DE19811574A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen der Funktionsfähigkeit eines Katalysators einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen der Funktionsfähigkeit eines Katalysators einer BrennkraftmaschineInfo
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Abstract
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit eines Katalysators (15) im Abgastrakt (3) einer Brennkraftmaschine (1) bestimmt den Konvertierungsgrad als Funktion der Temperatur des Katalysators (15) im Aufheizbetrieb. Eine Auswertung des sich mit dem Alter des Katalysators ändernden Zusammenhangs zwischen Konvertierungsgrad und Temperatur erlaubt eine Überprüfung und Diagnose eines nicht funktionsfähigen Katalysators (15) mit hoher Präzision.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Überwachen der Funktionsfähigkeit eines im Abgastrakt ei
ner Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators gemäß dem
Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 20.
Die Abgasnachbehandlung bei Brennkraftmaschinen erfolgt heut
zutage üblicherweise mit einem oder mehreren Katalysatoren in
der Auspuffanlage der Brennkraftmaschine. Strenge Emissions
grenzwerte für Schadstoffemissionen von Brennkraftmaschinen,
insbesondere in Fahrzeugen, machen die zuverlässige Überwa
chung des eingesetzten Katalysators erforderlich. Von solchen
Diagnoseverfahren wird verlangt, daß sie die kontinuierliche
Überprüfung des Katalysators im Betrieb ermöglichen, auch als
On-Board-Diagnose bezeichnet.
Ein für Otto-Motoren bekanntes Verfahren zur Katalysatorüber
wachung basiert auf der Auswertung des Zusammenhangs zwischen
dem Sauerstoffspeichervermögen und dem Konvertierungsgrad ei
nes Dreiwege-Katalysators. Ein solches Verfahren ist z. B. aus
der DE 195 36 252 bekannt; dabei werden zwei Sauerstoff- oder
Lambda-Sonden eingesetzt, eine stromauf und eine stromab des
Katalysators. Dieses Verfahren kann nur dann angewendet wer
den, wenn die Lambda-Regelung aktiv ist und der Katalysator
seine Betriebstemperatur erreicht hat. Die Auswertung der
Lambdasondensignale erlaubt nur eine indirekte Katalysator
überwachung, wobei die Korrelation zwischen Sauerstoffspei
chervermögen und Konvertierungsgrad des Katalysators nicht
sehr gut ist. Deshalb ist dieses Verfahren, ebenso wie das
aus DE 24 44 334 bekannte auf die Diagnose relativ großer
Konvertierungsgraddifferenzen begrenzt, wodurch nur eine
starke Verschlechterung des Katalysators diagnostizierbar
ist. Zur Diagnose einer geringen Katalysatorverschlechterung,
wie sie strenge Emissionsgrenzwerte erforderlich machen, sind
diese Verfahren nicht tauglich.
Einen anderen Weg zur Katalysatorüberprüfung beschreitet das
aus DE 40 39 429 bekannte Verfahren. Es sieht stromab des Ka
talysators einen Kohlenmonoxid- und/oder Wasserstoffkonzen
trationsaufnehmer vor. Bei Überschreitung eines vorgegebenen
Grenzwertes des Kohlenmonoxid- und/oder Wasserstoffgehaltes
wird ein defekter Katalysator erkannt. Die Messungen erfolgen
bei definierten, stationären Betriebszuständen der Brenn
kraftmaschine, d. h. dann, wenn der Katalysator seinen höch
sten Konvertierungsgrad aufweist.
Aus DE 195 37 778 ist ein Verfahren zur Überwachung der Funk
tion eines NOx-reduzierenden Katalysators einer Dieselbrenn
kraftmaschine bekannt, bei der als Reduktionsmittel Kraft
stoff stromauf des Katalysators zudosiert wird. Dabei ist zur
Überwachung des NOx-Katalysators ein Aufnehmer für die Koh
lenwasserstoffkonzentration im Abgas stromab des Katalysators
vorgesehen, um ein Nachlassen der katalytischen Reduktion an
hand erhöhter Kohlenwasserstoffkonzentrationen im Abgas er
kennen zu können.
