DE19745039A1

DE19745039A1 - Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Katalysators

Info

Publication number: DE19745039A1
Application number: DE19745039A
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Dr Wienand; Joseph R Griffin
Original assignee: Heraeus Sensor Nite GmbH
Current assignee: Epiq Sensor Nite NV
Priority date: 1997-10-11
Filing date: 1997-10-11
Publication date: 1999-04-29
Anticipated expiration: 2017-10-12
Also published as: DE19745039C2; JPH11190709A; KR19990037000A; EP0908607A2; US5955665A; EP0908607A3; BR9804372A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Katalysators für die Abgasreinigung einer durch einen Lambda-Sensor geregelten Verbrennungsanlage durch Temperaturmessung mit einem eine katalytisch aktive Beschichtung aufweisenden Wär metönungssensor, wobei die Abgase an der katalytisch aktiven Beschichtung eine mit Wärme entwicklung verbundene Umsetzung erfahren.

Aus DE 37 20 684 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt, bei dem die bei der Nach verbrennung der unverbrannten Kraftstoffbestandteile im Rohabgas anfallende Verbrennungs enthalpie gemessen wird. Ein Lambda-Sensor ist hinter der beheizten Katalysatoreinheit ange ordnet und mit der Heizungsregelung des Katalysators gekoppelt. Eine Referenz-Heizleistung bei Durchfluß von Luft wird in Beziehung gesetzt zu der durch die entsprechende Wärmetönung bei der Umsetzung von brennbaren Abgasbestandteilen in der Katalysatoreinheit verminderten Heizleistung. Durch das Verfahren wird einerseits der Gesamtanteil an unverbrannten Bestand teilen im Abgas ermittelt, während auf die Temperatur des Katalysators nur indirekt über die Heizleistung geschlossen werden kann. Mit Hilfe des Lambda-Sensors wird außerdem das Luft- Kraftstoffverhältnis bestimmt. Durch dieses Verfahren kann das Verbrennungsverhalten des Motors charakterisiert wird.

Weiterhin ist aus DE 40 20 383 A1 ein Verfahren zum Schutz von Katalysatoren für die Abgas reinigung bekannt, bei dem ein Wärmetönungssensor zur Anwendung kommt, der im Abgas strom vor dem Katalysator angeordnet ist. Der Wärmetönungssensor besteht aus einem resisti ven Temperaturfühler mit katalytisch aktiver Beschichtung. An diesem Wärmetönungssensor laufen die gleichen exothermen Reaktionen wie im nachgeschalteten Katalysator ab, so daß daraus auf den Anteil von unverbrannten Abgasbestandteilen geschlossen werden kann. Über einen zweiten Temperaturfühler ohne katalytisch aktive Beschichtung kann die Tempera tur des Abgases oder des Katalysators erfaßt werden. Eine selektive Erfassung einzelner Ab gaskomponenten ist mit dem Verfahren nach DE 40 20 383 A1 nicht möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Katalysators anzugeben, das Aufschluß sowohl über den Anteil einzel ner, nichtumgesetzter Abgasbestandteile als auch über die aktuelle thermische Belastung des Katalysators gibt.

Erfindungsgemäß wird die vorgenannte Aufgabe dadurch gelöst, daß abwechselnd erst die Meßwerte des Wärmetönungssensors, der im Abgasstrom im Einströmbereich der Katalysator einheit angeordnet ist und die gleiche katalytisch aktive Beschichtung aufweist wie die Kataly satoreinheit, in Zeitabständen entsprechend der Regelfrequenz des Lambda-Sensors aufge nommen werden, - wodurch sich eine eine Amplitude aufweisende Rechteckfunktion über der Zeitachse ergibt, wobei die Höhe der Amplitude ein Maß für den Anteil von nichtumgesetzten Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Wasserstoff im Abgas ist -, und anschließend diese Meßwerte (wieder) gleichgerichtet werden, - wodurch sich ein Wert für die mittlere Temperatur, inklusive der Wärmetönungen, der Katalysatoreinheit ergibt.

