DE102008038677B4

DE102008038677B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Abgaskatalysators

Info

Publication number: DE102008038677B4
Application number: DE102008038677A
Authority: DE
Inventors: Dr. Brandt Martin; Dr. Rösel Gerd
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2008-08-12
Filing date: 2008-08-12
Publication date: 2013-09-26
Anticipated expiration: 2028-08-13
Also published as: US8190352B2; US20100037592A1; DE102008038677A1

Abstract

Verfahren zum Diagnostizieren eines Abgaskatalysators, bei dem
– ein erstes Abgassensorsignal (vls_up) eines ersten Sauerstoffsensors (AS1) erfasst wird, der in einem Abgasstrang stromaufwärts des Abgaskatalysators angeordnet ist,
– ein zweites Abgassensorsignal (vls_down) eines zweiten Sauerstoffsensors (AS2) erfasst wird, der in dem Abgasstrang stromabwärts des Abgaskatalysators angeordnet ist,
– ein jeweiliger erster Schätzwert einer Emission mindestens einer der Abgaskomponenten Kohlenmonoxid, Stickoxid oder Kohlenwasserstoff mit Hilfe eines Emissionsmodells (MOD) ermittelt wird in Bezug auf eine Position des ersten Sauerstoffsensors (AS1) in dem Abgasstrang abhängig von dem ersten Abgassensorsignal (vls_up),
– ein jeweiliger zweiter Schätzwert einer Emission der mindestens einen Abgaskomponente mit Hilfe eines Emissionsmodells (MOD) ermittelt wird in Bezug auf eine Position des zweiten Sauerstoffsensors (AS2) in dem Abgasstrang abhängig von dem zweiten Abgassensorsignal (vls_down),
– eine Konvertierungsrate (K) der mindestens einen Abgaskomponente geschätzt wird abhängig von einem Verhältnis des zweiten und des ersten Schätzwerts der ermittelten Emission und
– der Abgaskatalysator diagnostiziert wird abhängig von der ermittelten Konvertierungsrate (K).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Abgaskatalysators, insbesondere eines Abgaskatalysators einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs.
Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich zulässiger Schadstoffemissionen in Kraftfahrzeugen, in denen Brennkraftmaschinen angeordnet sind, machen es erforderlich die Schadstoffemissionen bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine so gering wie möglich zu halten. Dies kann zum einen dadurch erfolgen, dass die Schadstoffemissionen verringert werden, die während der Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in den jeweiligen Zylindern entstehen. Zum anderen sind in Brennkraftmaschinen Abgasnachbehandlungssysteme im Einsatz, die die Schadstoffemissionen, die während des Verbrennungsprozesses des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen Zylinder erzeugt werden, in unschädliche Stoffe umwandeln. Insbesondere bei Benzin-Brennkraftmaschinen kommen als Abgaskatalysatoren Dreiwege-Katalysatoren zum Einsatz. In diesem Zusammenhang muss sichergestellt werden, dass die Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems auch in der gewünschten Art und Weise über eine lange Betriebsdauer funktionieren und Fehler zuverlässig erkannt werden.
In der DE 101 35 759 A1 ist eine Katalysatorüberwachung bei einem Dieselmotor beschrieben. Ein Kohlenmonoxidsensor, der stromab vom Katalysator angeordnet ist, und ein stromauf vom Katalysator bei einem Dieselmotor angebrachter Sensor liefern Informationen zum Aufbau eines Echtzeit-CO-Umwandlungswirkungsgrades versus Katalysatortemperaturkurve um festzustellen, ob der Katalysator über einen vorherbestimmten Punkt in Bezug auf die On-Board-Diagnose-Erfordernisse in der Leistung nachgelassen hat. Die CO-Konzentration vor dem Katalysator wird aus den Motorbetriebsbedingungen gefolgert und die Katalysator-Temperatur wird unter Verwendung des Temperatursensorausgangs und des Motorabgasstrom-Hitzetransfermodels bestimmt. Die Echtzeitkurve wird mit einer Referenzkurve verglichen, um die Katalysatorleistung zu ermitteln. Die Katalysatorleistung bezüglich der CO-Umwandlungen kann dann zu der für HC und NO_x korreliert werden, um den OBD-Erfordernissen zu genügen.
Die DE 101 60 704 A1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer Abgasreinigungsvorrichtung, bei dem die Schadstoffemission zur Diagnose der Abgasreinigungsvorrichtung herangezogen wird. Dazu wird im Abgaskanal sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts eines Katalysators unter anderem Sauerstoff gemessen. Die hieraus erfassten Emissionswerte der Abgaskomponente vor und nach dem Katalysator werden verglichen und zur Ermittlung einer Konvertierungsrate herangezogen. Ferner erfolgt hieraus eine Diagnose des Katalysators.
In der EP 0 881 367 A1 ist ein Katalysatorsystem zur Entstickung von Abgasen bei Dieselbrennkraftmaschinen beschrieben. Es erfolgt eine Zudosierung von Dieselkraftstoff in den Abgasstrang vor den Katalysator. Der Katalysator ist ein DeNox-Katalysator, an dem ein Kohlenwasserstoffsensor angebracht ist. Der Kohlenwasserstoffsensor ist ein Ist-Wert-Sensor, Dosiersteuereinheit als Dosierregler, die Kraftstoffzudosiervorrichtung als Stellglied und der DeNox-Katalysator als Regelstrecke bilden einen geschlossenen Regelkreis für eine genaue, effektive Zudosierung. Weiter wird eine Katalysator-Überwachung in Abhängigkeit der nach dem DeNox-Katalysator gemessenen Kohlenwasserstoff-Restkonzentration vorgeschlagen.
