DE10310954A1 - Verfahren zur Diagnose eines NOx-Sensors - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Diagnose eines NOx-Sensors (15) vorgeschlagen. Gebildet wird wenigstens eine Differenz (D1-D5) zwischen zu unterschiedlichen Zeitpunkten (T1-T6) erfassten Signalwerten (NO1-NO5) des NOx-Sensorsignals (NO). Ein Fehlersignal (FS) wird ausgegeben, wenn wenigstens eine Differenz (D1-D5) einen Schwellenwert (SW1-SW5) unterschreitet.

Description

  • In der DE 198 43 879 A1 ist ein Betriebsverfahren einer Brennkraftmaschine beschrieben, in deren Abgasbereich ein NOx-Speicherkatalysator angeordnet ist. In einer ersten Betriebsphase, in welcher die Brennkraftmaschine im Rahmen einer geschichteten Zylinderfüllung mager betrieben wird, erfolgt eine Einlagerung des entstehenden NOx in den NOx-Speicherkatalysator. In einer zweiten Betriebsphase, in welcher die Brennkraftmaschine im Rahmen einer homogenen Zylinderfüllung stöchiometrisch oder fett betrieben wird, erfolgt ein Regenerieren des NOx-Speicherkatalysators. Ein hinter dem NOx-Speicherkatalysator angeordneter NOx-Sensor detektiert eine ansteigende NOx-Konzentration im Abgas während der ersten Betriebsphase. Ein Wechsel in die zweite Betriebsphase wird eingeleitet, sobald die NOx-Konzentration einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt. In anderen Ausführungsbeispielen erfolgt ein Wechsel von der ersten zur zweiten Betriebsphase dann, wenn der NOx-Massenstrom oder das Integral des NOx-Massenstroms in der ersten Betriebsphase hinter dem NOx-Speicherkatalysator einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt. Der NOx-Massenstrom hinter dem NOx-Speicherkatalysator kann aus dem Signal des NOx-Sensors und dem Abgasmassenstrom erhalten werden, der aus dem gemessenen Ansaugluftmassenstrom ermittelt werden kann.
  • In der DE 197 39 848 A1 ist ebenfalls ein Betriebsverfahren einer Brennkraftmaschine beschrieben, in deren Abgasbereich ein NOx-Speicherkatalysator angeordnet ist. Ein Wechsel von der ersten in die zweite Betriebphase wird in Abhängigkeit von der im NOx-Speicherkatalysator gespeicherten NOx-Masse vorgenommen. Die Masse wird aus dem Integral des NOx-Massenstroms ermittelt, der seinerseits aus dem gemessenen Luftmassenstrom oder aus der bekannten Last der Brennkraftmaschine ermittelt wird. Gegebenenfalls kann die Drehzahl der Brennkraftmaschine und/oder das Abgas-Lambda und/oder die Katalysatortemperatur und/oder das Sättigungsverhalten des Katalysators mitberücksichtigt werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Diagnose eines NOx-Sensors anzugeben, das eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.
  • Die Aufgabe wird durch die im unabhängigen Anspruch angegebenen Merkmale gelöst.
    •
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass wenigstens zwei Signalwerte des NOx-Sensorsignals zu unterschiedlichen Zeitpunkten betrachtet werden, dass zumindest eine Differenz zwischen den Signalwerten ermittelt wird, dass ein Vergleich der Differenz mit einem Schwellenwert erfolgt und dass ein Fehlersignal ausgegeben wird, wenn die Differenz den Schwellenwert unterschreitet.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Diagnose des vom NOx-Sensor abgegebenen Sensorsignals durch eine Überwachung, ob sich das Sensorsignal zu unterschiedlichen Zeiten um eine erwartete Differenz geändert hat. Die Diagnose entspricht einer Plausibilisierung des NOx-Sensorsignals.
  • Das erfindingsgemäße Verfahren sichert mit der Diagnose die Einhaltung vorgegebener Abgasgrenzwerte dadurch, dass bei einer Abweichung von erwarteten Änderungen des NOx-Sensorsignals zu unterschiedlichen Zeitpunkten das NOx-Sensorsignal für die Entscheidung über einen Betriebsphasenwechsel nicht mehr berücksichtigt wird. Ein ausgegebenes Fehlersignal wird beispielsweise zu einer Maskierung bzw. Ausblendung des NOx-Sensorsignals herangezogen. Weiterhin kann eine Aufforderung zu einem Service generiert werden.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus abhängigen Ansprüchen.
