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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen
eines von Abgas einer Brennkraftmaschine durchströmten
Oxidationskatalysators auf einen Defekt mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 1 sowie ein Steuergerät zum Steuern und/oder
Regeln einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 9.
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Ein
solches Verfahren und ein solches Steuergerät ist jeweils
aus der
DE 44 26 020
A1 bekannt. Bei den bekannten Gegenständen wird
die Funktionsfähigkeit eines Katalysators, der von Abgas
eines Verbrennungsmotors durchströmt wird, dadurch überprüft,
dass der Einfluss exotherm ablaufender Reaktionen von Abgasbestandteilen
auf eine Temperatur einer stromabwärts des Katalysators
angeordneten Abgassonde ausgewertet wird.
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In
der
DE 44 26 020 A1 heißt
es, dass bei der Konvertierung von Abgasbestandteilen im Katalysator
Wärme frei wird. Am Ausgang des Katalysators besitze das
Abgas daher eine höhere Temperatur als am Eingang des Katalysators.
Je stärker die Funktionsfähigkeit herabgesetzt
sei, desto geringer sei die Temperaturerhöhung. Zur Ermittlung
der Temperaturerhöhung wird vorgeschlagen, eine Abgastemperatur
am Katalysatoreingang aus Betriebsparametern des Verbrennungsmotors
zu berechnen und eine Abgastemperatur am Ausgang des Katalysators
mittelbar durch eine Erfassung des temperaturabhängigen Innenwiderstands
der Abgassonde oder eines Heizelements der Abgassonde zu ermitteln.
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Auf
die Bereitstellung der für die exothermen Reaktionen erforderlichen
Reaktionspartner wird in der
DE 44 26 020 A1 mit Ausnahme des Hinweises, dass
die Temperaturerhöhung bevorzugt bei niedrigem Gasdurchsatz
durch den Verbrennungsmotor ermittelt wird, nicht näher
eingegangen. Die Eignung des niedrigen Gasdurchsatzes wird damit
begründet, dass die durch die exotherme Konvertierung hervorgerufene
Temperaturerhöhung dann relativ hoch und somit gut messbar
sei. Dies lässt den Schluss zu dass, die
DE 44 26 020 A1 für
die Lambda = 1 – Regelung bei Ottomotoren gedacht ist,
bei der die Luftzahl Lambda um den Wert 1 herum moduliert wird. Als
Folge strömt abwechselnd Abgas mit Lambdawerten größer
als 1 und kleiner als 1 in den Katalysator ein. Aufgrund der Sauerstoffspeicherfähigkeit
eines funktionsfähigen Katalysators reagiert Abgas mit einer
Luftzahl kleiner als 1 mit gespeichertem Sauerstoff.
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Bei
Brennverfahren mit im zeitlichen Mittel magerer Brennraum-Luftzahl,
beispielsweise beim Diesel-Brennverfahren, werden Oxidationskatalysatoren
zur Konvertierung von restlichen Kohlenwasserstoffen verwendet,
die im Abgas trotz magerer Brennraum-Luftzahlen vorhanden sind.
Das eingangs genannte Verfahren ist ohne Änderungen nicht
für die Diagnose von Oxidationskatalysatoren in Verbindung
mit mageren Brennverfahren geeignet, weil die Temperaturänderung,
die sich durch die Konvertierung der restlichen Kohlenwasserstoffe
ergibt, nicht für eine Diagnose ausreicht.
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Für
solche Fälle ist es bekannt, die Temperatur-steigernde
Wirkung eines funktionsfähigen Oxidationskatalysators in
ausreichend langen Leerlaufphasen zu überprüfen.
Dabei wird die dort niedrige Abgastemperatur zunächst durch
veränderte Einspritzmuster mit verspätet erfolgenden
Haupteinspritzungen angehoben. Dadurch wird die Temperatur des Oxidationskatalysators
auf einen Wert gesteigert, der höher als die sogenannte
Light-Off-Temperatur liegt, bei der ein funktionsfähiger
Oxidationskatalysator zu konvertieren beginnt.
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Anschließend
erfolgen Nacheinspritzungen so spät, dass der eingespritzte
Kraftstoff nicht mehr vollständig im Brennraum verbrennt
sondern zumindest teilweise in unverbrannter Form aus den Brennräumen
ausgestoßen wird. In Verbindung mit dem aus dem mageren
Brennverfahren resultierenden Luftüberschuss ergibt sich
damit eine reduzierende Abgasatmosphäre vor dem Oxidationskatalysator, die
im Oxidationskatalysator exotherm reagiert und die Temperatur des
Oxidationskatalysators und damit die Temperatur des Abgases hinter
dem Oxidationskatalysator anhebt.
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Die
den Wirkungsgrad beeinträchtigende späte Haupteinspritzung
und die späte Nacheinspritzung führt prinzipiell
zu dem Nachteil eines gesteigerten Kraftstoffverbrauchs. Nachteilig
ist auch, dass sich die exothermen Reaktionen erst mit einer vergleichsweise
großen Verzögerung in einer Anhebung der Temperatur
des Abgases hinter dem Katalysator abbilden. Die Verzögerung
liegt in der Größenordnung einer Minute. Bei einer
On-Board-Diagnose vergrößert dies den genannten
Verbrauchsnachteil, da die Betriebsbedingungen häufig nicht
lange genug ausreichend konstant für eine vollständige
Testdurchführung sind, so dass unter Umständen
eine Vielzahl begonnener Tests erforderlich ist, um ein aussagekräftiges
Ergebnis zu erzielen.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Überprüfen
eines Oxidationskatalysators auf einen Defekt anzugeben, das bei
einem geringen Kraftstoffverbrauch einer Brennkraftmaschine und
unter Verwendung einer geringen Anzahl von Sensoren ausführbar
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 und durch ein Steuergerät mit den Merkmalen des Anspruchs
9 gelöst.
