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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Überprüfung des Light-Off-Verhaltens
eines Katalysators in Brennkraftmaschinen.
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Es
ist ein Verfahren bekannt, bei welchem beim Kaltstart ein brennfähiges Luft-/Kraftstoffgemisch
im Abgastrakt erzeugt wird und dessen abgasenthaltener Heizwert
zur schnellen Erwärmung
der schadstoffumsetzenden Katalysatoren auf deren Starttemperatur
bzw. Anspringtemperatur genutzt wird. Dies geschieht dadurch, dass
das brennfähige Luft-/Kraftstoffgemisch
an geeigneter Stelle in unmittelbarer Nähe vom betreffenden Katalysator
erneut gezündet
wird.
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Bei
der Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges
hat die Reduzierung der Schadstoffe im Abgas während dem Kaltstart der Brennkraftmaschine
als aussichtsreichstes Potential zur Schadstoffreduzierung Vorrang.
Somit ist die Abgasnachbehandlung während dem Kaltstart bzw. während der
Warmlaufphase der Brennkraftmaschine die wesentliche Funktion des
Katalysators, da während
dieser Phase ein großer
Teil der Abgaskomponenten an beispielsweise HC, CO, NOX emittiert wird.
Somit ist eine Überprüfung der
Wirksamkeit eines Katalysators während
der Warmlaufphase bzw. das sogenannte Light-Off-Verhalten des Katalysators wünschenswert.
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Im
Stand der Technik finden sich verschiedene Ansätze zur Überprüfung dieser Wirksamkeit. Beispielsweise
wird das Mischungsverhältnis
der Gaskomponenten des in den Katalysator einströmenden Gasgemisches mit dem
Mischungsverhältnis
der Gaskomponenten des aus dem Katalysator ausströmenden Gasgemisches
verglichen und anhand dieses Ergebnisses eine Bewertung der Katalysatorfunktion
vorgenommen. Hierbei wird beispielsweise die Katalysatorfunktion
im Hinblick auf die Korrelation zwischen dem HC-Konvertierungsvermögen und
der Sauerstoffspeicherfähigkeit
des Katalysators ermittelt. Die Sauerstoffspeicherfähigkeit
wird mit Sauerstoffsonden, die vor und nach dem Katalysator angeordnet
sind, gemessen. Auf der Grundlage des Verhältnisses der Schadstoffkonzentration
vor und nach dem Katalysator wird eine sogenannte Umsetzungsrate
bzw. Umwandlungsrate bestimmt. Bei einer Umwandlungsrate von annähernd 100
Prozent ist der Katalysator voll funktionstüchtig, während bei einer Umsetzungsrate
unter einem bestimmten Prozentsatz der Katalysator als nicht mehr
funktionstüchtig gilt.
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Die Überwachung
der Funktion des Katalysators ist notwendig, da Schäden am Katalysator
die Abgasemissionen stark erhöhen
können.
Man ist aus diesem Grunde bestrebt, die Überwachung des Katalysators
zu verbessern und damit den strengen Abgasnormen und der zunehmenden
geforderten On-Board-Diagnose (OBD) gerecht zu werden.
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Die
Offenlegungsschrift
DE
199 10 336 A1 beschreibt ein Verfahren zur Überprüfung der
Katalysatorfunktion in einer Brennkraftmaschine, bei welchem anhand
erfasster Betriebsparameter der Brennkraftmaschine gleichartige
Betriebszustände ermittelt
werden. Dabei wird aus einer definierten Anzahl gemessener Abgaswerte
während
eines gleichartigen Betriebszustandes der Brennkraftmaschine ein
statistisch abgesicherter Abgasmittelwert berechnet und mit einem
für diesen
Betriebszustand gespeicherten zulässigen Abgaswert verglichen.
Bei einer Abweichung des aktuell ermittelten Abgaswertes von dem
zulässigen
Abgaswert wird ein defekter Katalysator erkannt.
