DE10358495A1 - Verfahren zur Erkennung des Zustands eines Katalysators, insbesondere eines NOx-Speicherkatalysators - Google Patents

Verfahren zur Erkennung des Zustands eines Katalysators, insbesondere eines NOx-Speicherkatalysators Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erkennung des Zustands eines Katalysators, insbesondere eines NOx-Speicherkatalysators, vorgeschlagen, welcher im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zyklisch mit Gas beladen und regeneriert wird. Hierzu wird bei einer im Innenraum des als Hohlraumresonator ausgebildeten Gehäuses (11) des Speicherkatalysators (10) erzeugten Mikrowelle die Verschiebung der Resonanzfrequenz und/oder -güte bestimmt und ausgewertet, wobei beispielsweise das Absinken der Resonanzfrequenz als Maß für die zunehmende NOx-Beladung des Speichermaterials (12) im Gehäuse (11) des Katalysators (10) genommen wird und wobei bei Erreichen eiens vorgebbaren Werts der Resonanzfrequenz die Regeneration durchgeführt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung des Zustands eines Katalysators, insbesondere eines NOx-Speicherkatalysators, welcher im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zyklisch mit Gas beladen und regeneriert wird.
  • Beim mit Luftüberschuss betriebenen Verbrennungsmotor, beispielsweise einem sogenannten "Magermotor" oder Dieselmotor, entstehen prinzipbedingt viele Stickoxide. Es wird daher in bekannter Weise im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs ein Katalysator eingebracht, der eine gewisse Zeit lang Stickoxide speichern kann. Parallel dazu kann im Katalysator auch noch Sauerstoff gespeichert werden. Jeweils nach einer Speicherphase, in der der Katalysator mit der zu speichernden Abgaskomponente gefüllt bzw. angereichert wird, folgt eine Desorptionsphase, in der der Katalysator geleert wird. Die NOx-Speicherung erfolgt in Form von Nitraten und möglicherweise auch durch absorbierte Stickoxide. Nach der Desorption liegt das Speichermedium als Karbonat vor. Bei den zur Zeit gängigen Konzepten zur Erkennung des Katalysatorfüllgrades bzw. Katalysatorzustands und der daran anschließenden Regelung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses (Luftzahl λ) werden Gassensoren verwendet, die das zu speichernde NOx-Gas hinter dem Katalysator messen. Ein Durchschlag des Gases hinter dem Katalysa- tor zeigt dann an, dass der Katalysator mit dem zu speichernden Gas gefüllt ist und dass eine Desorptionsphase eingeleitet werden muss. Derartige Systeme sind beispielsweise aus der EP 0 257 842 , der US 5 466 350 oder der DE 43 08 767 A1 bekannt. Diese NOx-Sensoren detektieren jedoch nicht den Katalysatorfüllgrad als solchen, sondern den NOx-Gehalt des Ab gases. Der Nachteil dieses bekannten Verfahrens besteht darin, dass die Desorptionsphase erst dann gestartet werden kann, wenn schon ein Durchbruch des Katalysators erfolgt ist. Zudem sind solche Sensoren sehr teuer.
  • Es ist bereits auch beispielsweise aus der DE 100 64 499 A1 bekannt, den Zustand des Katalysators direkt zu detektieren, wobei das Speichermaterial das sensitive Element des Sensors bildet. Hierzu werden zwei voneinander unabhängige elektrische Bestimmungsgrößen der elektrischen komplexen Impedanz des NOx-Speicherkatalysators detektiert, wobei eine der beiden elektrischen Größen ein Maß für den Beladungsgrad des NOx-Speicher-katalysators ist, wobei aus der zweiten elektrischen Größe der Zeitpunkt für das Ende des Regenerationsvorgangs des NOx-Katalysators erkannt werden kann. Auf diese weise kann sowohl der Beginn, wie auch das Ende der Regenerationsvorgänge automatisch eingeleitet werden.
  • Eine ähnliche Lösung wird in der DE 199 16 677 vorgeschlagen, gemäß der die elektrische Kapazität des Katalysatorwerkstoffes im Katalysator gemessen wird. Zwar muss hier keine Kontaktierung direkt am Katalysatorwerkstoff durchgeführt werden, dafür muss jedoch eine Kondensatoranordnung in den Abgaskatalysator integriert werden. Dabei werden stabförmige Elektroden inklusive elektrischer Zuführungen in den Katalysatormonolithen eingebracht. Auf Grund des Prinzip bedingt großen Abstandes zwischen den beiden Kondensatorelektroden wird die zu messende Kapazität sehr klein, was einen hohen elektrischen Aufwand zur Messwerterfassung erfordert. Bei beiden Verfahren müssen Zuleitungen und Elektroden direkt in den Katalysator eingebracht werden, was sich als durchaus problematisch erweist.
