DE69814783T2

DE69814783T2 - Verfahren zur Funktions- und Alterungsüberwachung eines Katalysators für eine Brennkraftmaschine mit Verbrennung eines armen Gemisches und System zu seiner Durchführung

Info

Publication number: DE69814783T2
Application number: DE69814783T
Authority: DE
Inventors: Frederic Aimard; Thomas Lavillonniere
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 1997-10-10
Filing date: 1998-10-02
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2018-10-03
Also published as: FR2769711B1; FR2769711A1; DE69814783D1; ES2200287T3; EP0908608B1; EP0908608A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge, die mit einem mageren Gemisch betrieben werden und die einen mit einem Katalysator versehenen Auspufftopf aufweisen für die Behandlung der Abgase.
Ein mit einem Katalysator versehener Auspufftopf dient zur Behandlung der Abgase eines Verbrennungsmotors im Hinblick auf die Entfernung von bestimmten Schadstoffen, wie zum Beispiel Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NO_x). Dazu wird ein Monolith verwendet, das heißt eine poröse Struktur mit einer großen Kontaktoberfläche für die den Auspufftopf durchströmenden Abgase, die mit bestimmten chemischen Substanzen beschichtet ist, welche katalytische Eigenschaften aufweisen. Diese chemischen Substanzen dienen dazu, die Verbindung von oxydierenden Molekülen (NO_x und O₂) und reduzierenden Molekülen (HC, CO, H₂) in den Abgasen zu ermöglichen und zu begünstigen, um dergestalt Wasser und Kohlendioxid zu bilden.
Im Fall eines fetten Luft/Kraftstoff-Gemisches besteht ein Überschuss an reduzierenden Molekülen, der durch die Zufuhr von Sauerstoff (O₂)beseitigt werden muss, während im Fall eines mageren Gemisches ein Überschuss an oxydierenden Molekülen (O₂) besteht, die gespeichert werden müssen für die Oxydation der reduzierenden Moleküle. Eine derartige Speicherung erfolgt durch Oxydation von chemischen Substanzen, wie zum Beispiel Cer, das im Monolithen vorhanden ist.
Er ist daraus ersichtlich, dass der Wirkungsgrad des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes vom Zustand der katalytisch wirksamen Oberfläche abhängt, wobei dieser Zustand auf vielfältige Weise ermittelt werden kann.
Es wurden bereits zahlreiche Verfahren zur Ermittlung des Zustandes der katalytisch wirksamen Oberfläche vorgeschlagen, die eine Vielzahl unterschiedlicher Parameter der Messung verwenden, wie zum Beispiel:

– die Kapazität der Absorption des Sauerstoffs mittels einer oder zweier Sauerstoffsonden,
– der Grad der exothermen katalytischen Reaktionen mittels einer oder zweier Temperaturfühler,
– die Zusammensetzung der Abgase mittels eines Kaloriemeters und
– der Gehalt an Kohlenwasserstoffen in den Abgasen stromaufwärts und stromabwärts des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes mittels eines oder mehrerer Messfühler für die Kohlenwasserstoffe.

Für den Einsatz bei Verwendung eines mageren Gemisches weisen diese verschiedenen bekannten Verfahren noch die folgenden Nachteile auf:

– das Verfahren zur Messung der Absorption des Sauerstoffs kann nur dann verwendet werden, wenn der Motor mit einem stöchiometrischen Gemisch betrieben wird, da bei einem Betrieb mit magerem Gemisch ständig ein Überschuss an Sauerstoff besteht, dergestalt, dass der Katalysator im Auspufftopf mit Sauerstoff gesättigt ist; damit dieses Verfahren bei Betrieb mit einem mageren Gemisch eingesetzt werden kann, muss der Motor zeitweise mit einem stöchiometrischen Gemisch betrieben werden, woraus eine Erhöhung des Verbrauchs an Kraftstoff resultiert,
– das Verfahren zur Messung des Grades der exothermen Reaktionen ist bei Betrieb mit einem mageren Gemisch einsetzbar, jedoch ist dieses Kriterium nicht sehr genau, da der Gehalt an Kohlenmonoxyd (CO) und Wasserstoff (H₂) auf Grund des mageren Gemisches gering ist,
– das Verfahren zur Messung der Zusammensetzung der Abgase kann bei Betrieb mit einem mageren Gemisch verwendet werden, wobei jedoch auch in diesem Fall das Kriterium nicht sehr genau ist, da eine Änderung der Gehalte an Kohlenwasserstoffen oder anderen reduzierenden Stoffen nach dem mit dem Katalysator versehen Auspufftopf um einige ppm nicht zu einer deutlichen kalorimetrischen Änderung führt,
– das Verfahren zur Messung des Gehaltes an Kohlenwasserstoffen ist bei Betrieb mit einem mageren Gemisch einsetzbar, jedoch ermöglichen die verschiedenen bekannt gewordenen Anwendungen dieses Verfahrens nicht, die Zersetzung des Kraftstoffes im Motor von derjenigen der Nachverbrennung in dem mit dem Katalysator versehenen Auspufftopf zu unterscheiden. Ferner sind diese Lösungen mit zwei Fühlern für die Messung der Kohlenwasserstoffe oder aber mit einem Fühler für die Messung der Kohlenwasserstoffe und zwei Elektroventilen mit hohen Kosten behaftet.