Durch einen Lambda-Sensor geregelte Verbrennungsanlagen zeichnen sich dadurch aus, daß die Gemischzusammensetzung in einem möglichst engen Bereich optimiert wird. Der Lambda- Sensor sorgt dafür, daß das Luft-Kraftstoffverhältnis etwa im Bereich Lambda 0,98 bis Lambda 1,02 liegt. Dadurch wird die Verbrennung zwar optimiert, im Abgasstrom derartiger Verbren nungsanlagen sind aber dennoch Schadstoffe, wie Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Was serstoff und Stickoxide, enthalten, die durch die Behandlung an einem Katalysator zu umwelt verträglichen Substanzen umgesetzt werden müssen. Eine einfache Überwachung der Funkti onsfähigkeit von derartigen Katalysatoren in Abgasreinigungsanlagen von beispielsweise Kraft fahrzeugen während des Fahrbetriebes, ist dadurch möglich, daß ein Wärmetönungssensor im Abgasstrom unmittelbar vor der Katalysatoreinheit oder im Einströmbereich der Katalysatorein heit angeordnet ist, der mit der gleichen katalytisch aktiven Beschichtung versehen ist, wie die Katalysatoreinheit selbst. Die Meßwerte des Wärmetönungssensors werden in zeitlichen Ab ständen, die der üblichen Regelfrequenz des Lambda-Sensors entspricht, erfaßt. Üblicherweise liegt die Lambda-Regelfrequenz bei 1 bis 3 Hertz. Die Regelung um Lambda 1 erlaubt die simul tane Oxidation bzw. Reduktion von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxiden, Wasserstoffen (HC, CO, H₂) bzw. Stickoxiden (NO_x). Sowohl die Reduktionsreaktion als auch die Oxidationsre aktion verlaufen exotherm. Die Wärmeentwicklung bei der Oxidationsreaktion (von HC, CO, H₂) ist allerdings signifikant größer als die bei der Reduktionsreaktion (von NO_x). Diese stark unter schiedlichen Wärmetönungen können erfaßt werden, wenn in entsprechend kurzen Abständen das Meßsignal des Wärmetönungssensors, an dessen katalytisch aktiver Schicht die Reaktio nen ebenso stattfinden wie am Katalysator selbst, aufgenommen werden. Die ermittelten Tem peraturmeßwerte, aufgetragen über einer Zeitachse, stellen idealerweise eine Rechteckfunktion dar. Bei der praktischen Messung wird durch das thermische Zeitverhalten von realen Tempe ratursensoren, deren Ansprechzeit meist nicht sehr viel schneller als die Lambda-Regelfre quenz ist, die ideale Rechteckfunktion jedoch nicht immer scharf abgebildet, sondern zu einer stetigen Kurve "verschliffen". Bei Sensoren mit wesentlich längerer Ansprechzeit als die der Lambda-Regelfrequenz, wird das Rechtecksignal zur Linie abgeflacht. Wobei die Höhe der Amplitude der Rechteckfunktion ein Maß ist für den Anteil an nichtumgesetzen Schadstoffen im Abgas. Ist der Katalysator voll funktionsfähig, so basiert die Wärmetönung zu 98% auf der Oxi dation von HC, CO und H₂ und zu 8% auf der Reduktion von NO_x. Mit geeigneten Auswertever fahren kann aus der Höhe der Amplitude direkt auf den Anteil der jeweiligen Schadstoffgruppe geschlossen werden. Damit ergibt sich ein Kennwert über die katalytische Aktivität der Katalysatorbeschichtung.

Ein weiteres Kennzeichen der Funktionsfähigkeit eines Katalysators ist, wegen der Gefahr der Zerstörung des Katalysators durch Überhitzung, die thermische Belastung dieses Bauteils. Die Erfassung der absoluten Temperatur des Katalysators ist deshalb ebenso von Interesse. Mittels einer einfachen elektronischen Gleichrichtung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren er mittelten Meßwerte des Wärmetönungssensors kann daraus auch die mittlere Temperatur des Katalysators inklusive der auftretenden Wärmetönungen erfaßt werden. Ein zweiter Tempera turfühler, wie aus dem Stand der Technik bekannt, ist hierbei nicht erforderlich.

Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gemäß des Hauptanspruchs.

