DE69713875T2

DE69713875T2 - Verfahren zum kontrollieren der funktion eines katalysators

Info

Publication number: DE69713875T2
Application number: DE69713875T
Authority: DE
Inventors: D. Naber; J. Remboski
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1996-12-11
Filing date: 1997-10-15
Publication date: 2002-12-05
Anticipated expiration: 2017-10-16
Also published as: WO1998026164A1; EP0883737A4; DE69713875D1; EP0883737B1; EP0883737A1; US5732551A

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft allgemein Abgassteuer-/- regelsysteme und Verfahren zu deren Betreibung und insbesondere Steuer-/Regelsysteme und Verfahren zur Überwachung beziehungsweise Kontrolle des Wirkungsgrades eines Katalysators.

Hintergrund der Erfindung

Viele derzeit in den Vereinigten Staaten und vielen ausländischen Ländern gültige Gesetze zur Umweltverschmutzung erfordern, dass Geräte zur Abgasemissionsreduzierung in Kraftfahrzeugen kontinuierlich von OBD-Systemen (OBD, "on board-diagnostic/Bord-Diagnosesystemen") überwacht werden. Die Funktion des OBD-Systems ist es, dem Fahrzeugführer Systemfehlermeldungen anzuzeigen, wenn Emissionssteuer-/- regelvorrichtungen nicht mehr die vorgeschriebenen Emissionswerte einhalten. Ein Schlüsselelement von Abgasemissionsreduzierungssystemen ist der Katalysator, der in derzeitigen kraftfahrtechnischen Anwendungen dazu verwendet wird, gleichzeitig die Niveaus von Kohlenmonoxid, Stickstoffoxiden und unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgas zu reduzieren.
Einige derzeit im Gebrauch befindliche OBD-Systeme zur Überwachung der Funktion des Katalysators verwenden ein eindeutiges Verhältnis der Anzahl von Spannungswertübergängen (Schaltvorgängen) von zwei beheizte HEGO-Sensoren (HEGO, "heated-exhaust-gas-oxygen/Lambdasonde"). Um den Wirkungsgrad des Katalysators zu überwachen, wird ein HEGO stromaufwärts vom Katalysator im Abgasstrom platziert, und der andere HEGO wird stromabwärts vom Katalysator im Abgasstrom platziert. Ein Steuergerät empfängt Ausgabedaten von den HE- GO-Sensoren und bestimmt die Anzahl von Spannungswertübergängen des stromabwärtigen HEGO relativ zur Anzahl der Spannungswertübergänge des stromaufwärtigen HEGOs.
Das Schaltverhältnis der stromaufwärtigen und stromabwärtigen HEGO-Sensoren kann dazu verwendet werden, die Menge des auf dem Katalysator gespeicherten Sauerstoffs abzuschätzen. Diese Information ist wichtig, da auf dem Katalysator gespeicherter Sauerstoff eine Sauerstoffquelle für die Oxidation toxischer Gase im Abgas von Kraftfahrzeugmotoren zur Verfügung stellt. Durch den Vergleich des Luft-Kraftstoff- Verhältnisses des in den Katalysator strömenden Abgases mit dem aus dem Katalysator herausströmenden kann ein Schätzwert des gespeicherten Sauerstoffs erhalten werden. Wenn der Katalysator nicht länger in der Lage ist, ausreichend Sauerstoff zu speichern, geht die Funktion des Katalysators zurück und toxische Gase können durch das Abgassystem strömen und in die Umwelt gelangen. Wenn die geschätzte Sauerstoffspeicherung unter einen vorbestimmten Wert fällt, alarmiert das Steuergerät den Fahrzeugführer, dass eine Wartung des Abgassystems notwendig ist.
Obwohl HEGO-Sensoren zuverlässig sind und im Hochtemperatur- und korrosiven Milieu eines Abgassystems arbeiten können, besitzt das Schaltverhältnis-Verfahren eine geringe Auflösung und stellt lediglich eine Fähigkeit zur Bestimmung grober Veränderungen in der Umwandlungsfähigkeit des Katalysators zur Verfügung. Zudem erfordert das Schaltverhältnis- Verfahren eine Kalibrierung, wenn Systemänderungen im Motor oder dem Katalysator vorgenommen werden. Des weiteren verwendet das Schaltverhältnis-Verfahren keine statistische Analyse, um fehlerhafte Testdaten zu identifizieren oder die Zuverlässigkeit der von den HEGO-Sensoren empfangenen Informationen zu bestimmen. Dementsprechend ist ein verbessertes Verfahren zur Überwachung des Katalysators notwendig, um der strengeren Abgasemissionsüberwachung gerecht zu werden, die durch derzeitige und zukünftige Abgas- Emissionsbegrenzungsgesetze vorgeschrieben werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Überwachung der Funktion eines Katalysators, wie in Anspruch 1 beansprucht, bereit gestellt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm eines Abgassystems, das elektronisch an ein Motorsteuergerät gekoppelt ist;
Fig. 2 zeigt einen Abschnitt eines Katalysatorbettes innerhalb eines Katalysators;
Fig. 3 ist eine Schnittansicht durch einen der Gaskanäle des in Fig. 2 gezeigten Katalysatorbettes;
Fig. 4 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Überwachung eines Katalysators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5 ist eine Auftragung des Schaltverhältnisses gegen den Normierungsparameter EXP (-β')
Fig. 6 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Überwachung eines Katalysators gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 7 ist eine Auftragung der Verzögerungszeit gegen den Normierungsparameter EXP (-β').

Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung beziehungsweise zum Kontrollieren der Funktion eines Katalysators, wobei der Katalysator in einem Abgasstrom verwendet wird, um Abgase, die durch den Katalysator hindurch strömen, zu oxidieren. Das erfinderische Verfahren stellt eine Bord-Diagnosetechnik zur Verfügung, die Abgassensoren verwendet, die stromauf- und stromabwärts vom Katalysator angeordnet sind, sowie ein Motorsteuergerät, das elektrische Signale von den stromauf- und stromabwärtigen Sensoren zusätzlich zu Informationen über die durch den Querschnitt hindurchströmende Luftmenge und Informationen über die Katalysatortemperatur empfängt. Das Steuergerät überwacht die Ausgaben beziehungsweise die Ausgabedaten der Abgassensoren und erzeugt unter Verwendung der Ausgabedaten der Sensoren einen Überwachungs- beziehungsweise Kontrollparameter. Dann werden ein oder mehrere Faktoren, die ausschlaggebend für einen Wirkungsgrad eines Katalysators sind, unter Verwendung der Katalysatortemperatur und der durch den Querschnitt hindurchströmenden Luftmenge des die Abgase erzeugenden Motors bestimmt. Der Überwachungs- beziehungsweise Kontrollparameter wird in Bezug auf den Faktor normiert, und ein Datensatz wird durch das Steuergerät akkumuliert. Um die Funktion des Katalysators zu bestimmen werden individuelle Werte innerhalb des Datensatzes mit Gut-/Schlecht-Kriterien beziehungsweise mit Kriterien bezüglich eines Bestehens/Scheiterns verglichen, und die Vergleichsinformation wird durch das Steuergerät beurteilt. Falls die Werte des Datensatzes nicht innerhalb eines vorbestimmten Betriebsbereiches liegen, warnt das Steuergerät den Fahrzeugführer, eine Wartung für das Abgassystem durchführen zu lassen.
In Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm eines Abgassteuersystems gezeigt, das gemäß der Erfindung angeordnet ist. Ein Abgassystem 10 umfasst einen Katalysator 12, der sich innerhalb einer Abgasleitung 14 befindet. Ein erster Gassensor 16 ist an der Gasleitung 14 an einer Position stromaufwärts des Katalysators 12 montiert, und ein zweiter Gassensor 18 ist an der Gasleitung 14 an einer Position stromabwärts des Katalysators 12 montiert. Ein Motorsteuergerät 20 empfängt Signale von dem ersten und zweiten Gassensor 16 und 18, und Informationen über das Luft-Kraftstoff- Verhältnis sowie Informationen über die Katalysatortemperatur. Es ist wichtig, anzumerken, dass, wenn ein unterteilter Katalysator in dem Katalysator 12 verwendet wird, der zweite Gassensor 18 innerhalb des Katalysators angeordnet werden kann, um einen Teil des Katalysatorbettes innerhalb des Katalysators zu überwachen.
Wie nachfolgend klar werden wird, kann das Funktionsüberwachungsverfahren der Erfindung unter Verwendung verschiedener Arten von Abgassensoren verwendet werden, die in der Lage sind, eine Vielfalt von Ausgabesignalen zu produzieren. Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung verwenden entweder Spannungswertübergänge, Zeitverzögerungsfaktoren, Analogspannungswerte oder Stromausgabedaten. Ein wichtiger Vorteil der Erfindung umfasst die Fähigkeit, unterschiedliche Sensortypen zu verwenden, die unterschiedliche charakteristische Ausgabedaten besitzen. Dementsprechend können der erste und der zweite Gassensor 16 und 18 beheizte Abgassauerstoffsensoren (HEGO), Universalabgassensoren (UE- GO, "universal-exhaust-gas"), Kohlenwasserstoffsensoren (HC) und dergleichen sein. Dies ist möglich, weil das erfindungsgemäße Verfahren eine Normierung von Betriebsparametern verwendet, die mit dem Wirkungsgrad des Katalysators 12 zusammenhängen.
Eine Bestimmung des Wirkungsgrades des Katalysators 12 hängt von der Kenntnis des Massenübergangs beziehungsweise Stoffaustauschs verschiedener Gase im Abgasstrom zu dem Katalysatormaterial innerhalb des Katalysators 12 ab. Der Hauptgastransport einer Gasart i in einem Abgasstrom, der durch den Katalysator 12 strömt, kann durch die partielle Differentialgleichung (1) beschrieben werden,
