DE102006034234A1

DE102006034234A1 - Verfahren zur Überwachung eines Abgasreinigungsbauteils mittels eines Temperaturfühlers

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Publication number: DE102006034234A1
Application number: DE102006034234A
Authority: DE
Inventors: Clemens Dipl.-Ing. Brinkmeier; Christof Dr.-Ing. Schön; Guido Dipl.-Ing. Vent
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2006-07-25
Filing date: 2006-07-25
Publication date: 2008-01-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Abgasreinigungsbauteils (23) einer Brennkraftmaschine (20) mittels eines Temperaturfühlers (1).
Bei dem Verfahren wird ein Temperaturfühler (1) eingesetzt, welcher ein Gasspeichermaterial aufweist, das mit einem temperatursensitiven Bereich (7) des Temperaturfühlers 1 in Wärmeübertragungskontakt steht und mit dem Abgas der Brennkraftmaschine (20) in Kontakt kommen kann.
Erfindungsgemäß wird eine Temperaturerhöhung (ΔT) des Gasspeichermaterials erfasst, die infolge eines exothermen Modifikationsübergangs des Gasspeichermaterials eintritt. Aus der Größe der Temperaturerhöhung (ΔT) wird ein Maß für den Alterungszustand des Abgasreinigungsbauteils (23) abgeleitet.
Das Verfahren ist insbesondere für Abgasreinigungsbauteile von Kraftfahrzeugbrennkraftmaschinen anwendbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Abgasreinigungsbauteils zur Reinigung von Abgasen einer Brennkraftmaschine mittels eines Temperaturfühlers mit einem temperatursensitiven Bereich, wobei der Temperaturfühler ein mit dem temperatursensitiven Bereich in Wärmeübergangskontakt stehendes Gasspeichermaterial aufweist, welches mit Abgas der Brennkraftmaschine in Kontakt kommen kann.
Aus der DE 197 45 039 ist ein Verfahren zur Überwachung eines Abgaskatalystaors bekannt, bei welchem ein mit einem katalytischen Material beschichteter Temperaturfühler eingesetzt wird. Der Temperaturfühler erfasst als Wärmetönungssensor die bei einer Oxidation von entsprechenden Abgasbestandteilen auftretende Wärmetönung, wobei von der katalytisch aktiven Beschichtung der Ablauf dieser Reaktionen katalysiert wird. Die Größe der erfassten Temperaturerhöhung dient als Maß zur Beurteilung der Funktionsfähigkeit bzw. des Alterungszustands eines zugeordneten Abgaskatalysators. Die Ermittlung des Alterungszustands erfolgt jedoch insofern indirekt, als die katalytische Aktivität der Sensorbeschichtung hinsichtlich ihrer Fähigkeit zur Förderung des Ablaufs von Gasreaktionen beurteilt wird. Die dabei frei gesetzte Wärme führt jedoch lediglich zu einem gewissen Anteil zu einer Temperaturer höhung der Beschichtung, ein nicht unerheblicher Teil geht durch Erhitzung des Abgases für die Messung verloren. Die Größe der bei der Umsetzung der oxidierbaren Bestandteile auftretenden Temperaturänderung ist zudem in starkem Maße von den Randbedingungen, wie Abgaszusammensetzung, Abgasdurchsatz, Abgastemperatur und dergleichen abhängig. Eine Auswertung der Temperaturänderungen hinsichtlich der Katalysatoraktivität ist deshalb schwierig und kann zu Fehlinterpretationen führen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, welches eine verbesserte Überwachung eines Abgasreinigungsbauteils ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bei diesem Verfahren wird ein Temperaturfühler eingesetzt, dessen temperatursensitiver Bereich in Wärmeübertragungskontakt mit einem Gasspeichermaterial als Bestandteil des Temperaturfühlers steht, wobei das Gasspeichermaterial mit Abgas der Brennkraftmaschine in Kontakt kommen kann. Erfindungsgemäß wird eine bei einem exothermen Modifikationsübergang des Gasspeichermaterials von einer ersten Modifikation in eine zweite Modifikation eintretende Temperaturerhöhung des Gasspeichermaterials erfasst und aus der Größe der erfassten Temperaturerhöhung ein Maß für einen Alterungszustand des Abgasreinigungsbauteils abgeleitet. Dabei ist unter dem temperatursensitiven Bereich derjenige Bereich des Temperaturfühlers zu verstehen, welcher für die Entstehung des temperaturabhängigen Fühlersignals maßgeblich ist.
Eine Einspeicherung eines Gases in das Gasspeichermaterial des Temperaturfühlers ist mit einem exothermen Modifikationsübergang des Gasspeichermaterials verbunden, wobei es sich bei dem Modifikationsübergang vorzugsweise um eine Veränderung der chemischen Struktur des Gasspeichermaterials infolge der Gasspeicherung durch eine chemische Reaktion des Gasspeichermaterials mit einem Abgasbestandteil handelt. Beispiele sind hier eine Einspeicherung von Stickoxiden in ein Stickoxidspeichermaterial oder von Sauerstoff in ein Sauerstoffspeichermaterial.