Die Veröffentlich EP 756 072 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung eines anomalen Grades des Wirkungsverlustes eines Katalysators, der für einen Motor verwendet wird, welcher mit einem nahezu stöchiometrischen Gemisch betrieben wird. Gemäss dieser Veröffentlichung wird während der Phasen der Verbrennung im Katalysator eine Bestimmung seines Grades des Wirkungsverlustes durchgeführt indem der Gehalt an Kohlenwasserstoff am Ausgang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes gemessen wird und indem ausgehend von einer Kartographie und von diesem Messwert der Gehalt an Kohlenwasserstoff am Eingang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes abgeleitet wird. Dieses Verfahren berücksichtigt jedoch nicht die im Zusammenhang mit dem Betrieb eines Motors mit einem mageren Gemisch auftretenden Probleme.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen zur Überwachung der Funktionsweise eines mit einem Katalysator versehenen Auspufftopfes für einen mit einem mageren Gemisch betriebenen Motor, das:

– nur geringe Kosten verursacht,
– nur gering anspricht auf den Betriebspunkt des Motors,
– eine gute Unterscheidung ermöglicht zwischen der Zersetzung auf Grund der Verbrennung im Motor und derjenigen auf Grund der Verbrennung in dem mit dem Katalysator versehenen Auspufftopf und
– kaum auf eine Abweichung des Messfühlers reagiert.

Damit betrifft die Erfindung also ein Verfahren zur Überwachung der Funktionsweise und der Alterung eines mit einem Katalysator versehenen Auspufftopfes für einen mit einem mageren Gemisch betriebenen Verbrennungsmotor, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es die folgenden Schritte aufweist:

(a) messen des Gehaltes [HC]_OUT an Kohlenwasserstoffen am Ausgang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes,
(b) schätzen des Wertes [HC]_INES des Gehaltes an Kohlenwasserstoffen am Eingang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes als Funktion eines mathematischen Modells für den Motor, das die Eigenschaften des Betriebes des Motors zu jedem Zeitpunkt berücksichtigt und
(c) schätzen eines charakteristischen Faktors N_ES für den Zustand der katalytischen Oberfläche im Auspufftopf als Funktion des geschätzten Wertes [HC]_INES und des gemessenen Wertes [HC]_OUT .

Um ein Alarmsignal zu erzeugen, weist das Verfahren noch die folgenden Schritte auf:

(d) vergleichen des charakteristischen geschätzten Faktors N_ES mit einem Schwellwert S und
(e) erzeugen eines Alarmsignals AL wenn der charakteristische geschätzte Faktor N_ES den Schwellwert S erreicht.

Dieser geschätzte Wert [HC]_INES für den Gehalt an Kohlenwasserstoffen am Eingang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes berücksichtigt die Instabilität der Verbrennung der Verbrennung im Motor mittels eines Koeffizienten der Multiplikation, der von der Drehgeschwindigkeit des Motors abhängt.
Die Abschätzung des charakteristischen Faktors N_ES für den Zustand der katalytischen Oberfläche im Auspufftopf kann direkt durch eine Division zwischen einem zu [HC]_INES proportionalen Wert und dem gemessenen Wert [HC]_OUT erfolgen.
Die Abschätzung des charakteristischen Faktors N_ES für den Zustand der katalytischen Oberfläche im Auspufftopf kann auch durchgeführt werden durch die Integration einer Differenz zwischen dem geschätzten Wert [HC]_OUTES und dem gemessenen Wert [HC]_OUT .
Die Abschätzung des charakteristischen Faktors N_ES als Funktion des gemessenen Wertes [HC]_OUT und des geschätzten Wertes [HC]_INES erfolgt auf verschiedene Art und Weise, zum Beispiel entweder durch ein Näherungsverfahren, indem zuerst [HC]_OUTES geschätzt wird als Funktion von [HC]_INES und des charakteristischen Faktors N_ES aus der vorhergehenden Näherung und anschließender Integration der Differenz ([HC]_OUTES – [HC]_OUT wobei ein Fehler der Modellbildung erhalten wird, der zur Anpassung der Abschätzung des charakteristischen Faktors N_ES verwendet wird oder direkt durch eine Division von [HC]_INES durch [HC]_OUT mit mehreren Varianten.
Schließlich betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens, die dadurch gekennzeichnet, ist, dass sie aufweist:

