DE19758154C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung der Leistung eines Katalysators - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung der Leistung eines Katalysators

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung der Leistung eines Katalysators, insbesondere die Verwendung eines Kohlenwasserstoffsensors zum Ermitteln des Anspring-Verhaltens eines Katalysators.
Von staatlichen Behörden vorgegebene Borddiagnose-Vorschrif­ ten verlangen es manchmal, daß eine Fehler-Leuchtanzeige (MIL) eingeschaltet wird, wenn aufgrund einer Katalysatorver­ schlechterung bzw. -beschädigung die Kohlenwasserstoff (HC)- Emissionspegel eines Fahrzeuges das 1,5fache der Norm über­ schreiten. Bei Fahrzeugen, die die Emissionsanforderungen für LEV (schadstoffarme Fahrzeuge) und für ULEV (Niedrigst-Emis­ sions-Fahrzeuge) erfüllen, stellt der Anteil der bei einem Kaltstart auftretenden HC-Emissionen einen wesentlichen Teil der Gesamtemissionen dar. Hierbei ist der Katalysator sehr nahe an dem Abgaskrümmer angeordnet, so daß er sich in einer sehr kurzen Zeit nach dem Anlassen der Maschine erwärmen und aktiv werden kann. Wenn jedoch die Anspring-Temperatur des Katalysators infolge Alterung ansteigt oder dessen Wirkungs­ grad für das Katalysieren von HC abnimmt, wird bei einem Kaltstart ein höherer Anteil an Emissionen erzeugt, und die zulässigen Gesamtemissionspegel werden überschritten.
Es ist bekannt, den Katalysatorwirkungsgrad für CAA(Califor­ nia Air Act)- und TLEV(transitional low emission vehicle (Fahrzeug mit in einem Übergangsbereich liegender niedriger Emission))-Anwendungen unter der Annahme zu überwachen, daß ein Verlust an Sauerstoffspeicherung im Katalysator mit einem Wirkungsgradverlust für Kohlenwasserstoffumwandlung korre­ liert. Bei diesem bekannten Verfahren werden zwei HEGO(be­ heizte Abgassauerstoff)-Sensoren eingesetzt, einer stromauf­ wärts und einer stromabwärts des Katalysators, um die Sauer­ stoffspeicherfähigkeit des Katalysators zu detektieren. Ein solches Zwei-Sauerstoffsensor-Verfahren zur Herleitung des Katalysatorwirkungsgrades hat den Nachteil, daß der Kohlen­ wasserstoffumwandlungs-Wirkungsgrad des Katalysators nicht direkt gemessen wird, und daß kleine Verschiebungen in der Kalibrierung bewirken können, daß die MIL (Fehler-Leuchtan­ zeige) bei Katalysatoren eingeschaltet wird, die eigentlich einen annehmbaren bzw. zulässigen Umwandlungs-Wirkungsgradbe­ reich aufweisen. Überdies arbeitet diese Überwachungsstrate­ gie nur dann zuverlässig, wenn der Abgasstrom groß und das ganze Abgassystem, einschließlich der Sensoren, vollständig erwärmt ist. Aufgrund dieser Einschränkungen ist ein Zwei- Sauerstoffsensor-Verfahren nicht zur Ermittlung einer Kataly­ sator-Verschlechterung bei Vorrichtungen geeignet, die für ULEV und niedrigere Emissionspegel ausgelegt sind.
