Beschreibung

Titel

Verfahren zur Diagnose eines in einem Abgasbereich einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Diagnose (On- Board- Diagnose) eines in einem Abgasbereich einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators und von einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Steuergerätprogramm sowie ein Steuergerät- Programmprodukt.

Das Sauerstoff-Speichervermögen eines Katalysators wird dazu ausgenutzt, in Magerphasen des einer Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs Sauerstoff aufzunehmen und in Fettphasen wieder abzugeben. Hierdurch wird er- reicht, dass unerwünschte Abgaskomponenten effizient konvertiert werden können. Mit zunehmender Alterung des Katalysators nimmt das Sauerstoff- Speichervermögen ab. Hierdurch kann in den Fettphasen nicht mehr genügend Sauerstoff für Oxidationsreaktionen zur Verfügung gestellt werden.

Ein auf der Bewertung der Sauerstoff-Speicherfähigkeit eines Katalysators beruhendes Katalysator- Diagnoseverfahren ist in der Patentanmeldung DE 24 44 334 beschrieben. Der Brennkraftmaschine werden abwechselnd ein fettes Luft- Kraftstoff- Gemisch mit einem Lambda von 0,95 und ein mageres Luft- Kraftstoff- Gemisch mit einem Lambda von 1,05 zugeführt. Ein stromabwärts nach dem Kata-

lysator angeordneter Sprung-Lambdasensor detektiert in einer Fettphase das Auftreten von Sauerstoffmangel und in einer Magerphase das Auftreten von Sauer- stoffüberschuss. Das Signal des Stromabwärts-Sprung-Lambdasensors stoppt einen Zeitgeber, der von einem Signal gestartet wird, das ein stromaufwärts vor dem Katalysator angeordneter Sprung-Lambdasensor bereitstellt. Die Einstellung der

Luftzahl Lambda in den Fett- und Magerphasen ist trotz der eingesetzten Sprung- Lambdasensoren, die eine genaue Erfassung nur eines um den Lambdawert 1 begrenzten Lambdabereichs ermöglichen, im Rahmen einer Lambdaregelung vorgesehen. Die vorgegebenen Abweichungen der Luftzahl Lambda vom Wert 1 für eine stöchiometrische Verbrennung sind derart festgelegt, dass die Kennlinien der beiden Sprung-Lambdasensoren gerade noch ausreichen, die Abweichungen vom Wert 1 wenigstens näherungsweise quantitativ zu erfassen. Voraussetzung für die Diagnose ist ein wenigstens näherungsweise konstanter Gasdurchsatz. Dieser wird dadurch sichergestellt, dass die Diagnose nur freigegeben wird, wenn ein be- stimmtes, von einem Luftmengensensor und/oder Drosselklappen- Positionsgeber bereitgestelltes Signal vorliegt.

Das im DE-Patent 41 12 480 beschriebene Katalysator- Diagnoseverfahren, das ebenfalls auf der Bewertung der Sauerstoff-Speicherfähigkeit des Katalysators be- ruht, geht dadurch einen Schritt weiter, dass die dem Katalysator im Rahmen der

Fett- und Magerphasen zugeführte Sauerstoffmenge quantitativ anhand der gemessenen Luftströmung und der stromaufwärts vor dem Katalysator mit einem Breitband-Lambdasensor gemessenen Luftzahl Lambda mit einer Integration berechnet wird.

Sofern stromaufwärts vor dem Katalysator ein Sprung-Lambdasensor (Zweipunkt- Lambdasensor) eingesetzt ist, kann der Sauerstoffgehalt des eingetragenen Abgases quantitativ nicht ohne weiteres ermittelt werden. Dies gilt sowohl für das fette Gemisch als auch für das magere Gemisch. Ein Ansatz für eine Ermittlung des Sauerstoffgehalts im Abgas geht von einer korrekten Vorsteuerung des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft- Kraftstoff- Betriebsgemischs aus. Ein Vorsteuerfehler beeinflusst jedoch das Diagnoseergebnis erheblich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Diagnose eines in einem Abgasbereich einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, die eine hohe Genauigkeit bei der Ermittlung der Sauerstoff-Speicherfähigkeit des Katalysators erzielen.