worin zi die Hauptgasmolenbruch der Spezies i ist, yi ist der Grenzmolenbruch der Spezies i, ist eine Zeiteinheit, ausgedrückt als t/τ, wobei τ die Gasverweil- beziehungsweiseresonanzzeit innerhalb des Katalysators 12 ist, x ist eine Längeneinheit, ausgedrückt als x/L, wobei L die Katalysatorlänge ist, und β ist eine Hauptgasmassenübergangszahl beziehungsweise ein Hauptgasstoffaustauschkoeffizient.
Zusätzlich zum Hauptgastransport durch den Katalysator 12 müssen die Abgase auch durch eine Grenzregion zwischen der Katalysatoroberfläche und dem Hauptkörper des Abgasstromes strömen. Der Grenzflächenmassenübergang und die Absorptionscharakteristik des Abgasstromes können durch eine Grenzflächenmassenübergangsgleichung (2) ausgedrückt werden
β(zi - Yt) = φyi(1 - si) (2)
worin si der Oberflächenabsorptionsanteil der Spezies i auf dem Katalysatormaterial ist, und φ ist der Gasabsorptionskoeffizient. Eine Beziehung für die Oberflächenspeicherung der Spezies i auf dem Katalysatormaterial kann durch Gleichung (3) ausgedrückt werden,
worin γ der Oberflächenspeicherungsfaktor ist, und Rij der Reaktionskoeffizient der Spezies i mit der Spezies j an der Katalysatoroberfläche ist.
Ein Abschnitt des innerhalb des Katalysators 12 angeordneten Katalysatorbettes 22 ist in Fig. 2 gezeigt. Das Katalysatorbett 22 enthält eine Anordnung von Kanälen 24, durch die Abgase strömen. Die Oberfläche eines jeden Kanals ist mit einem Katalysatormaterial, wie Platin, Palladium, Rhodium und dergleichen beschichtet. Zu Rechenzwecken besitzt das Katalysatorbett 22 eine symbolische Länge L, und jeder Kanal innerhalb des Katalysatorbettes 22 hat eine repräsentative Ausdehnung σ. Abgas strömt durch jeden Gaskanal mit einer Geschwindigkeit V. Fachleute werden sich bewusst sein, dass andere geometrische Darstellungen des Katalysatorbettes möglich sind. Beispielsweise kann das Katalysatorbett eine Anordnung von hexagonalen Kanälen oder dreieckigen Kanälen oder dergleichen sein.
Eine Schnittansicht eines repräsentativen Gaskanals 25 ist in Fig. 3 gezeigt. Der Gaskanal besitzt eine repräsentative Länge ΔX und der Abgasstrom für die Spezies i in den Abschnitt ist als (ziCVA)X dargestellt. Der Strom der Spezies i aus dem Kanalabschnitt heraus ist als (ZiCVA)X+ΔX dargestellt, wobei C die molare Dichte des Hauptgases ist, V die Gasgeschwindigkeit ist, und A die Querschnittsfläche ist. Der Grenzflächenmolenbruch der Spezies i, yi, ist in dem Abgasstrom innerhalb eines Grenzgebietes 26 angezeigt, das sich zwischen dem Hauptgasstrom und einem Katalysator 28 befindet.
Ein Ausdruck für den Wirkungsgrad des Katalysators kann durch die Anwendung der Gleichungen (1) und (2) auf das Katalysatorbett 22 hergeleitet werden. Ein Ausdruck kann dadurch erhalten werden, dass man den Molenbruch der Spezies i im Hauptgas und im Grenzflächengebiet durch Lösen der Gleichung (2) für den Grenzmolenbruch der Spezies i, yi, in Verbindung bringt, und den resultierenden Ausdruck in die Gleichung (1) einsetzt, dann wird Gleichung (4) erhalten.
Wenn angenommen wird, dass der Oberflächenabsorptionsanteil der Spezies i, si, sehr viel geringer als 1 ist, kann eine kombinierte Massenübergangszahl für Absorption und Hauptmassenübergang β' definiert werden, und Gleichung (4) als Gleichung (5) umgeschrieben werden.
wobei
ist.
Fachleute werden erkennen, dass Gleichung (5) eine partielle Differentialgleichung ist, die den Wechsel im Hauptgas-Molenbruch der Spezies i sowohl in Bezug auf Zeit als auch Entfernung x repräsentiert. Eine Lösung für die Gleichung (5) kann als Gleichung (6) ausgedrückt werden,
zi(x,t) = exp(-β' x)·f(t - x) (6)
wobei der Wert von β entweder die einfache Hauptgasmassenübergangszahl oder die exaktere kombinierte Massenübergangszahl β' darstellen kann.
