-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Bestimmung des Alterungszustands eines Abgaskatalysators mit
den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren
hierfür
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 6.
-
In der deutschen Patentschrift
DE 41 12 479 C2 ist ein
Verfahren beschrieben, bei welchem der Alterungszustand eines Abgaskatalysators
mit Hilfe eines an ein elektronisches Steuergerät angeschlossenen Sauerstoffsensors
bestimmt wird. Der Sensor weist einen sauerstoffsensitiven Bereich
zur Messung des Sauerstoffpartialdrucks im Abgas auf. Mittels dieser
Messgröße wird
vom Steuergerät
der Alterungszustand des Katalysators ermittelt.
-
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine
Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit welchen eine zuverlässige und
apparativ einfache Bestimmung des Alterungszustands eines Abgaskatalysators
ermöglicht
wird.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich
dadurch aus, dass der Sauerstoffsensor einen temperatursensitiven
Bereich aufweist und vom Steuergerät derart ansteuerbar ist, dass
eine Temperaturmessung und alternativ hierzu die Sauerstoffpartialdruckmessung
durchführbar
ist. Der temperatursensitive Bereich ist dabei wenigstens teilweise
in Kontakt mit dem Abgas. Über
die Temperaturmessung kann die Stärke der durch den Katalysator
bewirkten Freisetzung von Reaktionswärme ermittelt werden. Ferner
kann vom Sensor über
den sauerstoffsensitiven Bereich die durch den Katalysator bewirkte Änderung
des Sauerstoffgehalts im Abgas ermittelt werden. Die Ermittlung
der beiden Messgrößen, Temperatur
bzw. Sauerstoffgehalt ist alternativ durchführbar. Vorzugsweise wird die
Temperaturmessung bei einem Warmlauf der Brennkraftmaschine und
die Sauerstoffpartialdruckmessung bei warmgelaufener Brennkraftmaschine
vorgenommen. Die beiden Messgrößen sind
kennzeichnend für
verschiedene Leistungsmerkmale des Katalysators, so dass dessen
Leistungsvermögen
und Alterungszustand umfassend beurteilt werden kann. Im Hinblick auf
die Ermittlung des Alterungszustands des Katalysators dient die
Temperaturmessung vorzugsweise der Ermittlung der Anspringtemperatur
des Katalysators. Unter der Anspringtemperatur wird hier wie üblich der
Temperaturwert verstanden, bei welcher der Katalysator eine nennenswerte
katalytische Wirkung, beispielsweise einen 50-prozentigen Umsatz,
erreicht. Erwünscht
ist meist eine niedrige Anspringtemperatur, die sich jedoch im Verlaufe
der Einsatzzeit des Katalysators durch Alterung erhöhen kann. Die
Messung des Sauerstoffpartialdrucks dient vorzugsweise der Ermittlung
der Sauerstoffspeicherfähigkeit
des Katalysators. Die Sauerstoffspeicherfähigkeit unterliegt ebenfalls
einer Alterung. Da die Erfindung sowohl die Ermittlung der Anspringtemperatur
als auch die Ermittlung der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators erlaubt,
kann der Alterungszustand des Katalysators umfassend und zuverlässig bestimmt
werden. Die Messung des Sauerstoffpartialdrucks dient weiterhin
der Regelung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses (λ) des der Brennkraftmaschine
zugeführten
Luft-Kraftstoffgemischs. Somit erfüllt der Sauerstoffsensor eine
Doppelfunktion, wodurch die Vorrichtung konstruktiv einfach gestaltet
werden kann.
