DE102011003493B4

DE102011003493B4 - Verfahren und Steuergerät zur Diagnose eines Katalysatorsystems einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102011003493B4
Application number: DE102011003493.5A
Authority: DE
Inventors: Adam Pawlowski; Magnus Labbe; Ralf Zimmerschied; Richard Hotzel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-02-02
Filing date: 2011-02-02
Publication date: 2023-12-28
Anticipated expiration: 2031-02-03
Also published as: DE102011003493A1

Abstract

Verfahren zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit eines Katalysators (10) im Abgassystem einer Brennkraftmaschine, wobei der Katalysator (10) durch Einbringen einer Reduktionsmittelmenge in den Katalysator (10) vorbereitet wird und anschließend eine Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators (10) ermittelt wird, und eine dem Katalysator (10) zugeführte Sauerstoffmenge (16) kontinuierlich erhöht wird, dadurch gekennzeichnet, dass vorab eine Dynamikdiagnose (20) einer primären Lambdasonde (12) erfolgt und eine Dynamik mit der der zugeführte Sauerstoffstrom (16) erhöht wird, einer Dynamik der primären Lambdasonde (12) angepasst ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Steuergerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6. Ein solches Verfahren und ein solches Steuergerät ist jeweils aus der Veröffentlichung „Ottomotor-Management, Motronic-Systeme“, Herausgeber: Robert Bosch GmbH, 1. Ausgabe, April 2003, dort S. 58, bekannt.
Aufgrund von Forderungen der Gesetzgeber weltweit müssen abgasrelevante Komponenten von Kraftfahrzeugen im Betrieb des Kraftfahrzeugs überwacht werden; die sogenannte On-Board-Diagnose (OBD). Zu den abgasrelevanten Komponenten zählen insbesondere auch Katalysatoren, die unter anderem im Abgas enthaltene Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenmonoxid (CO) mit Sauerstoff zu Wasser und Kohlendioxid konvertieren. Dabei geht man von einer Korrelation zwischen der HC-Konvertierungsfähigkeit und einer Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators aus. Die Sauerstoffspeicherkapazität ist durch Auswerten von Signalen sauerstoffempfindlicher Abgassensoren und Signalen anderer Sensoren, aus denen sich ein Abgasmassenstrom bestimmen lässt, im Betrieb des Kraftfahrzeugs bestimmbar.
Das bekannte Verfahren basiert auf der direkten Messung der SauerstoffAufnahme oder Sauerstoffspeicherung beim Übergang von fettem zu magerem Gemisch. Vor dem Katalysator ist eine stetige Breitband-Lambda-Sonde eingebaut, die den Sauerstoffgehalt im Abgas misst. Hinter dem Katalysator befindet sich eine zweite Lambda-Sonde, die den Zustand des Sauerstoffspeichers detektiert. Beide Sondentypen sind dem Fachmann bekannt und werden zum Beispiel in dem Buch „Kraftfahrtechnisches Taschenbuch“, Verlag Friedrich Vieweg & Sohn, Verlagsgesellschaft m. b. H., Braunschweig/Wiesbaden, 1999, ISBN 3-528-03876-4, dort S. 522 - 524 zusammen mit einer Lambda-Regelung erläutert.
In einem ersten Schritt des bekannten Verfahrens wird der Sauerstoffspeicher durch eine reduzierende Abgasatmosphäre geleert. Das erfolgt dadurch, dass der Verbrennungsmotor mit fettem Luft-Kraftstoff-Gemisch (Lambda < 1) betrieben wird. Durch die reduzierende Abgasatmosphäre wird Reduktionsmittel aus unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO) in den Katalysator eingebracht. Das Sondensignal der zweiten Lambda-Sonde hinter dem Katalysator zeigt dies durch eine Spannung an, die einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch nach dem Katalysator entsprechend, beispielsweise größer als 650 mV ist. Im nächsten Schritt wird Sauerstoff in den Katalysator eingebracht und die eingetragene Sauerstoffmasse bis zum Überlauf des Sauerstoffspeichers mit Hilfe des Luftmassenstroms und des primären Lambda-Sondensignals berechnet. Der eingebrachte Sauerstoff stammt dabei aus einer oxidierenden Abgasatmosphäre, die durch einen Betrieb des Verbrennungsmotors mit magerem Gemisch (Lambda > 1) erzeugt wird. Der Überlauf des Sauerstoffspeichers ist durch Absinken der Sondenspannung hinter dem Katalysator auf Werte kleiner als z. B. 200 mV, entsprechend einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch, gekennzeichnet.
