DE4112478A1 - Verfahren und vorrichtung zum beurteilen des alterungszustandes eines katalysators - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum beurteilen des alterungszustandes eines katalysatorsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Beurteilen des Alterungszustandes eines Katalysators,
dem das Abgas eines lambdageregelten Verbrennungsmotors zu
geführt wird.
Es ist seit langem bekannt, daß der Alterungszustand eines
Katalysators mit Hilfe des Signals von einer hinter ihm an
geordneten Lambdasonde beurteilt werden kann. Solange er
wenig gealtert ist, weist er ein gutes Speichervermögen für
Sauerstoff auf, was dazu führt, daß er in Magerphasen einer
Lambdaregelung auf den Wert Eins Sauerstoff speichert und
diesen in Fettphasen wieder abgibt. Dadurch wird am Ausgang
des Katalysators dauernd der Lambdawert Eins gemessen. Mit
zunehmend verschlechtertem Alterungszustand des Katalysators
nimmt jedoch sein Speichervermögen ab, was dazu führt, daß
er in der genannten Magerphase nicht mehr den gesamten, dort
anfallenden Sauerstoff speichern kann. Dies führt dazu, daß
nach einiger Zeit in der Magerphase Sauerstoff in dem den
Katalysator verlassenden Abgas vorhanden ist, was ein Mager
signal der dort angeordneten Lambdasonde zur Folge hat. Um
gekehrt steht in der Fettphase nicht mehr genug Sauerstoff
zur Verfügung, um die insgesamt anfallende Menge zu oxidie
render Schadgaskomponenten zu konvertieren, weswegen nach
einiger Zeit in der Fettphase zu oxidierende Komponenten von
der Lambdasonde hinter dem Katalysator gemessen werden. Auf
grund des regelungsbedingten Signalverlaufs des Lambdawertes
vor dem Katalysator hängt die Amplitude des Lambdawertsig
nals, wie es hinter dem Katalysator gemessen wird, von dem
Zeitpunkt ab, zu dem der Sauerstoffspeicher überläuft oder
ganz entleert ist. Je früher der Zeitpunkt liegt, desto grö
ßer ist die Amplitude des hinter dem Katalysator gemessenen
Signals (vorausgesetzt, daß der Zeitpunkt nicht übermäßig
früh liegt). Die Amplitude des Signals hinter dem Katalysa
tor ist somit ein Maß für das Speicherungsvermögen und damit
den Alterungszustand des Katalysators.
Nun hängt die genannte Amplitude nicht nur vom Speicherungs
vermögen des Katalysators ab, sondern auch von der Amplitude
des vor dem Katalysator gemessenen Lambdawertsignals. Um
diesen Einfluß zu kompensieren, ist es bekanntgeworden, die
vor und hinter dem Katalysator gemessenen Lambdawerte zuein
ander in Beziehung zu setzen. Hierzu gibt DE-A-23 04 622
(US-A-39 62 866) an, die Differenz zwischen den beiden ge
nannten Signal zu bilden und ein Warnsignal auszugeben, wenn
die Differenz unter einen Schwellwert fällt. DE-A-35 00 594
gibt demgegenüber an, das Verhältnis der
genannten beiden Signale zu bilden und einen Mittelwert die
ses Verhältnisses zum Beurteilen des Alterungszustandes zu
verwenden.
Trotz der eben genannten Korrekturmaßnahmen war es bisher in
der Praxis nur in besonders ausgewählten Betriebszuständen
möglich, den Alterungszustand eines Katalysators mit einer
der vorstehend genannten Methoden zu bestimmen. Der Grund
hierfür ist aus dem oben angegebenen Speicherverhalten des
Katalysators leicht ableitbar. Wenn z. B. in einem Betriebs
zustand nicht genau auf den Lambdawert Eins geregelt wird,
sondern auf einen fetteren Wert, was häufig der Fall ist,
sind die Magerphasen gegenüber den Fettphasen verkürzt. Es
kann dann unter Umständen in der Magerphase gar nicht so
viel Sauerstoff eingelagert werden, wie der Katalysator ei
gentlich noch speichern könnte. Dies führt dann in der Fett
phase zu einer besonders großen Amplitude des hinter dem
Katalysator gemessenen Lambdawertsignals. Ähnliche Effekte
treten auf, wenn die Magerphase aus einem anderen Grund ver
kürzt ist, z. B. wegen einer Änderung der Reglerfrequenz
oder einem Instationärvorgang.
