DE19828928A1 - Verfahren zur Überwachung des Abgasreinigungssystems einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur Überwachung des Abgasreinigungssystems einer Brennkraftmaschine

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Abstract

Zur Plausibilisierung der Signale, die in der Abgasreinigungsvorrichtung einer Brennkraftmaschine (20) mit einer Vorkat-Lambda-Sonde (23), einem Katalysator (22) und einem stromab des Katalysators angeordneten Meßaufnehmer (24) mit NOx-Signal und Lambda-Signal verwendet werden, werden Lambda-Signal und NOx-Signal des Meßaufnehmers (24) mit dem Signal der Vorkat-Lambda-Sonde (23) verglichen. Dabei wird ein Zusammenhang zwischen NOx-Konzentration und Lambda-Wert im Rohabgas einer Brennkraftmaschine (20) ausgenützt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Ab­ gasreinigungsanlage einer Brennkraftmaschine gemäß den Ober­ begriffen der Ansprüche 1 und 6.
Zur Reinigung des Abgases einer fremdgezündeten Brennkraftma­ schine ist üblicherweise ein Katalysator im Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet. Je nach Betrieb der Brenn­ kraftmaschine, hier kommen magere Verbrennung mit Luftüber­ schuß und Lambda-1-geregelter Betrieb in Frage, weist dieser Katalysator Drei-Wege-Eigenschaften oder auch NOx-Speicherfähigkeit auf; auch mehrere Katalysatoren sind mög­ lich. Stromauf des Katalysators ist üblicherweise eine Lambda-Sonde vorgesehen, deren Spannungssignal wie bei allen Lambda-Sonden abhängig von dem im Abgas enthaltenen Restsau­ erstoff ist.
Zur Regelung der NOx-Speicherung des Katalysators im mageren Betrieb der Brennkraftmaschine bzw. zur Überprüfung des Kata­ lysators ist stromab des Katalysators ein Meßaufnehmer vorge­ sehen, der die NOx-Konzentration erfaßt. Im Lambda-1-geregelten Betrieb wirkt der Katalysator in der Regel als Drei-Wege-Katalysator, der, wie bekannt, bei einem Rohabgas mit Lambda = 1 optimale katalytische Eigenschaften zeigt. Dieser für die Konvertierung günstigste Lambda-Wert kann be­ sonders exakt eingehalten werden, wenn eine Feinregulierung des Gemisches erfolgt. Dazu wird der stromab des Katalysators angeordnete Meßaufnehmer als Monitorsonde verwendet. Beson­ ders vorteilhaft ist es dann, wenn der Meßaufnehmer nicht nur ein die NOx-Konzentration wiedergebendes NOx-Signal abgibt, sondern zusätzlich ein den Lambda-Wert im Abgas wiedergeben­ des Lambda-Signal bzw. ein die Sauerstoffkonzentration dar­ stellendes O2 Signal. Ein solcher Meßaufnehmer ist beispiels­ weise aus der Veröffentlichung "Performance of Thick Film NOx Sensor on Diesel and Gasoline Engines", N. Kato, Y. Hamada und H. Kurachi, Society of Automotive Engineers, Publ. No. 970858 bekannt.
Um die Einhaltung der geforderten Abgasemissionsgrenzwerte über die gesamte Nutzlebensdauer einer mit einem solchen Ab­ gasnachbehandlungssystem ausgerüsteten Brennkraftmaschine si­ cherzustellen, wird zunehmend eine Selbstdiagnose (On-Board- Diagnose = OBD) des gesamten Abgasnachbehandlungssystems ver­ langt. Eine solche OBD erfordert insbesondere eine Plausibi­ lisierung der Signale der im Abgasnachbehandlungssystem ver­ wendeten Meßaufnehmer und Sonden. Zur Plausibilisierung nach dem Stand der Technik war es erforderlich, sich auf Betriebs­ zustände zu beschränken, bei denen die NOx-Konzentration am Meßaufnehmer bekannt war. Dies ist nach dem Stand der Technik nur im Schub-Betrieb der Brennkraftmaschine, d. h. bei inakti­ ver Verbrennung möglich, da die NOx-Konzentration dann Null ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung einer Abgasreinigungsanlage einer Brennkraftma­ schine mit einem Katalysator, einer stromauf des Katalysators angeordneten Vorkat-Lambda-Sonde und einem stromab des Kata­ lysators angeordneten Meßaufnehmer, der ein NOx-Signal und ein Lambda-Signal bzw. O2-Signal abgibt, anzugeben, mit dem eine Plausibilisierung der Signale von Vorkat-Lambda-Sonde und Meßaufnehmer möglich ist.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 6 defi­ nierte Erfindung gelöst.
