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Diese
Erfindung betrifft ein bordeigenes Diagnoseverfahren und -system
in Kraftfahrzeugen, das den Wirkungsgrad eines Katalysators mit
vernachlässigbarer
Sauerstoffspeicherkapazität
diagnostizieren kann.
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Die
Ingenieure unserer Zeit streben nach Perfektionierung des Wirkungsgrades
von Kraftfahrzeugmotoren durch niedrigere Emissionen, bessere Kraftstoffausnutzung
und höhere
Leistung. Staatliche Verordnungen schreiben bordeigene Diagnosecomputer
(On-board Diagnostics oder OBD) vor, um die Erreichung dieses Vorhabens
zu unterstützen.
OBDs werden seit den späten
1980-er Jahren in Kraftfahrzeuge eingebaut. Das OBD-System wurde
inzwischen auf ein deutlich höheres
Niveau zum On-board Diagnostics-Level II ("OBD II") weiterentwickelt. OBD II überwacht
nicht nur den teilweisen Ausfall von Komponenten, sondern auch ihren
allmählichen
Verschleiß.
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Um
die Emissionen zu senken, wurde das Motoren-/Emissionssystem mit
einer Regelung versehen, damit dem Katalysator das optimale Gasgemisch
zugeführt
wird. Ein Emissionssystem enthält im
allgemeinen einen Drei-Wege-Katalysator
im Abgasweg, der auf bestimmte Bestandteile in den Abgasen abzielt,
um diese Bestandteile in umweltverträglichere Gase umzuwandeln.
Die Drei-Wege-Katalysatoren wandeln beispielsweise HC, CO und NOx aus dem Abgas zu H2O,
CO2 und N2 um.
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Für die Regelung
in Emissionssystemen haben sich Sauerstoffsensoren als nützlich erwiesen.
In 1a sind ein typischer Sauerstoffsensor nach dem Stand
der Technik und seine herkömmliche
Implementierung in einem Emissionssystem veranschaulicht. Der Sauerstoffsensor 12 enthält ein sauerstoffdurchlässiges Material
und ist allgemein in der Abgasanlage 14 in der Nähe des (nicht
gezeigten) Abgaskrümmers
angebracht. Der Sauerstoffsensor 12 dient der Aufrechterhaltung
eines stoichiometrischen Kraftstoff-Luft-Verhältnisses durch Überwachen
des Sauerstoffgehalts im Abgas 16. Der Sensor 12 vergleicht
den Sauerstoffgehalt in der Außenluft 18 mit dem
Sauerstoffgehalt in den Abgasen 16. Der Sensor kann des
Weiteren eine Platinspitze 20 aufweisen, die sich in direktem
Kontakt mit den Abgasen 16 befindet. Das Platin in der
Spitze 20 äquilibriert
die Gase und erzeugt ein Spannungssignal, das an ein (nicht gezeigtes)
Steuerungsmodul im Antriebsstrang gesendet wird, um eine Rückmeldung
zum Kraftstoff-Luft-Zufuhrsystem zu geben.
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In 1b ist
ein dem Stand der Technik entsprechendes OBD II-Überwachungssystem 13 veranschaulicht.
Dieses System nach dem Stand der Technik überwacht die Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators.
Dieses indirekte System und Verfahren nach dem Stand der Technik
erkennt die Verschlechterung der Kohlenwasserstoffeffizienz anhand
von allmählichen
Veränderungen
der Sauerstoffaufnahme im Katalysator. Wie in 1b gezeigt, ist
ein erster Sauerstoffsensor 22 am stromaufwärtigen Ende 23 eines
Katalysators 24 angeordnet, und ein zweiter Sauerstoffsensor 26 ist
am stromabwärtigen
Ende 28 des Katalysators angeordnet. Der erste Sauerstoffsensor 22 und
der zweite Sauerstoffsensor 26 messen die Veränderung
der Sauerstoffaufnahme im Katalysator. Der Katalysator 24 kann
sauerstoffaufnehmendes Material wie beispielsweise Cer enthalten.
Der erste Sauerstoffsensor 22 und der zweite Sauerstoffsensor 26 erfassen
Daten, die das Pendeln zwischen einem angereicherten Zustand und
einem abgereicherten Zustand des Abgases verfolgen. Die erfassten
Daten können
an ein entsprechendes erstes Signalverarbeitungsmittel 28 und
ein zweites Signalverarbeitungsmittel 30 übertragen
werden, die mit einem Mittel 32 für das Bestimmen des Umschaltverhältnisses
von Auslasssensor 26 zu Einlasssensor 22 kommunizieren.
