DE4243339C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen einer Abgasreinigungseinrichtung eines Motors und zur Überwachung eines Sensors für das Kraftstoff/Luft-Gemisch - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen einer Abgasreinigungseinrichtung eines Motors und zur Überwachung eines Sensors für das Kraftstoff/Luft-Gemisch

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen einer Abgasreinigungseinrichtung eines Motors und zur Überwachung eines Sensors für das Kraftstoff/Luft-Gemisch gemäß den Oberbegriffen der unab­ hängigen Patentansprüche.
Eine Einrichtung für die Reinigung von Motorabgasen umfaßt im wesentlichen einen Katalysator und eine Steuereinheit mit Kraftstoff/Luft-Gemisch-Rückkopplung (closed-loop = ge­ schlossener Regelkreis). Der Katalysator wird bei vielen Abgasen für die Eliminierung von HC, NOx und CO aus den Ab­ gasen eingesetzt. Es ist notwendig, das Kraftstoff/Luft- Verhältnis konstant zu halten, um das Funktionieren des Ka­ talysators zu gewährleisten. Dementsprechend wird ein Sau­ erstoffsensor stromauf des Katalysators eingebaut, so daß die Rückkopplungskontrolleinheit für das Kraftstoff/Luft- Verhältnis die Kraftstoffzufuhr steuert, um damit das ge­ wünschte Kraftstoff/Luft-Verhältnis herzustellen.
Wenn sich die Funktion des Sauerstoffsensors stromauf des Katalysators verschlechtert, wobei der Katalysator ein ge­ wöhnlicher Dreiwegekatalysator ist, fällt das Kraftstoff/ Luft-Gemisch nicht in den engen Bereich um das stöchiome­ trische Kraftstoff/Luft-Verhältnis, was zu einer Verminde­ rung der Umwandlungseffizienz in bezug auf schädliche Kom­ ponenten führt. Wenn die Wirkung des Katalysators an sich leidet, sinkt die Umwandlungseffizienz für schädliche Kom­ ponenten, auch wenn das Kraftstoff/Luft-Verhältnis genau beibehalten wird.
Wegen dieses Problems muß die Verschlechterung des Kataly­ sators genau festgestellt werden. Jedoch wurde bislang kein Überwachungssystem entwickelt, welches die Wirkungsver­ schlechterung während des Motorbetriebs überwacht und ge­ gensteuert.
Eine solche Technologie zur Bestimmung der Verschlechterung des Katalysators umfaßt beispielsweise eine Einrichtung für die Bestimmung des Verschlechterungsgrades eines Katalysa­ tors bei einem Verbrennungsmotor nach JP-A-2-3091. In die­ ser Einrichtung werden Sauerstoffsensoren vor und nach dem Katalysator eingebaut, um den Zeitunterschied zwischen dem Zeitpunkt, wenn das Ausgangssignal des vorderen Sauerstoff­ sensors invertiert wird und der Zeit, wenn das Ausgangs­ signal des hinteren Sensors invertiert wird, zu bestimmen. Eine Betriebsverschlechterung des Katalysators wird durch die gemessene Zeitdifferenz bestimmt. Insbesondere wird aus einer kurzen Zeitdifferenz geschlossen, daß sich der Kata­ lysator verschlechtert hat.
Gemäß der DE 35 24 592 C1 ist weiterhin ein Verfahren zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit katalytischer Re­ aktoren und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Ver­ fahrens bekannt. Die Funktionstüchtigkeit des Katalysators wird dadurch überprüft, daß der Regelschaltung für das Kraftstoff/Luft-Gemisch ein periodisches Signal mit einer geringeren Frequenz zugeführt wird, als in einem normalen Betrieb. Dadurch erfolgt eine kontinuierliche Vergrößerung der Amplitude der zyklischen Schwankungen der Abgaszusam­ mensetzung, wobei bei Über- bzw. Unterschreiten eines Schwellwerts der Abgaszusammensetzung stromab des Katalysa­ tors beurteilt wird, in welchem Zustand sich der Katalysa­ tor befindet.
Die DE 31 12 122 A1 zeigt eine Bestimmung einer Korrelati­ onsfunktion zur Fahrzeugdiagnose. Es werden bestimmte Fahr­ zeuggeräusche bei Fahrzeugfehlfunktionen im voraus in einem Speicher abgelegt. Während dem Fahrzeugbetrieb werden dann aktuelle Fahrzeuggeräusche aufgenommen und mit den vorab gespeicherten Fehlergeräuschen verglichen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfah­ ren und eine Vorrichtung zum Überwachen einer Abgasreini­ gungseinrichtung und einem Katalysator und zur Überwachung eines Sensors für das Kraftstoff/Luft-Gemisch zu schaffen, die den Katalysator- und den Sensorzustand ohne eine Beein­ flussung des Motorsteuersystems bestimmen können.
Die Aufgabe wir gemäß den Merkmalen der unabhängigen An­ sprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhaf­ te Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung auf.
Als ein Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vor­ richtung für die Überwachung der Verschlechterung einer Mo­ tor-Abgasreinigungsanlage mit einem Katalysator zur Reini­ gung der Abgase eines Motors mit einer Steuereinrichtung für das Kraftstoff/Luft-Gemisch zur Anpassung der einge­ spritzten Luftmenge geschaffen, wobei die Konzentration des Sauerstoffs oder das Kraftstoff/Luft-Gemisch gemessen und so gesteuert wird, daß das Kraftstoff/Luft-Gemisch im Abgas konstantgehalten wird. Dieses System enthält: einen vorde­ ren Kraftstoff/Luft-Sensor für die Messung der Sauerstoff­ konzentration oder des Kraftstoff/Luft-Gemisches im Abgas vor der Reinigung durch den Katalysator; einen hinteren Kraftstoff/Luft-Sensor für die Messung der Sauerstoff­ konzentration oder des Kraftstoff/Luft-Gemisches im Abgas nach der Reinigung durch den Kata­ lysator; ein Filtersystem, das die Signale in einem Fre­ quenzband unterhalb der Steuerfrequenz für das Kraftstoff/ Luft-Gemisch der Steuereinheit in den Signalen von vorderen und hinteren Kraftstoff/Luft-Gemisch-Sensoren abschwächt; Korrelationsfunktionsrechner für die Berechnung der Korre­ lationsfunktion des Signals, welches vom Filtersystem aus­ gegeben wird; und einer Zustandsbestimmungseinheit des Ka­ talysatorzustands für die Erfassung der Katalysatorver­ schlechterung, basierend auf dem Wert der Korrelationsfunk­ tion, wobei der Zustand der Motorabgas-Reinigungseinrich­ tung ermittelt wird aus der Katalysatorverschlechterung, die durch die Zustandsbestimmungseinheit ermittelt wurde.