Im Abgas einer Brennkraftmaschine besteht ein Zusammenhang zwischen NOx-Konzentration und Lambda-Wert. Dieser Zusammen­ hang gilt stromab des Katalysators immer dann, solange keine NOx-Speicherung stattfindet. Das kann dann der Fall sein, wenn entweder kein NOx-speichernder Katalysator im Abgastrakt vorgesehen ist, oder beim vorliegenden Betriebspunkt der Ka­ talysator keine NOx-speichernde Aktivität zeigt. Letzteres ist im Lambda-1-geregelten Betrieb bei den meisten NOx-Speicherkatalysatoren der Fall, die in diesem Betrieb nur Drei-Wege-Eigenschaften aufweisen. Gilt der Zusammenhang zwi­ schen NOx-Konzentration und Lambda-Wert, ist es möglich, das NOx-Signal des stromab des Katalysators angeordneten Meßauf­ nehmers in einen Lambda-Wert umzurechnen. Dadurch kann das NOx-Signal mit dem Lambda-Signal des Meßaufnehmers verglichen werden. Überschreitet die Differenz einen Schwellenwert, muß der Meßaufnehmer als defekt erkannt werden. Der Schwellen­ wertvergleich findet deshalb statt, da das Lambda-Signal des Meßaufnehmers ebenso wie die Umrechnung des NOx-Signals in einen Lambda-Wert mit einer gewissen Ungenauigkeit behaftet ist.
Anstatt eines Lambda-Signales kann der Meßaufnehmer wahlweise oft ein die Sauerstoffkonzentration darstellendes O2-Signal abgeben. Im folgenden wird zur Vereinfachung der Beschreibung unter Lambda-Signal auch ein O2-Signal verstanden.
Wurde der Meßaufnehmer als defekt erkannt, ist es in einer Ausführungsform des Verfahrens möglich, eine Aussage zu tref­ fen, ob das Lambda-Signal oder das NOx-Signal fehlerhaft ist. Dazu wird das Signal der Vorkat-Lambda-Sonde berücksichtigt. Weicht das Lambda-Signal des Meßaufnehmers um eine einen Schwellenwert überschreitende Differenz vom Signal der Vor­ kat-Lambda-Sonde ab, ist das Lambda-Signal des Meßaufnehmers fehlerhaft. Weicht dagegen der aus dem NOx-Signal des Meßauf­ nehmers errechnete Lambda-Wert um eine einen Schwellenwert überschreitende Differenz vom Signal der Vorkat-Lambda-Sonde ab, ist das NOx-Signal fehlerhaft.
Wurde aus dem Vergleich zwischen NOx-Signal und Lambda-Signal des Meßaufnehmers kein Fehler des Meßaufnehmers erkannt, kann aus einer einen Schwellenwert überschreitenden Differenz zwi­ schen Lambda-Signal oder umgerechnetem NOx-Signal des Meßauf­ nehmers und Signal der Vorkat-Lambda-Sonde eine defekte Vor­ kat-Lambda-Sonde erkannt werden.
Bei Betrieb mit NOx-speichernder Aktivität des Katalysators, z. B. im mageren Betrieb einer Brennkraftmaschine mit NOx-Speicherkatalysator im Abgastrakt, gilt der Zusammenhang zwi­ schen Lambda-Wert des Abgases und NOx-Konzentration im Abgas stromab des Katalysators nicht mehr. Tritt dann eine gewisse Differenz zwischen dem Signal der Vorkat-Lambda-Sonde und dem Lambda-Signal des Meßaufnehmers auf, muß die Vorkat-Lambda- Sonde defekt sein, da sie in der Regel größerer Alterung und Vergiftung ausgesetzt ist.