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Dieser
Ansatz weist den Nachteil auf, dass Sensoren zur Messung der Abgaskonzentrationen eingesetzt
werden müssen.
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Dieses
Verfahren weist ferner den Nachteil auf, dass es den betriebswarmen
Zustand des Katalysators überprüft. Eine
Aussage über
sein Light-Off-Verhalten wird nicht gemacht.
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Daher
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren zur Überprüfung eines
Katalysators in Brennkraftmaschinen zu liefern, welche die oben genannten
Nachteile beseitigen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist die Vorteile auf, dass lediglich
durch Messung des Temperaturverlaufs des zu überprüfenden Katalysators auf einfache Weise
bestimmt werden kann, inwiefern der Katalysator seine Funktionsfähigkeit
gegenüber
eines idealen bzw. neuen Katalysators aufgrund seines Alterungsprozesses
eingebüßt hat.
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Diese
Vorteile werden dadurch erreicht, dass die Temperatur eines neuen
Katalysators während der
Warmlaufphase gemessen wird; die gemessenen Temperaturwerte in einer
Speichereinrichtung abgespeichert werden; die Temperatur des zu überprüfenden,
gealterten Katalysators während
der Warmlaufphase gemessen werden; und die abgespeicherten Temperaturwerte
des neuen Katalysators mit den gemessenen Temperaturwerten des zu überprüfenden Katalysators
mittels einer Steuereinheit verglichen werden.
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Ferner
weist das erfindungsgemäße Verfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 die Vorteile auf, dass zur Überprüfung des
Light-Off-Verhaltens eines realen Katalysators in Brennkraftmaschinen eine
relativ kurze Leerlaufphase nach Kaltstart der Brennkraftmaschine
ausreicht und dass nur ein Temperatursensor im Katalysator notwendig
ist.
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Eine
weitere der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht
gemäß Anspruch
6 darin, dass eine Konzentrationsmessung mit einem im Abgastrakt
vor und/oder nach dem zu überprüfenden Katalysator
angeordneten Sensor zum Ermitteln der Umwandlungsraten bei der Umwandlung
von beispielsweise HC, CO, NOx in der Warmlaufphase des Katalysators
durchgeführt
wird; und dass eine Diagnosegröße zur Überprüfung des
Funktionsverhaltens des zu überprüfenden Katalysators
in der Warmlaufphase durch Vergleichen der ermittelten Umwandlungsraten
des zu überprüfenden Katalysators
mit Umwandlungsraten eines idealen Katalysators (100 %) ermittelt
wird.
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Diese
Diagnosegröße kennzeichnet
das Light-Off-Verhalten des Katalysators und damit den Katalysatorzustand.
Bei Überschreitung
eines bestimmten Wertes der Diagnosegröße ist der Katalysator defekt.
Der defekte Zustand wird z.B. durch Aktivieren eines Signals dem
Fahrer mitgeteilt.
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Ein
weiterer Teil der Erfindung besteht darin, dass ein Zusammenhang
zwischen der Diagnosegröße aus der
Warmlaufphase des Katalysators und der Diagnosegröße, die
entsprechend der Erfindung "Offenlegungsschrift
DE 199 10 336 A1 " für den betriebswarmen
Katalysator bestimmt wurde, nachgewiesen wurde. Dieser Zusammenhang
beweist: Wird die Diagnosegröße bei einem
betriebswarmen Katalysator gemäß der Offenlegungsschrift
DE 199 10 336 A1 bestimmt,
ist indirekt die Prüfung
des Warmlaufverhaltens (Light-Off-Verhalten) des Katalysators enthalten.
Eine gesonderte Prüfung
des Light-Off-Verhaltens ist überflüssig und
kann entfallen.
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Somit
wird durch Ermitteln eines Wertes einer mit dieser Diagnosegröße korrelierenden
Diagnosegröße im betriebswarmen
Zustand der Alterungszustand des zu überprüfenden Katalysators während der
Warmlaufphase bestimmt.