Eine exakte Steuerung einer Brennkraftmaschine mit Katalysa
toren im Abgastrakt ermöglicht im normalen Betrieb, d. h. nach
Erreichen der Betriebstemperatur, sehr hohe Konvertierungs
grade, z. B. über 95%. Strenge Emissionsgrenzwerte erlauben
nur geringe Abweichungen von dieser fast vollständigen Kon
vertierung, weshalb ein OBD-System in der Lage sein muß, be
reits geringe Abweichungen festzustellen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zum Überwachen der Funktionsfähigkeit eines
im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysa
tors anzugeben, mit denen sich bereits eine geringe, durch
Alterung bedingte Verschlechterung des Konvertierungsgrades
sehr präzise erfassen läßt.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung sind in
den Ansprüchen 1 und 20 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausge
staltungen und Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen
definiert.
Erfindungsgemäß erfolgt die Überprüfung der Funktionsfähig
keit des Katalysators während der Aufheizphase der Brenn
kraftmaschine. Da während der Aufheizphase der Brennkraftma
schine der größte emittierte Schadstoffanteil ausgestoßen
wird, ist eine Funktionsüberprüfung des Katalysators in die
ser Zeitspanne besonders bedeutsam. Zum anderen fällt es auf
grund der höheren Schadstoffkonzentration im Abgas hinter dem
Katalysator während der Aufheizphase leichter, Änderungen in
der Funktionsfähigkeit des Katalysators zu diagnostizieren.
Die Grundidee des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der er
findungsgemäßen Vorrichtung beruht auf dem Zusammenhang zwi
schen dem Konvertierungsgrad bzw. dem Emissionsniveau einer
Abgaskomponente hinter einem zu überwachenden Katalysator und
den thermischen Eigenschaften, d. h. der Temperatur, des Kata
lysators. Der Konvertierungsgrad des Katalysators hängt di
rekt von seiner Temperatur ab. Diese Abhängigkeit ändert sich
mit der Alterung des Katalysators. Der Konvertierungsgrad
wird mit zunehmenden Alter des Katalysators schlechter. Diese
Änderung der Abhängigkeit des Konvertierungsgrades des Kata
lysators von seiner Temperatur mit der Alterung bietet somit
eine Möglichkeit, den Katalysator auf seine Funktionsfähig
keit hin zu überwachen.
Die thermische Eigenschaft des Katalysators kann durch die
Festkörpertemperatur des Katalysators selbst oder aber durch
die dem Katalysator zugeführte Wärme ausgedrückt werden.
Letztere kann durch die Bestimmung der Abgastemperatur strom
auf des Katalysators und Bestimmung des dem Katalysator Zuge
führten Volumenstroms sowie anschließender Berechnung der dem
Katalysator zugeführten Wärme aus Abgastemperatur, Volumen
strom und Wärmekapazität des Abgases erfolgen. Eine Energie
zufuhr durch eine eventuell vorhandene Katalysatorheizung muß
natürlich ebenfalls berücksichtigt werden. Vorzugsweise kann
die Abgastemperatur stromauf des Katalysators mittels eines
Modells aus Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine berech
net werden. Weiter wird die dem Katalysator zugeführte Wärme
vorzugsweise nur dann bestimmt, wenn nach einem Start der
Brennkraftmaschine keine latente Wärme mehr zur Verdampfung
von Kondensaten im Katalysator aufgenommen wird.
Bei der Erfindung wird die Überwachung des Katalysators vor
zugsweise anhand von Messungen einer Schadstoffkomponente,
insbesondere Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoff (HC) oder
Stickoxide NOx, vorgenommen. Es können jedoch auch mehrere
dieser Schadstoffkomponenten berücksichtigt werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird stromauf sowie
stromab des Katalysators die Konzentration einer Schad
stoffkomponente im Abgas gemessen. Aus diesen Meßwerten wird
der Konvertierungsgrad des Katalysators errechnet. In einer
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dann,
wenn die Katalysatortemperatur bei einem gegebenen Konvertie
rungsgrad über einem Schwellwert liegt, eine mangelnde Kata
lysatorfunktion erkannt. Alternativ ist dies auch möglich,
wenn bei gegebener Katalysatortemperatur ein Mindestkonver
tierungsgrad nicht erreicht wird.
