DE102011107784B4

DE102011107784B4 - Verfahren zur Zustandsbestimmung einer Abgasreinigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102011107784B4
Application number: DE102011107784.0A
Authority: DE
Inventors: Dr. Roesch Martin; Dr. Votsmeier Martin; Prof. Dr.-Ing. Moos Ralf; Prof. Dr.-Ing. Fischerauer Gerhard; Gunter Hagen; Sebastian Reiss
Original assignee: Umicore AG and Co KG
Current assignee: Umicore AG and Co KG
Priority date: 2011-07-15
Filing date: 2011-07-15
Publication date: 2014-03-13
Anticipated expiration: 2031-07-16
Also published as: WO2013010897A1; DE102011107784A1; US20140283503A1; US9540984B2

Abstract

Verfahren zur Kalibration einer Messeinrichtung zur Bestimmung der elektrischen Eigenschaften eines Bauteils der Abgasnachbehandlung, welches Abgasbestandteile anlagert oder einspeichert und in einem metallischen Gehäuse eines Abgasnachbehandlungssystems eines Fahrzeugs angeordnet ist, wobei die elektrischen Eigenschaften mittels Mikrowellen, welche über mindestens eine im Gehäuse anströmseitig und/oder abströmseitig angeordnete Antenne ein- bzw. ausgekoppelt werden, erfasst werden, wobei eine Messung bei niedriger Temperatur des Bauteils der Abgasnachbehandlung als Basis für die Kalibration der Messeinrichtung dient und darauf aufbauend eine Korrektur der Messeinrichtung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass bei der niedrigen Temperaturen zwischen unterschiedlichen Beladungs- bzw. Speicherzuständen des Bauteils nicht mehr unterschieden werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren zur Bestimmung des Zustandes einer Abgasreinigungsvorrichtung gerichtet. Bei der Abgasreinigungsvorrichtung handelt es sich um eine solche, die Gas- und/oder Partikel speichern kann. Mittels des vorgeschlagenen Verfahrens kann z. B. der Beladungszustand der Abgasnachbehandlungsanlage, beispielsweise der Sauerstoffspeicherzustands eines mit einem Sauerstoff speichernden Material versehenen Katalysators wie z. B. einem Dreiwegekatalysator analysiert werden. Das vorliegende Verfahren arbeitet berührungslos durch Analyse von Resonanzen, welche sich bei Anregung des Katalysators mit hochfrequenten elektromagnetischen Wellen ausbilden.
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.
Z. B. wird beim stöchiometrisch betriebenen Ottomotor (sog. „λ = 1-Motor”) 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. Im zeitlichen Mittel muss etwa λ = 1 eingehalten werden. 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 des Katalysators ab, Sauerstoff zu speichern. Eine zweite, nach dem Katalysator angeordnete λ-Sonde kann dies detektieren. Für ein solches indirektes Verfahren, bei dem aus den Signalen der beiden λ-Sonden auf den Zustand des sauerstoffspeichernden Katalysators geschlossen wird, ist eine sehr aufwändige Modellbildung notwendig, die insbesondere ein Motorbetriebszustandsmodell erfordert, s. z. B. J. Riegel et al., „Exhaust gas sensors for automotive emission control”, Solid State Ionics 152–153 (2002), 783–800.
Abhilfe schaffen Verfahren, die den Betriebszustand und die Güte eines Katalysators, der Gase wie z. B. Sauerstoff speichert, bestimmen. Insbesondere kann mit ihnen bestimmt werden, inwieweit die Sauerstoffspeicher des Katalysators gefüllt sind oder wo sich die Sauerstoffbeladungsfront im Katalysator befindet, wie z. B. R. Moos, M. Wedemann, M. Spörl, S. Reiß, G. Fischerauer, „Direct Catalyst Monitoring by Electrical Means: An Overview on Promising Novel Principles”, Topics in Catalysis, 52 (2009), 2035–2040 zeigen konnten. Besonders einfach im Aufbau sind hier sog. hochfrequenzgestützte Systeme, wie sie z. B. in der DE102008012050 oder in der DE10358495 beschrieben werden.
Bei diesen Verfahren wird im Innenraum des als Hohlraumresonators ausgebildeten Katalysatorgehäuses eine elektromagnetische Mikrowellenresonanz angeregt und die Verschiebung der Resonanzfrequenz und/oder -güte beobachtet. Die Änderung der Resonanzfrequenz wird z. B. als Maß für die Sauerstoffbeladung des Speichermaterials des Katalysators genommen. Hierauf basierend schlägt die DE102008012050 eine Regelung vor. Bei Erreichen eines vorgebbaren Werts der Resonanzfrequenz wird eine Regeneration durchgeführt. Wie schon in der DE102008012050 angedeutet und dort z. B. auch anhand von 8 ausgeführt, spielt die Temperatur des Systems eine wesentliche Rolle, da sich damit die Resonanzfrequenzen verschieben. Selbst mit Kenntnis der Katalysatortemperatur lassen sich aber mit Hilfe des Messsystems wichtige Größen wie z. B. die Sauerstoffbeladung nicht direkt ableiten. Hintergrund ist, dass die Resonanzfrequenzen einerseits von der Geometrie abhängen aber andererseits die Temperaturabhängigkeit der Beladung unbekannt ist. Gerade der Geometrieaspekt verhindert zudem, dass ein in den Abgasstrang eingebautes hochfrequenzgestütztes Messsystem ohne weitere Kalibration eingesetzt werden kann, da die Bauteilstreuungen hinsichtlich der geometrischen Abmessung und hinsichtlich einer Schichtdickenstreuung der Beschichtung und hinsichtlich der Reproduzierbarkeit der elektrischen Eigenschaften des Keramiksubstrates (des Wabenkörpers) zu Streuungen in den Resonanzfrequenzen führen können, die in der Größenordnung des Messeffektes liegen.