  • Eine Weiterbildung sieht die Bereitstellung eines Ausblendsignals vor, das vorzugsweise zum Ende der ersten Betriebsphase der Brennkraftmaschine beginnt und das in der folgenden ersten Betriebsphase endet. Mit dieser Maßnahme kann das NOx-Sensorsignal während der zweiten Betriebsphase der Brennkraftmaschine für die weitere Signalverarbeitung gesperrt werden, da nicht auszuschließen ist, dass das NOx-Sensorsignal aufgrund der erhöhten NOx-Konzentration im Abgas während der zweiten Betriebsphase in Sättigung geht und somit keine verlässlichen Signalwerte widerspiegelt. Das Ausblendsignal sollte nicht unmittelbar mit dem Ende der zweiten Betriebsphase zurückgenommen werden, damit dem NOx-Sensorsignal eine Erholzeit zugestanden werden kann. Das Ausblendsignal endet deshalb vorteilhafterweise erst nach dem Beginn der ersten Betriebsphase.
  • Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht eine Differenzbildung von Signalwerten vor, die während der ersten Betriebsphase auftreten.
  • Eine Weiterbildung dieser Ausgestaltung sieht vor, dass der erste Signalwert in der ersten Betriebsphase zum Ende des Ausblendsignals und der zweite Signalwert zum Ende der ersten Betriebsphase erfasst wird.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der erste Signalwert zum Ende der ersten Betriebsphase und der zweite Signalwert zum Ende der zweiten Betriebsphase erfasst wird.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der erste Signalwert zum Ende der zweiten Betriebsphase und der zweite Signalwert zum Ende des Ausblendsignals erfasst wird.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der erste Signalwert zum Ende der ersten Betriebsphase und der zweite Signalwert zum Ende des Ausblendsignals erfasst wird.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass wenigstens eine weitere Differenzbildung vorgesehen ist, sofern bei einer ersten Differenzbildung der vorgegebene Schwellenwert unterschritten wurde. Mit dieser Maßnahme wird eine Ausgabe des Fehlersignals nach sporadisch auftretenden Fehlern unterbunden.
    •
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
  • 1 zeigt ein technisches Umfeld, in dem ein erfindungsgemäßes Verfahren abläuft und 2a bis 2c zeigen Signalverläufe in Abhängigkeit von der Zeit.
  • 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 10, die ein Drehzahlsignal N an eine Motorsteuerting 11 abgibt. Ein in einem Ansaugbereich angeordneter Luftmengensensor oder Luftmassensensor 12 gibt ein Luftmengensignal oder Luftmassensignal LS an die Motorsteuerung 11 ab, der weiterhin ein Fahrpedalsignal PW zugeführt ist. In einen Abgasbereich der Brennkraftmaschine 10 ist ein NOx-Speicherkatalysator 13 angeordnet, der im Folgenden als Kat bezeichnet wird. Hinter dem Kat 13 ist ein Lambdasensor 14 angeordnet, der ein Lambdasignal LAM an die Motorsteuerung 11 abgibt. Hinter dem Kat 13 ist weiterhin ein NOx-Sensor 15 angeordnet, der ein NOx-Sensorsignal NO an die Motorsteuerung 11 und an einen ersten bis dritten Speicher 16, 17, 18 abgibt. In 1 ist angedeutet, dass der Lambdasensor 14 und der NOx-Sensor 15 eine Baueinheit bilden können.
  • Die Motorsteuerung 11 gibt ein Kraftstoffzumesssignal KS an die Brennkraftmaschine 10 und ein Betriebsphasensignal B an einen Zeitgeber 19 sowie an den zweiten und dritten Speicher 17, 18 ab. Der Zeitgeber 19 gibt ein Ausblendsignal A an den ersten Speicher 16 ab. Die Speicher 16, 17, 18 leiten die gespeicherten NOx-Sensorsignalwerte an einen Signalbewerter 20 weiter, der weiterhin Schwellenwerte SW1, SW2, SW3, SW4 zugeführt erhält. Der Signalbewerter 20 gibt ein Fehlersignal FS aus.
