DE4112479C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen des Alterungszustandes eines Katalysators - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Alte­ rungszustands eines Katalysators, der im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors angeordnet ist.

Aus der DE-OS 24 44 334 ist eine Einrichtung zur Überprüfung eines Katalysators bekannt geworden, bei der vor und nach dem Katalysator jeweils ein als Lambdasonde ausgebildeter Messfühler angeordnet ist. Unter der Voraussetzung, dass der Abgasstrom eine gleichbleibende Temperatur aufweist, gibt die Differenz der beiden von den Fühlern abgegebenen Signale Aufschluss über die Güte des Katalysators.

Aus der US-A 4,622,809 ist ein Verfahren zum Überwachen und Justieren einer Lambdaregelung einer Brennkraftmaschine be­ kannt geworden, bei der ebenfalls vor und nach dem Katalysa­ tor jeweils ein als Lambdasonde ausgebildeter Messfühler an­ geordnet ist. Ermittelt werden sowohl die Amplitude als auch der Mittelwert des nach dem Katalysator angeordneten Mess­ fühlers. Der Mittelwert beeinflußt die Regellage der Lambda­ regelung der Brennkraftmaschine. Die nach einer Beeinflus­ sung auftretende Amplitude wird als Maß für die Güte des Ka­ talysators herangezogen.

Aus der DE-OS 35 00 594 ist ein Kraftstoffzumesssystem für eine Brennkraftmaschine mit einer Lambdaregelung bekannt ge­ worden, die zusätzlich eine Aussage über die Funktionsfähig­ keit des Katalysators erlaubt. Ausgewertet werden die von zwei als Lambdasonden ausgebildeten Messfühler bereitge­ stellten Signale, die vor und hinter dem Katalysator ange­ ordnet sind. Verglichen wird die Amplitude der Signale der beiden Messfühler, wobei eine Mittelwertbildung über einen längeren Zeitraum vorgesehen ist. Die Mittelwertbildung stellt sicher, dass sich der Katalysator während der Erfas­ sung der Messsignale nicht in einem Betriebszustand befin­ det, der für die Diagnose ungeeignet ist. Der Vergleich der gemittelten Amplitudenwerte der Signale der beiden Messfüh­ ler kann als eine Quotientenbildung betrachtet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zuverlässiges Verfahren zum Bestimmen des Alterungszustandes eines Kataly­ sators anzugeben.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht eine Quotientenbildung eines Messsignals und eines Testsignals vor, wobei das Mess­ signal von einer vor einem Katalysator und das Messsignal von einer hinter dem Katalysator angeordneten Lambdasonde erfasst wird. Zum Verringern des Einflusses von unterschied­ lichen Betriebszuständen des Katalysators auf die zu ermit­ telnde Alterungszustandsgröße werden jeweils aktuelle Werte solcher Betriebszustandsgrößen erfasst, die sich auf Sauer­ stoffspeichervorgänge im Katalysator auswirken, wobei die Alterungszustandsgröße auf der Grundlage dieser Werte dann korrigiert wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus abhängigen Ansprü­ chen.

Als Betriebszustandsgrößen werden insbesondere die Regler­ lage, die Reglerfrequenz und der Luftmassenstrom erfaßt. Mit zunehmender Vergrößerung der Abweichung der Reglerlage vom Lambdawert Eins und mit zunehmendem Luftmassenstrom wird die zunächst wie herkömmlich berechnete Alterungszustandsgröße verringert, während sie mit zunehmender Reglerfrequenz ver­ größert wird. Von ganz besonderem Vorteil ist es, die Alte­ rungszustandsgröße nur dann zu bestimmen, wenn Testsignale für fettes und mageres Gemisch im Abstand der Reglerperiode aufeinanderfolgen. Dann ist sicher, daß der Katalysator immer zwischen ganz mit Sauerstoff gefülltem und ganz in bezug auf Sauerstoff geleertem Zustand schwankt. Damit lie­ gen wohldefinierte Ausgangszustände für die Sauerstoffspei­ cherabläufe im Katalysator vor. Dies führt wiederum zu be­ sonders zuverlässigen Werten für die Alterungszustandsgröße.

