DE102023114997A1 - Device and method for characterizing a catalyst at different aging times - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zum Charakterisieren eines Katalysators (12) zu verschiedenen Alterungszeitpunkten, umfassend einen zu charakterisierenden Katalysator (12), einen Brenner (14) zum Erzeugen von Abgas, wobei der Brenner (14) eine Brennstoffzufuhreinheit (16) zum Zuführen von Brennstoff (B) in den Brenner (14), und eine Luftzufuhreinrichtung (18) zum Zuführen von Luft (L) in den Brenner (14) umfasst, eine Zuführleitung (20) zum Zuführen des im Brenner (14) erzeugten Abgases zum Katalysator (12), eine in der Zuführleitung (20) angeordnete Zugabeeinheit (24) zum Zugeben von Synthesegas (S) zum vom Brenner (14) erzeugten Abgas, eine in der Zuführleitung (20) stromabwärts der Zugabeeinheit (24) angeordnete erste Messeinrichtung (34) zum Bestimmen der Zusammensetzung des dem Katalysator (12) zugeführten Abgases, eine Abführleitung (22) zum Abführen des im Katalysator (12) behandelten Abgases, und eine in der Abführleitung (22) angeordnete zweite Messeinrichtung (54) zum Bestimmen der Zusammensetzung des vom Katalysator (12) behandelten Abgases. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren und ein Computerprogrammprodukt zum Durchführen dieses Verfahrens.The present invention relates to a device (10) for characterizing a catalytic converter (12) at different aging times, comprising a catalytic converter (12) to be characterized, a burner (14) for generating exhaust gas, the burner (14) having a fuel supply unit (16). for supplying fuel (B) into the burner (14), and an air supply device (18) for supplying air (L) into the burner (14), a supply line (20) for supplying the exhaust gas generated in the burner (14). to the catalyst (12), an addition unit (24) arranged in the feed line (20) for adding synthesis gas (S) to the exhaust gas generated by the burner (14), a first measuring device arranged in the feed line (20) downstream of the addition unit (24). (34) for determining the composition of the exhaust gas supplied to the catalyst (12), a discharge line (22) for discharging the exhaust gas treated in the catalyst (12), and a second measuring device (54) arranged in the discharge line (22) for determining the composition of the exhaust gas treated by the catalytic converter (12). In addition, the invention relates to a corresponding method and a computer program product for carrying out this method.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Charakterisieren eines Katalysators zu verschiedenen Alterungszeitpunkten. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren.The present invention relates to a device for characterizing a catalyst at different aging times. In addition, the invention relates to a corresponding method.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Katalysatoren werden zur chemischen Umwandlung der im Abgas von Verbrennungsmotoren enthaltenen Schadstoffe in ungiftige Stoffe verwendet. Die wesentlichen im Abgas enthaltenen Schadstoffe sind Kohlenwasserstoffe (CmHn), Kohlenstoffmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx), welche mit einem Katalysator mittels einer Oxidation oder Reduktion idealerweise vollständig in Kohlenstoffdioxid (CO2), Wasser (H2O) und Stickstoff (N2) umgewandelt werden.Catalysts are used to chemically convert the pollutants contained in the exhaust gases of internal combustion engines into non-toxic substances. The main pollutants contained in the exhaust gas are hydrocarbons (CmHn), carbon monoxide (CO) and nitrogen oxides (NOx), which are ideally completely converted into carbon dioxide (CO2), water (H2O) and nitrogen (N2) by means of oxidation or reduction using a catalyst .
Katalysatoren sind einem Alterungsprozess unterworfen, der sich in einer sinkenden Emissionskonvertierungsrate der oben genannten Schadstoffe äußert. Während ein neuer Katalysator Emissionskonvertierungsraten von 99 % und mehr aufweist, sinken die Emissionskonvertierungsraten im Betrieb des Katalysators ab, bis dass sie einen gesetzlich festgelegten Wert unterschreiten, infolgedessen ein Austausch des betreffenden Katalysators vorgenommen werden muss. Der Alterungsprozess unterscheidet sich deutlich von Katalysator zu Katalysator, insbesondere deshalb, da der sogenannte „Washcoat“ sehr unterschiedlich aufgebaut ist. Unter einem Washcoat versteht man poröse Schichten des Katalysators, auf welchem katalytisch wirkende Substanzen, insbesondere Edelmetalle wie Palladium, Platin und/oder Rhodium, sowie Sauerstoffspeicher wie Cerdioxid (CeO2) aufgebracht sind. Aufgrund der hohen Temperaturen, die im Betrieb auf den Washcoat wirken, kommt es unter anderem zu Kristallisationsprozessen, welche die aktive Oberfläche des Washcoats verringern. Eine Verringerung der aktiven Oberfläche ist eine der Ursachen von sinkenden Emissionskonvertierungsraten.Catalysts are subject to an aging process, which manifests itself in a decreasing emission conversion rate of the pollutants mentioned above. While a new catalytic converter has emission conversion rates of 99% or more, the emission conversion rates decrease as the catalytic converter is in operation until they fall below a legally specified value, as a result of which the catalytic converter in question must be replaced. The aging process differs significantly from catalyst to catalyst, especially because the so-called “washcoat” has a very different structure. A washcoat is understood to mean porous layers of the catalyst on which catalytically active substances, in particular precious metals such as palladium, platinum and/or rhodium, as well as oxygen storage units such as cerium dioxide (CeO 2 ) are applied. Due to the high temperatures that affect the washcoat during operation, crystallization processes occur, which reduce the active surface of the washcoat. A reduction in active surface area is one of the causes of decreasing emission conversion rates.