Offenbarung der Erfindung

Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale jeweils gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorgehensweise erhöht die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit der Katalysatordiagnose dadurch, dass die Sauerstoff-Speicherfähigkeit des Katalysators, welche der Diagnose zugrunde liegen soll, mit hoher Zuverlässigkeit ermittelt werden kann.

Vorgesehen ist die Ermittlung einer Abweichung zwischen einem Diagnosege- misch-Lambda-lst-Signalverlauf und einem berechneten Diagnosegemisch- Lambda-Signalverlauf anhand der Zeitdifferenz, die zwischen einem Lambda-1- Durchgang des Diagnosegemisch-Lambda-Ist-Signalverlaufs und einem Lambda- 1-Durchgang des berechneten Diagnosegemisch-Lambda-Signalverlaufs auftritt.

Die ermittelte Zeitdifferenz wird zur Korrektur eines vorgegebenen Diagnosege- misch-Lambda-Soll-Signalverlaufs oder zum Abbruch der Diagnose herangezogen.

Der Abbruch einer Diagnose soll auch in dem Sinn verstanden werden, dass ein bereits ermitteltes Diagnoseergebnis verworfen wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ergeben sich aus abhängigen Ansprüchen.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Lambda-1-Durchgang des Diagnosege- misch-Lambda-lst-Signalverlaufs anhand eines gemessenen Stromaufwärts- Lambdasignals mit einer Zweipunkt- Charakteristik beziehungsweise Sprung-

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Charakteristik erfasst wird. Ein Lambdasensor, der ein solches Sensorsignal mit Zweipunkt- Charakteristik beziehungsweise Sprung-Charakteristik zur Verfügung stellt, ist besonders preiswert erhältlich. Dadurch ergeben sich erhebliche Einsparungen beim Serieneinsatz der erfindungsgemäßen Katalysatordiagnose.

Eine weitere Erhöhung der Zuverlässigkeit beziehungsweise der Genauigkeit der Diagnose ergibt sich durch eine Mittelwertbildung bei der Ermittlung des Lambda- 1-Durchgangs.

Wie bereits erwähnt, wird gemäß einer ersten Ausführungsform die ermittelte Zeitdifferenz herangezogen, ein Korrektursignal für den Diagnosegemisch-Lambda- Soll-Signalverlauf festzulegen, um den vorgegebenen Diagnosegemisch-Lambda- Soll-Signalverlauf an den tatsächlich auftretenden Diagnosegemisch-Lambda-Ist- Signalverlauf möglichst genau anzunähern. Gemäß einer zweiten Ausführungs- form wird die ermittelte Zeitdifferenz durch Vergleich mit einem Zeitdifferenz-

Schwellenwert dazu herangezogen, ein Korrektursignal für den berechneten Diag- nosegemisch-Lambda-Signalverlauf festzulegen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die ermittelte Zeitdifferenz durch Vergleich mit einem Zeitdifferenz- Schwellenwert dazu herangezogen, bei einer Schwellenwert-überschreitung die Diagnose abzubrechen beziehungsweise ein bereits ermitteltes Diagnoseergebnis zu verwerfen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens betrifft zunächst ein Steuergerät, welches zur Durchführung des Verfahrens speziell herge- richtet ist.

Das Steuergerät enthält vorzugsweise wenigstens einen elektrischen Speicher, in welchem die Verfahrensschritte als Steuergerätprogramm abgelegt sind.

Das erfindungsgemäße Steuergerätprogramm sieht vor, dass alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden, wenn es in einem Steuergerät abläuft.

Das Steuergerät-Programmprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode führt das erfindungsgemäße Verfahren aus, wenn das Programm in einem Steuergerät ausgeführt wird.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen

Vorgehensweise ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 ein technisches Umfeld, in welchem ein erfindungsgemäßes Verfahren abläuft und

Figur 2 Lambda-Signalverläufe in Abhängigkeit von der Zeit.

Figur 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 110, in deren Ansaugbereich 111 eine Lufterfassung 112 und in deren Abgasbereich 113 ein Stromaufwärts-Lambdasensor 114, der stromaufwärts vor einem Katalysator 115 angeordnet ist, und ein Strom- abwärts-Abgassensor 116, der stromabwärts nach dem Katalysator 115 angeordnet ist, vorgesehen sind.

