Titel

Verfahren und Vorrichtung zur Dynamik-Diagnose einer Abgassonde Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dynamik-Diagnose einer in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine als Teil eines Abgasüberwachungssystems angeordneten Abgassonde, wobei die Diagnose auf Grund eines Vergleiches eines modellierten und eines gemessenen Signals nach einer vorgegebenen Änderung eines Kraftstoff-Luft- Verhältnisses eines der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoffgemischs durchgeführt wird und wobei das gemessene Signal ein Istwert eines Ausgangssignals der Abgassonde und das modellierte Signal ein Modellwert ist, welcher aus dem der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoffgemischs durch Anwenden eines Abgasmodells abgeleitet wird.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Zur Reduktion der Emission in PKWs mit Ottomotoren werden üblicherweise 3-Wege- Katalysatoren als Abgasreinigungsanlagen verwendet, die nur dann ausreichend Abgase konvertieren, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis λ mit hoher Präzision eingeregelt wird. Zu diesem Zweck wird das Luft-Kraftstoffverhältnis λ mittels einer der Abgasreinigungsanlage vorgelagerten Abgassonde gemessen. Das Speichervermögen einer derartigen Abgasreinigungsanlage für Sauerstoff wird dazu ausgenutzt, in Magerphasen Sauerstoff aufzunehmen und in Fettphasen wieder abzugeben. Hierdurch wird erreicht, dass oxydierbare Schadgaskomponenten des Abgases konvertiert werden können. Eine der Abgasreinigungsanlage nachgeschaltete Abgassonde dient dabei der Überwachung der Sauerstoff-Speicherfähigkeit der Abgasreinigungsanlage. Die Sauerstoff-Speicherfähigkeit muss im Rahmen der On-Board-Diagnose überwacht werden, da sie ein Maß für die Konvertierungsfähigkeit der Abgasreinigungsanlage darstellt. Zur Bestimmung der Sauerstoff-Speicherfähigkeit wird entweder die

Abgasreinigungsanlage zunächst in einer Magerphase mit Sauerstoff belegt und anschließend in einer Fettphase mit einem im Abgas bekannten Lambdawert unter Berücksichtigung der durchtretenden Abgasmenge entleert oder die

Abgasreinigungsanlage zunächst in einer Fettphase von Sauerstoff entleert und anschließend in einer Magerphase mit einem im Abgas bekannten Lambdawert unter Berücksichtigung der durchtretenden Abgasmenge aufgefüllt. Die Magerphase wird beendet, wenn die der Abgasreinigungsanlage nachgeschaltete Abgassonde den Sauerstoff detektiert, der nicht mehr von der Abgasreinigungsanlage gespeichert werden kann. Ebenso wird eine Fettphase beendet, wenn die Abgassonde den Durchtritt von fettem Abgas detektiert. Die Sauerstoff-Speicherfähigkeit der

Abgasreinigungsanlage entspricht der während der Fettphase zur Entleerung zugeführten Menge an Reduktionsmittel bzw. während der Magerphase zur Auffüllung zugeführten Menge an Sauerstoff. Die genauen Mengen werden aus dem Signal der vorgelagerten Abgassonde und dem aus anderen Sensorsignalen ermittelten

Abgasmassenstrom berechnet.

Nimmt die Dynamik der vorgelagerten Abgassonde ab, z.B. auf Grund von

Verschmutzungen oder Alterung, so kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis nicht mehr mit der erforderlichen Präzision eingeregelt werden, so dass die Konvertierungsleistung der Abgasreinigungsanlage nachlässt. Weiterhin können sich Abweichungen in der Diagnose der Abgasreinigungsanlage ergeben, die dazu führen können, dass eine an sich korrekt arbeitende Abgasreinigungsanlage fälschlich als nicht funktionsfähig bewertet wird. Der Gesetzgeber verlangt eine Diagnose der Sondeneigenschaften während des Fahrbetriebs, um sicherzustellen, dass das geforderte Luft- Kraftstoffverhältnis weiterhin ausreichend genau eingestellt werden kann, die