Um eine Abschätzung darüber abgeben zu können, wann in etwa der betreffende Katalysator ausgetauscht werden muss, muss der Katalysator zu verschiedenen Alterungszeitpunkten charakterisiert werden. Hierzu wird üblicherweise die nutzbare Sauerstoffkapazität, auch als „Oxygen Storage Capacity“ (OSC) bezeichnet, verwendet. Zur Charakterisierung wird der Katalysator in einem entsprechend aufgebauten Prüfstand gealtert und anschließend in einem anderen Prüfstand oder im Labor zu verschiedenen Alterungszeitpunkten charakterisiert. Ein Prüfstand, auf welchem der Katalysator gealtert werden kann, ist in der
OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF INVENTION
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Charakterisieren eines Katalysators zu verschiedenen Alterungszeitpunkten, umfassend
- - einen zu charakterisierenden Katalysator,
- - einen Brenner zum Erzeugen von Abgas, wobei der Brenner
- ◯ eine Brennstoffzufuhreinheit zum Zuführen von Brennstoff in den Brenner, und
- ◯ eine Luftzufuhreinrichtung zum Zuführen von Luft in den Brenner umfasst,
- - eine Zuführleitung zum Zuführen des im Brenner erzeugten Abgases zum Katalysator,
- - eine in der Zuführleitung angeordnete Zugabeeinheit zum Zugeben von Synthesegas zum vom Brenner erzeugten Abgas,
- - eine in der Zuführleitung stromabwärts der Zugabeeinheit angeordnete erste Messeinrichtung zum Bestimmen der Zusammensetzung des dem Katalysator zugeführten Abgases,
- - eine Abführleitung zum Abführen des im Katalysator behandelten Abgases, und
- - eine in der Abführleitung angeordnete zweite Messeinrichtung zum Bestimmen der Zusammensetzung des vom Katalysator behandelten Abgases.
- - a catalyst to be characterized,
- - a burner for producing exhaust gas, the burner
- ◯ a fuel supply unit for supplying fuel to the burner, and
- ◯ comprises an air supply device for supplying air into the burner,
- - a supply line for supplying the exhaust gas generated in the burner to the catalytic converter,
- - an addition unit arranged in the supply line for adding synthesis gas to the exhaust gas generated by the burner,
- - a first measuring device arranged in the supply line downstream of the addition unit for determining the composition of the exhaust gas supplied to the catalyst,
- - a discharge line for discharging the exhaust gas treated in the catalyst, and
- - A second measuring device arranged in the discharge line for determining the composition of the exhaust gas treated by the catalyst.
Es ist nicht notwendig, die Charakterisierung des Katalysators in einem Testfahrzeug vorzunehmen. Um jedoch mit dem Brenner eine Abgaszusammensetzung zu erzeugen, welche vergleichbar mit derjenigen ist, welche von einem Verbrennungsmotor erzeugt wird, verfügt die vorschlagsgemäße Vorrichtung über eine Zugabeeinheit, mit welcher Synthesegas zum vom Brenner erzeugten Abgas zugesetzt werden kann. Aufgrund der Zugabe des Synthesegases kann mit der vorliegenden Vorrichtung eine Abgaszusammensetzung erzeugt werden, welche mit derjenigen vergleichbar ist, die von einem Verbrennungsmotor erzeugt wird.It is not necessary to characterize the catalytic converter in a test vehicle. However, in order to produce an exhaust gas composition with the burner which is comparable to that produced by an internal combustion engine, the proposed device has an addition unit with which synthesis gas can be added to the exhaust gas generated by the burner. Due to the addition of the synthesis gas, the present device can produce an exhaust gas composition which is comparable to that produced by an internal combustion engine.
