DE102008012050A1

DE102008012050A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung eines Abgasnachbehandlungssystems, das einen Abgaskatalysator beinhaltet

Info

Publication number: DE102008012050A1
Application number: DE102008012050A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Fischerauer; Andreas Gollwitzer; Gunter Hagen; Ralf Moos; Matthias Spoerl; Marion Wedemann
Original assignee: Gollwitzer Andreas Dipl-Ing; Sporl Matthias Dipl-Ing; Wedemann Marion Dipl-Ing (fh)
Current assignee: FISCHERAUER, GERHARD, PROF. DR.-ING., DE; Hagen Gunter Dr-Ing De; MOOS, RALF, PROF. DR. ING., DE; MOOS, RALF, PROF. DR.-ING., DE; Spoerl Matthias Dipl-Ing De
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2009-09-03

Abstract

Der Zustand von Abgasnachbehandlungssystemen, wie sie vornehmlich im Kfz eingesetzt werden, soll ohne Gassensor bestimmt und eine auf den Zustandsdaten basierte Regelung des Motorbetriebs durchgeführt werden. Hierzu wird vorgeschlagen, den kontinuierlichen zeitlichen Verlauf der Katalysatorbeladung bzw. -entladung berührungslos mit Hilfe einer Mikrowellenanordnung zu erfassen und den Katalysatorzustand als Eingangsgröße für die Motorregelung verfügbar zu machen. Kfz-Technik.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung eines Abgasnachbehandlungssystems, das einen Abgaskatalysator beinhaltet.
Technischer Hintergrund
Immer schärfere Abgasgesetze verbunden mit dem Druck zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauches erfordern neue Konzepte sowohl für den Verbrennungsmotor als auch für die Abgasreinigung. Dies bedingt auch neue Konzepte für die Steuerung und Überwachung von Abgasreinigungsanlagen.
Beim stöchiometrisch betriebenen Ottomotor (sog. „λ = 1-Motor”) wird das Luft/Kraftstoffverhältnis λ (auch Luftzahl genannt) des Rohabgases mit Hilfe einer ersten λ-Sonde detektiert. Bei einer Regelabweichung vom Sollwert λ = 1 wird dann das Luft/Kraftstoffverhältnis nachgeregelt. In der Praxis erhält man so eine λ-Schwingung des Rohabgases um den stöchiometrischen Punkt (λ = 1), wobei die Schwingungsfrequenz im Bereich einiger zehntel Sekunden bis einiger Sekunden liegt. Im zeitlichen Mittel muss aber λ = 1 eingehalten werden [1].
Aufgrund der Sauerstoffspeicherfähigkeit des nach der ersten λ-Sonde angeordneten sog. „Drei-Wege-Katalysators” findet immer eine optimale Konversion statt, solange der Katalysator noch in gutem Zustand ist. Mit abnehmender Katalysatorgüte, was sich in einer Verringerung der Konversionsrate und einem Anstieg der Anspringtemperatur äußert, nimmt auch die Fähigkeit ab, Sauerstoff zu speichern. Eine zweite, nach dem Katalysator angeordnete λ-Sonde wird in diesem Fall die Regelschwingung detektieren. Eine Katalysatorgüteerkennung ist daher möglich, indem das Verhältnis der Signalamplituden der beiden λ-Sonden ausgewertet wird. Dieses indirekte Verfahren stößt allerdings bei neuartigen effizienten Katalysatoren, wie sie z. B. für SULEV-Anforderungen gebraucht werden, an seine Grenzen [2]. Denn um aus den Signalen der beiden λ-Sonden auf den Zustand des sauerstoffspeichernden Katalysators schließen zu können, ist eine sehr aufwändige Modellbildung notwendig, die insbesondere ein Motorbetriebszustandsmodell erfordert.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, auf wesentlich einfachere Art und Weise den Betriebszustand und die Güte eines Katalysators, der Gase wie z. B. Sauerstoff speichert, zu bestimmen. Insbesondere kann bestimmt werden, in wie weit die Sauerstoffspeicher des Katalysators gefüllt sind oder wo sich die Sauerstoffbeladungsfront im Katalysator befindet.