Zeichnung

Fig. 1: Schematische Darstellung eines Katalysators mit je­ weils einer Lambdasonde im Abgasstrom vor und hinter dem Katalysator;

Fig. 2a bis 2e: Idealisierte zeitliche Verläufe von Lambda­ werten vor (magere Linien) und hinter (fette Linien) einem Katalysator;

Fig. 3: Flußdiagramm eines Verfahrens zum Korrigieren des Wertes einer Alterungszustandsgröße abhängig von Werten von Betriebszuständen eines Verbrennungsmotors;

Fig. 4: Darstellung eines Verfahrensschrittes, wie er zwi­ schen den Marken A und B im Flußdiagramm von Fig. 3 einge­ fügt werden kann, in welchem Fall der Schritt s5 in Fig. 3 entfällt; und

Fig. 5: Darstellung eines Flußdiagrammschrittes, wie er in Fig. 3 an die Stelle des dort eingezeichneten Schrittes s2 zwischen den Marken B und C treten kann.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Fig. 1 zeigt schematisch einen Verbrennungsmotor 10, einen Katalysator 11 und Funktionsgruppen zum Beurteilen des Alte­ rungszustandes des Katalysators, nämlich eine Berechnungs­ einrichtung 12 und einen Lambdaregler 13. Im Ansaugrohr zum Motor 10 ist ein Luftmassenmesser 14 angeordnet, dessen Sig­ nal sowohl der Berechnungseinrichtung wie auch dem Lambda­ regler zugeführt wird. Im Abgasrohr zwischen dem Motor und dem Katalysator ist eine vordere Lambdasonde 15.v montiert, deren Lambdawertsignal λ_V ebenfalls dem Lambdaregler und der Berechnungseinrichtung zugeführt wird. Hinter dem Kata­ lysator ist eine hintere Lambdasonde 15.h angebracht, deren Lambdawertsignal λ_H der Berechnungseinrichtung 12 zugeführt wird.

Die Berechnungseinrichtung 12 ermittelt u. a. die Maximal­ werte der Signale λ_V und λ_H, und zwar als Meßsignal bzw. Testsignal, und berechnet aus In-Beziehung-Setzen dieser Signale zueinander in herkömmlicher beliebiger Weise eine vorläufige Größe für den Alterungszustand AZ des Katalysa­ tors 11. Im folgenden wird davon ausgegangen, daß der vorläufige Wert durch den Quotienten von Testsignal zu Meßsig­ nal berechnet wird, also zu λ_H_MAX/λ_V_MAX.

Fig. 2a zeigt idealisiert mit magerer Linie den zeitlichen Verlauf des Lambdawertes λ_V unter der Annahme, daß eine Zweipunktregelung mit ausschließlich integralem Verhalten am Verbrennungsmotor ausgeführt wird, dessen Abgas dem Kata­ lysator 10 zugeführt wird. Weiterhin ist angenommen, daß der zeitliche Verlauf des Signals λ_V ohne Verzerrungen genau mit dem zeitlichen Verlauf der vom Lambdaregler dem Kraft­ stoff zugemessene Kraftstoffmenge übereinstimmt. Schließlich ist angenommen, daß die Regelung auf den Lambdawert Eins er­ folgt. Dies bedeutet, daß die Dreiecksschwingung des Signals λ_V symmetrisch in bezug auf den Lambdawert Eins ist. Dies wiederum hat zur Folge, daß bei ausreichend großem Sauer­ stoffspeichervermögen des Katalysators in der Magerphase ge­ rade so viel Sauerstoff in den Katalysator eingespeichert wird, wie ihm in der anschließenden Fettphase zum Oxidieren noch unverbrannter Abgaskomponenten wieder entnommen wird.

Fig. 2a, wie auch die weiteren Figuren b bis e, betreffen jedoch einen Katalysator, der einen Alterungszustand auf­ weist, bei dem er nicht mehr dazu in der Lage ist, allen Sauerstoff zu speichern, der während der Magerphase anfällt. Ab dem Zeitpunkt, zu dem das Sauerstoffspeichervolumen des Katalysators erschöpft wird, tritt Sauerstoff am Auslaß des Katalysators aus, weswegen der Lambdawert λ_H auf Werte grö­ ßer Eins ansteigt. Hierbei ist für deutliche Darstellung der zu betrachtenden Effekte davon ausgegangen, daß der Kataly­ sator schlagartig mit Sauerstoff gefüllt ist und dann an seinem Ausgang im wesentlichen derselbe Lambdawert gemessen wird wie an seinem Eingang. Tatsächlich läuft der Sauer­ stoffspeicher nicht schlagartig, sondern allmählich über.