Verfahren zur Bestimmung des Beladungszustandes von z. B. Dieselpartikelfiltern (DPF) unter Einsatz von hochfrequenter Strahlung sind aus der US20110074440A1 bekannt. Hierin wird die hochfrequente Strahlung zur Kalibrierung eines DPF-Sensors vorgeschlagen. Vermessen wird eine Prüfschleife. Die Bestimmung der Beladung erfolgt nicht durch die HF-Messung.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die genannten Nachteile der Methoden des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere sollte das erfindungsgemäße Verfahren im Stande sein, durch eine Art Kalibrierung z. B. die eben genannten äußeren Einflüsse auf das Resonanzsignal zu minimieren.
Diese und weitere sich aus dem Stand der Technik in nahe liegender Weise ergebende Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den Merkmalen des vorliegenden Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den von Anspruch 1 abhängigen Unteransprüchen.
Dadurch, dass in einem Verfahren zur Kalibration einer Messeinrichtung zur Bestimmung der elektrischen Eigenschaften eines Bauteils der Abgasnachbehandlung, welches Abgasbestandteile anlagert oder einspeichert und in einem metallischen Gehäuse eines Abgasnachbehandlungssystems eines Fahrzeugs angeordnet ist, wobei die elektrischen Eigenschaften mittels Mikrowellen, welche über mindestens eine im Gehäuse anströmseitig und/oder abströmseitig angeordnete Antenne ein- bzw. ausgekoppelt werden, erfasst werden, eine Messung bei niedriger Temperatur des Bauteils zur Abgasnachbehandlung als Basis für die Kalibration der Messeinrichtung dient und darauf aufbauend eine Korrektur der Messeinrichtung erfolgt, wobei niedrige Temperaturen dadurch gekennzeichnet sind, dass zwischen unterschiedlichen Beladungs- bzw. Speicherzuständen des Bauteils nicht mehr unterschieden werden kann, gelangt man äußerst einfach, dafür aber nicht minder vorteilhaft zur Lösung der gestellten Aufgabe. Durch das hier beschriebene Verfahren ist es möglich, eine gas- und/oder partikelspeichernde Abgasreinigungsvorrichtung (2) berührungslos dahingehend zu untersuchen, wie ihre aktuellen elektrischen Eigenschaften, insbesondere die elektrische Leitfähigkeit, sind, um damit z. B. auf seinen aktuellen Speicherzustand schließen zu können.
Die Bestimmung der elektrischen Eigenschaften und die Kalibration der Messeinrichtung kann nicht nur durch die Verwendung der Resonanzfrequenz, sondern auch durch weitere Signalmerkmale wie die Amplitude, die Güte des Resonators oder auch darauf basierende Größen (auch in verschiedenen Frequenzbereichen) durchgeführt werden kann.
Das Kalibrationsverfahren der Hochfrequenz-Messeinrichtung kann insbesondere für Dreiwegkatalysatoren zur Detektion der Sauerstoffbeladung, aber auch für weitere Katalysatortypen wie NO_x-Speicherkatalysatoren (NO_x-Beladung), SCR-Katalysatoren (NH₃-Beladung) und Dieselpartikelfilter (Rußbeladung) verwendet werden kann, die Gase bzw. Rußpartikel speichern, sofern bei genügend niedrigen Temperaturen nicht mehr zwischen beladenem und unbeladenen Zustand unterschieden werden kann. Dabei kann der unbeladene Zustand auch bewusst herbeigeführt werden.
Durch eine geeignete Extrapolation kann die Temperaturabhängigkeit der Basismessung zugrunde gelegt werden, womit der elektrisch isolierende Zustand bekannt ist und anhand der Kalibrationsmessung über die Lebensdauer nachgeführt werden kann.
Durch einen geeigneten mathematischen Zusammenhang kann der Unterschied zwischen beladenem und unbeladenem Zustand errechnet werden und kann somit auch als Messgröße für die gesamte Speicherfähigkeit des Bauteils der Abgasnachbehandlungseinrichtung im Vergleich zum Neuzustand im Rahmen der On-Board-Diagnose herangezogen werden.
Das Bauteil und die Antennen können anström- wie abströmseitig von einem Mikrowellenreflektor zur Begrenzung des Resonatorvolumens umgeben sein.
Es ist eine besondere Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens, dass das vorgestellte Verfahren nicht nur für die Kalibration und Applikation genutzt werden kann, sondern auch innerhalb der Regelung von Motoren verwendet wird.
Das vorliegende Verfahren eignet sich besonders vorteilhaft zur Bestimmung des Zustands einer gas- und/oder partikelspeichernden Abgasreinigungsvorrichtung (2), welche in einem metallischen Gehäuse (1) eines Abgasnachbehandlungssystems eines Fahrzeugs angeordnet ist, deren Zustand mittels Mikrowellen, welche über mindestens eine im Gehäuse anströmseitig und/oder abströmseitig angeordnete Antenne (5, 6) ein- bzw. ausgekoppelt werden, dergestalt erfasst, dass:

a) man als Basismessung die Temperaturabhängigkeit einer Resonanzcharakteristik des Systems unterhalb einer Grenztemperatur bestimmt;
b) in Betriebssituationen des Fahrzeugs, in denen sich das Abgassystem unterhalb der Grenztemperatur befindet, eine Resonanzcharakteristik misst;
c) den Unterschied aus der Messung des Wertes aus b) und der entsprechenden Basismessung unter a) ermittelt; und
d) aus der in bestimmten Fahrsituationen, in denen sich das Abgassystem oberhalb der Grenztemperatur befindet, ermittelten Resonanzcharakteristik unter Einberechnung des Unterschieds aus c) den Zustand der Abgasreinigungsvorrichtung (2) analysiert. Durch die hier beschriebene Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, eine gas- und/oder partikelspeichernde Abgasreinigungsvorrichtung (2) berührungslos dahingehend zu untersuchen, wie seine aktuelle elektrische Leitfähigkeit ist, um damit z. B. auf seinen aktuellen Speicherzustand oder eventuelle Schädigungen schließen zu können. Das System wird mithin zuerst gegen die Basismessung kalibriert, bevor aus dem dann ermittelten und korrigierten Wert für die Resonanzcharakteristik auf die elektrische Eigenschaften des Bauteils geschlossen wird.