Die mit diesen chemischen Reaktionen oder Bindungsvorgängen verbundenen Reaktions- und/oder Sorptionsenthalpien führen zu einer so genannten Wärmetönung, welche wiederum eine messbare Temperaturänderung des Gasspeichermaterials zur Folge haben. Beim Übergang des Gasspeichermaterials von einer ersten in eine zweite Modifikation kann es sich auch um eine Mischform der genannten Modifikationsübergänge handeln. Hierfür braucht das Gasspeichermaterial nicht notwendigerweise eine katalytische Aktivität aufzuweisen. Es kann vielmehr ein katalytisch inaktives oder allenfalls gering aktives Gasspeichermaterial vorgesehen sein.
Besonders geeignet ist das Verfahren für die Überwachung von Abgasreinigungsbauteilen, welche selbst keine oder nur eine geringe Fähigkeit zur Gasspeicherung aufweisen, so dass die entsprechende Wärmetönung der Gaseinspeicherung nicht am Abgasreinigungsbauteil direkt erfasst werden kann.
Die mit dem Modifikationsübergang verbundene Wärmefreisetzung bewirkt eine Temperaturerhöhung des Gasspeichermaterials selbst, welche vom Temperaturfühler erfasst wird, da das Gasspeichermaterial in Wärmeübertragungskontakt mit dem temperatursensitiven Bereich des Temperaturfühlers steht. Zweckmäßigerweise ist hierzu ein direkter Berührkontakt des Gasspeichermaterials mit dem temperatursensitiven Bereich vorgesehen. Es kann jedoch auch eine vorzugsweise gut Wärme leitende Zwischenschicht zwischen dem temperatursensitiven Bereich und dem Gasspeichermaterial für den Temperaturfühler vorgesehen sein.
Die Fähigkeit zur Einspeicherung von Gasen lässt mit zunehmender, insbesondere temperaturbedingter Alterung des Gasspeichermaterials nach. Das Ausmaß eines darauf beruhenden Modifikationswechsels und die damit verbundene Wärmefreisetzung nimmt daher alterungsbedingt ebenfalls ab. Folglich ist das Ausmaß der aufgrund der bei der Gaseinspeicherung auftretenden Temperaturänderung ein Maß für die Alterung des Gasspeichermaterials. Das Gasspeichermaterial des Temperaturfühlers ist jedoch analogen Bedingungen ausgesetzt wie das zu überwachende Abgasreinigungsbauteil und erfährt daher analoge alterungsrelevante Belastungen. Deshalb korrelieren die mit einem Modifikationsübergang verbundenen Temperaturerhöhungen des Gasspeichermaterials des Temperaturfühlers mit dem Alterungszustand des zu überwachenden Abgasreinigungsbauteils. Durch Erfassung und Auswertung der mit einem Modifikationsübergang verbundenen Temperaturänderung kann daher das Abgasreinigungsbauteil auf seinen Alterungszustand hin überwacht werden.
In Ausgestaltung des Verfahrens wird zur Ableitung des Alterungszustands eine Temperaturerhöhung ausgewertet, die bei einem im Zusammenhang mit einem Betriebsartwechsel der Brennkraftmaschine erfolgenden Modifikationsübergang auftritt. Der Modifikationsübergang des Gasspeichermaterials wird somit durch einen Betriebsartwechsel der Brennkraftmaschine ausgelöst. Vorzugsweise geschieht dies dadurch, dass durch den Betriebsartwechsel das Abgas mit einer Gaskomponente angereichert wird, welche vom Gasspeichermaterial in einer chemischen Reaktion eingelagert wird.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird zur Ableitung des Alterungszustands eine Temperaturerhöhung ausgewertet, die bei einem im Zusammenhang mit einem Wechsel des Brennkraftmaschinenbetriebs von einer fetten Verbrennung zu einer mageren Verbrennung erfolgenden Modifikationsübergang auftritt. Infolge der Umstellung des Brennkraftmaschinenbetriebs wechselt die Zusammensetzung des Brennkraftmaschinenabgases von unterstöchiometrisch, also reduzierend auf überstöchiometrisch, also oxidierend. Dabei ändert sich die Abgaszusammensetzung hinsichtlich wesentlicher Abgasbestandteile erheblich. Das Abgas enthält nach dem Betriebsartwechsel Komponenten, die vorher nicht oder nur in unwesentlicher Menge vorhanden waren und in einer chemischen Reaktion unter Wärmefreisetzung ins Gasspeichermaterial eingelagert werden. Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn in weiterer Ausgestaltung des Verfahrens zur Ableitung des Alterungszustands eine Temperaturerhöhung ausgewertet wird, die bei einem im Zusammenhang mit einem Wechsel von einem Zugbetrieb der Brennkraftmaschine mit unterstöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis (λ < 1,0) zu einem Schubbetrieb mit überstöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis (λ > 1,0) erfolgenden Modifikationsübergang auftritt.