– einen Fühler für die Drehgeschwindigkeit N_mot des Motors,
– einen Fühler für den Druck P_coll im Einlasssammler für die Luft des Motors oder einen Mengenmesser,
– einen Fühler für den Gehalt an Kohlenwasserstoffen [HC]_OUT am Ausgang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes,
– einen Rechner zur Ermittlung des charakteristischen Faktors N_ES für den Zustand der katalytischen Oberfläche im Auspufftopf als Funktion der von den Fühlern stammenden Werte und
– einen Vergleicher um den geschätzten Wert N_ES mit einem Schwellwert S zu vergleichen und ein Alarmsignal AL zu erzeugen, wenn der geschätzte Wert N_ES den Schwellwert S erreicht.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung hervor; darin zeigen:
1 ein Funktionsschema einer Anordnung zur Durchführung der Erfindung,
2 ein Diagramm der Kurve der Veränderung der von einem Messfühler für die Kohlenwasserstoffe stammenden Spannung V_HS als Funktion des Gehaltes an Kohlenwasserstoffen,
3 ein Funktionsschema einer Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung,
4 ein Funktionsschema einer ersten Abschätzung der katalytischen Oberfläche N_S durch eine anpassbare Beobachtungseinrichtung,
5 ein Funktionsschema einer zweiten Abschätzung der katalytischen Oberfläche N_S durch direkte statische Berechnung,
6 ein Funktionsschema einer dritten Abschätzung der katalytischen Oberfläche N_S durch eine erste statische vereinfachte Berechnung,
7 ein Funktionsschema einer vierten Abschätzung der katalytischen Oberfläche N_S durch eine zweite statische vereinfachte Berechnung,
8 ein Funktionsschema eines logischen Schaltkreises für die Überwachung und
9 ein Diagramm zur Darstellung der Schritte der Eichung des Fühlers für die Messung der Kohlenwasserstoffe nach der Erfindung.
Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor 10, der mit Luft versorgt wird über einen Einlasssammler 12 und der mit Kraftstoff versorgt wird über eine Einspritzanordnung 14. Im Einlasssammler 12 ist eine Drosselklappe 16 angeordnet. Die Abgase des Motors werden über eine Abgasleitung 18 abgeführt, in die ein mit einem Katalysator versehener Auspufftopf 20 eingesetzt ist.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und zur Ausführung der Anordnung sind die folgenden Messungen erforderlich:

– der Gehalt an Kohlenwasserstoffen [HC] mittels eines Fühlers 12, der stromabwärts des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes 20 angeordnet ist,
– die Drehgeschwindigkeit N_mot des Motors mittels eines Fühlers 24 und
– der Druck P_coll im Einlasssammler mittels eines Fühlers 26; dieser Fühler für den Druck kann durch eine Anordnung zur Messung der Menge an Luft (einen Mengenmesser) ersetzt werden.

Diese Messungen werden verwendet zur Durchführung von Berechnungen in einer Vorrichtung 28, an deren Ausgang ein Alarmsignal ansteht, wenn die Verschlechterung des Wirkungsgrades des Katalysators einen vorgegebenen Schwellwert erreicht.
Außerdem erzeugt die Vorrichtung 28 ein Signal für die Steuerung der Drosselklappe 16 während der periodischen Eichung des Fühlers 22, wenn die Drosselkappe 16 motorisch ansteuerbar ist. Ist die Drosselklappe nicht motorisch ansteuerbar so wird ein (nicht dargestelltes) motorisches Ventil in einer Abzweigleitung der Drosselklappe 16 vorgesehen.
Der Fühler 22 liefert eine Spannung V_HS deren Änderung eine Funktion des Gehaltes an Kohlenwasserstoffen [HC] in den Abgasen des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes 20 ist, wie die Kurve in 2 zeigt. Diese Kurve besitzt eine Verschiebung von Null, die gemäss der Erfindung berücksichtigt wird durch periodische Eichung des Fühlers 22.
Wie das Schema in 3 erkennen lässt weist die Vorrichtung 28 im wesentlichen eine Anordnung zur Abschätzung 30 für die katalytische Oberfläche auf, die den Wert N_ES abschätzt ausgehend von Messungen V_HS, N_mot und P_coll in Kenntnis der Tatsache, dass die Messung V_HS in eine Konzentration [HC]_OUT in einer Anordnung 32 umgewandelt wird, die die Verschiebung von Null berücksichtigt. Der geschätzte Wert N_ES wird von der Anordnung 30 zur Abschätzung einem logischen Schaltkreis 34 der Überwachung zugeführt, der für die Auslösung des Alarmsignals AL zuständig ist.
Die Anordnung für die Ermittlung des Wertes N_ES ist ein Rechner, der mathematische Berechnungen ausführt, deren Anzahl und Komplexität von der erwünschten Genauigkeit und von Annäherungen abhängen, mit denen verschiedene Parameter behaftet sind.
Die Wirkungsweise der Anordnung 30 zur Abschätzung beruht auf einer mathematischen Modellbildung für den mit dem Katalysator versehenen Auspufftopf 20 gemäss der folgenden Differentialgleichung: [HC]OUT = –VVH·([HC]OUT – [HC]IN) – Ns∙K·[HC]OUT·[O2]IN (1) worin:

