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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Konvertierungsrate
eines Ozon-Katalysators, der insbesondere in einem Kraftfahrzeug
mit Verbrennungsmotor angeordnet ist.
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Aus
Gründen
des Umwelt- und Personenschutzes muss die Schadstoffbelastung, die
aus Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor oder aus der Energieerzeugung
mit stationären
Verbrennungsanlagen resultiert, deutlich reduziert werden.
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Ein
neuer Ansatz zur Reduzierung der Schadstoffbelastung besteht darin,
aktiv Schadstoffe nicht direkt aus dem Abgasstrom einer Verbrennungsanlage,
sondern aus der Umgebungsluft zu entfernen. Dieser Weg ist insbesondere
für die
Entfernung von bodennahem Ozon aussichtsreich, welches durch seine
stark oxidierende Wirkung erheblichen Einfluss auf das Befinden
von Menschen ausübt.
Ozon ist kein direkt emittiertes Gas und kann daher nicht aus dem
Abgasstrom einer Brennkraftmaschine oder ähnlichem entfernt werden. Es entsteht
bei Anwesenheit von Stickoxiden in der Außenluft bei Sonnenbestrahlung
aufgrund deren UV-Anteils durch komplexe fotochemische Reaktionen.
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Ozon
ist äußerst reaktiv.
Somit kann es gut mittels eines luftdurchströmten Katalysatorsystems abgebaut
werden. Diese Katalysatoren sind äußerst stabil, da keine direkte
Wirkung starker Oxidationskatalysatoren benötigt wird, die stark vergiftungsempfindlich
sind, wie z. B. Platin. Zur Wirkung reichen Systeme aus, die im
Wesentlichen eine Absorption des Ozons auf einer Oberfläche bewirken.
Das Ozon zerfällt
dann sofort zu Sauerstoff.
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Seit
längerem
werden derartige Katalysatorsysteme bei Passagierflugzeugen eingesetzt,
welche nahe der Ozonschicht fliegen. Dort dienen sie zur Aufbereitung
der Luft, welche in den Passagierraum geführt wird. In neuerer Zeit ist
auch der Einsatz derartiger Systeme in Kraftfahrzeugen vorgesehen.
Hier wird der Kühler des
Kraftfahrzeugs mit dem Katalysator beschichtet. Luft, die in großen Mengen
durch den Kühler
strömt,
wird von Ozon gereinigt, d. h. das Fahrzeug reinigt die Umgebungsluft.
Ein solches System stellt eine abgasrelevante Komponente dar. In
zunehmender Zahl von Ländern
wird von den jeweiligen Gesetzgebern für sämtliche abgasrelevante Komponenten
eine On-Board-Diagnose vorgeschrieben und ist damit auch für ein Ozonreinigungssystem
relevant. In diesem Zusammenhang ist die sogenannte Konvertierungsrate
des Ozon-Katalysators,
d. h. der Anteil des Ozons in der ihn durchströmenden Luft, der durch den
Katalysator in Sauerstoff umgewandelt wird, eine maßgebliche
Größe zur On-Board-Diagnose
des Ozon-Katalysators.
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Aus
der
EP 501003 A1 ist
ein Katalysator und ein Verfahren zum Umsetzen von Ozon mit diesem
Katalysator bekannt. Zur Ermittlung der Konvertierungsrate des Ozonkatalysators
wird vorgeschlagen, Messwerte im Bereich des Einlasses und des Auslasses
des Katalysators zu vergleichen. Die Ozonkonvertierungsrate wird
aus diesen Werten berechnet.
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Aus
der
DE 3938592 A1 ist
eine Vorrichtung zur Beseitigung des Ozongehalts von Raumluft bekannt, bei
der eine Steuereinrichtung vorgesehen sein kann, die aufgrund von
Messwerten aus dem Bereich des Ansaugtraktes und des Austrittstraktes
der Vorrichtung eine Heizeinrichtung, ein Gebläse oder dergleichen ansteuert.