Bei der Bestimmung des Umschaltverhältnisses vergleicht das System
das Pendeln zwischen einem angereicherten und einem abgereicherten
Zustand des Abgases auf der stromaufwärtigen Seite mit dem Pendeln
zwischen einem angereicherten und einem abgereicherten Zustand des Abgases
auf der stromabwärtigen
Seite des Katalysators.
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Wie
oben angesprochen, stellen dieses System und dieses Verfahren jedoch
keine direkte Möglichkeit
zur Messung der Oxidationseffizienz bereit, da die beiden Sensoren
die Oxidationseffizienz anhand der Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators
erkennen, die aus einer messbaren Menge wie beispielsweise einem
Spannungsunterschied oder einem Umschaltverhältnis abgeleitet wird. Dieses
indirekte Verfahren geht davon aus, dass die Kohlenwasserstoffeffizienz
des Systems schlecht ist, wenn die Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators ebenfalls
schlecht ist. Doch die Korrelation zwischen diesen beiden Faktoren
liegt bestenfalls bei etwa 0,6 bis 0,7. Der Fachmann weiß, dass
die Sauerstoffspeicherkapazität
erheblich schwanken kann, obwohl sich die Kohlenwasserstoffeffizienz
kaum verändert.
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Bei
einem neuen Emissionssteuerungssystem kann ein Konditionierungskatalysatorimplementiert
werden, um eine Verschiebung hin zum abgereicherten Zustand im Steuerungs-Kraftstoff-Luft-Verhältnis zu
verhindern. Die Verschiebung hin zum abgereicherten Zustand ist
ein Problem, das auftritt, wenn der Sensor fälschlicherweise anzeigt, dass
das wasserstoffgeladene Abgas zu stark angereichert ist, und er
das Motorsteuerungssystem veranlasst, ein abgemagertes Kraftstoff-Luft-Gemisch zuzuführen. Konditionierungskatalysatoren
helfen dabei, eine präzise
Kraftstoff-Luft-Steuerung zu gewährleisten, wo
sehr niedrige Emissionswerte vorgeschrieben sind (beispielsweise
die kalifornischen Normen des Super Ultra Low Emission Vehicle (SULEV)).
Bei dieser Art von System wird der Abgasstrom durch einen Katalysator
konditioniert, bevor der Abgasstrom zum Sauerstoffsensor gelangt,
indem der Wasserstoff und einige der Kohlenwasserstoffe so oxidiert
werden, dass der Sensor das wahre Kraftstoff-Luftverhältnis des
Abgases genauer messen kann. Der Katalysator in diesem System enthält aber
kein sauerstoffaufnehmendes Material, weil der Sensor das Pendeln
zwischen einem angereicherten Zustand und einem abgereicherten Zustand
am stromabwärtigen
Ende des Konditionierungskatalysators erkennen muss, um den Motor
regeln zu können.
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Mit
einer vernachlässigbaren
Sauerstoffspeicherkapazität
im Katalysator ist das herkömmliche OBD
II-Verfahren der Überwachung
des Verschleißes
eines Katalysators (mit zwei Sensoren, wie oben beschrieben) nicht
mehr zweckmäßig, weil
das Pendeln zwischen einem angereicherten Zustand und einem abgereicherten
Zustand am stromabfwärtigen Ende
des Katalysators das gleiche ist wie das Pendeln am stromabwärtigen Ende
des Katalysators. Demzufolge besteht heute Bedarf an einem System und
einem direkten Verfahren, mit dem sich der Wirkungsgrad eines Konditionierungskatalysators
mit vernachlässigbarer
Sauerstoffspeicherkapazität
genau diagnostizieren lässt.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Verfahren
zur Implementierung eines Sauerstoffsensors in einem Fahrzeug bereitzustellen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System
bereitzustellen, das einen Differenzial-Sauerstoffsensor implementiert,
der gleichzeitig den Sauerstoffgehalt am stromaufwärtigen Ende
und am stromabwärtigen
Ende eines Katalysators vergleicht.