    •
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung zu schaffen, das keinen externen Sensor benötigt und bei dem eine elektrische Messung des Katalysatorzustandes bei wesentlich einfacherer Aufbau- und Verbindungstechnik möglich ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Auswertung von Wechselwirkungen des Katalysatormaterials mit elektromagnetischen Wellen, die sich während des Betriebs ändernde physikochemische Zusammensetzung des Katalysatormaterials ändert auch dessen elektrische Eigenschaften. Die Katalysatorbeschichtung ändert sich nämlich auf Grund einer chemischen Wechselwirkung des zu speichernden Gases, insbesondere Sauerstoff und Stickoxyde, mit der Beschichtung. Diese sich ändernden elektrischen Eigenschaften des Katalysatormaterials wirken sich auf die zur Messung verwendeten Mikrowellen aus. Der gesamte Katalysator bzw. dessen Gehäuse wird als Hohlraumresonator ausgenutzt, und die Messung der Änderung des Katalysatorwerkstoffes kann kontaktlos über die Wechselwirkung mit den Mikrowellen erfolgen. Sowohl die Fehleranfälligkeit, als auch die Kosten einer solchen Sensorik werden dadurch drastisch reduziert. Es genügt zum ein- bzw. auskoppeln des Mikrowellensignals wenigstens eine Feldsonde, beispielsweise ein elektrischer λ/4-Monopol (Stabantenne) oder magnetischer Dipol (Schleifenantenne), die an geeigneten Positionen im Katalysatorgehäuse angebracht wird.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Absinken der Resonanzfrequenz als Maß für die zunehmende NOx-Beladung des Speichermaterials im Gehäuse des Katalysators ausgewertet. Entsprechend kann auch die Verschiebung der Resonatorgüte als Maß für die O2-Beladung des Speichermaterials im Gehäuse des Katalysators ausgewertet werden.
  • In vorteilhafter Weise wird bei Erreichen eines vorgebbaren Werts der Resonanzfrequenz und/oder -güte die Regenerierung des Speichermaterials durchgeführt, was jeweils automatisch erfolgen kann.
  • Die Erfassung der Resonanzfrequenz und/oder -güte als Maß für die NOx- oder O2-Beladung des Speichermaterials erfolgt bevorzugt über eine Transmissions- oder Reflexionsmessung der Mikrowelle. Im ersten Falle werden zwei Messelektroden bzw. Feldsonden benötigt und im zweiten Fall nur eine.
  • Die Regeneration des Speichermaterials erfolgt im fetten Betriebszustand des Verbrennungsmotors, und zwar bis zu einem vorgebbaren Absenkungswert der mittels einer Transmissions- oder Reflexionsmessung erfassten Amplitude der Mikrowelle und der daraus berechenbaren Resonatorgüte und/oder bis zum Erreichen eines vorgebbaren höheren Wertes der Resonanzfrequenz. Dadurch werden die Regenerationsphasen jeweils automatisch nach einer optimalen Zeitspanne abgeschlossen.
  • Zur Erfassung der Resonatorgüte wird zweckmäßigerweise die Amplitude des Transmissions- oder Reflexionsfaktors der Mikrowelle gemessen. Zur Optimierung des Verfahrens wird bei der Anregung der Mikrowelle die Frequenz so hoch gewählt, dass sich mindestens der erste Grundmodus eines resonanten Feldes im Gehäuse ausbilden kann, aber auch gleichzeitig so niedrig, dass an das Gehäuse angeschlossene Rohrleitungen zur Zuführung und Abführung des Abgases eine Abstrahlung des Feldes nach außen verhindern.
  • Bei der Transmissionsmessung wird die Mikrowelle mit einer ersten Feldsonde eingekoppelt und in einer zweiten Feldsonde erfasst, wobei die Feldsonden im Gehäuse angeordnet sind, vorzugsweise so, dass sich das Speichermaterial dazwischen befindet.
  • Bei der Reflexionsmessung wird die Mikrowelle mit einer Feldsonde eingekoppelt und wieder in dieser Feldsonde im Gehäuse erfasst, so dass man nur eine Feldsonde benötigt. Dies vereinfacht die elektrische Installation.