Um den Wirkungsgrad des Katalysators zu bestimmen kann die Lösung der partiellen Differentialgleichung (5), wie sie durch die Gleichung (6) ausgedrückt wird, auf eine allgemeine Definition eines Katalysator-Wirkungsgrades, ausgedrückt als Gleichung (7), angewendet werden,
wobei "In" den Strom von Abgas der Spezies i in den in Fig. 3 gezeigten Kanalabschnitt hinein repräsentiert, und "Out" den Gasstrom der Spezies i aus dem Kanalabschnitt 25 heraus repräsentiert. Wendet man die Lösung der durch die Gleichung (6) gegebenen Differentialgleichung auf die durch Gleichung (7) gegebene Definition des Katalysator-Wirkungsgrades an, kann die Gleichung (7) als Gleichung (8) umgeschrieben werden.
η = 1 - z(x = 1,t + 1)/z(x = 0,t) (8)
Durch Anwenden des Ausdrucks für den Hauptgasmolenbruch der Spezies i, zi, bei einer Position x zu einer Zeit t, wie durch Gleichung (6) bestimmt, wird ein Ausdruck für den Wirkungsgrad des Katalysators als Funktion der Massenübergangszahl β' als Gleichung (9) erhalten.
η = 1 - exp(-β') (9)
Die Gleichung (9) gibt an, dass der Wirkungsgrad des Katalysators 28, die Spezies i innerhalb eines Hauptabgasstromes durch den Katalysator zu absorbieren, mit der kombinierten Massenübergangszahl β' in Beziehung gebracht werden kann. Wie vorher diskutiert, ist β' eine Funktion sowohl, der Hauptmassenübergangszahl β als auch dem Absorptionskoeffizienten σ. Fachleute werden erkennen, dass die Massenübergangszahl β und der Absorptionskoeffizient σ aus Gleichungen, die die molekulare Diffusion und die physikalischen Parameter des Katalysatorbettes 22 miteinander verbinden, erhalten werden können. Wie hierin verwendet wird eine Massenübergangszahl β durch Gleichung (10) ausgedrückt,
β = 4ShDijτ/σ² (10)
wobei Sh die Nußelt-Zahl, und Dij das Diffusionsvermögen der Spezies i in der Spezies j ist. Es sind verschiedene Verfahren im Stand der Technik bekannt, die Nußelt-Zahl zu bestimmen. Beispielsweise kann die Nußelt-Zahl für das in den Fig. 2 und 3 gezeigte Katalysatorbett aus der Theorie des laminaren Flusses und der Bildung eines Mittelwerts einer gleichbleibenden Wandmassenkonzentration und eines gleichbleibenden Wandmassenflusses abgeschätzt werden. Dieses Verfahren erzeugt einen Wert für die Nußelt-Zahl von ungefähr 4. Der Wert des Absorptionskoeffizienten a kann als Gleichung (11) ausgedrückt werden,
φ = 4ατvcol/σ (11)
wobei α die Absorptionswirksamkeit und vcol die Stoßgeschwindigkeit ist.
Eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Überwachung des Katalysator-Wirkungsgrades durch Normierung eines Überwachungs- beziehungsweise Kontrollparameters ist in Fig. 4 gezeigt. In der gezeigten Ausführungsform wird eine Spannungsabgabe von dem ersten und zweiten Gassensor 16 und 18 überwacht. Die vom Motorsteuergerät 20 empfangene Spannungsabgabe wird an der Position 30 überwacht. Die Abgabe wird kontinuierlich auf eine signifikante Spannungsänderung überwacht. Eine wesentliche Spannungsverschiebung wird mit einem abrupten Wechsel in der Sauerstoffmenge (oder Luftmenge) im Abgas, das zu dem Katalysator 12 strömt, in Verbindung gebracht. Beispielsweise wird ein "Schaltvorgang" da angezeigt, wo die Spannungsabgabe des ersten Gassensors 16 von ungefähr 0.2 Volt zu ungefähr 0.8 Volt wechselt, was einen Wechsel der Sauerstoffkonzentration von einem hohen Konzentrationsniveau zu einem niedrigen Konzentrationsniveau anzeigt. Dementsprechend wird auch ein Schaltvorgang bei einem Spannungswertübergang von ungefähr 0.8 Volt zu ungefähr 0.2 Volt angezeigt, was einen Wechsel von einer hohen Sauerstoffkonzentration zu einer niedrigen Sauerstoffkonzentration im Abgasstrom anzeigt, der in den Katalysator 12 hineinströmt.