Emissionen die zulässigen Grenzwerte nicht überschreiten und die

Abgasreinigungsanlage korrekt überwacht wird. U.a. muss eine Verschlechterung der Sonden-Dynamik erkannt werden, die sich durch eine vergrößerte Zeitkonstante und/ oder Totzeit bemerkbar machen kann, wobei diese auch nur in einer Richtung (fett zu mager oder mager zu fett) wirken kann. Es wird von einer asymmetrischen

Zeitkonstante und Totzeit gesprochen. Aus der DE 10 2008 042 549 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Diagnose der Anstiegsgeschwindigkeit und der Totzeit einer Abgassonde bekannt, welche in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, wobei die Diagnose auf Grund eines Vergleiches eines modellierten und eines gemessenen Signals nach einer vorgegebenen Änderung eines Kraftstoff-Luft-Verhältnisses eines der

Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs durchgeführt wird und wobei das Signal ein Ausgangssignal der Abgassonde oder ein aus dem Ausgangssignal abgeleitetes modelliertes oder gemessenes Signal ist. Dabei ist es vorgesehen, dass ein erster Extremwert im Verlauf des modellierten Signals bestimmt wird und dass ein erster Zeitpunkt und ein erster Startwert bestimmt werden, wenn das modellierte Signal um einen vorbestimmten Betrag von dem ersten Extremwert abweicht, dass ein zweiter Extremwert im Verlauf des gemessenen Signals bestimmt wird. Weiterhin ist vorgesehen, dass ein zweiter Zeitpunkt und ein zweiter Startwert bestimmt werden, wenn das gemessene Signal um den vorbestimmten Betrag von dem zweiten

Extremwert abweicht, dass ein erstes Integral über einen vorbestimmten Zeitraum, beginnend zu dem ersten Zeitpunkt, über die Differenz zwischen dem ersten Startwert und dem modellierten Signal gebildet wird und dass ein zweites Integral über einen zweiten Zeitraum, beginnend zu dem zweiten Zeitpunkt, über die Differenz zwischen dem zweiten Startwert und dem gemessenen Signal gebildet wird, dass der zweite Zeitraum gleich dem vorbestimmten Zeitraum ist oder dass das Ende des zweiten Zeitraums bezogen auf den Zeitpunkt der Änderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses oder bezogen auf den ersten Zeitpunkt festgelegt wird und dass aus einem quantitativen Vergleich zwischen dem ersten Integral und dem zweiten Integral ein quantitativer Vergleichswert gebildet wird, aus dem auf die Anstiegsgeschwindigkeit und/ oder die Totzeit der Abgassonde geschlossen wird.

Dieses Verfahren verwendet sprungartige Verstellungen des Luft-Kraftstoffverhältnisses, anhand derer die Dynamik der Abgassonde bewertet wird, wobei zusätzlich eine Richtungsabhängigkeit, d.h. von fett zu mager oder von mager zu fett,

unterschieden wird. Dafür wird für eine gewisse Zeitspanne nach dem Sprung die Fläche unter dem Lambdasignal der Abgassonde aufintegriert und mit einer analog berechneten Fläche eines im Steuergerät modellierten Lambdasignals ins Verhältnis gesetzt. Ist das berechnete Verhältnis kleiner als eine applizierbare Schwelle, so genügt die Abgassonde nicht mehr dem geforderten Dynamikverhalten. Zur Modellierung des Luft-Kraftstoffverhältnisses im Steuergerät wird ein Filter 1. Ordnung mit einer Zeitkonstanten T und einer Verstärkung K = 1 sowie einem

Totzeitmodell mit der Totzeit T _t verwendet. Der Filter 1 . Ordnung lässt sich demnach wie folgt beschreiben:

G(s) = K exp(- T _t s) / (T s + 1 ) (1 )