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Die
Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass bei einem defekten Oxidationskatalysator
das aus dem Oxidationskatalysator ausströmende Abgas einen
relativ hohen Anteil an den Kohlenwasserstoffen aufweist und diese
Kohlenwasserstoffe zumindest zum Teil in einem Bereich verbrennen,
der in Strömungsrichtung hinter dem Oxidationskatalysator liegt.
Dadurch wird Reaktionswärme in diesem Bereich hinter dem
Oxidationskatalysator frei. Insbesondere in dem Fall, dass zumindest
ein Teil der Abgassonde eine relativ hohe Temperatur aufweist, kommt
es an der Abgassonde selbst zu der Verbrennung der Kohlenwasserstoffe.
Die Reaktionswärme entsteht somit direkt an der Abgassonde
und kann deshalb leicht unter Verwendung der Abgassonde erfasst
werden. Bei einem funktionierenden Oxidationskatalysator ist, wenn
die Abgastemperatur mindestens so hoch ist wie die Light-Off-Temperatur
des Oxidationskatalysators, der Anteil an Kohlenwasserstoffen hinter
dem Oxidationskatalysator relativ gering, im Idealfall Null, so
dass hinter dem Oxidationskatalysator keine oder nur eine sehr geringe
Reaktionswärme entsteht. Ist der Oxidationskatalysator
jedoch defekt, dann ist der Anteil an Kohlenwasserstoffen hinter
dem Oxidationskatalysator relativ hoch, so dass eine relativ große
Reaktionswärme frei wird. Ein hoher Wert dieser Reaktionswärme
deutet also auf einen Defekt des Oxidationskatalysators hin. Es
kann vorgesehen werden, dass die Reaktionswärme ermittelt
oder erfasst wird und dass der Defekt erkannt wird, wenn die Reaktionswärme
einem vorgegebenen Schwellwert entspricht oder größer
als der Schwellwert ist.
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Im
Gegensatz zu bekannten Verfahren können mittels des erfindungsgemäßen
Verfahrens auch solche Defekte des Oxidationskatalysators erkannt werden,
bei denen der Oxidationskatalysator nur teilweise funktionsunfähig
ist und beispielsweise langkettige Kohlenwasserstoffen in kurzkettige
Kohlenwasserstoffe umsetzt, anstatt sie vollständig zu
Kohlenstoffdioxid und Wasser zu oxidieren. Denn auch die kurzkettigen
Kohlenwasserstoffe reagieren im Bereich hinter dem Oxidationskatalysator,
insbesondere an der Abgassonde, mit dem im Abgas vorhandenen Sauerstoff
und erzeugen dadurch die Reaktionswärme, welche von dem
erfindungsgemäßen Verfahren erfasst und ausgewertet
wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass
eine Temperatur eines beheizbaren Sensorelements der Abgassonde
geregelt wird, wobei eine Stellgröße zum Einstellen
einer Heizleistung zum Beheizen des Sensorelements eingestellt wird
und die Reaktionswärme durch Auswerten der Stellgröße
detektiert bzw. ermittelt wird. Die Temperatur des Sensorelements
wird somit mittels eines Regelelements auf einer konstanten Temperatur
gehalten. Finden an der Abgassonde die exothermen Reaktionen von
Kohlenwasserstoffen mit Sauerstoff statt, dann wird zum Aufrechterhalten
der Temperatur eine vergleichsweise geringe Heizleistung benötigt, weil
die Reaktionswärme zum Beheizen des Sensorelements beiträgt.
Folglich wird die Stellgröße auf einen Wert eingestellt,
der der vergleichsweise geringen Heizleistung entspricht. Eine vergleichsweise geringe
Heizleistung und/oder der entsprechende Stellwert deutet somit auf
den Defekt des Oxidationskatalysators hin. Bei dem Stellwert kann
es sich um einen Wert einer an einem Heizelement der Abgassonde
anliegenden Heizspannung zum Beheizen der Abgassonde handeln.
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Es
ist besonders bevorzugt, dass die Reaktionswärme mittels
einer Lambdasonde, vorzugsweise einer Breitbandlambdasonde, erfasst
oder ermittelt wird. Dies gilt insbesondere für den Fall,
dass es sich bei der Brennkraftmaschine um eine Dieselbrennkraftmaschine
handelt, deren Abgassystem bereits für andere Zwecke eine
Breitbandlambdasonde aufweist. Das erfindungsgemäße
Verfahren kann dann ohne zusätzliche Sensoren ausgeführt
werden. Es lässt sich somit erheblich kostengünstiger
realisieren als bekannte Verfahren, die oftmals gesonderte Sensoren
benötigen, die in Strömungsrichtung jeweils vor
und hinter dem Oxidationskatalysator angeordnet werden müssen.
Da das beheizbare Sensorelement der Lambdasonde bei ihrem Betrieb
auf eine relativ hohe Temperatur von beispielweise 780°C
aufgeheizt wird, ist sichergestellt, dass eine Aktivierungsenergie
für die Verbrennung der Kohlenwasserstoffe an der Abgassonde
bereitgestellt wird, so dass die exothermen Reaktionen stattfinden
können, sobald beziehungsweise solange Kohlenwasserstoffe
im Abgas hinter dem Oxidationskatalysator vorhanden sind.