Der berechnete Integralwert der Sauerstoffmasse gibt die aufgenommene Sauerstoffmenge, das heißt die Sauerstoffspeicherfähigkeit, des Katalysators an. Dieser Wert muss einen Referenzwert überschreiten, sonst wird vom On-Board-Diagnose- (OBD-)System eine Fehlermeldung erzeugt.
Üblicherweise wird der Verbrennungsmotor sprungartig auf mageres Gemisch umgeschaltet und der dabei in den Katalysator eingebrachte Sauerstoffstrom mit der ersten Lambdasonde vor dem Katalysator gemessen. Dynamisch langsame Lambdasonden, nachfolgend auch als träge bezeichnet, können diesem Sprung von fettem zu magerem Gemisch nicht folgen und signalisieren einen geringeren Sauerstoffgehalt als tatsächlich vorhanden. Die auf den Signalen der ersten Lambdasonde basierende Lambdaregelung reagiert daraufhin mit einer Abmagerung des Gemischs, was zur Folge hat, dass der tatsächliche Sauerstoffgehalt im Abgas überschwingt und das Gemisch wesentlich magerer wird. Im Extremfall, abhängig unter anderem von der Reglereinstellung, kann das Gemisch soweit abmagern, bis der von der primären Lambdasonde gemessene Wert dem vorgegebenen Soll-Wert entspricht, was zu einem wesentlich magereren tatsächlichen Gemisch führt.
Weil für die Berechnung der eingespeicherten Sauerstoffmenge das, in diesem Fall zu niedrige, Lambdasondensignal verwendet wird, ist die tatsächlich vom Katalysator eingespeicherte Sauerstoffmenge größer als die vom OBD-System berechnete. Das führt dazu, dass der Katalysator systematisch schlechter eingestuft wird und unter Umständen auch als fehlerhaft diagnostiziert wird.
Aus der Druckschrift DE 10 2005 057 957 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung einer Abgasreinigungsanlage einer Brennkraftmaschine bekannt. In der Abgasreinigungsanlage ist hinter einem Katalysator eine Abgassonde angeordnet, die mit einer Steuereinrichtung verbunden ist mit Sprungcharakteristik. Zur Bestimmung der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators wird gezielt mittels einer Lambda-Vorsteuerung zwischen einem fetten und einem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch gewechselt. Ein Vorsteuerfehler wird durch einen sich ändernden Zeitpunkt eines Sprungs im Signalverlauf der Abgassonde detektiert. Dabei wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch derart vorgesteuert, dass die Lambda-Vorsteuerung im Bereich λ = 1 einen flachen Verlauf einnimmt.
Aus der Druckschrift DE 10 2005 058 524 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung einer Abgasreinigungsanlage einer Brennkraftmaschine mit einer in der Abgasreinigungsanlage hinter einem Katalysator angeordneten, mit einer Steuereinrichtung verbundenen Abgassonde mit Sprungcharakteristik offenbart. Zur Bestimmung der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators wird gezielt mittels einer modellierten Lambda-Vorsteuerung zwischen einem fetten und einem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch gewechselt. Die modellierte Lambda-Vorsteuerung wird derart vorgegeben, dass ein Lambda-Wert in seinem zeitlichen Verlauf nach einem minimalen Lambda-Wert einen Bereich stetiger Zunahme oder nach einem maximalen Lambda-Wert einen Bereich stetiger Abnahme durchläuft. Im Bereich der stetigen Zunahme wird im zeitlichen Verlauf der modellierten Lambda-Vorsteuerung der Lambda-Wert linear ansteigend in Form einer Rampe vorgesteuert.