Die Vorrichtung kann dabei in zwei Modi betrieben werden. Um den betreffenden Katalysator zu altern, ist es nicht notwendig, dass Synthesegas zuzusetzen. Infolgedessen wird in einem ersten Modus („Alterungsmodus“) dem Katalysator ein Abgas zugeführt, welches im Brenner unter Verwendung von Brennstoff (Otto- oder Dieselkraftstoff) und Luft erzeugt worden ist. Dies ist insofern vorteilhaft, als dass das Synthesegas vergleichsweise teuer ist. Während des Alterungsmodus wird keine Messung durchgeführt. Ist der betreffende Alterungszeitpunkt erreicht, wird die Vorrichtung in einem zweiten Modus („Charakterisierungsmodus“) betrieben, in welchem das Synthesegas dem vom Brenner erzeugten Abgas zugesetzt wird. Nun wird auch eine Messung der Zusammensetzung des Abgases in der ersten Messeinrichtung und in der zweiten Messeinrichtung durchgeführt. Die erste Messeinrichtung ist stromaufwärts des Katalysators und die zweite Messeinrichtung stromabwärts des Katalysators angeordnet. Der Aufbau der beiden Messeinrichtungen kann dabei weitgehend identisch sein. In den beiden Messeinrichtungen wird das Abgas hinsichtlich der relevanten Schadstoffe, insbesondere Kohlenwasserstoffe (CmHn), Kohlenstoffmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx), hin untersucht. Aus einem Vergleich der Messung stromaufwärts und stromabwärts des Katalysators können die jeweiligen Emissionskonvertierungsraten ermittelt und der Katalysator entsprechend charakterisiert werden.The device can be operated in two modes. In order to age the catalyst in question, it is not necessary to add synthesis gas. As a result, in a first mode (“aging mode”), an exhaust gas is supplied to the catalytic converter, which is stored in the burner using fuel (petrol or diesel fuel) and Air has been generated. This is advantageous in that the synthesis gas is comparatively expensive. No measurement is performed during aging mode. Once the relevant aging point has been reached, the device is operated in a second mode (“characterization mode”) in which the synthesis gas is added to the exhaust gas generated by the burner. A measurement of the composition of the exhaust gas is now also carried out in the first measuring device and in the second measuring device. The first measuring device is arranged upstream of the catalytic converter and the second measuring device is arranged downstream of the catalytic converter. The structure of the two measuring devices can be largely identical. In the two measuring devices, the exhaust gas is examined for the relevant pollutants, in particular hydrocarbons (CmHn), carbon monoxide (CO) and nitrogen oxides (NOx). By comparing the measurements upstream and downstream of the catalyst, the respective emission conversion rates can be determined and the catalyst can be characterized accordingly.
Nach abgeschlossener Charakterisierung wird die Vorrichtung so lange wieder im Alterungsmodus betrieben, bis dass der nächste Alterungszeitpunkt erreicht ist. Dann wird die Vorrichtung wieder in den Charakterisierungsmodus umgeschaltet und der Katalysator charakterisiert. Die beiden Modi werden so lange wiederholt, bis dass die Charakterisierung des Katalysators zu allen gewünschten Alterungszeitpunkten abgeschlossen ist.After the characterization has been completed, the device is operated again in aging mode until the next aging point is reached. The device is then switched back to characterization mode and the catalyst is characterized. The two modes are repeated until the characterization of the catalyst is completed at all desired aging times.
Nach Maßgabe einer weiteren Ausführungsform können
- - in der Zuführleitung stromabwärts der Zugabeeinheit eine erste Sauerstoffsonde zum Bestimmen des Verbrennungsluftverhältnisses des dem Katalysator zugeführten Abgases, und/oder
- - in der Abführleitung eine zweite Sauerstoffsonde zum Bestimmen des Verbrennungsluftverhältnisses des vom Katalysator behandelten Abgases angeordnet sein.
- - in the supply line downstream of the addition unit, a first oxygen probe for determining the combustion air ratio of the exhaust gas supplied to the catalytic converter, and/or
- - A second oxygen probe for determining the combustion air ratio of the exhaust gas treated by the catalyst can be arranged in the discharge line.
Das Verbrennungsluftverhältnis wird auch als Luftzahl oder Luftverhältnis bezeichnet und mit dem Buchstaben λ abgekürzt. Das Verbrennungsluftverhältnis gibt das Massenverhältnis von Luft zu Brennstoff relativ zum jeweils stöchiometrisch idealen Verhältnis für einen theoretisch vollständigen Verbrennungsprozess an. Wie eingangs erwähnt, wird die Charakterisierung eines Katalysators hauptsächlich unter Verwendung der OSC vorgenommen. Zur Bestimmung der OSC ist jedoch die Kenntnis des Verbrennungsluftverhältnisses des dem Katalysator zugeführten Abgases als auch des Verbrennungsluftverhältnisses des vom Katalysator behandelten Abgases zwingend notwendig.The combustion air ratio is also known as the air ratio or air ratio and is abbreviated with the letter λ. The combustion air ratio indicates the mass ratio of air to fuel relative to the stoichiometrically ideal ratio for a theoretically complete combustion process. As mentioned at the beginning, the characterization of a catalyst is mainly carried out using OSC. To determine the OSC, however, it is essential to know the combustion air ratio of the exhaust gas supplied to the catalytic converter and the combustion air ratio of the exhaust gas treated by the catalytic converter.