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Der
Oxidationskatalysator kann besonders zuverlässig auf den
Defekt hin überprüft werden, wenn Stellwerte der
Stellgröße für zwei unterschiedliche
Betriebszustände der Brennkraftmaschine und/oder der Abgassonde
ermittelt werden, wenn die beiden Stellwerte miteinander verglichen
werden und wenn der Defekt in Abhängigkeit von diesem Vergleich
erkannt wird. Vorzugsweise unterscheiden sich die beiden Betriebszustände
insbesondere dadurch, dass sie bei defektem Oxidationskatalysator zu
unterschiedlichen Konzentrationen der Kohlenwasserstoffe an einem
bestimmten Bereich der Abgassonde führen. Bei dem Bereich
der Abgassonde kann es sich um eine katalytisch aktive Außenelektrode
der Lambdasonde und/oder – im Falle einer Breitbandlambdasonde – auch
um einen Hohlraum innerhalb der Lambdasonde handeln. In einer bevorzugten
Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Defekt erkannt wird, wenn
sich bei den beiden Betriebszuständen die jeweiligen Stellwerte
unterscheiden.
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Bevorzugt
ist auch, dass die Brennkraftmaschine in einem ersten Betriebszustand
mit einem ersten Einspritzmuster und in einem zweiten Betriebszustand
mit einem zweiten Einspritzmuster betrieben wird, wobei der Anteil
der Kohlenwasserstoffe am Abgas im zweiten Betriebszustand größer
ist als der Anteil der Kohlenwasserstoffe am Abgas im ersten Betriebszustand.
Bei intaktem Oxidationskatalysator sollte die Erhöhung
des Anteils der Kohlenwasserstoffe am von der Brennkraftmaschine
ausgestoßenen Abgas allenfalls einen unwesentlichen Einfluss
auf den Anteil der Kohlenwasserstoffe am Abgas hinter dem Oxidationskatalysator
haben. Im Idealfall ist bei intaktem Oxidationskatalysator der Anteil in
beiden Betriebszuständen Null und die Heizleistung ist
unabhängig von den beiden Betriebszuständen. Ein
Defekt wird in einer Ausgestaltung erkannt, wenn die Heizleistung
nach einem Wechsel vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand abnimmt.
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Vorzugsweise
wird im zweiten Betriebszustand mindestens eine zusätzliche
Einspritzung, vorzugsweise eine Nacheinspritzung, zum Erhöhen
des Anteils der Kohlenwasserstoffe durchgeführt. Die zusätzliche
Einspritzung kann beispielsweise in Arbeitsspielen eines oder mehrerer
Brennräume der Brennkraftmaschine durchgeführt
werden. Da Durchlaufzeiten des Abgases von der Brennkraftmaschine durch
den Oxidationskatalysator zu der Abgassonde hin relativ kurz sind,
reicht es aus, für eine relativ kurze Zeit die Brennkraftmaschine
im zweiten Betriebszustand zu betreiben. Ein mit den zusätzlichen
Einspritzungen einhergehender erhöhter Kraftstoffverbrauch
wird dadurch auf ein Minimum reduziert.
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Alternativ
oder ergänzend hierzu kann vorgesehen werden, dass in einem
ersten Betriebszustand der Abgassonde ein Pumpelement zum Fördern
von Sauerstoff vom Abgas zu einem Hohlraum der Abgassonde oder vom
Hohlraum zum Abgas aktiviert ist und in einem zweiten Betriebszustand
der Abgassonde das Pumpelement deaktiviert ist. Es wurde erkannt,
dass innerhalb des Hohlraums der Abgassonde die exothermen Reaktionen
der Kohlenwasserstoffe nur stattfinden können, solange
das Pumpelement aktiviert ist. Ist ein relativ hoher Anteil der
Kohlenwasserstoffe am Abgas vorhanden, dann führt ein Aktivieren
beziehungsweise Deaktivieren des Pumpelements zu einer geringen Änderung
der Stellgröße für die Heizleistung.
Diese Änderung kann bei Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens detektiert werden und dadurch der Defekt des Oxidationskatalysators
erkannt werden.
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Um
einerseits ein kontinuierliches Überwachen des Oxidationskatalysators
zu erreichen und andererseits die geringe Änderung der
Stellgröße zuverlässig zu erkennen, ist
bevorzugt, dass zwischen den beiden Betriebszuständen der
Abgassonde regelmäßig, vorzugsweise periodisch,
gewechselt wird. Die Stellgröße für die
Heizleistung kann dann frequenzsynchron mit einer Frequenz des Wechselns zwischen
den Betriebszuständen ausgewertet werden.
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Als
eine weitere Lösung der Aufgabe wird ein Steuergerät
mit dem Merkmalen des Anspruchs 9 vorgeschlagen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren lässt sich besonders
einfach dadurch realisieren, dass das erfindungsgemäße
Steuergerät dazu eingerichtet, vorzugsweise dazu programmiert
ist, eine Reaktionswärme, welche durch an der Abgassonde
stattfindende exotherme Reaktionen entsteht, zu erfassen.
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Durch
diese Einrichtung, beziehungsweise durch diese Programmierung, werden
die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit geringem Aufwand realisiert. Hierbei kann ein in bekannten Brennkraftmaschinen
ohnehin vorhandenes Steuergerät verwendet werden. Das Verfahren
kann deshalb ohne ein zusätzliches Steuergerät
und ohne einen zusätzlichen Sensor ausgeführt
werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung, in welcher exemplarische Ausführungsformen
der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Oxidationskatalysator
gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung;
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2 eine
schematische Darstellung einer Abgassonde der Brennkraftmaschine
aus 1;
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3 ein
Flussdiagramm eines Verfahrens zum Überprüfen
des Oxidationskatalysators aus 1;
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4 ein
Flussdiagramm eines Verfahrens zum Überprüfen
des Oxidationskatalysators aus 1 gemäß einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform;
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5 eine
in einem Diagramm dargestellte Heizleistung eines Heizelements der
Abgassonde in Abhängigkeit von einem Anteil von in dem
Abgas enthaltenen Kohlenwasserstoff; und
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6 eine
in einem Diagramm dargestellte Heizspannung in Abhängigkeit
von einer Abgastemperatur.