Wird als Maß für die Temperatur des Katalysators die dem Ka
talysator zugeführte Wärme verwendet, kann ein nicht funkti
onsfähiger Katalysator dadurch erkannt werden, daß die Ener
gie, die notwendig ist, um den Konvertierungsgrad des Kataly
sator von einem Anfangswert ηi, z. B. 20%, auf einen Endwert
ηf, z. B. 60% zu erhöhen, bestimmt wird. Die zum Erreichen der
Konvertierungsgraderhöhung ηf-ηi notwendige Energie, die
dem Katalysator in Form von Wärme zugeführt werden muß, ist
bei einem gealterten, funktionsuntüchtigen Katalysator höher
als bei einem neuen, funktionstüchtigen Katalysator. Der Mit
telwert dieser Energien steigt ebenfalls mit der Alterung des
Katalysators. Das Produkt aus Mittelwert der Energie und zu
geführter Energie ist folglich ein Maß für das Aufwärmverhal
ten des Katalysators und somit für seine Funktionsfähigkeit.
Durch Setzen eines Schwellwertes für dieses Produkt kann auf
einfache Weise die Katalysatordiagnose durchgeführt werden.
Wird der Schwellwert überschritten, wird der Katalysator als
nicht funktionsfähig erkannt. Um thermischen Randbedingungen
des Systems Rechnung zu tragen, ist es vorzugsweise möglich,
die Diagnoseschwelle als Funktion von Temperaturwerten der
Brennkraftmaschine, wie z. B. Kühlwassertemperatur, Ansaug
lufttemperatur, Außentemperatur oder Abgastemperatur beim
Start der Brennkraftmaschine aus einem Kennfeld zu wählen.
Ebenso kann das Fahrprofil eines Fahrzeuges, mit dem die
Brennkraftmaschine ausgerüstet ist, das die Aufheizung des
Katalysators beeinflussen kann, durch einen Korrekturfaktor
berücksichtigt werden.
Bei einer Ausführungsform wird auf eine Messung der Schad
stoffkonzentration stromauf des Katalysators verzichtet;
statt dessen wird nur die Konzentration einer der Schad
stoffkomponenten hinter dem Katalysator gemessen. Zur Diagno
se wird die dem Katalysator zugeführte Wärme bzw. die Ände
rung der Festkörpertemperatur des Katalysators bestimmt, die
notwendig ist, um die Konzentration der zu überwachenden
Schadstoffkomponente von einem Anfangswert [i]i auf einen End
wert [i]f zu senken. Da die Konzentration für sich allein noch
kein direktes Maß für die emittierte Schadstoffmenge ist,
wird sie mit der Abgasmenge verknüpft und die Masse der
Schadstoffkomponente bestimmt. Je besser das Aufheizverhalten
des Katalysators, umso niedriger ist die Masse, die während
der Zufuhr einer gegebenen Wärme oder während einer vorgege
benen Festkörpertemperaturänderung des Katalysators emittiert
wird. Bei Überschreiten eines gewissen Schwellwertes wird der
Katalysator als nicht funktionsfähig erkannt. Vorzugsweise
wird die emittierte Masse mit der mittleren zugeführten ther
mischen Energie multipliziert, um den zeitlichen Verlauf der
Energiezufuhr, wie z. B. Lasteinflüsse, zu berücksichtigen.
Das Produkt aus emittierter Masse und zugeführter Energie ist
dann ein Maß für die Funktionsfähigkeit des Katalysators, und
bei Überschreiten eines Schwellwertes wird der Katalysator
als defekt erkannt. Um den thermischen Randbedingungen des
Systems Rechnung zu tragen, wird vorzugsweise auch hier die
Diagnoseschwelle als Funktion von Temperaturwerten der Brenn
kraftmaschine, wie z. B. Kühlwassertemperatur, Ansauglufttem
peratur, Außentemperatur oder Abgastemperatur beim Start der
Brennkraftmaschine definiert. Auch kann das Fahrprofil eines
Fahrzeugs, mit dem die Brennkraftmaschine ausgestattet ist,
während des Verfahrens durch einen Korrekturfaktor berück
sichtigt werden.