Es sei darauf hingewiesen, daß das erfindungsgemäße Verfahren bei Vorkat-Lambda-Sonden mit gleichermaßen linearem oder Zweipunkt-Verhalten eingesetzt werden kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt:
Fig. 1 ein Diagramm mit dem Zusammenhang zwischen Lambda-Wert und NOx-Konzentration im Abgas einer Brennkraftmaschi­ ne stromab eines Drei-Wege-Katalysators,
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasreinigungsanlage und
Fig. 3 ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung einer Ausfüh­ rungsform des Verfahrens.
Die Erfindung betrifft die Signalplausibilisierung bei Signa­ len einer Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine, wie sie schematisch in Fig. 2 dargestellt ist. Es kann sich dabei um eine gemischansaugende oder direkteinspritzende Brennkraftmaschine handeln. Der Betrieb der Brennkraftmaschi­ ne 20 der Fig. 2 wird von einem Betriebssteuergerät 25 ge­ steuert. Ein Kraftstoffzufuhrsystem 21, das z. B. als Ein­ spritzanlage ausgebildet ist, wird über nicht näher bezeich­ nete Leitungen vom Betriebssteuergerät 25 angesteuert und sorgt für die Kraftstoffzuteilung der Brennkraftmaschine 20. In deren Abgastrakt 27 befindet sich ein Katalysator 22; der im Lambda-1-geregelten Betrieb Drei-Wege-Eigenschaften und im mageren Betrieb der Brennkraftmaschine NOx-speichernde Akti­ vität zeigt. Zur Regelung des Katalysatorbetriebes bzw. zur Überwachung ist stromab des Katalysators 22 ein NOx-Meßaufnehmer 24 vorgesehen. Anstelle eines Katalysators 22 ist auch ein separater Drei-Wege-Katalysator und ein separa­ ter NOx-Speicherkatalysator möglich. Für den Lambda-1- geregelten Betrieb ist stromauf des Katalysators 22 eine Breitband-Lambda-Sonde 23 vorgesehen, die ihre Meßwerte über nicht näher bezeichnete Leitungen an das Betriebssteuergerät 25 abgibt. Anstelle einer Breitband-Lambda-Sonde, die linea­ res Verhalten zeigt, kann als Sonde 23 auch eine Zweipunkt- Verhalten zeigende Sonde verwendet werden.
Der Betrieb der Brennkraftmaschine 20 erfolgt so, daß das den Sauerstoffgehalt im Rohabgas wiedergebende Signal der Vorkat- Lambda-Sonde 23 einem vorbestimmten Signalpegel entspricht. Bei einer normalen, voll funktionsfähigen Lambda-Sonde 23 entspricht dieser Signalpegel Lambda = 1 im Abgas. Der NOx-Meßaufnehmer 24 mißt die NOx-Konzentration im Abgas stromab des Katalysators 22. Sein NOx-Signal wird dazu verwendet, den Lambda-1-zugeordneten Signalpegel in einer Trimmregelung fein zu justieren. Dazu ist im Betriebssteuergerät 25 ein Trimm­ regler 26 vorgesehen. Für die Trimmregelung wird das NOx-Signal des Meßaufnehmers 24 unter Ausnutzung des in Fig. 1 dargestellten Zusammenhanges zwischen NOx-Konzentration und Lambda-Wert im Rohabgas einer Brennkraftmaschine in einen Lambda-Wert umgerechnet. Es sei darauf hingewiesen, daß der in Fig. 1 dargestellte Zusammenhang stromab des Katalysators nur gilt, solange keine NOx-Speicherung stattfindet. Findet keine NOx-Speicherung statt, steigt die NOx-Konzentration bei Gemischabmagerung über Lambda = 1 hinaus stark an und nimmt bei fettem Gemisch gleichmäßig geringe Werte an.
Der Meßaufnehmer 24 entspricht dem in vorstehender Publikati­ on beschriebenen und gibt zusätzlich zum die NOx-Konzentration anzeigenden NOx-Signal ein Lambda-Signal ab, das den Lambda-Wert des Abgases anzeigt.
Die OBD erfordert eine Plausibilisierung der in der Abgasrei­ nigungsanlage auftretenden Signale. Dabei handelt es sich um das Signal der Vorkat-Lambda-Sonde 23, das NOx-Signal des Meßaufnehmers 24 sowie dessen Lambda-Signal.