Wenn bei dem Befehl 32 ein Umschaltvorgang beobachtet wird, geht die Betriebsüberwachung an den Befehl 34 über, wo die kombinierte Massenübergangszahl β' entsprechend zu den oben dargelegten Gleichungen berechnet wird. Die Berechnung der kombinierten Massenübergangszahl wird durchgeführt, nachdem das Steuergerät 20 eine Angabe der Luftdurchflussmenge MAF von dem Befehl 36 und eine Angabe der Katalysatortemperatur T von dem Befehl 38 empfängt. Das MAF-Signal rührt von einem Luftdurchflussmengensensor (nicht gezeigt) her, der in der Einströmleitung der Verbrennungskraftmaschine (nicht gezeigt) angebracht ist, die mit dem Abgassystem 10 verbunden ist. Alternativ kann das MAF aus den Motorbetriebszuständen, wie beispielsweise Motorgeschwindigkeit und Ladedruck und dergleichen berechnet werden. Die Katalysatortemperaturmessung rührt von einem Temperatursensor (nicht gezeigt) her, der innerhalb des Katalysators 12 angebracht ist. Alternativ kann die Katalysatortemperatur von einem HEGO-Sensor oder Modell des Katalysators oder dergleichen berechnet werden.
Sobald die kombinierte Massenübergangszahl berechnet wurde, wird der Exponentialausdruck EXP (-β') bestimmt. Als nächstes wird ein numerischer Wert innerhalb einer von mehreren Speicherzellen, bezeichnet als P1-P5, inkrementiert, abhängig vom Wert des Terms EXP (-β'). Die Speicherzellen befinden sich innerhalb eines Datenspeichers 40, der von dem Motorsteuergerät gepflegt wird. Ein in jeder Speicherzelle vorhandener Zähler inkrementiert den numerischen Wert innerhalb einer gegebenen Speicherzelle um eins immer dann, wenn er von dem Befehl 34 dazu aufgefordert wird. Jede Speicherzelle P1-P5 definiert einen Bereich von Werten für EXP (-β'). Wenn der Ausdruck EXP (-β') durch den Befehl 34 zahlenmäßig ausgedrückt wird, wird der numerische Wert mit den entsprechenden Bereichen, die jede der Speicherzellen kennzeichnen, verglichen. Das Programm identifiziert eine Speicherzelle, die einen Bereich aufweist, der den berechneten Wert einklammert, und der Zähler innerhalb der identifizierten Speicherzelle wird um eins inkrementiert. Ein analoger Überwachungs- und Berechnungsablauf wird durch das Motorsteuergerät 20 für die Spannungsabgabe des zweiten Gassensors 18 ausgeführt. Die Spannungswertübergänge werden bei dem Befehl 42 überwacht, und der Befehl 44 verschiebt die Programmüberwachung immer dann zu dem Befehl 46, wenn ein Umschaltvorgang in der Spannungsabgabe des zweiten Gassensors 18 detektiert wird. Die Massenübergangszahl β' wird berechnet und der Ausdruck EXP (-β') wird im Befehlsschritt 46 bestimmt und ein Zähler innerhalb einer individuellen Speicherzelle, bezeichnet als A1-A5, wird innerhalb eines Datenspeichers 48 inkrementiert.
Das vorangehende Verfahren wird solange ausgeführt, bis eine statistisch signifikante Datenmenge in den Datenspeichern 40 und 48 gesammelt wurde. Fachleute werden erkennen, dass viele Standardverfahren für die Bestimmung existieren, wann eine statistisch signifikante Menge von Datenwerten gesammelt wurde. Beispielsweise stellt der Vergleich der Standardabweichung der Daten mit standardisierten Werten für eine Normalverteilung ein Verfahren zur Bestimmung statistischer Signifikanz dar.
Sobald eine statistisch signifikante Datenmenge gesammelt wurde, werden die numerischen Werte in entsprechenden Speicherzellen der Datenspeicher 40 und 48 bei Befehlsschritt 50 ins Verhältnis gesetzt, um einen Umschaltverhältnis-Datensatz zu akkumulieren. Die Werte des Umschaltverhältnis-Datensatzes werden dann bei Befehlsschritt 52 mit vorbestimmten Kriterien bezüglich eines Bestehens/Scheiterns verglichen. Falls individuelle Werte innerhalb des Umschaltverhältnis-Datensatzes in den Scheitern-Bereich fallen, wie er durch die vorbestimmte Korrelation, wie beispielsweise eine Auftragung des Umschaltverhältnisses gegen EXP (-β'), definiert ist, sendet das Motorsteuergerät 20 ein Alarmsignal, um anzuzeigen, dass eine Wartung des Abgassystems notwendig ist.
Fachleute werden sich bewusst sein, dass die bei den Befehlen 32, 44 und 52 durchgeführte Signalanalyse durch herkömmliche Vergleichsschaltungen in dem Motorsteuergerät 20 durchgeführt werden kann. Des weiteren können herkömmliche Vergleichs- und Zählschaltungen dazu verwendet werden, Werte in den individuellen Zellen der Datenspeicher 40 und 48 zu sortieren und zu akkumulieren.