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1 zeigt
eine Brennkraftmaschine 11. Bei der gezeigten Brennkraftmaschine 11 handelt
es sich um eine Dieselbrennkraftmaschine. Abweichend hiervon kann
es sich jedoch auch um eine Otto-Brennkraftmaschine handeln. Die
Brennkraftmaschine 11 weist einen Motorblock 13 auf,
an den Einspritzventile 15 angeordnet sind. Jedes Einspritzventil 15 ist
jeweils einem Brennraum (nicht gezeigt) des Motorblocks 13 zugeordnet.
Die Einspritzventile 15 sind an einen gemeinsamen Kraftstoffhochdruckspeicher 17 (auch
als Rail bezeichnet) angeschlossen. Der Kraftstoffhochdruckspeicher 17 ist
an einen Hochdruckausgang einer Kraftstoffhochdruckpumpe 19 angeschlossen.
Ein Eingang der Kraftstoffhochdruckpumpe 19 ist mit einem
Niederdruckbereich 21 eines Kraftstoffsystems 23 der
Brennkraftmaschine 11 verbunden.
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Die
Brennkraftmaschine 11 weist ein Saugrohr 25 zum
Ansaugen von Luft (Pfeil 27) auf, das über Einlassventile
(nicht gezeigt) mit den Brennräumen des Motorblocks 13 verbunden
ist. Außerdem ist am Motorblock 13 ein erster
Abschnitt 29 eines Abgasrohrs eines Abgassystems 36 der
Brennkraftmaschine 11 angeordnet, der über Auslassventile
(nicht gezeigt) mit den Brennräumen verbunden ist. Zwischen
dem ersten Abschnitt 29 und einem zweiten Abschnitt 33 des
Abgasrohrs ist ein Oxidationskatalysator 35 des Abgassystems 36 der
Brennkraftmaschine 11 angeordnet. In einer nicht gezeigten
Ausführungsform weist das Abgassystem 36 zusätzlich zu
dem Oxidationskatalysator 35 weitere Vorrichtungen zur
Abgasnachbehandlung, wie beispielsweise einen weiteren Katalysator
oder einen Filter, insbesondere einen Partikelfilter, auf.
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Am
zweiten Abschnitt 33 des Abgasrohrs ist eine als Breitbandlambdasonde
ausgebildete Abgassonde 37 des Abgassystems angeordnet,
die mit einem Steuergerät 39 der Brennkraftmaschine 11 verbunden
ist. Im Einzelnen ist zwischen der Abgassonde 37 und dem
Steuergerät 39 eine erste Verbindung zum Übertragen
eines Sensorsignals vorgesehen, das eine Luftzahl λ von
beim Betrieb der Brennkraftmaschine 11 aus dem Oxidationskatalysator 35 austretenden
Abgasen (Pfeil 41) charakterisiert. Außerdem ist
zwischen der Abgassonde 37 und dem Steuergerät 39 eine
zweite Verbindung zum Übertragen eines Stellsignals s von
der Abgassonde 37 zum Steuergerät 39 vorhanden.
Schließlich ist zwischen dem Steuergerät 39 und
der Abgassonde 37 eine dritte Verbindung zum Übertragen
eines Steuersignals c vom Steuergerät 39 zu der
Abgassonde 37 vorgesehen.
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Ausgänge
des Steuergeräts 39 sind mit Steuereingängen
der einzelnen Einspritzventile 15 verbunden, so dass das
Steuergerät 39 Steuersignale i zum Ansteuern der
Einspitzventile 15 zu den Einspritzventilen 15 übertragen
kann.
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2 zeigt
den Aufbau einer Abgassonde 37, die sich zur Detektion
von Reaktionswärme eignet. Die Erfindung kann auch mit
anders aufgebauten Abgassonden realisiert werden, die eine Detektion einer
an der Abgassonde auftretenden Reaktionswärme erlauben.
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Die
Abgassonde 37 weist ein Sensorelement 43 auf,
das mittels eines in das Sensorelement 43 integrierten
Heizelements 45 elektrisch beheizbar ist. Eine Außenelektrode 49 der
Abgassonde 37 steht in unmittelbarer Verbindung zum Abgas 41 im
zweiten Abschnitt 33 des Abgasrohrs. An einer von dem zweiten
Abschnitt 33 abgewandten Seite der Außenelektrode 49 ist
ein Pumpelement in Form einer Pumpzelle 51 des Sensorelements 43 angeordnet.
An einer von der Außenelektrode 49 abgewandten
Seite der Pumpzelle 51 befindet sich eine Nernst-Zelle 53.
Zwischen der Pumpzelle 51 und der Nernst-Zelle 53 ist ein
Diffusionsspalt 55 angeordnet. Das Sensorelement 43 weist
einen von einem Hohlraum 57 gebildeten Referenzluftbereich
auf, der an einer von dem Diffusionsspalt 55 abgewandten
Seite der Nernst-Zelle angeordnet ist. Die Nernst-Zelle 53 weist
an einer dem Hohlraum 57 zugewandten Seite eine innere
Elektrode 59 auf, die an einen Eingang eines als Differenzverstärker
ausgebildeten Regelelements 61 der Abgassonde 37 angeschlossen
ist.