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird als Gasspeichermaterial ein Material mit Sauerstoffspeicherfähigkeit eingesetzt. Dadurch können insbesondere Temperaturerhöhungen des Gasspeichermaterials bei einem Wechsel der Abgaszusammensetzung von reduzierend nach oxidierend erfasst werden. In diesem Fall enthält das Abgas nach dem Wechsel Restsauerstoff. Dieser kann vom Gasspeichermaterial in einer exothermen chemischen Oxidationsreaktion aufgenommen werden, wodurch das Gasspeichermaterial von einer sauerstoffarmen in eine sauerstoffreiche Modifikation übergeht. Dabei ist es vorteilhaft, wenn in weiterer Ausgestaltung des Verfahrens als Gasspeichermaterial ein Ceroxid-haltiges Gasspeichermaterial eingesetzt wird. Ceroxid-haltige Materialien verfügen über ein hohes Sauerstoffspeichervermögen, wobei bei einer Speicherung von Sauerstoff der Anteil an dreiwertigem Ceroxid (Ce₂O₃) zugunsten des vierwertigen Ceroxids (CeO₂) abnimmt. Dieser Vorgang ist exotherm und reversibel. Allerdings nimmt infolge einer Temperaturbelastung im Laufe der Gebrauchszeit im Allgemeinen die Fähigkeit des Gasspeichermaterials zur Einspeicherung von Sauerstoff ab. Dies ist meist Ergebnis eines alterungsbedingten Aktivitätsverlusts infolge von Sinterungs- und/oder Phasenumwandlungs- bzw. Phasensegregationsprozessen. Damit verringern sich die mit der Gaseinspeicherung verbundenen Temperaturerhöhungen. Durch Auswertung der durch den Modifikationswechsel des Gasspeichermaterials verursachten Temperaturänderungen kann daher das damit korrelierende Ausmaß der Alterung des Abgasreinigungsbauteils abgeleitet und beispielsweise eine Alterungskennzahl ermittelt werden.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird als Temperaturfühler ein insbesondere als Mantelthermoelement ausgebildetes Thermoelement eingesetzt. Damit wird auf bewährte Bauelemente zurückgegriffen, welche lediglich geringfügig modifiziert werden müssen, um für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden zu können. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn in weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ein Thermoelement mit geringer thermischer Masse eingesetzt wird. Dies kann mit besonders dünn ausgeführten Thermodrähten, beispielsweise mit einem Durchmesser von 0,1 mm oder weniger und kleinen Manteldurchmessern von beispielsweise 0,5 mm oder weniger erreicht werden. Dies verbessert die Empfindlichkeit des Verfahrens, da der Messeffekt aufgrund der geringen Wärmekapazität des Temperaturfühlers vergrößert wird.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Thermoelement eingesetzt, dessen Schenkel und/oder dessen Thermoperle im Gasspeichermaterial eingebettet sind. Dies ermöglicht eine besonders gute Wärmeübertragung vom Gasspeichermaterial auf die Thermoperle als dem temperatursensitiven Bereich des Thermoelements. Die zur Thermoperle führenden Schenkel können durch Thermodrähte oder als Leiterbahnen, beispielsweise in Dünnschicht- oder Dickschichttechnik ausgeführt sein. Bei einem in Schichttechnologie ausgeführten Thermoelement ist dabei unter einer „Themoperle" die ebenfalls in Schichtform ausgeführte Berührstelle der Schenkel zu verstehen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Mantelthermoelement eingesetzt, dessen Mantel wenigstens abschnittsweise mit dem Gasspeichermaterial beschichtet ist. Dadurch können marktübliche Mantelthermoelemente eingesetzt werden, welche lediglich nachträglich beschichtet werden müssen, wodurch der Zusatzaufwand besonders gering gehalten wird.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Dabei sind die vorstehend genannten und nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:
1 eine erste vorteilhafte Ausführungsform eines als Thermoelement ausgebildeten Temperaturfühlers zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 eine zweite vorteilhafte Ausführungsform eines als Thermoelement ausgebildeten Temperaturfühlers zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 eine dritte vorteilhafte Ausführungsform eines als Thermoelement ausgebildeten Temperaturfühlers zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 eine vierte vorteilhafte Ausführungsform eines als Thermoelement ausgebildeten Temperaturfühlers zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
5 eine fünfte vorteilhafte Ausführungsform eines als Thermoelement ausgebildeten Temperaturfühlers zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
6 ein schematisches Blockbild einer Brennkraftmaschine mit zugehöriger Abgasanlage, umfassend ein zu überwachendes Abgasreinigungsbauteil,
7a ein Diagramm eines zeitlichen Verlaufs von Drehzahl und Ansaugluftmassenstrom bei einem Betriebsartwechsel einer Brennkraftmaschine von einem Zugbetrieb in einen Schubbetrieb,
7b ein Diagramm eines zeitlichen Verlaufs der Abgas-Luftzahl bei einem Betriebsartwechsel gemäß 7a,
7c ein Diagramm eines zeitlichen Verlaufs von Temperaturen in einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine bei einem Betriebsartwechsel gemäß 7a und
8 ein Diagramm zur Verdeutlichung des Zusammenhangs zwischen Bauteilalterung und Größe der bei einem Modifikationswechsel eines Gasspeichermaterials eintretenden Temperaturerhöhung.