Der Korrelationsfunktionsrechner umfaßt vorzugsweise: einen Autokorrelationsfunktionsrechner zur Berechnung und zur Ausgabe der Autokorrelationsfunktion ϕxx eines Signals, das von dem vorderen Kraftstoff/Luft-Gemisch-Sensor in das Filtersystem eingelesen wurde; Kreuzkorrelationsfunktions­ rechner für die Berechnung und Ausgabe der Kreuzkorrelati­ onsfunktion ϕxy der Kreuzkorrelation zwischen den Signalen des vorderen und des hinteren Kraftstoff/Luft-Gemisch- Sensors, die beide vom Filtersystem verarbeitet wurden; und einen Kennwertrechner für die Ausgabe des Verhältnisses von der Kreuzkorrelationsfunktion ϕxy zu der Autokorrelations­ funktion ϕxx in Form eines Kennwerts ϕi; die Zustandsbe­ stimmungseinheit hat einen vorgegebenen Referenzwert und kann die Katalysatorverschlechterung durch Vergleich des Kennwerts ϕi mit dem Referenzwert bestimmen.
Der Kennwertrechner gibt als die aufeinanderfolgenden Kenn­ werte ϕi in vorgegebenen Intervallen das Verhältnis zwi­ schen dem Maximum (ϕxy)max der Kreuzkorrelationsfunktion ϕxy und dem Maximum (ϕxx)max der Autokorrelationsfunktion ϕxx innerhalb dieser Intervalle aus.
Der Kennwertrechner kann den Mittelwert einer gegebenen Zahl von aufeinanderfolgenden Kennwerten ϕi bestimmen, wel­ che in Intervallen berechnet wurden, und kann den Mittel­ wert als einen endgültigen Verschlechterungskennwert ausge­ ben.
Die Zustandsbestimmungseinheit bestimmt vorzugsweise die Katalysatorverschlechterung durch Vergleich vom Referenz­ wert mit dem letztendlichen Verschlechterungskennwert, wel­ cher die aufeinanderfolgenden Kennwerte ϕi ersetzt.
Das System kann ferner Sensoren für den Betriebszustand der Maschine enthalten, mit denen die Motordrehzahl und/oder die Katalysatortemperatur bestimmt werden können.
Der Kennwertrechner berechnet vorzugsweise den letztendli­ chen Verschlechterungskennwert unter Berücksichtigung des Meßergebnisses der Zustandsbestimmungseinheit als Koeffizi­ enten.
Das Filtersystem umfaßt vorzugsweise einen Hochpaßfilter.
Das Filtersystem umfaßt vorzugsweise einen Bandpaßfilter.
Das System kann ferner einen Drehwinkelaufnehmer enthalten, mit dem bestimmt werden kann, ob die Kurbelwelle in einem vorgegebenen Winkel steht.
Der Korrelationsfunktionsrechner berechnet vorzugsweise die Korrelationsfunktion unter Verwendung von Daten, welche vom vorderen und hinteren Kraftstoff/Luft-Gemisch-Sensor ausge­ geben werden, wenn der Drehwinkelaufnehmer anzeigt, daß die Kurbelwelle in einem vorgegebenen Drehwinkel steht.
Das System enthält weiterhin vorzugsweise Betriebssensoren mit einem vorgegebenen zweiten Referenzwert für die Bestim­ mung der Verschlechterung des vorderen Kraftstoff/Luft- Gemisch-Sensors durch Vergleich des Wertes der Autokorrela­ tionsfunktion ϕxx mit dem zweiten Referenzwert.
Bezüglich eines anderen Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Überwachungssystem für die Sensorbedingungen ge­ schaffen, wobei das Ausgangssignal des Sensors von der Sen­ sorbedingung an sich abhängt, das einen Autokorrelations­ funktionsrechner für die Berechnung und Ausgabe der Auto­ korrelationsfunktion ϕxx des Ausgangssignals des Sensors umfaßt; sowie einen Sensorbedingungsaufnehmer umfaßt mit einem vorgegebenen Referenzwert für die Bestimmung der Sen­ sorbedingungen durch Vergleich des Wertes der Autokorrela­ tionsfunktion ϕxx mit dem vorgegebenen Referenzwert.
Das System enthält ferner einen Kennwertrechner für die Sensorbedingungen, welcher in vorgegebenen Intervallen das Maximum (ϕxx)max der Autokorrelationsfunktion ϕxx inner­ halb dieser vorgegebenen Intervalle berechnet und der den Mittelwert bestimmt für eine gegebene Zahl von vor­ hergehenden Maxima (ϕxx)max und der den Mittelwert als Index für die Sensorbedingungen ausgibt.
Der Aufnehmer für die Sensorbedingungen bestimmt vorzugs­ weise die Bedingungen des Sensors durch Vergleich des Index der Sensorbedingungen mit einem Referenzwert.
Das System einer Steuereinheit für die Rückkopplungs­ steuerung in Abhängigkeit vom Meßergebnis des Sensors kann außerdem ein Filtersystem für die Abschwächung von Signalen im Frequenzband unterhalb der Frequenz des Sensor-Ausgangssignals umfassen.