Die DE 41 22 787 A1 beschäftigt sich mit der Aufgabe, den Konvertierungsgrad eines Katalysators zu überwachen. Der Kon­ vertierungsgrad wird dabei mit Hilfe eines Temperaturfühlers vor dem Katalysator und eines Temperaturfühlers hinter dem Katalysator sowie mit einem Abgasmassenstromsensor bestimmt. Hierbei wird das Prinzip ausgenutzt, dass durch die chemi­ schen Reaktionen auf der Oberfläche des Katalysators Wärme erzeugt wird, die zu einer Temperaturerhöhung hinter dem Katalysator führt. Das Ausmaß der Temperaturerhöhung un­ ter Berücksichtigung des Abgasmassenstroms stellt dann ein Maß für die Aktivität des Katalysators dar. Der Einsatz eines Sensors für die Kohlenwasserstoffkonzentration wird nicht er­ wähnt, und der Einsatz von aus dem Stand der Technik bekann­ ten Temperaturfühlern mit katalytisch wirksamen Oberflächen, auf denen chemische Prozesse stattfinden können, wird gemäß der Aufgabenstellung der DE 41 22 787 A1 ausdrücklich vermie­ den. Weiterhin funktioniert das Messverfahren der DE 41 22 787 A1 nur bei wirksamen Katalysator, das heißt oberhalb dessen Betriebstemperatur.
Die DE 195 37 363 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur Überwachung des Betriebsverhaltens von Kohlen­ wasserstoffemissionsauffangvorrichtungen. Derartige Vorrich­ tungen sollen Kohlenwasserstoffe absorbieren, die während der Startphase des Motors entstehen, in der der eigentliche Kata­ lysator noch nicht wirksam ist. Nachdem der eigentliche Kata­ lysator seine Betriebstemperatur erreicht hat und für die ka­ talytische Zersetzung der Kohlenwasserstoffe sorgt, wird die Kohlenwasserstoffemissionsauffangvorrichtung nicht mehr benö­ tigt, und die absorbierten Kohlenwasserstoffe hieraus können entfernt werden, damit die Vorrichtung für den nächsten Mo­ torstart wieder betriebsbereit ist. Demnach wird bei der DE 195 37 363 A1 nicht der Wirkungsgrad des Katalysators überwacht, sondern das Betriebsverhalten einer reinen Absorp­ tionsvorrichtung, die zudem gerade dann aktiv ist, wenn der Katalysator noch nicht betriebsbereit ist.
Gegenstand der US 5 560 200 ist die Überwachung der Funktion eines Katalysators allein mit Hilfe von Temperatursensoren. Der Einsatz eines Sensors für die Kohlenwasserstoffkonzen­ tration wird nicht erwähnt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung der Leistung eines Kataly­ sators zu schaffen, der bei für ULEV und niedrigere Emis­ sionspegel ausgelegten Systemen eingesetzt ist.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein neues Verfahren zum Herleiten einer Katalysator-Verschlechterung unter Einsatz der Energiemenge, die vom Abgas auf den Katalysator bzw. das Katalysatormaterial übertragen wird, geschaffen, bevor ein Anspringen (light-off) erreicht wird. Das Anspringen wird da­ durch ermittelt, daß die hergeleitete Zusammensetzung des HC- Speisegases bzw. -Abgases mit derjenigen verglichen wird, die von einem stromabwärts des Katalysators angeordneten HC-Sen­ sor gemessen wird. Dieses neue Verfahren ist geeignet für einen Einsatz bei Systemen, die für ULEV und niedrigere Emis­ sionspegel ausgelegt sind.