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Während
die innere Elektrode 59 an einen invertierenden Eingang
des Regelelements 61 angeschlossen ist, ist eine Referenzspannungsquelle 63 zum
Erzeugen einer konstanten Referenzspannung Uref mit
einem nicht invertierenden Eingang des Regelelements 61 verbunden.
Ein Ausgang des Regelelements 61 ist über einen
Widerstand 65 und über ein steuerbares Schaltelement 67 mit
der Außenelektrode 49 verbunden.
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Zwei
Anschlüsse des Heizelements 45 sind mit einem
Heizregelelement 69 der Abgassonde 37 verbunden.
Die beiden Anschlüsse des Heizelements 45 beziehungsweise
entsprechende Anschlüsse des Heizregelelements 69 bilden
Anschlüsse für die Leitung zum Übertragen
des Stellsignals s von der Abgassonde 37 zum Steuergerät 39.
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Die
beiden Enden des Widerstands 65 bilden Anschlüsse
zum Anschließen der Leitung zum Übertragen des
Sensorsignals λ von der Abgassonde 37 zum Steuergerät 39.
Schließlich bildet ein Steuereingang des Schaltelements 67 einen
Anschluss für die Leitung zum Übertragen des Steuersignals
c von dem Steuergerät 39 zu der Abgassonde 37.
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In
der gezeigten Ausführungsform bilden das Regelelement 61 und
das Heizregelelement 69 Teile der Abgassonde 37.
Abweichend hiervon kann das Regelelement 61 und/oder das
Heizregelelement 69 auch in das Steuergerät 39 integriert
sein oder an einer anderen Stelle in der Brennkraftmaschine 11 oder innerhalb
eines Kraftfahrzeugs, in das die Brennkraftmaschine 11 eingebaut
ist, angeordnet sein.
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Beim
Betrieb der Brennkraftmaschine 11 saugen die Brennräume
des Motorblocks 13 über das Saugrohr 25 die
Luft 27 an, welche über die geöffneten
Einlassventile in die einzelnen Brennräume gelangt. Die
Kraftstoffhochdruckpumpe 19 fördert Kraftstoff
vom Niederdruckbereich 21 in den Kraftstoffhochdruckspeicher 17 und
setzt den dort befindlichen Kraftstoff unter einen hohen Druck,
der in einem Bereich zwischen einigen hundert bar und zweitausend
bar liegen kann. Das Steuergerät 39 steuert mittels
der Stellsignale i die Einspritzventile 15 so an, dass
sie den Kraftstoff in die Brennräume des Motorblocks 13 einspritzen,
so dass ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft 27 in den Brennräumen
entsteht. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird in den Brennräumen verbrannt
und dadurch entstehendes Abgas (Pfeil 71) strömt
durch die geöffneten Auslassventile in den ersten Abschnitt 29 des
Abgasrohrs.
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Das
vom Motorblock 13 abgegebene Abgas 71 weist einen
gewissen Anteil an Kohlenwasserstoffen auf. Der Oxidationskatalysator 35 sorgt
dafür, dass die im Abgas 71 enthaltenen Kohlenwasserstoffe
mit im Abgas 71 vorhandenem Sauerstoff reagieren, so dass
in aus dem Oxidationskatalysator 35 ausströmenden
Abgas 41 keine Kohlenwasserstoffe oder nur noch ein sehr
geringer Anteil an Kohlenwasserstoffen vorhanden ist.
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Das
Steuergerät 39 erfasst mittels der Abgassonde 37 eine
Luftzahl λ des aus dem Oxidationskatalysator 35 austretenden
Abgases 41. Hierzu wertet das Steuergerät 39 das
Signal, das die Luftzahl λ charakterisiert, aus. In Abhängigkeit
von der erfassten Luftzahl λ regelt das Steuergerät 39 die
Brennkraftmaschine 11. Hierbei kann das Steuergerät 39 durch
das Stellsignal i vorgegebene Einspritzmuster in Abhängigkeit
von gemessenen Größen, wie beispielsweise in Abhängigkeit
von der Luftzahl λ variieren.
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Um
die Luftzahl zu messen, setzt das Steuergerät 39 das
Steuersignal c in einen aktiven Zustand (c = 1), so dass das Schaltelement 67 geschlossen
ist und der Widerstand 65 mit der Außenelektrode 49 verbunden
ist. Bei geschlossenem Schaltelement 67 regelt das Regelelement 61 einen Pumpstrom
IP durch die Pumpzelle 51 so, dass
die Nernst-Zelle 53 eine Luftzahl von zumindest in etwa 1
misst. Weicht die Luftzahl λ des Abgases 41 hinter dem
Oxidationskatalysator 35 von 1 ab, dann ergibt sich ein
Pumpstrom IP # 0, das heißt, die
Pumpzelle 51 transportiert entweder Sauerstoff von dem
zweiten Abschnitt 33 zu der Nernst-Zelle 53 (falls λ < 1) oder von der
Nernst-Zelle 53 zum zweiten Abschnitt 33 (falls λ > 1). Somit sind der
Pumpstrom und eine an dem Widerstand 65 abfallende Spannung
ein Maß für die Luftzahl λ des Abgases 41 im
zweiten Abschnitt 33 des Abgasrohrs.
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Das
Heizregelelement 69 legt an das Heizelement 45 eine
Heizspannung UH an und regelt hierbei durch
Variieren der Heizspannung UH eine Temperatur
des Sensorelements 43. Die Temperatur des Sensorelements 43 wird
hierbei auf einen Wert von einigen hundert Grad Celsius geregelt.