Es bestand demgemäß das Problem, ein Verfahren und eine Vor
richtung zum Beurteilen des Alterungszustandes eines Kataly
sators anzugeben, bei denen der Einfluß von Betriebszustän
den auf den berechneten Alterungszustandswert möglichst ge
ring ist.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Beurteilen des Alte
rungszustandes eines Katalysators, dem das Abgas eines
lambdageregelten Verbrennungsmotors zugeführt wird, wird wie
folgt verfahren:
- - es werden die Lambdawerte vor und hinter dem Katalysator gemessen;
- - und es wird untersucht, ob bei einer Regelschwingung des Lambdawertes vor dem Katalysator von Fett nach Mager oder umgekehrt der Lambdawert hinter dem Katalysator einen ent sprechenden Übergang zeigt, und dann, wenn dies der Fall ist, wird wie folgt verfahren;
- - der den Katalysator durchströmende Gasmassenstrom wird be stimmt;
- - das zeitliche Integral des Produktes aus Gasmassenstrom und Lambdawert vor dem Katalysator wird berechnet;
- - das zeitliche Integral des Produktes aus Gasmassenstrom und Lambdawert hinter dem Katalysator wird berechnet;
- - und als Maß für den Alterungszustand des Katalysators wird
- - entweder die Differenz zwischen den beiden Integralen
- - oder der Quotient aus den beiden Integralen
- - oder der Quotient zwischen der Differenz und einem der beiden Integrale verwendet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Beurteilen des Alte
rungszustandes eines Katalysators, dem das Abgas eines
lambdageregelten Verbrennungsmotors zugeführt wird, weist
folgende Merkmale auf:
- - eine Lambdasonde vor dem Katalysator,
- - eine Lambdasonde hinter dem Katalysator,
- - einen Luftmassenmesser im Ansaugrohr zum Verbrennungsmo tor,
- - eine Berechnungseinrichtung, die so ausgebildet ist, dar sie die zeitlichen Integrale der Produkte aus Gasmassenstrom und Lambdawert vor bzw. hinter dem Katalysator berechnet und als Maß für den Alterungszustand des Katalysators
- - entweder die Differenz zwischen den beiden Integralen
- - oder den Quotienten aus den beiden Integralen
- - oder den Quotienten aus der Differenz und einem der bei den Integrale verwendet,
- - und eine Entscheidungseinrichtung, die 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, die Berechnungseinrichtung so an steuert, daß diese die genannten Maßnahmen ausführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vor
richtung unterscheiden sich vor allem in zweierlei Hinsicht
vom Stand der Technik. Der eine wesentliche Unterschied ist
der, dar Berechnungen zum Alterungszustand des Katalysators
immer nur dann vorgenommen werden, wenn sichergestellt ist,
daß bei einer Regelschwingung des Lambdawertes vor dem Kata
lysator dieser völlig mit Sauerstoff gefüllt und anschlie
ßend wieder völlig geleert wurde oder umgekehrt. Dadurch
liegen genau definierte Verhältnisse zum Beurteilen des
Speicherverhaltens des Katalysators vor. Der zweite wesent
liche Unterschied ist, daß nicht zeitliche Mittelwerte von
Lambdawerten alleine ausgewertet werden, sondern zeitliche
Integrale von Produkten aus Gasmassenströmen und Lambdawer
ten. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei konstantem
(magerem) Lambdawert der Katalysator um so schneller mit
Sauerstoff gefüllt wird, je mehr Gas durch ihn strömt. Der
Zeitpunkt, zu dem er gefüllt ist und damit der an seinem
Ausgang gemessene Lambdawert hängt somit nicht nur vom
Lambdawert am Eingang, sondern auch vom Gasmassenstrom ab.