Die DE 10 2005 035 707 A1 beschreibt ein Verfahren zur Diagnose eines im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators. Dabei wird vorgeschlagen, dass bei einem Lastsprung der Brennkraftmaschine die von der Alterung des Katalysators abhängige Sauerstoffspeicherkapazität über der Zeit ermittelt wird, mit einem vorgegebenen zeitlichen Profil der Sauerstoffspeicherkapazität verglichen wird und die Differenz beurteilt wird. Dadurch wird eine verbesserte Diagnose bereitgestellt, durch welche bei einer mit dem Lastsprung verbundene Abkühlung oder Erwärmung des Katalysators nicht nur der Grad der Schädigung des Katalysators, sondern darüber hinaus auch die axiale Lage der Schädigung des Katalysators festgestellt werden kann. Durch die Lage der diagnostizierten Schädigung ist es dann sogar möglich, deren Auswirkungen auf die Konvertierung verschiedener im Abgas enthaltener Schadstoffe, nämlich Kohlenwasserstoff und/oder Stickoxide zu bestimmen.
In der DE 10 2004 008 172 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung des Gütegrads eines einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges nachgeschalteten Abgaskatalysators beschrieben. Der Katalysator ist in Axialrichtung als Abgas-Durchströmrichtung gesehen in mehrere hintereinanderliegende Katalysator-Axialabschnitte unterteilt, denen jeweils ein Sauerstoffspeicherabschnitt eines Sauerstoffspeichers eines Katalysators zugeordnet ist, wobei in Abhängigkeit von einer zeitlich gesehenen nacheinander erfolgenden Aufheizung der einzelnen Katalysator-Axial-Abschnitte auf Betriebstemperatur ein Sauerstoffdurchgang durch den Katalysator für jeden einzelen der auf Betriebstemperatur erwärmten Katalysator-Axial-Abschnitte erfasst wird. Damit kann in Abhängigkeit einer Sauerstoffeinspeicherung eine, in Axialrichtung gesehene, örtliche Feststellung einer Sauerstoff-Speicher-Schädigung vorgenommen werden.
Die Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Abgaskatalysators zu schaffen, das beziehungsweise die eine zuverlässige Diagnose ermöglichen.
Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Abgaskatalysators. Ein erstes Abgassensorsignal eines ersten Sauerstoffsensors wird erfasst, der in einem Abgasstrang stromaufwärts des Abgaskatalysators angeordnet ist. Ein zweites Abgassensorsignal eines zweiten Sauerstoffsensors wird erfasst, der in dem Abgasstrang stromabwärts des Abgaskatalysators angeordnet ist. Ein jeweiliger erster Schätzwert einer Emission mindestens einer der Abgaskomponenten Kohlenmonoxid, Stickoxid oder Kohlenwasserstoff wird mit Hilfe eines Emissionsmodels (MOD) ermittelt in Bezug auf eine Position des ersten Sauerstoffsensors in dem Abgasstrang abhängig von dem ersten Abgassensorsignal. Ein jeweiliger zweiter Schätzwert einer Emission der mindestens einer der Abgaskomponenten Kohlenmonoxid, Stickoxid oder Kohlenwasserstoff wird ermittelt in Bezug auf eine Position des zweiten Sauerstoffsensors in dem Abgasstrang abhängig von dem zweiten Abgassensorsignal. Eine Konvertierungsrate der mindestens einer der Abgaskomponente Kohlenmonoxid, Stickoxid oder Kohlenwasserstoff wird geschätzt abhängig von einem Verhältnis des zweiten und des ersten Schätzwerts der ermittelten Emission. Der Abgaskatalysator wird diagnostiziert abhängig von der ermittelten Konvertierungsrate.
Der Vorteil ist, dass die Diagnose einfach und zuverlässig und unabhängig voneinander für einzelne Abgaskomponenten möglich ist. Dadurch können Beeinträchtigungen und Fehler der Funktionsweise des Abgaskatalysators besonders zuverlässig und präzise erkannt werden. Eine Robustheit und Genauigkeit der Diagnose kann so besonders hoch sein. Eine zuverlässige On-Board-Diagnose ist möglich, ohne dass zusätzliche Komponenten in der Abgasanlage erforderlich sind und ohne dass für die Diagnose ein aktiver Eingriff in das Luft/Kraftstoffverhältnis der Brennkraftmaschine erforderlich ist. Die Diagnose kann dadurch emissionsneutral erfolgen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden der erste und der zweite Schätzwert jeweils integriert über eine vorgegebene Zeitdauer oder über eine mit einem Kraftfahrzeug zurückgelegte vorgegebene Wegstrecke. Die Konvertierungsrate der mindestens einen Abgaskomponente wird geschätzt abhängig von einem Verhältnis des integrierten zweiten und des integrierten ersten Schätzwerts der ermittelten Emission. Der Vorteil ist, dass die Diagnose dadurch besonders robust und präzise erfolgen kann.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn mindestens eine Größe, die repräsentativ ist für ein Fahrprofil, in dem das Kraftfahrzeug aktuell gefahren wird, jeweils integriert wird über die vorgegebene Zeitdauer oder über die mit dem Kraftfahrzeug zurückgelegte vorgegebene Wegstrecke. Eine Übereinstimmung des Fahrprofils mit mindestens einem Teil eines vorgegebenen Testzyklus wird ermittelt abhängig von der mindestens einen integrierten Größe. Die geschätzte Konvertierungsrate wird mit einer jeweils für den mindestens einen Teil des vorgegebenen Testzyklus vorgegebenen Konvertierungsrate verglichen, falls die Übereinstimmung festgestellt wurde. Ein erster Fehler wird erkannt abhängig von der geschätzten Konvertierungsrate und der vorgegebenen Konvertierungsrate. Der Vorteil ist, dass dadurch eine zuverlässige Aussage darüber ermöglicht wird, ob der Abgaskatalysator hinreichend gut funktioniert, dass Emissionen, die bei einem Betreiben des Kraftfahrzeugs gemäß des vorgegebenen Testzyklus entstehen, vorgegebene Emissionsgrenzen und insbesondere vorgegebene gesetzliche Emissionsgrenzen einhalten. Dadurch ist ein besonders