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Aus
der
US 6214303 B1 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung der Atmosphäre bekannt,
um die Konzentration von Schadstoffen in der Atmosphäre zu vermindern.
Hierfür
werden verschiedene Oberflächenbeschichtungen
für Katalysatoren
vorgeschlagen.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein zuverlässiges und präzises Verfahren
zum Bestimmen der Konvertierungsrate eines Ozon-Katalysators zu
schaffen.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des unabhängigen
Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zeichnet sich dadurch aus, dass es unabhängig ist von Änderungen in
der Empfindlichkeit und des Nullpunkts der jeweiligen Sensorelement-Kennlinien.
Dadurch ist das Verfahren entscheidend zuverlässiger und präziser als
bei einer direkten Berechnung der Konvertierungsrate aus Messwerten
vor und nach dem Kühler,
da sich bei den im Einsatz befindlichen Sensorelementen die Kennlinie
durch den Einfluss von Umgebungsgrößen wie der Luftfeuchte, der
Temperatur des Salzgehalts in der Luft oder Rußpartikel in der Luft sich
stark ändern
kann.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Ozonkonzentration
der Umgebungsluft bei einer typischen Fahrt mit einem Kraftfahrzeug
häufig ändert, so
dass durch die Dynamik der Ozonkonzentration in der Luft eine überraschend
präzise
Bestimmung der Konvertierungsrate mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
ermöglicht
ist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
einer Sensoreinrichtung, die geeignet ist zum Ermitteln der Konvertierungsrate
eines Ozonkatalysators,
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2 eine
zweite Ausführungsform
der Sensoreinrichtung, die geeignet ist zum Ermitteln der Konvertierungsrate
eines Ozonkatalysators und
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3 ein
Ablaufdiagramm des Verfahrens zum Bestimmen der Konvertierungsrate
des Ozonkatalysators mit einer Sensoreinrichtung gemäß 1 und
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4 ein
Ablaufdiagramm für
das Verfahren zum Bestimmen der Konvertierungsrate eines Ozonkatalysators
mittels der Sensoreinrichtung gemäß 2.
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Elemente
gleicher Konstruktion und Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Eine
Sensoreinrichtung 1 umfasst einen ersten Kanal 2,
dessen Einlass im Bereich eines stromabwärtigen Endes in Hauptströmungsrichtung 4 der
Luft eines Kühlers 3 angeordnet
ist, und der hin zu einem Umschaltventil 5 geführt ist.
Der Kühler 3 umfasst
einen Ozon-Katalysator, der das Ozon, das sich in der ihn durchströmenden Luft
befindet, in Sauerstoff konvertiert.
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Ferner
umfasst die Sensoreinrichtung einen zweiten Kanal 7, in
dem Luft von einem Bereich stromaufwärts des Kühlers 3 hineinströmt und der
ebenfalls hin zu dem Umschaltventil 5 geführt ist.
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Von
dem Umschaltventil
5 ist ein dritter Kanal
9 hin
zu einem Sensorelement
11 und weiter zu einem Ausgang des
Gehäuses
1 geführt. Das
Sensorelement ist vorzugsweise ein Dünnschicht-Gassensor auf Metalloxidbasis. Ein derartiges
Sensorelement ist beispielsweise in der
DE 199 24 083 A1 beschrieben.
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Ferner
ist eine Auswerteeinheit 13 vorgesehen, der die Messsignale
des Sensorelements 11 zugeführt werden, die diese auswertet
und das Umschaltventil 5 ansteuert. Die Auswerteeinheit
kann vorzugsweise direkt im oder an dem Gehäuse 1 der Sensoreinrichtung
angeordnet sein. Sie kann aber auch separat davon ausgebildet sein.