In der gezeigten Ausführungsform regelt das Heizregelelement 69 die
Temperatur des Sensorelements 43 auf einen Wert von 780°C.
Bei der Heizspannung UH kann es sich um
eine pulsweitenmodulierte Spannung (PWM-Spannung) handeln. Das Heizregelelement 69 kann
derart ausgebildet sein, dass es zum Messen eines Istwerts der Temperatur
des Sensorelements 43 einen Widerstand des Heizelements 45 und/oder
eines anderen Teils des Sensorelements 43 erfasst. Ein
Effektivwert der Heizspannung UH charakterisiert
eine Heizleistung, das heißt eine thermische Leistung,
die das Heizelement 45 erzeugt. Damit das Steuergerät 39 die
Heizleistung ermitteln kann, wird die Heizspannung UH als
das Stellsignal s dem Steuergerät 39 zur Verfügung
gestellt.
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Im
Folgenden wird anhand 3 eine erste Ausführungsform
eines Verfahrens 73 zum Überprüfen, ob
der Oxidationskatalysator 35 defekt ist, näher erläutert.
Nach einem Start 75 des Verfahrens 73 wird in
einem Schritt 77 die Brennkraftmaschine 11 in einen
stationären Betriebspunkt gebracht, bei dem ein Massenstrom
des Abgases 71, 41 und ein mittlerer Druck beziehungsweise
eine Amplitude des Drucks der Abgase 71, 41 zumindest
weitgehend konstant sind. Bei diesem Betriebspunkt kann es sich beispielsweise
um einen Leerlauf der Brennkraftmaschine 11 handeln. Ferner
wird bei dem stationären Betriebspunkt die Brennkraftmaschine 11 derart
geregelt, dass eine Abgastemperatur des Abgases 71 hinreichend
groß ist, um die im Abgas 71 vorhandenen Kohlenwasserstoffe
bei intaktem Oxidationskatalysator 35 vollständig
umzusetzen. Die Abgastemperatur ist also mindestens so hoch wie
die Light-Off-Temperatur des Oxidationskatalysators 35. In
der gezeigten Ausführungsform wird im stationären
Betriebspunkt die Brennkraftmaschine 11 so betrieben, dass
die Abgastemperatur etwa 250°C beträgt. Hierbei
erzeugt das Steuergerät 39 erste Steuersignale
i1(t) zum Erzeugen eines ersten Einspritzmusters.
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Anschließend
wird in einem auf den Schritt 77 folgenden Schritt 79 ein
erster momentaner Wert s1 der Stellgröße
s, die die Heizleistung charakterisiert, erfasst.
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Danach
wird in einem Schritt 81 das Einspritzmuster geändert,
so dass zusätzlich zu den im ersten Einspritzmuster i1(t) mindestens eine relativ späte
Nacheinspritzung durchgeführt wird. Hierzu legt das Steuergerät 39 an
die Einspritzventile 15 ein zweites Steuersignal i2(t) an, das ein zweites Einspritzmuster
mit der Nacheinspritzung charakterisiert. Dadurch wird die Kohlenwasserstoffkonzentration
im Abgas erhöht.
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Nachdem
das zweite Einspritzmuster durch Anlegen des zweiten Steuersignals
i2(t) eingestellt worden ist, erfasst das
Steuergerät 39 in einem Schritt 83 einen
weiteren Momentanwert s2 des Stellsignals
s. Anschließend werden die beiden Momentanwerte s1 und s2 des Stellsignals
s in einer Verzweigung 85 miteinander verglichen. Beispielweise
kann überprüft werden, ob der zweite Momentanwert
s2 kleiner ist als der erste Momentanwert
s1, das heißt ob infolge der Nacheinspritzungen
die Heizleistung zurückgegangen ist. Ist dies der Fall
(Y), dann liegt ein Defekt im Oxidationskatalysator 35 vor,
weil Kohlenwasserstoffe im zweiten Abschnitt 33 vorhanden sind
und an der Abgassonde 37 verbrennen. Deshalb wird, falls
s2 < s1 gilt, zu einem Schritt 87 verzweigt, bei
dem der Defekt des Oxidationskatalysators 35 innerhalb
des Steuergeräts 39 angezeigt wird. Andernfalls
(N) kehrt das Verfahren 73 zum Schritt 77 zurück,
so dass der Oxidationskatalysators 35 – erforderlichenfalls
nach einer bestimmten Wartezeit – erneut überprüft
werden kann.
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Nachdem
der Defekt im Schritt 87 angezeigt worden ist, kann zum
Schritt 77 zurückgekehrt werden, um den Oxidationskatalysator 35 erneut
zu überprüfen. Alternativ hierzu kann auch das
Verfahren 73 beendet werden.
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Abweichend
von der gezeigten Ausführungsform kann der Defekt des Oxidationskatalysators 35 auch
durch eine Auswertung des zweiten Momentanwerts s2 alleine
realisiert werden. Hierbei kann der zweite Momentanwert s2 mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen
werden und zum Schritt 87 verzweigt werden, wenn der zweite
Momentanwert s2 kleiner als der Schwellwert
ist. In diesem Fall kann im Schritt 77 zum Einstellen des
stationären Betriebspunkt unmittelbar das zweite Einspritzmuster
durch Anlegen des zweiten Steuersignals i2(t)
eingestellt werden, und die Schritte 79 und 81 können
entfallen.
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Im
Steuergerät 39 können verschiedene Abläufe
vorgesehen werden, die nach dem Anzeigen des Defekts im Schritt 87 aktiviert
werden. Beispielsweise kann vorgesehen werden, dass der Defekt einem
Fahrer des Kraftfahrzeugs beispielsweise durch eine Kontrollleuchte
visualisiert wird.
