DE102018209812A1

DE102018209812A1 - Verfahren zum Ermitteln eines Zustands eines Katalysators und Abgasnachbehandlungseinrichtung

Info

Publication number: DE102018209812A1
Application number: DE102018209812.3A
Authority: DE
Inventors: Nikita Peters
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-06-18
Filing date: 2018-06-18
Publication date: 2019-12-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Zustands eines Katalysators (4) eines Kraftfahrzeugs (1), bei welchem eine stromaufwärts des Katalysators (4) angeordnete Verbrennungskraftmaschine (2) des Kraftfahrzeugs (1) vorübergehend mit einem Verbrennungsluftverhältnis < 1 betrieben wird. Während des Betriebs mit diesem Verbrennungsluftverhältnis wird stromabwärts eines Einlasses (5) des Katalysators (4) mittels zumindest eines Sensors (6) wenigstens ein Messwert erfasst, welcher mit einem Gehalt an Sauerstoff in dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine (2) korreliert. Sus dem wenigstens einen Messwert wird auf einen Gehalt wenigstens eines weiteren Abgasbestandteils in dem Abgas rückgeschlossen. Beim Ermitteln des Zustands des Katalysators (4) wird eine Fähigkeit des Katalysators (4) berücksichtigt, während des Betriebs mit dem Verbrennungsluftverhältnis < 1 den Gehalt des wenigstens eines weiteren Abgasbestandteils in dem Abgas zu verändern. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Abgasnachbehandlungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Zustands eines Katalysators eines Kraftfahrzeugs. Hierbei wird eine stromaufwärts des Katalysators angeordnete Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs vorübergehend mit einem Verbrennungsluftverhältnis < 1 betrieben wird. Während des Betriebs mit diesem Verbrennungsluftverhältnis wird stromabwärts eines Einlasses des Katalysators mittels zumindest eines Sensors wenigstens ein Messwert erfasst. Der Messwert korreliert mit einem Gehalt an Sauerstoff in dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Abgasnachbehandlungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug.
Zur Einhaltung von gesetzlichen Vorgaben im Hinblick auf die Emissionen einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs ist zum einen eine richtige Einstellung der Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise des Motors vorzunehmen. Zusätzlich ist jedoch auch eine Abgasnachbehandlung mittels wenigstens eines Katalysators erforderlich, um Emissionsgrenzwerte einzuhalten. Die Wirksamkeit des wenigstens einen Katalysators hängt stark von dessen Alterung ab. Um die Funktionsfähigkeit des Katalysators im Kraftfahrzeug zu gewährleisten, wird daher regelmäßig die Alterung des Katalysators bestimmt. Hierfür wird üblicherweise eine Messung durchgeführt, um die Sauerstoff-Speicherfähigkeit des Katalysators zu bestimmen.
Beispielsweise beschreibt die DE 102 48 842 A1 ein Verfahren zur Bestimmung des Alterungszustands eines Abgaskatalysators, bei welchem zur Ermittlung des Alterungszustands eine Anspringtemperatur des Katalysators und dessen Sauerstoff-Speicherfähigkeit ermittelt werden. Bei warmgelaufener Brennkraftmaschine wird eine Regelschwingung bestimmter Amplitude und Frequenz des Verbrennungsluftverhältnisses aufgeprägt, mit welchem die Verbrennungen in der Brennkraftmaschine stattfinden. Die eingangsseitig des Katalysators vorhandenen Schwingungen des Verbrennungsluftverhältnisses werden beim Durchgang durch den Katalysator aufgrund seiner Sauerstoff-Speicherfähigkeit geglättet. Dies führt dazu, dass bei hoher Sauerstoff-Speicherfähigkeit des Katalysators ausgangsseitig des Katalysators keine Schwingung des Verbrennungsluftverhältnisses mittels eines als Diagnosesonde dienenden Sauerstoffsensors mehr nachweisbar ist.
Des Weiteren ist es möglich, das Verbrennungsluftverhältnis, mit welchem die Verbrennungskraftmaschine betrieben wird, von einem Wert von Ä = 1 vorübergehend auf einen Wert von Ä < 1 zu verringern. Eine stromabwärts des Katalysators angeordnete Lambdasonde misst dann mit einem gewissen zeitlichen Verzug auch stromabwärts des Katalysators einen verringerten Sauerstoffgehalt im Abgas. Je größer dieser zeitliche Verzug zwischen dem Einstellen eines verringerten Werts des Verbrennungsluftverhältnisses Ä und der Reaktion der Lambdasonde stromabwärts des Katalysators ist, desto größer ist die Sauerstoff-Speicherfähigkeit des Katalysators. Dieser Zusammenhang wird üblicherweise genutzt, um daraus auf die Alterung des Katalysators rückzuschließen.