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Das
Umschaltventil 5 ist so ausgebildet, dass es in einer ersten
Stellung die Verbindung zwischen dem zweiten Kanal 7 und
dem dritten Kanal 9 freigibt. Diese Stellung wird im Folgenden
als „Ventil
in Vor-Kühler-Stellung" bezeichnet. In einer
zweiten Stellung gibt das Umschaltventil eine Verbindung zwischen
dem ersten Kanal 2 und dem dritten Kanal 9 frei.
d. h. die Luft strömt
von dem in Hauptströmungsrichtung 4 stromabwärtigen Ende
des Kühlers 3 durch
den ersten Kanal 2 hinein in den dritten Kanal 9.
Diese Stellung wird im Folgenden als „Ventil in Nach-Kühler-Stellung" bezeichnet.
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Die
Ausführungsform
der Sensoreinrichtung gemäß 2 unterscheidet
sich von der gemäß 1 dadurch,
dass zusätzlich
ein vierter Kanal 15 vorgesehen ist, der mit dem zweiten
Kanal kommuniziert. Ferner ist in dem vierten Kanal 15 ein
weiteres Sensorelement 17 angeordnet, dessen Messsignale
repräsentativ
sind für
den Ozongehalt der Luft im zweiten Kanal 7.
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3 zeigt
ein Ablaufdiagramm eines Programms zum Bestimmen der Konvertierungsrate
des Ozon-Katalysators 3 mit einer Sensoreinrichtung gemäß 1.
Das Programm ist in der Auswerteeinheit 13 gespeichert
und wird in dieser ausgeführt.
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In
einem Schritt S1 wird das Programm gestartet. Dies erfolgt vorzugsweise
beim Start der Brennkraftmaschine, in der der Kühler 3 angeordnet
ist.
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In
einem Schritt S6 wird das Umschaltventil in seine Vor-Kühler-Stellung gebracht. In
einem Schritt S8 wird dann ein Messwert des Sensorsignals des Sensorelements 11 erfasst
und gespeichert. In dem sofort darauf folgenden Schritt S9 wird
dann das Umschaltventil 5 in seine Nach-Kühler-Stellung
gebracht und dann in dem Schritt S11 erneut ein Messwert des Sensorsignals
des Sensorelements 11 erfasst. Damit wird zeitlich sehr
nah jeweils ein Messwert des Sensorsignals erfasst, wenn an dem
Sensorelement 11 Luft vorbeiströmt, die stromaufwärts des
Kühlers 3 in
den zweiten Kanal 7 geströmt ist und wenn an dem Sensorelement 11 Luft vorbeiströmt, die
stromabwärts
des Kühlers 3 in
den ersten Kanal 2 geströmt ist. Die zeitliche Erfassung
der Messwerte in Vor- und Nach-Kühler-Stellung kann jedoch
auch umgekehrt erfolgen.
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In
einem Schritt S13 wird ein Zähler
CTR um einen vorgegebenen Wert, z. B. 1 inkrementiert.
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In
einem Schritt S15 wird anschließend
geprüft,
ob der Zähler
CTR größer ist
als ein Maximalwert CTR MAX. Ist dies nicht der Fall, so wird die
Bearbeitung in einem Schritt S6 nach einer vorgegebenen Wartezeit wieder
fortgesetzt. Die vorgegebene Wartezeit ist dabei vorzugsweise so
gewählt,
dass nach dieser Zeit wieder ein zuverlässiger neuer Messwert des Sensorsignals
eingelesen werden kann.
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Ist
die Bedingung des Schrittes S15 jedoch erfüllt, so wird der Zähler CTR
zunächst
in einem Schritt S17 zurückgesetzt,
vorzugsweise auf den Wert Null.
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Anschließend wird
in einem Schritt S19 zum einen ein Mittelwert MV1 der Messwerte
ermittelt, die bei den Durchläufen
der Schritte S8 ermittelt wurden und zum anderen ein Mittelwert
MV2 ermittelt aus den Messwerten, die bei den Durchläufen der
Schritte S11 ermittelt wurden. Ferner wird jeweils die Standardabweichung SA1,
SA2 der in den Schritten S8 bzw. S11 ermittelten Messwerte berechnet.