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Es
hat sich herausgestellt, dass die im im Abgas 41 hinter
einem defekten Oxidationskatalysator 35 enthaltenen Kohlenwasserstoffe
vor allem an der Außenelektrode 49 des Sensorelements 43 reagieren.
Allerdings finden auch in einem geringen Umfang Reaktionen in dem
durch den Referenzluftbereich gebildeten Hohlraum 57 des
Sensorelements 43 statt, falls die Pumpzelle 51 aktiviert
ist, das heißt falls der Pumpstrom IP ungleich
Null ist. Sind also Kohlenwasserstoffe im Abgas 41 hinter
dem Oxidationskatalysator 35 vorhanden, dann nimmt die
Heizleistung zu, wenn der Pumpstrom IP abgeschaltet wird.
Folglich kann der Oxidationskatalysator 35 auch durch Ändern
eines Betriebszustands der Abgassonde 37 ohne Ändern
des Einspritzmusters, insbesondere ohne Durchführen der
Nacheinspritzungen i2(t) überprüft
werden.
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Eine
entsprechende Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens 73 ist
in 4 dargestellt. Das in 4 dargestellte
Verfahren 73 unterscheidet sich von dem in 3 dargestellten
Verfahren 73 dadurch, dass anstelle des Schritts 77 ein Schritt 89 und
anstelle des Schritts 81 ein Schritt 91 durchgeführt
wird. Im Schritt 89 wird, wie im Schritt 77, ein
stationärer Betriebszustand der Brennkraftmaschine 11 eingestellt,
bei dem der intakte Oxidationskatalysator 35 einen Großteil
oder im Idealfall sämtliche im Abgas 71 vor dem
Oxidationskatalysator 35 enthaltenen Kohlenwasserstoffe
in Kohlenstoffdioxid und Wasser umsetzt. Allerdings wird im Schritt 89 zusätzlich
durch entsprechendes Einstellen des Steuersignals c das Schaltelement 67 geöffnet
(c = 0), so dass der Pumpstrom IP Null wird.
Im Schritt 91 wird ohne Änderung des Einspritzmusters der
Pumpstrom IP wieder angeschaltet, indem
durch entsprechendes Ändern des Steuersignals c das Schaltelement 67 wieder
geschlossen wird (c = 1).
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Befinden
sich im Abgas 41 hinter dem Oxidationskatalysator 35 Kohlenwasserstoffe,
so wird durch das Aktivieren des Pumpstroms IP im
Schritt 91 eine exotherme Reaktion im Sensorelement 43 in Gang
gesetzt, so dass die Heizleistung zurückgeht. Da nur in
dem Fall, dass der Oxidationskatalysator 35 defekt ist,
Kohlenwasserstoffe im Abgas 41 hinter dem Oxidationskatalysator 35 vorhanden
sind, kann im Schritt 85 erkannt werden, ob der Oxidationskatalysator 35 defekt
ist, und im Schritt 87 wird der Defekt im Steuergerät 39 signalisiert.
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Der
Unterschied zwischen den beiden Stellgrößen s1 und s2 ist relativ
gering. Er beträgt bei üblicherweise verwendeten
Breitbandlambdasonden in etwa 2 mW. Um den Unterschied zuverlässig
festzustellen, wechselt das Verfahren 73 periodisch zwischen
den beiden Betriebszuständen hin und her. Mit anderen Worten,
der Pumpstrom IP wird periodisch ein- und
ausgeschaltet. Hierbei werden die Stellgrößen
s1 und s2 synchron
mit einer Frequenz dieses Ein- und Ausschaltens ausgewertet.
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Die
beiden in den 3 beziehungsweise 4 gezeigten
Varianten zum Erkennen des Defekts des Oxidationskatalysators 35 können
miteinander kombiniert werden. Da zum Ausführen der in 4 gezeigten
Variante keine Nacheinspritzungen durchgeführt werden müssen
und somit ein Kraftstoffverbrauch bei dieser Variante geringer ist,
kann vorgesehen werden, dass die in 4 dargestellte Variante
relativ häufig durchgeführt wird, wohingegen die
in 3 gezeigte Variante vergleichsweise selten ausführt
wird. In Ausführungsformen, bei der die in 4 gezeigte
Variante nicht realisiert wird, kann das Schaltelement 67 und
die zugehörige Verbindung zwischen Steuergerät 39 und
Abgassonde 37 zum Übertragen des Steuersignals
c entfallen.
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5 zeigt
einen Zusammenhang zwischen einem Umsatz der im Abgas 71 vorhandenen
Kohlenwasserstoffe und der durch das Stellsignal s charakterisierten
Heizleistung WH des Heizelements 45. Die
einzelnen in dem Diagramm von 4 eingezeichneten
Kurven entsprechen verschiedenen, in einem Laborversuch an einem
Prüfstand mit synthetischen Gasen durchgeführten
Messungen. Die verschiedenen Kurven wurden dabei jeweils mit verschiedenen
synthetischen Gasen (jeweils einmal CO, CO2,
H2, sowie zwei verschiedene Volumenströme
(Volumeneinheit pro Zeiteinheit) an N2)
aufgenommen.
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Bei
jeder Messung wurde dem jeweils verwendeten Gas schrittweise ein
Magergas aus 60% Sauerstoff und 40% Stickstoff zugegeben. Der Volumenstrom
V (Fluss, gemessen in Liter pro Minute) des zugegebenen Magergases
ist auf der Abszisse aufgetragen. Auf der Ordinate ist die Heizleistung
WH in Watt W aufgetragen. 5 zeigt
damit den Heizleistungsbedarf als Funktion der zugegebenen Magergasmenge.