-
In Ausgestaltung der Erfindung ist
der temperatursensitive Bereich des Sauerstoffsensors durch dessen
sauerstoffsensitiven Bereich gebildet und ist insbesondere als Feststoffelektrolyt
ausgebildet. Mit dieser Ausgestaltung kann die Erfindung durch einen
elektrochemischen Sensor verwirklicht werden. Der Feststoffelektrolyt
dient einerseits der Temperaturmessung und andererseits alternativ
zur Messung des Sauerstoff-partialdrucks im Abgas, wobei für beide
Aufgaben dasselbe Sensorteil verwendet wird. Vorzugsweise wird zur
Temperaturmessung die elektrische Leitfähigkeit des Feststoffelektrolyts, und
zur Messung des Sauerstoffpartialdrucks die elektromotorische Kraft
der Nernstspannung des Feststoffelektrolyts ausgewertet. Durch diese
Doppelfunktion des Feststoffelektrolyts bzw. des sauerstoffsensitiven
Bereichs kann auf zusätzliche
Sensorbestandteile verzichtet werden, und es wird eine einfache
Konstruktion des Sensors erreicht.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ist der temperatursensitive Bereich des Sauerstoffsensors als Heizleiterstruktur
ausgebildet. Somit wird die ohnehin meist bei einem Sauerstoffsensor
vorhandene Heizleiterstruktur in vorteilhafter Weise zur Temperaturmessung
herangezogen. Vorzugsweise wird deren elektrische Leitfähigkeit
zur Temperaturmessung herangezogen. Zu diesem Zweck kann für die Heizleiterstruktur
ein Material verwendet werden, welches einen vergleichsweise großen Temperaturkoeffizient
der elektrischen Leitfähigkeit
aufweist, wodurch ein großer
Messeffekt erzielt wird. Mit dieser Ausgestaltung der Erfindung
kann ebenfalls auf zusätz liche
Sensorbestandteile verzichtet werden und es wird ebenfalls eine
einfache Konstruktion des Sensors erreicht.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ist in der Abgasleitung ein Temperaturfühler vorgesehen, wobei der
Temperaturfühler
und der Sauerstoffsensor in der Abgasleitung derart angeordnet sind,
dass sich zwischen dem Sauerstoffsensor und dem Temperaturfühler wenigstens
ein Teilbereich des Abgaskatalysators befindet. Dadurch wird die
Messung einer lokalen Temperaturdifferenz ermöglicht, wodurch die Größe der durch
exotherme Reaktionen im Katalysatorbereich hervorgerufenen Wärmefreisetzung besonders
zuverlässig
ermittelt werden kann. Folglich kann auch die Anspringtemperatur
des Katalysators, bzw. deren alterungsbedingte Verschlechterung,
besonders zuverlässig
ermittelt werden.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ist der Sauerstoffsensor in dem Abgaskatalysator oder stromab des
Abgaskatalysators in der Abgasleitung angeordnet, und stromauf des
Abgaskatalysators ist ein zweiter Sauerstoffsensor in der Abgasleitung
angeordnet. Dadurch wird die Messung einer lokalen Differenz des
Sauerstoffpartialdrucks im Abgas ermöglicht, wodurch die Sauerstoffspeicherfähigkeit des
Katalysators, bzw. deren alterungsbedingte Verschlechterung zuverlässig ermittelt
werden kann.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich
dadurch aus, dass bei einem Warmlauf der Brennkraftmaschine die
elektrische Leitfähigkeit
einer Leiterstruktur des Sauerstoffsensors gemessen wird, und daraus
eine erste Abgastemperatur ermittelt wird, und die erste Abgastemperatur
mit einer zweiten Abgastemperatur verglichen wird. Zur Ermittlung
der ersten Abgastemperatur dient vorzugsweise ein für die Messung
des Sauerstoffpartialdrucks relevanter Bestandteil des Sensors.
Durch die mittels dieses Sensorbestandteils durchgeführte Abgastemperaturmessung
und den Vergleich mit einer zweiten Abgastemperatur kann die Anspringtemperatur
des Katalysators ermittelt werden. Die zweite Abgastemperatur ist
daher vorzugsweise eine Temperatur, welche die Temperaturerhöhung des
Abgases infolge des Anspringens des Katalysators berücksichtigt.
Da die Anspringtemperatur ein wichtiges Leistungsmerkmal des Katalysators
darstellt, kann dessen Alterungszustand im Hinblick auf seine Fähigkeit,
eine Reaktion frühzeitig
zu katalysieren, ermittelt werden. Der durch die Anspringtemperatur
charakterisierte Alterungszustand des Katalysators kann beispielsweise
durch einen Alterungskennwert ausgedrückt werden. Vorzugsweise wird
nach erfolgtem Warmlauf der Brennkraftmaschine oder nachdem die
Anspringtemperatur des Katalysators ermittelt wurde, der Sauerstoffsensor
zur Messung des Sauerstoffpartialdrucks des Brennkraftmaschinenabgases
eingesetzt. Über
diese Messung kann dann eine λ-Regelung
für den
normalen Betrieb der Brennkraftmaschine erfolgen.
-
In Ausgestaltung des Verfahrens wird
zur Ermittlung der ersten Abgastemperatur die elektrische Leitfähigkeit
eines zur Messung des Sauerstoffpartialdrucks eingesetzten Feststoffelektrolyten
des Sauerstoffsensors gemessen. Dadurch wird in vorteilhafter Weise
der sensitive Bereich des Sauerstoffsensor zweifach genutzt.
-
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird
zur Ermittlung der ersten Abgastemperatur die elektrische Leitfähigkeit
einer Heizleiterstruktur des Sauerstoffsensors gemessen. Da für die Funktion
der Sauerstoffpartialdruckmessung eine Heizung des Sauerstoffsensors
erforderlich ist, ist der Sauerstoffsensor im allgemeinen mit einer
Heizleiterstruktur versehen. Dieses Bauteil des Sauerstoffsensors
wird in vorteilhafter Weise zweifach genutzt. Vorzugsweise erfolgt
die Temperaturermittlung über
die Leitfähigkeitsmessung
der Heizleiterstruktur bei einem Warmlauf der Brennkraftmaschine.
Nach erfolgtem Warmlauf, bzw. nachdem über die Temperaturermittlung
ein Anspringen des Katalysators festgestellt wurde, wird der Betrieb
des Sauerstoffsensors auf Sauerstoffpartialdruckmessung umgeschaltet.