Um die negativen Effekte einer asymmetrischen Zeitkonstante und/ oder Totzeit, wie z.B. eine schwingende Regelung, zu reduzieren, wird bei bekannter asymmetrischer Zeitkonstante oder Totzeit das gemessene Luft-Kraftstoffverhältnis im Steuergerät durch einen sogenannten Symmetrierungsfilter symmetrisiert. Dafür wird die nicht verzögerte und/ oder gefilterte Flanke des Signals im Steuergerät künstlich mit einer zusätzlichen Totzeit verzögert und/ oder mit einem zusätzlichen Filter gefiltert, wobei die dabei verwendete Totzeit und/ oder Zeitkonstante der diagnostizierten

asymmetrischen Totzeit T ⁺ _t und/ oder Zeitkonstante T ⁺ entspricht und die Richtung des Signals (fett zu mager oder mager zu fett) anhand einer gefilterten Ableitung des gemessenen Lambda-Signals bestimmt wird.

Für ein System mit verlangsamter Sonde wird demnach angenommen, dass das nominale Modell G _(S) um einen weiteren Filter erster Ordnung sowie ein Totzeitmodell erweitert wird:

G ⁺ _(S) = G _(S) K ⁺ exp(- T ⁺ _t s) / (T ⁺ s + 1 ) (2)

Nach Anwendung des Symmetrierungsfilters ist das gesamte Signal (fett zu mager und mager zu fett) symmetrisch durch zwei Totzeiten und/ oder zwei Zeitkonstanten verzögert. Diese zusätzliche Verzögerung kann im Regler berücksichtigt werden, indem der Regler unter Beibehaltung seiner Struktur auf die größeren Totzeiten und/ oder Zeitkonstanten adaptiert wird oder sogar die Erhöhung der Modellordnung durch eine Erhöhung der Reglerordnung berücksichtigt wird.

Weiterhin sind aus der Literatur Online-Identifikationsverfahren bekannt, mit denen Totzeiten und Zeitkonstanten während des normalen Fahrbetriebs bestimmt werden können. Voraussetzung dafür ist eine fortdauernde Anregung des Systems, anhand derer die Online-Identifikation die gesuchten Totzeiten und Zeitkonstanten mittels rekursiver Optimierungsverfahren bestimmt werden. Diese Verfahren berücksichtigen jedoch nur symmetrische Totzeiten und Zeitkonstanten.

Alle Verfahren können sowohl mit dem Luft-Kraftstoffverhältnis als auch mit dem inversen Luft-Kraftstoffverhältnis arbeiten.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Erkennen von asymmetrischen Totzeiten und Zeitkonstanten zu verbessern und damit eine verbesserten Diagnose zu ermöglichen. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Vorrichtung zur

Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.

Offenbarung der Erfindung Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zur Erkennung von asymmetrischen Totzeiten oder Zeitkonstanten der Abgassonde ein kontinuierlich arbeitendes Verfahren angewendet wird, bei dem periodisch, z.B. durch eine

Zwangsanregung, in kleinen sprungartigen Änderungen der Einspritzmenge das Kraftstoff-Luft-Verhältnis geändert und getrennt für ein steigendes und fallendes gemessenes Signal je eine Totzeit oder Zeitkonstante identifiziert wird.

Anstatt einer einmaligen Auswertung eines großen Sprunges wird dabei eine kontinuierliche Online-Identifikation durch Auswertung vieler kleiner Sprünge ermöglicht. Vorteil des Verfahrens ist das Ausnutzen der in den meisten Fällen verwendeten Zwangsanregung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, deren eigentliches

Ziel die Verbesserung eines Katalysator-Konvertierungsverhaltens der

Abgasreinigungsanlage ist. Damit kann auf die ansonsten notwendigen großen Sprünge im Luft-Kraftstoff-Verhältnis verzichtet werden, wodurch die mit den großen Sprüngen verbundene Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen vermieden wird. Insbesondere die starke Anregung der Regelung zum Schwingen im