Eine Auftragung der Umschaltverhältnis-Werte gegen EXP (-β') ist in Fig. 5 gezeigt. Die Auftragung zeigt die Beziehung des Umschaltverhältnisses zu EXP (-β') für drei unterschiedliche Katalysatorvolumina; die Linie 49 repräsentiert Ergebnisse unter Verwendung eines Katalysatorvolumens von 25 in²; die Linie 51 ein Katalysatorvolumen von 32 in²; und die Linie 53 ein Katalysatorvolumen von 42 in². Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass das Umschaltverhältnis über einen weiten Bereich von kombinierten Massenübergangszahlen im Wesentlichen unabhängig von Änderungen in der Katalysatorgeometrie ist. Zudem zeigen die experimentellen Werte, dass das Umschaltverhältnis, aufgetragen gegen Werte der kombinierten Massenübergangszahlen, eine relativ empfindliche Anzeige der Katalysatorfunktion zur Verfügung stellen. Die gesteigerte Empfindlichkeit der durch die vorliegende Erfindung verwendeten Überwachungsbeziehungsweise Kontrollparameter bietet einen deutlichen Vorteil gegenüber Überwachungsverfahren des Standes der Technik.
Eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 6 gezeigt. In dem alternativen Verfahren stellt der Überwachungs- beziehungsweise Kontrollparameter die Umschaltverzögerung zwischen dem ersten und dem zweiten Gassensor dar. Die Umschaltverzögerung wird dann unter Verwendung der kombinierten Massenübergangszahlen normiert, und Datensatzwerte werden mit Kriterien bezüglich eines Bestehens/Scheiterns verglichen. Die Spannungsausgabe des ersten Gassensors 16 wird an der Position 54 überwacht. Wenn ein Spannungswertübergang detektiert wird, gibt der Befehl 56 die Programmüberwachung an den Befehl 58 weiter, der zurückgesetzt wird. Dann wird ein Timer in dem Motorsteuergerät 20 durch den Befehl 60 initialisiert, und die Programmüberwachung wird an den Befehl 62 weitergegeben. Der Spannungsausgang des zweiten Gassensors 18 wird an der Position 64 überwacht und der Befehl 66 gibt die Programmüberwachung an den Befehl 62 weiter, wenn ein Spannungswertübergang von dem zweiten Gassensor 18 detektiert wird.
Das Motorsteuergerät 20 überwacht die Luftdurchflussmenge MAF und die Katalysatortemperatur T an den Positionen 68 beziehungsweise 70. In Übereinstimmung mit der vorhergehenden Ausführungsform werden Werte für MAF und T durch am Ansaugrohr beziehungsweise innerhalb des Katalysators angebrachte Sensoren zur Verfügung gestellt, oder von Motorbetriebsbedingungen beziehungsweise einem Katalysatormodell berechnet. Mit den Eingangsdaten von den Positionen 68 und 70 werden die Verweilzeit τ und die kombinierte Massenübergangszahl β' bei dem Befehl 72 berechnet und zu dem Befehl 62 vermittelt. Der Befehl 62 berechnet eine Umschaltverzögerung, t-τ unter Verwendung einer durch den Befehl 60 bestimmten Zeit t. Sobald eine Verzögerungszeit berechnet wurde, wird ein Zurücksetz-Befehl durch den Befehl 74 initialisiert, und die Uhr bei Befehl 60 wird auf Null zurückgesetzt. Auf diese Weise wird die Verzögerungszeit immer dann bestimmt, wenn ein Spannungswertübergang durch den zweiten Gassensor 18 detektiert wird, da der Befehl 62 die Uhr nach der Detektierung eines Spannungswertübergangs durch den zweiten Gassensor 18 zurücksetzt. Durch Abziehen der Verweilzeit τ von der Umschaltverzögerungszeit t kann eine präzise Messung der tatsächlichen Umschaltverzögerung t-τ bestimmt werden.