Der Autokorrelationsfunktionsrechner berechnet vorzugs­ weise die Autokorrelationsfunktion ϕxx des Signals, das das Filtersystem durchlaufen hat.
Der Autokorrelationsfunktionsrechner berechnet die Auto­ korrelationsfunktion ϕxx unter Verwendung von Daten, die in vorgegebenen Intervallen aus dem Sensor ausgelesen werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, daß ein Verfahren geschaffen wird, das die Bedingungen einer Motor-Abgasreinigungseinrichtung mit Katalysator über­ wacht. Das Verfahren umfaßt:
die Berechnung des Verhältnisses vom Maximum (ϕxx)max der Autokorrelationsfunktion ϕxx der gemessenen Daten des Kraftstoff/Luft-Gemisches im Abgas vor der Reinigung durch den Katalysator zu dem Maximum (ϕxy)max der Kreuz­ korrelationsfunktion ϕxy zwischen den gemessenen Daten des Kraftstoff/Luft-Gemisches im Abgas vor der Reinigung durch den Katalysator und den gemessenen Daten des Kraft­ stoff/Luft-Gemisches im Abgas nach der Reinigung durch den Katalysator; und
die Ermittlung der Katalysatorverschlechterung durch Ver­ gleich des Verhältnisses mit einem vorgegebenen Referenz­ wert, um damit die Bedingungen der Motor-Abgasreinigungs­ einrichtung aufgrund dieser Bestimmung zu überwachen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, daß ein Verfahren zur Überwachung der Sensorbedingungen ge­ schaffen wird, das ein Antwortverhalten zeigt, welches sich mit den Sensorbedingungen an sich ändert und welches ent­ hält: die Berechnung des Maximums (ϕxx)max der Autokorre­ lationsfunktion ϕxx des Sensor-Ausgangssignals in bestimm­ ten Zeitintervallen; und
die Überwachung der Sensorbedingungen durch Vergleich des Maximums (ϕxx)max mit einem Referenzwert.
Die vorderen und hinteren Kraftstoff/Luft-Gemisch-Sensoren erfassen die Sauerstoffkonzentration oder das Kraftstoff/Luft-Verhältnis des Abgases vor und nach der Behandlung durch den Katalysator und geben die Werte aus. Das Filter­ system schwächt die Signale mit Frequenzen ab, die niedri­ ger als die Steuerfrequenzen der Kraftstoff/Luft-Gemisch- Steuerung sind.
Der Autokorrelationsfunktionsrechner berechnet die Auto­ korrelationsfunktion ϕxx des Signals, welches von dem Filtersystem verarbeitet wurde, und gibt es aus. Auf der anderen Seite rechnet der Kreuzkorrelationsfunktionsrechner die Kreuzkorrelationsfunktion ϕxy von den Ausgangssignalen des vorderen und des hinteren Kraftstoff/Luft-Sensors aus, welche durch das Filtersystem verarbeitet wurden, und gibt sie aus.
Der Kennwertrechner berechnet das Verhältnis zwischen dem Maximum (ϕxy)max der Kreuzkorrelationsfunktion ϕxy inner­ halb eines vorgegebenen Intervalls und dem Maximum (ϕxx)max der Autokorrelationsfunktion ϕxx innerhalb eines vorgegebe­ nen Intervalls und bestimmt aufeinanderfolgende Kennwerte ϕi in den vorgegebenen Intervallen und berechnet den Mit­ telwert einer gegebenen Zahl von vorhergehenden Kennwerten ϕi und gibt ihn als letztendlichen Verschlechterungskenn­ wert aus. In diesem Fall kann der Kennwertrechner den letztendlichen Verschlechterungskennwert berechnen mit dem Meßergebnis des Betriebszustandaufnehmers als Koeffizi­ enten.
Die Erfassungseinrichtung für den Katalysatorzustand ver­ gleicht die aufeinanderfolgenden Kennwerte ϕi oder den letztendlichen Verschlechterungskennwert mit dem vorgegebe­ nen Referenzwert, um die Katalysatorverschlechterung zu be­ stimmen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung soll be­ schrieben werden. Das Filtersystem schwächt die Signale in einem Frequenzband unterhalb des Steuerfrequenzbandes des Ausgangssignals des Sensors ab.
Der Autokorrelationsfunktionsrechner bestimmt die Auto­ korrelationsfunktion ϕxx des Signals, welches vom Filter­ system verarbeitet wurde und gibt in vorbestimmten In­ tervallen das Maximum (ϕxx)max der Autokorrelationsfunktion ϕxx aus.
Der Sensorzustandsindexrechner berechnet den Mittelwert ei­ ner Zahl von vorherigen Maxima (ϕxx)max und gibt sie als Sensorzustandsindex aus.
Die Erfassungseinrichtung für den Sensorzustand vergleicht die Maxima (ϕxx)max oder die Indizes für den Sensorzustand mit vorbestimmten Referenzwerten in vorgegebenen Inter­ vallen, um den Sensorzustand zu bestimmen.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den Neben- und Unteransprüchen angegeben, die sich auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beziehen. Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungs­ formen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der vor­ liegenden Erfindung;
Fig. 2 ein Blockdiagramm zur Erläuterung des Betriebs des erfindungsgemäßen Überwachungssystems;
Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Signalfilterung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung;
Fig. 4 Leistungskurven gegen die Frequenz aufgetragen, zur Darstellung der Wirkung des Filtersystems;
Fig. 5 eine graphische Darstellung der Ermittlung der Katalysatorverschlechterung; und
Fig. 6 eine graphische Darstellung der Bestimmung der Katalysatorverschlechterung.
Zunächst soll das Konzept der vorliegenden Ausführungsform beschrieben werden.