Obschon zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens prinzipiell verschiedene gebräuchliche Temperaturfühlerarten, wie beispielsweise Widerstandsthermometer oder in Schichttechnologie gefertigte Thermoelemente eingesetzt werden können, ist es bevorzugt, Mantelthermoelemente mit in Drahtform ausgebildeten Schenkeln zu verwenden, da diese besonders preisgünstig und einfach zu fertigen sind. In 1 ist eine vorteilhafte Ausführungsform eines Thermoelements 1 schema tisch im Schnitt dargestellt. Das Thermoelement ist dabei so in einer in 1 nicht dargestellten Abgasleitung einer Brennkraftmaschine angeordnet, dass seine Spitze ins Innere der Abgasleitung hineinragt. Das Thermoelement 1 weist einen langgestreckten, vorzugsweise metallisch ausgeführten Mantel 5 auf, der mit einem mineralischen, elektrisch nichtleitenden Isoliermaterial 4 gefüllt ist. Im Isoliermaterial 4 eingebettet verlaufen die als Drähte ausgebildeten Schenkel 2, 3, die in der Nähe der Spitze des Thermoelements zu einer Thermoperle 7 verschweißt sind. Die Thermoperle 7 bildet dabei den temperatursensitiven Bereich des Thermoelements 1. Die Schenkel sind aus unterschiedlichen metallischen Materialien, wie beispielsweise Nickel und Chrom-Nickel ausgeführt, wodurch sich an der Thermoperle 7 als Berührstelle der Schenkel 2, 3 der bekannte temperaturabhängige Seebeck-Effekt einstellt, aufgrund dessen an den Schenkeln 2, 3 eine temperaturabhängige Thermospannung abgegriffen werden kann.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Thermoelement 1 ein Gasspeichermaterial aufweist, welches in Wärmeübertragungskontakt mit dem hier als Thermoperle 7 ausgebildeten temperatursensitiven Bereich steht. Somit kann eine durch Wärmefreisetzung im Gasspeichermaterial bewirkte Temperaturerhöhung infolge von Wärmeleitung von der Thermoperle 7 erfasst werden. In dem in 1 dargestellten Fall ist dies dadurch verwirklicht, dass das Isoliermaterial 4 durch das Gasspeichermaterial gebildet ist oder dieses zu einem großen Teil enthält. Dabei ist es bevorzugt, wenn das Gasspeichermaterial lediglich in der näheren Umgebung der Thermoperle 7 vorhanden ist, etwa unterhalb einer im unteren Thermoelementbereich gedachten Linie 6. Der andere Teil des Isoliermaterials 4 oberhalb der Linie 6 kann als gewöhnliches inertes Isoliermaterial ausgeführt sein.
Um einen Kontakt des Abgases der Brennkraftmaschine mit dem Gasspeichermaterial zu ermöglichen, weist der Mantel 5 eine hier als Querschlitz 9 ausgeführte Öffnung auf. Die Öffnung 9 ist dabei vorzugsweise etwa in Höhe der Thermoperle 7 angeordnet. Selbstverständlich können auch mehrere Öffnungen verteilt auf den Umfang des Mantels 5 vorgesehen sein.
Die Öffnung 9 kann anstelle eines Querschlitzes auch eine andere Form aufweisen, beispielsweise kann sie als Längsschlitz ausgebildet sein, was nicht separat dargestellt ist. 2 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform mit einer runden Öffnung 9, wobei zusätzlich an der Thermoelementspitze eine weitere Öffnung 10 vorgesehen ist. Dies verbessert den Kontakt des Abgases mit dem Gasspeichermaterial. Bei der in 3 dargestellten weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Mantel 5 an der Spitze des Thermoelements 1 offen ausgeführt, so dass Abgas am offenen Ende des Thermoelements 1 in Kontakt mit dem Gasspeichermaterial kommen kann.
In einer in 4 dargestellten weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Mantel 5 des Thermoelements mit einer Beschichtung 8 versehen, welche aus dem Gasspeichermaterial besteht oder dieses in nennenswerten Anteilen enthält. Mit dieser Ausführungsform ist ein besonders guter Kontakt des Abgases mit dem Gasspeichermaterial ermöglicht und es kann auf Öffnungen im Mantel 5 verzichtet werden.