– N_S ein charakteristischer Faktor für den Zustand der katalytischen Oberfläche ist,
– VVH die lineare Geschwindigkeit der Abgase pro Sekunde ist, die von dem Massendurchsatz und von der Temperatur der Gase abhängt,
– [HC]_IN der Gehalt an oder die Konzentration der Kohlenwasserstoffe ist, die von den Betriebsbedingungen des Motors in Form der Drehzahl N_mot abhängt,
– [O₂] der Gehalt an oder die Konzentration der oxydierenden Substanzen am Eingang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes ist, die im Überschuss vorliegen während des Betriebes mit einem mageren Gemisch und der von der Anreicherung des Gemisches abhängt, welche von der Steueranordnung des Motors bestimmt wird und

– K die chemische Kinetik der Oxydation der Kohlenwasserstoffe darstellt, deren Abhängigkeit in Bezug auf die Temperatur des Katalysators vernachlässigbar ist, sowie der mit dem Katalysator versehene Auspufftopf seine richtige Temperatur erreicht hat.
Diese Differentialgleichung stellt einen direkten Zusammenhang her zwischen dem Zustand N_S des Katalysators und der vom Fühler 22 für die Messung des Gehaltes an Kohlenwasserstoffen gemessenen Menge an Kohlenwasserstoffen [HC]_OUT als Funktion der Eigenschaften der Abgase.
Der geschätzte Wert [HC]_INES des Gehaltes an Kohlenwasserstoffen am Eingang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes kann zerlegt werden in einen Gehalt [HC]_IN entsprechend einem Normalbetrieb des Motors, multipliziert mit einem Koeffizienten δ für die Korrektur, der von einer Abschätzung der Instabilitäten der Verbrennung im Motor abhängt als Funktion des Signals für die momentane Drehzahl (Insta(N_mot )), gemäss der folgenden Formel: [HC]INES= [HC]IN (Nmot, Pcoll)·δ(Insta(Nmot)) (2)
Desgleichen kann der Gehalt an Sauerstoff am Eingang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes abgeschätzt werden als Funktion von N_mot und P_coll gemäss der folgenden Formel: [O2]INES = [O2]IN(Nmot, Pcoll) (3)
Die Differentialgleichung (1) und die Formeln (2) und (3) erlauben mehrere Arten der Ausführung einer Anordnung 30 für die Abschätzung, die im Zusammenhang mit den 4 bis 7 beschrieben werden.
4 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Abschätzung mittels dynamischer Beobachtung unter Berücksichtigung der Dynamik der Funktionsweise des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes. Die Anpassung des charakteristischen Parameters N_S erfolgt als Funktion des gemessenen Gehaltes [HC]_OUT an Kohlenwasserstoffen und des geschätzten Gehaltes [HC]_OUTES gemäss der folgenden Differentialgleichung: NS = G∙([HC]OUTES – [HC]OUT) (4)
Die Anordnung zur Abschätzung nach 4 berechnet den geschätzten Wert [HC]_OUTES der Konzentration am Ausgang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes mittels einer Integration des zweiten Terms der Differentialgleichung (1) in einem ersten Integrator 40. Der gemessene Wert [HC]_OUT wird vom geschätzten Wert [HC]_OUTES abgezogen in einem Substrahierer 42, wonach die Differenz in einem zweiten Integrator 46 integriert wird (Gleichung 4) an dessen Ausgang der geschätzte Wert N_ES für den Parameter N_S ansteht für die Charakterisierung der katalytischen Oberfläche.
Genauer ausgedrückt bestimmen die Werte für N_mot und P_coll mittels einer Kartographie 48 den Wert von [HC]_IN bei Normalbetrieb. Dieser Wert wird mittels des Faktors δ korrigiert und zwar in einem Multiplikator 50, wobei der Faktor δ zum Beispiel aus einer Kartographie 54 entnommen wird in Abhängigkeit von einer Frequenzanalyse des Wertes N_mot .
Daraus folgt, dass am Ausgang des Multiplikators 50 der geschätzte Wert [HC]_INES für die Kohlenwasserstoffe am Eingang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes ansteht. Von diesem geschätzten Wert [HC]_INES wird in einem Substrahierer 42 der geschätzte Wert [HC]_OUTES abgezogen zur Durchführung des Rechenschrittes gemäss dem ersten Term des zweiten Gliedes der obigen Differentialgleichung (1).
Der geschätzte Wert [HC]_OUTES wird erhalten durch Multiplikation der vom Subtrahierer 52 stammenden Differenz ([HC]_INES – [HC]_OUTES ) mit der Geschwindigkeit VVH in Abhängigkeit vom Druck P_coll im Sammler und der Drehgeschwindigkeit N_mot des Motors entsprechend einer Kartographie 58 in einem Multiplikator 56.
Der zweite Term des zweite Gliedes der Gleichung (1) wird erhalten durch Multiplikation in einem Multiplikator 60 des vom Integrator 40 stammenden geschätzten Wertes [HC]_OUTES mit dem geschätzten Wert K·[O₂]_IN, der zum Beispiel einer Kartographie 62 entnommen wird als Funktion der Werte N_mot und P_coll . Das Ergebnis dieser Multiplikation wird in einem Multiplikator 64 mit dem vom Integrator 46 stammenden geschätzten Wert N_ES multipliziert, wonach das Ergebnis dieser Multiplikation in einem Subtrahierer 66 vom ersten Term des zweiten Gliedes der Gleichung (1) abgezogen wird.
Der differentielle Wert am Ausgang des Subtrahierers 42 wird in einem Verstärker 44 verstärkt, dessen Verstärkungsgrad G die Geschwindigkeit der Konvergenz der Anordnung zur Abschätzung regelt sowie eine Filterung durchführt.