In Fig. 2a ist der Zeitpunkt, zu dem der Lambdawert λ_H aus dem genannten Grund auf den Lambdawert λ_V springt, mit T1 bezeichnet. Bis zum Zeitpunkt T0, zu dem das Signal λ_V un­ ter den Wert Eins fällt, decken sich die Signalverläufe von λ_V und λ_H. Das letztere Signal ist mit fetter Linie darge­ stellt. Ab dem Zeitpunkt T0 wird der Sauerstoffspeicher ge­ leert. Es wird angenommen, daß er zu einem Zeitpunkt T1' schlagartig leer ist, woraufhin unverbrannte Abgaskomponen­ ten durch den Katalysator 10 bis zur hinteren Lambdasonde 11.h durchdringen, was zur Folge hat, daß ab dem Zeitpunkt T1' der zeitliche Verlauf von λ_H mit demjenigen von λ_V übereinstimmt. Dies gilt bis zu einem Zeitpunkt T0' zu dem der Lambdawert Eins von fetten Werten herkommend überschrit­ ten wird. Dann erfolgt erneut Speicherung von Sauerstoff.

In Fig. 2a ist die Amplitude des Signals λ_V mit λ_V_MAX und diejenige des Signals λ_H mit λ_H_MAX bezeichnet. Diese Wer­ te stellen das Meß- bzw. das Testsignal dar. Der Quotient λ_H_MAX/λ_V_MAX ist die Alterungszustandsgröße AZ.

In Fig. 2a ist, wie auch in den weiteren Figur b bis e, die jeweilige Fläche unter dem Signal λ_V in den Zeiträumen, in denen Sauerstoff im Katalysator gespeichert wird, schraf­ fiert dargestellt. Dadurch ist gut erkennbar, daß das Been­ digen des Speichervorgangs wegen Überlaufens des Speichers mit dem Zeitpunkt T1 der Änderung des Lambdawertes λ_H über­ einstimmt. Es ist weiterhin unmittelbar ersichtlich, daß sich mit Verringern der Speicherfähigkeit des Katalysators der Zeitpunkt T1 immer weiter nach vorne verschiebt. Ein solcher Fall ist in Fig. 2b dargestellt. Je früher der Zeit­ punkt T1 liegt, desto größer ist der Wert λ_H_MAX, auf den das Signal λ_H springt (vorausgesetzt T1 liegt nicht im an­ steigenden Bereich von λ_V vom Lambdawert Eins auf den Maxi­ malwert λ_V_MAX im Magerbereich).

Die Fig. 2c bis e veranschaulichen Fälle, gemäß denen sich der Wert von λ_H_MAX wegen Besonderheiten im Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10 ändert, nicht aber wegen Änderung des Alterungszustandes des Katalysators.

Fig. 2c betrifft den Fall, daß das Signal λ_V_MAX während einer Schwingungsperiode des Lambdareglers zu klein bleibt. Es ist angenommen, daß es das Signal im Magerbereich ist. Dann kann der Katalysator gar nicht so viel Sauerstoff auf­ nehmen, wie er eigentlich trotz seiner fortgeschrittenen Al­ terung noch speichern könnte. Dies wiederum hat zur Folge, daß bereits nach relativ kurzer Zeit in der Fettphase der im Katalysator gespeicherte Sauerstoff ganz verbraucht ist, so daß das Signal λ_H_MAX bereits erreicht wird, wenn das Sig­ nal λ_V noch einen sehr hohen (Betrags-)Wert aufweist.

Fig. 2d betrifft den Fall, daß die Regellage nach Fett ver­ schoben ist. In diesem Fall ist die Magerphase immer kürzer als die Fettphase. Auch in diesem Fall ist der während der Magerphase gespeicherte Sauerstoff bereits zu einem erheb­ lich früheren Zeitpunkt verbraucht, als er dem Ende der Fettphase entspricht. Daraus resultiert wiederum ein größe­ rer Wert für λ_H_MAX.