Ein Überwachungssystem wird in der vorliegenden Ausfüh­ rungsform verwendet für eine Einrichtung, die einen Kata­ lysator 2 enthält, einen vorderen O2-Sensor 3 und einen hinteren O2-Sensor 4 vor bzw. hinter dem Katalysator 2, die als Kraftstoff/Luft-Sensoren bzw. Lambda-Sonden dienen. Weiterhin ist eine Kraftstoffeinspritzsteuereinrichtung 7 für die Rückkopplungssteuerung des Brennstoff/Luft- Gemi­ sches vorgesehen, basierend auf den Ausgangssignalen der O2-Sensoren 3 und 4.
Die vorderen und hinteren O2-Sensoren 3 und 4, welche Zirkon, Titan usw. enthalten, werden in der vorliegenden Ausführungsform als Brennstoff/Luft-Gemisch-Sensoren ver­ wendet. Kohlenwasserstoffsensoren können als Brenn­ stoff/Luft-Gemisch-Sensoren verwendet werden. Einige Kohlenwasserstoffsensoren nutzen die Absorption von Infrarotstrahlen aus.
Im folgenden wird die Steuerung des Überwachungssystems der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die Kraftstoffeinspritzsteuereinrichtung 7 umfaßt einen Kraftstoffeinspritzrechner 9, eine Ausgabeeinrichtung 10 und einen Kraftstoff/Luft-Gemisch-Rückkopplungsrechner 8. Der Kraftstoffeinspritzrechner 9 bestimmt die Grundmenge F0 der Kraftstoffeinspritzung über einen Sensor 5, der die Last der Maschine mißt (beispielsweise die einströmende Menge Qa des Kraftstoff/Luft-Gemisches), und über einen Sensor 6, der die Motordrehzahl Ne entsprechend der Glei­ chung 1 bestimmt:
F0 = k0Qa/Ne (1),
wobei F0 die Grundmenge des eingespritzten Kraftstoffes be­ deutet; Qa die Menge der einströmenden Luft bedeutet; und Ne die Motordrehzahl bedeutet. Auf der anderen Seite nimmt der Kraftstoff/Luft-Gemisch-Rückkopplungsrechner 8 das Aus­ gangssignal des Kraftstoff/Luft-Gemisch-Sensors 3 (im fol­ genden vorderer O2-Sensor) auf, welcher stromauf des Kata­ lysators 2 in einer bestimmten Entfernung angebracht ist und ein Regelsignal ausgibt, das vom Meßwert des Sensors 3 abhängt.
Der Kraftstoffeinspritzrechner 9 für die einzuspritzende Kraftstoffmenge bestimmt die Einspritzmemge F aus der ein­ zuspritzenden Grundmenge des Kraftstoffs F0 nach Gleichung 2 unter Beachtung des Korrektursignals α. Die so bestimmte Kraftstoffeinspritzmenge wird durch die Ausgabeeinrichtung 10 in ein Spannungssignal umgewandelt und wird dann als solches an die Kraftstoffeinspritzung angelegt.
F = k0Qa/Ne.(1 + α) (2),
worin F die Kraftstoffeinspritzmenge bezeichnet, Qa die einströmende Luftmenge, Ne die Motordrehzahl bezeichnet und α das Korrektursignal bedeutet, welches größer oder kleiner wird, je nach großer oder kleiner Sauerstoffkonzentration im Abgas.
Das Kraftstoff/Luft-Gemisch stromauf des Katalysators 2 wird ständig auf einem Wert um den stöchiometrischen Wert herum gehalten.
Das Überwachungssystem der vorliegenden Ausführungsform nutzt die Änderung des Kraftstoff/Luft-Gemisches, die bei einer Rückkopplungssteuerung des Kraftstoff/Luft-Gemisches als ein Testsignal für die Überwachung der Verschlechterung des Katalysators etc. auftritt. Wenn der Katalysator 2 sich nicht verschlechtert hat, sind die Schwankungen des Kraft­ stoff/Luft-Gemisches stromab des Katalysators 2 geringer, die durch Oxidation und Reduktion durch den Katalysator auftreten. Wenn der Katalysator 2 sich verschlechtert, wer­ den die Schwankungen in dem Kraftstoff/Luft-Gemisch stromab des Katalysators 2 ähnlich denen oberhalb davon, da HC, NOx und dergleichen ungehindert durch den Katalysator 2 hin­ durchtreten. Auf diese Art wird die Verschlechterung des Katalysators überwacht, basierend auf der Ähnlichkeit der Änderung des Kraftstoff/Luft-Gemisches stromauf und stromab des Katalysators.
Die Haupteigenschaft der vorliegenden Erfindung ist, daß eine Einrichtung 11 zur Überwachung einer Katalysatorver­ schlechterung die Ähnlichkeit der Ausgangssignale der bei­ den O2-Sensoren (3, 4) anhand einer Korrelationsfunktion bestimmt.
Die Einrichtung 11 enthält ein Filtersystem 12, welches erstens aus dem Ausgangssignal des vorderen und des hinteren O2-Sensors 3 bzw. 4 die Signale aussondert, welche nicht in direktem Zusammenhang mit der Verschlechterung des Katalysators 2 stehen, so z. B. Gleichstromkomponenten bzw. Komponenten, die bei der Bestimmung der Korrelationsfunktion zu Fehlern führen können.
Das Filtersystem 12 ist vorzugsweise ein Differential­ filter, Hochpaßfilter oder Bandpaßfilter. Die Signale des vorderen und hinteren O2-Sensors 3 bzw. 4 werden im folgenden durch die Buchstaben x und y bezeichnet.
Die Autokorrelationsfunktion ϕxx des Ausgangssignals des vorderen O2-Sensors 3 wird entsprechend der Gleichung 3 berechnet, und zwar durch den Autokorrelationsfunktions­ rechner 13. Die Kreuzkorrelationsfunktion ϕxy von dem Ausgangssignal x des vorderen O2-Sensors 3 und von dem Ausgangssignal y des hinteren O2-Sensors 4 wird entspre­ chend Gleichung 4 durch den Kreuzkorrelationsfunktions­ rechner 14 berechnet.