  • In vorteilhafter Weise kann eine Ansteuer- und Auswerteeinrichtung im oder am Gehäuse mit wenigstens einer der als Feldsonde ausgebildeten Antennen integriert werden, wodurch aufwändige Hochfrequenzzuleitungen entfallen können. Weiterhin ermöglicht dies mit entsprechenden Mitteln die direkte Erfassung der Katalysatortemperatur als Mess- und Kalibrierungsgröße.
  • Durch Messung mehrerer Resonanzmoden bei mehreren Frequenzen können die Abhängigkeiten verschiedener physikalischer und/oder chemischer Einflüsse auf die Messgröße kompensiert bzw. getrennt werden. Dies betrifft beispielsweise die Temperatur, den Beladungszustand, die Vergiftung und dgl..
  • Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, zumindest die stirnseitigen Stege des als Wabenkörper ausgebildeten Speichermaterials mit einer Metall- oder Metallisierungsschicht zu versehen, so dass die Resonatorlänge ausschließlich durch den Wabenkörper festgelegt ist. Eine solche Ausführung besitzt eine höhere Empfindlichkeit durch höheren Volumenanteil des Speicher- bzw. Katalysatormaterials im Resonator und eine sehr einfache gehäuseunabhängige Resonatorgeometrie. Zusätzlich wird die Ausbreitung von Mikrowellenleistung nach außen reduziert.
    •
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines NOx-Speicherkatalysators mit angeschlossener Messeinrichtung,
  • 2 ein Signaldiagramm zur Darstellung der Abhängigkeit des Transmissionsfaktors von der Mikrowellenfrequenz beim Wechsel vom fetten Betriebszustand in den mage ren Betriebszustand ohne NOx in der Gasphase (keine Beladung des Speichermaterials mit NOx) und
  • 3 ein Signaldiagramm zur Darstellung der Abhängigkeit des Transmissionsfaktors von der Mikrowellenfrequenz beim Wechsel vom fetten Betriebszustand in den mageren Betriebszustand in Anwesenheit von NOx (Beladung des Speichermaterials mit NOx).
  • Der in 1 dargestellte Abgaskatalysator 10 ist zum Einbau in die Abgasanlage bzw. dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors vorgesehen und ist als NOx-Speicherkatalysator ausgebildet. Er besteht aus einem elektrisch leitfähigen metallischen Gehäuse 11, in dem ein mit einer katalytisch aktiven Beschichtung beschichteter keramischer Wabenkörper 12 angeordnet ist. Das zu reinigende Abgas wird über ein Zuleitungsrohr 13 zugeführt, strömt durch den Wabenkörper 12 und verlässt den Abgaskatalysator 10 wieder als gereinigtes Gas über ein Auslassrohr 14. Auf Grund der elektrischen Leitfähigkeit des metallischen Gehäuses 11 stellt dieses in einem gewissen Wellenlängenbereich einen elektrischen Hohlraumresonator dar, dessen Eigenschaften unter anderem vom sich darin befindlichen Material abhängen, insbesondere von dessen komplexer Dielektrizitätszahl ε im Hochfrequenzbereich (Mikrowellen-Frequenzbereich).
  • Zur Ein- bzw. Auskopplung eines zur Messung verwendeten Mikrowellensignals dienen zwei Feldsonden 15, 16, die beispielsweise als elektrische λ/4-Monopole oder magnetische Dipole ausgebildet sind. Die Orte der Ein- und Auskopplung des Mikrowellensignals sind nach dem Prinzip der Reziprozität vertauschbar. Gemäß 1 wird an der Feldsonde 15 im einlassseitigen Bereich vor dem Wabenkörper das Mikrowellensignal in das Gehäuse 11 eingekoppelt, d.h. der durch das Gehäuse 11 gebildete Hohlraumresonator wird angeregt, und an der Feldsonde 16 im auslassseitigen Bereich wird ein Teil der eingekoppelten Leistung wieder ausgekoppelt, so dass eine Transmissionsmessung durch den Wabenkörper ermöglicht wird. Die beiden Feldsonden 15, 16 dienen dabei als Sende- bzw. Empfangsantennen für die Mikrowellensignale.