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Auf
einfache Weise kann dann aus dem Verhältnis der beiden Standardabweichungen
SA1, SA2 oder vorzugsweise aus dem Verhältnis der beiden Varianzen,
die jeweils das Quadrat der Standardabweichung sind, die Konvertierungsrate
des Ozonkatalysators berechnet werden, der in dem Kühler 3 angeordnet
ist.
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Eine
etwas aufwändigere
aber dafür
wesentlich robustere Ermittelung der Konvertierungsrate, insbesondere
bei ungünstigen
Umgebungsbedingungen, kann dadurch erfolgen, dass zunächst abhängig von
den beiden ermittelten Standardabweichungen SA1, SA2 und den Mittelwerten
MV1, MV2, eine Nullpunktverschiebung Offs der Kennlinie des Sensorelements
ermittelt wird. Dies erfolgt vorzugsweise nach der nachfolgend wiedergegebenen
Berechnungsvorschrift
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Die
so ermittelte Nullpunktverschiebung Offs der stets linearen Kennlinie
des Sensorelements 9 wird dann von den ermittelten Messwerten
abgezogen. Die so korrigierten Messwerte, die bei den Durchläufen des Schrittes
S8 ermittelt wurden, können
dann ins Verhältnis
zu den ebenfalls so korrigierten Messwerten gesetzt werden, die
in dem Schritt S11 ermittelt wurden. Dadurch ergibt sich dann robustes
und präzises
Maß für die Konvertierungsrate
des Ozon-Katalysators. Dabei kann die Konvertierungsrate auch bei
Veränderungen
der Empfindlichkeit des Sensorelements 9 präzise ermittelt
werden, da diese nach Abzug der Nullpunktverschiebung Offs sich
bei der Verhältnisbildung
herauskürzt.
Insbesondere können
nach Abzug der Nullpunktverschiebung ungültige Messwerte erkannt und
für die
weitere Auswertung verworfen werden.
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Versuche
haben ergeben, dass die Nullpunktverschiebung Offs bei den Sensorelementen
sich innerhalb weniger Tage im Betrieb eines Fahrzeuges stark verschieben
kann und auch die Empfindlichkeit des Sensorelements sich stark ändern kann,
z.B. hervorgerufen durch eine Veränderung der Luftfeuchtigkeit.
Trotz dieser erheblichen Änderungen
in der Kennlinie des Sensorelements kann mit Verfahren gemäß 3 sehr
präzise
und zuverlässig
die Konvertierungsrate des Ozonkatalysators bestimmt werden, was
Voraussetzung für eine
On-Board-Diagnose
ist.
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Besonders
einfach kann die Konvertierungsrate auch dadurch ermittelt werden,
in dem jeweils die minimalen oder maximalen Messwerte MIN1, MIN2,
MAX1, MAX2, die in den Durchläufen
der Schritte S8 oder S11 ermittelt wurden, dazu verwendet werden.
Die Berechnungsvorschrift für
die Nullpunktverschiebung Offs lautet dann:
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Zusätzlich kann
in dem Schritt S19 auch eine Überprüfung des
Umschaltventils 5 und des in dem Kühler 3 angeordneten
Ozon-Katalysators
erfolgen. Dazu wird geprüft,
ob die Standardabweichung SA1 und die Standardabweichung SA2 gleich
sind. Ist dies der Fall, dann ist entweder das Umschaltventil 5 oder
der Kühler 3 bzw.
dessen darin angeordneter Ozon-Katalysator defekt.
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Zusätzlich wird
vorzugsweise ferner geprüft,
ob die Standardabweichungen SA1, SA2 eine vorgegebene Schwelle überschreiten.
Sind diese beiden Bedingungen erfüllt, so wird vorzugsweise eine
Warnlampe für
den Fahrer eingeschaltet. Ist die Standardabweichung SA2 der Messwerte,
die in der Nach-Kühler-Stellung erfasst
wurden größer als
die Standardabweichung SA1 der Messwerte, die in der Nach-Kühler-Stellung
ermittelt wurden, so wird ebenfalls die Warnlampe eingeschaltet,
da dies ein Zeichen dafür
ist, dass der Kühler 3 selbst
Ozon erzeugt oder das Sensorelement oder das Umschaltventil 5 defekt
ist.