Findet keine NOx-Speicherung im Abgastrakt der Brennkraftma­ schine statt, kann das NOx-Signal des Meßaufnehmers 24 in ei­ nen Lambda-Wert umgerechnet werden. Dies geschieht im Ablauf­ plan der Fig. 3 in Schritt 1. Dann wird der errechnete Lambda-Wert mit dem Lambda-Signal des Meßaufnehmers 24 ver­ glichen (Schritt 2). Dieser Vergleich erfolgt dadurch, daß die Differenz zwischen errechnetem Lambda-Wert und Lambda- Signal gebildet wird. Da sowohl die Umrechnung als auch das Lambda-Signal mit einer gewissen Ungenauigkeit behaftet sind, wird nur bei Überschreiten eines gewissen Schwellenwertes ein unterschiedliches NOx-Signal und Lambda-Signal erkannt. Ist dies der Fall, ist der Meßaufnehmer 24 defekt. Dann ist es weiter möglich, festzustellen, welches Signal, d. h. das NOx-Signal oder das Lambda-Signal, fehlerhaft ist. Dazu wird ein Vergleich des Lambda-Signales des Meßaufnehmers 24 mit dem Signal der Vorkat-Lambda-Sonde 23 vorgenommen (Schritt 4). Weicht das Signal der Vorkat-Lambda-Sonde, vorzugsweise der Mittelwert des Signals vom Lambda-Signal des Meßaufnehmers 24, vorzugsweise von dessen Mittelwert ab, muß das Lambda- Signal des Meßaufnehmers 24 fehlerhaft sein (Schritt 8). Ist keine Abweichung innerhalb gewisser Grenzen feststellbar, ist das NOx-Signal des Meßaufnehmers 24 fehlerhaft (Schritt 5).
Analog zu diesem Vergleich des Lambda-Signal des Meßaufneh­ mers 24 mit dem Signal der Vorkat-Lambda-Sonde 23 kann auch das NOx-Signal des Meßaufnehmers 24 mit dem Signal der Vor­ kat-Lambda-Sonde verglichen werden, wobei wieder der in Fig. 1 dargestellte Zusammenhang zur Umrechnung des NOx-Signals Anwendung findet.
Wurde aus dem Vergleich des Lambda-Signals mit dem NOx-Signal des Meßaufnehmers 24 in Schritt 2 dagegen festgestellt, daß die beiden Signale voneinander nicht um einen Mindestbetrag abweichen, kann davon ausgegangen werden, daß der Meßaufneh­ mer 24 fehlerfrei ist. Dann kann durch Abfrage in Schritt 3, ob eine Differenz zwischen Signal der Vorkat-Lambda-Sonde und einem Signal des Meßaufnehmers 24, hier kommen wieder Lambda- Signal und umgerechnetes NOx-Signal in Frage, bestimmt wer­ den, ob die Vorkat-Lambda-Sonde defekt ist oder nicht. Ergibt sich ein Unterschied, ist die Vorkat-Lambda-Sonde 23 defekt (Schritt 6), kann kein ausreichender Unterschied festgestellt werden, sind alle Signale im Abgasnachbehandlungssystem plau­ sibel (Schritt 7).
Bei NOx-speichernder Aktivität des Katalysators 22 ist die Umrechnung des NOx-Signals des Meßaufnehmers 24 in einen Lambda-Wert gemäß dem Zusammenhang der Fig. 1 nicht möglich. Allerdings kann ein Vergleich der Vorkat-Lambda-Sonde 23 und Lambda-Signal des Meßaufnehmers 24 erfolgen. Weicht das Si­ gnal der Vorkat-Lambda-Sonde 23, vorzugsweise der Mittelwert, um ein Mindestmaß von dem des Lambda-Signals des Meßaufneh­ mers 24 ab, kann von einem Fehler der Vorkat-Lambda-Sonde 23 ausgegangen werden, da diese einer größerer Alterung und Ver­ giftung ausgesetzt ist als der stromab des Katalysators 22 angeordnete Meßaufnehmer 24. Darüber hinaus ist auch eine Plausibilisierung der beiden Signale im Schub möglich, da dann sowohl das Signal der Vorkat-Lambda-Sonde 23 als auch das Lambda-Signal des Meßaufnehmers 24 eine Sauerstoffkonzen­ tration von etwa 21% anzeigen müssen.