Fig. 2e betrifft schließlich den Fall, daß die Reglerfre­ quenz erhöht ist. Hierbei wird zunächst angenommen, daß der Luftmassenstrom unverändert ist. Wegen der vergrößerten Re­ gelfrequenz ist die Phase verkürzt, in der der während der Magerphase gespeicherte Sauerstoff verbraucht wird. Dadurch liegt zwischen den Zeitpunkten T1 und T0 nur noch ein ver­ kürzter Zeitraum, was wiederum zur Folge hat, daß der Wert von λ_H auf einen kleineren Wert λ_H_MAX springt. Es ist je­ doch zu beachten, daß sich das Vergrößern der Regelfrequenz weniger stark auf λ_H_MAX auswirkt als vorstehend angegeben, da ein Vergrößern der Regelfrequenz meistens durch erhöhten Luftmassenstrom bedingt ist. Ein erhöhter Luftmassenstrom führt jedoch zu verkürztem Erreichen des Sättigungszustandes bzw. des Leerzustandes des Katalysators in bezug auf Sauer­ stoff, wodurch die Zeitspanne zwischen T1 und T0 wieder ver­ größert wird.

Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß sich die aus dem Verhältnis λ_H_MAX/λ_V_MAX berechnete Alterungszustandsgröße AZ mit wachsender Abweichung der Regellage vom Lambdawert Eins und mit zunehmendem Luftmassenstrom vergrößert, jedoch mit Vergrößerung der Regelfrequenz verkleinert. Dementspre­ chend muß die Alterungszustandsgröße AZ jeweils in umgekehr­ ter Richtung korrigiert werden, wenn derartige Änderungen der Regellage, des Luftmassenstroms und/oder der Regelfre­ quenz festgestellt werden. Wie diese Korrektur erfolgen kann, wird nun mit Hilfe von Fig. 3 erläutert.

Im Schritt s1 des Flußdiagramms von Fig. 3 werden die Signa­ le λ_V, λ_H, Δλ, F_λ und LM erfaßt. Δλ ist hierbei die Ab­ weichung der Reglerlage vom Lambdawert Eins, F_λ ist die Re­ gelfrequenz und LM ist der angesaugte Luftmassenstrom. Außerdem werden in Schritt s1 das Meßsignal λ_V_MAX und das Testsignal λ_H_MAX für jede Halbperiode einer Reglerschwin­ gung bestimmt.

Über zwei Marken A und B wird ein Entscheidungsschritt s2 erreicht, in dem untersucht wird, ob die Testsignale für Fett und Mager im Abstand der Reglerperiode liegen. Ist dies der Fall, schließt sich über eine Marke C ein Schritt s3 an, in dem der vorläufige Wert der Alterungszustandsgröße AZ in herkömmlicher Weise als Verhältnis λ_H_MAX/λ_V_MAX gebildet wird. Anschließend (Schritt s4) wird dieser Wert mit Hilfe der Werte LM und F_λ korrigiert, wie in Fig. 3 in Schritt s4 eingetragen. Dabei ist LM_0 ein Normierungsluftmassenstrom und F_λ_0 ist eine Normierungsreglerfrequenz. Eine weitere Korrektur von AZ findet auf Grundlage des Wertes Δλ in der in Schritt s5 in Fig. 3 eingetragenen Weise statt. Hierbei sind k1 und k2 Konstanten. Der in dieser Weise mehrfach kor­ rigierte ursprüngliche Wert von AZ wird in Schritt s6 mit zuvor bestimmten korrigierten Werten von AZ gemittelt. Schließlich wird noch untersucht (Schritt s7), ob das Ver­ fahren beendet werden soll. Ist dies nicht der Fall, wieder­ holt sich der Ablauf ab Schritt s1.

Der letzte Schritt s7 wird auch ausgehend von Schritt s2 über eine Marke D erreicht, wenn sich ergibt, daß die Test­ signale für Fett und Mager nicht im wesentlichen im Abstand der Reglerperiode liegen. Dies bedeutet nämlich, daß minde­ stens eines der Testsignale für Fett und/oder Mager ausge­ fallen ist. Dies beduetet wiederum, daß das Füllen des Kata­ lysators mit Sauerstoff oder dessen Entleeren ausgehend von einem undefinierten Zustand erfolgte, so daß das Testsignal weniger vom Alterungszustand des Katalyators als vielmehr vom Ausgangszustand des Füll- oder Entleerzustandes abhängt, wie anhand von Fig. 2c veranschaulicht. Mit Hilfe von Schritt s2 soll also ein Verändern des bisher geltenden Wer­ tes von AZ vermieden werden, wenn der Fall von Fig. 2c ein­ tritt. Dies kann insbesondere bei einem Zweipunktregler mit ungleich großen P-Sprüngen nach Fett und nach Mager (größere Sprünge in Richtung Fett) auftreten.