Dabei bietet es sich an, als Sauerstoffsonden so genannte Breitband-Sauerstoffsonden anstelle von Sprungsonden zu verwenden. Sprungsonden geben nur an, ob ein fettes oder mageres Gemisch vorliegt, während Breitband-Sauerstoffsonden in der Lage sind, das Verbrennungsluftverhältnis exakt zu quantifizieren. Folglich ist es auch möglich, nicht nur die OSC, sondern auch die maximale Sauerstoffkapazität, auch als „Maximum Oxygen Load“ (MOL) bezeichnet, zu bestimmen.It is advisable to use so-called broadband oxygen probes instead of jump probes as oxygen probes. Jump sensors only indicate whether a rich or lean mixture is present, while broadband oxygen sensors are able to precisely quantify the combustion air ratio. Consequently, it is also possible to determine not only the OSC, but also the maximum oxygen capacity, also known as the “Maximum Oxygen Load” (MOL).
Wie eingangs erwähnt, wird die Charakterisierung von Katalysatoren nach dem Stand der Technik häufig mit Testfahrzeugen durchgeführt, die in der Regel eine Sprungsonde stromabwärts des Katalysators aufweisen. Infolgedessen ist eine exakte Quantifizierung des Verbrennungsluftverhältnisses und der MOL nicht möglich.As mentioned at the beginning, the characterization of prior art catalysts is often carried out using test vehicles, which usually have a jump probe downstream of the catalyst. As a result, exact quantification of the combustion air ratio and MOL is not possible.
Die Charakterisierung des Katalysators kann mithilfe der vorschlagsgemäßen Vorrichtung hinsichtlich des OSC und des MOL und folglich aussagekräftiger erfolgen.The characterization of the catalyst can be carried out using the proposed device in terms of the OSC and the MOL and is therefore more informative.
In einer weitergebildeten Ausführungsform kann
- - in der Zuführleitung stromabwärts der Zugabeeinheit ein erster Temperatursensor zum Bestimmen der Temperatur des dem Katalysator zugeführten Abgases, und/oder
- - in der Abführleitung ein zweiter Temperatursensor zum Bestimmen der Temperatur des vom Katalysator behandelten Abgases angeordnet sein.
- - in the supply line downstream of the addition unit, a first temperature sensor for determining the temperature of the exhaust gas supplied to the catalytic converter, and/or
- - A second temperature sensor for determining the temperature of the exhaust gas treated by the catalytic converter can be arranged in the discharge line.
Wie eingangs erwähnt, spielt die Temperatur und insbesondere die Temperaturbelastung des Washcoats eine große Rolle bei dem Alterungsprozess eines Katalysators. In dieser Ausführungsform ist es daher möglich, die Alterung als Funktion der Temperatur zu bestimmen. Hierdurch lassen sich Rückschlüsse auf Temperaturen oder Temperaturbereiche schließen, welche eine Alterung des Katalysators beschleunigen und daher im Betrieb eines Fahrzeugs vermieden oder nur für kurze Zeit auf den Katalysator einwirken werden sollten.As mentioned at the beginning, the temperature and in particular the temperature load on the washcoat plays a major role in the aging process of a catalytic converter. In this embodiment it is therefore possible to determine aging as a function of temperature. This allows conclusions to be drawn about temperatures or temperature ranges that accelerate aging of the catalytic converter and should therefore be avoided when operating a vehicle or only act on the catalytic converter for a short time.
Bei einer weitergebildeten Ausführungsform kann im Katalysator zumindest ein Katalysator-Temperatursensor zum Bestimmen der Temperatur des den Katalysator durchströmenden Abgases angeordnet sein. Wie erwähnt, kann je nach Ausführungsform ein Temperatursensor stromaufwärts und stromabwärts des Katalysators angeordnet werden. Insbesondere für die Simulation des Alterungsprozesses ist es ebenfalls von Interesse, wie sich die Temperatur innerhalb des Katalysators verhält. Eine diesbezügliche Aussage kann mittels eines Katalysator-Temperatursensors erlangt werden, der die Temperatur des Abgases innerhalb des Katalysators bestimmt.In a further developed embodiment, at least one catalyst temperature sensor can be arranged in the catalytic converter for determining the temperature of the exhaust gas flowing through the catalytic converter. As mentioned, depending on the embodiment, a temperature sensor can be arranged upstream and downstream of the catalytic converter. Particularly for the simulation of the aging process, it is also of interest how the Temperature inside the catalyst behaves. A statement in this regard can be obtained using a catalytic converter temperature sensor, which determines the temperature of the exhaust gas within the catalytic converter.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann in der Zuführleitung stromabwärts eine erste Abzweigung angeordnet sein, von welcher eine Bypassleitung von der Zuführleitung abzweigt, wobei in der ersten Abzweigung oder in der Bypassleitung ein erstes Stellelement zum Einstellen des durch die Bypassleitung strömenden Volumenstroms angeordnet sein kann. Das erste Stellelement kann beispielsweise als eine Klappe oder ein Drosselventil ausgestaltet sein. Mit dem Volumenstrom, der durch die Bypassleitung strömt, kann auch der Volumenstrom eingestellt werden, der den Katalysator durchströmt. Hierdurch ist es möglich, den Alterungsprozess und die Charakterisierung in Abhängigkeit des Volumenstroms zu bestimmen. An dieser Stelle soll darauf hingewiesen werden, dass vom Volumenstrom üblicherweise relativ einfach auf den Massenstrom geschlossen werden kann, sofern dieser von Relevanz sein sollte.In a further embodiment, a first branch can be arranged downstream in the feed line, from which a bypass line branches off from the feed line, wherein a first control element for adjusting the volume flow flowing through the bypass line can be arranged in the first branch or in the bypass line. The first actuating element can be designed, for example, as a flap or a throttle valve. The volume flow that flows through the catalytic converter can also be adjusted using the volume flow that flows through the bypass line. This makes it possible to determine the aging process and the characterization depending on the volume flow. It should be pointed out at this point that it is usually relatively easy to draw conclusions about the mass flow from the volume flow, provided that this is relevant.