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4 zeigt
ein Ablaufdiagramm eines Programms zum Ermitteln der Konvertierungsrate
des Ozon-Katalysators für
eine Sensoreinrichtung gemäß 2.
Es werden im Folgenden nur die Unterschiede zu dem vorstehend bereits
beschriebenen Ablaufdiagramm gemäß 3 beschrieben.
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In
einem Schritt S2 wird das Umschaltventil 5 in seine Vor-Kühler-Stellung verfahren. In
dem Schritt S3' werden
die Messwerte der beiden Sensorelemente 11, 17 abgeglichen,
d. h. es wird eine Transformationsvorschrift ermittelt, die die
Unterschiede in den Kennlinien der beiden Sensorelemente berücksichtigt.
Dazu werden mehrere Messwerte des Sensorsignals des ersten Sensorelements 11 und
zweiten Sensorelements 17 möglichst zeitnah ermittelt und
dann abhängig
von diesen Werten die Nullpunktverschiebungen und Empfindlichkeiten
der Sensorelemente 11, 17 berechnet. Aus diesen
Größen kann
dann einfach ein Messwert des ersten Sensorelements auf einen Messwert
des zweiten Sensorelements 17 oder umgekehrt mittels Korrekturwerten
umgerechnet werden.
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Anschließend wird
das Umschaltventil 5 in seine Nach-Kühler-Stellung gebracht.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
werden jeweils die Messwerte des zweiten Sensorelements 17 auf
die des ersten Sensorelements transformiert. Dies erfolgt vorzugsweise
nach folgender Berechnungsvorschrift MW1 = (MW2 – MV2)·S1/S2
+ MV1, wobei MW2 der jeweilige Messwert des zweiten Sensorelements 17 ist
und MW1 der auf das erste Sensorelement 11 transformierte
Messwert ist.
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Das
Vorgehen gemäß dem Ablaufdiagramm
gemäß 4 zeichnet
sich dadurch gegenüber
dem gemäß 3 aus,
dass auf die Schritte S6 und S9 verzichtet werden kann. Dies hat
zur Folge, dass das Umschaltventil 5 lediglich einmal in
dem Schritt S2 und darauf nachfolgend in dem Schritt S3' umschalten muss. Das
Umschaltventil muss somit wesentlich weniger Schaltzyklen durchführen und
wird somit weniger belastet und kann kostengünstiger dimensioniert werden.
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In
dem Schritt S8' wird
dann jeweils ein Messwert des Sensorsignals des weiteren Sensors 17 ermittelt.
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Als
Maß, das
charakteristisch ist für
die Abweichung der Messwerte von ihrem jeweiligen Mittelwert, können neben
den Minimal- oder Maximalwerten oder der Standardabweichung auch
die Varianz oder andere aus der mathematischen Statistik bekannte
derartige Gütemaße verwendet
werden.
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Alternativ
kann bei der Sensoreinrichtung gemäß 2 auch das
Umschaltventil 5 im Bereich der Abzweigung des vierten
Kanals 15 von dem zweiten Kanal 7 angeordnet sein.
In diesem Fall kommuniziert der erste Kanal 2 dann immer
mit dem dritten Kanal 9 und der vierte Kanal 15 kommuniziert
abhängig
von der Stellung des Umschaltventils 5 entweder mit dem
ersten oder zweiten Kanal 2,7. Der Abgleich gemäß den Schritten
S2, S3' in 4 findet
dann in der Stellung des Umschaltventils 5 statt, in der
der vierte Kanal 15 mit dem ersten Kanal 2 kommuniziert.
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Der
Abgleich der Schritte S2, S3' kann
alternativ auch nach oder direkt vor der Ausführung des Schrittes S17 durchgeführt werden.