-
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird
die zweite Abgastemperatur mit einem in der Abgasleitung angeordneten
Temperaturfühler
gemessen. Mit einer geeigneten Anordnung von Sauerstoffsensor und
Temperaturfühler
kann eine durch ein Anspringen des Katalysators bewirkte Abgastemperaturerhöhung festgestellt
und ermittelt werden. Es kann daher ebenfalls festgestellt werden,
ob das Anspringen des Katalysators alterungsbedingt verspätet auftritt
und die Stärke
der Katalysatoralterung im Hinblick auf die Anspringtemperatur bewertet
werden.
-
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird
die zweite Abgastemperatur mit einem zweiten Sauerstoffsensor gemessen.
Hierzu wird der zweite Sauerstoffsensor wie oben beschrieben angesteuert und über die
Messung der Leitfähigkeit
seines sauerstoffsensitiven Bereiches oder seiner Heizleiterstruktur
die zweite Abgastemperatur gemessen. Vorzugsweise wird der zweite
Sauerstoffsensor stromauf des Abgaskatalysators in der Abgasleitung
angeordnet und der andere Sauerstoffsensor im Katalysator oder stromab
des Katalysators in der Abgasleitung angeordnet. Nachdem das Anspringen
des Katalysators festgestellt wurde, werden die Sauerstoffsensoren zur
Messung des Sauerstoffpartialdruckes eingesetzt und es kann mit
ihnen beispielsweise eine λ-Regelung
vorgenommen werden.
-
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird
die zweite Abgastemperatur durch Modellierung ermittelt. Beispielsweise
können
durch Vergleichsmessungen mit ungealtertem Katalysator Erwartungswerte
für eine
Abgastemperatur an der Stelle des Sauerstoffsensors in einem Steuergerät abgelegt
werden. Dabei kann der Betriebspunkt der Brennkraftmaschine mit
berücksichtigt
werden. Durch Vergleich mit der über
den Sauerstoffsensor ermittelten ersten Abgastemperatur kann auf
die Anspringtemperatur bzw. den Alterungszustand des Katalysators
geschlossen werden.
-
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird
aus dem Vergleich von erster Abgastemperatur und zweiter Abgastemperatur
eine Anspringtemperatur des Katalysators ermittelt, und aus der
Messung des Sauerstoffpartialdrucks wird eine Sauerstoffspeicherfähigkeit
des Katalysators ermittelt und aus der Anspringtemperatur und der
Sauerstoffspeicherfähigkeit
wird der Alterungszustand des Katalysators ermittelt. Beispielsweise
kann der durch die Anspringtemperatur charakterisierte Alterungszustand des
Katalysators durch einen ersten Alterungskennwert ausgedrückt werden
und der durch die Sauerstoffspeicherfähigkeit charakterisierte Alterungszustand
des Katalysators kann durch einen zweiten Alterungskennwert ausgedrückt werden.
Die Alterungskennwerte können
dann abgeglichen oder miteinander verglichen werden und somit der
Alterungszustand des Katalysators zuverlässiger und umfassender bewertet
werden.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand
von Zeichnungen und zugehörigen
Beispielen näher
erläutert.
Dabei zeigen:
-
1 ein
schematisch dargestellter Querschnitt eines Sauerstoffsensors,
-
2 ein
schematisches Blockbild einer Anordnung von Sauerstoffsensor und
Abgaskatalysator,
-
3 ein
schematisches Blockbild einer zweiten Anordnung von Sauerstoffsensor
und Abgaskatalysator,
-
4 ein
schematisches Blockbild einer dritten Anordnung von Sauerstoffsensor
und Abgaskatalysator,
-
5 ein
schematisches Blockbild einer vierten Anordnung von Sauerstoffsensor
und Abgaskatalysator,
-
6 ein
schematisches Blockbild einer fünften
Anordnung von Sauerstoffsensor und Abgaskatalysator,
-
7 ein
schematisches Blockbild einer sechsten Anordnung von Sauerstoffsensor
und Abgaskatalysator,
-
8 ein
schematisches Blockbild einer siebten Anordnung von Sauerstoffsensor
und Abgaskatalysator,
-
9 ein
schematisches Blockbild einer achten Anordnung von Sauerstoffsensor
und Abgaskatalysator.
-
In 1 ist
der Aufbau eines elektrochemischen Sauerstoffsensors 1 schematisch
im Querschnitt gezeigt. Der Sauerstoffsensor 1 verfügt über einen
sauerstoffsensitiven Bereich 2, der beispielsweise durch
einen Zirkondioxid (ZrO2) enthaltenden Feststoffelektrolyten mit
Sauerstoffleitfähigkeit
gebildet wird. Der sauerstoffsensitive Bereich 2 weist
einerseits eine Phasengrenze zur Abgasseite, andererseits eine Phasengrenze
zur Luftseite hin auf. An diesen Phasengrenzen ist eine Abgaselektrode 3 bzw.
eine Luftelektrode 4 auf dem Feststoffelektrolyten aufgebracht.