So hat es sich als zweckmäßig erwiesen, beispielsweise zum Nachtrimmen des Lambda-Sen sor eine auf die Amplitude der Rechteckfunktion eingestellte Triggerschaltung zusätzlich zur Er mittlung von Lambda heranzuziehen.

Ein für die Durchführung des Verfahrens geeigneter Wärmetönungssensor ist vorteilhafterweise ein Widerstandssensor oder ein Thermoelement, wobei jeweils über der sensitiven Schicht die gleiche katalytisch aktive Beschichtung wie der Katalysator selbst aufgebracht ist. Es sind so wohl Widerstandssensoren mit negativen wie auch mit positiven Temperaturkoeffizienten geeignet.

Hinsichtlich besonders kurzer Ansprechzeiten hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Wider standssensor besonders klein und mit geringer thermischer Masse zu konstruieren. Die sensiti ve Schicht des Wärmetönungssensors ist deshalb bevorzugt in Dünnschichttechnik auf einen dünnen Träger aufgebracht. Im Fall eines Widerstandssensors besteht die sensitive Schicht beispielsweise aus Platin. Wird diese Platinschicht zudem auf einer dünnen, hochtemperaturfe sten Membran aufgebracht, so entsteht ein Widerstandssensor mit extrem geringer thermischer Masse und damit sehr kurzen Ansprechzeiten. In einer weiteren Ausführungsform kann der Wi derstand aber auch aus einem Feinstdraht aus Platin bestehen. In analoger Weise kann der Wärmetönungssensor auch als Dünnschicht-Thermoelement aufgebaut sein oder von zwei sehr dünnen Thermodrähten gebildet werden.

Vorteilhafterweise enthält die katalytisch aktive Beschichtung auf dem Wärmetönungssensor ein Platingruppenmetall, wie beispielsweise Platin, Rhodium, oder Palladium oder deren Verbindungen.

Die Erfindung wird durch folgendes Ausführungsbeispiel näher beschrieben.

Dabei zeigt

Fig. 1a, b, c, d: den schematischen Aufbau eines Wärmetönungssensors;

Fig. 2: schematische Darstellung des Einbaus eines Wärmetönungssensors in ein Gehäuse;

Fig. 3a, b, c: eine Darstellung des Verlaufs der Meßwerte des Wärmetönungssensors über der Zeitachse und eine Darstellung des Verlaufs der Temperatur nach Gleich richtung der Funktion.

Der Wärmetönungssensor 1 weist gemäß Fig. 1a ein elektrisch isolierendes Substrat 2 aus Aluminiumoxid auf. Auf diesem Träger ist eine in Form eines Mäanders strukturierte Platin schicht 3 mit Zuleitungen und Kontaktfeldern 4 aufgebracht, die als elektrischer Widerstand mit positiven Temperaturkoeffizienten fungiert. Über der Platinschicht 3 ist unter Auslassung der Kontaktfelder 4 eine elektrisch isolierende Abdeckschicht 5 aus hochtemperaturfestem Glas oder Oxidabdeckung angeordnet. Darüber befindet sich die katalytisch aktive Beschichtung 6, die aus dem gleichen Material besteht, wie die katalytisch aktive Beschichtung der Katalysa toreinheit, beispielsweise aus einem "Washcoat" auf Aluminiumoxid-Ceroxid-Basis mit einer Platin-Rhodium-Imprägnierung. Der elektrische Widerstand der Platinschicht 3 des Wärmetö nungssensors 1 ändert sich mit der Temperatur, so daß exotherme Reaktionen, die an der ka talytisch aktiven Beschichtung 6 des Sensors 1 (und in gleicher Weise an der katalytisch akti ven Beschichtung des Katalysators) ablaufen, mit hoher Empfindlichkeit registriert werden.

Fig. 1b zeigt eine Ausführungsform mit sehr schneller Ansprechzeit; die funktionelle Platin schicht 3 mit entsprechender Abdeckschicht 5 und katalytisch aktiver Schicht 6 ist auf einer sehr dünnen (weniger µm) Membran 21 aufgebracht. Der Wärmetönungssensor 1 gemäß Fig. 1a oder 1b wird in einer bevorzugten Ausführungsform auf ein Trägermodul 7 in SMD-Bauwei se gefügt (siehe Fig. 1c). Dieses Trägermodul 7 ist selbst auch aus hochtemperaturbeständi gem, ausdehnungsangepaßtem Material (vorzugsweise Al₂O₃) und mit Versorgungsleiterbah nen 8 versehen. Diese enden in Anschlußpads 9, so daß ein Anschluß und eine Fügung in ein übliches Standardgehäuse (Fig. 2) möglich ist.

