EP1718853A1 - Verfahren zur ermittlung der aktuellen sauerstoffbeladung eines 3-wege-katalysators einer lambdageregelten brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur ermittlung der aktuellen sauerstoffbeladung eines 3-wege-katalysators einer lambdageregelten brennkraftmaschine

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EP1718853A1
EP1718853A1 EP04804688A EP04804688A EP1718853A1 EP 1718853 A1 EP1718853 A1 EP 1718853A1 EP 04804688 A EP04804688 A EP 04804688A EP 04804688 A EP04804688 A EP 04804688A EP 1718853 A1 EP1718853 A1 EP 1718853A1
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EP
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oxygen
catalytic converter
lambda
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quotient
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Withdrawn
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EP04804688A
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Wolf Dieter PÖHMERER
Volker Renz
Gerd RÖSEL
Milos Tichy
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Continental Automotive GmbH
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Siemens AG
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Definitions

  • the value for the current oxygen load is preferably calculated using the following formula:
  • the current oxygen loading can be set to the adapted value for the oxygen storage capacity of the catalytic converter.
  • FIG. 2 shows an example of the time profile of the oxygen loading m02 of the catalytic converter 6, which is derived from the signal of the Pre-cat lambda sensor 5 and the air mass meter 9 through the formula

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Abstract

Ein Verfahren zur Ermittlung der aktuellen Sauerstoffbeladung (m02) eines 3-Wege-Katalysators (6) einer lambdageregelten Brennkraftmaschine (1), bei welchem aus dem Signal einer Vorkat-Lambdasonde (5) und dem gemessenen Luftmassendurchsatz durch Integration über die Zeit ein Wert für die aktuelle Sauerstoffbeladung (m02) berechnet wird, der bei Durchbrüchen des Signals der Nachkat-Lambdasonde initialisiert wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Ermittlung der aktuellen Sauerstoffbeladung eines 3-Wege-Katalysators einer lambdageregelten Brennkraft- maschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der aktuellen Sauerstoffbeladung eines 3-Wege-Katalysators einer lambdageregelten Brennkraftmaschine mit einer dem Katalysator vorgeschalteten linearen Vorkat-Lambdasonde, einer dem Katalysator nachgeschalteten Nachkat-Lambdasonde und einer Vorrichtung zur Messung des Luftmassendurchsatzes. Außerdem ist die Erfindung auf eine Reihe von Verfahren zur Regelung, Steuerung und/oder Überwachung der Abgasnachbehandlung einer lambdageregelten Brennkraftmaschine gerichtet, welche die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Werte für die aktuelle Sauerstoffbeladung des Katalysators verwenden.
Ein 3-Wege-Katalysator kann Schadstoffe nur dann optimal um- wandeln, wenn das Kraftstoff/Luft-Verhältnis in einem engen
Bereich um Lambda * 1 liegt. Dieser Bereich wird auch als Katalysator-Fenster bezeichnet. Nur bei derartigen Kraftstoff/Luft-Verhältnissen ergibt sich eine Abgaszusammensetzung, in welcher der bei der Reduktion der Stickoxide frei- werdende Sauerstoff ausreicht, um die HC- und CO-Anteile im Abgas fast vollständig zu C02 und H20 zu oxidieren. Bei einer Brennkraftmaschine mit 3-Wege-Katalysator wird die Gemischbildung daher durch eine sogenannte Lambdaregelung auf einen Sollwert von Lambda « 1 geregelt. Um kurzzeitige Schwankungen im Kraftstoff/Luft-Verhältnis auszugleichen, enthält der Katalysator außerdem eine Schicht (Washcoat) aus einem Material, z.B. Ce203 (Di-Cerium tri-Oxyd) , welches kurzzeitig Sauerstoff speichern kann und diesen nach Bedarf bindet oder abgibt.
Um die Gemischbildung regeln zu können, wird eine lineare Vorkat-Lambdasonde stromauf des Katalysators angeordnet. Die- se isst den im Abgas enthaltenen Restsauerstoffanteil. Eine Nachkat-Lambdasonde stromab des Katalysators dient zur Überwachung der Katalysatorfunktion. Bei der sogenannten OSC- basierten Katalysator-Diagnose (OSC = oxygen storage capaci- ty, Sauerstoffspeicherfähigkeit) wird hierbei die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators überprüft. Hierzu wird durch eine Vorsteuerung der Lambdaregelung eine Fett-Mager- Schwingung des Gemisches bewirkt. Ein intakter Katalysator gleicht die Schwingung durch seine Sauerstoffspeichertähig- keit aus, so dass die Sondenspannung der Nachkat-Lambdasonde nur eine Schwingung mit geringer Amplitude ausführt. Hat der Katalysator seine Sauerstoffspeicherfähigkeit durch Alterung verloren, ist der Restsauerstoffgehalt jedoch vor und nach dem Katalysator ähnlich und das Signal der Nachkat- Lambdasonde führt ebenfalls starke Schwingungen aus.
Die Nachkat-Lambdasonde wird zudem oft dazu verwendet, eine Langzeitdrift im Signal der Vorkat-Lambdasonde auszugleichen. Dies wird auch als Trimmregelung bezeichnet.