Das eben beschriebene Verfahren kann unter anderem leicht so abgeändert werden, daß man Schritt s5 der Korrektur der Re­ gellage entfallen läßt und dafür zwischen den genannten Mar­ ken A und B einen Schritt einfügt, wie er durch Fig. 4 ver­ anschaulicht wird. Gemäß diesem Schritt wird eine Abweichung Δλ der Reglerlage vom Lambdawert beseitigt, bevor der ak­ tuelle Wert der Alterungszustandsgröße AZ bestimmt wird.

Weiterhin läßt sich das Verfahren von Fig. 3 so abändern, daß Schritt s2 zwischen den Marken B, C und D durch den in Fig. 5 dargestellten Schritt ersetzt wird. Es wird nämlich untersucht, ob zwei oder mehr P-Sprünge ungleicher Größe in kurzer Zeitspanne aufeinanderfolgen. Diese Maßnahme dient, wie bereits in anderem Zusammenhang erläutert, zum Aus­ schließen von Schwierigkeiten, wie sie in Fällen auftreten, wie sie durch Fig. 2c veranschaulicht sind.

Es wird darauf hingewiesen, daß nicht alle anhand der Fig. 3 bis 5 erläuterten Maßnahmen zum Korrigieren des Wertes der Alterungszustandsgröße AZ oder zum Aussetzen der Neubestim­ mung dieser Größe gemeinsam angewendet werden müssen. Viel­ mehr kann jede dieser Maßnahmen einzeln oder in anderen Kom­ binationen als den besprochenen angewendet werden. Auch ist es unerheblich, wie die zu korrigierende Alterungszustands­ größe konkret berechnet wird.

Dadurch daß die Alterungszustandsgröße in der oben beschrie­ benen Art und Weise korrigiert wird, ist es möglich, sie in zuverlässiger Weise bei vielen unterschiedlichen und nicht nur einigen wenigen ausgewählten Betriebszuständen zu be­ stimmen.

Claims (6)

1. Verfahren zum Bestimmen des Alterungszustandes eines Katalysators, der im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors angeordnet ist, der mit einer Lambdaregelung mit Zweipunktverhalten betrieben wird, welches Beurteilen mit Hilfe einer Alterungszustandsgröße dadurch erfolgt, dass ein Messsignal und ein Testsignal durch eine Quotientenbildung zueinander in Beziehung gesetzt werden, um den Einfluss unterschiedlicher Betriebszustände zu verringern, wobei das Messsignal von einer vor dem Katalysator und das Testsignal von einer hinter dem Katalysator angeordneten Lambdasonde erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verringern des Einflusses von unterschiedlichen Betriebszuständen auf die Alterungszustandsgröße jeweils aktuelle Werte solcher Betriebszustandsgrößen erfasst werden, die sich auf Sauerstoffspeichervorgänge im Katalysator auswirken, und die Alterungszustandsgröße auf Grundlage dieser Werte korrigiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung Δλ der aktuellen Regellage zum Lambdawert Eins ermittelt wird und die Alterungszustandsgröße mit zu­ nehmendem Wert des Betrags von Δλ erniedrigt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine eventuell vorhandene Abweichung der Regellage vom Lambdawert "1" beseitigt wird, bevor die Alterungszustands­ größe berechnet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der vom Motor angesaugte Luftmassenstrom und die Lambdareglerfrequenz gemessen werden und die Alte­ rungszustandsgröße mit zunehmendem Luftmassenstrom ernied­ rigt und mit zunehmender Reglerfrequenz erhöht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Auswerten der Alterungszustandsgröße vorübergehend ausgesetzt wird, wenn bei Lambdaregelung mit ungleichen P-Anteilen zwei oder mehr P-Sprünge kurzzeitig aufeinanderfolgen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Alterungszustandsgröße nur ausgewertet wird, wenn Testsignale für fettes und mageres Gemisch im Ab­ stand der Reglerperiode aufeinanderfolgen.