ϕxx(τ)= ∫ x(t)x(t-τ) dt (3)
ϕxy(τ)= ∫ x(t)y(t-τ).dt (4).
Das Maximum (ϕxy)max von ϕxy und das Maximum (ϕxx)max von ϕxx werden bestimmt durch Änderung der Phase τ in dem Integrationsbereich 0 bis T der Korrelationsfunktion. Verschlechterung des Katalysators 2 und des vorderen O2- Sensors 3 wird mittels dieser Werte bestimmt.
Ob der Katalysator 2 sich verschlechtert hat oder nicht, wird bestimmt von einer Zustandsbestimmungseinheit 16, die die aufeinanderfolgenden Kennwerte ϕi für eine Katalysator­ verschlechterung entsprechend Gleichung 5 bestimmt und die berechneten Kennwerte mit einem vorgegebenen Referenzwert vergleicht.
Φi= (ϕxy)max/(ϕxx)max (5).
Wenn sich der Katalysator verschlechtert hat, steigen die aufeinanderfolgenden Kennwerte ϕi (gegen 1), da die Schwankungen des Kraftstoff/Luft-Gemisches oberhalb und unterhalb des Katalysators 2 immer ähnlicher werden.
Ob sich auf der anderen Seite der vordere O2-Sensor 3 verschlechtert hat, wird bestimmt von dem Kraftstoff/Luft-Gemisch-Sensorverschlechterungsaufnehmer 15, der die Verschlechterung des vorderen O2-Sensors über (ϕxx)max als Kennwert bestimmt. Wenn sich der vordere O2-Sensor 3 verschlechtert, sinkt das Maximum (ϕxx)max, da sich die Antwort des Sensors 3 verzögert. Entsprechend kann die Verschlechterung durch den Vergleich des angezeigten Maximums mit einem vorgegebenen Referenzwert bestimmt werden. Die Leistungsspektren des Ausgangssignals des vorderen O2-Sensors 3 vor und nach der Verschlechterung sind in Abhängigkeit von der Frequenz in Fig. 4 darge­ stellt. Man stellt fest, daß die Spitzen der Spektren zu niedrigeren Frequenzen verschoben werden und daß die Ant­ wortgeschwindigkeit niedrig ist, wenn sich der Sensor ver­ schlechtert.
Das Überwachungssystem in der vorliegenden Ausführungsform wird nun in weiteren Einzelheiten beschrieben.
Die Überwachungseinrichtung an sich enthält im wesentlichen einen einzelnen Mikrocomputer mit A/D-Wandler und einen Hochpaßfilter.
Der Hochpaßfilter entspricht dem Filtersystem 12 bzw. einem Wellenformaufnehmer 12A und 12B in Fig. 1.
Der Mikrocomputer wird entsprechend abgespeicherter Soft­ ware zur Ausführung der obengenannten Funktionen des Auto­ korrelationsfunktionsrechners 13 und der Zustandsbestim­ mungseinheit 16 betrieben.
Dabei ist zu beachten, daß der Aufbau der Hardware der vor­ liegenden Erfindung nicht nur auf den obengenannten Aufbau beschränkt ist.
Der Betrieb des Überwachungssystems wird nun mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben. In der Zeichnung werden Komponenten mit gleicher Funktion wie in Fig. 1 mit den gleichen Bezugs­ zeichen bezeichnet.
Es wird der Betrieb beschrieben, in dem bestimmt wird, ob sich der Katalysator 2 verschlechtert hat oder nicht.
Das Ausgangssignal 114 des vorderen O2-Sensors 3 (im fol­ genden vorderes O2-Sensor-Signal) und das Ausgangssignal 102 des hinteren O2-Sensors 4 (im folgenden hinteres O2-Sensor-Signal) werden durch den A/D-Konverter 18 syn­ chron miteinander in Digitaldaten gewandelt.
Gleichstromanteile, welche bei der Überwachung störend wir­ ken könnten, werden durch Hochpaßfilter aus den ent­ sprechenden Signalen ausgesiebt (Blocke 12A und 12B). Beide Filter (12A und 12B) haben die gleichen Eigenschaften. Bei­ spiele für die Filterung werden in Fig. 3 gezeigt. Obwohl die Gleichstromanteile in dem Spannungssignal der O2-Sensoren eliminiert wurden, wird die Kontrolldauer bei­ behalten. Die Leistungsspektren dieser Signale in Abhängig­ keit von der Frequenz sind in Fig. 4 dargestellt. Anteile mit niedrigerer Frequenz als der Frequenz des Kraft­ stoff/Luft-Gemisch-Rückkopplungssignals, die die Überwa­ chung stören konnten, werden aus beiden Signalen herausge­ siebt.
Obgleich nur niedrigere Frequenzen in der vorliegenden Aus­ führungsform herausgesiebt werden, können Komponenten mit höheren Frequenzen als der Frequenz der Kraftstoff/Luft- Gemisch-Rückkopplungssteuerung eliminiert werden durch Bandpaßfilter. In diesem Fall kann eine genauere Bestimmung vorgenommen werden, da das Frequenzband für die Berechnung der Korrelationsfunktion nur ein Frequenzband mit bestimm­ ter Breite darstellt, einschließlich der Frequenz der Kraftstoff/Luft-Gemisch-Rückkopplungssteuerung. Die Rück­ kopplungssteuerung des Kraftstoff/Luft-Gemisches wird nor­ malerweise mit einer Periode von 0,5 bis 2 Sekunden durch­ geführt.
Nachfolgend wird die Autokorrelationsfunktion ϕxx des Si­ gnals x(t) 105 des vorderen O2-Sensor-Signals 114 zum Zeit­ punkt τ = 0 bestimmt (Block 13). Der Grund, warum ϕxx(0) zu diesem Zeitpunkt bestimmt wird, ist daß die Autokorrelati­ onsfunktion ϕxx ihr Maximum (ϕxx)max bei τ = 0 einnimmt.