Sobald die Verzögerungszeit berechnet ist, speichert der Befehl 62 die Verzögerungszeit in eine der verschiedenen Zellen, die sich in einem Datenspeicher 76 befinden. Der Datenspeicher 76 enthält eine Mehrzahl von Speicherzellen, bezeichnet als AVG1-AVG5, von denen jede durch den Wertebereich des Normierungsparameters EXP (-β') definiert ist. Wie in der vorhergehenden Ausführungsform wird, wenn eine statistisch signifikante Probe gesammelt worden ist, ein statistischer Parameter von den in dem Datenspeicher 76 gespeicherten Datenwerten berechnet und mit Kriterien bezüglich eines Bestehens/Scheiterns verglichen. Der Befehl 78 vergleicht mittlere Verzögerungszeitwerte mit Standardwerten als eine Funktion von EXP (-β'). Immer dann, wenn eine ausgewählte Zahl von Verzögerungszeiten unter die Kriterien bezüglich eines Scheiterns fallen, schickt der Befehl 78 eine Mitteilung an das Motorsteuergerät 20 und der Fahrzeugführer wird gewarnt, dass eine Wartung des Abgassystems notwendig ist.
Fachleute werden sich bewusst sein, dass die durch die Befehlsschritte 56, 65 und 78 durchgeführte Signalanalyse durch herkömmliche Vergleichsschaltungen in dem Motorsteuergerät 20 durchgeführt werden kann. Ebenso kann eine herkömmliche Zeitschaltung die Funktion der Befehle 58, 60 und 74 ausführen. Zudem können herkömmliche Vergleichs- und Berechnungsschaltungen verwendet werden, um Werte für die Speicherzellen innerhalb des Datenspeichers 76 zu sortieren und zu berechnen.
Eine Auftragung der durchschnittlichen Verzögerungszeit gegen EXP (-β') ist in Fig. 7 gezeigt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die durchschnittliche Verzögerungszeit eine erhebliche lineare Beziehung zu den Werten eines Normierungsparameters EXP (-β') aufweist. Fachleute werden erkennen, dass die Steigung einer Ausgleichsgeraden durch die Datenwerte einen Hinweis für die relative Empfindlichkeit der durchschnittlichen Verzögerungszeit als ein Maß der Katalysatorfunktion geben kann. Wie in der vorhergehenden Ausführungsform bietet die erhöhte Empfindlichkeit der Überwachungs- beziehungsweise Kontrollparameter, wie beispielsweise die durchschnittliche Verzögerungszeit, einen deutlichen Vorteil gegenüber Umschaltverhältnis-Überwachungsverfahren des Standes der Technik.
Es ist wichtig anzumerken, dass das gemäß der alternativen Ausführungsform dargelegte Verzögerungszeit- Verfahren ein hochauflösendes Verfahren zur Messung des Katalysatorwirkungsgrades des Katalysators 12 zur Verfügung stellt. Ebenso kann die Verzögerungszeit mit Mager-Fett- und Fett-Mager-Übergängen in dem in den Katalysator 12 eintretenden Abgasstrom korreliert werden. Die in Fig. 7 gezeigten Daten zeigen einen Mager-Fett-Übergang. Darüber hinaus ist der Verzögerungszeit-Monitor kompatibel mit Intrusivüberwachungsverfahren zur Regulierung des Luft- Kraftstoff-Verhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine, die das Abgassystem 10 verwendet. Beispielsweise ist, wenn der Katalysator unter sauerstoffreichen Bedingungen betrieben und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf Mager- Bedingungen abgestimmt ist, eine direkte Messung der Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators möglich. Auf diese Weise ermöglicht die Überwachung der Verzögerungszeit, wie sie in der alternativen Ausführungsform dargelegt wird, in Verbindung mit intrusiver Luft-Kraftstoff-Modulation die Verwendung des Verzögerungszeitmonitors für alle Katalysatorformate und Abgasströmungsraten.
Es ist daher offensichtlich, dass gemäß der Erfindung ein Verfahren zur Überwachung der Funktion eines Katalysators zur Verfügung gestellt wurde, dass den oben dargelegten Vorteilen vollständig gerecht wird. Obwohl die Erfindung in Bezug auf spezielle veranschaulichende Ausführungsformen beschrieben und erläutert wurde, ist es nicht beabsichtigt, dass die Erfindung auf diese veranschaulichenden Ausführungsformen beschränkt werden soll. Fachleute werden erkennen, dass Variationen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden unter Verwendung analoger Stromausgabe von im Abgasstrom angeordneten Gassensoren. Es ist daher beabsichtigt, alle diese Variationen und Modifikationen als in den Umfang der angehängten Patentansprüche und Äquivalenten davon fallend in die Erfindung einzuschließen.

