DE19722334A1 - Abgassondendiagnoseverfahren und -vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Diagnose einer hinter einem Katalysator im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine ange­ ordneten Abgassonde.

Hinter einem Katalysator angeordnete Abgassonden dienen im wesentlichen zwei Zwecken: Sie werden zur Ergänzung der Lambdaregelung herangezogen, die im wesentlichen auf dem Signal einer vor dem Katalysator angeordneten Abgassonde basiert. Darüber hinaus ermöglichen sie eine Überwachung der Konvertierungsfähigkeit des Katalysators. Beide Funktionen sind in der DE OS 35 00 594 beschrieben.

Es hat sich gezeigt, daß die Ergebnisse der Überwachung des Katalysators vom Alterungszustand der Abgassonde hinter dem Katalysator beeinflußt werden.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Diagnoseverfahrens für die hintere Abgassonde, mit dem eine gealterte Abgassonde zuverlässig erkannt werden kann.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängige Ansprüche richten sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Im einzelnen zeigt Fig. 1 ein Blockschaltbild des technischen Umfeldes der Erfindung und Fig. 2 zeigt Signalverläufe von hinter dem Katalysator angeordneten, verschieden stark gealterten Abgassonden.

Die 1 in der Fig. 1 bezeichnet den Verbrennungsmotor. Die Ziffer 2 repräsentiert dessen Abgassystem mit einem Katalysator 3 und einer vor und einer hinter dem Katalysator angeordneten Abgassonde 4 bzw. 5. Die Signale beider Sonden werden dem Steuergerät 6 zugeführt, das aus diesen und anderen Signalen über weitere Betriebsparameter des Motors wie Last und Drehzahl Signale zur Steuerung beispielsweise der Gemischbildung und der Zündung des Motors bildet. Eine Fehlerlampe 7 repräsentiert ein Mittel zur Anzeige und/oder Abspeicherung von abgasrelevanten Fehlfunktionen des Motors oder einer seiner Abgasreinigungskomponenten. Die vor dem Katalysator angeordnete Sonde 4 liefert eine schnelle Information über die Zusammensetzung des Kraftstoff/Luftgemisches. Ihr Signal wird daher üblicherweise zu Regelzwecken mit einem Sollwert verglichen. Die hintere Sonde 5 reagiert auf Grund der größeren Entfernung zum Motor und des dazwischen liegenden Katalysators träger auf Gemischveränderungen, liefert aber die genauere Information. Ihr Signal wird daher unter anderem zur Führung der Gemischregelung, beispielsweise durch Beeinflussung des Sollwerts für das Signal der vorderen Sonde verwendet. Aufgrund der Führungsfunktion stellt sich im geregelten Betrieb ein Sondensignalpegel der hinter dem Katalysator angeordneten Sonde von ca. 600 mv, entsprechend einem relativ zu stöchiometrischen Verhältnissen leicht sauerstoffarmen Abgas ein. Dies ist in der linken Hälfte der Fig. 3 dargestellt. Nach dem Übergang in den Schiebebetrieb mit Abschaltung der Kraftstoffzufuhr zum Motor erhöht sich zwangsläufig der Sauerstoffanteil im Abgas. Mit einer gewissen Verzögerung TV, die durch das Sauerstoffspeichervermögen des Katalysators bedingt ist, reagiert auch die Sonde hinter dem Katalysator auf den Anstieg des Sauerstoffgehaltes mit einem Abfall des Sondensignalpegels. Dies ist in der rechten Hälfte der Fig. 3 für drei verschiedenen Sonden dargestellt. Die Stufe in der Linie 3.4 markiert den Beginn des Schiebebetriebs mit Kraftstoffabschaltung. Von diesem Zeitpunkt an herrscht im Abgas vor dem Katalysator Sauerstoffüberschuß. Dieser Sauerstoffüberschuß kann zunächst noch vom Katalysator aufgenommen werden, so daß sich der Sauerstoffüberschuß in der Zeitspanne delta_t_Kat noch nicht im Signal der hinteren Sonde zeigt. Die Länge dieser Zeitspanne hängt vom Katalysator ab und ist daher für die drei verschiedenen hinteren Sonden gleich. Die anschließenden Reaktionen der hinteren Sonden auf den Anstieg des Sauerstoffgehaltes fallen sondenindividuell aus. Der sehr steile Abfall der Linie 2.1 charakterisiert eine Sonde im Neuzustand, während die flacheren Signalverläufe der Signale 2.2 und 2.3 für bereits gealterte Sonden typisch sind.