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Mit
steigendem Magergasfluss steigt das Sauerstoffangebot im synthetischen
Gas an. Je mehr Sauerstoff vorhanden ist, desto mehr Kohlenwasserstoffe
können an der Abgassonde 37 umgesetzt werden.
Man erkennt, dass bei einem Volumenstrom V von etwa V = 1,5 l/min
eine Luftzahl von λ = 1 erreicht ist und der Umsatz der
Kohlenwasserstoffe nicht mehr weiter gesteigert werden kann. Bei
einem Volumenstrom von Null ist der Sauerstoffgehalt des Abgases 71 relativ
gering, so dass nur ein geringer Umsatz der Kohlenstoffe stattfindet.
Durch die Steigerung des Umsatzes der Kohlenwasserstoffe, das heißt
durch die Zunahme der durch diese exothermen Reaktionen freigesetzte
Reaktionswärme wird die Heizleistung WH um
etwa 25% oder 2 Watt reduziert.
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6 zeigt
verschiedene Messungen eines Zusammenhangs zwischen einer Abgastemperatur Ta im zweiten Abschnitt 33 des Abgasrohrs 41 und der
Heizspannung UH. Die Abgastemperatur Ta ist in Grad Celsius angegeben, und die
Heizspannung ist in Volt angegeben.
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Jede
der individuellen Kurven repräsentiert dabei eine Messung
mit einer individuellen Abgassonde. Man erkennt, dass aufgrund der
Erhöhung der Abgastemperatur auf ungefähr 250° die
Heizspannung UH abnimmt. Dieser Effekt tritt
auch bei dem intakten Oxidationskatalysator 35 auf. Das
Ansteigen der Kurven für Temperaturen größer
als 310°C liegt am gleichzeitigen Anstieg des Abgasmassenflusses.
Die hohe Abgastemperatur geht mit hoher Last/Drehzahl einher, wodurch
die Sonde stärker angeblasen wird und sich trotz heißerem
Abgas ein größere Heizspannung einstellt.
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Dieser
dem Messprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens 73 gegenläufige
Effekt wirkt sich bei der Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens 73 aus zwei Gründen nicht störend
aus. Zum einen ist die Abnahme der Heizleistung WH durch
die Erhöhung der Abgastemperatur TH aufgrund
eines Umsatzes der Kohlenwasserstoffe im intakten Oxidationskatalysator 35 geringer
als die Abnahme der Heizleistung WH bei
dem defekten Oxidationskatalysator 35 aufgrund der Reaktionen
der Kohlenwasserstoffe unmittelbar am Sensorelement 43.
Zum anderen tritt aufgrund einer thermischen Trägheit des
Oxidationskatalysators 35 die Erhöhung der Abgastemperatur
TH am zweiten Abschnitt 33 des
Abgasrohrs zeitlich verzögert ein, wobei die Verzögerung typischerweise
im Bereich von einer Minute liegt, wohingegen die Reaktionswärme
aufgrund der am Sensorelement 43 stattfindenden exothermen
Reaktionen relativ schnell, normalerweise nach etwa fünf
Sekunden, auf das Sensorelement 43 einwirkt. Aufgrund der
unterschiedlichen Verzögerungen können diese beiden
Effekte voneinander getrennt werden und so vermieden werden, dass
der intakte Oxidationskatalysator 35 fälschlicherweise
als defekt erkannt wird. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert
werden, dass Zeitpunkte, an denen der erste Momentanwert s1 und der zweite Momentanwert s2 erfasst
werden (Schritt 79 beziehungsweise Schritt 83)
hinreichend dicht aufeinander – das heißt mit
einem zeitlichen Abstand von weniger als einer Minute, jedoch mehr
als fünf Sekunden – gelegt werden.
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Insgesamt
wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereitgestellt,
mit dem die Funktionsfähigkeit des Oxidationskatalysators 35 mittels nur
eines Sensors, nämlich der Abgassonde 37, bei geringem
Mehrverbrauch von Kraftstoff überprüft werden
kann. Das erfindungsgemäße Verfahren 73 beruht
im Wesentlichen darauf, die Reaktionswärme einer direkt
an der Abgassonde 37 stattfindenden exothermen Reaktion
der Kohlenwasserstoffe zu detektieren. Hierbei kann einerseits die
durch eine Reaktion an der Außenelektrode 49 des
Sensorelements 43 entstehende Reaktionswärme durch
Auswerten der Heizleistung WH detektiert
werden. Ein durch diese Reaktionen verursachter Rückgang
der Heizleistung WH liegt im Bereich von
etwa einem bis zwei Watt und ist typischerweise nach etwa fünf
Sekunden detektierbar. Andererseits wird gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren 73 auch der Umsatz der Kohlenwasserstoffe im
Hohlraum 57 detektiert. Der HC-Umsatz im Hohlraum ist vom
Sauerstoffangebot abhängig. Wenn kein Sauerstoff in den
Hohlraum gepumpt wird, können die anwesenden HC nicht verbrannt
werden. Es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen dem HC im Hohlraum
und dem HC im Abgasraum ein. Wenn gepumpt wird, wird HC verbraucht
und neues HC diffundiert von außen nach. Ein durch den
HC-Umsatz verursachter Rückgang der Heizleistung liegt
im Bereich zwischen einem und zwei Milliwatt und ist ebenfalls nach
cirka fünf Sekunden nach Auftreten des erhöhten
Anteils an Kohlenwasserstoffen in dem Abgas 71 detektierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4426020
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