Es kann jedoch vorkommen, dass eine Verschlechterung der Emissionsergebnisse stromabwärts des Katalysators auftritt, obwohl der Katalysator gute Werte im Hinblick auf die Sauerstoff-Speicherfähigkeit aufweist. So wirken einige Schädigungsmechanismen wie zum Beispiel Ölvergiftungen mehr auf den Sauerstoffspeicher in der Beschichtung als auf die in der Beschichtung enthaltenen Edelmetalle. Diese Komponenten des Katalysators können somit beeinträchtigt sein, auch wenn die für die Speicherung von Sauerstoff verantwortlichen Komponenten des Katalysators noch kaum eine Alterung zeigen. Es kann also nicht in jedem Fall direkt vom Sauerstoffgehalt beziehungsweise von der Sauerstoff-Speicherfähigkeit des Katalysators auf die Emissionsergebnisse und folglich auf die Alterung des Katalysators geschlossen werden.
Des Weiteren kann der Fall auftreten, dass die Sauerstoff-Speicherfähigkeit des Katalysators beeinträchtigt ist, jedoch die katalytische Umwandlung von Abgasbestandteilen, welche durch Edelmetallkomponenten des Katalysators bewirkt wird, kaum eine Verschlechterung aufweist. Auch deswegen braucht nicht zwangsläufig ein direkter Zusammenhang zwischen der Sauerstoff-Speicherfähigkeit des Katalysators und dessen Leistungsfähigkeit im Hinblick auf die Konvertierung von Abgasbestandteilen vorzuliegen.
Zudem hat es sich gezeigt, dass Messergebnisse zum Bestimmen der Sauerstoff-Speicherfähigkeit des Katalysators stark streuen können. Es können also zwei aufeinanderfolgende Messungen unterschiedliche Ergebnisse aufzeigen. Auch dies macht es schwierig, aus der Sauerstoff-Speicherfähigkeit des Katalysators auf dessen Alterung rückzuschließen.
Wenn also die Sauerstoff-Speicherfähigkeit des Katalysators zur Bestimmung der Alterung desselben herangezogen wird, so ist einerseits die damit einhergehende große Streuung der Alterung nachteilig. Des Weiteren ist nachteilig, dass möglicherweise keine gute Korrelation zwischen dem Messergebnis für die Güte des Sauerstoffspeichers des Katalysators und den Emissionen des mit dem Katalysator bestückten Kraftfahrzeugs besteht, da bei dieser Betrachtung weitere Einflüsse vernachlässigt werden. Dies gilt insbesondere für die Alterung der Edelmetalle des Katalysators.
Es ist Aufgabe Erfindung, ein Verfahren und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Abgasnachbehandlungseinrichtung zu schaffen, welches beziehungsweise welche ein besonders zuverlässiges Ermitteln des Zustands des Katalysators ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Abgasnachbehandlungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der Beschreibung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln eines Zustands eines Katalysators eines Kraftfahrzeugs wird eine stromaufwärts des Katalysators angeordnete Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs vorübergehend mit einem Verbrennungsluftverhältnis < 1 betrieben. Während des Betriebs mit diesem Verbrennungsluftverhältnis wird stromabwärts eines Einlasses des Katalysators mittels zumindest eines Sensors wenigstens ein Messwert erfasst. Der wenigstens eine Messwert korreliert mit einem Gehalt an Sauerstoff in dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine. Aus dem wenigstens einen Messwert wird auf einen Gehalt wenigstens eines weiteren Abgasbestandteils in dem Abgas rückgeschlossen. Beim Ermitteln des Zustands des Katalysators wird eine Fähigkeit des Katalysators berücksichtigt, während des Betriebs mit dem Verbrennungsluftverhältnis < 1 den Gehalt des wenigstens eines weiteren Abgasbestandteils in dem Abgas zu verändern.
Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Zustand des Katalysators besonders zuverlässig ermittelt werden kann, wenn zwei verbindliche Zusammenhänge betrachtet werden. Einmal betrifft dies den Zusammenhang zwischen dem Gehalt des wenigstens einen weiteren Abgasbestandteils in dem Abgas und dem Messwert. Zum anderen betrifft dies den Zusammenhang zwischen dieser Korrelation und dem Zustand des Katalysators, insbesondere der Alterung des Katalysators. Eine in dem Katalysator stattfindende Reaktion, welche bei dem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine mit dem Verbrennungsluftverhältnis < 1 zu der Veränderung des Gehalts des wenigstens einen Abgasbestandteils im Abgas führt, hängt nämlich direkt vom Zustand des Katalysators ab. Diese Reaktion korreliert also mit den Emissionsergebnissen des Katalysators zumindest im Hinblick auf den wenigstens einen weiteren Abgasbestandteil.
Das Verbrennungsluftverhältnis setzt die tatsächlich in wenigstens einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine für eine Verbrennung zur Verfügung stehende Luftmasse ins Verhältnis zu der mindestens notwendigen stöchiometrischen Luftmasse, welche für eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs in dem wenigstens einen Brennraum erforderlich ist. Ein Verbrennungsluftverhältnis von Ä = 1 gibt somit das stöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis an, bei welchem alle Brennstoffmoleküle vollständig mit Sauerstoff reagieren. Ein Verbrennungsluftverhältnis von λ < 1 gibt demgegenüber einen Luftmangel beziehungsweise Sauerstoffmangel, und ein Verbrennungsluftverhältnis von λ > 1 einen Luftüberschuss beziehungsweise Sauerstoffüberschuss an.