  • 2a zeigt den zeitlichen Verlauf des Lambdasignals LAM und des NOx-Sensorsignals NO. Zu einem ersten Zeitpunkt T1 liegt ein erster Wert NO1, zu einem dritten Zeitpunkt ein zweiter Wert NO2, zu einem vierten Zeitpunkt T4 ein dritter Wert NO3, zu einem fünften Zeitpunkt T5 ein vierter Wert NO4 und zu einem sechsten Zeitpunkt T6 ein fünfter Wert NO5 des NOx-Sensorsignals NO vor. Zu einem zweiten Zeitpunkt T2 liegt ein erster Wert LAM1 und zum fünften Zeitpunkt T5 ein zweiter Wert LAM2 des Lambdasignals LAM vor. Eingetragen sind eine erste Differenz D1 zwischen dem zweiten Wert NO2 und dem dritten Wert NO3, eine zweite Differenz D2 zwischen dem dritten Wert NO3 und dem vierten Wert NO4, eine dritte Differenz D3 zwischen dem zweiten Wert NO2 und dem vierten Wert NO4, eine vierte Differenz D4 zwischen dem dritten Wert NO3 und dem fünften Wert NO5 sowie eine fünfte Differenz D5 zwischen dem vierten Wert NO4 und dem fünften Wert NO5 des NOx-Sensorsignals NO.
  • 2b zeigt das Betriebsphasensignal B, das eine zwischen dem ersten und zweiten Zeitpunkt T1, T2 liegende erste Regenerierphase R1, eine zwischen dem zweiten Zeitpunkt T2 und dem vierten Zeitpunkt T4 liegende erste Magerphase M1, eine zwischen dem vierten und fünften Zeitpunkt T4, T5 liegende zweite Regenerierphase R2 und eine zum fünften Zeitpunkt T5 beginnende zweite Magerphase M2 anzeigt.
  • 2c zeigt das vom Zeitgeber 16 bereitgestellte Ausblendsignal A, das zwischen dem ersten und dritten Zeitpunkt T1, T3 sowie zwischen dem vierten und sechsten Zeitpunkt T6 auftritt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der in den 2a bis 2c gezeigten Signalverläufen erläutert:
    Die Brennkraftmaschine 10 kann gemäß der genannten DE 198 43 879 A1 in zwei verschiedenen Betriebsphasen betrieben werden. Die erste Betriebsphase ist danach die Magerphase M1, M2 und die zweite Betriebsphase ist die Regenerierphase R1, R2. Die Betriebsphasen werden durch das Betriebsphasensignal B signalisiert. Zum ersten Zeitpunkt T1 wird mit dem Erreichen des ersten Werts NO1 des NOx-Sensorsignals NO eine vorangegangene Magerphase beendet und die erste Regenerierphase R1 begonnen. Gleichzeitig wird der Zeitgeber 19 zum ersten Zeitpunkt T1 gestartet. Zum zweiten Zeitpunkt T2 wird mit dem Erreichen des ersten Werts LAM1 des Lambdasignals LAM die erste Regenerierphase R1 beendet und die erste Magerphase M1 begonnen.
  • Alternativ zur Beendigung der vorangegangenen Magerphase durch Erreichen des ersten Werts NO1 des NOx-Sensorsignals NO kann gemäß der genannten DE 197 39 848 A1 die Magerphase durch ein Modell der im Kat 13 gespeicherten NOx-Masse beendet werden.
  • In beiden genannten Dokumenten sind Ausführungsbeispiele zum Wechsel sowohl in die eine als auch in die andere Betriebsphase beschrieben, die in die Offenbarung einbezogen sein sollen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Diagnose von NOx-Sensoren eingesetzt werden, die in einem Abgasbereich von Otto- oder von Dieselbrennkraftmotoren angeordnet sind. In der Magerphase der Brennkraftmaschine wird eine Liftzahl Lambda > 1, beispielsweise von 1,5 eingestellt. In der Regenerierphase kann das zum Regenerieren benötigte Reduktionsmittel innermotorisch durch eine Reduzierung der Luftzahl Lambda bereitgestellt werden. Die Absenkung der Luftzahl Lambda ist durch den Einsatz einer Drosselklappe auch bei Dieselbrennkraftmaschinen möglich. Alternativ kann das Reduktionsmittel nach der Brennkraftmaschine in das Abgas eingebracht werden.