Eine weitergebildete Ausführungsform kann sich dadurch auszeichnen, dass in der Abführleitung eine zweite Abzweigung angeordnet ist, von welcher eine Rückführleitung abzweigt, mit welcher das vom Katalysator behandelte Abgas zum Brenner oder in die Zuführleitung rückgeführt werden kann, wobei in der zweiten Abzweigung oder in der Bypassleitung ein zweites Stellelement zum Einstellen des durch die Rückführleitung strömenden Volumenstroms angeordnet ist. Auch in diesem Fall kann das zweite Stellelement eine Klappe oder ein Drosselventil sein, um den Volumenstrom des rückgeführten Abgases einzustellen. Mit dem Volumenstrom des rückgeführten Abgases lässt sich die Temperatur des Abgases, mit welchem der Katalysator beaufschlagt wird, einstellen. Für den Fall, dass die Vorrichtung über das zuvor erwähnte erste Stellglied und das zweite Stellglied verfügt, ist es möglich, die Temperatur unabhängig vom Volumenstrom einzustellen. Hierdurch lässt sich der Katalysator in seinem kompletten Betriebsbereich charakterisieren.A further developed embodiment can be characterized in that a second branch is arranged in the discharge line, from which a return line branches off, with which the exhaust gas treated by the catalyst can be returned to the burner or into the supply line, in the second branch or in the bypass line a second adjusting element is arranged for adjusting the volume flow flowing through the return line. In this case too, the second control element can be a flap or a throttle valve in order to adjust the volume flow of the recirculated exhaust gas. The volume flow of the recirculated exhaust gas can be used to adjust the temperature of the exhaust gas that is applied to the catalytic converter. In the event that the device has the aforementioned first actuator and the second actuator, it is possible to set the temperature independently of the volume flow. This allows the catalyst to be characterized in its entire operating range.
Nach Maßgabe einer weiteren Ausführungsform kann in der Rückführleitung ein dritter Temperatursensor zum Bestimmen der Temperatur des rückgeführten Abgases angeordnet sein. Unter Verwendung des dritten Temperatursensors können Abkühlungsprozesse des Abgases, welches durch die Rückführleitung geführt wird, bei der Einstellung der Temperatur des Abgases, welches dem Katalysator zugeführt wird, genauer berücksichtigt werden. Insgesamt wird mittels des dritten Temperatursensors die Charakterisierung des betreffenden Katalysators präzisiert.According to a further embodiment, a third temperature sensor for determining the temperature of the recirculated exhaust gas can be arranged in the return line. Using the third temperature sensor, cooling processes of the exhaust gas that is passed through the return line can be taken into account more precisely when setting the temperature of the exhaust gas that is fed to the catalytic converter. Overall, the characterization of the catalyst in question is made more precise using the third temperature sensor.
Eine Ausbildung der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der vorherigen Ausführungsformen zum Charakterisieren eines Katalysators zu verschiedenen Alterungszeitpunkten, umfassend die folgenden Schritte:
- - Charakterisieren eines Katalysators, wozu folgende Charakterisierungsschritte durchgeführt werden:
- ◯ Erzeugen von Abgas mittels des Brenners, wobei dem Brenner Brennstoff mit der Brennstoffzufuhreinheit und Luft mit der Luftzufuhreinrichtung zugeführt werden,
- ◯ Zuführen des im Brenner erzeugten Abgases zum Katalysator durch die Zuführleitung,
- ◯ Zugeben von Synthesegas zum vom Brenner erzeugten Abgases mit der Zugabeeinheit in die Zuführleitung, und
- ◯ Bestimmen der Zusammensetzung des dem Katalysator zugeführten Abgases mittels der ersten Messeinrichtung und/oder des vom Katalysator behandelten Abgases mit der zweiten Messeinrichtung, oder
- - Altern des Katalysators, wozu folgende Alterungsschritte durchgeführt werden:
- ◯ Erzeugen von Abgas mittels des Brenners, wobei dem Brenner Brennstoff mit der Brennstoffzufuhreinheit und Luft mit der Luftzufuhreinrichtung zugeführt werden, und
- ◯ Zuführen des im Brenner erzeugten Abgases zum Katalysator durch die Zuführleitung.