Im einzelnen ist eine Brennkraftmaschine mit einer Vorrich­ tung zur Überwachung der Leistung eines Katalysatormaterials bzw. Katalysators versehen, welche einen stromabwärts des Ka­ talysators positionierten Sensor aufweist, der ein erstes Si­ gnal für die Kohlenwasserstoffkonzentration des Abgases er­ zeugt, bevor der Katalysator die Betriebstemperatur erreicht, und der ein zweites Signal für die Kohlenwasserstoffkonzen­ tration des Abgases erzeugt, nachdem der Katalysator die Be­ triebstemperatur erreicht hat. Die Vorrichtung weist weiter­ hin Maschinensteuerungseinrichtungen zum Vergleich des ersten und des zweiten elektronischen Signals und zum Ermitteln der Funktionalität bzw. Wirksamkeit eines Katalysators auf.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung bei­ spielshalber näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Schaubild einer Maschine und eines Katalysators mit einer Katalysatorüberwachungsvor­ richtung entsprechend einer Ausführungsform der Er­ findung;
Fig. 2A eine graphische Darstellung der Katalysatortemperatur gegen die Zeit;
Fig. 2B eine graphische Darstellung der THC(Gesamtkohlen­ wasserstoff)-Konzentration gegen die Zeit;
Fig. 2C eine graphische Darstellung des Katalysatorwirkungs­ grades für die THC(Gesamtkohlenwasserstoff)-Konzen­ tration gegen die Zeit und
Fig. 3 ein Flußdiagramm zur Katalysatorüberwachung unter Ver­ wendung eines schnellen Kohlenwasserstoffsensors ent­ sprechend einer Ausführungsform der Erfindung.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, strömt Abgas durch einen Abgas­ krümmer 10 und weiter durch ein Abgassystem 11 zu einem kata­ lytischen Wandler bzw. Katalysator 12, der ein Katalysa­ tormaterial 13 enthält, welches Energie in Form von Wärme und chemischer Energie - gespeichert als unverbrannte Elemente - enthält. Stromaufwärts des katalytischen Konverters bzw. Wandlers 12 ist ein HEGO-Sensor 14 angeordnet. Stromabwärts des katalytischen Wandlers 12 ist ein Kohlenwasserstoffsensor 15 angeordnet, der auf den Maschinenbetrieb schnell reagiert. Das Katalysatormaterial 13 wird durch das heiße Gas solange erwärmt, bis es warm genug ist, die Oxidation des in dem Ab­ gas vorhandenen Kohlenmonoxids zu katalysieren, wodurch zu­ sätzliche Wärme erzeugt wird. Wenn dies erreicht ist, steigt die Temperatur im gesamten Katalysatormaterial 13 sehr schnell an, und der HC-Oxidationswirkungsgrad übersteigt 50%.
In Fig. 2A ist graphisch dargestellt, wie die Temperatur des Katalysators bzw. Katalysatormaterials 13 an der Stelle L1 im Katalysatormaterial 13 im Laufe der Zeit ansteigt. Wenn der vordere Abschnitt des Katalysatormaterials 13 eine bestimmte Temperatur erreicht, wird aufgrund der CO-Oxidation im Kata­ lysatormaterial 13 zusätzliche Wärme erzeugt. Der resultie­ rende Temperaturanstieg verstärkt die HC-Oxidation, und der stromabwärts des Katalysatormaterials 13 angeordnete HC-Sen­ sor 15 beginnt, eine reduzierte Gesamt-HC-Konzentration fest­ zustellen. Fig. 2B zeigt graphisch, daß die Reduzierung der Gesamt-Kohlenwasserstoff-Konzentration des Katalysatormateri­ als 13 an der Stelle L1 mit der Zeit abnimmt. Der berechnete Anspring-Katalysatorwirkungsgrad, definiert als der Punkt, bei dem der Katalysatorwirkungsgrad beispielsweise 50% für HC-Reduzierung überschreitet, wird erreicht, nachdem eine be­ stimmte Energiemenge Qt vom Abgas auf das Katalysatormaterial 13 übertragen ist. Dieser Energiewert kann als Parameter ge­ nutzt werden, um das Anspring-Verhalten eines Katalysator­ materials abzuschätzen bzw. zu bewerten. Fig. 2C zeigt gra­ phisch den Katalysatorwirkungsgrad für die Gesamt-Kohlenwas­ serstoff-Konzentration über der Zeit. Die Energiemenge Qt für ein sich veschlechterndes Katalysatormaterial ist höher als die für ein neues, da die Temperatur, bei der das Anspringen erfolgt, höher wird, wenn die Wirksamkeit des Katalysator­ materials sich so verschlechtert hat, daß Emissionspegel er­ zeugt werden, die größer als das 1,5-fache der Norm sind. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, beginnt das Überwachungssystem für das Katalysatormaterial bzw. den Katalysator unter Verwendung des Kohlenwasserstoffsensors 15 bei Block 30, bei dem die Ma­ schine angelassen wird. Der logische Fluß von Block 30 geht zum Block 31, bei dem die Strategie aufgerufen wird. Der lo­ gische Fluß geht dann auf Block 32 über, wo das Ausgangs­ signal des Kohlenwasserstoffsensors 15 gelesen wird. Der lo­ gische Fluß geht dann auf einen Entscheidungsblock 33 über, in dem bestimmt wird, ob die Zeit seit dem Anlassen der Ma­ schine kürzer als eine Zeit T0 ist. Wenn die Zeit kürzer ist, geht der logische Fluß auf einen Block 34 über, in dem die Tabelle für das HC/CO-Abgas kalibriert wird. Der logische Fluß geht dann auf einen Block 35 über, der die Abgas-Tabelle erneut aufbaut bzw. einrichtet, und der logische Fluß geht dann auf einen Block 36 über, in dem die Zusammensetzung des Abgases berechnet wird. Wenn beim Entscheidungsblock 33 die Zeit nicht kürzer als T0 ist, geht der logische Fluß direkt auf Block 36 über. Vom Block 36 geht der logische Fluß zum Block 37, in dem die Abgas-Temperatur berechnet wird. Block 36 und Block 37 empfangen beide jeweils Eingangssignale aus einem Block 38, der Eingangs-Maschinenparameter erzeugt. Der logische Fluß von Block 37 geht zu einem Block 39, in dem die Energie DQ berechnet wird, die dem Katalysatormaterial wäh­ rend der Periode zugeführt wird, bevor der Katalysator bzw. das Katalysatormaterial anspringt. Der logische Fluß geht so­ dann zu einem Block 40 über, in dem der Katalysatorwirkungs­ grad ermittelt wird. Der logische Fluß geht dann auf einen Block 41 über, in dem die dem Katalysator bzw. Katalysatorma­ terial zugeführte Gesamtenergie Qt berechnet wird. Vom Block 41 geht der logische Fluß zu einem Entscheidungsblock 42 über, in dem gefragt wird, ob der Katalysatorwirkungsgrad größer als 50% ist. Wenn nein, geht sodann der logische Fluß zu einem Block 43 über, in dem der logische Fluß nach einer Sekunde wiederholt wird, und der logische Fluß geht zurück zum Block 32. Falls beim Entscheidungsblock 42 bestimmt wird, daß der Katalysatorwirkungsgrad größer als 50% ist, geht so­ dann der logische Fluß zu einem weiteren Entscheidungsblock 44 über, in dem gefragt wird, ob Qmax größer als Qt ist, wo­ bei Qmax der Wert ist, der der Leistung eines Katalysatorma­ terials entspricht, das sich genügend verschlechtert hat, um Emissionspegel zu erzeugen, die größer als das 1,5-fache der Norm sind. Wenn ja, wird bei Block 45 angezeigt, daß das Ka­ talysatormaterial akzeptiert ist. Wenn nein, wird bei Block 46 angezeigt, daß das Katalysatormaterial nicht akzeptiert ist.
Das in Fig. 3 dargestellte Flußdiagramm zeigt die zum Ermit­ teln von Qt verwendete Strategie. Nachdem die Maschine in Block 30 angelassen ist und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis durch die Strategie genau gesteuert wird, wird eine Steuer­ schleife gestartet, die z. B. jede Sekunde auf den neuesten Stand gebracht wird. Der logische Fluß in dieser Steuer­ schleife beginnt bei Block 32 mit dem Lesen des Ausgangssi­ gnals eines HC-Sensors, der stromabwärts des Katalysatormate­ rials angeordnet ist. Ein schneller HC-Sensor, wie zum Bei­ spiel ein auf Poly-Si basierendes, in der US-PS 54 51 371 beschriebenes Mikrokalorimeter, ist hierfür besonders geeig­ net. Ein solcher Sensor wird in weniger