  • Bei einigen Ausführungsbeispielen wird das NOx-Sensorsignal NO herangezogen für die Ermittlung des Betriebsphasenwechsels. Der NOx-Sensor 15 ist aber nicht immer betriebsbereit, was beispielsweise nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 10 auftreten kann, wenn der NOx-Sensor 15 seine Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat. Außerdem kann ein Defekt des NOx-Sensors 15 auftreten. In diesen Fällen muss der Wechsel der Betriebsphasen ohne die Einbeziehung des NOx-Sensorsignals NO erfolgen, ansonsten wäre nicht auszuschließen, dass die Anteile an schädlichen Abgaskomponenten in unerlaubtem Maße zunähmen. Wesentlich ist daher eine zuverlässige Diagnose des NOx-Sensors 15.
  • Der Wechsel von der ersten Regenerierphase R1 in die erste Magerphase M1 kann unter Einbeziehung des Lambdasignals LAM erfolgen. Das Auftreten des ersten Werts LAM1 des Lambdasignals LAM zeigt einen beginnenden Fettdurchbruch hinter dem Kat 13 an, der bei einem vollständig regenerierten Kat 13 auftritt. Mit dem Beginn der ersten Magerphase M1 zum zweiten Zeitpunkt T2 nimmt das Lambdasignal LAM wieder ab.
  • Das NOx-Sensorsignal NO nimmt während der ersten Regenerierphase R1 und danach vergleichsweise langsam ab. Die Abnahme wird durch das reale Verhalten des NOx-Sensors 15 bestimmt, der noch während der ersten Regenerierphase R1 in Sättigung geht und eine gewisse Erholzeit benötigt. Während dieser Zeit spiegelt das NOx-Sensorsignal NO eine tatsächlich nicht vorhandene NOx-Konzentration wieder. Aus diesem Grund ist die Ausblendzeit A vorgesehen, die zum dritten Zeitpunkt T3 endet. Die mit dem Ausblendsignal A gegebene Ausblendzeit ist auf einen Wert festzulegen, nach deren Ablauf das NOx-Sensorsignal NO wieder zuverlässig ist. Zu diesem dritten Zeitpunkt T3 liegt der zweite Wert NO2 des NOx-Sensorsignals NO vor, der mit der negativen Flanke des Ausblendsignals A in den ersten Speicher 16 übernommen wird.
  • In der ersten Magerphase M1 steigt das NOx-Sensorsignal NO an bis der dritte Wert NO3 erreicht ist, der das Ende der ersten Magerphase M1 signalisiert. Das Ende markiert den vierten Zeitpunkt T4, an dem das zweite Regeneriersignal R2 beginnt. Gleichzeitig tritt das Ausblendsignal A auf. Die positive Signalflanke des zweiten Regeneriersignals R2 speichert den dritten Wert NO3 des NOx-Sensorsignals NO in den zweiten Speicher 17.
  • Mit dem Vorliegen der zwei gespeicherten Werten NO2 und NO3 ist die Ermittlung der ersten Differenz D1 möglich, die im Signalbewerter 20 vorgenommen wird. Anhand eines Vergleichs der ersten Differenz D1 mit dem ersten Schwellenwert SW1 wird dann das Fehlersignal FS ausgegeben, wenn der erste Schwellenwert SW1 unterschritten wird.
  • Während der zweiten Regenerierphase R2 steigt das NOx-Sensorsignal NO auf den vierten Wert NO4 an, der mit der fallenden Flanke des Betriebsphasensignals B am Ende der zweiten Regenerierphase R2 in den dritten Speicher 18 gespeichert wird.
  • Mit dem Vorliegen des weiteren gespeicherten Werts NO4 ist die Ermittlung sowohl der zweiten als auch der dritten Differenz D2, D3 möglich, die im Signalbewerter 20 vorgenommen wird. Anhand eines Vergleichs der zweiten Differenz D2 mit dem zweiten Schwellenwert SW2 und/oder anhand eines Vergleichs der dritten Differenz D3 mit dem dritten Schwellenwert SW3 wird das Fehlersignal FS ausgegeben, wenn der zweite und/oder der dritte Schwellenwert SW2, SW3 unterschritten wird.
  • Während des Ausblendsignals A fällt das NOx-Sensorsignal NO auf den fünften Wert NO5 ab, der wieder mit der fallenden Flanke des Ausblendsignals A in den ersten Speicher 16 gespeichert wird.