- - Characterizing a catalyst, for which the following characterization steps are carried out:
- ◯ generating exhaust gas by means of the burner, fuel being supplied to the burner with the fuel supply unit and air with the air supply device,
- ◯ Supplying the exhaust gas generated in the burner to the catalytic converter through the supply line,
- ◯ Adding synthesis gas to the exhaust gas generated by the burner with the addition unit into the supply line, and
- ◯ Determining the composition of the exhaust gas supplied to the catalytic converter using the first measuring device and/or the exhaust gas treated by the catalytic converter using the second measuring device, or
- - Aging of the catalyst, for which the following aging steps are carried out:
- ◯ Generating exhaust gas by means of the burner, with fuel being supplied to the burner with the fuel supply unit and air with the air supply device, and
- ◯ Supplying the exhaust gas generated in the burner to the catalytic converter through the supply line.
Die technischen Effekte und Vorteile, die sich mit dem vorschlagsgemäßen Verfahren erreichen lassen, entsprechen denjenigen, die für die vorliegende Vorrichtung erörtert worden sind. Zusammenfassend sei darauf hingewiesen, dass eine weit reichende Charakterisierung eines gegebenen Katalysators mit einer einzigen Vorrichtung ohne die Notwendigkeit, den Katalysator zwischen zwei Prüfständen hin und her zu transportieren, möglich ist. Hierdurch wird die Charakterisierung des gegebenen Katalysators deutlich vereinfacht und beschleunigt.The technical effects and advantages that can be achieved with the proposed method correspond to those that have been discussed for the present device. In summary, it should be noted that extensive characterization of a given catalyst is possible with a single device without the need to transport the catalyst back and forth between two test benches. This significantly simplifies and accelerates the characterization of the given catalyst.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem von einem Computer lesbaren Medium gespeichert ist, zum Durchführen des Verfahrens nach der zuvor beschriebenen Ausbildung. Zu den technischen Effekten und Vorteilen, die sich mit dem Computerprogrammprodukt erzielen lassen, sei auf die diesbezüglichen Ausführungen des Verfahrens verwiesen.A further embodiment of the invention relates to a computer program product with a program code, which is stored on a medium readable by a computer, for carrying out the method according to the previously described training. Regarding the technical effects and advantages that can be achieved with the computer program product, please refer to the relevant explanations of the process.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNGEMBODIMENT OF THE INVENTION
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
-
1 eine prinzipielle Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Charakterisieren eines Katalysators zu verschiedenen Alterungszeitpunkten.
-
1 a basic representation of an embodiment of a device according to the invention for characterizing a catalyst at different aging times.
In
In der Zuführleitung 20 ist eine Zugabeeinheit 24 angeordnet, mit welcher Synthesegas S zum Abgas, welches im Brenner 14 erzeugt worden ist, zugesetzt werden kann. Zudem ist in der Zuführleitung 20 eine erste Abzweigung 26 vorgesehen, von welcher aus eine Bypassleitung 28 aus der Zuführleitung 20 abzweigt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein erstes Stellelement 30 in der ersten Abzweigung 26 angeordnet, mit welchem der Volumenstrom des Abgases, der durch die Bypassleitung 28 strömt, eingestellt werden kann. Infolgedessen lässt sich auch der Volumenstrom des Abgases, welches zum Katalysator 12 geführt wird, einstellen. Das erste Stellelement 30 ist als eine Klappe 32 ausgeführt, die mehr oder weniger weit geöffnet oder vollständig geschlossen werden kann. Das vom Brenner 14 kommende Abgas kann je nach Stellung der Klappe 32 vollständig oder im gewünschten Anteil zum Katalysator 12 geführt werden. Nicht dargestellt ist eine Ausführungsform, in welcher das erste Stellelement 30 als ein Drosselventil ausgestaltet ist. Das Drosselventil oder die Klappe 32 können beabstandet von der ersten Abzweigung 26 in der Bypassleitung 28 angeordnet sein.An
Das die Bypassleitung 28 durchströmende Abgas wird ohne weitere Behandlung in die Umgebung der Vorrichtung 10 geleitet.The exhaust gas flowing through the
Darüber hinaus ist eine erste Messeinrichtung 34 in der Zuführleitung 20 angeordnet, mit welcher die Zusammensetzung des Abgases in der Zuführleitung 20 bestimmt werden kann. Die Zusammensetzung wird insbesondere hinsichtlich der im Abgas enthaltenen Kohlenwasserstoffe (CmHn), Kohlenstoffmonoxid (CO), Kohlenstoffdioxid (CO2) und Stickoxide (NOx) hin insbesondere quantitativ bestimmt, wobei auch weitere Stoffe, die im Abgas enthalten sind, quantifiziert werden können.In addition, a