Fall einer dynamisch langsamen Sonde wird damit verhindert. Ein weiterer Vorteil ist eine Erhöhung der Robustheit, da das Auswerten vieler kleiner Sprünge aufgrund von statistischen Mittelungseffekten weniger empfindlich auf Störungen reagiert als die Auswertung nur eines großen Sprungs. Außerdem ermöglicht das Verfahren eine weitaus exaktere Adaption der Regelung durch Ermittlung der asymmetrischen Totzeiten oder Zeitkonstanten. Zudem berücksichtigt das vorgeschlagene Verfahren vollständig den Einfluss der Regelung, indem der Stelleingriff das Eingangssignal für die Online-Identifikation ist. Im Fall einer dynamisch langsamen Abgassonde und dem damit verbundenen Schwingen der Regelung ergibt sich der Vorteil einer stärkeren Systemanregung verbunden mit einer schnelleren Konvergenz des Verfahrens.

Eine sichere Erkennung der aktuellen Richtung der Signaländerung kann dabei mittels einer gefilterten zeitlichen Ableitung bestimmt werden.

Eine bevorzugte Verfahrensvariante sieht dabei vor, dass mittels eines rekursiven Optimierungsalgorithmuses je nach Richtung der Signaländerung von einem Datensatz auf einen anderen Datensatz umgeschaltet wird und ein aktuell gültiger Datensatz optimiert und der Datensatz der anderen Signaländerungsrichtung dabei zum Zeitpunkt der Umschaltung gespeichert und dessen Optimierung gestoppt wird. Dies ermöglicht eine optimale Auswertung der vielen kleinen Sprünge bei der Variation des Luft- Kraftstoff-Verhältnisses.

Dabei hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn in den Datensätzen eine zu optimierende Totzeit oder Zeitkonstante sowie im Bedarfsfall weitere Parameter der Optimierung gespeichert werden.

Für die Erkennung asymmetrischer Totzeiten wird in einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante ein symmetrisierter gemessener Lambdawert mit einem zusätzlich zeitverzögerten Lambda-Modellwert verglichen und ein Differenzwert dieser

Signalwerte als Fehler interpretiert und mit Hilfe des rekursiven

Optimierungsverfahrens minimiert.

Dabei hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der symmetrisierte gemessene

Lambdawert aus dem gemessenen Istwert des Ausgangssignals der Abgassonde mittels eines Symmetrier-Filters berechnet wird, wobei eine zu optimierende

asymmetrische Totzeit T _sym zur Symmetrierung als Parameter verwendet wird.

In einer weiteren Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass die asymmetrische Totzeit T _sym weiterhin verwendet wird, um das Signal aus einem Lambda-Modell, welches mit einem nominellen Wert für die Totzeit und die Zeitkonstante berechnet wird, zusätzlich zu einem zeitverzögerten Lambda-Modellwert zu verzögern, wobei mit der asymmetrischen Totzeit T _sym der Symmetrier-Filter sowie der Wert des

zeitverzögerten Lambda-Modellwertes gleichermaßen verstellt werden kann.

Hinsichtlich einer zusätzlichen Optimierung kann vorgesehen sein, dass zusätzlich eine Anpassung einer Streckenverstärkung K durchgeführt wird.

In vorteilhafter Weise können mit den zuvor beschriebenen Verfahrensvarianten auch die asymmetrischen Zeitkonstanten der Abgassonde bestimmt werden.

