DE4039762A1

DE4039762A1 - Verfahren und vorrichtung zum ueberpruefen des alterungszustandes eines katalysators

Info

Publication number: DE4039762A1
Application number: DE4039762A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl Ing Schnaibel; Lothar Dipl Ing Raff
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1990-12-13
Filing date: 1990-12-13
Publication date: 1992-06-17
Also published as: US5267439A; GB2251079A; JPH04305253A; GB2251079B; GB9126000D0

Description

Das Folgende betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Über prüfen des Alterungszustandes eines Katalysators unter Ver wendung einer Lambdasonde hinter dem Katalysator. Mit den Meßergebnissen aus solchen Verfahren ist es z. B. möglich, Regelparameter abhängig vom Alterungszustand eines Katalysa tors zu verändern oder anzuzeigen, daß ein Katalysator nicht mehr ausreichend gut arbeitet, um den Schadstoffgehalt im Abgas innerhalb vorgegebener Grenzen halten zu können.

Stand der Technik

Ein Verfahren der eingangs genannten Gattung und eine zuge hörige Vorrichtung sind z. B. aus DE-A-23 04 622 bekannt. Es wird die Differenz der Amplituden der Signale zweier Sonden gebildet, von denen sich die eine vor und die andere hinter dem Katalysator befindet. Die Differenzbildung wird nur vorgenommen, solange die Regelung aktiv ist. In diesem Fall schwingt das Signal von der Sonde vor dem Katalysator mit einer gewissen Amplitude, während das Signal von der Sonde hinter dem Katalysator einen ziemlich konstanten Wert auf weist, solange der Katalysator neu ist. Bei gealtertem Ka talysator schwingt jedoch auch das Signal von der Sonde hinter dem Katalysator und zwar mit zunehmender Amplitude bei zunehmender Alterung. Die genannte gemessene Differenz wird daher mit zunehmender Alterung immer kleiner. Fällt sie unter einen Schwellwert, wird ein Warnsignal ausgegeben, das anzeigt, daß der Katalysator ausgetauscht werden sollte.

Aus US-A-46 22 809 ist ein weiteres gattungsgemäßes Verfah ren bekannt, bei dem mit Hilfe einer Sonde vor dem Katalysa tor die Regelung auf möglichst kleine Amplitude des Signals von der genannten Sonde eingestellt wird. Es wird dann die Amplitude des Signals einer Sonde hinter dem Katalysator ge messen. Die vorstehend angegebenen Zusammenhänge zwischen dieser Amplitude und dem Alterungszustand des Katalysators gelten identisch. Sobald die Amplitude des Signals der Sonde hinter dem Katalysator einen Schwellwert überschreitet, wird angezeigt, daß der Katalysator ausgetauscht werden sollte. Ein solches Signal erfolgt aber auch dann, wenn zwar die Amplitude noch unter dem genannten Schwellwert bleibt, aber der Mittelwert des Signals nicht innerhalb eines vorgegebe nen Mittelwertfensters liegt.

Neben den eben beschriebenen Verfahren sind noch weitere be kannt geworden oder in Voranmeldungen beschrieben, die sich aber alle dadurch auszeichnen, daß bei lambdageregelter Brennkraftmaschine die Signale von Sonden vor und hinter dem Katalysator zueinander in Beziehung gesetzt werden. Die Tat sache, daß diese bekannten Verfahren immer weiter modifi ziert wurden, zeigt, daß das Problem, den Alterungszustand eines Katalysators zuverlässig ermitteln zu können, nach wie vor bestand.

Darstellung der Erfindungen

Das erste erfindungsgemäße Verfahren zum Überprüfen des Al terungszustandes eines Katalysators unter Verwendung einer Lambdasonde hinter dem Katalysator zeichnet sich dadurch aus, daß untersucht wird, ob bei einem Übergang von Mager nach Fett, der innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne stattfindet, ein Überschwinger des Sondensignals auftritt, der eine vorgegebene Amplitude überschreitet, und aus einem eventuell auftretenden solchen Überschwinger auf den Alte rungszustand des Katalysators geschlossen wird.