Claims

1. Verfahren zur Überwachung der Funktion eines Katalysators, umfassend die Schritte:

Überwachen einer Ausgabe eines ersten Sensors in einem Abgasstrom, der an einer Position stromaufwärts des Katalysators angeordnet ist;

Überwachen einer Ausgabe eines zweiten Sensors in dem Abgasstrom, der an einer Position stromabwärts des Katalysators angeordnet ist;

wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Berechnung eines Stoffaustauschkoeffizienten unter Verwendung einer Abgasdurchflussrate und einer Katalysatortemperatur;

das Erzeugen eines Überwachungsparameters unter Verwendung der Ausgabe des ersten und zweiten Sensors;

das Normieren des Überwachungsparameters auf den Stoffaustauschkoeffizienten und Akkumulieren eines Datensatzes; und

das Vergleichen von Werten des Datensatzes mit Gut/Schlecht-Kriterien, um das Betriebsverhalten des Katalysators zu bestimmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Vergleichens von Werten den Schritt des Auftragens der Werte des Datensatzes gegen einen Bereich von Werten für den Stoffaustauschkoeffizienten umfasst.

3. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Schritt des Berechnens eines Stoffaustauschkoeffizienten die Berechnung eines Stoffaustauschkoeffizienten für den durch den Katalysator strömenden Abgasstrom umfasst.

4. Verfahren nach Anspruch 3, worin der Schritt des Erzeugens eines Überwachungsparameters die Detektion eines Spannungswertübergangs von dem ersten und zweiten Sensor umfasst.