten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC2 gegenüber einem für einen neuwertigen Katalysator gespeicherten Referenzwert RW12 an, so hat sich der Sprung des Spannungssignals beim Wechsel von Fett nach Mager deutlicher verschoben als der Sprung des Spannungssignals beim Wechsel von Mager nach Fett und wird bei der Diagnose eine Schädigung der oxidierenden Fähigkeiten des Katalysators bzw. der Konvertierung von Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoff (HC) angenommen.
Und fällt das Verhältnis zwischen der ersten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC1 und der zweiten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC2 gegenüber einem für einen neuwertigen Katalysator gespeicherten Referenzwert RW12 ab, so hat sich der Sprung des Spannungssignals beim Wechsel von Mager nach Fett deutlicher verschoben als der Sprung des Spannungssignals beim Wechsel von Fett nach Mager und wird bei der Diagnose eine Schädigung der reduzierenden Fähigkeiten des Katalysators bzw. der Konvertierung von Stickoxiden (NOx) angenommen.
Zweckmäßig wird beruhend auf dem Ergebnis der Diagnose gegebenenfalls eine Regeneration oder ein Austausch des Katalysators angefordert.
Die vorliegende Erfindung wird Bezug nehmend auf die nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisches Diagramm der Sondenspannung sowie der Konvertierung über dem Sauerstoffspeicher für einen neuwertigen Katalysator;
2 ein schematisches Diagramm der Sondenspannung sowie der Konvertierung über dem Sauerstoffspeicher für einen gealterten Katalysator; und
3 ein vereinfachtes Flussdiagramm des Verfahrens.
Die in einem Kraftfahrzeug angeordnete Brennkraftmaschine weist einen Drei-Wege-Katalysator mit einer nachgeschalteten binären Lambdasonde auf. Für die Diagnose des Katalysators wird das Spannungssignal U_λ der Lambdasonde überwacht. Bei einem neuwertigen Katalysator zeigt das Spannungssignal U_λ bei ca. 80 % Beladung des Sauerstoffspeichers OSC einen sprungartigen Abfall unter 0,6 Volt, was einen Übergang von einem fetten zu einem mageren Luft/Kraftstoffverhältnis λ bedeutet und bei ca. 20 % Beladung des Sauerstoffspeichers OSC einen sprungartigen Anstieg über 0,7 Volt, was einen Übergang von einem mageren zu einem fetten Luft/Kraftstoffverhältnis λ darstellt.
In 1 ist für einen neuwertigen Drei-Wege-Katalysator veranschaulicht wie sich die Sondenspannung U_λ sowie die Konvertierung C für Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoff (HC) und Stickoxide (NOx) über der Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC des Katalysators verhält.
Bei einem Wechsel des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses λ von Fett nach Mager kann mittels einer Überwachung des Spannungssignals U_λ auf seinen Sprung unterhalb von 0,6 Volt eine erste Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC1 ermittelt werden. Diese durch einen Vektor veranschaulichte erste Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC1 zeigt an, ab wann der Drei-Wege-Katalysator nur noch ungenügend Sauerstoff (O₂) aufnehmen kann.
Alternativ oder ergänzend kann bei einem Wechsel des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses λ von Mager nach Fett mittels einer Überwachung des Spannungssignals U_λ auf seinen Sprung oberhalb von 0,7 Volt eine zweite Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC2 ermittelt werden. Diese ebenfalls durch einen Vektor veranschaulichte zweite Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC2 erlaubt eine Aussage darüber, ab wann der Drei-Wege-Katalysator für die Konvertierung nur noch ungenügend Sauerstoff (O₂) abgeben kann.
Somit geben die erste und die zweite Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC1 und OSC2 Aufschluss über die Größe bzw. die Regenerationsdauer des Sauerstoffspeichers OSC bzw. über die Größe des verfügbaren Oberflächenspeichers sowie Tiefenspeichers bei einem mageren oder fetten Luft/Kraftstoffverhältnis λ.
Schließlich ist bei einer Modulation des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses λ zwischen Fett und Mager und einer Überwachung der beiden Sprünge des Spannungssignals U_λ eine dritte Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC3 ermittelbar, welche eine Aussage über das Einspeicherverhalten des schnell verfügbaren Oberflächenspeichers erlaubt.
In 2 ist dagegen gezeigt, wie sich die Sondenspannung U_λ und die Konvertierung bei einem gealterten Drei-Wege-Katalysator verhält. So hat sich dort die erste, zweite und dritte Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC1, OSC2, und OSC3 verschlechtert bzw. verringert, was daraus zu ersehen ist, dass der negative Sprung des Spannungssignals U_λ unterhalb 0,6 Volt bereits bei ca. 65 % Beladung des Sauerstoffspeichers OSC stattfindet und der positive Sprung des Spannungssignals U_λ oberhalb von ca. 0,7 Volt bereits bei ca. 35 % Beladung des Sauerstoffspeichers OSC erfolgt.