Stand der Technik
Der Vorschlag, den Zustand von Katalysatoren direkt zu detektieren, taucht in der Patentliteratur erst in jüngster Zeit auf. So beansprucht die Anmeldung DE 196 35 977 A1 einen Sensor zur Überwachung eines NO_x-Katalysators, der ein Speichermaterial zur Adsorption von NO_x aufweist, wobei das Speichermaterial das sensitive Element des Sensors bildet. Der Sensor ist dadurch gekennzeichnet, dass er auf eine elektrische oder elektromagnetische Eigenschaft des Speichermaterials anspricht, die sich mit der adsorbierten NO_x-Menge ändert.
Die Anmeldung DE 198 05 928 A1 beansprucht ein Verfahren zur Bestimmung des Füllgrads oder der Güte eines mittels eines Speichermediums Gase speichernden Katalysators, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Änderung mindestens einer physikalischen Eigenschaft des mit dem Speichervorgang sich verändernden Speichermediums gemessen wird und anhand dieser Ergebnisse der Füllgrad oder die Güte bestimmt wird. Dabei soll nach DE 198 05 928 C2 die Messung am Speichermedium selbst erfolgen, indem ein Messwertaufnehmer auf das Speichermedium aufgebracht oder in unmittelbaren Kontakt mit ihm gebracht wird.
In der Anmeldung DE 100 64 499 A1 wird ein Verfahren vorgeschlagen, das den Zustand eines NO_x-Speicherkatalysators erkennt, welcher im Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine zyklisch mit NO_x beladen und regeneriert wird. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zwei voneinander unabhängige elektrische Bestimmungsgrößen der elektrischen Impedanz des NO_x-Speicherkatalysators detektiert werden, wobei eine der beiden elektrischen Größen ein Maß für den Beladungsgrad des NO_x-Speicherkatalysators ist und aus der zweiten elektrischen Größe der Zeitpunkt für das Ende des Regenerationsvorgangs des NO_x-Katalysators erkannt werden kann.
In der Anmeldung JP 61-274748 wird vorgeschlagen, die Alterung („deterioration”) eines Metalloxidkatalysators in situ zu detektieren, indem die von der Reaktion beeinflusste Sauerstoffnichtstöchiometrie, die zu einer elektrischen Leitfähigkeitsänderung führt, mittels einer konventionellen Leitfähigkeitsmessung erfasst wird.
In der Anmeldung JP 63-165744 wird die Beobachtung ausgenutzt, dass eine Alterung („degradation”) mit einer Verringerung der Edelmetallmenge und mit einer deutlichen Verringerung der Oberfläche einhergeht. Über eine Messung der elektrischen Leitfähigkeit der Katalysatorbeschichtung soll daher die Alterung der Beschichtung bestimmt werden. Auch hier findet eine direkte Kontaktierung des Katalysators statt.
Alle oben erwähnten Offenlegungsschriften und Patentschriften weisen den gemeinsamen Hauptnachteil auf, dass die Messung direkt am Katalysatorwerkstoff durchgeführt wird. Damit ist immer das Problem einer Kontaktierung verbunden, welches technisch nicht leicht lösbar ist und in diesen Schriften auch gar nicht angesprochen wird.
Zusätzlich erwähnt die Anmeldung DE 196 35 977 A1 noch, dass der Sensor als Resonator, als Hohlraumresonator oder als gefüllter Wellenleiter ausgebildet ist. Dabei ist klar, dass die DE 196 35 977 A1 unter Sensor ein einzelnes Bauelement mit Heizer und Beschichtung versteht, wie es auch in der 1 der DE 196 35 977 A1 gezeigt ist.