Die Elektroden 3, 4 sind gasdurchlässig, so
dass ein Kontakt des jeweiligen Gases mit dem Feststoffelektrolyten
möglich
ist. Der Sauerstoffsensor 1 verfügt außerdem über eine Heizleiterstruktur 6,
die in einem Isolator 7 eingebettet ist und in thermischem
Kontakt mit dem sauerstoffsensitiven Bereich 2 steht. Die
zum Betrieb des Sensors 1 notwendigen elektrischen Zuleitungen
sowie ein angeschlossenes Steuergerät sind aus Gründen der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt.
-
Zur Messung des Sauerstoffpartialdrucks
im Abgas wird der Sensor 1 durch Stromzufuhr zur Heizleiterstruktur 6 auf
Betriebstemperatur aufgeheizt. An der Abgaselektrode 3 können Oxidations-
oder Reduktionsreaktionen auftreten, die zur Einstellung eines thermodynamischen
Gleichgewichts hinsichtlich des Sauerstoffpartialdrucks führen. Durch
eine edelmetallhaltige Ausführung
der Abgaselektrode 3 kann dieser Vorgang katalytisch unterstützt werden.
Unterschiede des Sauerstoffpartialdrucks an der Abgasseite zum bekannten
Sauerstoffpartialdruck auf der Luftseite äußern sich im Auftreten einer
an den Elektroden 3, 4 abgreifbaren Nernst-Spannung. Der Sauerstoffsensor 1 kann
hierbei im elektrotechnischen Sinn als aktives Bauelement betrachtet
werden. Die Nernst-Spannung wird durch das angeschlossene Steuergerät ermittelt
und ausgewertet, wodurch der Sauerstoffpartialdruck im Abgas gemessen
wird.
-
Diese an sich bekannte Funktion des
elektrochemischen Sauerstoffsensors 1 wird nun erfindungsgemäß durch
die Funktion einer Temperaturmessung ergänzt. Zur Ausführung dieser
Funktion bleibt die Beheizung ausgeschaltet und es wird eine Prüfspannung
an die Elektroden 3, 4 angelegt und die Größe des über den
Feststoffelektrolyten fließenden
Stroms gemessen. Daraus wird die elektrische Leitfähigkeit
des sauerstoffsensitiven Bereichs 2 ermittelt. Der Sauerstoffsensor 1 kann
hierbei im elektrotechnischen Sinn als passives Bauelement betrachtet
werden. Die elektrische Leitfähigkeit
des Feststoffelektrolyten besitzt eine materialspezifische Temperaturabhängigkeit,
welche dem angeschlossenen Steuergerät zur Auswertung zur Verfügung steht. Über den
Wert der elektrischen Leitfähigkeit
kann daher im Steuergerät
auf einfache Weise die Temperatur des Feststoffelektrolyten ermittelt
werden. Der sauerstoffsensitive Bereich 2 des Sauerstoffsensors 1 dient
somit bei dieser Sensorfunktion als temperatursensitiver Bereich.
Da der Sauerstoffsensor in Kontakt mit dem Abgas steht, nimmt der
Feststoffelektrolyt des Sensors 1 annähernd Abgastemperatur an, weshalb
aus der Temperatur des Feststoffelektrolyten auch die Abgastemperatur
ermittelt werden kann. Vorhandene Temperaturverluste an der Phasengrenze
und im temperatursensitiven Bereich 2 können durch eine diesbezügliche Sensorkalibrierung
vorab berücksichtigt
werden. Vorzugsweise liegt im Steuergerät eine Kennlinie vor, die den
Zusammenhang zwischen elektrischer Leitfähigkeit des temperatursensitiven
Bereichs 2 und Abgastemperatur beschreibt und die vom Steuergerät ausgewertet wird.
-
Die Heizleiterstruktur 6 kann
in analoger Weise ebenfalls als temperatursensitiver Bereich dienen
und zur Ermittlung der Abgastemperatur eingesetzt werden. Hierzu
wird an die Anschlüsse
der Heizleiterstruktur 6 ebenfalls eine Prüfspannung
gelegt und der Stromfluss gemessen. Aus der Größe der Prüfspannung und der Größe des Stromflusses wird
die elektrische Leitfähigkeit
der Heizleiterstruktur 6 bestimmt. Die Bestimmung der Abgastemperatur
erfolgt dann analog zur oben beschriebenen Vorgehensweise.
-
Vorteilhaft ist es insbesondere,
die Abgastemperatur sowohl über
die elektrische Leitfähigkeit des
Feststoffelektrolyten als auch über
die elektrische Leitfähigkeit
der Heizleiterstruktur 6 zu ermitteln. Der Feststoffelektrolyt
und die Heizleiterstruktur 6 bilden in diesem Betriebsmodus
des Sauerstoffsensors 1 jeweils einen temperatursensitiven
Bereich. Es werden daher zwei Messwerte für die Abgastemperatur erhalten,
die miteinander verglichen, bzw. abgeglichen werden können. Auf
diese Weise wird die Genauigkeit der Temperaturermittlung des Abgases gesteigert.