Von Vorteil ist es, das Bestimmen des Alterungszustandes
auch dann auszusetzen, wenn der Betrag des zeitlichen Inte
grals aus Gasmassenstrom und Lambdawert vor dem Katalysator
einen Grenzwert überschreitet. Dadurch werden z. B. Auswer
tungen direkt im Anschluß an eine Schubphase verboten. In
diesem Fall muß vielmehr eine sich anschließende Fettphase
abgewartet werden, bevor eine neue Berechnung des Alterungs
zustandes vorgenommen wird. In der Schubphase ohne Kraft
stoffeinspritzung ist das Speichervermögen des Katalysators
etwa 1 1/2 bis 2 Mal größer als bei Lambdawerten, wie sie
bei üblicher Lambdaregelung auftreten. Die eben genannte Be
dingung verhindert also, daß Sonderzustände die Beurteilung
des Alterungszustandes verfälschen.
An jedem Lambdageregelten Verbrennungsmotor sind Einrichtun
gen zum Erfassen der Luftmasse im Ansaugrohr des Verbren
nungsmotors bekannt. Es ist von Vorteil, diese Einrichtungen
zum Beurteilen des Gasmassenstroms zu nutzen, der durch den
Katalysator fließt. Dies, weil bei einem lambdageregelten
Motor der Kraftstoff im wesentlichen proportional zum Luft
massenstrom zugemessen wird und demgemäß der Gasmassenstrom
am Ausgang des Motors und damit am Eingang des Katalysators
im wesentlichen proportional zum einströmenden Luftmassen
strom ist.
Fig. 1 schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors
mit nachfolgendem Katalysator, sowie von Funktionsmitteln
zum Beurteilen des Alterungszustandes des Katalysators;
Fig. 2a bis c zeitkorrelierte Diagramme der zeitlichen Ver
laufe des Lambdawertsignals vor einem Katalysator (a) sowie
des Lambdawertsignals hinter einem schwach (b) bzw. einem
stark gealterten Katalysator (c); und
Fig. 3 Flußdiagramm für ein Verfahren zum Beurteilen des
Alterungszustandes eines Katalysators, das Integrale aus
Gasmassenströmen und Lambdawerten nutzt.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Verbrennungsmotor 10, einen
Katalysator 11, eine Entscheidungseinrichtung 12 und eine
Berechnungseinrichtung 13. Im Ansaugrohr des Motors 10 ist
ein Luftmassenmesser 14 angeordnet, dessen Luftmassenstrom
signal LM der Berechnungseinrichtung 13 zugeführt wird. Im
Abgasrohr zwischen dem Motor 10 und dem Katalysator 11 ist
vor dem letzteren eine vordere Lambdasonde 15.v angeordnet,
während am Auslaß des Katalysators eine hintere Lambdasonde
15.h vorhanden ist. Die Lambdawertsignal λ_V bzw. λ_H von
diesen beiden Sonden werden sowohl der Entscheidungseinrich
tung 12 wie auch der Berechnungseinrichtung 13 zugeführt.
Letztere gibt ein Signal AZ aus, das ein Maß für den Alte
rungszustand des Katalysators 11 ist.
In Fig. 1 sind auch Werte für Gasmassenströme eingezeichnet.