Es sei darauf hingewiesen, daß das erfindungsgemäße Verfahren
sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung für alle Katalysator
typen wie Reduktionskatalysatoren, Oxidationskatalysatoren,
insbesondere geregelte Drei-Wege-Katalysatoren, Speicherkata
lysatoren oder Adsorbern, sowie für Otto- wie Dieselbrenn
kraftmaschinen anwendbar sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie
len unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die
Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ausführen des
erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 ein Diagramm mit dem Verlauf des Konvertierungsgrads
eines Katalysators als Funktion der Katalysatortem
peratur,
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
Fig. 4 ein Diagramm mit dem Verlauf des Konvertierungsgrads
eines Katalysators als Funktion der dem Katalysator
zugeführten Wärme,
Fig. 5 ein Diagramm mit Meßergebnissen, das die Anwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen Drei-Wege-Kataly
sator veranschaulicht,
Fig. 6 ein Diagramm mit der von einer Brennkraftmaschine
emittierten Masse als Funktion der dem Katalysator
zugeführten Wärme und
Fig. 7 ein Diagramm mit Meßergebnissen, das die Anwendung
einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens bei einem Drei-Wege-Katalysator veranschau
licht.
Anhand der Fig. 1 und 2 wird ein erstes Ausführungsbeispiel
eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Überwachen der
Funktionsfähigkeit eines Katalysators beschrieben.
Wie Fig. 1 zeigt, hat eine Brennkraftmaschine 1 einen Ansaug
trakt 2 sowie einen Abgastrakt 3. Ihr Betrieb wird von einem
Steuergerät 4 gesteuert beziehungsweise geregelt. Dem Steuer
gerät 4 wird der Meßwert eines Ansaugluftmassenaufnehmers 5
zugeführt, der im Ansaugtrakt 2 der Brennkraftmaschine 1 an
geordnet ist und den Ansaugluftmassenstrom erfaßt. Das Steu
ergerät 4 steuert weiter die Einspritzung des Kraftstoffes
über Einspritzventile 6 in den Ansaugtrakt 3 und erfaßt mit
tels einer Lambda-Sonde 7 den Sauerstoffgehalt des Abgases,
um den Betrieb der Brennkraftmaschine zu regeln. Im Ab
gastrakt 3 ist ein Katalysator 15 angeordnet, dessen Funkti
onsfähigkeit, d. h. Konvertierungsgrad überwacht werden soll.
Der Konvertierungsgrad η eines Katalysators hängt direkt von
der Temperatur des Katalysators Tcat ab. Dieser Zusammenhang
ist in Fig. 2 dargestellt. Die Kurve 13 zeigt die Temperatur
abhängigkeit des Konvertierungsgrades η eines neuen Katalysa
tors. Kurve 14 beschreibt einen alten funktionsuntüchtigen
Katalysator. Mit steigender Katalysatortemperatur Tcat nimmt η
bis zu einem maximalen Wert zu. Der Verlauf oberhalb die Tem
peratur, bei der der maximale Wert erreicht wird, hängt vom
verwendeten Katalysator ab. Er ist annähernd konstant bei ei
nem Drei-Wege-Katalysator, nimmt z. B. bei einem Entstickungs
katalysator dagegen ab.
Der Konvertierungsgrad für eine Komponente ergibt sich aus
folgender Gleichung:
ηi = ([i]vor Kat.-[i]nach Kat.)/[i]vor Kat. (1),
wobei [i] die Volumenkonzentration der Schadstoffkomponente i
darstellt. Mit der Alterung des Katalysators nimmt seine Ak
tivierungsenergie ab und der Kurvenverlauf ändert sich. Die
für einen bestimmten Konvertierungsgrad ηi notwendige Kata
lysatortemperatur Tcat erhöht sich, und der maximale Konver
tierungsgrad ηi,max nimmt ab; die Kurve verbreitert sich, wie
in Fig. 2 zu sehen ist. Die Änderung des Konvertierungsgrads
als Funktion der Temperatur bei der Alterung bietet somit ei
ne Möglichkeit, den Katalysator auf seine Funktionsfähigkeit
hin zu überwachen.