Der wesentliche Aspekt des vorliegenden Verfahrens ist die Tatsache, dass offensichtlich unterhalb einer Grenztemperatur T_G die Resonanzcharakteristika des Systems unabhängig vom Zustand der gas- und/oder partikelspeichernden Abgasreinigungsvorrichtung (2) sind (siehe 4). Diese Tatsache ermöglicht es, die Referenzcharakteristika unterhalb dieser Grenztemperatur als Kalibrierungsmaßstab heranzuziehen. Normalerweise ist nicht bekannt, welchen Füllgrad oder welche Kapazität die gas- und/oder partikelspeichernde Abgasreinigungsvorrichtung (2) aktuell besitzt. Daher kann die Kalibrierung des Systems aufgrund dieser beschriebenen Unabhängigkeit der Resonanzcharaktieristik unterhalb der Grenztemperatur in einfacher Art und Weise erfolgen. Erst oberhalb der Grenztemperatur unterscheiden sich die Resonanzcharakteristika in Abhängigkeit der Temperatur und z. B. der Beladung (s. 4). Die Grenztemperatur zeichnet sich also dadurch aus, dass unterhalb dieser Temperatur entsprechende Resonanzcharakteristika unabhängig vom Füllgrad der gas- und/oder partikelspeichernde Abgasreinigungsvorrichtung (2) in etwa auf einer Kurve liegen, sich mithin also nicht mehr unterscheiden.
Demzufolge wird erfindungsgemäß in einem ersten Schritt eine Basismessung durchgeführt, wobei spezielle Resonanzcharakteristika zumindest unterhalb der Grenztemperatur gemessen werden. Die Basismessung sollte so früh wie möglich nach Zusammenbau der Abgasreinigungsanlage erfolgen. Hier ist die gas- und/oder partikelspeichernde Abgasreinigungsvorrichtung (2) häufig noch keiner Alterung, Schädigung oder anderen Einflüssen unterworfen. Wenn das Fahrzeug mit der gas- und/oder partikelspeichernde Abgasreinigungsvorrichtung (2) dann im normalen Betrieb ist, werden regelmäßig in Betriebszuständen, in denen sich das Abgassystem und damit auch die gas- und/oder partikelspeichernde Abgasreinigungsvorrichtung (2) unterhalb der Grenztemperatur befindet, eine Resonanzcharakteristik gemessen. Aus dem Vergleich mit der entsprechenden Basismessung lässt sich jetzt ggf. ein Unterschied feststellen, der durch Alterung, Schädigung oder andere Einflüsse, jedoch nicht durch den Beladungsgrad herrührt. Entsprechend nutzbare Betriebszustände tauchen immer dann auf, wenn die Temperatur der Abgasanlage niedrig ist. Dies ist z. B. beim Anlassen oder bei langen Leerlaufzeiten des Fahrzeugs der Fall. Der eben angesprochene Unterschied wird sodann für jede weitere Messung im normalen Fahrbetrieb, bei dem die Abgasanlage sich häufig oberhalb der Grenztemperatur befindet als Korrektur herangezogen. Erst auf Basis des so ermittelten und entsprechend korrigierten Wertes erfolgt dann die weitere Analyse der gas- und/oder partikelspeichernde Abgasreinigungsvorrichtung (2).
Dem Fachmann ist geläufig, welche Zustände für die hier zu betrachtenden Abgasreinigungsvorrichtungen vorteilhafter Weise zu untersuchen sind. Zuvorderst ist unter dem Begriff Zustand der Abgasreinigungsvorrichtung (2) eine Größe ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Beladungszustandes, Speicherkapazität und Alterungszustand zu verstehen. Ganz besonders bevorzugt wird der aktuelle Beladungszustand bzw. die aktuelle Speicherkapazität der Abgasreinigungsvorrichtung (2) überprüft. Der Beladungszustand ist dahingehend wichtig, dass er darüber Aufschluss gibt, wann die Abgasreinigungsvorrichtung ggf. regeneriert werden muss oder wie zum Beispiel das Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases anzupassen ist, um einen bestimmten Füllgrad des Speichermaterials bereithalten zu können. So ist zum Beispiel bekannt, dass ein Dreiwegekatalysator dann besonders gut funktioniert, wenn sein Sauerstoffspeicher weder vollständig gefüllt noch vollständig entladen ist. Letzterer ist dann in der Lage, kleinere Schwankungen im Luft/Kraftstoffverhältnis auszugleichen und so einen konstant günstigen λ-Wert von etwa 1 bereitzustellen. Im Hinblick auf die Speicherkapazität sei angemerkt, dass insbesondere gasspeichernde Materialien in der Abgasreinigungsvorrichtung (2) u. a. aufgrund der zum Teil herrschenden hohen Temperaturen einer Alterung unterworfen sind. Dieser Alterungsprozess ist dadurch gekennzeichnet, dass das Material im gealterten Zustand weniger dazu befähigt ist, entsprechende Gaskomponenten aus dem Abgas des Fahrzeugs herauszufiltern. Mithin ist zu verzeichnen, dass die Speicherkapazität einer derartigen Vorrichtung mit zunehmender Laufzeit des Fahrzeugs durch z. B. Alterung oder sonstige Schädigung abnimmt, was sich in geänderten Kurvenverläufen für die Temperaturabhängigkeit der vollständig beladenen und definiert entladenen Abgasreinigungsvorrichtung (2) verglichen mit der Basismessung niederschlagen wird. Daher ist es für das ordnungsgemäße Funktionieren der Abgasreinigungsvorrichtung (2) wichtig, die Speicherkapazität des gasspeichernden Materials kontinuierlich zu überwachen. Im Falle einer zu geringen Speicherkapazität kann die entsprechende Abgasreinigungsvorrichtung dann servicegemäß ausgetauscht werden.