Der zweite Zusammenhang besteht vorliegend darin, dass mit zunehmender Alterung des Katalysators beziehungsweise mit einer Veränderung des Zustands des Katalysators sich die Fähigkeit des Katalysators verringert, die Reaktion zu katalysieren, welche bei dem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine mit dem Verbrennungsluftverhältnis < 1 zu der Veränderung des Gehalts des wenigstens einen Abgasbestandteils im Abgas führt. Mit zunehmender Alterung des Katalysators schwächt sich diese Reaktion also ab.
Die entsprechenden Zusammenhänge, nämlich einmal zwischen dem Messwert und dem Gehalt des weiteren Abgasbestandteils in dem Abgas und zum anderen zwischen dieser Korrelation und dem Zustand des Katalysators haben sich in Versuchsreihen als besonders zuverlässig erwiesen, den Zustand des Katalysators realitätsgetreu zu ermitteln. Zudem ist eine Streuung der Ergebnisse sehr gering. Alterungseffekte von Komponenten des Katalysators wie etwa Edelmetallen in einer katalytisch wirksamen Oberfläche des Katalysators werden bei diesem Verfahren implizit mit betrachtet. Denn diese Alterungseffekte beziehen sich direkt auf die Emissionsergebnisse des Katalysators im Hinblick auf den wenigstens einen weiteren Abgasbestandteil, dessen Gehalt im Abgas wiederum über den wenigstens einen Messwert zuverlässig erfasst werden kann. Folglich ist durch das Verfahren ein besonders zuverlässiges Ermitteln des Zustands des Katalysators ermöglicht.
Hierbei wird der Umstand ausgenutzt, dass eine eindeutige Korrelation des mittels des Sensors erfassten wenigstens einen Messwerts mit den Emissionsergebnissen des Katalysators im Hinblick auf den wenigstens einen weiteren Abgasbestandteil vorliegt. Dadurch wird das Verhalten des gesamten Katalysators betrachtet und nicht nur das Verhalten von dem Speichern von Sauerstoff dienenden Komponenten des Katalysators, also etwa von Cer-Komponenten und/oder Zirkonium-Komponenten des Katalysators. Der Katalysator des Kraftfahrzeugs kann insbesondere als Drei-Wege-Katalysator und/oder als Oxidationskatalysator oder dergleichen ausgebildet sein.
Vorzugsweise wird beim Ermitteln des Zustands des Katalysators die Fähigkeit des Katalysators berücksichtigt, während des Betriebs mit dem Verbrennungsluftverhältnis < 1 in dem Abgas den wenigstens einen weiteren Abgasbestandteil zu bilden. Eine solche Bildungsreaktion ist nämlich in besonderem Maße dazu geeignet, auf die katalytische Wirksamkeit des Katalysators rückzuschließen.
Dies gilt insbesondere, wenn aus dem wenigstens einen Messwert auf einen Gehalt an Wasserstoff in dem Abgas rückgeschlossen wird. Denn Wasserstoff entsteht in dem Katalysator insbesondere in der so genannten Wassergas-Shift-Reaktion oder Wassergas-Konvertierungsreaktion. Hierbei reagiert Kohlenmonoxid (CO) mit Wasser (H₂O) zu Wasserstoff (H2) und Kohlendioxid (CO₂) gemäß der Gleichung: CO + H₂O → H₂ + CO₂
Diese Reaktion der Bildung von Wasserstoff, welche während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine mit dem Verbrennungsluftverhältnis < 1 stattfindet, hängt jedoch direkt vom Zustand des Katalysators ab. Ist der Katalysator nämlich dazu in der Lage, etwa über die Wassergas-Shift-Reaktion Wasserstoff zu bilden, so ist die katalytische Aktivität des Katalysators noch hoch. Dann ist auch eine Konvertierung von Schadstoffen im Abgas mittels des Katalysators noch in hohem Ausmaß möglich. Die Reaktion der Bildung von Wasserstoff korreliert also direkt mit den Emissionsergebnissen des Katalysators.
Die Betrachtung des Gehalts an Wasserstoff in dem Abgas beruht auf der Erkenntnis, dass eine katalytische Beschichtung des Sensors von Wasserstoff belegt sein kann. In diesem Zustand ist der Sensor dann in weniger großem Ausmaß dazu in der Lage, im Abgas enthaltenen Sauerstoff zu erfassen. Der Sensor kann als Lambdasonde ausgebildet sein, bei welcher bei einem bestimmten Sauerstoffgehalt im Abgas ein Sprung der mittels der Sonde erfassten Spannung auftritt und welche daher auch als Spannungssprungsonde bezeichnet wird. Der Sensor beziehungsweise die Sonde zeigt dann bei einer starken Belegung der katalytischen Beschichtung mit Wasserstoff eine hohe Spannung an. Jedoch rührt diese hohe Spannung nicht allein von einem niedrigen Sauerstoffgehalt im Abgas her, wie er beim Betreiben der Verbrennungskraftmaschine mit dem Verbrennungsluftverhältnis < 1 auftritt. Vielmehr ist die mittels der Sonde beziehungsweise mittels des Sensors erfasste Spannung auch durch das Vorhandensein von Wasserstoff auf der katalytischen Beschichtung der Sonde beziehungsweise des Sensors bedingt.