Bei einem Katalysator mit ausreichender Sauerstoffspeicherfähigkeit und funktionierender Lambdaregelung ist das Signal der Nachkat-Lambdasonde also meistens konstant. Wenn das Signal ansteigt oder abfällt, ist der Katalysator entweder mit Sauerstoff gesättigt oder gänzlich von Sauerstoff entleert, so dass er eine Schwankung im Kraftstoff/Luft-Verhältnis nicht mehr ausgleichen kann. Dies wird auch als "Durchbruch" des Signals der Nachkat-Lambdasonde zu fettem bzw. zu magerem Gemisch bezeichnet.
Ein Durchbruch des Nachkat-Lambdasondensignals zeigt also an, dass die SauerstoffSpeicherfähigkeit des Katalysators er- schöpft ist oder dass kein Sauerstoff mehr eingelagert ist. Zwischen diesen beiden Grenzwerten ist jedoch keine Informa- tion über die tatsächliche aktuelle Sauerstoffbeladung des Katalysators erhältlich. Diese Information wäre jedoch sehr hilfreich, um die Sauerstoffbeladung bei etwa halber Spei- cherfähigkeit zu halten und damit gleichen Puffer an der Fett- und Magerseite zu schaffen, wodurch vorbeugend ein Durchbruch des Nachkat-Lambdasondensignals vermieden wird und außerdem die günstigsten Bedingungen für die Katalysatordiag- nose geschaffen werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung der aktuellen Sauerstoffbeladung eines 3-Wege- Katalysators einer lambdageregelten Brennkraftmaschine be- reitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 definierte Erfindung gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche .
Das Verfahren zur Ermittlung der aktuellen Sauerstoffbeladung verwendet die Signale einer linearen Vorkat-Lambdasonde, ei- ner Nachkat-Lambdasonde und einer Vorrichtung zur Messung des Luftmassendurchsatzes. Hierbei wird aus dem Signal der Vorkat-Lambdasonde und dem gemessenen Luftmassendurchsatz durch Integration über die Zeit ein Wert für die aktuelle Sauer- stoffbeladung berechnet, und dieser Wert wird bei einem Durchbruch des Signals der Nachkat-Lambdasonde zu fetten Gemischen auf 0 gesetzt, da der Durchbruch anzeigt, dass im Katalysator kein Sauerstoff mehr eingelagert ist. Durch diese Kalibrierung werden aufintegrierte Fehler, z.B. Messfehler im Luftmassendurchsatz oder im Signal der Vorkat-Lambdasonde, zurückgesetzt.
Vorzugsweise wird der Wert für die aktuelle Sauerstoffbeladung mit der folgenden Formel berechnet:
m02 = [02]Luft IK> thL dt, wobei m02 die aktuelle Sauerstoffbeladung, λ das Signal der Vorkat-Lambdasonde, m∑ der Luftmassendurchsatz und [02]Luft der Massenanteil von Sauerstoff in Luft ist. Dieser liegt bei etwa 23%. Die Werte für λ und mL sind zeitabhängig.
Wenn auf diese Weise die aktuelle Sauerstoffbeladung ständig ermittelt wird, ist es auch möglich, einen Wert für die SauerstoffSpeicherfähigkeit des Katalysators zu berechnen. Hierfür wird bei einem Durchbruch zu magerem Gemisch aus der Differenz zwischen der aufintegrierten Sauerstoffbeladung und einem bis jetzt adaptierten Wert für die SauerstoffSpeicherfähigkeit der neue Wert für die SauerstoffSpeicherfähigkeit errechnet. Der Durchbruch zeigt nämlich an, dass die maximale Sauerstoffkapazität des Katalysators erreicht ist. Da die Sauerstoffspeicherfähigkeit auch von gewissen Betriebsparametern abhängt, kann der adaptierte Wert optional noch mit einem betriebspunktabhängigen Faktor, der einem entsprechenden Kennfeld entnommen ist, multipliziert und dadurch korrigiert werden .
Ferner kann bei einem Durchbruch zu magerem Gemisch die aktuelle Sauerstoffbeladung auf den adaptierten Wert für die SauerstoffSpeicherfähigkeit des Katalysators gesetzt werden.
Vorzugsweise wird zusätzlich aus dem Quotienten der aktuellen Sauerstoffbeladung und der SauerstoffSpeicherfähigkeit des Katalysators der aktuelle Sauerstoff-Quotient berechnet. Dieser Wert ist besonders hilfreich, wenn man beispielsweise die Sauerstoffbeladung bei einem bestimmten Wert halten möchte, um vorbeugend Emissionen zu vermeiden.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden die nach dem obigen Verfahren berechneten Werte für die aktuelle Sauerstoffbeladung, die SauerstoffSpeicherfähigkeit und/oder den aktuellen Sauerstoff-Quotienten bei verschiedenen Verfahren zur Regelung, Steuerung und/oder Überwachung der Abgas- nachbehandlung einer lambdageregelten Brennkraftmaschine verwendet .