Insbesondere die eben angesprochenen Zustandsgrößen des Abgasreinigungssystems (2) sind von der aktuellen Fahrsituation des Fahrzeugs und insbesondere von der Temperatur der Abgasanlage abhängig. Um eine aussagekräftige Beurteilung der Zustandsgrößen zu erhalten, ist es daher notwendig, die aktuell gemessene Resonanzcharakteristik erfindungsgemäß zu korrigieren. Während des Fahrbetriebs wird die Abgasreinigungsanlage (2) häufig oberhalb der Grenztemperatur betrieben. Ein Vergleich des aktuell gemessenen Wertes der Resonanzcharakteristik mit einem entsprechenden Wert unterhalb der Grenztemperatur kann nicht erfolgen, da die Resonanzcharakteristika des Systems zumindest einer gewissen systemabhängigen Temperaturabhängigkeit unterliegen (siehe 4). Demzufolge ist es von Vorteil, wenn der aktuell gemessene Wert der Resonanzcharakteristik mit einem Wert für die Resonanzcharakteristik verglichen wird, welche bei einer gleichen Temperatur ermittelt oder gemessen (wie in 4) wurde. Dem Fachmann sind jetzt verschiedene Möglichkeiten geläufig, wie er derartige Werte oberhalb der eingangs angesprochenen Grenztemperatur erlangen kann. Als Referenzwerte können beispielsweise die im frischen Zustand (wie bei der Basismessung) gemessenen Referenzcharakteristika für einen definiert beladene bzw. definiert entladene gas- und/oder partikelspeichernden Abgasreinigungsvorrichtung (2) herangezogen werden. In einem solchen Fall erhält man Kurven, wie sie beispielhaft in 4 für das Sauerstoffspeichermaterial in einem Dreiwegekatalysator dargestellt sind. Die hier dargestellten und wie oben angesprochen im frischen Zustand (ggf. nach Zusammenbau der Abgasanlage im neuen Fahrzeug) ermittelten Kurven können in der ECU gespeichert und so als Vergleichswerte herangezogen werden. Es ist jedoch auch möglich diese auf andere Art und Weise zu ermitteln. Dem Fachmann sind dazu Maßnahmen bekannt, wie er diese Werte, insbesondere auf Grundlage der Basismessung abschätzen oder rechnerisch ermitteln kann. Durch einen geeigneten mathematischen Zusammenhang kann der Unterschied zwischen beladenem und unbeladenem Zustand errechnet werden. Dieser kann somit auch als Messgröße für die gesamte Speicherfähigkeit des Bauteils der Abgasnachbehandlungseinrichtung im Vergleich zum Neuzustand im Rahmen der On-Board-Diagnose herangezogen werden.
Erfindungsgemäß werden im vorliegenden Verfahren bestimmte Resonanzcharakteristika miteinander verglichen. Es versteht sich von selbst, dass die Vergleiche lediglich zwischen gleichen, sich mithin entsprechenden Resonanzcharakteristika erfolgen. Als solche kommen dem Fachmann insbesondere Größen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Resonanzfrequenz, Amplitude, den Betrag des Reflexionsparameters S₁₁(f_res), den Betrag des Transmissionsfaktors oder die Breite der Resonanzspitze bzw. des Resonanztals oder andere aus den S-Parametern abgeleitete Größen in Betracht (siehe hierzu DE102008012050 ). Besonders bevorzugt ist die Resonanzfrequenz bzw. Betrag des Reflexionsparameters S₁₁ oder S₁₂ in diesem Zusammenhang. Ganz besonders bevorzugt ist die Auswertung über die Resonanzfrequenz in diesem Zusammenhang (siehe 2 und 3).
Wie weiter oben schon angedeutet, basiert das vorliegende Verfahren auf der Tatsache, dass sich die Resonanzcharakteristika z. B. mit zunehmender Alterung und/oder dem Belagerungszustand der Abgasreinigungsanlage (2) ändern. Z. B. durch die zunehmende Beladung wird offensichtlich die Leitfähigkeit oder die Dielektrizitätskonstante des Materials der Abgasreinigungsanlage (2) modifiziert. Dadurch verschieben sich mit zunehmender Beladung zum Beispiel die Resonanzfrequenzen zu höheren Frequenzen. Bei der hier betrachteten Abgasreinigungsanlage (2) handelt es sich zuvorderst um gas- und/oder partikelspeichernde Vorrichtungen. Als solche können alle dem Fachmann zu diesem Zweck in Frage kommende Vorrichtungen erfindungsgemäß überprüft werden. Bevorzugt sind solche Vorrichtungen, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus mit einem Sauerstoffspeichermaterial versehener Dreiwegekatalysator, ggf. katalytisch beschichteter Dieselpartikelfilter, NOx-Speicherkatalysator, SCR-Katalysator mit NH₃-Speicherfunktion. Besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang der mit einem Sauerstoffspeichermaterial versehener Dreiwegekatalysator.