In Fig. 2 ist der Einbau des Trägermoduls 7 mit dem Wärmetönungssensor 1 in ein Gehäuse 10 dargestellt, das in die Abgasleitung einer Verbrennungsanlage eingeschraubt werden kann. Die Schutzrohrspitze 11 des Gehäuses 10 besitzt eine Öffnung 12 an der Spitze und seitliche Perforierungen 12', so daß der Gaszutritt zum Wärmetönungssensor stattfinden kann. Der so gehäuste Sensor wird im Einströmbereich eines Katalysators einer Kraftfahrzeug-Abgasreini gungsanlage mit lambda-gesteuerter Gemischregelung eingebaut. Lambda pendelt im Bereich 0,98 ("fettes" Gemisch) bis 1,02 ("mageres" Gemisch), wodurch eine katalytische Umsetzung von HC, CO, H₂ und NO_x an der katalytisch aktiven Beschichtung 6 des Wärmetönungssensors 1 möglich wird. Die dabei entstehende Wärmetönung wird als Temperaturerhöhung vom Wär metönungssensor 1 in Zeitabständen der Lambda-Regelfrequenz registriert und zeigt einen Verlauf gemäß Fig. 3.

In Fig. 3a ist ein idealisierter Verlauf der Meßwerte über der Zeit dargestellt; Fig. 3b zeigt da gegen den Verlauf der Meßwerte bei einer realen Messung der Temperatur mit einem schnel len Temperatursensor.

Zur Ermittlung der absoluten, mittleren Temperatur am Katalysator, als weitere Kenngröße der Funktionsfähigkeit eines Katalysators, wird die Rechteckfunktion aus Fig. 3b elektronisch gleichgerichtet. Es ergibt sich die Funktion gemäß Fig. 3c, aus der die jeweilige Absoluttempe ratur am Katalysator ablesbar ist.

Claims

1. Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Katalysators für die Abgasreini gung einer durch einen Lambda-Sensor geregelten Verbrennungsanlage durch Tempera turmessung mit einem eine katalytisch aktive Beschichtung aufweisenden Wärme tönungssensor, wobei die Abgase an der katalytisch aktiven Beschichtung eine mit Wär meentwicklung verbundene Umsetzung erfahren, dadurch gekennzeichnet, daß abwech selnd erst die Meßwerte des Wärmetönungssensors, der im Abgasstrom im Einströmbe reich der Katalysatoreinheit angeordnet ist und die gleiche katalytisch aktive Beschich tung aufweist wie die Katalysatoreinheit, in Zeitabständen entsprechend der Regelfre quenz des Lambda-Sensors aufgenommen werden, - wodurch sich eine eine Amplitude aufweisende Rechteckfunktion über der Zeitachse ergibt, wobei die Höhe der Amplitude ein Maß für den Anteil von nichtumgesetzten Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Wasserstoff im Abgas ist -, und anschließend diese Meßwerte gleichgerichtet werden, - wodurch sich ein Wert für die mittlere Temperatur, inklusive der Wärmetönungen, des Ka talysators ergibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer auf die Amplitude der Rechteckfunktion eingestellte Triggerschaltung eine zusätzliche Überwa chung der Lambda-Werte im Abgas erfolgt.

3. Wärmetönungssensor zur Durchführung des Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetönungssensor ein Widerstandssensor oder ein Thermo element ist, wobei der Widerstand oder das Thermoelement von einer katalytisch aktiven Beschichtung überdeckt wird, die der der Katalysatoreinheit entspricht.

4. Wärmetönungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetö nungssensor ein Widerstandssensor mit einem negativen oder positiven Temperaturkoef fizienten ist.

5. Wärmetönungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytisch ak tive Beschichtung ein Platingruppenmetall enthält.