Um die Temperatur des Katalysators zu bestimmen, wird dessen
Festkörpertemperatur mittels eines Temperaturaufnehmers 9 ge
messen, wobei der Meßwert dem Steuergerät 4 zugeführt wird.
Um die Konzentration einer Schadstoffkomponente im Abgas und
hieraus den Konvertierungsgrad des Katalysators zu bestimmen,
sind stromauf des Katalysators 15 ein Schadstoffkonzentrati
onsaufnehmer 8 und stromab des Katalysators ein Schad
stoffkonzentrationsaufnehmer 10 angeordnet, die abhängig von
der Konzentration der Schadstoffkomponente, z. B. der Kohlen
wasserstoffe (HC), Meßwerte an das Steuergerät 4 liefern.
Dort werden diese mittels einer mathematischen Funktion oder
eines Kennfeldes in die Schadstoffvolumenkonzentration umge
rechnet. Als Schadstoffkonzentrationsaufnehmer, die die Volu
menkonzentration einer zu überwachenden Schadstoffkomponente
im Abgas erfassen, sind planare Abgassensoren möglich, die
eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit eines Metal
loxids (z. B. dotiertes SrTiO3) als Meßsignal zeigen. Es sind
aber auch Abgassensoren denkbar, die einen Festkörperelektro
lyten (z. B. stabilisiertes ZrO2 oder CeO2) als Meßelement
verwenden. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel handelt es
sich um zwei planare Kohlenwasserstoffsensoren für eine ge
forderte OBD-Überwachungsfunktion.
Die direkte Auswertung des Zusammenhangs ηi (Tcat) erfolgt,
indem während des Warmlaufs des Motors in der Aufheizphase
die Festkörpertemperatur des Katalysators 15 mit dem Tempera
turaufnehmer 9 gemessen wird und dazu aus den Signalen der
Schadstoffkonzentrationsaufnehmer 8, 9 der Konvertierungsgrad
η ermittelt wird. Bei gegebenem Konvertierungsgrad ηdiag hat
ein neuer Katalysator eine sehr viel niederere Temperatur Tneu
als ein älterer Katalysator. Liegt, wie in Fig. 2 zu sehen,
die Temperatur Talt zum gegebenen Konvertierungsgrad ηdiag über
einer Temperaturschwelle Tdiag, wird der Katalysator als de
fekt erkannt. Alternativ kann auch der Konvertierungsgrad η
zu einer gegebenen Temperatur Tdiag bestimmt werden und bei
Unterschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes ηdiag der Ka
talysator als defekt erkannt werden.
Anhand der Fig. 3 und 4 wird eine weitere Ausführungsform der
Erfindung beschrieben. Elemente, die denen der Fig. 1 ent
sprechen, sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, es
sei hier auf die Beschreibung der Fig. 1 verwiesen. Im Unter
schied zur Vorrichtung der Fig. 1 ist kein Temperaturaufneh
mer 9 am Katalysator 15 vorgesehen. Statt dessen wird die Tem
peratur des Abgases stromauf des Katalysators mit einem Tem
peraturaufnehmer 9 vom Steuergerät 4 erfaßt. Über eine Sekun
därluftpumpe 11 wird dem Abgas stromauf des Katalysators 15
ein Sekundärluftmassenstrom zugeführt, der von einem Sekun
därluftmassenaufnehmer 12 gemessen wird, wobei der Meßwert
dem Steuergerät 4 zugeführt wird.