Wie eingangs schon angedeutet existiert eine Grenztemperatur T_G unterhalb derer die Kurven für die Referenzcharakteristika auf eine Kurve konvergieren. Demzufolge ist vorteilhafter Weise eine Grenztemperatur T_G so definiert, dass unterhalb dieser Temperatur die entsprechenden Referenzcharakteristika im (beliebig) beladenen und (beliebig) entladenen Zustand der gas- und/oder partikelspeichernde Abgasreinigungsvorrichtung (2) zu weniger als 10% unterscheiden. Besonders bevorzugt unterscheiden sich die entsprechenden Referenzcharakteristika zu weniger als 5%, ganz besonders bevorzugt zu weniger als 3%.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Dreiwegekatalysator (2) und die Antenne(n) (5, 6) anström- wie abströmseitig von einem Mikrowellenreflektor umgeben. Geeignet hierfür sind alle Materialien, die dem Abgasstrom einen möglichst geringen Gegendruck entgegensetzen, welche jedoch im Stande sind, die eingesetzten Mikrowellen zu reflektieren. Der Fachmann weiß, welche Vorrichtungen hier in Frage kommen können. Im Zweifel helfen einfache metallene Gitter.
Die Erfindung sei anhand der folgenden, beispielhaften und nicht einschränkenden Erläuterungen eingehender beschrieben. Dreiwegekatalysatoren mit entsprechenden Speicherfähigkeiten sind dem Fachmann hinlänglich bekannt (siehe z. B. J. Kaŝpar et al., Automotive catalytic converters: current status and some perspectives, Catalysis Today 77 (2003) 419–449). Diese Katalysatoren werden in der Regel in einem metallenen, den elektrischen Strom leitenden Gehäuse im Abgasstrang positioniert. Es sei darauf hingewiesen, dass der Dreiwegekatalysator nicht unbedingt in einem metallischen Gehäuse montiert sein muss, sofern sichergestellt ist, dass er in einer Vorrichtung beherbergt ist, die für die hier ins Auge gefasste hochfrequente elektromagnetische Strahlung (Mikrowellenbereich) als Resonanzkörper dient.
Die Antennen können nach Maßgabe des Fachmannes gewählt werden. Derartige Gerätschaften, wie auch die Signalerfassungseinheit und die entsprechende Analyseeinheit sind dem Fachmann hinlänglich bekannt (z. B. aus P. S. Neelakanta, Handbook of Electromagetic Materials. CRC Press, Boca Raton etc., 1995 und aus S. H. Chao, Measurements of microwave conductivity and dielectric constant by the cavity perturbation method and their errors, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 33 (1985) 519–526, bzw. aus der darin zitierten Literatur).
Die mit dem vorliegenden Verfahren u. a. zu messenden aktuellen Beladungswerte des Sauerstoffspeichermaterials sind wichtig für die Motorsteuerung, hat sich doch herausgestellt, dass eine gezielte Füllung des Speichermaterials mit Sauerstoff bis zu einem definierten Anteil der Speicherkapazität für den stöchiometrischen Betrieb eines Kraftfahrzeugs mit Ottomotor besonders bevorzugt ist ( DE10103772 ). Der Fachmann weiß auch hier, wie er die Motorsteuerung mittels ECU entsprechend bewerkstelligen kann. Diesbezüglich wird auch auf die DE102008012050 verwiesen.
Die Figuren zeigen:
1 den prinzipiellen Aufbau eines Abgasnachbehandlungssystems mit einem Gehäuseteil (1), in das ein Dreiwegekatalysator (2), ein Messsystem mit zwei Antennen (5, 6), von denen eine optional ist, Ansteuer- (7) und Auswertelektronik (8) und optionalem Temperaturfühler (siehe DE102008012050 ) sowie optionalem Reflektor (3, 4) eingebaut ist.;
2 den Betrag des Reflexionsfaktors S₁₁ des Resonators bei verschiedenen Temperaturen im vollkommen sauerstoffbeladenen Zustand;
3 den Betrag des Reflexionsfaktors S₁₁ des Resonators bei verschiedenen Temperaturen im vollkommen reduzierten Zustand;
4 die Resonanzfrequenz über der Temperatur, jeweils im vollkommen sauerstoffbeladenen Zustand sowie bei vollständig reduziertem Katalysator.
Grundsätzlich kann die Kalibration mit jedem Signalmerkmal der Hochfrequenzmessung durchgeführt werden. Wie aus den 2 und 3 zu entnehmen und weiter oben angedeutet ist, bieten sich z. B. mehrere Resonanzfrequenzen zur Analyse des Dreiwegekatalysators (2) an. Die Wahl der besten Resonanzfrequenz hängt sicher von den Umgebungsgegebenheiten maßgeblich ab und ist im Einzelfall zu bestimmen. Vorteilhafterweise kann im vorliegenden Fall für die Bestimmung der Resonanzfrequenzen ein Minimum des Betrags des Reflexionsfaktors S₁₁ des Resonators zwischen 1200 und 1300 MHz herangezogen wird.
Die frequenzabhängige Streumatrix S, zu der auch der Reflexionsparameter S₁₁(f) gehört, verknüpfen die komplexen Wellenamplituden a_i (in Watt^1/2) der in die beiden Tore hineinlaufenden Wellen mit denen der herauslaufenden Wellen, b_j:
Bei den Resonanzfrequenzen des Hohlraumresonators werden die Transmissionsfaktorbeträge |S₁₂| und |S₂₁| lokal maximal, während die Reflexionsfaktorbeträge |S₁₁| und |S₂₂| lokale Minima annehmen.