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Zur
Realisierung der oben genannten Aufgaben wird ein System zum direkten Überwachen
des Wirkungsgrades eines Katalysators mit vernachlässigbarer
Sauerstoffspeicherkapazität
bereitgestellt. Das Überwachungssystem
enthält
einen Sauerstoffsensor, der in der Abgasanlage des Fahrzeugs nahe einem
ersten Ende eines Katalysators angebracht ist, und einen Abgas-Katalysatorbypass.
Der Sauerstoffsensor weist eine erste Seite und eine zweite Seite
auf. Die erste Seite erkennt den Sauerstoffgehalt in den Abgasen
am ersten Ende des Katalysators. Der Abgas-Katalysatorbypass transportiert
eine geringe Menge Abgas vom zweiten Ende des Katalysators zur zweiten
Seite des Sauerstoffsensors. Der Sauerstoffsensor nimmt einen sofortigen
Vergleich des Sauerstoffgehalts zwischen den Abgasen am ersten Ende
des Katalysators und den Abgasen am zweiten Ende des Katalysators
vor und erzeugt dadurch ein Spannungssignal. Das vom Sensor erzeugte
Spannungssignal ist proportional der Differenz des Sauerstoffgehalts
zwischen den Gasen am ersten Ende und am zweiten Ende des Sauerstoffsensors.
Das Spannungssignal kann nun zum Antriebsstrang-Steuerungsmodul
des Fahrzeugs übermittelt
werden, um dem Motor eine Rückmeldung
zu geben.
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Es
wird des Weiteren ein Verfahren zum direkten Überwachen des Wirkungsgrades
eines Katalysators mit vernachlässigbarer
Sauerstoffspeicherkapazität
bereitgestellt. Dieses Verfahren enthält folgende Schritte: Bereitstellen
eines Sauerstoffsensors, der in der Abgasanlage eines Fahrzeugs
nahe einem ersten Ende des Katalysators angebracht ist, wobei der
Sauerstoffsensor eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist;
Bereitstellen eines Abgas-Katalysatorbypasses; Transportieren von
Abgas von einem zweiten Ende des Katalysators über den Abgas-Katalysatorbypass
zur zweiten Seite des Sauerstoffsensors; gleichzeitiges Vergleichen
des Sauerstoffgehalts im Abgas auf der ersten Seite des Sauerstoffsensors
mit dem Sauerstoffgehalt im Abgas auf der zweiten Seite des Sauerstoffsensors;
und Erzeugen einer Spannung in dem Sauerstoffsensor, wobei die Spannung
direkt proportional der über
den Katalysator umgewandelten Sauerstoffmenge ist.
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Die
Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezug auf die 2 und 3 der
begleitenden Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigen:
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2 ist
eine Schemadarstellung einer Ausführungsform des Systems der
vorliegenden Erfindung; und
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3 ist
ein Ablaufdiagramm, das eine Ausführungsform des Verfahrens der
vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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In 2 ist
eine erste Ausführungsform
des Systems 34 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Das bordeigene Diagnosesystem und -verfahren der vorliegenden Erfindung überwacht
direkt den Wirkungsgrad eines Katalysators 36 mit vernachlässigbarer
Sauerstoffspeicherkapazität.
Im Abgasweg 38 des Motors ist ein Katalysator 36 angeordnet.
Der Katalysator 36 weist eine vernachlässigbare Sauerstoffspeicherkapazität auf.
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In
dieser Ausführungsform
kann der Katalysator 36 näher an dem (nicht gezeigten)
Motor angeordnet werden, damit sich der Katalysator schneller erwärmt. Des
Weiteren ist der Katalysator 36 vor dem Sauerstoffsensor 40 angeordnet,
um das Problem der Verschiebung hin zu einem angereicherten Zustand
zu verringern. Indem der Katalysator 36 vor dem Sauerstoffsensor 40 angeordnet
wird, kann der Sauerstoffsensor 40 den Sauerstoffgehalt
im Abgas genauer messen. Der Sauerstoffsensor 40 kann typischerweise
zum Teil aus Keramikmaterial hergestellt sein. Wenn das Abgas 42 mit
dem Sensor 40 in Kontakt kommt, so dringt Wasserstoff leichter
in das Keramikmaterial ein als Kohlenwasserstoffe und das Kohlenmonoxid.
Das führt
entsprechend dazu, dass der Sensor 40 eine Verschiebung
hin zu einem angereicherten Zustand anzeigt. Indem der Katalysator vor
dem Sauerstoffsensor angeordnet wird, entfernt der Katalysator 36 wirksam überschüssigen Wasserstoff
aus dem Abgas 42, wodurch dem Sensor 40 eine wünschenswertere
Abgaszusammensetzung zugeführt
wird.