Demgegenüber wird in der Anmeldung DE 103 58 495 A1 ein berührungsloses Verfahren zur Erkennung des Zustands eines Katalysators, insbesondere eines NO_x-Speicherkatalysators, vorgeschlagen. Hierzu wird im Innenraum des als Hohlraumresonator ausgebildeten Katalysatorgehäuses eine elektromagnetische Mikrowellenresonanz angeregt und die Verschiebung der Resonanzfrequenz und/oder -güte beobachtet. Das Absinken der Resonanzfrequenz wird als Maß für die zunehmende NO_x-Beladung des Speichermaterials des Katalysators genommen. Bei Erreichen eines vorgebbaren Werts der Resonanzfrequenz wird eine Regeneration durchgeführt.
Dieses Verfahren nach DE 103 58 495 A1 weist Nachteile sowohl bei der hardwaretechnischen Ausgestaltung des Messsystems als auch bei der Interpretation und Verarbeitung der Messsignale auf. Bezüglich der hardwaretechnischen Ausgestaltung wird in DE 103 58 495 A1 vorgeschlagen, ein Entweichen elektromagnetischer Energie aus dem Katalysatorgehäuse entweder durch Einschränken der Frequenz (Anspruch 7) oder durch eine stirnseitige Metallisierung des katalytischen Wabenkörpers (Anspruch 13) zu verhindern. Im ersteren Fall ist die Resonatorgeometrie nur unzureichend definiert und frequenzabhängig. Im letzteren Fall ergibt sich zwar ein Resonator definierter Geometrie, dessen Länge durch den Wabenkörper bestimmt ist, aber die stirnseitige Metallisierung schirmt den Wabenkörper gegen das Feld ab, das die außerhalb angeordneten Sende- bzw. Empfangssonden erzeugen, und widerspricht somit dem Zweck der Erfindung.
Hinsichtlich der Interpretation und Verarbeitung der Messsignale ist das in der Anmeldung DE 103 58 495 A1 beschriebene Verfahren ausdrücklich auf eine Zweipunktregelung eingeschränkt. Es wird benannt, dass die Verschiebung der Resonatorgüte als Maß für die Sauerstoffbeladung ausgewertet wird und dass bei Erreichen eines vorgebbaren Werts der Resonanzfrequenz und/oder der Güte die Regeneration des Speichermaterials durchgeführt wird (Anspruch 4). Diese ausschließliche Auswertung von Grenzwertüberschreitungen berücksichtigt insbesondere nicht das Zusammenspiel zwischen hochfrequenztechnisch messbaren Signalmerkmalen (etwa einer Resonanzfrequenz) und dem zeitlichen Verlauf der Katalysatorbeladung bzw. -entladung.
Die Kenntnis dieses zeitlichen Verlaufs könnte für die in der Anmeldung DE 103 58 495 A1 hauptsächlich betrachteten NO_x-Speicherkatalysatoren entbehrlich sein und daher eine reine Auswertung von Grenzwertüberschreitungen rechtfertigen. Dies gilt aber nicht für andere Katalysatoren wie den des Drei-Wege-Katalysators in einem im zeitlichen Mittel stöchiometrisch betriebenen Motor. Da man, wie oben beschrieben, bei diesem Motortyp eine λ-Schwingung des Rohabgases um den stöchiometrischen Punkt (λ = 1) erhält, kann das in der Anmeldung DE 103 58 495 A1 vorgeschlagene Verfahren zu erheblichen Fehldeutungen führen, insbesondere weil die Beladung im Normalfall immer unvollständig sein wird und der Katalysator nicht bis zur vollständigen Sauerstoffentladung regeneriert oder bis zur maximalen Kapazität befüllt wird. Da der Drei-Wege-Katalysator stets bei λ ≈ 1 (mit nur kleinen Schwankungen der Luftzahl um den Wert 1) betrieben wird, reicht die alleinige Auswertung der Grenzwertüberschreitungen von Resonanzfrequenzen und/oder -güten für die Mororregelung schwerlich aus.