Das zweite erfindungsgemäße derartige Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß untersucht wird, ob bei einem Übergang von Fett nach Mager, der innerhalb einer vorgegebenen Zeit spanne stattfindet, ein Rückschwinger des Sondensignals auf tritt, der eine vorgegebene Amplitude überschreitet, und aus einem eventuell auftretenden solchen Rückschwinger auf den Alterungszustand des Katalysators geschlossen wird.

Vor allem das erste Verfahren liefert deutlich erkennbare Signale. Die beiden Verfahren können gemeinsam eingesetzt werden.

Beide Verfahren zeichnen sich dadurch aus, daß nicht mehr gemessen wird, während die Brennkraftmaschine, zu der der Katalysator gehört, auf einen möglichst konstanten Lambda wert geregelt wird, sondern daß bei Instationärvorgängen mit großem Signalhub gemessen wird. Es ist hierbei zu beachten, daß die meisten Brennkraftmaschinen auf einen leicht fetten Lambdawert geregelt werden, da es hierdurch möglich ist, den besonders kritischen Gehalt an Stickoxiden möglichst niedrig zu halten. Bei geregelter Brennkraftmaschine zeigt somit das Signal von der Sonde hinter dem Katalysator fettes Gemisch an. Gelangt eine derartige Brennkraftmaschine jedoch in den Schubbetrieb, wird die Kraftstoffzufuhr unterbrochen und die Regelung eingestellt. Die Sonde zeigt dann ein Signal, wie es für ein mageres Gemisch gilt. Übergänge von Mager nach Fett und umgekehrt entsprechen demgemäß typischerweise Über gängen vom Schubbetrieb zum geregelten Zustand der Brenn kraftmaschine bzw. umgekehrt. Derartige Übergänge treten im praktischen Betrieb häufig auf, so daß die für die erfin dungsgemäßen Verfahren erforderlichen Meßbedingungen häufig erfüllt sind. Dies insbesondere, weil die vorgegebene Zeit spanne, innerhalb der die Übergänge stattzufinden haben, damit die Signale sinnvoll ausgewertet werden können, sehr lange ist, nämlich typischerweise 10 Sekunden überschreitet. Fast jeder Übergang vom Schubbetrieb in den geregelten Be trieb und umgekehrt findet aber in kürzerer Zeitspanne statt, so daß fast jeder derartige Übergang für die Messung geeignet ist. Die Signalhübe sind hierbei erheblich größer als diejenigen, wie sie bei den herkömmlichen Verfahren ge nutzt werden können, die nur bei geregelter Brennkraftma schine ausführbar sind. Zwischen Fett und Mager besteht ty pischerweise ein Signalhub von etwa 700 mV; die Signalhübe der Rück- bzw. Überschwinger können bei über 100 mV liegen.

Die Vorrichtungen gemäß den Ansprüchen 3 und 4 sind so aus gebildet, daß sie jeweils das Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. Anspruch 2 ausführen. Die Vorrichtungen verfügen u. a. über einen Alterungsdetektor, der auf den Alterungszustand des Katalysators schließt. Die Gesichtspunkte, nach denen die Schlußfolgerung stattfindet, hängen insbesondere davon ab, ob nur Überschwingersignale oder nur Rückschwingersigna le oder Signale beider Arten berücksichtigt werden.

Zeichnung

Fig. 1 Diagramm des zeitlichen Verlaufs des Signals einer Lambdasonde vor einem Katalysator bei einem Übergang von Fett nach Mager und bei einem umgekehrten Übergang;

Fig. 2 Diagramm entsprechend dem von Fig. 1, jedoch für eine Sonde hinter einem Katalysator, wobei dieser Katalysa tor noch neu ist;

Fig. 3 Diagramm entsprechend dem von Fig. 2, wobei jedoch der Katalysator gealtert ist;

Fig. 4 Flußdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens, wie Rückschwinger festgestellt werden können.