Eine erste Anwendung liegt bei der OSC-basierten Katalysator- Diagnose. Hierbei wird durch eine Zwangsanregung bzw. Vorsteuerung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses eine Fett-Mager- Schwingung eingestellt, die zu einer maximalen Sauerstoff- Beladung des Katalysators führt. Die maximale Sauerstoff- Beladung wird so gewählt, dass sie von einem Grenzkatalysa- tor, der maximal zulässig gealtert ist, gerade noch bewältigt werden kann, ohne dass es zu Durchbrüchen des Nachkat- Sondensignals kommt. Dieses Diagnoseverfahren wird im Rahmen der OBD {on-board diagnosis) in durch die ECU (electronic control unit, elektronische Betriebssteuerung) gesteuerten Zeitabständen durchgeführt. Für diese OSC-basierte Diagnose ist es jedoch von großer Bedeutung, vor Beginn der Zwangsanregung eine definierte, für die Diagnose erforderliche Sauerstoffbeladung eingestellt zu haben. Im Stand der Technik erfolgt der Übergang von der geringeren nominalen auf die maxi- male Sauerstoffbeladung für die Katalysator-Diagnose daher in mehreren Schritten, da der Beladungszustand des Katalysators weitestgehend unbekannt ist und die hohe zusätzliche Sauer- stoffbeladung zu einem Sauerstoff-Quotienten von unter 0% o- der über 100% und damit zu Emissionen hinter dem zu diagnos- tizierenden Katalysator führen kann. Herkömmlich fällt der
Trimmregelung über das Nachkat-Signal die Aufgabe zu, in der Übergangsphase die mittlere Sauerstoffbeladung indirekt so einzustellen, dass die OBD Grenzkat-Belastung nur bei einem Grenzkatalysator zu Durchbrüchen führt. Dieser Einstellungs- Vorgang dauert jedoch einige Zwangsanregungsperioden und benötigt daher im Fahrzyklus zusätzlich Zeit, was dazu führen kann, dass die für die Katalysator-Diagnose erforderliche Anzahl der Diagnosezyklen nicht am Stück durchgeführt werden kann oder die Übergangsphase zur Diagnose unterbrochen wird, ohne einen gültigen Diagnosewert ermittelt zu haben, was zu vermeidbaren Emissionen führt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird daher vor Beginn der Diagnose der Sauerstoff-Quotient durch die Lambdaregelung auf einen vorbestimmten Sollwert eingestellt, der für die Diagnose erforderlich ist. Dieser Sollwert ist so gewählt, dass die Zwangsanregung für die Katalysatordiagnose den Katalysator womöglich nur leicht überfährt, und dadurch ist die Emissionsbeeinflussung durch die Katalysatordiagnose so niedrig wie möglich. Hierdurch wird eine Vorkonditionie- rung des Katalysators zur Einstellung der Sauerstoffbeladung realisiert und der Umschaltvorgang auf die OBD-
Grenzkatalysator-Zwangsanregung erheblich beschleunigt.
Ferner können durch den genauer bekannten Sauerstoffbeladungsgrad Durchbrüche des Nachkat-Lambdasondensignals während der Katalysatordiagnose reproduzierbarer realisiert werden, und dadurch die Streuung der Einzeldiagnosezyklen minimiert werden. Damit wird insgesamt die Genauigkeit der Katalysator- Diagnose verbessert.
Da das erfindungsgemäße Verfahren eine Bestimmung der
Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators ermöglicht, kann auf die OSC-basierte Katalysator-Diagnose alternativ auch gänzlich verzichtet werden, da sich mit der Information über die SauerstoffSpeicherfähigkeit direkt eine Aussage über den Alterungszustand des Katalysators treffen lässt. Dies gilt jedoch nur dann, wenn das Signal der linearen Vorkat- Lambdasonde und die verfügbare Information über den Luftmassendurchsatz genau genug sind, um einen ausreichend zuverlässigen Wert für die SauerstoffSpeicherfähigkeit zu ermitteln. Die Ersetzung der OSC-Methode hat den Vorteil, dass keine aktive und emissionsbeeinflussende Zwangsanregung mehr notwendig ist. Zumindest kann durch die ermittelte maximale Sauerstoffspeicherfähigkeit eine Vorabinformation über den Alterungszustand des Katalysators generiert werden.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Katalysator-Diagnoseverfahren gestattet der vorgeschlagene Ansatz die permanente Bestimmung der SauerstoffSpeicherfähigkeit, wobei allerdings bedingt durch unterschiedliche Berücksichtigung von Oberflächen- und Tiefenspeichereffekten unterschiedliche Werte der Sauerstoffspeicherfähigkeit auftreten können.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist die Regelung der Spülung des Katalysators nach einer Schubabschaltungsphase. Nach Schubabschaltungsphasen ist der Katalysator mit Sauerstoff gesättigt und daher ein Anfetten des Ge- misches notwendig, um den Katalysator zu "spülen", ihn also schnellstmöglichst wieder auf einen Sauerstoff-Quotienten von etwa 50% einzustellen. Mit den ermittelten Werten für die SauerstoffSpeicherfähigkeit und die Sauerstoffbeladung kann ein Beladungsmodell aufgestellt werden, bei dem die Anfettung zum "Spülen" des Katalysators bis zu einem definiertem Sauerstoff-Quotienten vorgegeben wird, der an die Katalysatoreigenschaften (z.B. Alterung) angepasst ist und bei dem der Sauerstoff-Quotient nach einer Schubabschaltungsphase durch die Lambdaregelung auf den Sollwert geregelt wird. So werden N0X- und HC/CO- Emissionen weitestgehend vermieden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Lambdaregelung derart eingestellt, dass der Sauerstoff-Quotient auf einen bestimmten Sollwert von z.B. 50% ge- regelt wird. 50% ist bei den meisten Betriebszuständen die optimale Einstellung des Sauerstoff-Quotienten, da hierbei die maximalen Sauerstoffpufferreserven des Katalysators für Instationärvorgänge oder generell Störungen im Kraftstoff/Luft-Verhältnis, sowohl für Abweichungen zu fettem als auch zu magerem Gemisch, vorhanden sind. Damit ist eine Lambdaregelung, die eine lokale Sauerstoffbilanzierung mittels I2-Anteil vornimmt, stark vereinfacht möglich und sogar eine vollständige Bilanzierung gewährleistet. Außerdem ist eine Trennung zwischen Regelung und Bilanzierung geschaffen.