Die Lufterfassung 112 stellt einem Steuergerät 120 ein Luftsignal ms_L, die Brennkraftmaschine 110 eine Drehzahl n, der Stromaufwärts-Lambdasensor 114 ein gemessenes Stromaufwärts-Lambdasignal lam_vK_Mes und der Stromabwärts-

Lambdasensor 116 ein gemessenes Stromabwärts-Lambdasignal lam nK Mes zur Verfügung. Das Steuergerät 120 stellt einer Kraftstoff-Zumessung 121 ein Kraftstoffsignal m_K zur Verfügung.

Die beiden Lambdasensoren 114, 116 sind vorzugsweise als preiswerte Sprung-

Lambdasensoren realisiert, sodass die gemessenen Lambdasignale lam vK Mes, lam_nK_Mes Sprung-Charakteristik aufweisen. Die Lambdasensoren 114, 116 ermöglichen das Betreiben der Brennkraftmaschine 110 mit einem Luft- Kraftstoff-

Gemisch, das auf einen Lambdawert im Bereich von Lambda = 1, beispielsweise im Bereich von Lambda = 0,995 und 1,005 mit hoher Genauigkeit geregelt werden kann.

Vorgesehen ist eine Diagnose des Katalysators 115, die auf einer Ermittlung zumindest eines Maßes für dessen Sauerstoff-Speicherfähigkeit beruht, die als Maß für die Alterung des Katalysators 115 herangezogen werden kann. Eine geringe Sauerstoff-Speicherfähigkeit bedeutet hierbei ein gealterter Katalysator 115.

Vorgesehen sein kann, dass die Diagnose nur durchgeführt wird, wenn wenigstens eine Betriebsgröße der Brennkraftmaschine 110 eine vorgegebene Bedingung erfüllt. Als Betriebsgröße kann beispielsweise die Drehzahl n oder eine Last der Brennkraftmaschine 110 herangezogen werden. Neben der überprüfung, ob die wenigstens eine Betriebsgröße n einen Schwellenwert über- oder unterschreitet beziehungsweise in einem Bereich liegt, ist zweckmäßigerweise eine überprüfung vorgesehen, ob der Differenzialquotient, der durch den Differenzenquotienten angenähert werden kann, unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts liegt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Brennkraftmaschine in einem zumindest näherungsweise stationären Betriebszustands betrieben wird. Die Diagnose wird freigegeben und durchgeführt, wenn ein Diagnose- Freigabesignal Diag_Fg vorliegt, das einer Kenngrößen- Festlegung 130 zur Verfügung gestellt wird.

Vor einem in Figur 2 gezeigten ersten Zeitpunkt til wird die Brennkraftmaschine 110 mit einem Luft- Kraftstoff- Betriebsgemisch betrieben, dessen Lambdawert auf beispielsweise Lambda = 1 wenigstens näherungsweise festgelegt ist. Zum ersten

Zeitpunkt til tritt das Diagnose- Freigabesignal Diag Fg auf. Die Kenngrößen- Festlegung 130 veranlasst daraufhin das Betreiben der Brennkraftmaschine 110 mit einem Diagnosegemisch, welches auf einen Lambdawert von beispielsweise Lambda = 0,95 festgelegt wird. Die änderung auf das neue Lambda im Rahmen der Katalysatordiagnose erfolgt vorzugsweise jeweils sprungförmig. Der zeitliche

Verlauf des Lambdas des Diagnosegemischs ist in Figur 2 als Diagnosegemisch- Lambda-Soll-Signalverlauf lam Diag Sol eingetragen.

Die Umschaltung zu einem zweiten Zeitpunkt ti2 erfolgt in Abhängigkeit von dem vom Stromabwärts-Lambdasensor 116 bereitgestellten gemessenen Lambdasig- nal lam nK Mes, das der Kenngrößen-Festlegung 130 zur Verfügung steht. Die änderung wird vorgenommen, wenn das gemessene, nicht dargestellte Stromab- wärts-Lambdasignal lam_nK_Mes wenigstens näherungsweise einen Lambda-1-

Durchgang aufweist, der den Durchbruch des Sauerstoffmangels stromabwärts nach dem Katalysator 115 signalisiert. Danach legt die Kenngrößen- Festlegung 130 den Diagnosegemisch-Lambda-Soll-Signalverlauf lam Diag Sol auf ein mageres Lambda von beispielsweise 1,05 fest. Die Umschaltung könnte im prinzipiell unmittelbar erfolgen. Vorzugsweise wird jedoch nicht sofort auf ein mageres