Fig. 5 Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Feststellen des Alterungszustandes eines Katalysators.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Fig. 1 zeigt in ihrer linken Hälfte den Verlauf des Signals von einer Sonde vor einem Katalysator bei einem Übergang von Fett (800 mV) nach Mager (100 mV). Das stark schwingende Signal bewegt sich im wesentlichen zwischen einer oberen und einer unteren Einhüllenden, die dargestellt sind. Rechts ist der entsprechende umgekehrte Übergang von Mager nach Fett eingezeichnet.

Fig. 2 stellt die entsprechenden Signale für eine Sonde hin ter dem Katalysator dar, wobei die Signalverläufe für den Fall gelten, daß der Katalysator noch neu ist. Es sind un mittelbar Signalverläufe statt Einhüllende dargestellt. Unterschiedlich zum Signal von der Sonde vor dem Katalysator ist zum einen, daß praktisch keine Schwingungen des Signals mehr vorhanden sind. Dies, weil ein neuer Katalysator, wie übrigens auch ein nicht zu stark gealterter Katalysator, Schwingungen im Lambdawert ausmittelt, zumindest solange sich diese innerhalb eines gewissen Lambdafensters bewegen. Zum anderen besteht der Unterschied, daß das Sondensignal beim Übergang von Mager nach Fett einen Überschwinger US aufweist. Dieser Überschwinger tritt immer dann auf, wenn der Übergang von Mager nach Fett ausreichend schnell vollzo gen wird und eine gewisse Mindesthöhe aufweist. Versuche wurden mit mehreren Motoren ausgeführt. Überschwinger erga ben sich bereits bei Übergängen von 590 mV auf 780 mV. Zum Feststellen der minimal zulässigen Änderungsgeschwindigkeit wurde der Lambdawert des den Motoren zugeführten Gemisches in kleinen Schritten verändert. Wurden die Schritte so klein gewählt, daß der Übergang von Mager nach Fett länger als 15 Sekunden dauerte, wurde kein Überschwinger US festgestellt. Bei 10 Sekunden Übergangszeit und weniger waren die Über schwinger dagegen sehr ausgeprägt. Derartige Mindestüber gangszeiten kommen in der Praxis laufend vor und zwar bei Übergängen vom Schubbetrieb in den geregelten Betrieb.

Bei Verwendung eines neuen Katalysators hängt der Verlauf des Signals der Sonde hinter dem Katalysator im wesentlichen nicht davon ab, ob stetige oder Zweipunkt-Regelung stattfin det. Bei Zweipunkt-Regelung tritt zwar vor dem Katalysator eine Regelschwingung auf, deren Amplitude abwechselnd fettes und mageres Gemisch anzeigt, jedoch werden diese relativ schnellen Schwingungen vom Katalysator ausgemittelt. Daher zeigt die Sonde hinter dem Katalysator den Verlauf des ge mittelten Lambdawertes.

Auch das Diagramm gemäß Fig. 3 gilt für das Signal von der Sonde hinter dem Katalysator, jedoch nun für einen stark ge alterten Katalysator. In diesem Fall tritt beim Übergang von Fett nach Mager ein Rückschwinger RS auf, während der Überschwinger US beim Übergang von Mager nach Fett praktisch nicht mehr vorhanden ist.

Aus den Figuren ist erkennbar, daß aus den Verläufen des Signals einer Sonde hinter dem Katalysator bei Übergängen von Mager nach Fett und/oder umgekehrt auf den Alterungs zustand des Katalysators geschlossen werden kann, und zwar aufgrund des Auftretens von Überschwingern beim Übergang von Mager nach Fett (neuer Katalysator) oder von Rückschwingern beim Übergang von Fett nach Mager (gealterter Katalysator).

Aus der Signalverarbeitungstechnik sind unterschiedliche Verfahren bekannt, um Überschwinger oder Rückschwinger in einem Signal ermitteln zu können. Ein Verfahren und zwar ein solches zum Feststellen von Überschwingern, sei anhand des Flußdiagramms von Fig. 4 erläutert.