Die elektrische Spannung, also der mittels des Sensors erfassbare Messwert, lässt sich demnach bei niedrigem Verbrennungsluftverhältnis, also bei dem Verbrennungsluftverhältnis < 1, durch den Gehalt an Wasserstoff im Katalysator beeinflussen. Je mehr Wasserstoff in dem Abgas vorhanden ist, in welchem mittels des Sensors der wenigstens eine Messwert erfasst wird, desto höher ist der Messwert beziehungsweise die mittels des Sensors gemessene Spannung. Bei einem Katalysator, bei welchem eine Verschlechterung des Zustands eingetreten ist, welcher also in geringerem Ausmaß dazu in der Lage ist, im Abgas enthaltene Schadstoffe zu konvertieren, wird bei dem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine mit dem Verbrennungsluftverhältnis < 1 auch weniger Wasserstoff im Katalysator gebildet. Dementsprechend sinkt der mittels des Sensors erfasste Messwert in Form der Spannung. Die Betrachtung des mit dem Gehalt an Wasserstoff in dem Abgas korrelierenden Messwerts ermöglicht demnach eine besonders einfache und zuverlässige Ermittlung des Zustands des Katalysators im Hinblick auf seine Fähigkeit zur Konvertierung von in dem Abgas enthaltenen Schadstoffen.
Vorzugsweise wird aus dem wenigstens einen Messwert desselben Sensors, welcher zum Erfassen des Gehalts an Sauerstoff in dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine verwendet wird, auf den Gehalt des wenigstens einen weiteren Abgasbestandteils in dem Abgas rückschlossen. Dann braucht nämlich zum Erfassen des Gehalts des wenigstens einen weiteren Abgasbestandteils kein weiterer Sensor verwendet zu werden. Vielmehr kann ein als Sauerstoffsensor ausgebildeter Sensor, etwa eine als Spannungssprungsonde oder als Breitbandsonde ausgebildete Lambdasonde, aufgrund ihrer Querempfindlichkeit gegenüber Wasserstoff leicht dazu verwendet werden, auf den Gehalt des wenigstens einen weiteren Abgasbestandteils in Form von Wasserstoff im Abgas rückzuschließen. Dies macht das Verfahren besonders aufwandsarm.
Vorzugsweise wird beim Ermitteln des Zustands des Katalysators berücksichtigt, ob ausgehend von dem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine mit dem Verbrennungsluftverhältnis < 1 ein Einstellen eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine mit einem Verbrennungsluftverhältnis von λ = 1 mit einem plötzlichen Abnehmen des wenigstens einen Messwerts einhergeht. Denn so lässt sich besonders einfach die Abhängigkeit des Gehalts des wenigstens einen weiteren Abgasbestandteils in dem Abgas von dem Verbrennungsluftverhältnis, mit welchem die Verbrennungskraftmaschine betrieben wird, in die Auswertung mit einbeziehen.
Vorzugsweise wird die Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs vorübergehend mit einem Verbrennungsluftverhältnis von etwa λ = 0,99 betrieben. Bei einem derartigen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine mit dem Verbrennungsluftverhältnis < 1 ist einerseits der Gehalt des wenigstens einen weiteren Abgasbestandteils in dem Abgas mittels des Sensors durch Erfassen des wenigstens einen Messwerts gut erfassbar. Andererseits kann so eine Emission des Katalysators beziehungsweise des Kraftfahrzeugs insbesondere im Hinblick auf Kohlenmonoxid besonders gering gehalten werden. Daher ist das vorübergehende Einstellen des Verbrennungsluftverhältnisses von etwa λ = 0,99 als dem Verbrennungsluftverhältnis < 1 im Hinblick auf die Emissionen des Kraftfahrzeugs besonders vorteilhaft.
Vorzugsweise werden zum Ermitteln des Zustands des Katalysators mittels des zumindest einen Sensors erfasste Messwerte mit in einem Speicher abgelegten Referenzwerten verglichen. Dann lässt sich durch einen einfachen Vergleich mit den Referenzwerten der Zustand des Katalysators aufwandsarm ermitteln. Beispielsweise können die Referenzwerte Messwerte angeben, welche für einen neuen, nicht gealterten Katalysator gelten und für unterschiedlich stark gealterte Katalysatoren. Durch einen derartigen Vergleich mit in dem Speicher insbesondere einer Steuerungseinrichtung wie etwa einem Steuergerät oder einem Bordcomputer etwa in einer Tabelle abgelegten Referenzwerten kann sehr aufwandsarm und prozesssicher der Zustand des Katalysators ermittelt werden. Insbesondere kann durch Interpolation oder Extrapolation der mittels des zumindest einen Sensors erfasste Messwert einem jeweiligen Zustand des Katalysators zugeordnet werden.