Lambda umgeschaltet, sondern erst noch eine zusätzliche Menge fetten Abgases in den Abgasbereich 13 eingetragen. Die Umschaltung kann beispielsweise nach Ablauf einer vorgegebenen Verzögerungszeit erfolgen. Eine nicht näher gezeigte weitere Umschaltung auf das fette Diagnosegemisch mit einem Lambda von 0,95 erfolgt, wenn im gemessenen Stromabwärts-Lambdasignal lam_nK_Mes wieder ein Lambda-1-Durchgang auftritt, der den Durchbruch des Sauerstoffüberschusses im Katalysator 115 signalisiert. Auch in diesem Fall könnte die Umschaltung prinzipiell unmittelbar erfolgen. Vorzugsweise wird jedoch auch hier nicht sofort auf ein fettes Lambda umgeschaltet, sondern erst noch eine zusätzliche Menge mageren Abgases in den Abgasbereich 13 eingetragen. Die Umschaltung kann auch hier beispielsweise nach Ablauf einer vorgegebenen Verzögerungszeit erfolgen. Anstelle des Stromabwärts-Sprung-Lambdasensors 116 kann selbst verständlich alternativ ein Stromabwärts-Breitband-Lambdasensor verwendet werden.

Die Sauerstoff-Speicherfähigkeit 02_Sim des Katalysators 115 kann in einer

Kenngrößen-Berechnung 140 anhand eines Integrals ermittelt werden, welcher das Luftsignal ms_L, der Diagnosegemisch-Lambda-Soll-Signalverlauf lam Diag Sol und ein Korrektursignal Korr zur Verfügung stehen. Die Integration wird über diejenige Zeitdauer durchgeführt, während welcher der Diagnosege- misch-Lambda-Soll-Signalverlauf lam_Diag_Sol ein mageres Lambda von beispielsweise 1,05 aufweist. Vorzugsweise erstreckt sich die Katalysatordiagnose über mehrere Perioden des Diagnosegemisch-Lambda-Soll-Signalverlaufs

lam_Diag_Sol, um eine Mittelwertbildung der Berechnung der Sauerstoff- Speicherfähigkeit O2_Sim über mehrere Perioden durchführen zu können.

Bei der Ermittlung des Diagnoseergebnisses wird vorausgesetzt, dass das Lamb- da des tatsächlich im Abgasbereich 113 auftretenden Diagnosegemisch-Lambda-

Ist-Signalverlaufs lam Diag ls mit dem vorgegebenen Diagnosegemisch-Lambda- Soll-Signalverlauf lam Diag Sol - abgesehen von bekannten Signalverzögerungen durch Laufzeiten und abgesehen von Einschwingvorgängen - weitgehend ü- bereinstimmt. Eventuell auftretende Abweichungen wirken sich unmittelbar auf das Diagnoseergebnis aus.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass zwischen dem ersten und zweiten Zeitpunkt til, ti2 eine Abweichung 210 aufgetreten ist. Abweichungen 210 können beispielsweise durch eine Streuung oder Drift von nicht nä- her gezeigten, in der Kraftstoff- Zum essung 121 enthaltenen Kraftstoff-

Einspritzventilen oder durch Fehler in der Lufterfassung 112 auftreten, die im Rahmen einer Adaption eines nicht näher gezeigten Lambdareglers nicht vollständig kompensiert sind.

Vorgesehen ist eine Zeitdifferenz- Ermittlung 150, welche eine Zeitdifferenz ti_D ermittelt, die zwischen einem Lambda-1-Durchgang 211 des Diagnosegemisch- Lambda- Ist-Signalverlaufs lam Diag ls und dem Lambda-1-Durchgang 212 eines von der Kenngrößen-Berechnung 140 berechneten Diagnosegemisch-Lambda- Signalverlaufs lam Diag Sim auftritt. Eine geringe Zeitdifferenz ti_D entspricht ei- ner guten übereinstimmung zwischen dem Diagnosegemisch-Lambda-Ist-

Signalverlauf lam Diag ls und dem berechneten Diagnosegemisch-Lambda- Signalverlauf lam Diag Sim. In diesem Fall kann die von der Kenngrößen- Berechnung 140 ermittelte Sauerstoff-Speicherfähigkeit O2_Sim als zuverlässig gelten und der Diagnose zugrunde gelegt werden. Eine größere Zeitdifferenz ti_D in positiver oder negativer Richtung deutet auf eine höhere Abweichung 210 hin, sodass die ermittelte Sauerstoff-Speicherfähigkeit 02_Sim voraussichtlich fehlerhaft ist und das Diagnoseergebnis entsprechend unzuverlässig ausfällt.