Bevorzugt werden die ermittelten Werte für den Sauerstoff- Quotienten außerdem zur Steuerung bzw. Priorisierung der Re- gel- und Steuereingriffe des Lambdareglers, des Trimmreglers und der Zwangsanregung bei der OSC-Diagnose verwendet. Alle Regel- und Steuereingriffe des Lambdareglers, der Zwangsanregung und auch des Trimmreglers bewirken eine Anfettung oder Abmagerung des Gemisches. Die unterschiedlichen Informationsquellen hierfür (Nachkat-Signal für die Trimmregelung und Vorkat-Signal für die Lambdaregelung) führen zu zeitlich versetzten Eingriffen. Überlagert ist die Vorsteuerung der Zwangsanregung. Ist die aktuelle Sauerstoffbeladung bzw. der aktuelle Sauerstoff-Quotient bekannt, kann nun eine bela- dungsgradabhängige Bewertung der Eingriffe erfolgen. Vorzugsweise unterbleibt ein vorgesehener Steuer- oder Regeleingriff zur Abmagerung des Gemisches, wenn der Sauerstoff-Quotient über einem vorbestimmten ersten Schwellwert liegt; und ein vorgesehener Steuer- oder Eingriff zur Anfettung des Gemisches unterbleibt, wenn der Sauerstoff-Quotient unter einem vorbestimmten zweiten Schwellwert liegt. Alternativ kann auch eine Magerphase der Zwangsanregung unterbunden werden, wenn der Sauerstoff-Quotient über dem ersten Schwellwert liegt. Ferner kann der zeitlich verzögerte Eingriff des Trimmreglers bewertet werden. Ist beispielsweise der Eingriff, den der Trimmregler auf Basis des Nachkat-Lambdasondensignals vornehmen würde, bereits durch andere Maßnahmen kompensiert (z.B. durch die Reaktion des Lambdareglers auf eine Störung) , kann dieser unterlassen werden.
Leichte Störungen können auch über Periodenlängenvariation der Zwangsanregung kompensiert werden. Beispielsweise erfolgt eine Anfettung, die der Lambdaregler vornehmen möchte, statt dessen, indem in der Zwangsanregung nicht auf die Magerhalbwelle umgeschaltet wird oder die Fetthalbwelle verlängert wird. Diese Art des Reglereingriffs kann man als Feintuning bezeichnen.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 2 einen beispielhaften Zeitverlauf der aktuellen Sau- erstoffbeladung und des Signals der Nachkat- Lambdasonde,
Fig. 3 ein Flussdiagramm eines schematisierten Verfahrensablaufes, Fig. 4 einen beispielhaften Zeitverlauf des Sauerstoff- Quotienten vor und während einer OSC-Diagnose,
Fig. 5 einen beispielhaften Zeitverlauf des Sauerstoff- Quotienten beim Spülen des Katalysators,
Fig. 6 einen beispielhaften Zeitverlauf des Sauerstoff- Quotienten beim Spülen eines Hauptkatalysators und Überfahren des Vorkatalysators,
Fig. 7 einen beispielhaften Zeitverlauf des Sauerstoff- Quotienten bei der Lambdaregelung,
Fig. 8 einen beispielhaften Zeitverlauf des Sauerstoff- Quotienten nach einer Störung mit und ohne Eingriffskoordination .