Eine weitere Verbesserung der Genauigkeit ist über eine Berücksichtigung
der Lufttemperatur möglich.
Hierzu wird diese beispielsweise durch einen nicht dargestellten
Temperatursensor ermittelt und zur Korrektur bei der Ermittlung
der Abgastemperatur verwendet.
-
Im Folgenden werden verschiedene
Anordnungen eines Abgaskatalysators und eines Sauerstoffsensors
erläutert,
mit denen der Alterungszustand des Abgaskatalysators ermittelt werden
kann.
-
2 zeigt
einen katalytischen Konverter 20, welcher in einer Abgasleitung
einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine, vorzugsweise brennkraftmaschinennah,
angeordnet ist. Im katalytischen Konverter 20 ist ein Abgaskatalysator 21 mit
Sauerstoffspeicherfähigkeit,
wie beispielsweise ein Drei-Wege-Katalysator oder ein Oxidationskatalysator,
vorgesehen. Die Strömungsrichtung
des Abgases ist durch Pfeile gekennzeichnet. Einlassseitig bzw.
auslassseitig des Abgaskatalysators 21 ist jeweils ein
Sauerstoffsensor 22 bzw. 23 in der Abgasleitung
angeordnet. Die Sensoren 22, 23 sind über Steuerleitungen 26 an
ein Steuergerät 25 angeschlossen.
Der Sauerstoffsensor 23 ist dabei wie bei 1 beschrieben ausgeführt und kann sowohl für die Ermittlung
des Sauerstoffpartialdrucks im Abgas, als auch zur Ermittlung der
Abgastemperatur wie beschrieben vom Steuergerät 25 angesteuert und
betrieben werden. Der Sauerstoffsensor 22 kann beliebig
ausgeführt
sein.
-
Zur Ermittlung des Alterungszustand
des Katalysators 21 werden dessen Anspringtemperatur und
dessen Sauerstoffspeicherfähigkeit
wie im Folgenden beschrieben ermittelt.
-
Nach dem Start der Brennkraftmaschine
wird der Sauerstoffsensor 23, wie oben beschrieben, in
einem ersten Modus zur Temperaturmessung betrieben. Die solcherart
stromab des Katalysators ermittelte erste Abgastemperatur wird vom
Steuergerät 25 mit
einer an der Stelle des Sauerstoffsensors 23 zu erwartenden
zweiten Abgastemperatur verglichen. Die zu erwartende zweite Abgastemperatur
ergibt sich in diesem Fall aus einem Rechenmodell oder aus Kennfeldern,
die dem Steuergerät 25 zur
Verfügung
stehen. Dabei wird vorteilhafterweise von einer auf der Basis der
Betriebsparameter der Brennkraftmaschine modellierten Abgastemperatur
eingangsseitig des Katalysators 21 ausgegangen. Im Modell oder
in den Kennfeldern ist weiter berücksichtigt, dass durch ein
Anspringen des ungealterten Katalysators 21 ein zusätzlicher
Wärmeeintrag
in das Abgas zu einem vorherbestimmbaren Zeitpunkt erfolgt. Bleibt
die mittels des Sauerstoffsensors ermittelte erste Abgastemperatur
hinter der modellierten zweiten Abgastemperatur größenmäßig und/oder
zeitlich zurück,
so ist dies auf eine alterungsbedingt erhöhte Anspringtemperatur zurückzuführen. Folglich
kann durch den Vergleich von der mittels des Sauerstoffsensors 23 ermittelten
ersten Abgastemperatur mit der modellierten zweiten Abgastemperatur
der Alterungszustand des Katalysators 21 hinsichtlich seiner Anspringtemperatur
bewertet werden. Bei entsprechend großer Verschlechterung der Anspringtemperatur
kann vom Steuergerät 25 ein
Signal ausgegeben werden, welches auf die verstärkte Katalysatoralterung hinweist.
-
Bei warmgelaufener Brennkraftmaschine oder
nach Erreichen einer vorgebbaren Abgastemperatur werden die Sauerstoffsensoren
zur λ-Regelung
der Brennkraftmaschine eingesetzt. Hierbei dient der Sauerstoffsensor 22 als
Regelsonde, der Sauerstoffsensor 23 als Trimmsonde oder
Diagnosesonde. Mit Hilfe des Sauerstoffsensors 22 wird
eine λ-Regelschwingung
bestimmter Amplitude und Frequenz aufgeprägt, mit welcher die Verbrennungen
in der Brennkraftmaschine stattfinden. Die Vorgehensweise ist dabei
dem Fachmann geläufig
und bedarf hier keiner weiteren Erörterung. Die eingangsseitig des
Katalysators 21 vorhandenen λ-Schwingungen der Abgaszusammensetzung
werden jedoch beim Durchgang durch den Katalysator auf Grund seiner Sauerstoffspeicherfähigkeit
zunehmend geglättet. Ergebnis
ist eine Amplitudenabnahme der λ-Schwingung
längs des
Katalysators. Bei hoher Sauerstoffspeicherfähigkeit ist beispielsweise
ausgangsseitig des Katalysators 21 keine λ-Schwingung
mehr nachweisbar. Der λ-Wert hat sich in
diesem Fall auf den konstanten Mittelwert der vor dem Katalysator 21 vorhandenen λ-Schwingung eingependelt.