Die ermittelte Zeitdifferenz ti_D kann in einer Zeitdifferenz- Bewertung 160 dazu herangezogen werden, einen Diagnoselambda- Korrekturwert lam Diag Korr zu ermitteln, welcher der Kenngrößen-Festlegung 130 zur Verfügung gestellt wird, die in Abhängigkeit vom Diagnoselambda- Korrekturwert lam Diag Korr den Diagno- segemisch-Lambda-Soll-Signalverlauf lam_Diag_Sol durch Anheben beziehungsweise Absenken des Lambdas beeinflusst mit dem Ziel, in den folgenden Perioden des Diagnosegemisch-Lambda-Soll-Signalverlaufs lam Diag Sol eine bessere übereinstimmung zwischen dem gesteuerten Diagnosegemisch-Lambda-Soll- Signalverlauf lam_Diag_Sol und dem sich einstellenden Diagnosegemisch- Lambda-Ist- Signalverlauf zu erhalten. Zur Beeinflussung des Diagnosegemisch-

Lambda-Soll-Signalverlaufs lam Diag Sol kann in das Kraftstoffsignal m_K oder in die Luftzuführung der Brennkraftmaschine 110 eingegriffen werden.

Die ermittelte Zeitdifferenz ti_D kann in der Zeitdifferenz-Bewertung 160 weiterhin dazu herangezogen werden, ein Fehlersignal F zu ermitteln. Hierzu wird die Zeitdifferenz ti_D mit einem vorgegebenen Zeitdifferenz-Schwellenwert ti D Lim verglichen. Wenn die Zeitdifferenz ti_D den Zeitdifferenz-Schwellenwert ti D Lim ü- berschreitet, wird das Fehlersignal F ausgegeben, mit dem beispielsweise signalisiert werden kann, dass das Diagnoseergebnis voraussichtlich unzuverlässig ist oder mit welchem eine laufende Diagnose abgebrochen werden kann. Weiterhin kann das Fehlersignal F festlegen, dass ein bereits ermitteltes Diagnoseergebnis verworfen werden soll.

Zur weiteren Erhöhung der Zuverlässigkeit der Katalysatordiagnose kann eine Mit- telwertbildung bei der Ermittlung des Lambda-1-Durchgangs 211 des Diagnose- gemisch-Lambda-lst-Signalverlaufs lam_Diag_ls vorgesehen sein. Die Mittelwertbildung sorgt bei einem von Rauschen überlagerten Diagnosegemisch-Lambda- Ist-Signalverlauf lam_Diag_ls dafür, dass bei einem Wechsel vom fetten zum mageren Diagnosegemisch nicht bereits ein erster, durch Rauschen bedingter Lamb- da-1-Durchgang 211 als tatsächlicher Lambda-1-Durchgang 211 gewertet wird.

Voraussetzung für die Mittelwertbildung ist die Festlegung eines Abtastintervalls für den Diagnosegemisch-Lambda-Ist-Signalverlauf lam Diag ls, das - bezogen

auf den Figur 2 zugrunde liegenden Zeitmaßstab - erheblich kürzer ist, sodass um beispielsweise dem vierten Zeitbereich ti4 eine Vielzahl von Abtastwerten des Di- agnosegemisch-Lambda-lst-Signalverlaufs lam_Diag_ls vorliegen, damit eine Mittelwertbildung überhaupt möglich ist. Die Mittelwertbildung kann beispielsweise derart erfolgen, dass zunächst ein Verhältnis der Zeitintervalle gebildet wird, in welchen fettes und in welchen mageres Diagnosegemisch vorgelegen hat, und dass anschließend ein Vergleich mit einem Schwellenwert - beispielsweise 50 Prozent - vorgesehen ist.