Exemplarisch wird dies aber hier anhand der Resonanzfrequenz f_res dargestellt. Die Resonanzfrequenz f_res,gemessen(T₀) ist eine am aktuellen Dreiwegekatalysator gemessene Resonanzfrequenz. Wichtig ist hier, dass diese Frequenz unterhalb einer bestimmten Temperatur gemessen wird (T₀ < T_G). Aus 4 wird deutlich, dass erst oberhalb einer bestimmten individuell verschiedenen Temperatur die Resonanzfrequenzen für den mit Sauerstoff definiert beladenen und den definiert entladenen Katalysator auseinander laufen (Grenztemperatur). Erfindungsgemäß ist diese Temperatur dann erreicht, wenn sich die Resonanzfrequenzen im definiert beladenen und definiert entladenen Dreiwegekatalysator wie weiter oben beschrieben unterscheiden.
Anschließend wird diese Resonanzfrequenz mit der Resonanzfrequenz f_res,mager(T₀) aus 4 (entspricht der Basismessung der gas- und/oder partikelspeichernden Abgasreinigungsvorrichtung (2)) verglichen und der Unterschied ermittelt. Dieser Unterschied wird dann als Hilfsmittel zur Konstruktion von Neukurven für den aktuellen Dreiwegekatalysator in der aktuellen Umgebung herangezogen, indem man die Kurven durch Extrapolation aus den Kurven der Basismessung (4) unter Zugrundelegen des ermittelten Unterschieds darstellt. So kommt man zu einer Resonanzfrequenzkurve für den definiert beladenen f_res,voll(T)) und den definiert entladenen (f_res,leer(T)) Katalysator (2).
Sofern man im Betrieb des Fahrzeugs nun die aktuell gemessenen Istwerte der Resonanzfrequenz für den Dreiwegekatalysator (2) misst, kann man aus den Abweichungen der Neukurven mit den Istwerten auf eine ggf. erfolgte Schädigung bzw. Alterung des Katalysators dann schließen, wenn die bei einer bestimmten Temperatur gegebenen Sollwerte für den definiert beladenen und den definiert entladenen Zustand in der Regel nicht mehr erreicht werden.
Ein Abgasnachbehandlungs- und Messsystem, wie es für die vorliegende Erfindung von Interesse ist, ist in 1 dargestellt. Das metallische Gehäuse des Katalysators wirkt als (gefüllter) Hohlraumresonator, der hier beispielhaft als Eintorresonator betrieben werden kann (nur eine Antenne aktiv). Der Wabenkörper der Länge L_W wird dabei in den Resonator der Länge L_R eingebracht. Die Antennen befinden sich jeweils zwischen Wabenkörper und den (optionalen) Abschirmgittern. Zur frequenz- und anschlussrohrunabhängigen, reproduzierbaren Festlegung des Resonanzvolumens kann es vorteilhaft sein (obgleich für das Verfahren nicht unabdingbar notwendig; siehe DE102008012050 4a und 4b), an den Enden des Katalysatorgehäuses Reflektoren, z. B. 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 sollten hochtemperaturtauglich ausgeführt werden. 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 Katalysatorgehäuses oder eine kleine Leiterschleife, deren Ende leitend mit dem Katalysatorgehäuse verbunden ist (magnetische Einkopplung), als Antenne dienen. Als Messsignale können u. a. Amplitude, Resonanzfrequenz, Halbwertsbreite oder Güte verwendet werden, um Änderungen im Wabenkörper zu detektieren.
Für den hier beschriebenen Versuch wird im Prinzip nur eine Antenne benötigt. Aus dem von außen gemessenen prinzipiell komplexwertigen S-Parameter S₁₁ des Hohlraumresonators (siehe oben) werden kontinuierlich Merkmale wie oben beschrieben extrahiert, die in einem eindeutigen Zusammenhang mit dem interessierenden Zustand des Katalysators stehen. Ein gut geeignetes Merkmal ist die Resonanzfrequenz, also z. B. die Frequenz des lokalen Minimums des Betrags von S₁₁ in 2 oder in 3. Wie bereits zuvor erwähnt, kann das Mess- und Kalibrationsverfahren auch mit anderen Messgrößen der Hochfrequenzmessung durchgeführt werden.
Für die folgenden Versuche wurde die Katalysatortemperatur unter gleich bleibendem Gasfluss variiert. In dem Versuch, dessen Ergebnis in 2 gezeigt ist, wurde ein Dreiwegekatalysator auf unterschiedliche Temperaturen mit einer Heizmanschette von außen geheizt. Der Versuch wurde mit einem konstanten Gasfluss bei einer Luftzahl von ca. 1,48 mit einer Gaszusammensetzung von 6% O₂, 10% CO₂ und 5% H₂O in N₂ durchgeführt. Diese magere Gasmischung führt zu einer Sauerstoffbeladung des Katalysators und damit zu einer sehr niedrigen elektrischen Leitfähigkeit des Katalysatormaterials (elektrisch isolierend). In dem Versuch, dessen Ergebnis in 3 gezeigt ist, wurde ein Dreiwegekatalysator wie zuvor auf unterschiedliche Temperaturen geheizt, wobei ein konstanter Gasfluss der Luftzahl λ ≈ 0,96 mit 1,5% CO, 1500 ppm C₃H₈, 10% CO₂ und 5% H₂O in N₂ durchgeführt. Durch die fette Gasmischung wird die Sauerstoffspeicherkomponente im Katalysator reduziert, d. h. der Katalysator wird entleert und die elektrische Leitfähigkeit des Katalysatormaterials steigt an.