Ebenfalls hinsichtlich der Interpretation und Verarbeitung der Messsignale stellt die Anmeldung DE 103 58 495 A1 fest, dass der Transmissionsfaktor eines Hohlraumresonators, der mit einem katalytisch beschichteten Wabenkörper gefüllt ist, im mageren Abgas wesentlich höher als im fetten Abgas ist. Dies ist aber nur bei einer Frequenz der Fall, in der der Transmissionsfaktor ein Maximum hat. Das Verhältnis der Transmissionsfaktoren im fetten Abgas und im mageren Abgas kann man aus der 2 der DE 103 58 495 A1 zu 2,75 (entspricht 4,4 dB) berechnen. Wünschenswert wären aber 20 dB oder mehr.
Erneut hinsichtlich der Interpretation und Verarbeitung der Messsignale benennt die Anmeldung DE 103 58 495 A1 als auszuwertende Signalmerkmale ausschließlich die Resonanzfrequenz und/oder -güte einer oder mehrerer Hohlraumresonanzen. Für die Messung beider Signalmerkmale ist es erforderlich, das Mikrowellensignal bei veränderlichen (statt bei fest gewählten) Frequenzen zu beobachten. Dies erhöht den Hardwareaufwand.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem ein Abgasnachbehandlungssystem, welches einen Abgaskatalysator beinhaltet, betrieben werden kann und das die oben genannten Nachteile des bekannten Standes der Technik nicht mehr aufweist. Insbesondere soll der kontinuierliche zeitliche Verlauf der Katalysatorbeladung bzw. -entladung berührungslos und reproduzierbar erfasst und der Katalysatorzustand als Eingangsgröße für die Motorregelung verfügbar gemacht werden.
Beschreibung der Erfindung
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1 einen Motorregelkreis mit kontinuierlicher Katalysatorzustandsschätzung, basierend auf der Beobachtung der Hochfrequenzeigenschaften eines katalysatorgefüllten Hohlraumresonators;
2 ein Schema der Versuchsanordnung;
3 einen Hohlraumresonator, gefüllt mit beschichtetem keramischem Wabenkörper, angekoppelt über Antennen und mit gasdurchlässigen, elektrische Kurzschlüsse darstellenden Reflexionsgittern an den Enden;
4a den Betrag der Vorwärtsübertragungsfunktion S₂₁ des Resonators bei vollständig sauerstoffbeladenem und bei vollständig reduziertem Katalysator;
4b ein Detail von 4a;
5 einen beispielhaften Zeitverlauf der Luftzahl λ vor und nach Katalysator sowie von |S₂₁| bei zwei ausgewählten festen Frequenzen;
6 den Betrag der Vorwärtsübertragungsfunktion S₂₁ eines Beispiel-Resonators ohne Reflexionsgitter;
7 den Betrag der Vorwärtsübertragungsfunktion S₂₁ eines Beispiel-Resonators mit Reflexionsgitter;
8 eine Skizze eines in eine kapazitive Antenne integrierten Thermoelements.
Das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem ist in 1 dargestellt. Das metallische Gehäuse des Katalysators wirkt als (gefüllter) Hohlraumresonator, der entweder als Eintorresonator – Ein- und Auskopplung eines Mikrowellensignals über Antenne 1 oder aber über Antenne 2 – oder als Zweitorresonator – Einkopplung eines Mikrowellensignals über Antenne 1 und Auskopplung über Antenne 2 oder umgekehrt – betrieben werden kann. Zur frequenz- und anschlussrohrunabhängigen, reproduzierbaren Festlegung des Resonanzvolumens ist es vorteilhaft (obgleich für das Verfahren nicht unabdingbar notwendig), an den Enden des Katalysatorgehäuses metallische Gitter vorzusehen, welche den Abgasstrom nicht unzulässig behindern, für elektromagnetische Wellen im Frequenzbereich bis zu einigen GHz aber wie elektrische Kurzschlüsse wirken.