  • Die beiden Feldsonden 15, 16 sind mit einer Messeinrichtung 17 verbunden, wobei auch eine integrierte Ausbildung möglich und zweckmäßig ist. Der Mikrowellengenerator 18 der Messeinrichtung 17 ist ausgangsseitig mit der Feldsonde 15 verbunden und das in der Feldsonde 16 empfangene Mikrowellensignal wird einer Auswerteeinrichtung 19 zugeführt. Bei der Anregung der Mikrowellen im Mikrowellengenerator 18 wird die Wellenlänge so hoch gewählt, dass sich mindestens der erste Grundmodus eines resonanten Feldes ausbilden kann, aber auch so niedrig, dass die angeschlossenen Rohre 13, 14 eine Abstrahlung des Feldes nach außen verhindern (Rundhohlleiter im Cut-off-Betrieb). Die Frequenz kann variabel zur Anregung von geeigneten Resonanzmoden (z.B.H11p-Mode)und zur Messung der Transmission vorgegeben werden. Die Transmission in Abhängigkeit der Frequenz ist eine Möglichkeit, Resonanzfrequenz und Güte zu bestimmen. Im Resonanzfall ist die Transmission minimal, dort erfolgt vorteilhafterweise auch die Gütebestimmumg. Große Betragswerte der Transmission korrelieren mit hoher Güte.
  • Da sich die elektrischen Eigenschaften des mit Speichermaterial beschichteten Wabenkörpers 12 mit dem Katalysatorzustand, also dessen Beladung mit NOx und O2 oder mit der Vergiftung bzw. Alterung ändern, können Rückschlüsse auf den Zustand des Katalysatormaterials getroffen werden. Bei einem Vollkatalysator, z.B. einem SCR-Katalysator, wird das komplette Volumen von den Mikrowellen erfasst. Bei einem beschichteten Katalysator verändert sich während des Katalysatorbetriebs nur die chemische Zusammensetzung des Beschichtungs- bzw. Speichermaterials, welches am gesamten Füllvolumen nur einen Anteil von wenigen Prozent hat. Trotzdem erweisen sich die Resonanzfrequenz und -güte als hinreichend sensible Messgrößen.
  • Die Verhältnisse bzw. Messergebnisse bei einer Anordnung gemäß 1 sind in den 2 und 3 dargestellt. Die Kur ven zeigen den Transmissionsfaktor TF über der Mikrowellenfrequenz f beim NOx-Speicher-Katalysator. Dabei zeigt jeweils die Kurve "F" die Verhältnisse im fetten Betriebszustand und die Kurve "M" im mageren Betriebszustand. In den Figuren ist für den fetten Betriebszustand ein λ-Wert von 0,75, für den mageren Betrieb ein λ-Wert von 2,8 angegeben. Die Kurven gemäß 2 zeigen die Verhältnisse ohne Anwesenheit von NOx in der Gasphase, also bei fehlender Einlagerung von NOx im Speichermaterial und die Kurven gemäß 3 die Verhältnisse bei Anwesenheit von NOx, also im Speichermaterial eingelagertem NOx und somit beladenem Katalysator.
  • Aus den Kurven geht hervor, dass gemäß 2 beim Wechsel vom fetten zum mageren Betriebszustand ohne Anwesenheit von NOx die Resonatorgütenänderung ohne eine deutliche Resonanzfrequenzverschiebung erfolgt. Im mageren Betriebszustand ist die Resonatorgüte deutlich höher als im fetten Betriebszustand. Bei Anwesenheit von NOx im Abgas, also bei beladenem Katalysator, ändert sich gemäß 3 zusätzlich noch die Resonanzfrequenz: Sie nimmt mit zunehmender Beladung ab. Dies kann dahingehend interpretiert werden, dass der Realteil der Dielektrizitätszahl des Katalysatormaterials im fetten Bereich niedriger ist, der Imaginärteil (Verluste) dagegen höher. Zusammengefasst heißt dies, dass die O2-Beladung des NOx-Speicherkatalysators die Resonatorgüte der Messanordnung beeinflusst und die NOx-Beladung zusätzlich die Resonanzfrequenz.
  • Die Auswertung dieser Verhältnisse kann nun so erfolgen, dass im üblichen mageren Betriebszustand des Verbrennungsmotors durch die Auswerteeinrichtung 19 die Resonanzfrequenz überwacht wird. Diese verringert sich gemäß den dargestellten Verhältnissen bei zunehmender NOx-Beladung. Durch einen vorgebbaren unteren Grenzwert der Resonanzfrequenz kann nun der Zeitpunkt vorgegeben werden, bei dessen Erreichen ihre Regenerationsphase eingeleitet wird. Ein entsprechendes Signal wird über eine Steuersignalleitung 20 der zentralen Motorelektronik zugeführt, durch die zur Regeneration kurzzeitig in den fetten Betriebszustand umgeschaltet wird. Durch die Regeneration im fetten Betriebszustand verringert sich die NOx-Beladung und O2-Beladung im Wabenkörper 12. Die Resonanzfrequenz steigt wieder gemäß den 2 und 3 an und die Amplitude sinkt wegen der Sauerstoffspeicherentleerung. Bei Erreichen eines vorgebbaren oberen Grenzwerts wird dann die Regeneration abgeschlossen, und es kann wieder in den mageren Betriebszustand umgeschaltet werden. Diese Vorgänge verlaufen vollautomatisch ab.