In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Kraftstoffzufuhrsystem und einem Steuergerät 3 dargestellt. Das Kraft- stoffzufuhrsystem 2 wird über nicht näher bezeichneten Leitungen vom Steuergerät 3 angesteuert und sorgt für die KraftstoffZuteilung der Brennkraftmaschine 1. In deren Abgastrakt 4 befindet sich ein 3-Wege-Katalysator 6. Zum Durchführen der Lambdaregelung ist stromauf des Katalysators 6 eine Vorkat- Lambdasonde 5 und stromab des Katalysators eine Nachkat- Lambdasonde 7 zum Messen des Lambdawertes vorgesehen. Die Vorkat-Lambdasonde 5 ist eine lineare Lambdasonde, während als Nachkat-Lambdasonde 7 hier eine sogenannte binäre Lambdasonde verwendet wird, bei welcher sich die AusgangsSpannung im Bereich Lambda = 1 fast sprunghaft beispielsweise von unter 100 mV bei mageren Gemischen (Lambda > 1) zu über 0,7 V bei fetten Gemischen (Lambda < 1) ändert; dies wird auch als Zweipunktverhalten bezeichnet. Beide Lambdasonden liefern ihre Messwerte über nicht näher bezeichnete Leitungen an das Steuergerät 3. Im Ansaugtrakt 8 befindet sich ein Luftmassensensor 9, der beispielsweise im Ansaugrohr angeordnet ist und seine Messwerte über nicht näher bezeichnete Leitungen an das Steuergerät 3 liefert. Alternativ kann der Luftmassendurchsatz auch mithilfe entsprechender anderer Sensoren indirekt aus der Drosselklappenstellung, bzw. Saugrohrdruck und der Drehzahl berechnet werden. Dem Steuergerät 3 werden noch die Werte weiterer Sensoren, insbesondere der Drehzahl, der Katalysatortemperatur, usw. zugeführt. Mit Hilfe dieser Werte steuert das Steuergerät 3 den Betrieb der Brennkraftmaschine 1.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 erfolgt die Regelung der katalytischen Abgasbehandlung im Abgastrakt 4 wie folgt: Die Kraftstoffzufuhr im Kraftstoffzufuhrsystem 2 wird so geregelt, dass das Signal der Vorkat-Lambdasonde 5 eine leichte Schwingung um λ»l ausführt. Bei einer normalen Lambdasonde entspricht beispielsweise ein Spannungspegel von 450mV dem Wert X~l . Das Signal der Vorkat-Lambdasonde 5 schwingt um diesen Wert, so dass der Katalysator 6 im Mittel Abgas mit dem Wert λ»l zugeführt bekommt . Die Nachkat-Lambdasonde 7 misst den Lambdawert im behandelten Abgas stromab des Kataly- sators 6. Bei intaktem Katalysator und gut eingestellter
Lambdaregelung ist ihr Signal annähernd konstant. Nur bei bestimmten Betriebszuständen, wie beispielsweise nach einer Schubabschaltung oder während der Zwangsanregung bei der OSC- Diagnose, verändert sich das Signal der Nachkat-Lambdasonde sprunghaft nach oben oder unten und zeigt damit an, dass die maximale SauerstoffSpeicherfähigkeit des Katalysators erreicht ist oder der Sauerstoffvorrat erschöpft ist. Dies wird auch als Durchbruch des Nachkat-Sondensignals bezeichnet.
Fig. 2 zeigt einen beispielhaften Zeitverlauf der Sauerstoffbeladung m02 des Katalysators 6, welcher aus dem Signal der Vorkat-Lambdasonde 5 und dem Luftmassenmesser 9 durch die Formel
integriert wird. In der Formel bezeichnet m02 die aktuelle Sauerstoffbeladung, λ das Signal der Vorkat-Lambdasonde, mL den Luftmassendurchsatz und [02]Luft den Massenanteil von Sauerstoff in Luft, der bei etwa 23% liegt. Unter der Zeitkurve von m02 ist beispielhaft das Signal der Nachkat-Lambdasonde λ_nach dargestellt.
Die dargestellte Zeitkurve von m02 fällt zunächst ab, d.h. dass dem Katalysator ein fettes Gemisch zugeführt wird. Bei 12 ist der gespeicherte Sauerstoff des Katalysators aufgebraucht, so dass das Nachkat-Lambdasondensignal nach oben, d.h. zu fetten Gemischen, ausschlägt. An diesem Durchbruch wird erkannt, dass m02 zu diesem Zeitpunkt den Wert 0mg hat. Dadurch kann der Wert für m02 auf 0mg kalibriert werden. Im Folgenden steigt der Wert für m02 wieder an, bis er durch die Lambdaregelung für eine Weile in der Nähe eines mittleren Wertes 13 gehalten wird. Später steigt die Sauerstoffbeladung noch weiter an, z.B. aufgrund von kurzen Schubabschaltungsphasen, in denen die Kraftstoffzufuhr gedrosselt wird. Bei 14 ist die SauerstoffSpeicherfähigkeit des Katalysators erreicht, und das Signal der Nachkat-Lambdasonde 7 schlägt nach unten aus, da sich der Sauerstoffgehalt stromab des Katalysators 7 erhöht. Dieser Durchbruch wird vom Steuergerät 3 registriert und dazu verwendet, die Adaption der SauerstoffSpeicherfähigkeit m02_max zu berechnen. Hierzu wird die Differenz zwischen dem bisherigen adaptierten Wert und der aktueller Sauerstoffbeladung berechnet und davon der neue adaptierte Wert der SauerstoffSpeicherfähigkeit berechnet. Die aktuelle Sauerstoffbeladung - im dargestellten Beispiel 90mg - wird danach der SauerstoffSpeicherfähigkeit m02__max gleichgesetzt . Ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Berechnung und Initialisierung des Wertes für die aktuelle Sauerstoffbeladung m02 ist in Fig. 3 dargestellt. Das Verfahren beginnt in Schritt 16 mit einer ersten Initialisierung bei einem Durchbruch des Nachkat-Lambdasondensignals nach oben oder unten. Bricht das Signal nach oben aus, ist der Lambda- Wert nach dem Katalysator zu niedrig und daher der SauerstoffSpeicher des Katalysators gänzlich entleert. m02 wird daher auf den Wert 0 gesetzt (Schritt 18) . In Schritt 20 werden durch Integration über die Zeit laufend aktuelle Werte für m02 ermittelt. Dies wird fortgesetzt, bis in Schritt 22 ein weiterer Durchbruch des Signals der Nachkat-Lambdasonde festgestellt wird. Dieser kann z.B. in die andere Richtung als in Schritt 16 zeigen, also nach unten. Dieser Durchbruch zeigt an, dass die SauerstoffSpeicherfähigkeit des Katalysators erschöpft ist. Somit kann durch einen Vergleich des in Schritt 20 durch die Integration berechneten Wertes für m02 mit dem zuletzt angenommenen Wert für die Sauerstoffspeicher- fähigkeit ein neuer Wert für die SauerstoffSpeicherfähigkeit m02_max berechnet werden.