Die Antennen sind hochtemperaturtauglich ausführen. Es eignen sich beispielsweise Anordnungen mit einem metallischen Hohlzylinder als Außenleiter und einem hierzu koaxialen metallischen Innenleiter, der über keramische Scheiben als Abstandshalter gelagert ist und länger als der Außenleiter ist, so dass er in den Resonanzraum hineinragt (kapazitive Ankopplung). Ebenso können ein metall- oder drahtgefülltes isolierendes Keramikröhrchen, dessen Füllung länger als das Röhrchen ist, zusammen mit der leitfähigen Wand des Katalysator-Cannings oder eine kleine Leiterschleife, deren Ende leitend mit dem Katalysatorgehäuse verbunden ist (magnetische Einkopplung), als Antenne dienen.
Aus den von außen gemessenen komplexwertigen S-Parametern S₁₁, S₁₂, S₂₁ und S₂₂ des Hohlraumresonators werden kontinuierlich Merkmale extrahiert, die in einem eindeutigen Zusammenhang mit dem interessierenden Zustand des Katalysators stehen. Aus den gemessenen S-Parametern wird dann kontinuierlich und in der Regel mit Hilfe eines Katalysatormodells, das die elektrochemischen Vorgänge im Katalysator zur Grundlage hat, auf den Zustand des Katalysators geschlossen. Eine besonders wichtige Größe, die hier geschätzt werden soll, ist die Position der Beladungsfront im Katalysator oder der Grad der Katalysatorbeladung.
Der derart geschätzte Katalysatorzustand wird kontinuierlich der Motorregeleinrichtung zur Verfügung gestellt. Diese sorgt durch entsprechende Steuersignale dafür, dass dem Motor je nach Katalysatorzustand ein gleichbleibendes, ein magereres oder ein fetteres Kraftstoffgemisch zugeführt wird.
Ein Demonstrator der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung wurde mit dem Versuchaufbau von 2 erprobt. Zwei Gasmischungen, die ein fettes bzw. ein mageres Abgas repräsentieren, können so geschaltet werden, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung abwechselnd von fettem und magerem Abgas durchströmt wird. Bevor das Gas die Abgasnachbehandlungseinrichtung durchströmt, wird es auf einige hundert Grad Celsius vorgeheizt. Kurz vor Eintritt in die und kurz nach Austritt aus der Abgasnachbehandlungseinrichtung wird die Luftzahl λ mit Hilfe jeweils einer kommerziellen Breitband-λ-Sonde gemessen. Zusätzlich kann das Gas nach dem Katalysator analysiert werden.
Der zentrale Hardwareteil des beispielhaften Abgasnachbehandlungssystems ist in 3 dargestellt. Der Resonator hatte die Abmessungen ∅ = 125 mm und L_R = 375 mm, wobei der Wabenkörper nur eine Länge von L_W = 110 mm besaß. Die Anordnung wurde auf 430°C geheizt und nacheinander mit fettem (λ ≈ 0,85) und magerem (λ ≈ 1,1) synthetischem Abgas beprobt. Zusätzlich waren noch hier nicht gezeigte Temperatursensoren eingebracht, um zu überprüfen, ob sich der Katalysator aufgrund der freiwerdenden Enthalpie aufheizt. Die HF-Signalerfassung, d. h., die Messung der an den Antennen abgreifbaren S-Parameter des beladenen Hohlraumresonators, erfolgte mit Hilfe eines hier nicht dargestellten vektoriellen Netzwerkanalysators.
Zunächst wurden stationäre Messungen durchgeführt, d. h., der Katalysator wurde so lange oxidiert bzw. reduziert, bis die Abgaszusammensetzung vor und nach Katalysator identisch war. Die Messung erfolgte mit einer handelsüblichen Motorprüfstandsanalytik. Danach wurden die S-Parameter im Frequenzbereich von 9 kHz bis 4 GHz gemessen. Geometriebedingt lag die Cut-off-Frequenz des Resonator-Grundmodes (ähnlich dem TE₁₁₁-Mode eines homogen gefüllten kreiszylindrischen Hohlraumresonators) bei etwa 1,1 GHz. In 4a ist der Betrag der Vorwärtsübertragungsfunktion S₂₁ des Resonators bei vollständig sauerstoffbeladenem und bei vollständig reduziertem Katalysator über den gesamten Frequenzbereich dargestellt.