als einer Sekunde ab dem Anschalten betriebsfähig und weist eine geschätzte Ant­ wortzeit von einer Sekunde auf. Das Ausgangssignal des HC- Sensors wird dann in Block 36 mit der Abgas-Zusammensetzung verglichen, die aus einer Tabelle von kalibrierten Werten für HC- und CO-Abgaspegel als Funktion der Maschinendrehzahl, Last, Zündung und Kühlmitteltemperatur in Block 38 gelesen wird. Es wird davon ausgegangen, daß der Wert des Luft/Kraft­ stoff-Verhältnisses innerhalb eines bestimmten engen Berei­ ches durch Verwendung einer der neuen Strategien gesteuert wird. Wenn die Zeit nach einem Kaltstart weniger als ein paar Sekunden beträgt, werden die in der Abgas-Tabelle in Block 35 gespeicherten Werte skaliert bzw. maßstäblich verändert, um die gemessenen HC-Werte zu berücksichtigen. Während dieser Zeitdauer ist der Katalysator tatsächlich noch nicht ange­ sprungen, und die gemessenen Emissionspegel sind daher "wah­ re" Abgaswerte. Auf diese Weise ist es möglich, die aufgrund von Variationen bzw. Schwankungen bei Maschinen, Gassensoren, etc. auftretende Variabilität des HC-Abgases zu kompensieren. Später werden die Abgaszusammensetzung in Block 36 und die Abgastemperatur in Block 37 unter Verwendung der Kenntnis des Maschinen-Einlaßluftstroms berechnet. Der Umwandlungswir­ kungsgrad des Katalysatormaterials wird dann unter Verwendung erstens des Gassensorsignals und zweitens der hergeleiteten HC-Zusammensetzung in Block 40 bestimmt. Als nächstes wird die dem Katalysatormaterial zugeführte Gesamtenergie Qt in Block 42 auf den neuesten Stand gebracht. An diesem Punkt in Block 42 wird die Schleife fortgeführt, falls der Katalysa­ torwirkungsgrad weniger als 50% beträgt. Andernfalls wird die Wirksamkeit des Katalysatormaterials in Block 44 ermittelt, wobei Qt mit Qmax verglichen wird. Falls festgestellt wird, daß Qt kleiner als Qmax ist, geht der Fluß weiter zum Block 45. Dies bedeutet, daß das Katalysatormaterial noch akzepta­ bel ist. Falls Qt größer ist, wird das Katalysatormaterial als nichtwirksam angesehen, und der Fluß geht zum Block 46 weiter, und die MIL-Anzeige wird eingeschaltet.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Überwachung der Leistung eines in einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine angeordneten Kataly­ sators, mit
einem stromabwärts des Katalysators (12, 13) angeordneten Sensor (15) zum Erzeugen eines ersten Signals für die Kohlenwasserstoffkonzentration des Abgases, bevor der Ka­ talysator eine Betriebstemperatur erreicht, und eines zweiten Signals für die Kohlenwasserstoffkonzentration des Abgases, nachdem der Katalysator die Betriebstempera­ tur erreicht hat, und
Maschinensteuerungseinrichtungen zum Vergleichen des er­ sten und des zweiten Signals und zum Ermitteln des Kata­ lysatorwirkungsgrades.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschinensteuerungseinrichtungen zur Ermittlung des Katalysatorwirkungsgrades aufweisen:
Einrichtungen zum Abfragen, ob die seit dem Anlassen der Maschine verstrichene Zeit kürzer als ein vorgegebener Zeitwert ist;
Einrichtungen zum Berechnen der Zusammensetzung des Ab­ gases, bevor der Katalysator (12, 13) die Betriebstempe­ ratur erreicht;
Einrichtungen zum Berechnen der Temperatur des Abgases, bevor der Katalysator (12, 13) die Betriebstemperatur er­ reicht;
Einrichtungen zum Berechnen der dem Katalysator (12, 13) zugeführten Energie, bevor dieser die Betriebstemperatur erreicht;
Einrichtungen zum Ermitteln des Katalysatorwirkungsgra­ des;
Einrichtungen zum Ermitteln der dem Katalysator (12, 13) zugeführten Gesamtenergie und
Einrichtungen zum Ermitteln, ob der Katalysator (12, 13) oberhalb eines vorgegebenen Wirkungsgradniveaus arbeitet.