Das Verfahren mit seinen zuvor beschriebenen Verfahrensvarianten lässt sich bevorzugt für eine Diagnose einer Breitband-Lambdasonde oder für die Diagnose eines Stickoxid-Sensors anwenden. Für eine als Breitband-Lambdasonde oder stetige Lambdasonde ausgeführte Abgassonde wird zur Diagnose ein Lambda-Istwert mit einem modellierten Lambda-Modellwert entsprechend den zuvor beschriebenen Verfahrensvarianten verglichen. Für einen Stickoxid-Sensor wird als Istwert das Ausgangssignal des Stickoxid-Sensors ausgewertet, wobei der Modellwert aus einem modellierten NO _x -Wert bestimmt wird. Diese Diagnose lässt sich daher besonders vorteilhaft bei Otto-Motoren oder bei Mager-Motoren anwenden, deren

Abgasreinigungsanlage einen Katalysator und/ oder Einrichtungen zur Stickoxid- Reduktion aufweisen.

Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Diagnoseeinheit vorgesehen ist, die

Berechnungseinheiten zur Differenzbildung sowie einen parametrierbaren Symmetrier- Filter sowie eine parametrierbare Einheit zur Lambda-Modelladaption zur Durchführung des Diagnoseverfahrens gemäß den zuvor beschriebenen Verfahrensvarianten aufweisen. Die Funktionalität der Diagnoseeinheit kann dabei zumindest teilweise Software-basiert ausgeführt sein, wobei diese als separate Einheit oder als Teil einer übergeordneten Motorsteuerung vorgesehen sein kann.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten

Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 in schematischer Darstellung das technische Umfeld, in dem das

erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann und

Figur 2 ein vereinfachtes Diagramm zur Erkennung asymmetrischer Totzeiten.

Figur 1 zeigt schematisch an einem Beispiel eines Otto-Motors das technische Umfeld, in dem das erfindungsgemäße Verfahren zur Diagnose einer Abgassonde 15 eingesetzt werden kann. Einer Brennkraftmaschine 10 wird Luft über eine

Luftzuführung 1 1 zugeführt und deren Masse mit einem Luftmassenmesser 12 bestimmt. Der Luftmassenmesser 12 kann als Heißfilm-Luftmassenmesser ausgeführt sein. Das Abgas der Brennkraftmaschine 10 wird über einen Abgaskanal 18 abgeführt, wobei in Strömungsrichtung des Abgases hinter der Brennkraftmaschine 10 eine

Abgasreinigungsanlage 16 vorgesehen ist. Die Abgasreinigungsanlage 16 umfasst üblicherweise mindestens einen Katalysator.

Zur Steuerung der Brennkraftmaschine 10 ist eine Motorsteuerung 14 vorgesehen, die zum einen der Brennkraftmaschine 10 über eine Kraftstoffdosierung 13 Kraftstoff zuführt und der zum anderen die Signale des Luftmassenmessers 12 und der in dem Abgaskanal 18 angeordneten Abgassonde 15 sowie einer in der Abgasableitung 18 angeordneten Abgassonde 17 zugeführt werden. Die Abgassonde 15 bestimmt im gezeigten Beispiel einen Lambda-Istwert eines der Brennkraftmaschine 10 zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemischs. Sie kann als Breitband-Lambdasonde oder stetige Lambda-

Sonde ausgeführt sein. Die Abgassonde 17 bestimmt die Abgaszusammensetzung nach der Abgasreinigungsanlage 16. Die Abgassonde 17 kann als Sprungsonde oder Binärsonde ausgebildet sein. Für die Dynamik-Diagnose der Abgassonde 15 ist ein kontinuierlich arbeitendes

Verfahren vorgesehen, welches speziell zur Erkennung von asymmetrischen Totzeiten und Zeitkonstanten dient. Dabei ist vorgesehen, dass nicht einzelne große Sprünge des Luft-Kraftstoffverhältnisses ausgewertet, sondern alleine die in der Regel vorhandenen Zwangsanregung genutzt wird, welche periodisch das Luft- Kraftstoffverhältnis durch kleine sprungartige Änderungen der Einspritzmenge variiert.