Alternativ zur Abhängigkeit des Konvertierungsgrads des Kata
lysators von seiner Festkörpertemperatur wird in diesem Fall
die Abhängigkeit des Konvertierungsgrades von der dem Kataly
sator zugeführten Energie für die Diagnose verwendet. Die
Energie zur Aufheizung des Katalysators wird diesem vom Abgas
in Form von Wärme zugeführt. Diese Wärme kann aus der Abga
stemperatur vor dem Katalysator und dem dem Katalysator zuge
führten Abgasmassenstrom nach folgender Gleichung bestimmt
werden:
wobei TAbgas die Abgastemperatur stromauf des Katalysators,
ansaug der Ansaugluftmassenstrom, sekundär der Sekundärluft
massenstrom, Cp die Wärmekapazität des Abgases bei konstantem
Druck, λ die Luftzahl und L0 die Luftmasse pro Kraftstoff
masseneinheit bei stöchometrischer Verbrennung darstellt. Die
Wärme ΔQ = Eηf-Eηi, die notwendig ist, um den Konvertie
rungsgrad des Katalysators von einem Anfangswert ηi (Wärme
Eηi) auf einen Endwert ηf (Wärme Eηf) zu erhöhen, ist bei ei
nem gealterten Katalysator höher als bei einem neuen Kataly
sator, wie in Fig. 4 zu sehen ist. Die in Fig. 4 gezeigten
Kurven entsprechen denen der Fig. 2, mit dem Unterschied, daß
sie über der dem Katalysator 15 zugeführten Wärme anstatt
über der Festkörpertemperatur aufgetragen sind. Die zum Er
reichen von ηi und ηf notwendigen Energien Eηi und Eηf sind
ebenfalls bei einem gealterten Katalysator höher als bei ei
nem neuen Katalysator. Ihr Mittelwert ηth = =0,5 (Eηi + Eηf)
steigt ebenso mit der Alterung des Katalysators an. Das Pro
dukt aus Mittelwert und zugeführter Wärme ΔQ ist folglich ein
brauchbares Maß für das Aufwärmverhalten des Katalysators und
somit für seine Funktionsfähigkeit. Durch Setzen eines
Schwellwertes für das Produkt kann auf einfache Weise die Ka
talysatordiagnose durchgeführt werden. Bei Schwellwertüber
schreitung wird der Katalysator als defekt erkannt.
Da letztendlich jedoch die Aufheizung des Katalysators für
seinen Konvertierungsgrad entscheidend ist, sind die thermi
schen Randbedingungen des Systems von Bedeutung, wenn man die
dem Katalysator zugeführte Wärme als Maß für seine Aufheizung
verwendet. Um diesen thermischen Randbedingungen Rechnung zu
tragen, kann die Diagnoseschwelle vorzugsweise als Funktion
von Temperaturwerten der Brennkraftmaschine wie z. B. Kühlwas
sertemperatur, Ansaugtemperatur, Außentemperatur oder Abga
stemperatur beim Inbetriebsetzen der Brennkraftmaschine ge
wählt werden. Das Steuergerät 4 enthält dazu ein geeignetes
Kennfeld. Weiter kann das Fahrprofil der Fahrzeuggeschwindig
keit eines Fahrzeuges, in dem die Brennkraftmaschine einge
baut ist, durch einen Korrekturfaktor,der im Steuergerät 4
abgelegt sein kann, berücksichtigt werden.
In Fig. 5 sind Meßergebnisse dargestellt, die das erfindungs
gemäße Verfahren am Beispiel der Oxidation von Kohlenwasser
stoffen mit einem Drei-Wege-Katalysator demonstrieren. Die
Messungen erfolgten an einem Motorprüfstand, der Aufbau ent
spricht dem der Fig. 3. Die Brennkraftmaschine wurde aus kal
tem Zustand (300°K) auf unterschiedliche konstante Drehzah
len gestartet, um so unterschiedliche Aufheizprofile des Ka
talysators zu erzeugen. Die Diagnose wurde mit ηi = 20% und
ηf = 60% für die Konzentration von Kohlenwasserstoff (HC)
durchgeführt. Die Bestimmung der Kohlenwasserstoffkonzentra
tion stromauf und stromab des Katalysators erfolgte mit einem
Flammen-Ionisationsdetektor (FID). Es wurden zwei Katalysato
ren untersucht. Der neue Katalysator, Meßkurve 13, weist nach
Fahrzyklus FTP 75 eine Emission von 50 mgHC pro Meile auf.
Der gealterte Katalysator der Meßkurve 14 erreicht 100 mgHC
pro Meile. Die beiden Katalysatoren können mit dem erfin
dungsgemäßen Verfahren gut unterschieden werden, wie Fig. 5
zeigt.