3. Verfahren zur Überwachung der Leistung eines in einem Ab­ gasstrom einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysa­ tors, mit den folgenden Schritten:
Erzeugen eines ersten elektronischen Signals für die Koh­ lenwasserstoffkonzentration des Abgases durch einen stromabwärts des Katalysators (12, 13) angeordneten Sen­ sor (15), bevor der Katalysator (12, 13) eine Betriebs­ temperatur erreicht;
Erzeugen eines zweiten elektronischen Signals für die Kohlenwasserstoffkonzentration des Abgases durch den Sen­ sor (15), nachdem der Katalysator (12, 13) eine Betriebs­ temperatur erreicht hat; und
Verarbeiten des ersten und des zweiten elektronischen Si­ gnals und Ermitteln des Katalysatorwirkungsgrades unter Verwendung elektronischer Maschinensteuerungseinrichtun­ gen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte des Verarbeitens des ersten und des zweiten elektronischen Signals in den elektronischen Maschinen­ steuerungseinrichtungen umfassen:
Festsetzen eines vorgegebenen, seit dem Anlassen der Ma­ schine verstrichenen Zeitwertes;
Abfragen, ob die Zeit seit dem Anlassen der Maschine kürzer als der vorgegebene Zeitwert ist;
Berechnen der Zusammensetzung des Abgases, bevor der Ka­ talysator (12, 13) die Betriebstemperatur erreicht;
Berechnen der Temperatur des Abgases, bevor der Katalysa­ tor (12, 13) die Betriebstemperatur erreicht;
Berechnen der dem Katalysator(12, 13) zugeführten Ener­ gie, bevor der Katalysator (12, 13) die Betriebstempera­ tur erreicht;
Ermitteln des Katalysatorwirkungsgrades;
Ermitteln der dem Katalysator (12, 13) zugeführten Ge­ samtenergie;
Festsetzen eines vorgegebenen Katalysatorwirkungsgradni­ veaus und
Ermitteln, ob der Katalysator (12, 13) oberhalb des vor­ gegebenen Wirkungsgradniveaus arbeitet.
5. Verfahren nach Anspruch 3, weiterhin umfassend den Schritt:
Ermitteln des Katalysatorwirkungsgrades durch Vergleichen der Kohlenwasserstoffkonzentration des Abgases mit der Kohlenwasserstoffkonzentration des Katalysators (12, 13) nach Erreichen der Betriebstemperatur, unter Verwendung elektronischer Maschinensteuerungseinrichtungen.
6. Verfahren zur Überwachung der Leistung eines Katalysa­ tors, nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Ermittelns des Katalysatorwirkungsgrades um­ faßt:
Lesen des Sensorausgangssignals;
Abfragen, ob die seit dem Anlassen der Maschine verstri­ chene Zeit kürzer als ein vorgegebener Zeitwert ist;
Falls ja, Kalibrieren einer Abgas-Tabelle;
Falls nein, Berechnen der Zusammensetzung des Abgases, bevor der Katalysator (12, 13) die Betriebstemperatur er­ reicht;
Berechnen der Temperatur des Abgases, bevor der Katalysa­ tor (12, 13) die Betriebstemperatur erreicht;
Berechnen der dem Katalysator (12, 13) zugeführten Ener­ gie, bevor dieser die Betriebstemperatur erreicht;
Ermitteln des Katalysatorwirkungsgrades;
Ermitteln der dem Katalysator (12, 13) zugeführten Ge­ samtenergie;
Ermitteln, ob der Katalysator (12, 13) oberhalb eines vorgegebenen Wirkungsgradniveaus arbeitet, und
Ermitteln, ob die dem Katalysator (12, 13) zugeführte Ge­ samtenergie geringer als ein definierter Wert ist, der der Leistung eines Katalysators (12, 13) entspricht, der sich genügend verschlechtert hat, um Emissionspegel zu erzeugen, die eine Norm übersteigen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte des Berechnens der Abgaszusammensetzung und des Berechnens der Abgastemperatur den Schritt des Ver­ wendens von Eingangs-Maschinenparametern einschließen.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Wiederholens der Schritte nach Anspruch 6 vorgesehen ist, falls der Katalysatorwirkungsgrad gerin­ ger als ein vorgegebenes Wirkungsgradniveau ist.
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