Die Amplitude der nachweisbaren λ-Schwingung
nach Durchlaufen des Abgases durch einen Teilabschnitt oder den gesamten
Katalysator 21 ist daher ein Maß für die Sauerstoffspeicherfähigkeit
des Katalysatorteilabschnitts oder des gesamten Katalysators 21.
Im chemischen Gleichgewicht geht der λ-Wert jedoch direkt aus dem
Sauerstoffpartialdruck hervor. Daher kann über die Messung des Sauerstoffpartialdruckes
mit dem Sauerstoffsensor 23 der λ-Wert am Einbauort und damit auch die
Sauerstoffspeicherfähigkeit
des Katalysators 21 ermittelt werden. Zur Präzisierung soll
erwähnt
werden, dass die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators 21 insbesondere
dann ermittelt werden kann, wenn eine nachweisbare Amplitude der λ-Schwingung vorhanden
ist. Ist dies nicht der Fall, so kann im allgemeinen nur festgestellt
werden, dass die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators 21 einen
bestimmten Wert nicht unterschritten hat. In diesem Fall ist davon
auszugehen, dass der Katalysator 21 keine Alterung hinsichtlich
seiner Sauerstoffspeicherfähigkeit
erfahren hat.
-
Wird vom Sauerstoffsensor 23 ausgangsseitig
des Katalysators 21 eine mehr oder weniger großen Amplitude
der λ-Schwingung
festgestellt, so bedeutet dies, dass eine mehr oder weniger starke
Katalysatoralterung eingetreten ist. Auf die geschilderte Weise
kann daher über
die Messung der Sauerstoffspeicherfähigkeit die Katalysatoralterung
ermittelt werden. Dieser Betriebsmodus des Sauerstoffsensors 23 wird
nach erfolgtem Warmlauf der Brennkraftmaschine oder nachdem das
Anspringen des Katalysators 21 festgestellt wurde, eingestellt.
Dazu muss der Sauerstoffsensor 23 durch Bestromung der Heizleiterstruktur 6 auf
Betriebstemperatur beheizt werden. Damit steht er zur Messung des
Sauerstoffpartialdruckes zur Verfügung. Eine Temperaturermittlung über den
Sauerstoffsensor 23 ist nun nicht mehr erwünscht.
-
3 zeigt
eine weitere vorteilhafte Anordnung zur Verwirklichung der Erfindung.
Die Bezeichnung von im wesentlichen wirkungsgleichen Bauteilen entspricht
dabei hier und in den folgenden Figuren der in 2. Im Unterschied zur Anordnung gemäß 2 ist hier zusätzlich ein
Temperaturfühler 24 eingangsseitig
des Katalysators 21 in der Abgasleitung vorgesehen. Der
Temperaturfühler 24 ist
ebenfalls über
eine Steuerleitung 26 an das Steuergerät 25 angeschlossen.
-
Analog zur Vorgehensweise entsprechend der
Anordnung nach 2 wird
durch Vergleich von der mittels des Sauerstoffsensors 23 ermittelten
ersten Abgastemperatur mit der modellierten zweiten Abgastemperatur
der Alterungszustand des Katalysators hinsichtlich seiner Anspringtemperatur
bewertet. Das Anspringen des Katalysators 21 kann auch durch
Differenzbildung aus der mittels des Sauerstoffsensors 23 ermittelten
ersten Abgastemperatur und der mittels des Temperaturfühlers 24 gemessenen
Abgastemperatur direkt beobachtet werden. Tritt eine Temperaturdifferenz
nicht in dem Maße, und/oder
später
ein, als von einem ungealterten Katalysator 21 zu erwarten
ist, so wird eine alterungsbedingt verschlechterte Katalysatorwirkung
konstatiert und entsprechend bewertet. Die Ermittlung einer Alterung
des Katalysators 21 im Hinblick auf seine Sauerstoffspeicherfähigkeit
ist natürlich
wie bei der in 2 dargestellten
Anordnung gleichfalls möglich und
wird nach erfolgtem Warmlauf der Brennkraftmaschine oder nach Erreichen
einer vorgebbaren Abgastemperatur wie beschrieben durchgeführt. Gleiches gilt
für die λ-Regelung
des Brennkraftmaschinenbetriebs. Mit diesem Temperaturfühler 24 kann
die Abgastemperatur vor dem Katalysator 21 genauer als durch
eine Modellierung ermittelt werden. Somit führt die Modellierung der Abgastemperatur
ausgangsseitig des Katalysators zu einem genaueren und zuverlässigeren
Ergebnis.