Dieses unterschiedliche Signalverhalten kann zu Fehlschlüssen bei der Überwachung der Konvertierungsfähigkeit von Katalysatoren führen. Die Überwachung der Konvertierungsfähigkeit basiert auf der Fähigkeit eines ausreichend aktiven Katalysators, Sauerstoff aufzunehmen und abzugeben. Der Sauerstoffgehalt im Abgas vor dem Katalysator, der eine durch die Regelung bedingte periodische Schwingung ausführt, wird durch den Katalysator gewissermaßen gemittelt. Mit anderen Worten: Bezüglich des Sauerstoffgehalts im Abgas zeigt ein funktionsfähiger Katalysator eine Tiefpaßcharakteristik. Hinter dem funktionsfähigen Katalysator zeigt sich die Regelschwingung im Sauerstoffgehalt nur noch in stark gedämpfter Form. Bei einer bekannten Konvertierungsüberwachung wird ein Quotient der Signalamplituten der Abgassonden vor und nach dem Katalysator als Maß für die Dämpfung der Sauerstoffgehaltsschwingung im Abgas herangezogen.

Übersteigt dieser Quotient eine vorgebbare Schwelle, zeigt dies eine mangelnde Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators an, die bekanntlich mit einer mangelnden Konvertierungsfähigkeit einhergeht. Dabei hat sich gezeigt, daß einige Katalysatoren fälschlicherweise als funktionsfähig beurteilt wurden, obwohl sie den gesetzlichen Anforderungen nicht mehr genügten.

Dies kann mit dem dargestellten Verhalten der hinter dem Katalysator angeordneten, gealterten Abgassonden erklärt werden. Die Trägheit der gealterten Sonden verzögert die Wechsel im Signalpegel. Derartige Verzögerungen werden auch durch die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators hervorgerufen. Sie sind umso größer, je größer die Sauerstoffspeicherfähigkeit ist. Die mit der Alterung einhergehende Vergrößerung der Trägheit des Sondensignals kann sich daher meßtechnisch wie eine größere Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators auswirken. Daher kann es passieren, daß schlechte Katalysatoren noch als gut beurteilt werden, wenn sie mit gealterten Sonden geprüft werden.

Erfindungsgemäß werden daher die unterschiedlichen Steigungen bzw. Änderungsgeschwindigkeiten der Sondensignale zur Diagnose der Abgassonde verwendet. Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht die Bewertung der Flankenabfallzeit im Signal der hinteren Sonden zwischen einer oberen (SWO) und einer unteren (SWU) Spannungschwelle im Schiebebetrieb vor. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist diese Zeit, die umgekehrt proportional zu Steigung bzw. Änderungsgeschwindigkeit ist, für die neue Sonde (Signal 2.1) vergleichsweise klein und für die älteren Sonde (Signale 2.2, 2.3) vergleichsweise groß. Entsprechend wird eine Abgassonde nach diesem Ausführungsbeispiel als fehlerhaft beurteilt, wenn die gemessene Flankenabfallzeit einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Dieses Verfahren entspricht damit gewissermaßen der Bewertung eines Differenzenquotienten, gebildet als (SWO-SWU)/Flankenabfallzeit.

Die Aussagesicherheit dieses Verfahrens wird vorteilhafterweise durch eine wiederholte Erfassung und Mittelung der Steigung vergrößert, wobei die Steigungmittelwert oder die gemittelte Flankenabfallzeit als Beurteilungskriterium verwendet wird.