  • Mit dem Vorliegen des gespeicherten fünften Werts NO5 ist die Ermittlung der vierten und fünften Differenz D4, D5 möglich, die ebenfalls im Signalbewerter 20 vorgenommen wird. Anhand eines Vergleichs der vierten Differenz D4 mit dem vierten Schwellenwert SW4 und/oder der fünften Differenz D5 mit dem fünften Schwellenwert SW5 wird das Fehlersignal FS ausgegeben, wenn der vierte bzw. fünfte Schwellenwert SW4, SW5 unterschritten wird.
  • Von den beschriebenen Differenzbildungen D1 bis D5 und Vergleichen mit den Schwellenwerten SW1 bis SW5 ist prinzipiell nur eine Differenzbildung erforderlich. Die mehrfache Differenzbildung erhöht zunächst die Detektionssicherheit eines Fehlers des NOx-Sensors 13. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass bei einer festgestellten Abweichung noch wenigstens eine nachfolgende Differenzbildung und ein Vergleich mit dem zugehörigen Schwellenwert vorgenommen wird, bevor das Fehlersignal FS ausgegeben wird. Mir dieser Maßnahme werden zum Einen sporadisch auftretende Abweichungen ausgeblendet. Zum Anderen kann eine längerfristig auftretende zu große Abweichung lediglich einer Differenz D1 bis D5 von ihrem Schwellenwert SW1 bis SW5 ausgeblendet werden. Ein solcher Fall kann auftreten, wenn sich die Eigenschaften des Kats 13 langfristig ändern. Alternativ können die Schwellenwerte SW1 bis SW5 angepasst werden.
  • Die beschriebenen Funktionen werden vorzugsweise in Software realisiert, die in einem Rechner abläuft, der vorzugsweise die Motorsteuerung 10 enthält.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Diagnose eines NOx-Sensors (15), der hinter einem NOx-Speicherkatalysator (13) angeordnet ist, in welchen in einer Magerphase (M1, M2) einer Brennkraftmaschine (10) NOx eingespeichert wird und der in einer Regenerierphase (R1, R2) der Brennkraftmaschine (10) regeneriert wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Signalwerte (NO1–NO5) des NOx-Sensorsignals (NO) zu unterschiedlichen Zeitpunkten (T1–T6) betrachtet werden, dass zumindest eine Differenz (D1–D5) zwischen den Signalwerten (NO1–NO5) ermittelt wird, dass ein Vergleich der Differenz (D1–D5) mit einem Schwellenwert (SW1–SW5) erfolgt und dass ein Fehlersignal (FS) ausgegeben wird, wenn die Differenz (D1–D5) den Schwellenwert (SW1–SW5) unterschreitet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausblendsignal (A) vorgesehen ist, das mit der Regenerierphase (R1, R2) beginnt und das in der Magerphase (M1, M2) endet.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Differenzbildung (D1, D4) von Signalwerten (NO1, NO2, NO3, NO5) vorgesehen ist, die während der Magerphase (M1, M2) auftreten.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Signalwert (NO2, NO5) in der Magerphase (M1, M2) zum Ende (T3, T6) des Ausblendsignals (A) und ein Signalwert (NO1, NO3) zum Ende (T1, T4) der Magerphase (M1, M2) erfasst wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Signalwert (NO1, NO3) zum Ende (T1, T4) der Magerphase (M1, M2) und ein Signalwert (NO2, NO5) zum Ende (T3, T6) des Ausblendsignals (A) erfasst wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Signalwert (NO1, NO3) zum Ende (T1, T4) der Magerphase (M1, M2) und ein Signalwert (NO4) zum Ende (T2, T5) der Regenerierphase (R1, R2) erfasst wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Signalwert (NO4) zum Ende (T2, T5) der Regenerierphase (R1, R2) und ein Signalwert (NO2, NO5) zum Ende (T3, T6) des Ausblendsignals (A) erfasst wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Signalwert (NO1, NO3) zum Ende (T1, T4) der Magerphase (M1, M2) und ein Signalwert (NO2, NO5) zum Ende (T3, T6) des Ausblendsignals (A) erfasst wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Differenzen (D1–D5) gebildet und mit ihren Schwellenwerten (SW1–SW5) verglichen werden, und dass das Fehlersignal (FS) nur ausgegeben wird, wenn sämtliche Schwellenwerte (SW1–SW5) unterschritten sind.
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