zuverlässiges Diagnostizieren möglich mit hoher Aussagekraft. Der erste Fehler wird vorzugsweise erkannt, wenn die geschätzte Konvertierungsrate von der vorgegebenen Konvertierungsrate um einen vorgegebenen Betrag oder Faktor abweicht, die geschätzte Konvertierungsrate die vorgegebene Konvertierungsrate also insbesondere um den vorgegebenen Betrag oder Faktor übersteigt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird eine Temperatur des Abgaskatalysators erfasst oder ermittelt und der jeweiligen geschätzten Konvertierungsrate zugeordnet. Eine zeitliche Folge der erfassten oder ermittelten Temperaturen des Abgaskatalysators wird auf ein Vorliegen eines vorgegebenen Temperaturverlaufs überprüft. Bei Vorliegen des vorgegebenen Temperaturverlaufs wird eine der zeitlichen Folge der erfassten oder ermittelten Temperaturen des Abgaskatalysators zugehörige zeitliche Folge der jeweils geschätzten Konvertierungsraten überprüft auf ein Vorliegen eines für einen zweiten Fehler charakteristischen Konvertierungsratenverlaufs. Der Vorteil ist, dass dadurch eine Zonenschädigung, das heißt eine ungleichmäßige Schädigung des Abgaskatalysators, erkennbar ist, die bei einer Diagnose des Abgaskatalysators basierend auf einer Sauerstoffspeicherfähigkeit des Abgaskatalysators unerkannt bliebe. Die Diagnose des Abgaskatalysators kann daher besonders zuverlässig sein.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn abhängig von der zeitlichen Folge der jeweils geschätzten Konvertierungsraten eine lokale Schädigung des Abgaskatalysators in einem vorderen Teil und/oder eine lokale Schädigung des Abgaskatalysators in einem hinteren Teil des Abgaskatalysators als der zweite Fehler erkannt wird. Dadurch ist eine genaue Aussage möglich über den Ort der Schädigung und, aufgrund von dessen Bedeutung für die Fähigkeit des Abgaskatalysators, Abgaskomponenten in unschädliche Stoffe zu konvertieren, über die Auswirkungen der Schädigung auf die Emissionen. Der hintere Teil des Abgaskatalysators ist stromabwärts des vorderen Teils des Abgaskatalysators angeordnet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung repräsentiert der vorgegebene Temperaturverlauf eine monoton steigende oder monoton fallende Temperatur des Abgaskatalysators. Der Vorteil ist, dass der zweite Fehler so einfach und zuverlässig erkennbar ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der vorgegebene Temperaturverlauf einen Temperaturanstieg über oder einen Temperaturabfall unter eine vorgegebene Mindestbetriebstemperatur des Abgaskatalysators. Dadurch kann das Erkennen des zweiten Fehlers besonders einfach und zuverlässig sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der jeweilige Schätzwert der Emission der mindestens einen Abgaskomponente abhängig von einem Emissionsmodell geschätzt abhängig von dem ersten oder dem zweiten Abgassensorsignal, einem Gradientensignal, das als zeitliche Ableitung des ersten oder zweiten Abgassensorsignals ermittelt wird, und einem Luftmassenstromsignal. Durch ein solches Emissionsmodell ist ein zuverlässiges Schätzen der Emission möglich.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 ein Teil eines Abgasstrangs und ein Emissionsmodell,
2 ein Ablaufdiagramm für ein Schätzen einer Konvertierungsrate eines Abgaskatalysators,
3 ein erstes Ablaufdiagramm für eine Diagnose des Abgaskatalysators,
4 eine Darstellung eines Vergleichs zweier unterschiedlich geschädigter Abgaskatalysatoren,
5 eine Darstellung von Temperaturverläufen und Konvertierungsratenverläufen bei Lastsprüngen und
6 ein zweites Ablaufdiagramm für eine Diagnose des Abgaskatalysators.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Ein Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine, zum Beispiel eines Kraftfahrzeugs, umfasst mindestens einen Abgaskatalysator mit mindestens einem ersten Katalysatorvolumen V1 (1). Ferner kann stromabwärts des ersten Katalysatorvolumens ein zweites Katalysatorvolumen V2 vorgesehen sein. Stromaufwärts des ersten Katalysatorvolumens V1 ist ein erster Abgassensor AS1 angeordnet, der beispielsweise als eine lineare Lambdasonde ausgebildet ist zum Erfassen eines Restsauerstoffgehalts in dem Abgas stromaufwärts des ersten Katalysatorvolumens V1 und der beispielsweise für eine Lambdaregelung genutzt wird. Der erste Abgassensor AS1 kann jedoch beispielsweise auch als eine binäre Lambdasonde ausgebildet sein. Stromabwärts des ersten Katalysatorvolumens V1 und stromaufwärts des zweiten Katalysatorvolumens V2 ist ein zweiter Abgassensor AS2 angeordnet, der beispielsweise als eine binäre Lambdasonde ausgebildet ist, der jedoch auch anders ausgebildet sein kann, zum Beispiel als lineare Lambdasonde. Der zweite Abgassensor AS2 kann beispielsweise genutzt werden für eine Diagnose des ersten Katalysatorvolumens V1.
Das erste und gegebenenfalls das zweite Katalysatorvolumen V1, V2 können in dem Abgaskatalysator des Abgasnachbehandlungssystems ausgebildet sein. Vorzugsweise sind das erste und das zweite Katalysatorvolumen V1, V2 jedoch in separaten Abgaskatalysatoren ausgebildet. Das erste Katalysatorvolumen V1 ist vorzugsweise nahe an der Brennkraftmaschine angeordnet, so dass es nach einem Start der Brennkraftmaschine in kurzer Zeit eine für die Abgasnachbehandlung erforderliche vorgegebene Mindestbetriebstemperatur T_min erreichen kann. Das zweite Katalysatorvolumen V2 ist beispielsweise in einem Unterbodenkatalysator ausgebildet und ist somit weiter entfernt von der Brennkraftmaschine und erreicht daher Begebenenfalls erst später die erforderliche Betriebstemperatur als das erste Katalysatorvolumen V1.