Besonders genau lässt sich der Zustand des Katalysators ermitteln, wenn mittels des zumindest einen Sensors Messwerte erfasst werden, während das Verbrennungsluftverhältnis verändert wird, mit welchem die Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs vorübergehend betrieben wird. Die sich verändernden Messwerte werden dann mit in dem Speicher abgelegten Referenzwerten verglichen. Durch eine derartige Betrachtung von Messwerten über einen bestimmten Bereich von das Verbrennungsluftverhältnis angebenden Werten hinweg lässt sich die Zuverlässigkeit bei der Ermittlung des Zustands des Katalysators weiter erhöhen.
Vorzugsweise wird als der Zustand des Katalysators ein Alterungszustand des Katalysators ermittelt. Denn die Fähigkeit des Katalysators, im Abgas enthaltene Schadstoffe in andere, unschädlichere Abgasbestandteile zu konvertieren, hängt von der Alterung des Katalysators ab.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn eine Warneinrichtung betätigt wird, welche einem Nutzer des Kraftfahrzeugs einen bevorstehenden Defekt des Katalysators kommuniziert. Beispielsweise kann in dem Kraftfahrzeug, welches mit dem Katalysator ausgestattet ist, eine Warnleuchte den Nutzer, insbesondere den Fahrer, auf den bevorstehenden Defekt des Katalysators hinweisen. Zusätzlich oder alternativ kann eine entsprechende Nachricht auf einer Anzeige des Kraftfahrzeugs dargestellt und/oder eine akustische Warnmeldung von der Warneinrichtung ausgegeben werden. Der Nutzer kann so rechtzeitig informiert werden, dass ein Defekt des Katalysators bevorsteht. So kann der Nutzer rechtzeitig Gegenmaßnahmen ergreifen lassen wie etwa eine Überprüfung, eine Wartung oder einen Austausch des Katalysators.
Die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug umfasst einen Katalysator, welcher stromabwärts einer Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs in einem Abgasstrang des Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Ein stromabwärts eines Einlasses des Katalysators angeordneter Sensor ist zum Erfassen wenigstens eines Messwerts ausgebildet. Der Messwert korreliert mit einem Gehalt an Sauerstoff in dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine. Eine Steuerungseinrichtung der Abgasnachbehandlungseinrichtung ist zum Ermitteln eines Zustands des Katalysators ausgebildet. Mittels der Steuerungseinrichtung lässt sich ein vorübergehendes Betreiben der Verbrennungskraftmaschine mit einem Verbrennungsluftverhältnis < 1 bewirken. Die Steuerungseinrichtung ist dazu ausgebildet, aus dem wenigstens einen Messwert auf einen Gehalt wenigstens eines weiteren Abgasbestandteils in dem Abgas rückzuschließen und beim Ermitteln des Zustands des Katalysators eine Fähigkeit des Katalysators zu berücksichtigen, während des Betriebs mit dem Verbrennungsluftverhältnis < 1 den Gehalt des wenigstens eines weiteren Abgasbestandteils in dem Abgas zu verändern.
Folglich lässt sich mittels der Abgasnachbehandlungseinrichtung das erfindungsgemäße Verfahren durchführen. Dementsprechend ermöglicht die Abgasnachbehandlungseinrichtung ein besonders zuverlässiges Ermitteln des Zustands des Katalysators.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungseinrichtung und umgekehrt.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht eines Kraftfahrzeugs mit einer Verbrennungskraftmaschine, in deren Abgasstrang ein Katalysator angeordnet ist, wobei ein Steuergerät des Kraftfahrzeugs dazu ausgebildet ist, einen Alterungszustand des Katalysators zu ermitteln; und
2 einen Graphen, in welchem von einer Lambdasonde erfasste Messwerte für zwei unterschiedlich stark gealterte Katalysatoren dargestellt sind.

Ein in 1 stark schematisch dargestelltes Kraftfahrzeug 1 weist eine Verbrennungskraftmaschine 2 auf. In einem Abgasstrang 3 der Verbrennungskraftmaschine 2 ist ein Katalysator 4 angeordnet, bei welchem es sich beispielsweise um einen Drei-Wege-Katalysator oder einen Oxidationskatalysator handeln kann. Stromabwärts eines Einlasses 5 des Katalysators 4 ist ein Sensor 6 angeordnet. Der Sensor 6 ist vorliegend stromabwärts eines Auslasses 7 des Katalysators 4 angeordnet gezeigt. Der Katalysator 4 kann jedoch auch eine Mehrzahl von Blöcken beziehungsweise Monolithen aufweisen, beispielsweise einen ersten Monolithen und einen zweiten Monolithen, welche jeweils eine katalytisch wirksame Oberfläche aufweisen. Dann kann auch vorgesehen sein, dass der Sensor 6, welcher vorliegend als Lambdasonde ausgebildet ist, stromabwärts des ersten Monolithen und stromaufwärts des zweiten Monolithen die Zusammensetzung des Abgases in dem Katalysator 4 erfasst.