In den bisher vorgestellten Ausführungsbeispielen sind zwei
Schadstoffkonzentrationsaufnehmer im Abgas erforderlich. Eine
kostengünstigere und deshalb bevorzugte Möglichkeit bietet
eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Mes
sung der Volumenkonzentration der Schadstoffkomponente nur
stromab dem Katalysator erfolgt. Ansonsten entspricht die
Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels der Vorrichtung der
Fig. 3. Zur Diagnose wird vorzugsweise die Wärme bestimmt,
die dem Katalysator zugeführt werden muß, um die Konzentrati
on [i]nach Kat. der zu überwachenden Schadstoffkomponente i von
einem Anfangswert [i]i auf einen Endwert [i]f zu senken. Da die
Konzentration, insbesondere die Volumenkonzentration, kein
Maß für die emittierte Schadstoffmenge ist, wird mit folgen
der Gleichung aus der Konzentration die Masse der Komponente
i bestimmt:
wobei Mi die Molmasse der Komponente i, Mabgas die Molmasse des
Abgases und alle anderen Bezeichnungen der der Gleichung (2)
entsprechen. Um den zeitlichen Verlauf der Energiezufuhr,
insbesondere Lasteinflüsse, zu berücksichtigen, wird massi
wie beim vorherigen Ausführungsbeispiel mit der mittleren
thermischen Energie Eth multipliziert. Das Produkt aus
massi.Eth ist wieder ein Maß für die Funktionsfähigkeit des
Katalysators. Beim Überschreiten eines Schwellwertes wird der
Katalysator als defekt erkannt. Um wiederum den thermischen
Randbedingungen des Systems Rechnung zu tragen, wird die Dia
gnoseschwelle als Funktion von Temperaturwerten der Brenn
kraftmaschine, wie z. B. Kühlwassertemperatur, Ansauglufttem
peratur, Außentemperatur oder Abgastemperatur der Brennkraft
maschine vor Inbetriebsetzung definiert und in einem Kennfeld
im Steuergerät 4 abgelegt. Das Fahrprofil eines mit der
Brennkraftmaschine ausgerüsteten Fahrzeuges kann während der
Diagnose wiederum durch einen geschwindigkeitsabhängigen Kor
rekturfaktor berücksichtigt werden.
In Fig. 7 sind Meßergebnisse dargestellt, die die Anwendung
des Verfahrens am Beispiel der Oxidation von Kohlenwasser
stoffen in einem Drei-Wege-Katalysator demonstrieren. Die
Messungen erfolgten auf einem Rollenprüfstand, der Aufbau
entspricht dem der Fig. 3 ohne den Schadstoffkonzentrations
aufnehmer 8 stromauf des Katalysators. Der Schadstoffkonzen
trationsaufnehmer 10 stromab des Katalysators 15 ist in die
sem Ausführungsbeispiel ein resistiver planarer Sensor. In
Test Nr. 1, 2 und 5 wurde ein neuer Katalysator, in den Tests
3, 4 und 6 der Fig. 7 wurde ein alter Katalysator untersucht.
In den Tests 1 und 2 bzw. 3 und 4 wurden aufeinanderfolgende
Fahrzyklen FTP 75 durchlaufen, anschließend an diese Tests
wurde im Test 5 bzw. 6 die Brennkraftmaschine 60 s im Leer
lauf gehalten. Wie zu sehen ist, überschreiten die Tests mit
dem gealterten Katalysator deutlich den Schwellwert von 110 g
kJ, während die Tests mit dem neuen Katalysator deutlich dar
unterliegende Werte zeigen. Dadurch ist es möglich, einen al
ten, nicht mehr funktionstüchtigen Katalysator von einem neu
en zu unterscheiden.