Die Kreuzkorrelationsfunktion ϕxy(1) ergibt sich aus den Signalen x(t) und y(t) des vorderen bzw. hinteren O2- Sensor-Signals 114 und 102. Integriert wird über die Zeit T (Block 14). Die Integrationszeit wird vorläufig fest­ gesetzt, so daß die Schwankungen der Motorgeschwindigkeit einen bestimmten Bereich in der Zeit nicht überschreiten. Der Grund dafür liegt darin, daß eine genaue Überwachung nicht während großer Beschleunigung bzw. großer Abbremsung möglich ist.
Das Maximum (ϕxy)max von ϕxy(τ) innerhalb des Integrations­ bereiches T wird ermittelt und der folgende Kennwert ϕi (=(ϕxy)max/ϕxx(0), siehe Gleichung 5) wird mit Hilfe des max berechnet. ϕi ergibt sich aus den tatsächlich vorlie­ genden Daten, da die Phase τ des folgenden Kennwerts ϕi, d. h. die Phase τ, bei welcher (ϕxy)/ϕxx(0) ihr Maximum ein­ nimmt, sich mit den Betriebsbedingungen und abhängig vom Fahrzeugmodell ändert.
ϕi wird im RAM-Speicher abgespeichert. ϕi+1 wird bei der nächsten Integration auf die gleiche Art ermittelt.
Der Mittelwert von ϕi wird durch wiederholte Ausführung der obigen Rechnung ermittelt. Der so bestimmte Mittelwert ent­ spricht dem letztendlichen Verschlechterungskennwerts I des Katalysators 2. Bei der Berechnung dieses Verschlechte­ rungskennwerts I werden auch die Korrekturkoeffizienten k1 und k2 berücksichtigt, die von mehreren Betriebsbedingungs­ parametern abhängen (Block 16B, 16C und 16D, Gleichung 6).
I=(Σ k1 k2 Φi)/n (6).
Darin bedeutet I den letztendlichen Verschlechterungskenn­ wert, k1 den Korrekturfaktor für die Motorlast, k2 den Korrekturfaktor für die Katalysatortemperatur, ϕi den nachfolgenden Kennwert und n die Zahl der Messungen.
Der nachfolgende Kennwert ϕi steigt mit steigender Motor­ last. Um dieses zu korrigieren, steigt dementsprechend k1 mit steigender Last. Umgekehrt sinkt k1 mit sinkender Last.
Der nachfolgende Kennwert steigt mit steigender Kataly­ satortemperatur. Um dieses zu korrigieren, steigt k2 mit der Katalysatortemperatur und umgekehrt sinkt k2 mit sin­ kender Katalysatortemperatur.
k1 und k2 sind vorab in einem ROM-Speicher abgespeichert. Die Temperatur des Katalysators wird von einem Temperatursensor 61 gemessen. Die Last kann durch die Sensoren 5, 6 usw. bestimmt werden.
Danach wird die Verschlechterung dadurch bestimmt, daß der letztendliche Verschlechterungskennwert I mit einem vorgegebenen Wert I verglichen wird. Wenn der letztendliche Verschlechterungskennwert I größer als der Wert ID ist, wird dies als Verschlechterung des Katalysators registriert (Block 16E).
Der Grund für die Verwendung des Mittelwertes der Kennwerte ϕi d. h. des letztendlichen Verschlechterungskennwerts I liegt darin, daß sich die Kennwerte ϕi in Abhängigkeit von der Motorgeschwindigkeit und -last verändern, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Mit anderen Worten werden die aufeinanderfolgenden Kennwerte ϕi bei bestimmter Motorgeschwindigkeit oder bestimmter Last bestimmt und dann akkumuliert. Der Mittelwert der akkumulierten Werte ϕi er­ gibt dann den letztendlichen Verschlechterungskennwert I. Dadurch wird die Bestimmung der Verschlechterung über einen gesamten Betriebsbereich ermöglicht. Wenn jedoch die Be­ triebsbedingungen in irgendeiner Weise eingeschränkt sind (beispielsweise bei ständig gleichem Betrieb), so kann auch der nachfolgende Kennwert ϕi zur Berechnung verwendet wer­ den.
Im folgenden wird beschrieben, wie bestimmt wird, ob der vordere O2-Sensor 3 sich verschlechtert hat oder nicht.
Die Bestimmung basiert auf lediglich der Autokorrelations­ funktion ϕxx des vorderen O2-Sensor-Signals. Die Autokor­ relationsfunktion nimmt ihr Maximum (ϕxx)max bei τ = 0 ein, wie oben bereits erwähnt. Der Wert des Maximums (ϕxx)max sinkt, wenn der vordere O2-Sensor 3 sich verschlechtert. Das hängt damit zusammen, daß der O2-Sensor in der vorlie­ genden Ausführungsform bei fortlaufender Verschlechterung in Mitleidenschaft gezogen wird.
Dementsprechend kann eine Verschlechterung des vorderen O2-Sensors 3 durch Bestimmung des Maximums (ϕxx)max und Vergleich desselben mit einem vorgegebenen Wert ermittelt werden.
Wenn niedrigere Frequenzen als die der Kraftstoff/Luft- Gemisch-Rückkopplungssteuerung vor der Berechnung der Autokorrelationsfunktion ϕxx ähnlich wie beim Katalysator ausgesiebt werden, können Fehlerraten verringert werden.
Die Leistungsspektren vor und nach dem Aussieben von nie drigeren Frequenzen sind in Fig. 4 dargestellt.
Obgleich die Maxima (ϕxx)max direkt verwendet werden, kann auch der Mittelwert der Maxima (ϕxx)max zur Berechnung herangezogen werden, ähnlich wie der letztendliche Verschlechterungskennwert zur Bestimmung der Verschlechterung des Katalysators 2 herangezogen wird.
Die für den vorderen O2-Sensor 3 beschriebene Vorgehensweise (der vordere O2-Sensor 3 kann sich sehr leicht verschlechtern) ist ebenso anwendbar auf den hinteren O2- Sensor 4 und auch auf verschiedene andere Sensoren, deren Verhalten sich aufgrund von Verschlechterung oder dergleichen ändern kann.