Mittels des Sensors 6 in Form der Lambdasonde, welche beispielsweise als Spannungssprungsonde oder als Breitbandlambdasonde ausgebildet ist, lässt sich eine elektrische Spannung als Messwert erfassen, welche mit einem Gehalt an Sauerstoff in dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 2 korreliert. Mittels einer weiteren Lambdasonde 8, welche stromaufwärts des Einlasses 5 in dem Abgasstrang 3 angeordnet ist, wird in an sich bekannter Weise erfasst, mit welchem Verbrennungsluftverhältnis die Verbrennungskraftmaschine 2 betrieben wird. Das Einstellen des Verbrennungsluftverhältnisses erfolgt über ein Steuergerät 9 beziehungsweise eine derartige Steuerungseinrichtung des Kraftfahrzeugs 1.
Mittels dieses Steuergeräts 9 wird vorliegend zudem anhand der von dem Sensor 6 erfassten Messwerte der Spannung ein Alterungszustand des Katalysators 4 ermittelt. Hierfür wird die Verbrennungskraftmaschine 2 vorübergehend mit einem Verbrennungsluftverhältnis < 1 anstelle des üblichen Verbrennungsluftverhältnisses von λ = 1 betrieben. Insbesondere kann das Steuergerät 9 bewirken, dass vorübergehend ein Verbrennungsluftverhältnis Ä zwischen 0,9 und knapp 1 eingestellt wird. Es wird dann das Verhalten des Katalysators 4 bei diesem niedrigen Verbrennungsluftverhältnis λ betrachtet.
Werte des Verbrennungsluftverhältnisses λ, mit welchem die Verbrennungskraftmaschine 2 unter Heranziehung der Messwerte derjenigen Lambdasonde 8 geregelt betrieben wird, welche stromaufwärts des Katalysators 4 angeordnet ist, sind in einem in 2 dargestellten Graphen 10 auf einer Abszisse 11 aufgetragen.
Auf einem ersten Abschnitt 12 einer ersten Ordinate in dem Graphen 10 sind demgegenüber Messwerte der Spannung in Volt aufgetragen, welche mittels des Sensors 6 erfasst werden. Auf einer weiteren Ordinate 13 ist ein Gehalt an Wasserstoff angegeben, welcher in dem Katalysator 4 bei dem jeweiligen Verbrennungsluftverhältnis λ vorliegt, mit welchem die Verbrennungskraftmaschine 2 betrieben wird. Auf einem zweiten Abschnitt 14 der ersten Ordinate ist in dem Graphen 10 eine Konversion von Stickoxiden (NOx) in Prozent aufgetragen. Eine erste Kurve 15 und eine zweite Kurve 16 veranschaulichen in dem Graphen 10 die mittels des Sensors 6 erfasste Spannung in Abhängigkeit von dem eingestellten Verbrennungsluftverhältnis, mit welchem die Verbrennungskraftmaschine 2 betrieben wird, für einen neuen, das heißt nicht gealterten Katalysator 4. Die obere Kurve 15 gilt hierbei für ein Erfassen der Spannung stromabwärts des ersten Monolithen des Katalysators 4 und die untere Kurve 16 für ein Erfassen der Spannung stromabwärts des Auslasses 7 des Katalysators 4.
Der Sensor 6, welcher zum Erfassen des Gehalts an Sauerstoff in dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 2 ausgebildet ist, weist eine Querempfindlichkeit für Wasserstoff auf. Diesen Umstand macht man sich vorliegend zunutze, um die Alterung des Katalysators 4 zu ermitteln beziehungsweise zu bestimmen.
Denn bei dem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 2 mit dem Verbrennungsluftverhältnis < 1, insbesondere bei dem vorübergehenden Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 2 mit einem Verbrennungsluftverhältnis von etwa λ = 0,99 ist die mittels des Sensors 6 erfasste Spannung auch abhängig von der Bildung von Wasserstoff durch den Katalysator 4 beziehungsweise in dem Katalysator 4. Die mittels des Sensors 6 beziehungsweise der stromabwärts des Einlasses 5 angeordneten Lambdasonde erfasste Spannung lässt sich also durch den im Katalysator 4 vorhandenen Gehalt an Wasserstoff beeinflussen. Je mehr Wasserstoff in dem Katalysator 4 vorhanden ist, desto größer ist die mittels des Sensors 6 gemessene Spannung. Der Großteil des Wasserstoffs entsteht hierbei in der so genannten Wassergas-Shift-Reaktion gemäß der Gleichung: CO + H₂O → H₂ + CO₂
Diese Reaktion hängt direkt vom Zustand des Katalysators 4 ab und korreliert mit den Emissionsergebnissen des Katalysators 4.