Beim Verfahren gemäß Fig. 4 wird in einem ersten Schritt s1 nach dem Start des Verfahrens der Wert S für ein Meßsignal auf 0 mV gesetzt. Dieser Schritt wird im weiteren Ablauf nicht mehr erreicht.

Der wiederholt durchlaufene Teil des Verfahrens beginnt mit einem sich an den Schritt s1 anschließenden Schritt s2, in dem der neue Wert S_NEU des Sondensignals gemessen wird. In einem Schritt s3 wird untersucht, ob der Betrag der Diffe renz zwischen den Werten S_NEU und S eine vorgegebene Diffe renz S_DIFF überschreitet. Ist dies nicht der Fall, kehrt das Verfahren ohne weitere Maßnahme zum Schritt s2 zurück. Dieser Ablauf dient dazu, weitere Untersuchungen nicht be reits bei kleineren Signalhüben aufgrund von Störungen oder dergleichen einzuleiten, sondern nur dann, wenn sich das Signal in solchem Ausmaß ändert, daß mit großer Wahrschein lichkeit ein Anstieg des Signals von Mager nach Fett oder ein Abfall des Signals auf der Rückflanke eines Überschwin gers vorliegt. Ein typischer Wert für S_DIFF liegt bei etwa 20 mV.

Wird in Schritt s3 dagegen festgestellt, daß die vorgegebene Differenz überschritten ist, wird in einem Schritt s4 zu nächst der Meßwert S des Sondensignals auf den Wert S_NEU gesetzt, damit beim nächsten Erreichen von Schritt s3 der oben beschriebene Vergleich auf Grundlage des neuen Wertes ausgeführt werden kann. Nachdem in Schritt s4 der neue Wert S festgelegt ist, wird anschließend (Schritt s5) untersucht, ob der Wert 600 mV überschritten wird. Ist dies nicht der Fall, sind weitere Untersuchungen auf einen Überschwinger nicht angebracht, da der gesamte spannungsmäßige Verlauf eines Überschwingers bei höheren Spannungen liegt. Es wird daher über einen Schritt s6 zum Schritt s2 zurückgekehrt. Im Schritt s6 werden Werte S_MAX und S_MIN auf den Signal wert S gesetzt. Der Zweck dieser Maßnahme geht aus dem im folgenden beschriebenen weiteren Ablauf hervor. Es sei ange nommen, daß vor dem ersten Erfülltsein von Schritt s5 beim Übergang von Mager nach Fett das Sondensignal einen Wert von 590 mV habe. Dann werden in Schritt s6 S_MAX und S_MIN auf diesen Wert gesetzt.

Wird nach dem nächsten Durchlaufen der Schritte s2 bis s5 im letztgenannten Schritt erkannt, daß das Sondensignal über 600 mV liegt, wird in einem Schritt s7 untersucht, ob der Meßwert den Wert S_MAX überschreitet. Dies wird so lange der Fall sein, wie das Sondensignal weiter ansteigt, also bis einschließlich der Vorderflanke des Überschwingers. Erst auf der Rückflanke des Überschwingers wird die Bedingung von Schritt s7 nicht mehr erfüllt sein. Solange die Bedingung erfüllt ist, folgt auf Schritt s7 der bereits genannte Schritt s6, in dem die Werte S_MAX und S_MIN auf den Meßwert S gesetzt werden. Beim Ausführungsbeispiel erfolgt dieser Ablauf bis zu einer Sondenspannung von etwa 800 mV.