Dies empfiehlt sich aber nur dann, wenn der zwischen den beiden Durchbrüchen bei 16 und 22 aufintegrierte Wert für den Luftmassendurchsatz nicht zu hoch ist, da die Messwerte für den Luftmassendurchsatz und auch den Lambda-Wert mit Messfehlem behaftet sind. Diese Messfehler werden in Schritt 20 aufintegriert und summieren sich über die Zeit. Daher wird bei 24 abgefragt, ob das seit dem letzten Durchbruch aufintegrierte Luftmassendurchsatz zu hoch ist, und nur wenn das Luftmassenintegral einen gewissen Schwellwert unterschreitet, wird der Wert für m02_max adaptiert, d.h. neu berechnet und im Steuergerät gespeichert (Schritt 26) . Daraufhin wird die Integration über die Zeit fortgeführt, um lau- fend aktuelle Werte für m02 zu ermitteln (Schritt 28) . Diese neu ermittelten aktuellen Werte werden zusätzlich durch die adaptierte SauerstoffSpeicherfähigkeit geteilt, um laufend Werte für den aktuellen Sauerstoff-Quotienten q02 zu erhalten. Diese Schritte werden wenn möglich bei jedem Durchbruch des Nachkat-La bdasondensignals wiederholt, um eine Aufsum- mierung von Messfehlern zu verhindern und um ständig neue Werte für die maximale SauerstoffSpeicherfähigkeit des Katalysators zu erhalten. ~ Die Figuren 4-8 zeigenden Zeitverlauf des Sauerstoff- Quotienten q02 bei verschiedenen Anwendungen und Ausführungs- beispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 4 zeigt den Zeitverlauf von q02 kurz vor und während einer OSC-basierten Katalysator-Diagnose. Zum Zeitpunkt 30 hat der Sauerstoff-Quotient zufällig einen relativ hohen Wert X. Würde die Zwangsanregung bereits zu diesem Zeitpunkt beginnen, wäre nach kurzer Zeit die maximale Sauerstoffkapazität, die einem Wert von qO2=100% entspricht, erreicht, was zu einer erhöhten NOx-Ausstoß führen würde. Bei einer herkömmlichen Lambdaregelung lässt sich dies nicht vermeiden, da der Wert X für den aktuellen Sauerstoff-Quotienten nicht bekannt ist. In diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird q02 jedoch ständig berechnet, so dass es möglich ist, vor Beginn der Zwangsanregung einen definierten, für die Diagnose erforderlichen Sauerstoff-Quotienten einzustellen. Im dargestell- ten Bexspiel liegt dieser Wert bei 50% und wird zum Zeitpunkt 32 erreicht. Dort beginnt die Zwangsanregung, bei der die Gemischbildung einer Fett-Mager-Schwingung unterzogen wird. Dadurch schwankt die Beladung des Katalysators und damit der berechnete Sauerstoff-Quotient mit einer Amplitude P. Im dar- gestellten Beispiel werden die Maximalwerte 0% und 100% während dieser Schwingung nicht erreicht, so dass keine Durchbrüche des Nachkat-Lambdasondensignals auftreten und ein noch funktionstüchtiger Katalysator diagnostiziert wird.
In den Figuren 5 und 6 sind Beispielhafte Sollverläufe des
Sauerstoff-Quotienten während eines Spülvorgangs des Katalysators dargestellt. Die Schubabschaltungsphase ist jeweils zum Zeitpunkt tpuc-Ende (PUC = pull fuel cutoff) beendet. Zu diesem Zeitpunkt ist der Katalysator mit Sauerstoff gesättigt. Um den Katalysator möglichst schnell wieder auf einen Sauerstoff-Quotienten von etwa 50% zu stellen, wird das Ge- misch zeitweise angefettet. Nach Möglichkeit soll der Katalysator jedoch nicht zu stark gespült werden, da sonst CO- und HC-Emissionen entstehen. Daher wird mit Hilfe der bekannten Größen "SauerstoffSpeicherfähigkeit" und "Sauerstoff- Quotient" ein Beladungsmodell aufgestellt, bei dem ein Soll- wert und ggf. ein Sollverlauf für den Sauerstoff-Quotienten eingestellt wird.