Aus der Druckschrift DE 41 124 78 A1 ist ein Verfahren zum Beurteilen des Alterungszustandes eines Katalysators, dem das Abgas eines lambdageregelten Verbrennungsmotors zugeführt wird, bekannt. Dabei werden die Lambdawerte vor und hinter dem Katalysator gemessen und untersucht, ob bei einer Regelschwingung des Lambdawertes vor dem Katalysator von Fett nach Mager oder umgekehrt der Lambdawert hinter dem Katalysator einen entsprechenden Übergang zeigt, und dann, wenn dies der Fall ist, der den Katalysator durchströmende Gasmassenstrom bestimmt. Das zeitliche Integral des Produktes aus Gasmassenstrom und Lambdawert vor dem Katalysator und das zeitliche Integral des Produktes aus Gasmassenstrom und Lambdawert hinter dem Katalysator werden berechnet. Als Maß für den Alterungszustand des Katalysators werden entweder die Differenz zwischen den beiden Integralen oder der Quotient aus den beiden Integralen oder der Quotient aus der Differenz und einem der beiden Integrale verwendet.
Aus der Druckschrift DE 100 64 665 A1 ist bekannt zur Vermeidung von Fahrzeug-Ruckeln den Übergang zwischen verschiedenen Betriebsmodi einer Brennkraftmaschine nicht sprungartig durchzuführen, sondern die Luftzahl über eine Rampenfunktion zu verändern,
Offenbarung der Erfindung
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch eine Steuereinrichtung nach dem nebengeordneten Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
Ein Vorteil der Erfindung ist es, dass durch das langsame, sukzessive Ansteigen, anstelle eines sprungartigen Anstiegs, des Sauerstoffanteils im Abgas, auch dynamisch langsame Lambdasonden dem Anstieg folgen können, so dass der mit Hilfe der ersten Lambdasonde gemessene Sauerstoffanteilstrom auch dem tatsächlichen Sauerstoffstrom weitestgehend entspricht. Dadurch wird erstens ein Überschwingen der Lambdaregelung vermieden. Zweitens ist es dadurch möglich, auch mit trägen Lambdasonden zuverlässig die gesetzlich vorgeschriebene Katalysator-Diagnose korrekt durchzuführen. Es ist dabei vorgesehen, vorab eine Dynamikdiagnose der primären oder ersten Lambdasonde durchzuführen. Wird vor der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Dynamik der primären Lambdasonde mit einem bekannten Verfahren ermittelt, so können durch Anpassung des Lambdawechsels von fettem zu magerem Luft-Kraftstoff Gemisch an die Dynamik der Lambdasonde auch noch Lambdasonden verwendet werden, die nach bekannten Verfahren eine Fehlermeldung erzeugen. Dadurch wird das Gesamtsystem zuverlässiger. Außerdem können die Anforderungen an die Dynamik der ersten Lambda-Sonde herabgesetzt werden. Damit werden OBD-Fehlermeldungen verhindert, die nicht auf einen fehlerhaften Katalysator, sondern auf eine träge erste Lambda-Sonde zurückzuführen sind.
Besonders hilfreich ist es, wenn der zugeführte Sauerstoffstrom linear, exponentiell oder sinusförmig gesteigert wird, wenn die erste Lambda-Sonde verhältnismäßig träge ist. Durch die Auswahl unterschiedlicher Lambdasteigerungen, kann die Geschwindigkeit, mit der der zugeführte Sauerstoffstrom gesteigert wird, individuell an die Sondendynamik angepasst werden.
Deshalb sieht auch eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass der zugeführte Sauerstoffstrom schnellstmöglich gesteigert wird. Im Grenzfall, das bedeutet, wenn die vorab durchgeführte Dynamikdiagnose der ersten Lambda-Sonde keine Auffälligkeiten zeigt, erfolgt der Lambdawechsel von geringem zu hohem zugeführtem Sauerstoffstrom sprungartig.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:

1 das technische Umfeld der Erfindung;
2 das Regelverhalten mit einer trägen Lambda-Sonde und OBD nach dem Stand der Technik,
3 das Regelverhalten mit einer trägen Lambda-Sonde und einer erfindungsgemäßen OBD und
4 ein Flussdiagramm als Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens;

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Katalysators 10, wie er beispielsweise in einem Abgastrakt herkömmlicher Brennkraftmaschinen angeordnet sein kann. Dem Katalysator 10 ist stromaufwärts - bezogen auf eine in 1 von links nach rechts verlaufende Strömungsrichtung des von der nicht dargestellten Brennkraftmaschine abgegebenen Abgases - eine primäre oder erste Lambdasonde 12 zugeordnet, die dazu ausgebildet ist, einen ersten Lambdawert des dem Katalysator 10 zugeführten Abgases zu ermitteln. Ferner ist dem Katalysator 10 stromabwärts eine sekundäre oder zweite Lambdasonde 14 zugeordnet, die dazu ausgebildet ist, einen zweiten Lambdawert zu ermitteln.