Sobald die fallende Flanke des Überschwingers US erreicht ist, die Sondenspannung also wieder kleinere Werte als 800 mV einnimmt, ist die Bedingung von Schritt s7 nicht mehr erfüllt. Es wird dann in einem Schritt s8 untersucht, ob der Meßwert S unter den Wert S_MIN gefallen ist. Diese Bedingung wird so lange erfüllt sein, wie der Wert des Son densignals fällt. Dies weil dann, wenn die Bedingung erfüllt ist, in einem anschließenden Schritt s9 der Wert S_MIN, je doch nicht mehr der Wert S_MAX, auf den Wert S gesetzt wird. Im genannten Schritt s9 wird zugleich die Differenz DS der Werte S_MAX und S_MIN gebildet, d. h. die Differenz zwischen der Spitze des Überschwingers und dem auf der Rückflanke des Überschwingers gerade erreichten Meßpunkt. Ergibt sich, daß dieser Differenzwert DS über einem Schwellwert SW liegt, was in einem Schritt s10 untersucht wird, wird in einem Schritt s11 das Vorliegen eines Überschwingers festgestellt, und es wird z. B. eine Flagge gesetzt, die das Ergebnis der Feststellung anzeigt. Der Schwellwert beim Ausführungsbei spiel beträgt 50 mV. Wird in Schritt s10 festgestellt, daß die genannte Differenz den Schwellwert SW noch nicht überschritten hat, sei es, weil der Überschwinger zu klein oder der Abfall noch nicht ausreichend weit fortgeschritten ist, wird ein Schritt s12 erreicht, der sich übrigens auch an Schritt s11 anschließt, in dem untersucht wird, ob das Ver fahren beendet werden soll. Als Endbedingung kommt insbeson dere die Bedingung in Frage, daß die Zündung des Motor systems, an dem die Messung ausgeführt wird, abgeschaltet wird. Ist die Endbedingung erfüllt, wird das Ende des Ver fahrens erreicht. Andernfalls starten die beschriebenen Ab läufe wieder ab dem Schritt s2.

Noch offen ist das Fortschreiten des Verfahrens, wenn in Schritt s8 festgestellt wird, daß der Meßwert S nicht (mehr) unter dem Wert S_MIN liegt. Dies bedeutet, daß der tiefste Punkt des Überschwingers erreicht ist, beim Ausführungsbei spiel etwa 700 mV, woraufhin die Spannung wieder leicht ansteigt, z. B. bis auf 720 mV. Sobald die Bedingung des Schrittes s8 also nicht mehr erfüllt ist, steht fest, daß die gesamte abfallende Flanke des Überschwingers durchlaufen ist. Daher wird in einem Schritt s13 die maximale Differenz DS_MAX zwischen den Werten S_MAX und S_MIN berechnet. Diese Differenz kann für quantitative Auswertungen genutzt werden, während das Ergebnis gemäß Schritt s11 lediglich eine qualitative Feststellung ist.

Solange die Brennkraftmaschine weiter im fetten Bereich ge regelt wird, wird das Verfahren dauernd nur die Schritte s2 und s3 durchlaufen. Während eines Übergangs von Fett nach Mager laufen dagegen die Schritt s2 bis s6 in Folge ab. So lange im Mageren geregelt wird, beschränkt sich der Ablauf erneut auf die Schritte s2 und s3. Erst bei einem neuen Übergang von Mager nach Fett läuft die Gesamtheit der zuvor beschriebenen Schritte s2 bis s13 ab, wobei die jeweils durchlaufenen Pfade von den jeweils erfüllten Bedingungen abhängen.

Das Feststellen von Rückschwingern kann auf entsprechende Weise erfolgen wie das vorstehend beschriebene Feststellen von Überschwingern.

Bisherige Versuche wurden überwiegend mit üblichen beheizten Nernst-Sonden auf Zirkonoxidbasis ausgeführt. Hierbei stell te sich heraus, daß die besprochenen Effekte im wesentlichen vom Alterungszustand des Katalysators, dagegen nicht vom Alterungszustand der Sonden abhängen. Es scheint auch keine Abhängigkeit von der Sondenart zu bestehen: UEGO-Sonden stellten dieselben Effekte fest wie Nernst-Sonden.