In der in 5 dargestellten weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist für ein vorzugsweise in herkömmlicher Bauart vorliegendes Mantelthermoelement 1 ein äußeres, zum Mantel 5 koaxiales Stützrohr 11 vorgesehen und der Ringraum zwischen dem Mantel 5 und dem Stützrohr 11 ist mit Gasspeichermaterial 12 ausgefüllt. Das Stützrohr 11 ist dabei an seinem unteren Ende offen ausgeführt, so dass das Gasspeichermaterial 12 am offenen Ende des Stützrohrs 11 mit Abgas in Kontakt kommen kann. Selbstverständlich kann eine Kontaktmöglichkeit von Abgas und Gasspeichermaterial auch auf andere, nicht näher dargestellte Weise geschaffen werden. Hierfür mögliche Ausführungsformen können beispielsweise ein am unteren Ende geschlossenes Stützrohr 11 aufweisen, welches jedoch stattdessen eine oder mehrere Öffnungen ringsum, vorzugsweise in Höhe der Thermoperle 7 aufweist. Die Öffnungen können dabei prinzipiell beliebig, beispielsweise rund oder schlitzförmig, analog den in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen gestaltet sein.
Als Gasspeichermaterial für die in den 1 bis 5 dargestellten Temperaturfühler bzw. Thermoelemente ist ein Material vorgesehen, welches zur vorzugsweise reversiblen Gaseinspeicherung durch eine chemische Reaktion mit einer Abgaskomponente befähigt ist und dabei eine Modifikationsänderung erfährt. Als Beispiel kann hier ein Stickoxidspeichermaterial angeführt werden, welches im Ausgangszustand beispielsweise als Karbonat vorliegt und bei einer Einspeicherung von im Abgas enthaltenen Stickoxiden in eine Nitratform als zweite Modifikation übergeht. Ebenfalls eine chemische Strukturänderung erfolgt bei der Speicherung von Sauerstoff in ein Sauerstoffspeichermaterial wie Ceroxid oder einem Ceroxid-haltigen Mischoxid, die bei Sauerstoffaufnahme in eine sauerstoffreiche Modifikation mit höherer chemischer Wertigkeit übergehen. Es kann auch um ein Metall vorgesehen sein, welches in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen reversibel von einer metallischen Form in eine oxidische Form übergehen kann. Insbesondere in diesem Fall kann das Gasspeichermaterial selbst als Mantelwerkstoff dienen oder ein Bestandteil des Mantelwerkstoffs bilden, so dass der Mantel 5 des eingesetzten Thermoelements gasspeichernd wirkt. Beispielsweise kann als Mantelwerkstoff Palladium vorgesehen sein, welches unter Bil dung von Palladiumoxid einen Modifikationsübergang erfahren kann. Es kann jedoch auch ein Gasspeichermaterial eingesetzt werden, welches eine Modifikationsänderung infolge einer Chemisorptionsbindung mit dem eingespeicherten Gas erfährt, wobei die chemische Grundstruktur des Gasspeichermaterials im wesentlichen unverändert bleibt, jedoch das eingespeicherte Gas durch schwache chemische Bindungen an das Gasspeichermaterial gebunden wird. Ein Beispiel hierfür ist die Adsorption von Kohlenwasserstoffen in dafür geeignete Speichermaterialien wie beispielsweise Zeolithe.
Insbesondere thermische Beanspruchungen führen je nach Umfang zu einem mehr oder weniger starken Rückgang der Gasspeicherfähigkeit, weshalb die Größe der Temperaturerhöhung bei der Einspeicherung mit zunehmender Alterung nachlässt. Erfindungsgemäß wird dieser Effekt zur Überwachung eines Abgasreinigungsbauteils im Hinblick auf dessen Alterungszustand ausgenützt. Eine vorteilhafte Vorgehensweise hierfür wird nachfolgend unter Bezug auf die 6 bis 8 erläutert.
In 6 ist schematisch eine Brennkraftmaschine 20 mit einer Ansaugluftleitung 21 und einer Abgasleitung 22 dargestellt, in welcher ein Abgasreinigungsbauteil 23 angeordnet ist. In der Abgasleitung 22 ist ein Temperaturfühler 1 vorgesehen, der über eine Signalleitung 25 an eine Steuer- und Auswerteeinheit 26 angeschlossen ist. Die Brennkraftmaschine 20 kann als Ottomotor oder als Dieselmotor ausgebildet sein. Der Temperaturfühler 1 ist mit einem Gasspeichermaterial versehen und vorzugsweise entsprechend den oben erläuterten bevorzugten Ausführungsbeispielen ausgeführt. Vorzugsweise ist der Temperaturfühler 1 wie dargestellt eingangsseitig des Abgasreinigungsbauteils 23 angeordnet, er kann jedoch auch ausgangsseitig angebracht sein oder in das Abgasreinigungsbauteil 23 hineinragen. Wesentlich ist jedenfalls ein Einbau an einer Stelle, an welcher Temperaturen vorherrschen, die mit denen des Abgasreinigungsbauteils 23 korrelieren. Das Abgasreinigungsbauteil 23 ist vorzugsweise motornah in der Abgasleitung 22 angeordnet und bevorzugt als Oxidationskatalysator ausgebildet. Das nachfolgend näher erläuterte Verfahren ist jedoch auch zur Überwachung eines andersartigen Abgasreinigungsbauteils, wie etwa eines Partikelfilters oder eines Dreiwege-Katalysators, eines SCR-Katalysators oder eines Stickoxid-Speicherkatalysators geeignet.