Der zweite Lambdawert dient zur Beurteilung, ob fettes oder mageres Abgas den Katalysator 10 verlässt.
Der in 1 mit dem Bezugszeichen 16 bezeichnete Blockpfeil eingangsseitig des Katalysators 10 symbolisiert einen Sauerstoffstrom, der dem Katalysator 10 zugeführt wird. Beziehungsweise bezeichnet der Pfeil 18 einen Sauerstoffstrom, der aus diesem wieder austritt. Bei dem in 1 beispielhaft abgebildeten Betriebszustand wird dem Katalysator 10 ein größerer Sauerstoffstrom 16 zugeführt, als ihm in derselben Zeit entnommen wird, es handelt sich mithin um eine Sauerstoffspeicherphase, bei der Sauerstoff in mindestens einer sauerstoffspeicherfähigen Schicht (nicht gezeigt) des Katalysators 10 eingespeichert wird.
Dem Katalysator 10 ist ferner eine Steuereinrichtung 20 zugeordnet, die z. B. die Sensorsignale der Lambdasonden 12, 14 auswerten kann und dazu ausgebildet ist, das nachstehend unter Bezugnahme auf 2 beschriebene Verfahren auszuführen, um die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators 10 zu bewerten. Bei der Steuereinrichtung 20 kann es sich z. B. auch um eine den Betrieb der Brennkraftmaschine regelnde Steuereinrichtung, das sogenannte Motorsteuergerät, handeln.
2 zeigt in einem Diagramm 22 den Zusammenhang zwischen einem von der ersten Lambdasonde 12 gemessenen Sauerstoffmenge und der tatsächlich vorhandenen Sauerstoffmenge nach einer von der Steuereinrichtung 20 zur Überprüfung des Katalysators 28 aufgeprägten Sprungfunktion 24. Diese Sprungfunktion wird derzeit bei der On-Board-Diagnose (OBD) des Katalysators 10 verwendet.
Beide Werte sind als Kurven 26 beziehungsweise 28 über der Zeit t aufgetragen. Bei Start der Diagnose des Katalysators 10, zu einem Zeitpunkt t₀, stellt die Steuereinrichtung 20 sprungartig von fettem Gemisch (λ < 1) zu magerem Gemisch (λ > 1) um. Dieser Vorgang wird im Diagramm 22 durch die Kurve 24 dargestellt. Eine träge erste Lambdasonde 12 kann diesem Sprung nicht folgen und signalisiert deshalb Ausgangs-Werte, die der Kurve 26 entsprechen. Daraufhin reagiert die Steuereinrichtung 20 mit einer weiteren Abmagerung des Gemisches. Die Folge davon ist, dass die tatsächlich im Abgas enthaltene Sauerstoffmenge überschwingt, wie in Kurve 28 dargestellt.
Weil zur Ermittlung der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators die Fläche (das Integral) unter der Kurve 26 von einem ersten Zeitpunkt t₁ bis zu einem zweiten Zeitpunkt t₂ berechnet wird, die tatsächlich eingespeicherte Sauerstoffmenge jedoch der Fläche unter der Kurve 28 entspricht, ergibt sich als Differenz eine schraffierte Fläche 30. Die schraffierte Fläche 30 ist folglich ein Maß für einen systematischen Fehler in der Ermittlung der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators 10. Die Größe der schraffierten Fläche 30 hängt dabei einerseits von der Dynamik der ersten Lambdasonde 12 und andererseits von einer Reglereinstellung der Steuereinrichtung 20 ab. Daraus ergibt sich, dass bei Verwendung einer trägen ersten Lambdasonde 12 der Katalysator 10 eine größere Sauerstoffspeicherfähigkeit besitzen muss, um noch als gut diagnostiziert zu werden.