Eine weitere Kurve 17 im Graphen 10 in 2 gibt den auf der zweiten Ordinate 13 in Prozent aufgetragenen Gehalt an Wasserstoff für den neuen also nicht gealterten Katalysator 4 an. Dementsprechend führt die Verwendung des neuen Katalysators 4 zu einer Bildung von viel Wasserstoff bei dem eingestellten Verbrennungsluftverhältnis < 1. Denn der neue Katalysator 4 katalysiert auch die Bildung von Wasserstoff aus Kohlenmonoxid und Wasser besser als dies ein gealterter Katalysator 4 vermag. Der Wasserstoff belegt nämlich eine katalytische Oberfläche des Sensors 6, sodass die katalytische Oberfläche für Sauerstoff weniger gut zugänglich ist. Der Sensor 6 misst somit eine vergleichsweise hohe Spannung, welche auf das Vorhandensein von Wasserstoff in dem Katalysator 4 im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 2 bei Luftmangel, also bei dem Verbrennungsluftverhältnis < 1 zurückzuführen ist.
Weitere Kurven 18, 19 in dem Graphen 10 veranschaulichen die mittels des Sensors 6 erfasste Spannung, wenn der Katalysator 4 gealtert ist. Hierbei wird sowohl stromabwärts des ersten Monolithen (Kurve 18) als auch stromabwärts des Auslasses 7 (Kurve 19) im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 2 mit dem Verbrennungsluftverhältnis < 1 von dem Sensor 6 eine geringere Spannung erfasst als dies gemäß der Kurve 15 beziehungsweise gemäß der Kurve 16 der Fall ist. Dies liegt daran, dass der gealterte Katalysator 4 eine geringere Fähigkeit hat, bei dem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 2 mit Luftmangel, also dem Verbrennungsluftverhältnis < 1, Wasserstoff zu bilden. Dieser geringe Wasserstoffgehalt im Katalysator 4 ist in 2 durch eine weitere Kurve 20 veranschaulicht. Aus der verringerten mittels des Sensors 6 gemessenen Spannung, welche auf die Bildung von weniger Wasserstoff in dem Katalysator 4 zurückzuführen ist, kann auf den Alterungszustand des Katalysators 4 geschlossen werden. Aufgrund des geringen Wasserstoffgehalts im Katalysator 4 sinkt nämlich auch die mittels des Sensors 6 beziehungsweise der Lambdasonde stromabwärts des Einlasses 5 des Katalysators 4 erfasste Spannung.
Im Betrieb des Kraftfahrzeugs 1 wird also kurzzeitig ein niedrigeres Verbrennungsluftverhältnis eingestellt. Beispielsweise wird die Verbrennungskraftmaschine 2 vorübergehend mit einem Verbrennungsluftverhältnis von etwa λ = 0,99 betrieben. In dem beispielsweise als Bordcomputer ausgebildeten Steuergerät 9 kann in einem Speicher 21 eine Tabelle mit Referenzwerten der Spannung hinterlegt sein. Aus der tatsächlich mittels des Sensors 6 erfassten Spannung stromabwärts des Einlasses 5 des Katalysators 4 wird dann durch Vergleich mit der im Speicher 21 hinterlegten Tabelle beziehungsweise den in der Tabelle enthaltenen Referenzwerten die Alterung des Katalysators 4 bestimmt.
Wenn sich hierbei ergibt, dass der Katalysator 4 so stark gealtert ist, dass ein Austausch desselben erforderlich ist, kann dies im Kraftfahrzeug 1 einem Nutzer desselben, insbesondere einem Fahrer des Kraftfahrzeugs 1, durch Betätigen einer Warnleuchte 22 oder dergleichen Warneinrichtung angezeigt werden (vergleiche 1).
In dem Graphen 10 in 2 veranschaulichen weitere Kurven 23, 24 die Fähigkeit des Katalysators 4 im Hinblick auf die Konversion von Stickoxiden. Hierbei gibt die erste Kurve 23 die Stickoxidkonversion stromabwärts des ersten Monolithen des Katalysators 4 an und die zweite Kurve 24 die Stickoxidkonversion stromabwärts des Auslasses 7 des Katalysators 4. Während die Kurven 23, 24 die Verhältnisse für den neuen, nicht gealterten Katalysator 4 beschreiben, beschreiben weitere in dem Graphen 10 in 2 gezeigte Kurven 25, 26 die Stickoxidkonversion, welche mittels des gealterten Katalysators 4 erreichbar ist. Die Kurven 25, 26 veranschaulichen dies einmal, wenn die Stickoxidkonversion stromabwärts des ersten Monolithen gemessen wird (Kurve 26) und einmal, wenn die Stickoxidkonversion stromabwärts des Auslasses 7 des Katalysators 4 erfasst wird (Kurve 25).