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In
den Unteransprüchen
finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der
Erfindung.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Von den Figuren zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
gemäß Anspruch
1 gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
graphische Darstellung der Temperaturen von verschieden gealterten
Katalysatoren über
einen bestimmten Zeitraum;
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3 eine
graphische Darstellung von Temperaturvergleichen der gemessenen
Katalysatoren über
der Zeit;
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4 eine
graphische Darstellung von Messkurven der Emissionsraten verschieden
gealteter Katalysatoren als Funktion der Veränderung der Temperaturdifferenz
zwischen den verschieden gealterten Katalysatoren;
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5 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
gemäß Anspruch
6 gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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6 ein
Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens
gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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7 eine
graphische Darstellung von gemessenen Umwandlungsraten über der
Zeit von verschieden gealterten Katalysatoren;
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8 eine
schematische Darstellung von Messkurven der Emissionsraten verschieden
gealterter Katalysatoren, wobei die Messungen im betriebswarmen
Zustand durchgeführt
wurden;
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9 eine
schematische Darstellung von Messkurven der Emissionsraten verschieden
gealterter Katalysatoren, wobei die Messungen in der Warmlaufphase
durchgeführt
wurden; und
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10 eine
schematische Darstellung der Abhängigkeiten
der Zustände
der jeweiligen Katalysatoren im betriebswarmen Zustand und der Zustände im Light-Off-Zustand.
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche
Komponenten.
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1 illustriert
ein schematisches Blockschaltbild zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens
gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung.
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Ein
Motorblock 1 einer Brennkraftmaschine schließt sich
an einen Abtasttrakt 9 des Kraftfahrzeuges an. In dem Abgastrakt 9 ist
ein zu überprüfender Katalysator 4 angeordnet,
in welchem wiederum eine Sensoreinrichtung 5' bzw. ein Temperatursensor 5' zum Messen
der Temperatur vorgesehen ist. Der Temperatursensor 5' ist vorzugsweise
in einem derartigen Bereich des zu überprüfenden Katalysators 4 angebracht,
dass eine genaue Messung der Betriebstemperatur des Katalysators
möglich
ist, beispielsweise im hinteren Bereich des zu überprüfenden Katalysators 4 vor
und/oder hinter dem ausgangsseitigen Ende.
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Die
Sensoreinrichtung 5' ist
vorzugsweise mit einem Steuergerät 3 über eine
Verbindung 6 verbunden, wobei das Steuergerät 3 wiederum
mit einer Speichereinrichtung 7 für eine Abspeicherung von beispielsweise
gemessenen Referenzdaten verbunden ist.
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Das
Steuergerät 3 ist
vorzugsweise ferner mit einer Anzeigeeinrichtung 8 verbunden,
welche einen mangelhaften Katalysator 4 im Anschluss an eine
Auswertung und Überprüfung desselben
dem Benutzer anzeigt. Eine derartige Anzeige kann akustischer, visueller
oder anderer Art sein.
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Anhand
der 2 bis 4 wird im folgenden ein Verfahren
gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung zur Überprüfung des Light-Off-Verhaltens
eines Katalysators erläutert,
wobei in den Figuren "neu" einen frischen Katalysator, "mittel" einen mittel gealterten
Katalysator und "alt" einen stark gealterten
Katalysator bezeichnen.
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Somit
können
anhand der Temperaturverläufe
der Katalysatoren Aussagen über
die Alterungszustände
der jeweiligen Katalysatoren getroffen werden, da in gealterten
Katalysatoren die Temperatur infolge verminderter exothermer Reaktion
langsamer ansteigt als in einem neuen Katalysator, d.h. aufgrund
einer verminderten Aktivität
eines gealterten Katalysators kommt es zu verminderten exothermen Reaktionen,
wodurch im Katalysator im ausgangsseitigen Bereich zu einer bestimmten
Zeit in einem bestimmten Betriebszustand eine geringere Temperatur herrscht
als in einem neuen Katalysator.