-
4 zeigt
eine weitere vorteilhafte Anordnung zur Verwirklichung der Erfindung.
Im Unterschied zur 3 ist
der Temperaturfühler 24 bzw. dessen
temperatursensitiver Teil im Katalysator 21 angeordnet.
Die Vorgehensweise zur Ermittlung der Katalysatoralterung entspricht
weitestgehend der Vorgehensweise, welche im Zusammenhang mit der Anordnung
nach 3 erörtert wurde.
Die Anordnung nach 4 gestattet
es darüber
hinaus speziell den stromab des Temperatursensors 24 liegenden Katalysatorteil
zu bewerten. In diesem hinteren Katalysatorteil auftretende exotherme
Reaktionen können mit
dieser Anordnung durch Temperaturdifferenzmessung festgestellt werden.
Werden diese festgestellt, so deutet das auf eine Katalysatoralterung
hin, da bei einem ungealterten Katalysator die Reaktionen hauptsächlich im
vorderen Bereich ablaufen. Allerdings tritt eine Katalysatoralterung
wegen der thermischen Belastung auch früher im vorderen Bereich des
Katalysators 21 auf. Mit der Anordnung der 4 kann daher eine Katalysatoralterung
bezüglich der
Anspringtemperatur zuverlässig
erkannt werden. Die Ermittlung einer Alterung des Katalysators 21 im Hinblick
auf seine Sauerstoffspeicherfähigkeit
und eine λ-Regelung
des Brennkraftmaschinenbetriebs wird wie oben beschrieben gleichfalls
vorgenommen.
-
5 zeigt
eine weitere vorteilhafte Anordnung zur Verwirklichung der Erfindung.
Im Unterschied zu der in 2 dargestellten
Anordnung ist hier der Sauerstoffsensor 23, bzw. dessen
temperatursensitiver Bereich im Katalysator 21 angeordnet. Die
Ermittlung der Katalysatoralterung erfolgt analog wie bei der in 2 dargestellten Anordnung:
Mit der Temperaturermittlung im Katalysator 21 kann jedoch die
Wirksamkeit des vorderen Katalysatorteils stromauf des Sauerstoffsensors 23 genauer
bewertet werden. Da Alterungserscheinungen bevorzugt im vorderen
Bereich des Katalysators 21 auftreten, kann daher eine
Katalysatoralterung bezüglich
der Anspringtemperatur zuverlässig
erkannt werden. Gleiches gilt für
die Ermittlung der Alterung des Katalysators 21 hinsichtlich
seiner Sauerstoffspeicherfähigkeit,
welche wie bereits erläutert
durchgeführt
wird. Da auf Grund der Anordnung des Sauerstoffsensors 23 im
Katalysator 21 nur der stromauf des Sensors 23 liegende
Katalysatorteil erfasst wird, treten hier aufgeprägte λ-Schwingungen
stärker
in Erscheinung und die Ermittlung der Alterung des Katalysators 21 im
Hinblick auf seine Sauerstoffspeicherfähigkeit ist empfindlicher und
genauer.
-
6 zeigt
eine weitere vorteilhafte Anordnung zur Verwirklichung der Erfindung.
Im Unterschied zur 5 ist
hier zusätzlich
ein Temperaturfühler 24 eingangsseitig
des Katalysators 21 in der Abgasleitung angeordnet. Mit
diesem Temperaturfühler 24 kann
die Abgastemperatur vor dem Katalysator 21 genauer als
durch eine Modellierung ermittelt werden. Dies führt zu einem zuverlässigeren
Ergebnis bei der Ermittlung des Alterungszustand des Katalysators 21 entsprechend
der Vorgehensweise bei der in 5 dargestellten
Anordnung. Mit der in 6 gezeigten
Anordnung kann eine durch Reaktionen im vorderen Katalysatorteil
verursachte Erhöhung
der Abgastemperatur durch Differenzmessung direkt ermittelt werden.
Dies gestattet eine zuverlässige
Bewertung des Alterungszustands des Katalysators 21. Die
Ermittlung der Alterung des Katalysators 21 im Hinblick
auf seine Sauerstoffspeicherfähigkeit
erfolgt wie in der in 5 dargestellten
Anordnung.
-
7 zeigt
eine weitere vorteilhafte Anordnung zur Verwirklichung der Erfindung.
Im Unterschied zu der in 6 dargestellten
Anordnung ist hier der Temperaturfühler 24 im Katalysator 21 stromauf
des Sauerstoffsensors 23 angeordnet. Mit dieser Anordnung
kann über
eine Temperaturdifferenzmessung ein Katalysatorteilbereich, vorzugsweise
in der vorderen Hälfte
des Katalysators 21 überwacht
werden. Die Katalysatoralterung hinsichtlich der Anspringtemperatur
des Katalysators 21 bezieht sich dann hauptsächlich auf
diesen Katalysatorteilbereich. Die Ermittlung der Alterung des Katalysators 21 im
Hinblick auf seine Sauerstoffspeicherfähigkeit erfolgt wie in den
in den 5 und 6 dargestellten Anordnungen.