Die Steuer- und Auswerteeinheit 26 verfügt über eine Recheneinheit zur Verarbeitung der empfangenen Daten und eine Speichereinheit in welcher Berechnungsroutinen, Daten, Kennlinien und Kennfelder abgelegt sind, mit deren Hilfe das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Die Steuer- und Auswerteeinheit 26 ist ferner in der Lage, in Abhängigkeit der Signale den Betrieb der Brennkraftmaschine 20 und der gesamten Abgasanlage zu steuern. Stellvertretend für die hierfür vorhandenen Steuerleitungen ist eine Motorsteuerleitung 24 eingezeichnet.
Zur Überwachung des Abgasreinigungsbauteils 23 werden, wie bereits angesprochen, Temperaturerhöhungen auswertet, welche infolge eines Modifikationsübergangs des für den Temperaturfühler 1 vorgesehenen Gasspeichermaterials eintreten und die vom Temperaturfühler 1 erfasst werden. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit wird nachfolgend davon ausgegangen, dass als Gasspeichermaterial ein Oxid der Seltenen Erden, insbesondere ein Cer- und/oder Praseodym-basiertes Oxid oder Mischoxid eingesetzt wird, welches unter Wärmeabgabe durch Reaktion mit im Abgas enthaltenem Sauerstoff von einer sauerstoffarmen ersten Modifikation in eine sauerstoffreiche, zweite Modifikation übergehen kann.
Um zuverlässige Ergebnisse zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn Temperaturerhöhungen infolge von Sauerstoffeinspeicherungen ausgewertet werden, welche unter möglichst reproduzierbaren Bedingungen auftreten bzw. gezielt herbeigeführt werden. Vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang einen Betriebsartwechsel der Brennkraftmaschine 20 bei vorbestimmten stationären oder quasistationären Betriebsbedingungen vorzunehmen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, bei einem Betriebspunkt mit einer zumindest annähernd konstanten Drehzahl im Bereich von etwa 1500 1/min bis etwa 4000 1/min den Brennkraftmaschinenbetrieb von einer fetten Verbrennung mit einem Luft-Kraftstoffverhältnis von λ < 1,0 zu einer mageren Verbrennung mit einem Luft-Kraftstoffverhältnis von λ > 1,0 zu verändern. Dabei ist ein rascher Wechsel, etwa von λ = 0,95 zu λ = 1,10 bevorzugt. Bei der dabei auftretenden Einspeicherung von Sauerstoff in das Gasspeichermaterial kommt es, je nach dessen Alterungszustand, zu einer mehr oder weniger großen, vom Temperaturfühler 1 erfassten Temperaturerhöhung. Hierfür sind exotherme Reaktionen von Abgasbestandteilen untereinander nicht erforderlich. Diese sind im Gegenteil im Allgemeinen unerwünscht, da sie den erläuterten Messeffekt überlagern und somit verfälschen können. Aus diesem Grund ist es bevorzugt, den Betriebsartwechsel so vorzunehmen, dass es zu keinen oder allenfalls nur gering ausgeprägten Reaktionen von Abgaskomponenten miteinander kommen kann. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn bei einem Betriebsartwechsel von unterstöchiometriecher Verbrennung zu überstöchiometrischer Verbrennung letztere so eingestellt wird, dass das Abgas lediglich vernachlässigbare Mengen von oxidierbaren Abgasbestandteilen enthält.
Ebenfalls vorteilhaft ist die Auswertung von Temperaturerhöhungen infolge von Sauerstoffeinspeicherungen, welche bei einem Übergang von einem Zugbetrieb der Brennkraftmaschine 20 mit unterstöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis (λ < 1,0) zu einem Schubbetrieb mit überstöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis (λ > 1,0) auftreten. Dabei typischerweise auftretende Verhältnisse werden nachfolgend unter Bezug auf die 7a bis 7c erläutert.
Zu dem in den Diagrammen mit t0 bezeichneten Zeitpunkt wechselt der Betriebszustand der Brennkraftmaschine von einem Zugbetrieb mit Leistungsabgabe auf einen Schubbetrieb mit Leistungsaufnahme. Im Schubbetrieb erfolgt eine so genannte Schubabschaltung mit Abschaltung der Kraftstoffzufuhr und Drosselung der Ansaugluft. Infolgedessen sinkt der angesaugte Luftmassenstrom m_L zum Zeitpunkt t0 schlagartig ab, während die Brennkraftmaschinendrehzahl n nahezu konstant bleibt, was durch den Verlauf der Spuren 30 und 31 im Diagramm der 7a wiedergegeben ist.