Aus 2 oder 3 ist sofort zu erkennen, dass das Merkmal „Resonanzfrequenz von S₁₁” (z. B. erstes Minimum in dem Frequenzspektrum bei ca. 1,25 GHz) stark von der Temperatur abhängt und zwar sowohl im Mageren (2) als auch im Fetten (3). Gleichzeitig ist dem Vergleich von 2 oder 3 sofort zu entnehmen, dass sich auch mit der Sauerstoffbeladung das Merkmal Resonanzfrequenz verschiebt. Gleichzeitig verschiebt sich die Resonanzfrequenz auch mit der Geometrie, d. h. kleinere Abweichungen in den Abmessungen verschieben die Resonanzfrequenz eines Hohlleitersystems, wie z. B. aus „R. F. Harrington, Time-Harmonic Electromagnetic Fields, The IEEE Press Series on Electromagnetic Wave Theory, Wiley Verlag (2001), S. 317–321” bekannt ist. Auch die Geometrie selbst ist aufgrund des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Katalysatorgehäuses und des Katalysatormonolithen von der Temperatur abhängig.
Unter Zuhilfenahme des bislang unverstandenen Verhaltens in 4 bietet sich nun die Möglichkeit einer Kalibration im Fahrzeug an. Aufgetragen ist in 4 die gemessene erste Resonanzfrequenz im Mageren und im Fetten (je nach Temperatur zwischen ca. 1200 und 1300 MHz liegend), jeweils als Funktion der Temperatur. Dabei wird deutlich, dass sich bei niedriger Temperatur die Kurven decken, wohingegen sich erst bei hoher Temperatur die Kurven aufspalten. Insbesondere sind bei Raumtemperatur die Punkte deckungsgleich.
Mit Hilfe dieser Messergebnisse kann man nun eine Kalibration durchführen. Dies sei beispielhaft hier für die Resonanzfrequenzen als Signalmerkmal erläutert.
Man misst zunächst bei bekannter Temperatur T₀, die unterhalb der Temperatur, bei der sich die Kurven aufzuspalten beginnen, liegt, die Resonanzfrequenz f_res,gemessen(T₀). T₀ kann z. B. die Umgebungstemperatur beim Stillstand des Fahrzeugs sein. Die Resonanzfrequenz f_res,gemessen(T₀) wird nur in seltenen Fällen exakt auf der Kurve in 4 liegen. Sie definiert aber einen Grundzustand. Aus 4 kennt man für eine bestimmte Geometrie allgemein die Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz im Mageren (also der Verlauf der Resonanz des Zustandes „mit Sauerstoff beladen” f_res,mager(T) und im Fetten f_res,fett(T) (Resonanz des Zustandes ohne Sauerstoffbeladung). Man kann nun die bei T₀ gemessene Resonanzfrequenz f_res,gemessen(T₀) auf die Resonanzfrequenz im Mageren bei T₀ d. h. auf f_res,mager(To) beziehen. Zum Beispiel kann man einen Korrekturfaktor K₁ definieren nach f_res,gemessen(T₀) = K₁ × f_res,mager(T₀) (1).
Mit Hilfe dieses Korrekturfaktors lässt sich nun der Verlauf des Grundzustandes f_res,voll(T) im vollständig mit Sauerstoff befüllten Fall festlegen: f_res,voll(T) = K₁ × f_res,mager(T) (2).
Gleiches gilt für f_res,leer(T). Für eine erhöhte Genauigkeit kann ein solcher Faktor K₁ aber auch temperaturabhängig sein (K₁(T)). Alternativ zum Korrekturfaktor kann zur Kalibration auch eine Resonanzfrequenzdifferenz zu Rate gezogen werden: f_res,gemessen(T₀) = Δf_res + f_res,mager(T₀) (3).
Der Verlauf des Grundzustandes f_res,voll(T) im vollständig mit Sauerstoff befüllten Fall würde dann nach Gleichung (4) berechnet: f_res,voll(T) = Δf_res + f_res,mager(T) (4).
Für f_res,leer(T) gilt dies entsprechend. Somit ist also der mit Sauerstoff befüllte Grundzustand (100% Sauerstoffbeladung, elektrisch isolierend) festgelegt. Basierend auf der Feststellung aus 4, dass es einen Verlauf für das Verhalten im entleerten Zustand gibt (f_res,fett(T)), kann man analog zum oben geschriebenen eine Kalibration für den sauerstoffentleerten Fall definieren.
Damit kann der Zustand des Katalysatorbauteils auf die Kurve in 4 zurückgeführt werden, die dann z. B. als Grundlage für die Analyse und Regelung des Abgasnachbehandlungssystems dienen kann. Die Kurve in 4 kann für verschiedene Motortypen in den Absolutwerten verschieden aussehen. Dennoch lässt sich mit der erfindungsgemäßen Idee in jedem Fall das Verhalten auf eine Kurve wie in 4 übertragen.