Für einen Hauptkatalysator ergibt sich dadurch beispielsweise der in Fig. 5 dargestellte Verlauf des Sauerstoff-Quotienten.
Ist neben dem Hauptkatalysator auch ein Vorkatalysator vorhanden, soll dieser ebenfalls "gespült" werden. Ein weiteres Beladungsmodell gestattet daher ferner die definierte Einstellung einer Sauerstoff-Konzentration im Vorkatalysator, bei der auch nach Spülen des Hauptkatalysators (wobei der
Vorkatalysator "überfahren" wird) eine Abmagerung darstellbar ist. Fig. 6 zeigt einen möglichen Verlauf des Sauerstoff- Quotienten im Vorkatalysator beim Spülen eines Hauptkatalysators, bei welchem der Vorkatalysator bei 34 "überfahren" wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann nach einer kurzen Schubabschaltungsphase, bei der das Nachkat- Lambdasondensignal gar nicht reagiert hat, ebenfalls ein Spülvorgang eingeleitet werden, da mit Hilfe der tatsächlichen Sauerstoffbeladung nun ein geeignetes Spülmaß ermittelt werden kann. Außerdem lässt sich das Spülmaß an den Alterungszustand des Katalysators anpassen.
In einer anderen Weiterbildung der Erfindung wird eine Lambdaregelung aufgesetzt, die als Sollwert für den Sauerstoff- Quotienten q02 einen Wert in der Nähe von 50%, im gezeigten Beispiel 45%, hat. Bei einem Sauerstoff-Quotienten von 50% sind immer die maximalen Sauerstoffspeicherreserven des Katalysators für Instationärvorgänge oder generell Störungen im Luft/Kraftstoff-Gemisch - sowohl für Abweichungen zu fettem als auch zu magerem Gemisch - vorhanden. Bei einem Sauerstoff-Quotienten von 45% ist der Puffer zu mageren Gemischen ein wenig größer, was zur Vermeidung von NOx-Emissionen vorteilhaft ist. Fig. 7 zeigt beispielhaft den Verlauf eines Sauerstoff-Quotienten, der durch die Lambdaregelung auf 45% geregelt wird.
Schließlich zeigt Fig. 8 ein Beispiel für eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welchem die Information über den aktuellen Sauerstoff-Quotienten dazu verwendet wird, um eine Störung in der Luft/Kraftstoff-Zusammensetzung möglichst schnell zu kompensieren. Die Kurve 36 zeigt die heutige Lösung, bei der die Regel- und Steuereingriffe des Lambdareglers, des Trimmreglers und der Zwangsanregung nicht priori- siert werden. Aufgrund der unterschiedlichen Informations- quellen für diese Regler (Nachkatsignal für die Trimmregelung und Vorkatsigna.1 für die Lambdaregelung) sind die Eingriffe dieser Regler teilweise zeitlich versetzt, was zu einer langsameren Korrektur der Störung führt. Die Kurve 37 zeigt hingegen den Wert des Sauerstoff-Quotienten mit Koordination der Eingriffe. Dabei wird beispielsweise ein Eingriff, den der
Trimmregler auf: Basis des Nachkatsignals vornehmen würde, unterlassen, wenn dieser Eingriff bereits durch andere Maßnahmen kompensiert ist. Des weiteren kann z.B. eine Magerphase der Zwangsanregung unterbunden werden, wenn die Sauerstoffbe- ladung über einer Schwelle liegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die permanente Bestimmung der aktuellen und maximalen Sauerstoffbeladung eines 3-Wege-Katalysators sowie eine Emissionsreduzierung durch ge- zielte Eingriffe auf Basis dieser Informationen. Ferner erlauben die beschriebenen Steuerung-, Regelungs- und Überwachungsverfahren eine Emissionsreduzierung, Zeitverkürzung und Genauigkeitsverbesserung der Katalysator-Diagnose insbesondere für Systeme ohne zweiten Katalysator. Weiterhin wird eine kontinuierliche Alterungsinformation über den Katalysatorzustand zur Adaption von Funktionen wie z.B. der Katalysatorspülung nach einer Schubabschaltung bereitgestellt, was ebenfalls zur Emissionsreduzierung beiträgt. Schließlich kann eine weitere Emissionsreduzierung durch die beladungsgradabhän- gige Koordination von Steuer- und Regelungseingriffen erreicht werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Ermittlung der aktuellen Sauerstoffbeladung (m02) eines 3-Wege-Katalysators (6) einer lambdageregelten Brennkraftmaschine (1) mit einer dem Katalysator vorgeschalteten linearen Vorkat-Lambdasonde (5) , einer dem Katalysator nachgeschalteten Nachkat-Lambdasonde (7) und einer Vorrichtung (9) zur Messung des Luftmassendurchsatzes, bei welchem
- aus dem Signal der Vorkat-Lambdasonde (5) und dem gemesse- nen Luftmassendurchsatz durch Integration über die Zeit ein
Wert für die aktuelle Sauerstoffbeladung (m02) berechnet wird,
- und dieser Wert bei einem Durchbruch des Signals der Nachkat-Lambdasonde zu fetten Gemischen auf 0 gesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Wert für die aktuelle Sauerstoffbeladung (m02) mit der folgenden Formel berechnet wird
wobei m02 die aktuelle Sauerstoffbeladung, X das Signal der Vorkat-Lambdasonde, thL der Luftmassendurchsatz und [02]Luft der Massenanteil von Sauerstoff in Luft ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem ein Wert für die SauerstoffSpeicherfähigkeit (m02_max) des Katalysators (6) durch die Differenz zwischen der ermittelten Sauerstoffbeladung (m02) bei einem Durchbruch des Signals der Nachkat-Lambdasonde zu mageren Gemischen und einem bisher adaptierten Wert für die SauerstoffSpeicherfähigkeit adaptiert wird.