Die charakteristischen Größen [HC]_IN, δ, VVH, K·[O₂]_IN werden mittels Kartographien berechnet, die in der Praxis Korrespondenztabellen in. Sie können auch durch Polynome berechnet werden oder als Konstanten bestimmt werden, je nach der geforderten Genauigkeit und den herrschenden Bedingungen des Betriebes.
Die Differentialgleichung (1) gibt die Variation oder Abweichung von [HC]_OUT bezüglich der Zeit wieder; unter der Annahme, dass diese Abweichung Null ist auf Grund der Tatsache dass die katalytischen Reaktionen sehr schnell sind, kann mittels der Gleichung (1) direkt der Wert für N_S wie folgt erhalten werden:
wobei die Formel (6) direkt zum Schema der 5 führt und dabei den Faktor δ der Instabilität berücksichtigt.
Der gemessene Wert [HC]_OUT wird in einem Subtrahierer 70 vom geschätzten Wert [HC]_OUT abgezogen, der den Faktor ? der Instabilität der Verbrennung berücksichtigt. Das Ergebnis dieser Subtraktion wird in einem Multiplikator 72 mit dem Verhältnis VVH/K·[O₂]_INES multipliziert, das zum Beispiel aus einer Kartographie 74 als Funktion von N_mot und P_coll entnommen wird.
Der Ausgangswert des Multiplikators 72 wird durch den Wert [HC]_OUT dividiert in einem Divisor 76, der den geschätzten Wert N_ES erstellt.
Das Schema nach 5 kann vereinfacht werden, sodass das Schema erhalten wird, wie es in 6 dargestellt ist, wenn [HC]_OUT gegenüber [HC]_IN vernachlässigbar ist. Mit dieser Hypothese kann die Formel (6) wie folgt dargestellt werden:
Der erste Term des zweiten Gliedes wird erhalten durch eine Multiplikation im Multiplikator 50 des ersten Terms ? der Instabilität, der aus der Kartographie 54 entnommen wird, mit einem zweiten aus einer Kartographie 80 entnommenen Term für VVH·[HC]_IN/K·[O₂]_IN und zwar als Funktion von N_mot und P_coll . Das Ergebnis dieser Multiplikation wird durch den gemessenen Wert [HC]_OUT in einem Divisor 82 dividiert.
Das Schema von 6 kann mit den folgenden Hypothesen vereinfacht werden. Unter der Voraussetzung, dass der Gehalt an Sauerstoff [O₂]_IN als konstant angesehen wird für einen mit einem mageren Gemisch betriebenen Motor entspricht der Wert K[O₂]_INES der Formel (7) einer Konstanten . Außerdem ist der Wert VVH proportional zum Produkt N_mot ∙P_coll , während der Term für die Kohlenwasserstoffe umgekehrt proportional zu P_coll ist, dergestalt, dass der Term VVH∙[HC]_INES der Formel (7) proportional zu N_mot ist.
Damit wird das in 7 dargestellte Schema erhalten, in dem der Multiplikator 50 die Multiplikation von N_mot mit dem Faktor δ der Instabilität ausführt, wobei letzterer selbst von N_mot abhängt. Das Ergebnis dieser Multiplikation wird durch [HC]_OUT dividiert im Divisor 82, der den geschätzten Wert N_ES abgibt.
Der logische Schaltkreis 34 (3), der das Alarmsignal AL erzeugt, kann einen Vergleicher 90 aufweisen, dessen einer Eingang das Signal N_ES erhält und dessen anderer Eingang ein Schwellwertsignal S erhält, dessen Wert einem Wert für N_S entspricht, wenn der mit dem Katalysator versehene Auspufftopf als sich im schlechten Zustand befindlich angesehen wird. Wenn also der Wert für N_S für einen neuen mit einem Katalysator versehenen Auspufftopf gleich einem Einheitswert ist, so kann der Schwellwert einem Bruchteil davon entsprechen, zum Beispiel 0,8. In diesem Fall gibt der Vergleicher 90 ein Alarmsignal ab, sowie der Wert für N_S kleiner wird als 0,8.
Das Diagramm von 9 zeigt die durchzuführenden Schritte um zu bestimmten Zeiten eine Eichung des Messfühlers für den Gehalt an Kohlenwasserstoffen durchzuführen, das heißt, die Verschiebung von Null bei Abwesenheit von Kohlenwasserstoffen zu bestimmen. Dazu muss in diesem Zustand der Motor abgebremst werden und die Einspritzung während einer bestimmten Zeit verhindert werden. Ferner muss ein Überschuss an Sauerstoff vorliegen um jede Spur von Kohlenwasserstoffen zu vermeiden, auch diejenige, die vom Motoröl stammt.
Nach dem Einleiten 100 des Schrittes der Eichung wird während des Schrittes 102 überprüft, ob die Einspritzung unterbrochen ist. Zum nächsten Schritt 104 der Öffnung der Drosselklappe 16 wird erst dann übergegangen, wenn feststeht, dass die Einspritzung tatsächlich unterbrochen ist.
Der nachfolgende Schritt 106 besteht darin, die Standardabweichung und den Mittelwert der gemessenen Werte V_HS zu berechnen. Ist die Standardabweichung ausreichend gering (Schritt 110), das heißt kleiner als ein vorgegebener Schwellwert, so wird der berechnete Mittelwert anerkannt. Diese Anerkennung kann nur dann erfolgen, wenn das begrenzte Zeitfenster 108 für die Messung noch nicht geschlossen ist. (Schritt 108). Die Größe der Verschiebung von Null ist gleich dem berechneten Mittelwert und dient zur Modifizierung der Tabelle 32 der Korrektur (3).
Zur Vereinfachung der Beschreibung ist die Vorrichtung in analoger Form beschrieben worden, wobei jedoch betont sei, dass sie auch in digitaler Weise verwirklicht werden kann indem die verschiedenen arithmetischen Verfahrensschritte von einem Digitalrechner oder Mikroprozessor ausgeführt werden, der entsprechend programmiert ist.
Die vorstehende Beschreibung der Erfindung im Zusammenhang mit den 1 bis 9 ermöglicht die Bereitstellung eines Verfahrens, das die folgenden Verfahrensschritte aufweist:

(a) messen des Gehaltes [HC]_OUT an Kohlenwasserstoffen am Ausgang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes 20,
(b) schätzen des Wertes [HC]_INES für den Gehalt an Kohlenwasserstoffen am Eingang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes 20 als Funktion eines mathematischen Modells für den Motor unter Berücksichtigung der Betriebsbedingungen des Motors zu jedem Zeitpunkt und
(c) schätzen eines charakteristischen Faktors N_ES für den Zustand der katalytischen Oberfläche im Auspufftopf als Funktion des geschätzten Wertes [HC]_INES und des gemessenen Wertes [HC]_OUT .

Der Faktor N_ES ist eine Funktion von [HC]_INES und von [HC]_OUT und wird durch eine Näherungsberechnung mit einer Schätzung von [HC]_OUT oder durch direkte Berechnung erhalten.
Die Schritte (a), (b) und (c) werden durch die folgenden Schritte ergänzt:

(d) vergleichen des geschätzten charakteristischen Faktors N_ES mit einem Schwellwert S und
(e) erzeugen eines Alarmsignals AL, wenn der geschätzte charakteristische Faktor N_ES den Schwellwert S erreicht.

Der geschätzte Wert [HC]_INES hängt ab vom Betriebspunkt des Motors definiert durch die Drehzahl N_mot und den Druck P_coll sowie von der Instabilität der Verbrennung im Motor gemäss einem Koeffizienten ?, der wiederum ein Funktion der Drehgeschwindigkeit N_mot ist.
Die Abschätzung des charakteristischen Faktors N_ES als Funktion des gemessenen Wertes [HC]_OUT und des geschätzten Wertes [HC]_INES erfolgt auf verschiedene Arten, entweder indem zuerst [HC]_OUTES am Ausgang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes geschätzt wird als Funktion von [HC]_INES und des charakteristischen Faktors N_ES aus der vorhergehenden Annäherung mit anschließender Integration der Differenz ([HC]_OUTES – [HC]_OUT , wodurch ein Fehler der Modellbildung erhalten wird, der zur Anpassung des charakteristischen Faktors verwendet wird (Schema in 4), oder aber direkt durch eine Division des Ausdrucks [HC]_INES durch [HC]_OUT entsprechend den verschiedenen Varianten der Schemata nach 5 bis 7.
Bei der Variante gemäss 7 hängt der geschätzte Wert [HC]_INES nur von der Drehgeschwindigkeit N_mot und vom Faktor ? der Instabilität der Verbrennung ab, der wiederum selbst von der Geschwindigkeit N_mot abhängt.
Bei der Variante gemäss 6 hängt der geschätzte Wert [HC]_INES vom Verhältnis VVH·[HC]_INES/K·[O₂]_INES ab als Funktion von N_mot und von P_coll , wobei das Verhältnis mittels des Faktors ? der Instabilität der Verbrennung im Multiplikator 50 korrigiert wird.
Bei der Variante gemäss 5 wird der geschätzte Wert [HC]_INES korrigiert, einerseits durch den Faktor ? der Instabilität der Verbrennung und zwar im Multiplikator 50 und andererseits durch den gemessenen Wert [HC]_OUT und zwar im Vergleicher 70. Die Verbrennung in dem mit dem Katalysator versehenen Auspufftopf geht durch den Term VVH/K·[O₂]_INES in den Multiplikator 72 ein.
Bei der Variante gemäss 4 wird der Faktor N_ES geschätzt mittels einer Integration der Differenz, die durch die Differentialgleichung (4) definiert ist; außerdem wird der geschätzte Wert für [HC]_OUTES ebenfalls berechnet mittels einer Integration der Differenz, die durch die Differentialgleichung (1) definiert ist.