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Der
Sauerstoffsensor 40 besteht vorzugsweise, aber nicht unbedingt,
aus einem Yttriumoxid-stabilisierten Zirconoxid-Keramikmaterial,
das mit Gold imprägniert
ist. Gold ist ein bevorzugtes Material, da es leitet, ohne katalytisch
zu sein. Es können alternativ
auch andere Materialien verwendet werden, die ähnliche Eigenschaften wie Gold
aufweisen.
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Wie
in 2 gezeigt, kann das System 34 der vorliegenden
Erfindung einen Sensor 40, der stromabwärts vom Katalysator 36 angeordnet
ist, und einen Abgas-Katalysatorbypass 43 enthalten. Der
in 2 gezeigte Abgas-Katalysatorbypass 43 transportiert
eine geringe Menge stromaufwärtiges Abgas 44 zum
Sensor 40. Der Sensor 40 ist ein Differenzialsensor 40 mit
einer Referenzseite 48 und einer Probennahmeseite 46.
Die Probennahmeseite 46 des Sensors 40 vergleicht
den Sauerstoffgehalt im stromabwärtigen
Abgas 42 mit dem Sauerstoffgehalt im stromaufwärtigen Abgas 44,
das auf der Referenzseite 48 abgenommen wurde. Die Differenzialmessung
im Sensor 40 stellt ein Potenzial her, durch das eine Spannung
entsteht. Wenn im Katalysator 36 Sauerstoff durch die Reaktion
mit Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen umgewandelt wird,
so ist in den stromabwärtigen
Gasen 42 weniger Sauerstoff vorhanden als in den stromaufwärtigen Gasen 44.
Die Differenzialmessungen erzeugen unter diesen Umständen im
Sensor 40 eine Spannung, die anzeigt, dass der Katalysator 36 ordnungsgemäß arbeitet.
Wenn der Katalysator 36 ausfällt und nicht mehr Kohlenmonoxid,
Wasserstoff und Kohlenwasserstoffe umwandelt, so wird kein Sauerstoff
umgewandelt, und die stromaufwärtigen
und stromabwärtigen
Konzentrationen der Gase bleiben die gleichen, wie es durch das
im Sensor 40 erzeugte Spannungssignal angezeigt wird. Das
im Sauerstoffsensor 40 erzeugte Spannungssignal ist allgemein
der Menge an Sauerstoff proportional, die im Katalysator ungewandelt
wird.
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Der
Sensor 40 der vorliegenden Erfindung kann – muss aber
nicht unbedingt – eine
Probennahmeseite 46 mit zwei Elektrodenarten enthalten.
Die erste probenseitige Elektrode erkennt den Sauerstoffgehalt im
Abgas zum Zweck der Diagnose des Wirkungsgrades des Katalysators,
und die zweite probenseitige Elektrode erkennt den Sauerstoffgehalt
im Abgas zum Zweck der Rückmeldung
an den Motor.
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Des
Weiteren benötigt
der Sauerstoffsensor 40 der vorliegenden Erfindung eine
ganz geringe Probe des stromaufwärtigen
Abgases. Es wurde festgestellt, dass etwa 10 Standardkubikzentimeter/Minute,
die durch den Abgasbypass strömen,
eine ausreichende Menge stromaufwärtigen Abgases darstellen.
Es können
aber auch größere oder
kleinere Mengen Abgas zugeleitet werden.
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Der
Sauerstoffsensor 40 kann alternativ auch am stromaufwärtigen Ende 38 des
Katalysators angeordnet werden. Auch hier kann der Sauerstoffsensor 40 eine
Referenzseite 48 und eine Probennahmeseite 46 aufweisen.
Die Probennahmeseite 46 erkennt den Sauerstoffgehalt in
den stromaufwärtigen
Abgasen 44. In dieser Anordnung leitet der Abgas-Katalysatorbypass 43 stromabwärtige Abgase 42 zur
Referenzseite 48 des Sauerstoffsensors 40. Der
Sauerstoffsensor 40 vergleicht nun gleichzeitig den Sauerstoffgehalt
auf der Referenzseite 48 und auf der Probennahmeseite 46,
wodurch ein Spannungssignal erzeugt wird. Das Spannungssignal ist proportional
der Differenz beim Sauerstoffgehalt in den Abgasen zwischen den
stromaufwärtigen
Abgasen 44 und den stromabwärtigen Abgasen 42.