Es fällt auf, dass die Höhe der lokalen Minima und Maxima (und auch ihre Frequenzlage) vom Zustand des Katalysators abhängen. Es ist auch bemerkenswert, dass nicht immer der reduzierte Zustand (also der sauerstoffentladene, elektrische leitfähigere Zustand) zu den kleineren |S₂₁|-Werten führt. Dies ist vor allem im Bereich der meisten |S₂₁|-Minima der Fall, wie die hervorgehobenen Stellen in der 4b, die eine Ausschnittsvergrößerung von 4a ist, zeigen.
In 5 ist gezeigt, dass bestimmte Signalmerkmale der gemessenen S-Parameter in der Tat den zeitabhängigen inneren Zustand des Katalysators widerspiegeln. Im Beispiel wurde der S-Parameterbetrag |S₂₁| bei den zwei jeweils fest gewählten Frequenzen 1,21 und 3,70 GHz (lokales Maximum bzw. Minimum von |S₂₁| als Funktion der Zeit aufgezeichnet, während der Katalysator mit Fett-Mager-Wechseln bzw. Mager-Fett-Wechseln beaufschlagt wurde. Die HF-Signalmerkmale ändern sich immer dann streng monoton (grau hinterlegte Zeitintervalle), wenn eine Reaktionsfront durch den Katalysator läuft, erkennbar daran, dass die λ-Sonde vor Katalysator die Luftzahl des zugeführten Gases und die λ-Sonde nach Katalysator den Wert 1 anzeigt.
Der Sachverhalt werde detaillierter für das Zeitintervall von t ≈ 16 min bis t ≈ 22 min erläutert. Die Luftzahl λ vor Katalysator springt sofort bei dem Mager-Fett-Wechsel zum Zeitpunkt t ≈ 16 min, während λ nach Katalysator zunächst eine Stufe bei λ = 1 annimmt. Erst wenn der gespeicherte Sauerstoff des Katalysators verbraucht ist (t ≈ 22 min), nimmt λ nach Katalysator wieder den gleichen Wert wie λ vor Katalysator an. Während der (λ = 1)-Phase nach Katalysator beobachtet man ein streng monotones Abnehmen sowohl von |S₂₁ (f = 1,21 GHz)| als auch von |S₂₁ (f = 3,70 GHz)|. Der Katalysator beginnt also sofort mit dem Gaswechsel, seinen Zustand zu ändern. Es läuft eine Reaktionsfront durch ihn, die man mittelbar über die zeitliche Änderung von |S₂₁| beobachten kann. Sobald der Katalysator vollständig seinen anderen Zustand angenommen hat (bei t ≈ 22 min), springt λ nach Katalysator und die gemessenen S-Parameter bleiben konstant bis zum nächsten Gaswechsel bei t ≈ 30 min.
Bei der erfindungsgemäßen kontinuierlichen Schätzung des Katalysatorzustandes kommt es auf reproduzierbare Verhältnisse an. Dass der erwähnte Einbau von Reflexionsgittern hier von Vorteil sein kann, wird mit 6 und 7 demonstriert. In beiden Fällen wurde der Betrag der Vorwärtsübertragungsfunktion S₂₁ des Resonators gemessen, einmal ohne Reflexionsgitter (6) und einmal mit Reflexionsgitter (7). Die Abfolge von Maxima und Minima der Messung mit Reflexionsgittern wirkt übersichtlicher und weniger erratisch. Aufgrund der Abschirmwirkung der Reflexionsgitter dringt das Feld nicht mehr bzw. nicht mehr so weit in den Bereich der Anschlussrohre ein. Dadurch entsteht ein hochfrequenztechnisch eindeutiger definierter und von der Form der Anschlussrohre unabhängiger Resonator. Dies ist vorteilhaft, weil die konusförmigen Übergänge zwischen dem Katalysatorgehäuse und den Anschlussrohren, insbesondere beim Gaseinlass, nach strömungstechnischen Gesichtspunkten ausgelegt werden, z. B. dergestalt, dass der keramische Wabenkörper gleichmäßig vom Gas durchspült wird.