Claims

Verfahren zur Überwachung der Funktionsweise und der Alterung eines mit einem Katalysator versehenen Auspufftopfes (20) für einen mit einem mageren Gemisch betriebenen Verbrennungsmotor (10), mit einem Schritt der Messung des Gehaltes [HC]_OUT an Kohlenwasserstoffen am Ausgang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes (20) und mit einem Schritt der Abschätzung des Gehaltes [HC]_INES an Kohlenwasserstoffen am Eingang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Gehaltes [HC]_INES an Kohlenwasserstoffen am Eingang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes geschätzt wird als Funktion eines mathematischen Modells des Motors, das die Betriebsbedingungen des Motors zu jedem Zeitpunkt berücksichtigt und dass ein charakteristischer Faktor N_ES für den Zustand der katalytischen Oberfläche im Auspufftopf geschätzt wird als Funktion des geschätzten Wertes [HC]_INES und des gemessenen Wertes [HC]_OUT des Gehaltes an Kohlenwasserstoffen am Ausgang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem die folgenden Schritte aufweist: vergleichen des geschätzten charakteristischen Faktors N_ES mit einem Schwellwert S, erzeugen eines Alarmsignals AL, wenn der geschätzte charakteristische Faktor N_ES den Schwellwert S erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschätzung des charakteristischen Faktors N_ES durch ein Näherungsverfahren erfolgt, indem zuerst der Gehalt [HC]_OUTES an Kohlenwasserstoffen am Ausgang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes geschätzt wird als Funktion des geschätzten Gehaltes [HC]_INES an Kohlenwasserstoffen am Eingang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes und des charakteristischen Faktors N_ES aus dem vorhergehenden Näherungsverfahren mit anschließender Integration der Differenz zwischen der Schätzung des Gehaltes [HC]_OUTES an Kohlenwasserstoffen am Ausgang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes und der Messung [HC]_INES desselben Gehaltes, wodurch ein Fehler der Modellbildung erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der geschätzte Wert [HC]_INES des Gehaltes an Kohlenwasserstoffen am Eingang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes die Instabilität der Verbrennung im Motor berücksichtigt mittels eines Koeffizienten δ der Multiplikation (50), der von der Drehgeschwindigkeit des Motors (10) gemäss einer Kartographie (54) abhängt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Abschätzung des charakteristischen Faktors N_ES darin besteht, eine Division durchzuführen zwischen einem Wert, der proportional ist zur Abschätzung des Gehaltes [HC]_INES an Kohlenwasserstoffen am Eingang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes und dem gemessenen Wert [HC]_OUT des Gehaltes an Kohlenwasserstoffen am Ausgang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Abschätzung des Gehaltes [HC]_INES an Kohlenwasserstoffen am Eingang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes proportionale Wert ausschließlich von der Drehgeschwindigkeit N_mot des Motors abhängt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Abschätzung des Gehaltes [HC]_INES an Kohlenwasserstoffen am Eingang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes proportionale Wert abhängt vom Verhältnis zwischen den geschätzten Werten [HC]_INES am Eingang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes und des Sauerstoffs [O₂]_INES und der linearen Geschwindigkeit VVH der Abgase des Motors, die aus den Betriebspunkten des Motors resultieren, die definiert sind durch die Drehgeschwindigkeit N_mot des Motors und den Druck P_coll im Einlasssammler des Motors.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Abschätzung des Gehaltes [HC]_INES an Kohlenwasserstoffen am Eingang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes proportionale Wert erhalten wird durch eine Kartographie (80) des Verhältnisses VVH·([HC]_INES /K∙[O₂]_INES als Funktion der Drehgeschwindigkeit N_mot des Motors und des Drucks P_coll im Einlasssammler, wobei K ein Proportionalitätsfaktor ist und [O₂]_INES der geschätzte Wert des Gehaltes an Sauerstoff am Eingang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der geschätzte Wert [HC]_INES des Gehaltes an Kohlenwasserstoffen am Eingang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes mit dem gemessenen Wert [HC]_OUT des Gehaltes an Kohlenwasserstoffen am Ausgang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes derart korrigiert wird, dass ein Term [[HC]_INES – [HC]_OUT erhalten wird, der multipliziert (72) wird mit dem Term VVH/K·[O₂]_INES wobei VVH die lineare Geschwindigkeit der Abgase ist, [O₂]_INES der geschätzte Wert des Gehaltes an Sauerstoff am Eingang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes ist und K ein Proportionalitätsfaktor ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Term [HC]_INES sowie der Term VVH/K·[O₂]_INES geschätzt werden mittels einer Kartographie (48, 74) als Funktion der Drehgeschwindigkeit N_mot des Motors und des Drucks P_coll im Einlasssammler.