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Vorzugsweise
werden in der Speichereinrichtung 7 gemessene Referenzwerte
für Temperaturverläufe eines
neuen Katalysators in verschiedenen Betriebszuständen abgespeichert, beispielsweise
Temperaturwerte in einem bestimmten Zeitraum Δt während der Warmlaufphase.
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Zur
Beurteilung der Funktionsfähigkeit
eines bestimmten Katalysators wird die Temperatur des zu überprüfenden Katalysators 4 ebenfalls über einen bestimmten
Zeitraum Δt
während
der Warmlaufphase mittels beispielsweise eines Temperatursensors 5' gemessen und
diese Messwerte an das Steuergerät 3 übermittelt.
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Somit
erhält
man beispielsweise Messkurven gemäß 2, in denen
Temperaturmesswerte von jeweils drei verschieden gealterten Katalysatoren
an zwei unterschiedlichen Positionen im Katalysator aufgenommen
wurden. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist die Temperatur
eines Katalysators zu einem bestimmten Zeitpunkt an einer bestimmten
Stelle im Katalysator um so höher,
desto wenig gealtert der jeweilige Katalysator ist.
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In 3 sind
Messkurven für
die Temperaturdifferenzen verschieden gealteter Katalysatoren über der
Zeit aufgetragen. Hier ist ebenfalls ersichtlich, dass die Temperaturdifferenz
zu einem bestimmten Zeitpunkt, beispielsweise zehn Sekunden nach dem
Kaltstart, zwischen zwei gemessenen Katalysatoren um so größer ist,
desto weiter die jeweiligen Alterungszustände auseinander liegen. In 3 sind für jeweils
zwei unterschiedliche Betriebszustände 1 und 2 die
Temperaturdifferenzen eines neuen Katalysators und eines mittel
gealterten, und eines neuen Katalysators und eines stark gealterten
Katalysators über
der Zeit aufgetragen.
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Für einen
weiteren Vergleich der einzelnen Katalysatorzustände bzw. Katalysatoralterungszustände kann
die Abgasemission, beispielsweise die HC-Emission verschiedener
Katalysatoren über
der Veränderung
der Temperaturdifferenz zwischen einem neuen Katalysator und einem
gealterten Katalysator, beispielsweise während der ersten zehn Sekunden
nach dem Kaltstart oder während
eines längeren
Zeitraums, ausgewertet werden, wie in 4 dargestellt
ist. Dabei ist ersichtlich, dass bei einer zunehmenden Alterung
eines Katalysators die HC-Emission zunimmt und somit die eigentliche Funktion
des Katalysators, nämlich
die Abgasemission zu verringern, abnimmt.
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Somit
kann durch Messung und Speicherung der Messwerte das Steuergerät 3 einen
Vergleich und eine Bewertung des Katalysatorzustandes des gemessenen
Katalysators zu einem bestimmten Zeitpunkt in einem bestimmten Betriebszustand
durchführen
und beispielsweise bei Überschreiten
eines bestimmten Wertes einen mangelhaften Katalysator mittels der
Anzeigeeinrichtung 8 dem Benutzer anzeigen.
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5 illustriert
ein schematisches Blockschaltbild zur Durchführung eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens
gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Ein Motorblock 1 einer Brennkraftmaschine
ist über
eine direkte Verbindung 2 mit einem Steuergerät 3 verbunden.
Das Steuergerät 3 erfasst
die Funktionen des Motors entsprechend verschiedener Betriebsparameter
wie beispielsweise Temperatur, Geschwindigkeit, Drehzahl, Druck,
etc., welche mittels nicht dargestellter Sensoren am Motor erfasst werden.
Diese Betriebsparameter werden dem Steuergerät über die direkte Verbindung 2 zugeführt. Über entsprechende
Befehle an Stellgrößen kann
somit der Betrieb des Motorblocks 1 gesteuert werden.