Für die erfindungsgemäße Diagnose wird gemäß dem Flussdiagramm aus 3 bei einem gealterten Katalysator in einem ersten Schritt I die erste Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC1, die zweite Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC2 und/oder die dritte Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC3 ermittelt, so dass für die anschließende Diagnose wenigstens zwei der drei Sauerstoffspeicherfähigkeiten OSC1, OSC2, OSC3 vorliegen.
In einem zweiten Schritt II wird die erste Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC1 mit der dritten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC3 ins Verhältnis gesetzt und/oder die zweite Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC2 mit der dritten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC3 ins Verhältnis gesetzt. Basierend auf diesem Verhältnis OSC1/OSC3 bzw. OSC2/OSC3 kann ausgegeben werden, ob sich das Verhältnis gegenüber einem Referenzverhältnis bzw. einem Referenzwert RW13 oder RW23, der für einen neuwertigen Katalysator ermittelt wurde, angestiegen oder abgefallen ist. Je nachdem überwiegt die Änderung der ersten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC1 bzw. der zweiten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC2 oder der dritten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC3.
Ist das Verhältnis bezüglich des Referenzwertes RW13 bzw. RW23 angestiegen, so dominiert die Änderung bzw. Reduzierung der dritten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC3. Dem entsprechend liegt eine ausgeprägte Verschlechterung der Warmkonvertierung vor, was eine reversible Schädigung des Katalysators andeutet.
Und ist das Verhältnis im Vergleich zu dem Referenzwert RW13, RW23 abgefallen, so dominiert die Änderung bzw. Abnahme der ersten oder zweiten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC1, OSC2. Damit ist eine ausgeprägte Verschlechterung des Sauerstoffspeichers aufgetreten, was auf eine irreversible Schädigung des Katalysators hindeutet.
Alternativ oder ergänzend kann in einem zu Schritt II parallelen oder – wie in 3 dargestellt – nachgeschalteten Schritt III anhand des Verhältnisses zwischen der ersten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC1 und der zweiten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC2 und Vergleich dieses Verhältnisses OSC1/OSC2 mit einem Referenzwert RW12 für einen neuwertigen Katalysator eine weitere Diagnose durchgeführt werden. Denn durch diesen Vergleich sind Rückschlüsse auf die oxidierenden oder reduzierenden Fähigkeiten des Katalysators möglich. So wird bei einer Dominanz der Verschlechterung der ersten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC1 auf eine Schädigung der reduzierenden Fähigkeiten, also der Konvertierung von Stickoxiden (NO_x) geschlossen, während bei einer Dominanz der Verschlechterung der zweiten Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC2 auf eine Schädigung der oxidierenden Fähigkeiten, d.h. der Konvertierung C von Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoff (HC) geschlossen wird.

Claims

Verfahren zur Diagnose eines Drei-Wege-Katalysators für eine Brennkraftmaschine, unter Verwendung des Spannungssignals einer nachgeschalteten binären Lambdasonde, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Wechsel des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses von Fett nach Mager das Spannungssignal (U_λ) der Lambdasonde auf seinen Sprung überwacht wird, um eine erste Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC1) des Katalysators zu ermitteln, bei einem Wechsel des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses von Mager nach Fett das Spannungssignal (U_λ) der Lambdasonde auf seinen Sprung überwacht wird, um eine zweite Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC2) des Katalysators zu ermitteln, oder bei einer Modulation des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnisses zwischen Fett und Mager das Spannungssignal (U_λ) der Lambdasonde auf seine Sprünge überwacht wird, um eine dritte Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC3) des Katalysators zu ermitteln, wobei basierend auf dem Verhältnis zwischen zwei der drei Sauerstoffspeicherfähigkeiten (OSC1, OSC2 bzw. OSC3) die Diagnose des Katalysators durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn das Verhältnis zwischen der ersten Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC1) bzw. der zweiten Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC2) und der dritten Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC3) gegenüber einem für einen neuwertigen Katalysator gespeicherten Referenzwert (RW13) oder (RW23) ansteigt, bei der Diagnose eine reversible Schädigung des Katalysators angenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn das Verhältnis zwischen der ersten Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC1) bzw. der zweiten Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC2) und der dritten Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC3) gegenüber einem für einen neuwertigen Katalysator gespeicherten Referenzwert (RW13) oder (RW23) abfällt, bei der Diagnose eine irreversible Schädigung des Katalysators angenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn das Verhältnis zwischen der ersten Speicherfähigkeit (OSC1) und der zweiten Speicherfähigkeit (OSC2) gegenüber einem für einen neuwertigen Katalysator gespeicherten Referenzwert (RW12) ansteigt, bei der Diagnose eine Schädigung der oxidierenden Fähigkeiten des Katalysators angenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dann wenn das Verhältnis zwischen der ersten Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC1) und der zweiten Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC2) gegenüber einem für einen neuwertigen Katalysator gespeicherten Referenzwert (RW12) ansteigt, bei der Diagnose eine Schädigung der reduzierenden Fähigkeiten des Katalysators angenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass beruhend auf dem Ergebnis der Diagnose gegebenenfalls eine Regeneration oder ein Austausch des Katalysators angefordert wird.