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In
einer weiteren alternativen Anordnung können zwei Abgas-Katalysatorbypasse
implementiert werden, und der Sauerstoffsensor 40 kann
außerhalb
des Abgasweges angebracht sein. Auch hier weist der Sauerstoffsensor 40 eine
erste Seite und eine zweite Seite auf. Ein erster Abgas-Katalysatorbypass
transportiert Abgase vom ersten Ende oder aus der Nähe des ersten
Endes des Katalysators zur ersten Seite des Sauerstoffsensors. Der
zweite Abgas-Katalysatorbypass transportiert Abgase vom zweiten
Ende oder aus der Nähe
des zweiten Endes des Katalysators zur zweiten Seite des Sauerstoffsensors.
Die erste Seite erkennt den Sauerstoffgehalt in den Abgasen am ersten
Ende des Katalysators. Die zweite Seite des Sauerstoffsensors erkennt den
Sauerstoffgehalt in den Abgasen am zweiten Ende des Katalysators.
Der Sauerstoffsensor vergleicht gleichzeitig den Sauerstoffgehalt
auf der ersten Seite und auf der zweiten Seite und erzeugt eine Spannung,
die der Differenz zwischen dem Sauerstoffgehalt am ersten Ende des
Katalysators und dem zweiten Ende des Katalysators proportional
ist. Das Spannungssignal kann dann an ein Antriebsstrang-Steuerungsmodul
oder dergleichen übermittelt
werden, um der Maschine eine Rückmeldung
zu geben. Das zum Sauerstoffsensor geleitete Abgas kann über ein
separates Ventil abgelassen oder in die Abgasanlage des Fahrzeuges
zurückgeführt werden.
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In 3 ist
ein Verfahren der vorliegenden Erfindung in Form eines Ablaufdiagramms
veranschaulicht. Der erste Schritt des Verfahrens besteht darin,
einen Sauerstoffsensor bereitzustellen 50, der in der Abgasanlage
des Fahrzeugs stromabwärts vom
Katalysator angebracht ist. Der Sauerstoffsensor weist eine Referenzseite
und eine Probennahmeseite auf. Der zweite Schritt des Verfahrens
enthält
das Bereitstellen eines Abgas-Katalysatorbypasses 52. Als
drittes wird stromaufwärtiges
Abgas durch den Abgas-Katalysatorbypass zur Referenzseite des Sauerstoffsensors
geleitet 54. Als viertes wird gleichzeitig der Sauerstoffgehalt
im stromaufwärtigen
Abgas auf der Referenzseite des Sauerstoffsensors mit dem Sauerstoffgehalt
im stromabwärtigen
Abgas auf der Probennahmeseite des Sauerstoffsensors verglichen 56.
Als fünftes
wird in dem Sauerstoffsensor eine Spannung erzeugt 58.
Die erzeugte Spannung ist der im Katalysator umgewandelten Sauerstoffmenge
proportional. Das Spannungssignal kann dann zum Antriebsstrang- Steuerungsmodul (ASM) übermittelt
werden 60, um eine Rückmeldung
zu geben. Indem die im Katalysator umgewandelte Menge Sauerstoff
direkt gemessen wird, kann auch die im Katalysator umgewandelte Menge
HC und CO direkt gemessen werden.
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Bei
einem alternativen Verfahren der vorliegenden Erfindung wird ein
Sauerstoffsensor bereitgestellt, der in der Abgasanlage eines Fahrzeugs
an einem ersten Ende des Katalysators angebracht ist, wobei der
Sauerstoffsensor eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist.
Des Weiteren ist ein Abgas-Katalysatorbypass vorgesehen, der Abgas
von einem zweiten Ende des Katalysators zur zweiten Seite des Sauerstoffsensors
leitet. Das Abgas wird vom zweiten Ende des Katalysators über den
Abgas-Katalysatorbypass zur zweiten Seite des Sauerstoffsensors
geleitet. Der Sauerstoffgehalt im Abgas auf der ersten Seite des
Sauerstoffsensors wird mit dem Sauerstoffgehalt im Abgas auf der
zweiten Seite des Sauerstoffsensors verglichen. In dem Sauerstoffsensor
wird eine Spannung erzeugt, wobei die Spannung der Menge des im
Katalysator umgewandelten Sauerstoffs proportional ist.