Für die Erkennung asymmetrischer Zeitkonstanten werden die aus der Literatur bekannten Verfahren der Online-Identifikation insofern erweitert, als dass nicht nur eine symmetrische Zeitkonstante für steigendes und fallendes Signal identifiziert wird, sondern getrennt für steigendes und fallendes Signal je eine Zeitkonstante identifiziert wird. Erkannt wird die aktuelle Richtung des Signals durch eine gefilterte Ableitung. Ein rekursiver Optimierungsalgorithmus schaltet dabei je nach Richtung des Signals von einem Datensatz auf den anderen um und optimiert nur den aktuell gültigen Datensatz. Der Datensatz der anderen Signalrichtung wird dabei zum Zeitpunkt der Umschaltung gespeichert und dessen Optimierung gestoppt. Die Datensätzen enthalten die zu optimierende Zeitkonstante sowie weitere Parameter der Optimierung.

Für die Erkennung der asymmetrischen Totzeiten wird das in Figur 2 vereinfacht dargestellte Diagramm 20 verwendet, welches einen Wert einer Lambda-Messung 21 mittels eines Symmetrier-Filters 23 in einen symmetrierten gemessenen Lambdawert 24 (A _Sym ) umwandelt und diesen mit einem zeitverzögerten Lambda-Modellwert 26 (AModeii2) vergleicht, welcher aus einem Wert eines Lambda-Modells 22 mittels

Anwendung einer Lambda-Modelladaption 25 generiert wurde. Ein Differenzwert 28 dieser beiden Signale, welcher mittels eines Subtrahierers 27 aus dem symmetrierten gemessenen Lambdawert 24 (A _Sym ) und dem zeitverzögerten Lambda-Modellwert 26 (AModeii2) gebildet wurde, wird als Fehler interpretiert, der mit Hilfe kontinuierlich laufender rekursiver Optimierungsverfahren minimiert wird, wobei die asymmetrische Totzeit T _sym der zu optimierende Parameter ist. Im Unterschied zur bisherigen

Anwendung ist die zur Symmetrierung notwendige Totzeit T _sym jedoch nicht bekannt, sondern der zu optimierende Parameter. Die zu optimierenden Totzeit T _sym wird weiterhin verwendet, um das modellierte Luft-Kraftstoffverhältnis A _Mod eii (Lambda-Modell 22), berechnet mit nomineller Totzeit und Zeitkonstante, zusätzlich zu verzögern, woraus der zeitverzögerten Lambda-Modellwert 26 (A _Mo deii2) folgt.

Ziel der Optimierung ist es demnach, dass das zunächst asymmetrisch verzögerte gemessene Luft-Kraftstoffverhältnis mit dem Symmetrier-Filter 23 mit der

Symmetrisierungstotzeit T _sym symmetriert wird (symmetrierter gemessener Lambdawert 24 A _Sy m), um dann mit dem symmetrisch um T _sym zeitverzögerten Lambda-Modellwert 26 (A _Mo deii2) übereinzustimmen. Das kontinuierlich laufende rekursive

Optimierungsverfahren minimiert dafür den Differenzwert 28 (Fehler) von A _Sym und AMo _d eii, indem es die Totzeit T _sym im Symmetrier-Filter 23 sowie die zusätzliche Totzeit des A-Modellwertes gleichermaßen verstellt. Dasselbe Verfahren kann auch für asymmetrische Zeitkonstanten angewendet werden. Weiterhin kann eine Anpassung der Verstärkung K notwendig sein. In einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die zuvor beschriebene

Diagnosefunktion als Software in einer Diagnoseeinheit oder in einer diesen übergeordneten Motorsteuerung 14 implementiert sein. Die Diagnoseeinheit oder die Motorsteuerung 14 weist entsprechende Einrichtungen zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens auf. Diese können ganz oder teilweise Software basiert umgesetzt sein.

Das zuvor vorgeschlagene Diagnoseverfahren und dessen Varianten kann auch für andere Prozesse mit ähnlicher Regelcharakteristik und Sensoren mit ähnlichem Dynamikverhalten angewendet werden.