-
8 zeigt
eine weitere vorteilhafte Anordnung zur Verwirklichung der Erfindung.
Im Unterschied zu der in 7 dargestellten
Anordnung ist hier der Temperaturfühler 24 ausgangsseitig
des Katalysators 21 und stromab des Sauerstoffsensors 23 in
der Abgasleitung angeordnet. Es kann einerseits eine Temperaturdifferenzmessung
mit Hilfe des Sauerstoffsensors 23 und des Temperaturfühlers 24 durchgeführt werden.
Dabei wird das stromab des Sauerstoffsensors 23 liegende
Katalysatorteil hinsichtlich seiner katalytischen Aktivität bewertet.
Andererseits kann von einer eingangsseitig des Katalysators 21 vorhandenen
Abgastemperatur ausgegangen werden, welche wie bereits erläutert durch
Modellierung erhalten wird. In diesem Fall wird durch die Temperaturdifferenzermittlung
der gesamte Katalysator 21 integral hinsichtlich seiner
katalytischen Aktivität
und seiner Alterung bewertet. Die Vorgehensweise entspricht prinzipiell
derjenigen bei der in 4 dargestellten
Anordnung. Hinsichtlich der Katalysatoralterung in Bezug auf die
Sauerstoffspeicherfähigkeit
gilt das für
die Anordnung der 7 gesagte.
-
9 zeigt
eine weitere vorteilhafte Anordnung zur Verwirklichung der Erfindung.
Der Temperaturfühler 24 ist
hier ebenfalls stromab des Sauerstoffsensors 23 angeordnet,
ist jedoch im Unterschied zur in 8 dargestellten
Ausführung
im hinteren Bereich des Katalysators 21 angebracht. Die
Vorgehensweise zur Ermittlung der Katalysatoralterung entspricht
weitgehend derjenigen bei der Anordnung der 8. Durch die Anordnung des Temperaturfühlers 24 im
Katalysator wird jedoch nur die Exothermie eines stromauf liegenden
Katalysatorvolumens erfasst. Die Ermittlung der Alterung des Katalysators
im Hinblick auf seine Sauerstoffspeicherfähigkeit erfolgt wie bei den
in den 5 bis 8 dargestellten Anordnungen.
-
Eine weitere Verbesserung bei der
Ermittlung der Katalysatoralterung im Hinblick auf die Anspringtemperatur
wird erreicht, indem ein analog zum Sauerstoffsensor 23 aufgebauter
Sauerstoffsensor 22 eingesetzt wird. Dieser wird dann ebenfalls
zur Temperaturermittlung während
der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine eingesetzt. Zusammen mit einem
zwischen den Sauerstoffsensoren 22, 23 angeordneten
Temperaturfühler 24 stehen
dann drei an verschiedenen Stellen ermittelte Temperaturen zur Verfügung. Die
Stellen können
mit Blick auf eine möglichst
genaue Information geeignet gewählt
werden, wobei aus Gründen
der λ-Regelung
der Sauerstoffsensor 22 stromauf des Katalysators 21 angeordnet
ist. Der Sauerstoffsensor 23 und der Temperaturfühler 24 können sowohl
im Katalysator 21 als auch ausgangsseitig des Katalysators 21 in
der Abgasleitung angeordnet sein. Dies erlaubt eine genaue Ortsauflösung bei
der Ermittlung der Aktivität des
Katalysators 21 und damit eine genaue und zuverlässige Ermittlung
seines Alterungszustandes. Es kann jedoch gegebenenfalls auch auf
den Temperaturfühler 24 verzichtet
werden.
-
Wie dargelegt, kann durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
und das erfindungsgemäße Verfahren
der Alterungszustand eines Katalysators sowohl hinsichtlich seiner
Anspringtemperatur als auch hinsichtlich seiner Sauerstoffspeicherfähigkeit
ermittelt und überwacht
werden. Da zwei verschiedene Eigenschaften des Katalysators erfasst
werden, welche unterschiedlichen Alterungseinflüssen unterliegen, wird dadurch
eine umfassende und zuverlässige Bewertung
der Katalysatoralterung möglich.
Die Alterung hinsichtlich der Anspringtemperatur kann getrennt von
der Sauerstoffspeicherfähigkeit
bewertet werden. Beispielsweise kann für beide Eigenschaften die Aktivierung
eines Warnsignals vorgesehen werden. Vorteilhaft ist die Einführung jeweils
eines Alterungskennwertes, beispielsweise in Relation zu einer maximal
zulässigen
Alterung. Die beiden getrennt ermittelten Kennwerte können jedoch
auch zu einem gemeinsamen Alterungskennwert zusammengeführt werden
und bei Überschreiten
einer festlegbaren Alterung ein Signal ausgegeben werden.