Dadurch, daß die erfindungsgemäßen Verfahren Übergänge mit großen Signalhüben nutzen, weisen die Verfahren ein günsti ges Signal/Rausch-Verhältnis auf. Dies erniedrigt die Gefahr von Fehlbeurteilungen. Fehlbeurteilungen lassen sich auch dadurch niedrig halten, dar Überschwinger und Rückschwinger gemeinsam ausgewertet werden. Liegen innerhalb einer be stimmten Meßperiode der Mittelwert von Überschwingern und der Mittelwert von Rückschwingern gleich hoch, ist dies z. B. ein Zeichen dafür, daß dem Meßergebnis nicht vertraut werden kann. Entsprechendes gilt, wenn beide Mittelwerte sehr niedrig liegen.

Das Blockdiagramm von Fig. 5 zeigt einen Katalysator (KAT) 10 mit einer in Gasströmungsrichtung vor diesem angeordneten vorderen Lambdasonde 11.v und einer hinter ihm angeordneten hinteren Lambdasonde 11.h. Beide Sonden liefern ihre Aus gangssignale an ein Steuergerät (SG) 12, und zwar speziell an einen Lambdaregler 13 bzw. an einen Überschwinger/Rück schwinger-Komparator 14. Letzterer liefert ein Über- bzw. Rückschwingersignal an einen Alterungszustandsdetektor 15, der u. a. das anhand von Fig. 4 veranschaulichte Verfahren ausführt.

Claims

1. Verfahren zum Überprüfen des Alterungszustandes eines Katalysators unter Verwendung einer Lambdasonde hinter dem Katalysator, dadurch gekennzeichnet, daß untersucht wird, ob bei einem innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne statt findenden Übergang von Mager nach Fett ein Überschwinger des Sondensignales auftritt, der eine vorgegebene Amplitude überschreitet, und aus einem eventuell auftretenden solchen Überschwinger auf den Alterungszustand des Katalysators geschlossen wird.

2. Verfahren zum Überprüfen des Alterungszustandes eines Katalysators unter Verwendung einer Lambdasonde hinter dem Katalysator, insbesondere Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß untersucht wird, ob bei einem innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne stattfindenen Über gang von Fett nach Mager ein Rückschwinger des Sondensignals auftritt, der eine vorgegebene Amplitude überschreitet, und aus einem eventuell auftretenden solchen Rückschwinger auf den Alterungszustand des Katalysators geschlossen wird.

3. Vorrichtung zum Überprüfen des Alterungszustandes eines Katalysators (10) unter Verwendung einer Lambdasonde (11.h) hinter dem Katalysator, gekennzeichnet durch

- einen Überschwingerkomparator (14) zum Vergleichen der Amplitude eines bei einem innerhalb einer vorgegebenen Zeit spanne stattfindenden Übergang von Mager nach Fett auftre tenden Überschwingers des Sondensignales mit einer vorgege benen Amplitude und zum Ausgeben eines Überschwingersignals falls eine Überschwingeramplitude die vorgegebene Amplitude überschreitet,
- und einen Alterungszustandsdetektor (15), der so ausge bildet ist, daß er aus einem eventuell auftretenden Über schwingersignal auf den Alterungszustand des Katalysators schließt.

4. Vorrichtung zum Überprüfen des Alterungszustandes eines Katalysators (10) unter Verwendung einer Lambdasonde (11.h) hinter dem Katalysator, insbesondere Vorrichtung nach An spruch 3, gekennzeichnet durch

- einen Rückschwingerkomparator (14) zum Vergleichen der Amplitude eines bei einem innerhalb einer vorgegebenen Zeit spanne stattfindenden Übergang von Fett nach Mager auftre tenden Rückschwingers des Sondensignales mit einer vorgege benen Amplitude und zum Ausgeben eines Rückschwingersignals falls eine Rückschwingeramplitude die vorgegebene Amplitude überschreitet,
- und einen Alterungszustandsdetektor (15), der so ausge bildet ist, daß er aus einem eventuell auftretenden Rück schwingersignal auf den Alterungszustand des Katalysators schließt.