Zum Ermitteln einer Emission E mindestens einer Abgaskomponente ist ein Emissionsmodell MOD vorgesehen. Die mindestens eine Abgaskomponente umfasst insbesondere Kohlenmonoxid CO und/oder Stickoxide NOx und/oder Kohlenwasserstoffe HC, kann jedoch auch andere oder weitere Stoffe umfassen. Mit Hilfe des Emissionsmodells MOD wird abhängig von einem ersten Abgassensorsignal vls_up des ersten Abgassensors AS1 die Emission E geschätzt in Bezug auf eine Position des ersten Abgassensors AS1 in dem Abgasstrang. Entsprechend wird mit Hilfe des Emissionsmodells MOD abhängig von einem zweiten Abgassensorsignal vls_down des zweiten Abgassensors AS2 die Emission E geschätzt in Bezug auf eine Position des zweiten Abgassensors AS2 in dem Abgasstrang.
Die Emission E wird jeweils mittels des Emissionsmodells MOD bevorzugt ermittelt als Produkt des ersten beziehungsweise des zweiten Abgassensorsignals vls_up, vls_down, einer jeweiligen vorgegebenen Abgassensorsignal-Korrekturkennlinie fac_cor_vls, eines jeweiligen Gradientensignals grd_vls_down, einer jeweils vorgegebenen Gradientensignal-Korrekturkennlinie fac_cor_grd_vls, eines Luftmassenstromsignals MAF und eines vorgegebenen Normierungsfaktors F_norm. Als weitere Faktoren sind vorzugsweise eine vorgegebene Korrekturkennlinie fac_cor_ufc des mindestens einen zweiten Katalysatorvolumens V2 und/oder eine Kenngrößen-Korrekturkennlinie fac_cor_ts vorgesehen. Die jeweiligen Korrekturkennlinien können alternativ auch als jeweiliges Korrekturkennfeld ausgebildet sein. Das Emissionsmodell MOD kann auch anders ausgebildet sein und kann insbesondere auch weitere, andere oder nur eine Untermenge der genannten Faktoren umfassen.
Das Gradientensignal grd_vls_down repräsentiert eine zeitliche Ableitung des ersten beziehungsweise des zweiten Abgassensorsignals vls_up, vls_down. Die jeweils vorgegebene Abgassensorsignal-Korrekturkennlinie fac_cor_vls und die jeweils vorgegebene Gradientensignal-Korrekturkennlinie fac_cor_grd_vls sind insbesondere vorgesehen zum Herausschneiden und gegebenenfalls Skalieren von vorgegebenen Signalbestandteilen, zum Beispiel einem jeweils vorgegebenen Wertebereich, aus dem ersten beziehungsweise zweiten Abgassensorsignal vls_up, vls_down beziehungsweise dem jeweiligen Gradientensignal grd_vls_down. Vorzugsweise sind die jeweilige vorgegebene Abgassensorsignal-Korrekturkennlinie fac_cor_vls und die jeweils vorgegebene Gradientensignal-Korrekturkennlinie fac_cor_grd_vls abhängig von der jeweils zu ermittelnden Abgaskomponente vorgegeben, das heißt, für jede Abgaskomponente, für die die Emission E geschätzt werden soll, wird die jeweils zugehörige vorgegebene Abgassensorsignal-Korrekturkennlinie fac_cor_vls und vorgegebene Gradientensignal-Korrekturkennlinie fac_cor_grd_vls genutzt.
Das Luftmassenstromsignal MAF ist repräsentativ für einen Abgasdurchfluss durch den Abgasstrang und somit durch das erste und zweite Katalysatorvolumen V1, V2. Der vorgegebene Normierungsfaktor F_norm ist beispielsweise vorgesehen zum Bereitstellen der geschätzten Werte der Emission E in einer Form und insbesondere einer Skalierung, die geeignet ist für eine Weiterverarbeitung und insbesondere für einen Vergleich mit zum Beispiel Emissionsgrenzwerten und insbesondere gesetzlich vorgeschriebenen Emissionsgrenzwerten. Vorzugsweise wird die geschätzte Emission E für die jeweilige Abgaskomponente integriert und als integrierte Emission EI bereitgestellt. Bei der Emission E und der integrierten Emission EI handelt es sich im Wesentlichen um unterschiedliche Darstellungsweisen, so dass Aussagen, die in Bezug auf die Emission E gemacht werden, grundsätzlich analog auch für die integrierte Emission EI gelten und umgekehrt. Es werden daher im Folgenden nicht immer sowohl die Emission E als auch die integrierte Emission EI explizit genannt, wenn Aussagen sich auf beide beziehen.
Das Emissionsmodell MOD ermöglicht das Schätzen der Emissionen E beziehungsweise der integrierten Emissionen EI derart, dass ein geschätzter oder simulierter Emissionsverlauf SIM im Wesentlichen einem tatsächlichen oder gemessenen Emissionsverlauf MES entspricht.
Ein Diagnose eines Katalysatorwirkungsgrads, der auch als Konvertierungsrate K bezeichnet werden kann, kann basierend auf einer Sauerstoffspeicherkapazität OSC oder Sauerstoffspeicherfähigkeit des Abgaskatalysators erfolgen. Unterschiedliche Alterungsmechanismen des Katalysators können jedoch unterschiedliche Auswirkungen auf das Konvertierungsverhalten des Katalysators bezüglich der relevanten Abgaskomponenten haben. So kann sich beispielsweise ein System durch Alterungsvorgänge von einem HC- zu einem NOx-sensitiven System verändern und umgekehrt. Die Sauerstoffspeicherkapazität OSC ermöglicht diesbezüglich jedoch keine zuverlässige Aussage. Daher wird die Konvertierungsrate K abhängig von den mittels des Emissionsmodells MOD geschätzten Emissionen E stromaufwärts und stromabwärts des Abgaskatalysators geschätzt.