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An
dem Motorblock 1 schließt sich ferner der Abgastrakt 9 an,
in welchem der zu überprüfende Katalysator 4 angeordnet
ist. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
in 5 sind Sensoreinrichtungen 5 und 5'', beispielsweise HC- oder NOx-Sensoren 5 und 5'', vor und nach dem Katalysator 4 vorgesehen,
deren gemessene Signale jeweils an das Steuergerät 3 über die
zugeordnete Verbindung 6 bzw. 6'' übermittelt
werden. Ferner ist das Steuergerät 3 mit
einer Speichereinrichtung 7 verbunden, wobei in der Speichereinrichtung 7 bestimmte
Umrechnungstabellen und Referenzdaten abgespeichert und zur Verfügung gestellt
werden.
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Das
Steuergerät 3 ist
vorzugsweise mit einer Anzeigeeinrichtung 8 verbunden,
welche einen mangelhaften Katalysator 4 im Anschluss an
eine Überprüfung desselben
dem Benutzer anzeigt. Eine derartige Anzeige kann wiederum akustischer,
visueller oder anderer Art sein.
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In 6 ist
ein Blockschaltbild eines Verfahrensablaufs gemäß den bevorzugten Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt, wobei zu dessen
Erläuterung
die 7 bis 10 herangezogen werden.
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Bei
der Auswertung und Überprüfung der Funktionstüchtigkeit
eines Katalysators werden in der Regel HC-, CO- und NOx-Reaktionen
im Katalysator, oder Reaktionen anderer Abgaskomponenten ausgewertet,
wobei als Messgröße für diese
Effekte die Abgaskonzentration und deren Verlauf erfasst wird.
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In
einem ersten Verfahrensschritt 10 werden Referenzwerte
in der Speichereinrichtung 7 abgespeichert. Solche Referenzwerte
sind beispielsweise Basisverläufe
der Temperatur eines auf einen bestimmten Zustand hin gealterten
Katalysators, der als Grenzkatalysator bezeichnet wird. Anhand des
Temperaturverlaufs des zu überprüfenden Katalysators 4 können Aussagen über die
Alterung der jeweiligen Katalysatoren getroffen werden, da in gealterten
Katalysatoren die Temperatur in Folge verminderter exothermer Reaktionen
langsamer ansteigt als in einem neuen Katalysator.
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Für das weitere
erfindungsgemäße Verfahren
können
im Verfahrensschritt 10 als Referenzwerte die Differenzen
der Integrale der Umwandlungsraten von Abgaskomponenten, z.B. HC,
von einem idealen Katalysator und einem auf einen bestimmten Zustand
hin gealterten Katalysator, der als Grenzkatalysator bezeichnet
wird, gespeichert werden. Die Integralbildung über einen gewählten Zeitraum
verdeutlicht 7. Je stärker der Katalysator gealtert
ist, desto größer wird
die Differenz der Integrale der Umwandlungsraten.
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In
den 7 bis 9 bezeichnet wiederum "neu" einen frischen Katalysator, "mittel" einen mittel gealterten
Katalysator und "alt" einen stark gealterten Katalysator.
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Als
nächstes
werden im Schritt 11 Betriebsparameter der Brennkraftmaschine,
wie beispielsweise Drehzahl, Druck, Temperatur, Last, Geschwindigkeit
und dergleichen erfasst.
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Daran
anschließend
wird im Arbeitsschritt 12 der Betriebszustand der Brennkraftmaschine,
z.B. Kaltstart plus Warmlauf, anhand der vorher gemessenen Betriebsparameter
bestimmt.