Die Aufnahme von Daten des vorderen und hinteren O2-Sensors 3 bzw. 4 kann in vorgegebenen Zeitintervallen durchgeführt werden. Alternativ kann die Aufnahme von Daten auch bei vorgegebenen Winkeln der Kurbelwelle durchgeführt werden, welche durch Winkelsensoren ermittelt werden. Die Berechnung der Korrelationsfunktion für die Entscheidung, ob der Katalysator 2 sich verschlechtert hat oder nicht, wird vorzugsweise mit Daten ausgeführt, die die Sensoren 3 und 4 bei vorgegebenen Winkeln der Kurbelwelle ausgeben. Dies ist deswegen günstig, weil sich die Frequenz der Kraftstoff/Luft-Gemisch-Rückkopplungssteuerung in Abhängigkeit von der Motordrehzahl ändert, obgleich niedrigere Frequenzen als die Frequenzen der Kraftstoff/Luft- Gemisch-Rückkopplungssteuerung herausgesiebt wurden, wie es oben für die Ermittlung der Verschlechterung des Kata­ lysators 2 beschrieben wurde. Mit anderen Worten, es ist keine Korrektur notwendig, da die Aufnahme nicht durch die Motordrehzahl beeinflußt wird, wenn die Aufnahme bei vorbestimmten Winkeln der Kurbelwelle durchgeführt wird. Dies ist jedoch der Fall, wenn die Daten in bestimmten In­ tervallen aufgenommen werden. Auf der anderen Seite hängt die Verschlechterung des vorderen O2-Sensors 3 nur von der Betriebsbedingung des Sensors 3 an sich ab und wird nicht durch die Motordrehzahl beeinflußt. Vorzugsweise wird die Autokorrelationsfunktion berechnet mit Daten, welche inner­ halb vorgegebener Intervalle aufgenommen werden, um die Verschlechterung des vorderen O2-Sensors 3 zu bestimmen, da die Zeit τ direkt eingeht.
In den oben erwähnten Ausführungsformen kann die Ver­ schlechterung des Katalysators, welcher die Abgase des Mo­ tors reinigt, und die der Krartstoff/Luft-Sensoren (in der vorliegenden Ausführungsform Sauerstoffsensoren) beim Nor­ malbetrieb des Motors überwacht werden. Da Korrelations­ funktionen für die Bestimmung der Ähnlichkeit von Signalen verwendet werden, ist die vorliegende Erfindung weniger ab­ hängig von Rauschen als eine Einrichtung, welche Frequenz, Amplitude usw. nutzt, und die Erfindung ermöglicht eine hö­ here Genauigkeit durch die Verwendung von Filtern etc. zur Eliminierung von Störungen.
Wie oben beschrieben, kann die Verschlechterung eines Kata­ lysators zur Motorabgasreinigung und die Verschlechterung von Sensoren während des Normalbetriebes ermittelt werden.

Claims (15)

1. Verfahren zum Überwachen einer Abgasreinigungseinrich­ tung mit einem Katalysator für die Reinigung von Motor­ abgasen mit den folgenden Schritten:
  • A) Erfassen einer O2-Konzentration im Abgas vor der Reinigung durch eine vordere Lambda-Sonde (3),
  • B) Erfassen einer O2-Konzentration im Abgas nach der Reinigung durch eine hintere Lambda-Sonde (4),
  • C) Überprüfen der Katalysatorfunktion mit den Aus­ gangssignalen der Lambda-Sonden (3, 4)
gekennzeichnet dadurch, daß
die Überprüfung der Katalysatorfunktion die folgenden Schritte enthält:
  • A) Filtern der Ausgangssignale der Lambda-Sonden (3, 4) zur Erzielung einer höheren Meßgenauigkeit,
  • B) Bestimmen einer Autokorrelationsfunktion ϕxx der gefilterten Ausgangssignale der Lambda-Sonde (3) und einer Kreuzkorrelationsfunktion ϕxy der gefil­ terten Ausgangssignale der Lambda-Sonden (3, 4) zur Ermittlung eines Kennwerts Φi,
  • C) Vergleichen des Kennwerts Φi mit einem vorbestimm­ ten Referenzwert zur Bestimmung des Katalysatorzu­ stands.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • 1. - ein Maximum (ϕxx)max der Autokorrelationsfunktion ϕxx und eine Maximum (ϕxy)max der Kreuzkorrelationsfunk­ tion ϕxy bestimmt werden und
  • 2. - der Kennwert Φi aus dem Verhältnis von (ϕxy)max zu (ϕxx)max ermittelt wird.
3. Verfahren zur Überwachung der vor dem Katalysator ange­ ordneten Lambda-Sonde mit einer Ausgabecharakteristik, welche sich mit den Betriebsbedingungen des Sensors an sich ändert, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt:
Berechnung des Maximums (ϕxx)max der Autokorrelations­ funktion ϕxx des Ausgangssignals der Sonde innerhalb bestimmter Intervalle; und
Bestimmung der Bedingung der Sonde durch Vergleich des Maximums (ϕxx)max mit einem Referenzwert.