2 zeigt ein Diagramm für ein Schätzen der jeweiligen Konvertierungsrate K der Abgaskomponenten. Mittels des Emissionsmodells MOD wird abhängig von dem ersten Abgassensorsignal vls_up beziehungsweise dem zweiten Abgassensorsignal vls_down jeweils die Emission E oder integrierte Emission EI ermittelt. Abhängig von einem Verhältnis dieser Emissionen E beziehungsweise integrierten Emissionen EI wird die jeweilige Konvertierungsrate K ermittelt, insbesondere eine Kohlenmonoxid-Konvertierungsrate K_CO und/oder eine Kohlenwasserstoff-Konvertierungsrate K_HC und/oder eine Stickoxid-Konvertierungsrate K_NOx. 2 zeigt beispielshaft Verläufe der jeweiligen integrierten Emission EI und der Konvertierungsraten K über eine Zeit t.
3 zeigt ein erstes Ablaufdiagramm eines Programms zum Diagnostizieren des Abgaskatalysators, insbesondere in Bezug auf dessen Konvertierungsrate K der jeweiligen Abgaskomponente. Das Programm beginnt in einem Schritt S1. In einem Schritt S2 wird überprüft, ob eine vorgegebene Diagnosebedingung DIAG erfüllt ist. Diese umfasst beispielsweise eine Betriebsbereitschaft des ersten und des zweiten Abgassensors AS1, AS2. Ferner kann die vorgegebene Diagnosebedingung DIAG auch umfassen, dass der Abgaskatalysator seine vorgegebene Mindestbetriebstemperatur T_min aufweist und/oder dass ein aktuelles Fahrprofil FP für eine Diagnose geeignet ist oder ausgewertet werden soll. Beispielsweise kann vorgesehen sein, bei Fahrprofilen FP auf eine Auswertung zu verzichten, die eine Autobahnfahrt mit hoher Geschwindigkeit umfassen, da solche in einem vorgegebenen Testzyklus TZ nicht vorgesehen sind.
Liegt die vorgegebene Diagnosebedingung DIAG vor, dann wird in einem Schritt S3 überprüft, ob bereits ein Diagnosezyklus DIAG_ZYK aktiv ist. Ist dies nicht der Fall, dann wird in einem Schritt S4 der Diagnosezyklus DIAG_ZYK initialisiert. In einem Schritt S5 wird die integrierte Emission EI durch Integration der Emission E, die einer Rohemission entspricht, für den ersten Abgassensor AS1 während des Diagnosezyklus DIAG_ZYK ermittelt. In einem Schritt S6 wird die integrierte Emission EI durch Integration der Emission E, die einer Nach-Katalysator-Emission entspricht, für den zweiten Abgassensor AS2 während des Diagnosezyklus DIAG_ZYK ermittelt. Bevorzugt erfolgt das Integrieren über eine vorgegebene Zeitdauer, zum Beispiel etwa zehn Sekunden, oder über eine vorgegebene Wegstrecke, zum Beispiel einhundert Meter. In einem Schritt S7 wird mindestens eine Größe, die repräsentativ ist für das Fahrprofil FP, in dem das Kraftfahrzeug aktuell gefahren wird, analysiert und integriert während des Diagnosezyklus DIAG_ZYK, also während der vorgegebenen Zeitdauer oder der vorgegebenen Wegstrecke. Die mindestens eine Größe kann beispielsweise eine Beschleunigung des Kraftfahrzeugs und/oder eine Drehzahl der Brennkraftmaschine umfassen. Das Programm wird in einem Schritt S8 beendet und vorzugsweise zyklisch erneut ausgeführt, zum Beispiel in einem vorgegebenen Zeitintervall.
Ist die Diagnosebedingung DIAG in dem Schritt S2 nicht erfüllt, dann wird in einem Schritt S9 überprüft, ob der aktuelle Diagnosezyklus DIAG_ZYK vollständig oder abgeschlossen ist. Ist diese Bedingung nicht erfüllt, dann wird das Programm in dem Schritt S8 beendet und bevorzugt erneut ausgeführt. Ist die Bedingung in dem Schritt S9 jedoch erfüllt, dann wird in einem Schritt S10 das Fahrprofil FP, das während des Diagnosezyklus DIAG_ZYK erfasst und analysiert wurde, auf eine Übereinstimmung überprüft wird mit mindestens einem Teil des vorgegebenen Testzyklus TZ. Der vorgegebene Testzyklus TZ ist beispielsweise vorgegeben durch Vorschriften und insbesondere gesetzliche Vorschriften zur Überprüfung von Emissionen von Kraftfahrzeugen. Ferner wird in dem Schritt S10 die Konvertierungsrate K der mindestens einen Abgaskomponente ermittelt. Die Schritte S5, S6 und S10 entsprechen diesbezüglich der in 2 und 1 dargestellten Vorgehensweise. In einem Schritt S11 wird überprüft, ob die ermittelte Konvertierungsrate K einen vorgegebenen Grenzwert einhält, der insbesondere für den mindestens einen Teil des vorgegebenen Testzyklus TZ vorgegeben ist, oder ob ein der vorgegebene Grenzwert überschritten ist. Ist der vorgegebene Grenzwert überschritten, dann ist in einem Schritt S12 vorzugsweise ein Filtern und Enprellen FILT einer Fehlererkennung vorgesehen. In einem Schritt S13 wird ein erster Fehler ERR1 erkannt und in einem Fehlerspeicher ein entsprechender Fehlereintrag eingetragen und/oder eine Warnleuchte eingeschaltet. Durch das Filtern und Enprellen FILT kann verhindert werden, dass kurzzeitige Ausreißer in den Emissionen E zu einem Fehlereintrag führen, obwohl die Funktionsfähigkeit des Abgaskatalysators nicht beeinträchtigt ist. Das Programm wird in dem Schritt S8 beendet. Ferner wird das Programm ebenfalls in dem Schritt S8 beendet, wenn in dem Schritt S11 erkannt wurde, dass der vorgegebene Grenzwert eingehalten wurde. Bevorzugt wird das Programm zyklisch wiederholt ausgeführt. Mit dem Programm kann insbesondere die Diagnose für jede der mindestens einen Abgaskomponente separat durchgeführt werden und ermöglicht so eine besonders detaillierte und genaue Diagnoseaussage.