Zudem umfasst die Vorrichtung 10 eine in der Zuführleitung 20 angeordnete erste Sauerstoffsonde 36, mit welcher der Sauerstoffgehalt des Abgases in der Zuführleitung 20 bestimmt werden kann. Bezüglich der Charakterisierung des Katalysators 12 ist weniger der Sauerstoffgehalt als solches, als vielmehr das Verbrennungsluftverhältnis λ wichtigt, die jedoch eng mit dem Sauerstoffgehalt verbunden ist. Ferner ist ein erster Temperatursensor 38 vorgesehen, mit welchem die Temperatur des Abgases in der Zuführleitung 20 bestimmt werden kann. An dieser Stelle sei erwähnt, dass die erste Messeinrichtung 34, die erste Sauerstoffsonde 36 und der erste Temperatursensor 38 stromabwärts der ersten Abzweigung 26, aber stromaufwärts des Katalysators 12 angeordnet sind. Dabei beziehen sich die Angaben „stromabwärts“ und „stromaufwärts“ auf die Haupt Strömungsrichtung des Abgases innerhalb der Vorrichtung 10, die in der
Innerhalb des Katalysators 12 sind ein erster Katalysator-Temperatursensor 401 und ein zweiter Katalysator-Temperatursensor 402 angeordnet. Die beiden Katalysator-Temperatursensoren 401, 402 dienen zur Bestimmung der Temperatur des Abgases beim Durchströmen des Katalysators 12, jedoch an verschiedenen Positionen innerhalb des Katalysators 12. Dabei ist die Anzahl der Katalysator-Temperatursensoren 401, 402 nicht auf zwei begrenzt, vielmehr können auch nur ein Katalysator-Temperatursensor 40 oder mehr als zwei Katalysator-Temperatursensoren 40 vorgesehen sein.A first catalyst temperature sensor 40 1 and a second catalyst temperature sensor 40 2 are arranged within the
Stromabwärts des Katalysators 12 ist die bereits erwähnte Abführleitung 22 vorgesehen, mit welcher das im Katalysator 12 behandelte Abgas in die Umgebung der Vorrichtung 10 abgeführt werden kann. In der Abführleitung 22 befindet sich eine zweite Abzweigung 42, von welcher eine Rückführleitung 44 abzweigt. Mit der Rückführleitung 44 kann zumindest ein Teil des behandelten Abgases zurück zum Brenner 14 geführt werden. Nicht dargestellt ist eine Ausführungsform, in welcher die Rückführleitung 44 nicht in den Brenner 14, sondern in die Zuführleitung 20 mündet. In der zweiten Abzweigung 42 ist ein zweites Stellelement 46 angeordnet, mit welcher der Anteil des Volumenstroms des behandelten Abgases, welcher zum Brenner 14 zurückgeführt werden soll, eingestellt werden kann. In diesem Fall ist das zweite Stellelement 46 als eine Klappe 48 ausgeführt, kann aber auch als ein Drosselventil oder dergleichen ausgeführt sein. Insbesondere dann, wenn das zweite Stellelement 46 als ein Drosselventil ausgeführt ist, kann dasselbe auch beabstandet von der zweiten Abzweigung 42 in der Rückführleitung 44 angeordnet sein. Selbiges kann auch für die Klappe 48 gelten.Downstream of the
Zwischen dem Katalysator 12 und der zweiten Abzweigung 42 sind ein zweiter Temperatursensor 50 zum Bestimmen der Temperatur des behandelten Abgases in der Abführleitung 22, eine zweite Sauerstoffsonde 52 zum Bestimmen des Sauerstoffgehalts des behandelten Abgases in der Abführleitung 22 sowie eine zweite Messeinrichtung 54 zum Bestimmen der Zusammensetzung des behandelten Abgases in der Abführleitung 22 angeordnet. Die Anordnung des zweiten Temperatursensors 50, der zweiten Sauerstoffsonde 52 und der zweiten Messeinrichtung 54 relativ zueinander in der Abführleitung 22 kann frei gewählt werden. Der zweite Temperatursensor 50 kann baugleich zum ersten Temperatursensor 38 und zu den beiden Katalysator-Temperatursensoren 401, 402 ausgeführt sein. Entsprechend können die erste Messeinrichtung 34 baugleich zur zweiten Messeinrichtung und die zweite Sauerstoffsonde 52 baugleich zur ersten Sauerstoffsonde 36 ausgebildet sein. Die erste Sauerstoffsonde 36 und die zweite Sauerstoffsonde 52 können als eine so genannte Breitband-Sauerstoffsonde ausgeführt sein. Breitband-Sauerstoffsonde ermöglichen die Quantifizierung des Verbrennungsluftverhältnisses λ, was bei Sprungsonden nicht möglich ist.Between the
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein dritter Temperatursensor 56 in der Rückführleitung 44 angeordnet, so dass auch die Temperatur des rückgeführten Abgases bestimmt werden kann.In the exemplary embodiment shown, a
Nicht dargestellt ist eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung, mit welcher die Vorrichtung 10 betrieben werden kann.A control and/or regulation device with which the