Es sei noch darauf hingewiesen, daß sämtliche Signalplausibi­ lisierungen vorteilhafterweise nur bei begrenzter Dynamik der Brennkraftmaschine durchgeführt werden, d. h. Drehzahl, Last und Lambda-Wert dürfen sich nicht zu schnell ändern. Selbst­ verständlich ist es auch möglich, das erfindungsgemäße Ver­ fahren dann zu verwenden, wenn kein NOx-speichernder Kataly­ sator 22 im Abgasstrang vorhanden ist.

Claims (8)

1. Verfahren zur Überwachung der Abgasreinigungsanlage einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, die aufweist:
einen Katalysator,
eine stromauf des Katalysators angeordnete Vorkat-Lambda- Sonde und
einen stromab des Katalysators angeordneten Meßaufnehmer, der ein die NOx-Nonzentration im Abgas wiedergebendes NOx-Signal und ein einen Lambda-Wert wiedergebendes Lambda-Signal abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betrieb ohne NOx-speichernde Aktivität des Katalysators (22) das NOx-Signal unter Ausnüt­ zung eines Zusammenhanges zwischen NOx-Konzentration im Abgas und Lambda-Wert des Abgases in einen Lambda-Wert umgerechnet und dieser mit dem Lambda-Signal verglichen wird und bei ei­ ner einen Schwellenwert überschreitenden Differenz der Meß­ aufnehmer (24) als defekt erkannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem als defekt erkannten Meßaufnehmer (24) das Lambda- Signal mit dem Signal der Vorkat-Lambda-Sonde (23) verglichen wird und im Falle einer einen Schwellenwert überschreitenden Differenz das Lambda-Signal des Meßaufnehmers (24), anderen­ falls das NOx-Signal, als fehlerhaft erkannt wird.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei einem als defekt erkannten Meßaufnehmer (24) das NOx-Signal mittels des Zusammenhanges zwischen NOx-Konzentration im Abgas und Lambda-Wert des Abgases das NOx-Signal in einen Lambda-Wert umgerechnet und dieser mit dem Signal der Vorkat-Lambda-Sonde (23) verglichen wird und im Falle einer einen Schwellenwert überschreitenden Differenz das NOx-Signal, anderenfalls das Lambda-Signal, als fehler­ haft erkannt wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn der Meßaufnehmer (24) als funktionsfähig erkannt wird, bei einer einen Schwellenwert überschreitenden Differenz zwischen dem Lambda-Signal des Meßaufnehmers (24) und dem Signal der Vorkat-Lambda-Sonde (23) diese als defekt erkannt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß, wenn der Meßaufnehmer (24) als funktionsfähig erkannt wird, bei einer einen Schwellenwert überschreitenden Differenz zwischen dem in einen Lambda-Wert umgerechneten NOx-Signal und dem Lambda-Signal der Vorkat- Lambda-Sonde (23) diese als defekt erkannt wird.
6. Verfahren zur Überwachung der Abgasreinigungsanlage einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, die aufweist:
einen Katalysator,
eine stromauf des Katalysators angeordnete Vorkat-Lambda- Sonde und
einen stromab des Katalysators angeordneten Meßaufnehmer, der ein die NOx-Konzentration im Abgas wiedergebendes NOx-Signal und ein einen Lambda-Wert wiedergebendes Lambda-Signal ab­ gibt,
dadurch gekennzeichnet, daß bei Betrieb mit NOx-speichernder Aktivität des Katalysators (22) bei einer einen Schwellenwert überschreitenden Differenz zwischen dem Signal der Vorkat- Lambda-Sonde (23) und dem Lambda-Signal des Meßaufnehmers (24) die Vorkat-Lambda-Sonde (23) als defekt erkannt wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es nur bei begrenzter Dynamik der Brenn­ kraftmaschine (20) durchgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dynamik der Brennkraftmaschine (20) an einem oder mehreren der folgenden Parameter bestimmt wird: Drehzahl, Last, Lambda- Wert.
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