Eine räumlich lokal begrenzte Schädigung des Katalysators kann zu einer deutlichen Degradation der Schadstoffumsetzung des Katalysators im vorgegebenen Testzyklus TZ führen, ohne dass diese Schädigung in einer auf einer Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC basierenden Diagnose des Konvertierungsrate K erkennbar ist. Vergleicht man beispielsweise zwei Abgaskatalysatoren, die den gleichen Alterungszustand, das heißt insbesondere die gleiche Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC besitzen, und bei denen ein erster dieser Abgaskatalysatoren vornehmlich in einem hinteren Teil V1_b geschädigt ist – dieser erste Abgaskatalysator ist in 2 auf der linken Seite dargestellt – und ein zweiter dieser Abgaskatalysatoren ist vornehmlich in einem vorderen Teil V1_a geschädigt – in 2 auf der rechten Seite dargestellt, so wird das Abgasnachbehandlungssystem mit dem zweiten Abgaskatalysator in dem vorgegebenen Testzyklus TZ höhere HC-Emissionen aufweisen als das Abgasnachbehandlungssystem mit dem ersten Abgaskatalysator. Die vorgegebene Mindestbetriebstemperatur, die auch als ”light-off”-Temperatur bezeichnet wird, also diejenige Temperatur, bei der die Konversion der Abgaskomponenten im Abgaskatalysator einsetzt, wird bei dem zweiten Abgaskatalysator später erreicht als bei dem ersten Abgaskatalysator. Bei dem zweiten Abgaskatalysator wird zuerst der katalytisch geschädigte vordere Teil V1_a erwärmt, bevor es zu einer Erwärmung des katalytisch aktiven hinteren Teil V1_b kommt.
Zu Beginn des vorgegebenen Testzyklus TZ befindet sich das System zur Gemischaufbereitung zumeist in einem vorgesteuerten Zustand, das heißt, es findet noch keine Regelung des Luft/Kraftstoffverhältnisses statt. Dies führt dazu, dass in der Regel ein zu kraftstoffreiches Gemisch eingestellt wird, was zu erhöhten HC-Rohemissionen zu Beginn des vorgegebenen Testzyklus TZ führt. Treffen diese erhöhten HC-Rohemissionen auf den zweiten Abgaskatalysator, der aufgrund seiner lokalen Schädigung im vorderen Bereich erst verspätet konvertiert, so steigt die Fahrzeugemission in dem vorgegebenen Testzyklus TZ überproportional an, so dass vorgegebene Emissionsgrenzwerte überschritten werden. Die Diagnose basierend auf der Sauerstoffspeicherfährigkeit OSC würde jedoch sowohl den ersten als auch den zweiten Abgaskatalysator gleichermaßen als funktionsfähig diagnostizieren. 4 zeigt Verläufe einer Temperatur T_V1 des ersten Katalysatorvolumens V1 und insbesondere einer Temperatur T_V1_a des vorderen Teils V1_a des ersten Katalysatorvolumens V1 und eine Temperatur T_V1_b des hinteren Teils V1_b des ersten Katalysatorvolumens V1, sowie die Verläufe der Konvertierungsrate K und insbesondere einer Konvertierungsrate K_V1_a des vorderen Teils V1_a und einer Konvertierungsrate K_V1_b des hinteren Teils V1_b des ersten Katalysatorvolumens V1 und einen resultierenden Verlauf der integrierten Emission EI über die Zeit t für den ersten und den zweiten Abgaskatalysator.
Aus einem Verlauf der Konvertierungsrate K als Funktion der Temperatur T_V1 des ersten Katalysatorvolumens V1 kann auf eine potentielle ungleichmäßige Schädigung des Abgaskatalysators geschlossen werden. Hierzu wird beispielsweise ein Verhalten während eines Lastsprungs untersucht. Zwei Lastsprünge sind in 5 durch einen zeitlichen Verlauf des Luftmassenstromsignals MAF dargestellt. Ferner sind die zugehörigen Verläufe der Temperaturen T_V1_a, T_V1_b des vorderen und des hinteren Teils V1_a, V1_b des ersten Katalysatorvolumens V1 und der resultierenden Konvertierungsrate K dargestellt. Die Temperatur T_V1 des ersten Katalysatorvolumens V1 ist von einer Temperatur und Menge des durchströmenden Abgases abhängig. Während einer Schubphase oder Leerlaufphase sinkt die Temperatur T_V1 des ersten Katalysatorvolumens V1, da entsprechend weniger heißes Abgas und im Schub kalte Ansaugluft durch dieses hindurchströmen. Dabei bildet sich ein Temperaturgradient zwischen dem vorderen und dem hinteren Teil V1_a, V1_b aus, so dass aus dem Verlauf der Konvertierungsrate K während des Abkühlens oder Aufheizens auf eine lokale Schädigung geschlossen werden kann. Ist der vordere Teil V1_a geschädigt, so wird eine Abkühlung im vorderen Bereich nicht zu einer Verschlechterung der Konvertierungsrate K beitragen. Ist der vordere Teil V1_a geschädigt, so wird ein verzögertes Einsetzen der Konvertierung mit der Aufheizung des Abgaskatalysators zu beobachten sein. Ist der hintere Teil V1_b des ersten Katalysatorvolumens V1 geschädigt, so wird eine frühzeitige Verschlechterung der Konvertierungsrate K zu beobachten sein, sobald die Temperatur des Abgaskatalysators absinkt. Während des Aufheizens des Abgaskatalysators ist hingegen eine instantane Reaktion der Konvertierungsrate K zu sehen. Aus dem Verlauf der Konvertierungsrate nach dem Lastsprung kann daher die lokal begrenzte Schädigung des Abgaskatalysators abgeleitet werden.