Ein Betrieb ohne die Reflexionsgitter ist denkbar, erfordert aber einen höheren Aufwand bei der Invertierung des Zusammenhangs zwischen Katalysatorzustand und gemessenen S-Parametern.
Als Beispiele für geeignete Signalmerkmale, mit denen sich der Katalysatorzustand mittelbar beobachten lässt, seien genannt, ohne dass diese Liste als vollständig aufzufassen ist:

– Die Frequenz lokaler Maxima des Betrages von S₁₁, S₁₂, S₂₁ oder S₂₂
– Die Frequenz lokaler Minima des Betrages von S₁₁, S₁₂, S₂₁ oder S₂₂
– Der Wert lokaler Maxima im Betrag von S₁₁, S₁₂, S₂₁ oder S₂₂
– Der Wert lokaler Minima im Betrag von S₁₁, S₁₂, S₂₁ oder S₂₂
– Der Wert des Betrages von S₁₁, S₁₂, S₂₁ oder S₂₂ bei festen Frequenzen (Beispiel von 5)
– Der Wert der Phase von S₁₁, S₁₂, S₂₁ oder S₂₂ bei festen Frequenzen
– Der Wert von |S₁₁|² + |S₂₁|² – 1 oder von |S₂₂|² + |S₁₂|² – 1 bei festen Frequenzen (diese beiden Ausdrücke sind ein Maß für die Verluste im Resonator; im verlustfreien Fall ergeben sie Null, bei Verlusten, etwa durch endliche Leitfähigkeit im Katalysator, weichen sie von Null ab)
– Kombinationen der obigen Merkmale

Die in 1 benannten weiteren Eingangsgrößen können Daten von anderen Abgassensoren, von anderen Sensoren und/oder von der Motorsteuerung berechnete oder geschätzte Größen sein. Beispielsweise kann eine der weiteren Eingangsgrößen die Abgastemperatur, wie sie aus einem Temperaturmodell berechnet wird oder wie sie mit Hilfe eines Temperatursensors gewonnen wird, sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann eine von möglicherweise mehreren weiteren Eingangsgrößen nach 1 die Temperatur des Abgaskatalysators, die mit Hilfe eines Temperatursensors gemessen wird, sein. Hier bietet sich neben der eingefügten Antenne nicht nur der Einbau eines zusätzlichen Temperatursensors an, sondern es ist auch als Lehre der Erfindung anzusehen, wenn Antenne und Temperatursensor zu einem Bauteil integriert sind.
Eine mögliche Ausführungsform eines in die Antenne integrierten Temperatursensors kann eine Leiterschleife umfassen, die auch in planarer Form auf einem Substrat angeordnet sein kann, und die zu einer induktiven Ankopplung genutzt wird. Die Leiterschleife kann gleichzeitig als resistiver Temperatursensor dienen, da der Widerstand des Leitermaterials üblicherweise von der Temperatur abhängt.
Eine mögliche Ausführungsform eines in die Antenne integrierten Temperatursensors kann ein Thermoelement umfassen, das in die kapazitive Antenne eingebracht wird. Ein mögliches Ausführungsbeispiel hierzu ist in 8 skizziert. Ein ähnlich einem konventionellem Mantelthermoelement aufgebautes Bauteil dient als Antenne. Innerhalb des metallenen Schutzmantels befinden sich zwei an der Spitze miteinander verbundene Thermoelementdrähte, die durch die innere elektrische Isolation vom metallenen Schutzmantel getrennt sind. Der Schutzmantel stellt die eigentliche Antenne dar. Er ist elektrisch zum Abgasrohr isoliert in das Abgasrohr eingebracht. Die inneren beiden Drähte, die die beiden Schenkel eines Thermoelements bilden, werden abgegriffen. Aus der so gemessenen Spannung U_S kann auf die Temperatur des Abgases geschlossen werden. Die Hochfrequenzsignale werden gegen das Abgasrohr angelegt bzw. gemessen. In 8 ist der Sendebetrieb mit einer angelegten hochfrequenten Wechselspannung U_HF skizziert. Mit dieser Anordnung ist es möglich, besonders kostengünstig einen weiteren Parameter für die Zustandsregelung zu gewinnen.