Um die schraffierte Fläche 30 möglichst klein zu halten, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, der Kurve 24 eine flachere Steigung zu geben, wie in 3 dargestellt. Gezeigt wird das Diagramm 22 und darin eingezeichnet die erfindungsgemäße Kurve 24. Dabei kann der Kurvenverlauf linear 24a als Rampe, sinusförmig 24b oder exponentiell 24c sein. Denkbar sind alle Kurvenverläufe mit einer Steigung < ∞. Einer flachen Steigung kann auch eine träge erste Lambdasonde 12 besser folgen, und die von ihr an die Steuereinrichtung 20 signalisierten Werte entsprechen den vorgegebenen. Damit muss die Sauerstoffmenge nicht nachgeregelt werden und ein Überschwingen der tatsächlichen Sauerstoffmenge 28, wie in 2 dargestellt, wird vermieden. Die Steigung der Kurve 24 soll an die Dynamik der ersten Lambdasonde 12 angepasst und so steil wie möglich sein, um die für die Diagnose benötigte Zeit möglichst kurz zu halten.
Im Folgenden wird eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezug auf die 4 erläutert. Diese Ausgestaltung bezieht sich allgemein auf eine Prüfung der Funktionsfähigkeit eines katalytischen Volumens im Abgassystem eines Verbrennungsmotors, das zwischen zwei Lambdasonden 12, 14 angeordnet ist.
Zunächst wird in einem Schritt 32, nach bekannten Verfahren, die Dynamik der primären Lambdasonde 12 bestimmt. Anschließend wird im Schritt 34 die Diagnose des Katalysators 10 gestartet, indem zunächst wie bislang mit einem fetten Gemisch der Katalysator 10 vorkonditioniert wird. In einer Abfrage 36 erfolgt die Auswertung der zuvor in Schritt 32 ermittelten Sondendynamik. Bei einer unauffälligen Sondendynamik wird zum standardmäßigen, sprunghaften Anstieg der Sauerstoffzufuhr nach Schritt 38 verzweigt. Zeigt die Sondendynamik Auffälligkeiten, wird im folgenden Schritt 40 die Sauerstoffmenge entsprechend der ermittelten Sondendynamik gesteigert. In einem Schritt 42 wird nach einem bereits bekannten Verfahren die im Katalysator 10 gespeicherte Sauerstoffmenge berechnet.
Das erfindungsgemäße Prinzip stellt ein robustes Verfahren zur Ermittlung der Sauerstoff-Speicherfähigkeit eines Katalysators 10 dar. Unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Sauerstoffspeicherfähigkeit genau quantifiziert werden, so dass z. B. eine Alterung oder Schädigung des Katalysators 10 erkannt wird. Da das erfindungsgemäße Prinzip direkt auf Lambdawerten basiert, ist eine robuste und präzise Diagnose der Sauerstoffspeicherfähigkeit ermöglicht.

Claims

Verfahren zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit eines Katalysators (10) im Abgassystem einer Brennkraftmaschine, wobei der Katalysator (10) durch Einbringen einer Reduktionsmittelmenge in den Katalysator (10) vorbereitet wird und anschließend eine Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators (10) ermittelt wird, und eine dem Katalysator (10) zugeführte Sauerstoffmenge (16) kontinuierlich erhöht wird, dadurch gekennzeichnet, dass vorab eine Dynamikdiagnose (20) einer primären Lambdasonde (12) erfolgt und eine Dynamik mit der der zugeführte Sauerstoffstrom (16) erhöht wird, einer Dynamik der primären Lambdasonde (12) angepasst ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zugeführte Sauerstoffstrom (16) linear (24a) gesteigert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zugeführte Sauerstoffstrom (16) exponentiell (24c) gesteigert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zugeführte Sauerstoffstrom (16) sinusförmig (24b) gesteigert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zugeführte Sauerstoffstrom (16) schnellstmöglich gesteigert wird.
Steuergerät (20) zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit eines Katalysators (10) im Abgassystem einer Brennkraftmaschine, wobei das Steuergerät (20) dazu eingerichtet ist, den Katalysator (10) zunächst durch Einbringen einer Reduktionsmittelmenge in den Katalysator (10) vorzubereiten und anschließend eine Sauerstoffaufnahme des Katalysators (10) zu ermitteln, und das Steuergerät (20) dazu eingerichtet ist, einen zugeführten Sauerstoffstrom kontinuierlich zu erhöhen, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (20) dazu eingerichtet ist, dass vorab eine Dynamikdiagnose (20) einer primären Lambdasonde (12) erfolgt und eine Dynamik mit der der zugeführte Sauerstoffstrom (16) erhöht wird, einer Dynamik der primären Lambdasonde (12) anzupassen.
Steuergerät (20) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es dazu eingerichtet ist, einen Ablauf eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zu steuern.