4. Verfahren nach einem, der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Wert für die Sauerstoffbeladung (m.02) bei einem
Durchbruch des Signals der Nachkat-Lambdasonde zu mageren Ge- mischen auf die SauerstoffSpeicherfähigkeit (m02_max) gesetzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei welchem aus dem Quo- tienten der aktuellen Sauerstoffbeladung (m02) und der
Sauerstoffspeicherfähigkeit (m02_max) des Katalysators der aktuelle Sauerstoff-Quotient (q02) berechnet wird.
6. Verfahren zur Regelung, Steuerung und/oder Überwachung der Abgasnachbehandlung einer lambdageregelten Brennkraftmaschine (1) mit einem 3-Wege-Katalysator (6) , einer dem Katalysator vorgeschalteten linearen Vorkat-Lambdasonde (5) , einer dem Katalysator nachgeschalteten Nachkat-Lambdasonde (7) und einer Vorrichtung (9) zur Messung des Luftmassendurchsatzes, welches Werte für
- die aktuelle Sauerstoffbeladung (m02) des Katalysators,
- die SauerstoffSpeicherfähigkeit (m02_max) des Katalysators, und/oder
- den aktuellen Sauerstoff-Quotienten (q02) , verwendet, die mit dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche berechnet wurden.
7. Verfahren nach Anspruch 6 zur Diagnose des Katalysators (6) , bei welchem - während der Diagnose durch eine Zwangsanregung eine Schwingung der Sauerstoffbeladung des Katalysators (6) erzeugt wird, deren Amplitude über der maximalen Sauerstoffbeladung im normalen Betrieb liegt,
- wobei ein Defekt des Katalysators (6) diagnostiziert wird, wenn das Schwingungsverhalten des Signals der Nachkat- Lambdasonde (7) außerhalb eines Sollbereichs liegt,
- und wobei vor Beginn der Diagnose der Sauerstoff-Quotient (q02) auf einen vorbestimmten Sollwert, insbesondere auf 50%, eingestellt wird, der für die Diagnose erforderlich ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7 zur Überwachung der Alterung des Katalysators (6) , bei welchem - der adaptierte Wert für die SauerstoffSpeicherfähigkeit (m02_max) des Katalysators (6) mit einem vorbestimmten Schwellwert verglichen wird und
- das Diagnoseverfahren nach Anspruch 6 durchgeführt wird, wenn die maximale SauerstoffSpeicherfähigkeit (m02_max) den Schwellwert unterschreitet.
9. Verfahren nach Anspruch 6 zur Regelung der Spülung des Katalysators (6) nach einer Schubabschaltungsphase, bei welchem - ein Sollwert für den Sauerstoff-Quotienten (q02) nach einer Schubabschaltungsphase vorgegeben wird,
- der Sauerstoff-Quotient nach einer Schubabschaltungsphase durch die Lambdaregelung der Brennkraftmaschine auf den Sollwert geregelt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 6 zur Regelung der Abgasnachbehandlung einer lambdageregelten Brennkraftmaschine, bei welchem der Lambdaregler derart eingestellt wird, dass der Sauerstoff-Quotient (q02) auf einen Sollwert, insbesondere auf einen Sollwert von 50%, geregelt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 6 zur Regelung und/oder Steuerung der Abgasnachbehandlung einer lambdageregelten Brennkraftmaschine, bei welchem die Steuer- und Regeleingriffe des Lamb- dareglers unter Berücksichtigung der aktuellen Sauerstoffbeladung (m02) durchgeführt werden, wobei
- ein vorgesehener Steuer- oder Regeleingriff zur Abmagerung des Gemischs unterbleibt, wenn der Sauerstoff-Quotient (q02) über einem vorbestimmten ersten Schwellwert liegt; und - ein vorgesehener Steuer- oder Regeleingriff zur Anfettung des Gemischs unterbleibt, wenn der Sauerstoff-Quotient (q02) unter einem vorbestimmten zweiten Schwellwert liegt.
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