  • Der vereinfacht dargestellte Ablauf kann noch durch geeignete Maßnahmen erweitert werden, die die temperaturbedingten Veränderungen der Resonanzfrequenz kompensieren. So bewirkt z.B. eine Erwärmung und die damit verbundene Ausdehnung des Katalysatorgehäuses ebenfalls ein Absinken der Resonanzfrequenz.
  • An Stelle der beschriebenen Transmissionsmessung kann auch eine Reflexionsmessung erfolgen, d.h., das im Hohlraumresonator reflektierte Mikrowellensignal wird erfasst und in entsprechender Weise ausgewertet. Die Reflexionsmessung kann auch nur mit einer einzelnen Feldsonde durchgeführt werden, die das Mikrowellensignal sowohl einkoppelt, wie auch das reflektierte Signal wieder ankoppelt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich nicht nur zur Erfassung des Zustands des beschriebenen NOx-Speicherkatalysators oder eines SCR-Katalysators, sondern kann auch für andere Katalysatorarten eingesetzt werden, z.B. einen 3-Wege-Katalysator, eine Kohlenwasserstofffalle oder auch eine SOx-Falle.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Erfassung des Zustands eines Katalysators, insbesondere eines NOx-Speicher-Katalysators, welcher im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zyklisch mit Gas beladen und regeneriert wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer im Innenraum des als Hohlraumresonator ausgebildeten Gehäuses (11) des Speicherkatalysators (10) erzeugten Mikrowelle die Verschiebung der Resonanzfrequenz und/oder -güte als Maß für die Gasbeladung des Speichermaterials bestimmt und ausgewertet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Absinken der Resonanzfrequenz als Maß für die zunehmende NOx-Beladung des Speichermaterials im Gehäuse (11) des Katalysators (10) ausgewertet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung der Resonatorgüte als Maß für die O2-Beladung des Speichermaterials im Gehäuse (11) des Katalysators (10) ausgewertet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen eines vorgebbaren Werts der Resonanzfrequenz und/oder -güte die Regeneration des Speichermaterials durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneration im fetten Betriebszustand des Verbrennungsmotors bis zu einem vorgebbaren Absenkungswert der mittels einer Transmissions- oder Reflexionsmessung erfassten Amplitude der Mikrowelle und der daraus berechenbaren Resonatorgüte und/oder bis zum Erreichen eines vorgebbaren höheren Werts der Resonanzfrequenz durchgeführt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Resonatorgüte die Amplitude des Transmissions- oder Reflexionsfaktors (TF) gemessen wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Anregung der Mikrowelle die Frequenz so hoch gewählt wird, dass sich mindestens der erste Grundmodus eines resonanten Feldes im Gehäuse (11) ausbilden kann, aber auch so niedrig, dass an das Gehäuse (11) angeschlossene Rohrleitungen (13, 14) eine Abstrahlung des Feldes nach außen verhindern.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowelle mit einer ersten, insbesondere als Feldsonde ausgebildeten Antenne (15) abgestrahlt oder eingekoppelt und in einer zweiten, insbesondere als Feldsonde ausgebildeten Antenne (16) erfasst wird, wobei die Antennen (15, 16) im Gehäuse (11) angeordnet sind.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowelle mit einer insbesondere als Feldsonde ausgebildeten Antenne eingekoppelt und nach Reflexion wieder in dieser Antenne im Gehäuse erfasst wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch die Integration einer Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (17) mit wenigstens einer der als Feldsonde ausgebildeten Antennen (15, 16).
  11. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (17) mit Mitteln zur direkten Erfassung der Katalysatortemperatur als Mess- und Kalibrierungsgröße versehen ist.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Messung mehrerer Resonanzmoden bei mehreren Frequenzen die Abhängigkeiten verschiedener physikalischer und/oder chemischer Einflüsse auf die Messgröße kompensiert werden.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die stirnseitigen Stege des als Wabenkörper (12) ausgebildeten Speichermaterials mit einer Metall- oder Metallisierungsschicht versehen sind.
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