4. Vorrichtung zum Überwachen einer Abgasreinigungsein­ richtung mit einem Katalysator (2) für die Reinigung von Motorabgasen mit
  • A) einer vorderen Lambda-Sonde (3) zum Erfassen einer O2-Konzentration im Abgas vor der Reinigung,
  • B) einer unteren Lambda-Sonde (4) zum Erfassen einer O2-Konzentration im Abgas nach der Reinigung,
  • C) einer Einrichtung (11) zum Überprüfen der Katalysa­ torfunktion mit den Ausgangssignalen der Lambda- Sonden (3, 4)
gekennzeichnet dadurch, daß
die Einrichtung (11) ein Filtersystem (12), einen Auto­ korrelationsfunktionsrechner (13), einen Kreuzkorrela­ tionsfunktionsrechner (14) und eine Zustandsbestim­ mungseinheit (16) enthält, wobei
  • A) das Filtersystem (12) die Ausgangssignale der Lambda-Sonden (3, 4) zur Erzielung einer höheren Meßgenauigkeit filtert,
  • B) der Autokorrelationsfunktionsrechner (13) eine Au­ tokorrelationsfunktion ϕxx der gefilterten Aus­ gangssignale der Lambda-Sonde (3) und der Kreuzkor­ relationsfunktionsrechner (14) eine Kreuzkorrelati­ onsfunktion ϕxy der gefilterten Ausgangssignale der Lambda-Sonden (3, 4) zur Ermittlung eines Kennwerts Φi bestimmt und
  • C) die Zustandsbestimmungseinheit (16) den Kennwert Φi mit einem vorbestimmten Referenzwert zur Bestimmung des Katalysatorzustands vergleicht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
  • 1. - der Autokorrelationsfunktionsrechner (13) ein Maximum (ϕxx)max der Autokorrelationsfunktion ϕxx und der Kreuzkorrelationsfunktionsrechner (14) ein Maximum (ϕxy)max der Kreuzkorrelationsfunktion ϕxy bestimmt und
  • 2. - die Zustandsbestimmungseinheit (16) den Kennwert für die Verschlechterung aus dem Verhältnis von (ϕxy) max zu (ϕxx) max ermittelt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß
ein Verschlechterungsindexrechner den Mittelwert von einer gegebenen Anzahl von aufeinanderfolgenden Kenn­ werten Φi berechnen kann, welche in Intervallen be­ stimmt wurden, und den Mittelwert als letztendlichen Verschlechterungskennwert I ausgeben kann;
die Zustandsbestimmungseinheit (16) so eingerichtet ist, daß sie die Verschlechterung des Katalysators (2) durch Vergleich des Referenzwerts mit dem letztendli­ chen Verschlechterungskennwert der den nachfolgenden Kennwert ϕi ersetzt, bestimmen kann.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
für die Ermittlung des Motorbetriebszustands die Motor­ geschwindigkeit und/oder Katalysatortemperatur mit Hil­ fe von Sensoren gemessen werden,
der Verschlechterungsindexrechner so eingerichtet ist, daß er den letztendlichen Verschlechterungskennwert be­ rechnen kann, wobei er das Meßergebnis des ermittelten Betriebszustands als Korrekturkoeffizienten nimmt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das Filtersystem (12) einen Hochpaßfilter ent­ hält.
9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtersystem (12) einen Bandpaßfilter enthält.
10. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Kurbelwellenwinkelaufnehmer für den Vergleich des Kurbelwellenwinkels mit einem vorgegebenen Winkel vor­ gesehen ist, und
der Korrelationsfunktionsrechner (13, 14) so eingerich­ tet ist, daß er die Korrelationsfunktion mit den Aus­ gangsdaten der vorderen und hinteren Lambda-Sonde (3, 4) berechnen kann, die ausgegeben werden, wenn der Kur­ belwellenwinkelaufnehmer anzeigt, daß die Kurbelwelle einen vorbestimmten Winkel erreicht hat.
11. Vorrichtung für die Überwachung der vorderen Lambda- Sonde mit einer Ausgangssignalcharakteristik, die sich in Abhängigkeit vom Sensorzustand ändert, da­ durch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:
einen Autokorrelationsfunktionsrechner (13) für die Be­ rechnung und Ausgabe der Autokorrelationsfunktion ϕxx des Ausgangssignals der vorderen Lambda-Sonde (3); und
einen Sondenzustandsaufnehmer, der einen vorgegebenen Referenzwert aufweist, zum Bestimmen der Zustandsbedin­ gung der Sonde über den Vergleich des Wertes der Auto­ korrelationsfunktion ϕxx mit dem vorgegebenen Referenz­ wert.
12. Vorrichtung nach An­ spruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Sondenzustandsrechner innerhalb vorgegebener Inter­ valle das Maximum (ϕxx)max der Autokorrelationsfunktion ϕxx berechnet, das in die Berechnung des Mittelwerts einer gegebenen Anzahl von vorherigen Maxima (ϕxx)max eingeht und in die Ausgabe des Mittelwerts als Sonden­ zustandskennwert;
wobei der Sondenzustandsaufnehmer so eingerichtet ist, daß er den Zustand der Sonde durch Vergleich des Son­ denzustandskennwertes mit dem Referenzwert ermittelt.
13. Vorrichtung für die Überwachung eines Sensors mit einer Ausganssignalcharakteristik, die sich in Abhängigkeit vom Sensorzustand ändert, wobei das Sensorausgangs­ signal in einer Steuereinheit zur Rückkopplungssteue­ rung einer Meßgröße verwendet wird, welche von dem Sen­ sor entsprechend dem Meßergebnis des Sensors aufgenom­ men wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:
ein Filtersystem (12), welches Signale in einem Fre­ quenzband unterhalb der Steuerfrequenz der Steuerung der Ausgangssignale des Sensors abschwächt;
einen Autokorrelationsfunktionsrechner (13) für die Be­ rechnung und Ausgabe der Autokorrelationsfunktion ϕxx des Augangssignals des Filtersystems (12); und
einen Sondenzustandsrechner, der innerhalb vorgegebener Intervalle das Maximum (ϕxx)max der Autokorrelations­ funktion ϕxx berechnet, das in die Berechnung des Mit­ telwerts einer gegebenen Anzahl von vorherigen Maxima (ϕxx)max eingeht und in die Ausgabe des Mittelwerts als Sondenzustandskennwert;
wobei der Sondenzustandsaufnehmer so eingerichtet ist, daß er den Zustand der Sonde durch Vergleich des Son­ denzustandskennwertes mit dem Referenzwert ermittelt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtersystem (12) einen Hochpaßfilter enthält.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtersystem (12) einen Bandpaßfilter enthält.
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