Eine Konvertierungsrate K1 eines gleichmäßig geschädigten Abgaskatalysators verläuft auf einem niedrigeren Niveau als eine Konvertierungsrate K0 eines neuwertigen Abgaskatalysators, verläuft jedoch im Wesentlichen parallel zu dieser. Ein Verlauf einer Konvertierungsrate K3 des im vorderen Teil V1_a geschädigten zweiten Abgaskatalysators ist in Bezug auf einen Verlauf einer Konvertierungsrate K2 des im hinteren Teil V1_b geschädigten ersten Abgaskatalysators zeitlich verzögert. Dise kann für die Diagnose genutzt werden.
In 6 ist ein zweites Ablaufdiagramm des Programms zum Diagnostizieren des Abgaskatalysators dargestellt. Das Programm beginnt in einem Schritt S20. In einem Schritt S21 wird überprüft, ob ein Integrationszyklus INT_ZYK aktiv ist. Falls dies nicht der Fall ist, dann wird in einem Schritt S22 der Integrationszyklus INT_ZYK initialisiert. Die Schritte S23 bis S25 entsprechen im Wesentlichen den Schritten S5 bis S7 des in 3 dargestellten Programms. In einem Schritt S26 wird überprüft, ob eine Genauigkeit der erfassten oder ermittelten Daten ausreichend ist. Beispielsweise kann durch Ermitteln einer Variabilität VAR, zum Beispiel einer Standardabweichung, festgestellt werden, ob ein Ausreißer vorliegt. Ist die Genauigkeit ausreichend, dann wird in einem Schritt S27 der Integrationszyklus INT_ZYK beendet und in einem Schritt S28 die Konvertierungsrate K entsprechend Schritt S10 ermittelt. Ferner wird die Temperatur T_V1 des ersten Katalysatorvolumens V1 für den Integrationszyklus INT_ZYK erfasst oder ermittelt und der Konvertierungsrate K zugeordnet vorzugsweise in einem Ringspeicher RSP gespeichert. Durch zyklisch wiederholtes Ausführen der Schritte S21 bis S28 ist so ein Temperturverlauf des Abgaskatalysators und ein zugehöriger Konvertierungsratenverlauf in dem Ringspeicher RSP gespeichert. Das Speichern in dem Ringspeicher RSP erfolgt nicht, wenn die Genauigkeit gemäß Schritt S26 nicht ausreichend ist.
In einem Schritt S29 erfolgt eine Aktivierung einer Zonenschädigungserkennung dadurch, dass der in dem Ringspeicher RSP gespeicherte Temperaturverlauf mit mindestens einem vorgegebenen Temperaturverlauf, zum Beispiel nach einem Lastsprung, verglichen wird und eine hinreichende Übereinstimmung festgestellt wird. Insbesondere erfolgt die Aktivierung, wenn ein Abkühlen des Abgaskatalysators unterhalb der vorgegebenen Mindestbetriebstemperatur T_min erkannt wird, zum Beispiel bei einer lang anhaltenden Schubphase oder Leerlaufphase, zum Beispiel vor einer Ampel, oder wenn ein Aufheizen über die vorgegebene Mindestbetriebstemperatur T_min erkannt wird. In einem Schritt S31 wird dann der zugehörige Konvertierungsratenverlauf als Funktion der Temperatur T_V1 gemäß dem Temperaturverlauf mit mindestens einem Referenzverlauf REF verglichen. Dies erfolgt vorzugsweise für jede der mindestens einen Abgaskomponente separat.
In einem Schritt S32 wird überprüft, ob der Konvertierungsratenverlauf in Bezug auf den Referenzverlauf einen weiteren vorgegebenen Grenzwert einhält oder ob der weitere vorgegebene Grenzwert überschritten ist. Ist der vorgegebene Grenzwert überschritten, dann ist in einem Schritt S33 entsprechend Schritt S12 vorzugsweise das Filtern und Enprellen FILT der Fehlererkennung vorgesehen. In einem Schritt S34 wird entsprechend Schritt S13 ein zweiter Fehler ERR2 erkannt und in einem Fehlerspeicher ein entsprechender Fehlereintrag eingetragen und/oder eine Warnleuchte eingeschaltet. Durch das Filtern und Enprellen FILT kann verhindert werden, dass kurzzeitige Ausreißer zu einem Fehlereintrag führen, obwohl keine lokal begrenzte Zonenschädigung des Abgaskatalysators vorliegt. Das Programm wird in einem Schritt S30 beendet. Ferner wird das Programm ebenfalls in dem Schritt S30 beendet, wenn in dem Schritt S32 erkannt wurde, dass der weitere vorgegebene Grenzwert eingehalten wurde. Bevorzugt wird das Programm zyklisch wiederholt ausgeführt. Mit dem Programm kann insbesondere die Diagnose für jede der mindestens einen Abgaskomponente separat durchgeführt werden und ermöglicht so eine besonders detaillierte und genaue Diagnoseaussage. Die Schritte S21 bis S29 werden vorzugsweise fortlaufend wiederholt während des Betriebs des Kraftfahrzeugs ausgeführt.