Aus dem Vergleich der Kurven 23, 24 mit den Kurven 25, 26 ist ersichtlich, dass der gealterte Katalysator 4 auch im Hinblick auf die Konversion von Stickoxiden eine weniger große Leistungsfähigkeit aufweist als der nicht gealterte, neue Katalysator 4. Diese aufgrund der Alterung verringerte Leistungsfähigkeit des Katalysators 4 im Hinblick auf die Konversion von Schadstoffen lässt sich besonders einfach und zuverlässig durch Auswerten der von dem Sensor 6 gelieferten Messwerte der Spannung während des kurzzeitigen oder vorübergehenden Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 2 mit Luftmangel feststellen.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: Verbrennungskraftmaschine
3: Abgasstrang
4: Katalysator
5: Einlass
6: Sensor
7: Auslass
8: Lambdasonde
9: Steuergerät
10: Graph
11: Abszisse
12: Abschnitt
13: Ordinate
14: Abschnitt
15: Kurve
16: Kurve
17: Kurve
18: Kurve
19: Kurve
20: Kurve
21: Speicher
22: Warnleuchte
23: Kurve
24: Kurve
25: Kurve
26: Kurve

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10248842 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Ermitteln eines Zustands eines Katalysators (4) eines Kraftfahrzeugs (1), bei welchem eine stromaufwärts des Katalysators (4) angeordnete Verbrennungskraftmaschine (2) des Kraftfahrzeugs (1) vorübergehend mit einem Verbrennungsluftverhältnis < 1 betrieben wird, und bei welchem während des Betriebs mit diesem Verbrennungsluftverhältnis stromabwärts eines Einlasses (5) des Katalysators (4) mittels zumindest eines Sensors (6) wenigstens ein Messwert erfasst wird, welcher mit einem Gehalt an Sauerstoff in dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine (2) korreliert, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem wenigstens einen Messwert auf einen Gehalt wenigstens eines weiteren Abgasbestandteils in dem Abgas rückgeschlossen wird, wobei beim Ermitteln des Zustands des Katalysators (4) eine Fähigkeit des Katalysators (4) berücksichtigt wird, während des Betriebs mit dem Verbrennungsluftverhältnis < 1 den Gehalt des wenigstens eines weiteren Abgasbestandteils in dem Abgas zu verändern.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ermitteln des Zustands des Katalysators (4) die Fähigkeit des Katalysators (4) berücksichtigt wird, während des Betriebs mit dem Verbrennungsluftverhältnis < 1 in dem Abgas den wenigstens einen weiteren Abgasbestandteil zu bilden
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem wenigstens einen Messwert auf einen Gehalt an Wasserstoff in dem Abgas rückgeschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem wenigstens einen Messwert desselben Sensors (6), welcher zum Erfassen des Gehalts an Sauerstoff in dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine (2) verwendet wird, auf den Gehalt des wenigstens einen weiteren Abgasbestandteils in dem Abgas rückgeschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ermitteln des Zustands des Katalysators (4) berücksichtigt wird, ob ausgehend von dem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine (2) mit dem Verbrennungsluftverhältnis < 1 ein Einstellen eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine (2) mit einem Verbrennungsluftverhältnis von λ = 1 mit einem plötzlichen Abnehmen des wenigstens einen Messwerts einhergeht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (2) des Kraftfahrzeugs (1) vorübergehend mit einem Verbrennungsluftverhältnis von etwa λ = 0,99 betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln des Zustands des Katalysators (4) mittels des zumindest einen Sensors (6) erfasste Messwerte mit in einem Speicher (21) abgelegten Referenzwerten verglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des zumindest einen Sensors (6) Messwerte erfasst werden, während das Verbrennungsluftverhältnis verändert wird, mit welchem die Verbrennungskraftmaschine (2) des Kraftfahrzeugs (1) vorübergehend betrieben wird, wobei die sich verändernden Messwerte mit in dem Speicher (21) abgelegten Referenzwerten verglichen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als der Zustand des Katalysators (4) ein Alterungszustand des Katalysators (4) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Warneinrichtung (22) betätigt wird, welche einem Nutzer des Kraftfahrzeugs (1) einen bevorstehenden Defekt des Katalysators (4) kommuniziert.
Abgasnachbehandlungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug (1), mit einem Katalysator (4), welcher stromabwärts einer Verbrennungskraftmaschine (2) des Kraftfahrzeugs (1) in einem Abgasstrang (3) des Kraftfahrzeugs (1) angeordnet ist, mit einem stromabwärts eines Einlasses (5) des Katalysators (4) angeordneten Sensor (6) zum Erfassen wenigstens eines Messwerts, welcher mit einem Gehalt an Sauerstoff in dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine (2) korreliert, und mit einer Steuerungseinrichtung (9), welche zum Ermitteln eines Zustands des Katalysators (4) ausgebildet ist, wobei die Steuerungseinrichtung (9) dazu ausgebildet ist, ein vorübergehendes Betreiben der Verbrennungskraftmaschine (2) mit einem Verbrennungsluftverhältnis < 1 zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (9) dazu ausgebildet ist, aus dem wenigstens einen Messwert auf einen Gehalt wenigstens eines weiteren Abgasbestandteils in dem Abgas rückzuschließen und beim Ermitteln des Zustands des Katalysators (4) eine Fähigkeit des Katalysators (4) zu berücksichtigen, während des Betriebs mit dem Verbrennungsluftverhältnis < 1 den Gehalt des wenigstens eines weiteren Abgasbestandteils in dem Abgas zu verändern.