Dabei ist QS_L_AS der vom Luftmassenmesser 14 gemessene
Luftmassenstrom. Der zugehörige Sauerstoffstrom ist mit
QS_O2_AS bezeichnet. Dieser hängt mit dem Luftmassenstrom
über eine Proportionalitätskonstante k (21 Molprozent) zu
sammen, die bis in große Höhen im wesentlichen unverändert
gilt. Der Sauerstoffpartialstrom, der den Motor 10 verläßt,
hängt vom angesaugten Sauerstoffstrom und vom Unterschied
zwischen λ_V zum Lambdawert Eins ab. Der Lambdawert Eins
bedeutet, daß der gesamte zugeführte Sauerstoff verbraucht
wurde, so daß der austretende Sauerstoffpartialstrom den
Wert Null hat. Ist die Differenz zwischen λ_V und Eins grö
ßer Null, d. h. liegt magere Verbrennung vor, flieht ein
Sauerstoffstrom in den Katalysator, der sich zu (λ_V-1)-
x QS_O2_AS berechnet. Diese Größe nimmt für fette Verbren
nung einen negativen Wert an. Dies bedeutet, daß dem Kataly
sator 11 im Ausmaß des entsprechenden Strömungswertes Sauer
stoff entzogen statt zugeführt wird. Eine entsprechende Be
ziehung, nämlich (λ_H-1) × QS_O₂_AS gilt auch für den
Sauerstoffpartialstrom hinter dem Katalysator, der wiederum
ein sauerstofführender oder ein sauerstoffverbrauchender
Strom sein kann. Der Sauerstoffpartialstrom zum Katalysator
11 wird im folgenden auch als QS_O2_V bezeichnet, während
der vom Katalysator als QS_O2_H bezeichnet wird.
Fig. 2a zeigt den zeitlichen Verlauf des Lambdawertes λ_V
vor dem Katalysator bei einer gleichmäßigen Schwingung um
den Lambdawert Eins. Zu Zeitpunkten T1 finden Übergänge von
Mager nach Fett statt, während zu Zeitpunkten T1′ die umge
kehrten Übergänge von Fett nach Mager auftreten. Die Kurve
ist als Dreieckskurve dargestellt, was bedeutet, daß der
Einfachheit halber davon ausgegangen wird, daß die Lambdare
gelung ausschließlich mit Integralanteilen arbeitet und daß
die Signalform des Lambdawertsignals nicht gegenüber der
Signalform des Kraftstoffmengensignals verfälscht wird, das
bei der Lambdaregelung eingestellt wird. Diese Bedingungen
gelten für praktische Fälle zwar nur in sehr grober Annähe
rung, jedoch ist der konkrete Signalverlauf für die folgen
den Betrachtungen unerheblich.
Die Fläche zwischen der eingezeichneten Kurve und dem Lamb
dawert Eins entspricht dem zeitlichen Integral (λ_V-1) × dt.
Nimmt man den angesaugten Luftmassenstrom als konstant
an, entspricht die Fläche auch dem Integral ∫QS_O2_V×dt.
Damit geben die Flächen zwischen jeweiligen Zeitpunkten T1′
und T1 die in den Katalysator strömende Sauerstoffmenge wie
der, während die Flächen zwischen den Zeitpunkten T1 und T1′
derjenigen Sauerstoffmenge entsprechen, die auf zuwenden ist,
um die in diesem Zeitraum in den Katalysator strömenden oxi
dierbaren Gasanteile zu oxidieren.
Solange der Katalysator mehr Sauerstoff speichern kann, als
ihm während einer Magerphase zugeführt wird und ihm während
der Fettphase nur die zuvor zugeführte Sauerstoffmenge wie
der entzogen wird, bleibt der Lambdawert λ_H am Ausgang des
Katalysators dauernd auf dem Wert Eins. Für Fig. 2b ist je
doch angenommen, daß der Katalysator bereits schwach geal
tert ist, so daß er nicht mehr dazu in der Lage ist, den ge
samten in einer Magerphase zugeführten Sauerstoff zu spei
chern. Es ist weiterhin der Anschaulichkeit halber angenom
men, dar der Sauerstoffspeicher schlagartig gefüllt ist, was
zur Folge hat, daß ab dem Moment seiner Füllung das Lambda
wertsignal λ_H am Ausgang mit dem Signal λ_V am Eingang des
Katalysators übereinstimmt. Für den Sauerstoffentnahmevor
gang wird entsprechendes angenommen, also daß der Speicher
schlagartig leer ist und dann das Signal λ_H mit dem Signal
m_V übereinstimmt. Die Flächen zwischen den so erzeugten
Signalbereichen und der Linie für den Lambdawert Eins ent
sprechen beim angenommenen konstanten Luftmassenstrom dem
Sauerstoffüberschußstrom bzw. Entnahmestrom im weiter oben
erläuterten Sinn. Die Flächen entsprechen den Integralen
∫QS_O2_H×dt.