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Im
Schritt 13 werden nachfolgend für das erste erfindungsgemäße Verfahren
gemäß Anspruch 1
der Temperaturverlauf mittels der Sensoreinrichtung 5' im oder nach
dem Katalysator 4 gemessen, für das zweite erfindungsgemäße Verfahren
gemäß Anspruch
6 werden die Abgaskonzentrationen mittels der Sensoreinrichtungen 5 und 5'' vor und nach dem Katalysator 4 gemessen.
Eine derartige Messung ist, wie vorher bereits erwähnt, beispielhaft
in 2 für
die Temperaturverläufe
von drei unterschiedlich gealterten Katalysatoren dargestellt.
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Daran
anschließend
werden im Schritt 14 für das
erste erfindungsgemäße Verfahren
die Temperaturdifferenzen und für
das zweite erfindungsgemäße Verfahren
zunächst
die Umwandlungsraten des zu überprüfenden Katalysators
berechnet.
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Im
Schritt 15 werden die Diagnosegrößen bestimmt. Für das erste
erfindungsgemäße Verfahren
ist dies die Temperaturdifferenz nach z.B. 10 s, für das zweite
erfindungsgemäße Verfahren
ist dies die Differenz der Integrale der Umwandlungsrate über einen
gewählten
Zeitraum, siehe 7, des idealen Katalysators
und des zu überprüfenden Katalysators 4.
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Im
Schritt 16 werden die gemessenen Diagnosegrößen des
zu überprüfenden Katalysators
mit den Referenzwerten verglichen. Bei Überschreitung des Referenzwerts
ist der Katalysator mangelhaft (Schritt 17). Bei Unterschreitung
ist der Katalysator in Ordnung (Schritt 18).
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Für das erste
erfindungsgemäße Verfahren zeigt 4 den
Zusammenhang zwischen Katalysatorzustand und Diagnosegröße, denjenigen
für das zweite
erfindungsgemäße Verfahren
zeigt 9.
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Im
Folgenden wird nachgewiesen, dass auch bei einer Überprüfung des
betriebswarmen Katalysators auf ein Light-Off-Verhalten geschlossen werden
kann, siehe dazu 8 bis 10.
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In
der Offenlegungsschrift
DE
199 10 336 A1 wird die Diagnosegröße des zu überprüfenden Katalysators im betriebswarmen
Zustand bestimmt. Der Zusammenhang zwischen der nach diesem Verfahren
bestimmten Diagnosegröße und der
Abgasemission ist in
8 dargestellt.
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Im
Bild 10 werden die Diagnosegrößen aus Bild
8, die bei betriebswarmen Katalysatoren bestimmt wurden, mit denen
aus Bild 9, die in der Warmlaufphase der Katalysatoren bestimmt
wurden, verglichen. Zwischen beiden Arten der Diagnosegrößen ergibt
sich ein in diesem Fall linearer Zusammenhang.
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Die
vorliegende Erfindung schafft somit ein Verfahren, mit welchem das
Light-Off-Verhalten
eines zu überprüfenden Katalysators
in Brennkraftmaschinen bestimmt werden kann, obwohl Messungen im
betriebswarmen Zustand zu beliebigen Betriebszuständen und
Beschleunigungszuständen
der Brennkraftmaschine vorgenommen werden. Dies ermöglicht eine
Messung bei realen Fahrten eines Kraftfahrzeuges, da die Messungen
nicht auf Messungen an Prüfständen während eines
gleichartigen Betriebszustandes der Brennkraftmaschine beschränkt sind.
Somit setzt das erfindungsgemäße Verfahren
nicht voraus, dass für
die Beurteilungsphase ein genau definierter Betriebszustand der
Brennkraftmaschine bzw. des Kraftfahrzeuges eingehalten wird. Das
erfindungsgemäße Verfahren
spart für
seine Beurteilung die Warmlaufphase des katalytischen Systems aus
und kann vorteilhaft unabhängig
vom Fahrzyklus angewendet werden.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Beispiels vorstehend
beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Anderweitige Modifikationen
innerhalb des vorstehenden Erfindungsgedankens sind selbstverständlich enthalten.