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Abschätzung des charakteristischen Faktors N_ES darin besteht, eine Integration (46) durchzuführen einer Differenz (42) zwischen dem geschätzten Wert [HC]_OUTES des Gehaltes an Kohlenwasserstoffen am Ausgang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes und dem gemessenen Wert [HC]_OUT desselben Gehaltes.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der geschätzte Wert [HC]_OUTES der Kohlenwasserstoffe am Ausgang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes erhalten wird durch eine Integration (40) einer Differenz zwischen einem ersten Term ([HC]_OUTES – [HC]_INES)∙VVH, der für die Verbrennung in dem mit dem Katalysator versehenen Auspufftopf steht und einem zweiten Term N_ES ·K·[HC]_OUTES ·[O₂]_INES, der den Wirkungsgrad des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes darstellt, wobei [HC]_INES eine Abschätzung des Gehaltes an Kohlenwasserstoffen am Eingang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes ist, VVH die lineare Geschwindigkeit der Abgase ist, N_ES der charakteristische Faktor ist, K ein Proportionalitätsfaktor ist und [O₂]_INES eine Abschätzung des Gehaltes an Sauerstoff am Eingang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Term ([HC]_INES – [HC]_INES·VVH des geschätzten Wertes [HC]_INES der Kohlenwasserstoffe am Eingang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes sowie der Koeffizient VVH der Multiplikation, der die lineare Geschwindigkeit der Abgase wiedergibt, aus Kartographien (48, 58) erhalten werden als Funktion der Drehgeschwindigkeit N_mot des Motors und des Drucks P_coll im Einlasssammler.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Term N_ES ·K·[HC]_OUTES ·[O₂]_INES der geschätzte Wert K·[O₂]_INES des Sauerstoffs am Eingang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes aus einer Kartographie (62) erhalten werden als Funktion der Drehgeschwindigkeit N_mot des Motors und des Drucks P_coll im Einlasssammler.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Kartographien durch Polynome ersetzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Messung des Gehaltes [HC]_OUT an Kohlenwasserstoffen am Ausgang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes (20) die folgenden Schritte aufweist: (a₁) messen der Spannung V_HS , die von einem Fühler (22) stammt zur Messung des Vorkommens von Kohlenwasserstoffen, (a₂) umwandeln der gemessenen Spannung V_HS in einen Gehalt an Kohlenwasserstoffen [HC] gemäss einer vorgegebenen Umwandlungskurve, (a₃) zeitweises Eichen des Fühlers (22) durch messender Spannung V₀, die von ihm abgegeben wird bei fehlender Zufuhr von Kraftstoff und bei Überschuss an Luft während einer vorbestimmte Zeitdauer, sodass als Folge die vorgegebene Umwandlungskurve geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (a₃) die folgenden Unterschritte aufweist: (a₃₁) feststellen des Fehlens der Zufuhr an Kraftstoff zum Motor, (a₃₂) öffnen des Lufteinlasses für den Motor, (a₃₃) wiederholtes messen der Spannung V₀ des Fühlers (22) (a₃₄) berechnen des Mittelwertes und der Standardabweichung der gemessenen Werte der Spannung V₀, (a₃₅) speichern als Wert V₀ der Spannung des Mittelwertes, der einer vorbestimmten Standardabweichung entspricht und (a₃₆) entsprechendes ändern der Umwandlungskurve.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit: einem Fühler (24) für die Drehgeschwindigkeit (N_mot ) des Motors, einem Fühler (22) für den Druck (P_coll ) im Einlasssammler für die Luft des Motors oder in einem Mengenmesser für die Luft, einem Fühler (22, 32) für die Abschätzung des Gehaltes an Kohlenwasserstoffen [HC]_OUT am Ausgang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes (20), einem Rechner (30) um den Gehalt [HC]_INES an Kohlenwasserstoffen am Eingang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes abzuschätzen und um einen charakteristischen Faktor N_ES für den Zustand der katalytischen Oberfläche in dem mit Katalysator versehenen Auspufftopf (20) zu erhalten als Funktion der von den Fühlern (22, 24, 26) stammenden Werte, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner (30) ausgehend von einem mathematischen Modell den Wert des Gehaltes [HC]_INES am Eingang des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes und den charakteristischen Faktor N_ES für den Zustand der katalytischen Oberfläche im Auspufftopf (20) als Funktion der von den Fühlern (22, 24, 26) zu jedem Zeitpunkt des Betriebes des Motors gelieferten Werte abschätzt und einem Vergleicher (34), der den geschätzten Term N_ES mit einem Schwellwert S vergleicht und ein Alarmsignal AL erzeugt, wenn der geschätzte Wert N_ES den Schwellwert S erreicht.