Noch präziser wird das Verfahren, wenn ein im Fahrbetrieb sowieso vorhandener Punkt, an dem der Katalysator entweder definiert sauerstoffbeladen oder definiert reduziert ist, auftritt und dieser ebenfalls als Stützstelle zu Rate gezogen wird. Bei bekannter Temperatur T_n können dann die Magerkurven f_res,mager(T_n) bzw. die Kurven im entleerten Zustand f_res,fett(T_n) angepasst werden. Ein Beispiel für einen sauerstoffbeladenen Betriebzustand kann eine Betriebsphase nach Schubabschaltung von geeigneter Dauer sein. Analog kann nach einer Anfettungsphase von geeigneter Art und Dauer ein entleerter Zustand auftreten. Daraus lässt sich eine Funktion für die On-Bord-Diagnose ableiten, da ein Vergleich mit dem Neuzustand des Katalysators die Alterung während der Laufzeit abbildet. Wie eingangs schon erläutert, ist die Sauerstoffspeicherfähigkeit an den Zustand des Katalysators gekoppelt, so dass eine hohe Speicherfähigkeit auf einen noch gut funktionierenden Katalysator hinweist.
Wichtig ist hier zu betonen, dass als Signalmerkmal nicht nur die Resonanzfrequenz des Reflexionsfaktors S₁₁ sondern auch andere aus ihm abgeleitete Größen wie z. B. die Dämpfung im Resonanzfall, die Dämpfung bei einer bestimmten Frequenz oder die Breite einer Resonanzstelle sein können. Die Gleichungen (1) bis (4) sind dann entsprechend anzupassen.
Auch können andere die Hochfrequenzeigenschaften beschreibenden Parameter verwendet werden. Als Beispiel seien hier genannt die weiteren S-Parameter oder aber auch Kombinationen aus S-Parameter bzw. Kombinationen aus Merkmalen, die von mehreren S-Parametern extrahiert wurden. Als Beispiel seien hier die Verluste genannt. Auch in diesem Fall sind die Gleichungen (1) bis (4) dann entsprechend anzupassen.
Ergänzend sei hier noch darauf verwiesen, dass erfindungsgemäß prinzipiell alle Resonanzstellen für eine wie oben beschriebene Korrektur geeignet sind. Weiterhin können auch verschiedene Merkmale, die bei verschiedenen Resonanzstellen (in verschiedenen Frequenzbereichen) gemessen werden, kombiniert werden.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren kommt es auf reproduzierbare Verhältnisse an. Dass der erwähnte Einbau von Reflexionsgittern hier von Vorteil sein kann, wurde bereits in der oben erwähnten Schrift DE102008012050 gezeigt. In beiden Fällen wurde der Betrag der Vorwärtsübertragungsfunktion S₂₁ des Resonators gemessen, einmal ohne Reflexionsgitter und einmal mit Reflexionsgitter. 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 kann vorteilhaft sein, 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 möglich, kann aber u. U. einen höheren Aufwand bei der Invertierung des Zusammenhangs zwischen Katalysatorzustand und gemessenen S-Parametern erfordern.
Dieses erfindungsgemäße Kalibrationsverfahren des Hochfrequenz-Messsystems bietet sich auch für die Beladungserkennung weiterer Katalysatortypen, die Gase bzw. Rußpartikel speichern, wie NO_x-Speicherkatalysatoren, SCR-Katalysatoren oder Dieselpartikelfiltern an, sofern bei genügend niedrigen Temperaturen nicht mehr zwischen beladenem und unbeladenen Zustand unterschieden werden kann.

Claims

Verfahren zur Kalibration einer Messeinrichtung zur Bestimmung der elektrischen Eigenschaften eines Bauteils der Abgasnachbehandlung, welches Abgasbestandteile anlagert oder einspeichert und in einem metallischen Gehäuse eines Abgasnachbehandlungssystems eines Fahrzeugs angeordnet ist, wobei die elektrischen Eigenschaften mittels Mikrowellen, welche über mindestens eine im Gehäuse anströmseitig und/oder abströmseitig angeordnete Antenne ein- bzw. ausgekoppelt werden, erfasst werden, wobei eine Messung bei niedriger Temperatur des Bauteils der Abgasnachbehandlung als Basis für die Kalibration der Messeinrichtung dient und darauf aufbauend eine Korrektur der Messeinrichtung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass bei der niedrigen Temperaturen zwischen unterschiedlichen Beladungs- bzw. Speicherzuständen des Bauteils nicht mehr unterschieden werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der elektrischen Eigenschaften und die Kalibration der Messeinrichtung nicht nur durch die Verwendung der Resonanzfrequenz, sondern auch durch weitere Signalmerkmale wie die Amplitude, die Güte des Resonators oder auch darauf basierende Größen durchgeführt werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Kalibrationsverfahren der Hochfrequenz-Messeinrichtung insbesondere für Dreiwegkatalysatoren zur Detektion der Sauerstoffbeladung, aber auch für weitere Katalysatortypen wie NO_x-Speicherkatalysatoren, SCR-Katalysatoren und Dieselpartikelfilter verwendet werden kann, die Gase bzw. Rußpartikel speichern, sofern bei genügend niedriger Temperaturen nicht mehr zwischen beladenem und unbeladenen Zustand unterschieden werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine geeignete Extrapolation die Temperaturabhängigkeit einer Basismessung zugrunde gelegt werden kann und damit der elektrisch isolierende Zustand bekannt ist und anhand der Kalibrationsmessung über die Lebensdauer nachgeführt werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen geeigneten mathematischen Zusammenhang der Unterschied zwischen beladenem und unbeladenem Zustand errechnet werden kann und somit auch als Messgröße für die gesamte Speicherfähigkeit des Bauteils der Abgasnachbehandlungseinrichtung im Vergleich zum Neuzustand im Rahmen der On-Board-Diagnose herangezogen werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil und die Antennen anström- wie abströmseitig von einem Mikrowellenreflektor zur Begrenzung des Resonatorvolumens umgeben sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in Anspruch 1 vorgestellte Verfahren nicht nur für die Kalibration und Applikation genutzt werden kann, sondern auch innerhalb der Regelung von Motoren verwendet wird.