Fig. 2c veranschaulicht einen Fig. 2b entsprechenden Fall,
nämlich den Verlauf des Signals λ_H für einen stark gealter
ten statt einen schwach gealterten Katalysator. Beim stark
gealterten Katalysator ist das Sauerstoffspeichervermögen
stark verringert, weswegen das Signal λ_H im Fall von Fig.
2c bereits erheblich früher auf den Wert von λ_V springt als
im Fall von Fig. 2b.
Die Differenz von ∫QS_O2_V×dt - ∫QS_O2_H×dt entspricht
der in der Magerphase im Katalysator gespeicherten Sauer
stoffmenge bzw. der in der Fettphase aus dem Katalysator
entnommenen Sauerstoffmenge. Diese Differenz ist somit un
mittelbar ein Maß für das Speichervermögen und damit den
Alterungszustand des Katalysators. Dieser Zusammenhang gilt
für beliebige zeitliche Verläufe des Signals λ_H und des
angesaugten Luftmassenstroms, solange nur mit jedem Phasen
wechsel des Signals λ_V auch ein solcher des Signals λ_H
stattfindet. Fehlt ein solcher Phasenwechsel, kann das Spei
chervermögen nicht beurteilt werden, da unklar ist, wie weit
der Speicher in einer Magerphase gefüllt bzw. in einer Fett
phase geleert wurde. Wegen der Unabhängigkeit der genannten
Größe von den zeitlichen Verläufen des Lambdawertes und des
Luftmassenstroms ist diese Größe zum Beurteilen des Alte
rungszustandes von unterschiedlichen Betriebszuständen und
Betriebszustandsänderungen während der Messung ziemlich un
abhängig. Probleme treten nur in Sonderbetriebszuständen
auf, insbesondere in Schubphasen ohne Kraftstoffeinsprit
zung, da in diesen der Katalysator erheblich mehr Sauerstoff
speichern kann als während einer geregelten Magerphase, näm
lich etwa das 1 1/2- bis 2-fache. Um Fehlbeurteilungen durch
derartige Sonderbetriebszustände zu verhindern, ist es von
Vorteil, die genannte Größe nicht zu bilden, wenn das Inte
gral aus Lambdawert vor dem Katalysator und Luftmassenstrom
im Betrag einen Grenzwert übersteigt.