Das im Zugbetrieb schwach fett eingestellte Luft-Kraftstoff verhältnis der Brennkraftmaschine von etwa λ = 0,97 wechselt beim Übergang in den Schubbetrieb infolge der fehlenden Kraftstoffzufuhr auf einen sehr hohen Wert. Dies macht sich in einem entsprechenden Wechsel der Abgaszusammensetzung von schwach reduzierend nach stark oxidierend bemerkbar, was durch den Verlauf der Abgas-Luftzahl λ zum Ausdruck kommt, der durch die Spur 32 im Diagramm der 7b wiedergegeben ist.
Die sich ergebenden Temperaturverhältnisse sind im Diagramm der 7c dargestellt. Dabei ist der Verlauf der Abgastemperatur vor dem Abgasreinigungsbauteil 23, wie er mit einem gewöhnlichen Temperaturfühler gemessen werden kann, durch die Spur 34 wiedergegeben. Die Spur 33 gibt hingegen den mit dem Temperaturfühler 1 erfassten Temperaturverlauf wieder. Wie ersichtlich, sinkt infolge der Schubabschaltung zum Zeitpunkt t0 die Abgastemperatur vor dem Abgasreinigungsbauteil 23 sehr rasch ab. Hingegen steigen die mit dem Temperaturfühler 1 erfassten Temperaturen um zunächst um ΔT an. Ursache hierfür ist ein exothermer Modifikationsübergang der als Sauerstoffspeicher wirkenden Cer-haltigen Komponenten des Gasspeichermaterials, mit welchem der Temperaturfühler 1 versehen ist. Das bei den reduzierenden Bedingungen des Zugbetriebs in reduzierter Form, beispielsweise als Ce₂O₃ vorliegende Cer wandelt sich bei den sich mit Übergang in den Schubbetrieb einstellenden oxidierenden Bedingungen in eine sauerstoffreichere Modifikation, beispielsweise in CeO₂ um. Diese Sauerstoffaufnahmereaktion verläuft sehr rasch und ist exotherm, weshalb die Temperatur der Gasspeichermaterials um ΔT ansteigt. Infolge der erniedrigten Abgastemperatur vor dem Abgasreinigungsbauteil 23 nimmt im weiteren Verlauf die mit dem Temperaturfühler 1 erfasste Temperatur wieder ab.
Aus der Größe der Temperaturänderung ΔT kann abgeleitet werden, ob und in welchem Umfang ein Modifikationsübergang eintritt, d.h. ob und in welchem Umfang Sauerstoffspeicherfähigkeit zur Verfügung steht. Beispielsweise durch Vergleich mit einem im Neuzustand ermittelten Referenzwert kann ein alterungsbedingter Rückgang der Temperaturerhöhung ΔT festgestellt werden. Infolge der im Betrieb vergleichbaren alterungsrelevanten Belastungen des Temperaturfühlers 1 und des Abgasreinigungsbauteils 23 kann daher auch der Alterungszustand des Abgasreinigungsbauteils 23 ermittelt werden.
Bevorzugt ist es, zu diesem Zweck auf eine vorab empirisch ermittelte Kennlinie zurückzugreifen, welche in der Steuereinheit 26 abgelegt ist. In 8 ist zur Verdeutlichung schematisch eine solche Kennlinie dargestellt. Die Kennlinie gibt einen typischen Zusammenhang zwischen der unter definierten Bedingungen, wie beispielsweise einem oben erläuter ten Betriebsartwechsel der Brennkraftmaschine 1, erfassten Temperaturerhöhung ΔT und einer daraus abgeleiteten Alterungskennzahl K des mit dem Temperaturfühler 1 überwachten Abgasreinigungsbauteil 23 wieder. Bei vergleichsweise hohen Werten für die erfasste Temperaturerhöhung ΔT ist das Abgasreinigungsbauteil 23 nur gering oder nicht gealtert. Dementsprechend ist die zugeordnete Alterungskennzahl K ebenfalls gering. Werden die unter vergleichbaren Bedingungen erfassten Temperaturerhöhungen ΔT im Laufe der Zeit geringer, so werden diesen wachsende Alterungskennzahlen K zugeordnet. Je nach Größe der entsprechend der jeweiligen Temperaturerhöhung ΔT ermittelten Alterungskennzahl K können unterschiedliche Reaktionen von der Steuer- und Auswerteeinheit 16 vorgesehen sein. Beispielsweise können Einträge in einen auslesbaren Fehlerspeicher oder Warnmeldungen vorgesehen sein. Es können jedoch bei Auftreten von kritischen Alterungskennzahlen K auch Eingriffe in den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 vorgesehen sein, welche dazu führen, dass diese so betrieben wird, dass hohe Abgastemperaturen vermieden werden um eine weitere Alterung des Abgasreinigungsbauteils 23 zu verhindern. Falls eine Überschreitung eines oberen Grenzwerts für die Alterungskennzahl K festgestellt wird, wird vorzugsweise eine Meldung betreffend eine Schädigung des Abgasreinigungsbauteils 23 ausgegeben.