Literatur

[1] J. Riegel et al., „Exhaust gas sensors for automotive emission control", Solid State Ionics 152–153 (2002), S. 783–800.
[2] O. Glöckler et al., „Eigendiagnose moderner Motorsteuerungssysteme – Entwicklungsstand und erste Erfahrungen mit OBD2 für USA", Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 12 Nr. 205 (zugleich Tagungsband 15. Internationales Wiener Motorensymposium 1994, Bd. 2), VDI-Verlag, Düsseldorf 1994, S. 38–52.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19635977 A1 [0006, 0012, 0012, 0012]
- DE 19805928 A1 [0007]
- DE 19805928 C2 [0007]
- DE 10064499 A1 [0008]
- JP 61-274748 [0009]
- JP 63-165744 [0010]
- DE 10358495 A1 [0013, 0014, 0014, 0015, 0016, 0016, 0017, 0017, 0018]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Kfz und seines Abgasnachbehandlungssystems, welches ein metallisch leitendes Gehäuse, in welchem ein Abgaskatalysator eingebracht ist, besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass der kontinuierliche zeitliche Verlaufs der chemischen Katalysatorbeladung bzw. -entladung des Abgaskatalysators berührungslos mittels Mikrowellen, welche über mindestens eine Antenne ein- bzw. auskoppelt werden, erfasst und der Katalysatorzustand als kontinuierliche Eingangsgröße der Motorregelung zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem über mindestens eine Antenne ein- bzw. auskoppelten Mikrowellensignal Signalmerkmale extrahiert werden, mit denen sich der Katalysatorzustand kontinuierlich und mittelbar bestimmen oder schätzen lässt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als geeignete Signalmerkmale, mit denen sich der Katalysatorzustand kontinuierlich und mittelbar bestimmen oder schätzen lässt, dienen: – die Frequenz lokaler Maxima des Betrages von S₁₁, S₁₂, S₂₁ oder S₂₂ – die Frequenz lokaler Minima des Betrages von S₁₁, S₁₂, S₂₁ oder S₂₂ – der Wert lokaler Maxima im Betrag von S₁₁, S₁₂, S₂₁ oder S₂₂ – der Wert lokaler Minima im Betrag von S₁₁, S₁₂, S₂₁ oder S₂₂ – der Wert des Betrages von S₁₁, S₁₂, S₂₁ oder S₂₂ bei festen Frequenzen – der Wert der Phase von S₁₁, S₁₂, S₂₁ oder S₂₂ bei festen Frequenzen – der Wert von |S₁₁|² + |S₂₁|² – 1 oder von |S₂₂|² + |S₁₂|² – 1 bei festen Frequenzen – Kombinationen dieser Merkmale
Vorrichtung zur Steuerung eines Abgasnachbehandlungssystems, das einen Abgaskatalysator beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des von den Mikrowellen durchsetzten Teils des Abgaskatalysators durch Reflexionsgitter, welche die Mikrowellenantenne und den Abgaskatalysator einschließen, definiert wird.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich ein Reflexionsgitter verwendet und dadurch nur ein Halbraum definiert wird.
Vorrichtung, um das Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche durchzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass in die Antenne ein Temperatursensor integriert ist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mithilfe der Signalmerkmale, mit denen sich der Katalysatorzustand kontinuierlich und mittelbar bestimmen oder schätzen lässt, und mithilfe weiterer Eingangsgrößen ein Zustandsvektor gebildet wird, der auf die Motorregeleinrichtung, welche Stellglieder zur Bildung und Einspritzung des Kraftstoffgemischs ansteuert, einwirkt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Eingangsgrößen die Temperatur des Abgaskatalysators oder des Abgases und/oder das Luft-Kraftstoff-Verhältnis und/oder der Luftmassendurchsatz dienen.