Ein zweites Ausführungsbeispiel sieht die Bildung einer größeren Menge von Differenzenquotienten in Verbindung mit einer anschließenden statistischen Bewertung vor. Die größere Menge ergibt sich daraus, daß beispielsweise im Zeitraster der Sondensignalabtastungen jeweils die Differenzen von zwei aufeinanderfolgenden Sondensignalwerten gebildet und durch den zeitlichen Abstand ihrer Erfassung dividiert werden. Die Abtastperiode liegt üblicherweise in der Größenordnung von Millisekunden. Aus der so gebildeten Menge wird anschließend eine Kenngröße, beispielsweise das Maximum, der Mittelwert oder der Median der Sondensignalsteigungen bestimmt und als Unterscheidungskriterium einem Schwellwertvergleich unterzogen. Dabei ist der Schwellwert so zu bemessen, daß die Steigungswerte von noch guten Sonden oberhalb des Schwellwertes liegen. Die Menge der Differenzenquotienten wird vorteilhafterweise im Bereich des Sondensignalpegelwechsels gebildet, d. h. zwischen einem oberen und einem unteren Grenzwert. Alternativ zur Auswertung des Sondensignalpegelabfalls zu Beginn einer Schiebebetriebsphase mit Kraftstoffabschaltung kann auch der Sondensignalpegelanstieg beim Wiedereinsetzen der Kraftstoffzufuhr ausgewertet werden. Wesentlich ist auch hier, daß ein zu flacher Verlauf des Sondensignalpegelwechsels als Fehlerkriterium verwendet werden kann.

Das Auftreten eines Fehlers kann bspw. durch Einschalten der Fehlerlampe 7 signalisiert werden.

Vorteile des ersten Ausführungsbeispiels liegen in der einfacheren softwaretechnischen Realisierung. Als Vorteil des zweiten Ausführungsbeispiels ergibt sich eine bessere Trennschärfe, d. h. noch gute und bereits zu schlechte Sonden werden mit dem zweiten Verfahren noch zuverlässiger unterschieden.

Claims (10)

1. Verfahren der Diagnose einer Abgassonde, die im Abgas eines Verbrennungsmotors hinter einem Katalysator angeordnet ist und die für wenigstens einen Abgasbestandteil empfindlich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungsgeschwindigkeit, mit der das Signal der genannten Abgassonde auf Änderungen der Konzentration des wenigstens einen Abgasbestandteils reagiert, als Beurteilungskriterium verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Abgassonde eine sauerstoffempfindliche Sonde mit Nernst-Charakteristik verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Reaktionen der Abgassonden auf Änderungen des Sauerstoffgehalts im Abgas nach dem Beginn einer Schiebebetriebsphase mit Kraftstoffabschaltung ausgewertet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung des Sondensignalpegelwechsels, die bei den Sonden mit Nernst-Charakteristik im Schiebebetrieb auftritt, ausgewertet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung des Sondensignals zwischen einem oberen und unteren Grenzwert erfaßt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung als Quotient der Differenz der genannten Grenzwerte und der für das Durchlaufen der Grenzwerte benötigten Zeitspanne gebildet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß Mittelwerte wiederholt erfaßter Steigungen oder Flankenabfallzeiten als Beurteilungskriterium verwendet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

• - in der Zeitspanne, die zwischen dem Durchlauf des ersten und des zweiten Stellwertes liegt,
• - das Sondensignal wiederholt abgetastet wird,
• - wiederholt die Quotienten der Signaldifferenzen bezogen auf die Abtastzeitspanne gebildet wird,
• - und das aus der Menge der so gebildeten Differenzenquotienten durch statistische Bewertung ein Steigungswert als Beurteilungskriterium gewonnen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch die Verwendung des Minimums, des Maximums, des Mittelwerts oder des Medians der Differenzenquotienten als Beurteilungskriterium.

10. Vorrichtung zur Diagnose einer hinter einem Katalysator im Abgas einer Brennkraftmaschine angeordneten Abgassonde mit Mitteln zur Steuerung der Kraftstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine und mit Mitteln zur Erfassung und Auswertung der Sondensignalsteigung in Verbindung mit einem Unterbrechen oder Wiedereinsetzen der Kraftstoffzufuhr, mit Mitteln zur Anzeige und oder Speicherung eines Fehlers der Abgassonde, wobei die letztgenannten Mittel eine zu flach verlaufende Steigung als Fehler anzeigen oder abspeichern.