Infolge des Umstands, dass der Temperaturfühler 1 und das Abgasreinigungsbauteil 23 vergleichbaren alterungsrelevanten Bedingungen ausgesetzt sind, kann eine Diagnose des Abgasreinigungsbauteils 23 auch offline, beispielsweise bei Durchführung eines turnusmäßig vorgesehenen Serviceumfangs durch Überprüfung des Temperaturfühlers 1 vorgenommen werden. Hierzu wird der Temperaturfühler 1 ausgebaut und unter Standardbedingungen einer Prüfprozedur unterzogen. Dabei wird der Temperaturfühler beispielsweise zunächst mit einem heißen, reduzierend wirkenden Abgas einer Verbrennungsquelle, wie einem mit Luftmangel betriebenen Bunsenbrenner beaufschlagt. Unter diesen Bedingungen geht das sauerstoffspeichernde Gasspeichermaterial des Temperaturfühlers 1 in seine erste, sauerstoffarme Modifikation über. Nach einer vorbestimmten Zeitspanne oder nach Einstellung stationärer Verhältnisse wird die Verbrennungsquelle auf Luftüberschuss umgeschaltet und der Temperaturfühler somit mit sauerstoffreichem Abgas beaufschlagt. Dadurch wird ein Modifikationsübergang seines Gasspeichermaterials in die zweite, sauerstoffreiche Modifikation veranlasst. Aus der dabei beispielsweise mit einer Spitzenwert erfassenden Messeinrichtung gemessenen maximalen Temperaturerhöhung ΔT wird der Alterungszustand des Abgasreinigungsbauteils 23 abgeleitet. Da eine solcherart durchgeführte Prüfprozedur unter Laborbedingungen sehr einfach und zudem sehr gut reproduzierbar durchzuführen ist, können auf diese Weise besonders zuverlässige Aussagen über den Alterungszustand des Abgasreinigungsbauteils 23 getroffen werden.

Claims

Verfahren zur Überwachung eines Abgasreinigungsbauteils (23) zur Reinigung von Abgasen einer Brennkraftmaschine (20) mittels eines Temperaturfühlers (1) mit einem temperatursensitiven Bereich, wobei der Temperaturfühler (1) ein mit dem temperatursensitiven Bereich in Wärmeübertragungskontakt stehendes Gas speichermaterial aufweist, welches mit Abgas der Brennkraftmaschine (20) in Kontakt kommen kann, dadurch gekennzeichnet, dass eine bei einem exothermen Modifikationsübergang des Gasspeichermaterials von einer ersten Modifikation in eine zweite Modifikation eintretende Temperaturerhöhung (ΔT) des Gasspeichermaterials erfasst wird und aus der Größe der erfassten Temperaturerhöhung (ΔT) ein Maß für einen Alterungszustand des Abgasreinigungsbauteils (23) abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ableitung des Alterungszustands eine Temperaturerhöhung (ΔT) ausgewertet wird, die bei einem im Zusammenhang mit einem Betriebsartwechsel der Brennkraftmaschine (20) erfolgenden Modifikationsübergang auftritt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ableitung des Alterungszustands eine Temperaturerhöhung (ΔT) ausgewertet wird, die bei einem im Zusammenhang mit einem Wechsel des Brennkraftmaschinenbetriebs von einer fetten Verbrennung zu einer mageren Verbrennung erfolgenden Modifikationsübergang auftritt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ableitung des Alterungszustands eine Temperaturerhöhung (ΔT) ausgewertet wird, die bei einem im Zusammenhang mit einem Wechsel von einem Zugbetrieb der Brennkraftmaschine (20) mit unterstöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis (λ < 1,0) zu einem Schubbetrieb mit überstöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis (λ > 1,0) erfolgenden Modifikationsübergang auftritt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Gasspeichermaterial ein Material mit Sauerstoffspeicherfähigkeit eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Gasspeichermaterial ein Ceroxid-haltiges Gasspeichermaterial eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Temperaturfühler (1) ein insbesondere als Mantelthermoelement ausgebildetes Thermoelement eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Thermoelement mit geringer thermischer Masse eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Thermoelement eingesetzt wird, dessen Schenkel (2, 3) und/oder dessen Thermoperle (7) im Gasspeichermaterial eingebettet sind.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mantelthermoelement eingesetzt wird, dessen Mantel (5) wenigstens abschnittsweise mit dem Gasspeichermaterial beschichtet ist.