Claims

Verfahren zum Diagnostizieren eines Abgaskatalysators, bei dem – ein erstes Abgassensorsignal (vls_up) eines ersten Sauerstoffsensors (AS1) erfasst wird, der in einem Abgasstrang stromaufwärts des Abgaskatalysators angeordnet ist, – ein zweites Abgassensorsignal (vls_down) eines zweiten Sauerstoffsensors (AS2) erfasst wird, der in dem Abgasstrang stromabwärts des Abgaskatalysators angeordnet ist, – ein jeweiliger erster Schätzwert einer Emission mindestens einer der Abgaskomponenten Kohlenmonoxid, Stickoxid oder Kohlenwasserstoff mit Hilfe eines Emissionsmodells (MOD) ermittelt wird in Bezug auf eine Position des ersten Sauerstoffsensors (AS1) in dem Abgasstrang abhängig von dem ersten Abgassensorsignal (vls_up), – ein jeweiliger zweiter Schätzwert einer Emission der mindestens einen Abgaskomponente mit Hilfe eines Emissionsmodells (MOD) ermittelt wird in Bezug auf eine Position des zweiten Sauerstoffsensors (AS2) in dem Abgasstrang abhängig von dem zweiten Abgassensorsignal (vls_down), – eine Konvertierungsrate (K) der mindestens einen Abgaskomponente geschätzt wird abhängig von einem Verhältnis des zweiten und des ersten Schätzwerts der ermittelten Emission und – der Abgaskatalysator diagnostiziert wird abhängig von der ermittelten Konvertierungsrate (K).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – der erste und der zweite Schätzwert jeweils integriert werden über eine vorgegebene Zeitdauer oder über eine mit einem Kraftfahrzeug zurückgelegte vorgegebene Wegstrecke und – die Konvertierungsrate (K) der mindestens einen Abgaskomponente geschätzt wird abhängig von einem Verhältnis des integrierten zweiten und des integrierten ersten Schätzwerts der ermittelten Emission.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem – mindestens eine Größe, die repräsentativ ist für ein Fahrprofil (FP), in dem das Kraftfahrzeug aktuell gefahren wird, jeweils integriert wird über die vorgegebene Zeitdauer oder über die mit dem Kraftfahrzeug zurückgelegte vorgegebene Wegstrecke, – eine Übereinstimmung des Fahrprofils (FP) mit mindestens einem Teil eines vorgegebenen Testzyklus (TZ) ermittelt wird abhängig von der mindestens einen integrierten Größe, – die geschätzte Konvertierungsrate (K) mit einer jeweils für den mindestens einen Teil des vorgegebenen Testzyklus (TZ) vorgegebenen Konvertierungsrate verglichen wird, falls die Übereinstimmung festgestellt wurde, und – ein erster Fehler (ERR1) erkannt wird abhängig von der geschätzten Konvertierungsrate (K) und der vorgegebenen Konvertierungsrate.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem – eine Temperatur des Abgaskatalysators erfasst oder ermittelt wird und der jeweiligen geschätzten Konvertierungsrate (K) zugeordnet wird, – eine zeitliche Folge der erfassten oder ermittelten Temperaturen des Abgaskatalysators auf ein Vorliegen eines vorgegebenen Temperaturverlaufs überprüft wird und – bei Vorliegen des vorgegebenen Temperaturverlaufs eine der zeitlichen Folge der erfassten oder ermittelten Temperaturen des Abgaskatalysators zugehörige zeitliche Folge der jeweils geschätzten Konvertierungsraten (K) überprüft wird auf ein Vorliegen eines für einen zweiten Fehler (ERR2) charakteristischen Konvertierungsratenverlaufs.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem abhängig von der zeitlichen Folge der jeweils geschätzten Konvertierungsraten (K) eine lokale Schädigung des Abgaskatalysators in einem vorderen Teil und/oder eine lokale Schädigung des Abgaskatalysators in einem hinteren Teil des Abgaskatalysators als der zweite Fehler (ERR2) erkannt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei dem der vorgegebene Temperaturverlauf eine monoton steigende oder monoton fallende Temperatur des Abgaskatalysators repräsentiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem der vorgegebene Temperaturverlauf einen Temperaturanstieg über oder einen Temperaturabfall unter eine vorgegebene Mindestbetriebstemperatur (T_min) des Abgaskatalysators umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der jeweilige Schätzwert der Emission der mindestens einen Abgaskomponente abhängig von einem Emissionsmodell (MOD) geschätzt wird abhängig von dem ersten oder dem zweiten Abgassensorsignal (vls_up, vls_down), einem Gradientensignal (grd_vls_down), das als zeitliche Ableitung des ersten oder zweiten Abgassensorsignals (vls_up, vls_down) ermittelt wird, und einem Luftmassenstromsignal (MAF).
Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Abgaskatalysators, die ausgebildet ist – zum Erfassen eines ersten Abgassensorsignals (vls_up) eines ersten Sauerstoffsensors (AS1), der in einem Abgasstrang stromaufwärts des Abgaskatalysators angeordnet ist, – zum Erfassen eines zweiten Abgassensorsignals (vls_down) eines zweiten Sauerstoffsensors (AS2), der in dem Abgasstrang stromabwärts des Abgaskatalysators angeordnet ist, – zum Ermitteln eines jeweiligen ersten Schätzwerts einer Emission mindestens einer der Abgaskomponenten Kohlenmonoxid, Stickoxid oder Kohlenwasserstoff mit Hilfe eines Emissionsmodells (MOD) in Bezug auf eine Position des ersten Sauerstoffsensors (AS1) in dem Abgasstrang abhängig von dem ersten Abgassensorsignal (vls_up), – zum Ermitteln eines jeweiligen zweiten Schätzwerts einer Emission der mindestens einen Abgaskomponente mit Hilfe eines Emissionsmodells (MOD) in Bezug auf eine Position des zweiten Sauerstofffsensors (AS2) in dem Abgasstrang abhängig von dem zweiten Abgassensorsignal (vls_down), – zum Schätzen einer Konvertierungsrate (K) der mindestens einen Abgaskomponente abhängig von einem Verhältnis des zweiten und des ersten Schätzwerts der ermittelten Emission und – zum Diagnostizieren des Abgaskatalysators abhängig von der ermittelten Konvertierungsrate (K).