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 kann zum Charakterisieren eines gegebenen Katalysators 12 auf folgende Weise betrieben werden: In einem ersten Modus („Alterungsmodus“) wird dem Katalysator 12 ein Abgas zugeführt, welches im Brenner 14 unter Verwendung von Brennstoff B (Otto- oder Dieselkraftstoff) und Luft L erzeugt worden ist. Die Zugabeeinheit 24 ist dabei geschlossen, so dass dem Abgas kein Synthesegas S zugeführt wird. Während des Alterungsmodus wird keine Messung durchgeführt. Das Abgas wird vollständig dem Katalysator 12 zugeführt, wozu die Klappe 32 die Bypassleitung 28 vollständig verschließt.The
Ist der betreffende Alterungszeitpunkt erreicht, wird die Vorrichtung 10 in einem zweiten Modus („Charakterisierungsmodus“) betrieben, in welchem das Synthesegas S dem vom Brenner 14 erzeugten Abgas zugesetzt wird. Stromaufwärts des Katalysators 12 werden die Zusammensetzung des Abgases insbesondere hinsichtlich der oben genannten Komponenten mit der ersten Messeinrichtung 34, seine Temperatur mit dem ersten Temperatursensor 38 und das Verbrennungsluftverhältnis λ mit der ersten Sauerstoffsonde 36 bestimmt.Once the relevant aging point has been reached, the
Zudem wird die Temperatur des den Katalysator 12 durchströmenden Abgases mit den beiden Katalysator-Temperatursensoren 401, 402 innerhalb des Katalysators 12 bestimmt. Stromabwärts des Katalysators 12 werden die Zusammensetzung mit der zweiten Messeinrichtung 54, die Temperatur mit der zweiten Temperatursensor 50 und das Verbrennungsluftverhältnis λ mit der zweiten Sauerstoffsonde 52 bestimmt. Aus einem Vergleich der stromaufwärts des Katalysators 12 gemessenen Daten des Abgases mit denen, welche stromabwärts des Katalysators 12 gemessen worden sind, lässt sich eine Emissionskonvertierungsrate und/oder der MOL zum gegebenen Alterungszeitpunkt ermitteln.In addition, the temperature of the exhaust gas flowing through the
Für den Fall, dass die Charakterisierung des Katalysators 12 zum gewünschten Alterungszeitpunkt für unterschiedliche Volumenströme bzw. Massenströme vorgenommen werden soll, können die zuvor beschriebene Messung wiederholt werden. Hierzu wird das erste Stellelement 30 entsprechend aktiviert, um einen größeren oder kleineren Volumenstrom durch die Bypassleitung 28 strömen zu lassen.In the event that the characterization of the
Für den Fall, dass die Charakterisierung des Katalysators 12 zum gewünschten Alterungszeitpunkt für unterschiedliche Temperaturen vorgenommen werden soll, können die zuvor beschriebenen Messungen wiederholt werden. Hierzu wird das zweite Stellelement 46 entsprechend aktiviert, um einen größeren oder kleineren Volumenstrom durch die Rückführleitung 44 strömen zu lassen. Der Massenstrom und die Temperatur können dabei unabhängig voneinander verändert werden.In the event that the characterization of the
Im Ergebnis erhält man für einen bestimmten Alterungszeitpunkt ein Kennfeld der Emissionskonvertierungsraten und oder der MOL, in Abhängigkeit der Temperatur und des Volumenstroms bzw. Massenstroms.The result is a map of the emission conversion rates and/or the MOL for a specific aging time, depending on the temperature and the volume flow or mass flow.
Nach abgeschlossener Charakterisierung wird die Vorrichtung 10 so lange wieder im Alterungsmodus betrieben, bis dass der nächste Alterungszeitpunkt erreicht ist. Dann wird die Vorrichtung 10 wieder in den Charakterisierungsmodus umgeschaltet und der Katalysator 12 erneut charakterisiert und ein weiteres Kennfeld der Emissionskonvertierungsraten und/oder der MOL in Abhängigkeit der Temperatur und des Volumenstroms bzw. Massenstroms bestimmt, allerdings zu einem anderen Alterungszeitpunkt. Die beiden Modi werden so lange wiederholt, bis dass die Charakterisierung des Katalysators 12 zu allen gewünschten Alterungszeitpunkten abgeschlossen ist. Nun kann ein anderer Katalysator 12 auf die beschriebene Weise charakterisiert werden.After the characterization has been completed, the
Die Ergebnisse können beispielsweise für die Simulation des Alterungsprozesses verwendet werden, die wiederum bei der Entwicklung von Washcoats berücksichtigt werden kann. Zudem kann ein entsprechender Algorithmus in der Steuerelektronik eines Verbrennungsmotors hinterlegt werden, so dass ein Hinweis an den Fahrer ausgegeben werden kann, wenn die Emissionskonvertierungsraten einen bestimmten Wert unterschreiten, damit der Fahrer den Austausch des Katalysators 12 veranlassen kann.The results can be used, for example, to simulate the aging process, which in turn can be taken into account when developing washcoats. In addition, a corresponding algorithm can be stored in the control electronics of an internal combustion engine so that a message can be issued to the driver when the emission conversion rates fall below a certain value so that the driver can initiate the replacement of the
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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