Anhand von Fig. 3 wird nun ein Verfahren erläutert, das die
vorstehend beschriebenen Grundsätze nutzt. In einem Schritt
s1 werden die Lambdawert λ_V, λ_H und der Luftmassenstrom LM
gemessen. Anschließend (Schritt s2) werden Integrale I_V und
I_H gebildet, wie in Fig. 3 angegeben. In einem Entschei
dungsschritt s3 wird untersucht, ob der Integralwert I_V
über einer Schwelle liegt. Beim Ausführungsbeispiel ist die
se Schwelle so bemessen, daß sie dem Dreifachen des aktuel
len Wertes des Speicherungsvermögens des Katalysators ent
spricht. Ist diese Bedingung nicht erfüllt, wird in einem
weiteren Entscheidungsschritt s4 danach gefragt, ob das Sig
nal λ_H den selben Wechsel von Fett nach Mager oder umge
kehrt aufweist wie das Signal λ_V. Ist dies der Fall, wird
eine Alterungszustandsgröße AZ berechnet, und zwar aus der
Differenz zwischen den genannten beiden Integralen oder als
beliebiger Quotient aus zweien der Größen IV, IH und
IV-IH. Abschließend (Schritt s6) wird untersucht, ob das
Verfahren beendet werden soll. Ist dies nicht der Fall, lau
fen die Vorgänge ab Schritt s1 erneut ab. Dieser Abfrage
schritt wird auch ausgehend von Schritt s3 erreicht, wenn
die Schwelle für I_V überschritten ist, oder ausgehend von
Schritt s4 erreicht, wenn das Signal λ_H nicht denselben
Wechsel zeigt wie das Signal λ_V.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist da
von ausgegangen, daß die Entscheidungsschritte s3 und s4 in
der Entscheidungseinrichtung 12 und die anderen Schritte in
der Berechnungseinrichtung 13 ablaufen und daß die zwei Ein
richtungen diejenigen Daten austauschen, die sie wechselsei
tig benötigen. Tatsächlich sind diese Einrichtungen durch
Funktionen eines entsprechend programmierten Mikrocomputers
realisiert.
Claims (4)
1. Verfahren zum Beurteilen des Alterungszustandes eines
Katalysators, dem das Abgas eines lambdageregelten Verbren
nungsmotors zugeführt wird, bei welchem Verfahren
- - die Lambdawerte vor und hinter dem Katalysator gemessen werden; dadurch gekennzeichnet, daß
- - untersucht wird, ob bei einer Regelschwingung des Lambda wertes vor dem Katalysator von Fett nach Mager oder umge kehrt der Lambdawert hinter dem Katalysator einen entspre chenden Übergang zeigt, und dann, wenn dies der Fall ist;
- - der den Katalysator durchströmende Gasmassenstrom bestimmt wird;
- - das zeitliche Integral des Produktes aus Gasmassenstrom und Lambdawert vor dem Katalysator berechnet wird;
- - das zeitliche Integral des Produktes aus Gasmassenstrom und Lambdawert hinter dem Katalysator berechnet wird;
- - und als Maß für den Alterungszustand des Katalysators
- - 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 wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der in den Verbrennungsmotor fliegende Luftmassenstrom ge
messen wird und der den Katalysator durchströmende Gasmas
senstrom als zum Luftmassenstrom proportional behandelt
wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Alterungszustand auch dann nicht be
stimmt wird, wenn der Betrag des zeitlichen Integrals aus
Gasmassenstrom und Lambdawert vor dem Katalysator einen
Grenzwert überschreitet.
4. Vorrichtung zum Beurteilen des Alterungszustandes eines
Katalysators, dem das Abgas eines lambdageregelten Verbren
nungsmotors zugeführt wird, mit
- - einer Lambdasonde (15.v) vor dem Katalysator (11);
- - einer Lambdasonde (15.h) hinter dem Katalysator;
- - einem Luftmassenmesser (14) im Ansaugrohr zum Verbren nungsmotor (10); gekennzeichnet durch
- - eine Berechnungseinrichtung (13), die so ausgebildet ist, daß sie die zeitlichen Integrale der Produkte aus Gasmassen strom und Lambdawert vor bzw. hinter dem Katalysator berech net und als Maß für den Alterungszustand des Katalysators
- - entweder die Differenz zwischen den beiden Integralen
- - oder den Quotienten aus den beiden Integralen
- - oder den Quotienten aus der Differenz und einem der bei den Integrale bestimmt;
- - und eine Entscheidungseinrichtung (12), die untersucht, ob bei einer Regelschwingung des Lambdawertes vor dem Katalysa tor von Fett nach Mager oder umgekehrt der Lambdawert hinter dem Katalysator einen entsprechenden Übergang zeigt, und dann, wenn dies der Fall ist, die Berechnungseinrichtung so ansteuert, daß diese die genannten Berechnungen ausführt.
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