Das Ergebnis der Funktionsüberprüfung kann dem Führer der
Brennkraftmaschine 1 bzw. eines damit ausgerüsteten Fahrzeu
ges über eine Warnvorrichtung (nicht dargestellt) signali
siert werden. Alternativ kann das Steuergerät 4 einen Spei
cher (nicht gezeigt) aufweisen, in dem eine Aussage über die
Funktionsfähigkeit der Brennkraftmaschine 1 abgelegt wird, die
z. B. bei einer Wartung ausgelesen werden kann.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Messung der Abgastempera
tur im vorstehend geschilderten Verfahren durch eine modell
basierte Berechnung der Abgastemperatur aus Betriebskenngrö
ßen der Brennkraftmaschine ersetzt werden kann. Weiter sei
darauf hingewiesen, daß das Steuergerät 4 in das Betriebs
steuergerät der Brennkraftmaschine integriert oder ein eigen
ständiges Gerät sein kann.
Claims (32)
1. Verfahren zum Überwachen der Funktionsfähigkeit eines im
Abgasttrakt einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysa
tors, bei dem durch laufende Messungen während einer Aufheiz
phase des Katalysators eine für die Temperatur des Katalysa
tors charakteristische erste Größe sowie eine für den Konver
tierungsgrad des Katalysators charakteristische zweite Größe,
die von der ersten Größe abhängig ist, bestimmt werden und
eine von der Alterung des Katalysators verursachte Änderung
der Abhängigkeit der zweiten Größe von der ersten Größe zum
Überwachen der Funktionsfähigkeit des Katalysators benutzt
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als
erste Größe die Festkörpertemperatur des Katalysators verwen
det wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als
erste Größe die dem Katalysator zugeführte Wärme verwendet
wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
dem Katalysator zugeführte Wärme durch folgende Schritte be
stimmt wird:
- - Bestimmen der Abgastemperatur stromauf des Katalysators,
- - Bestimmen des dem Katalysator zugeführten Volumenstroms des Abgases und
- - Berechnung der dem Katalysator zugeführten Wärme aus Abga stemperatur, Volumenstrom und Wärmekapazität des Abgases.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß die dem Katalysator zugeführte Wärme nur
dann bestimmt wird, wenn nach einem Kaltstart der Brennkraft
maschine keine latente Wärme mehr zur Verdampfung von Konden
saten im Katalysator aufgenommen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Abgastemperatur stromauf des Katalysa
tors mittels eines Modells aus Betriebskenngrößen der Brenn
kraftmaschine berechnet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß als erste Größe ein Wert für die dem Kata
lysator zugeführte Wärme verwendet wird, der mit einem Kor
rekturfaktor hinsichtlich äußerer Einflüsse korrigiert wurde.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß als zweite Größe der Konvertierungsgrad
des Katalysators verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß zum Bestimmen der zweiten Größe die Kon
zentration mindestens einer Schadstoffkomponente im Abgas
stromab des Katalysators erfaßt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Konzentration der Schadstoffkomponente im Abgas auch
stromauf des Katalysators erfaßt und aus dem Konzentrations
unterschied der Konvertierungsgrad des Katalysators bestimmt
wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß als zweite Größe die Masse minde
stens einer Schadstoffkomponente im Abgas stromab des Kataly
sators verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Bestimmung der Masse folgende Schritte durchgeführt wer
den:
- - Bestimmen des dem Katalysator zugeführten Abgasvolumen stroms,
- - Umrechnung des Volumenstroms in einen Massenstrom und Be rechnung des Produktes aus Massenstrom und Konzentration der Schadstoffkomponente im Abgas stromab des Katalysators und
- - Integration dieses Produktes.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die Masse der Schadstoffkomponente im Ab
gas hinter dem Katalysator mit der ersten Größe multipliziert
wird und das hierdurch gebildete Produkt zur Überwachung der
Funktionsfähigkeit des Katalysators benutzt wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch
gekennzeichnet, daß die Abhängigkeit der zweiten Größe von
der ersten Größe an einem vorgegebenen Punkt bestimmt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
bei einem vorgegebenen Wert der ersten Größe ein Schwellwert
der zweiten Größe gesetzt wird, bei dessen Unterschreitung
eine unzureichende Funktionsfähigkeit des Katalysators diagno
stiziert wird, wobei der vorgegebene Wert der ersten Größe in
einem Bereich liegt, in dem eine Alterung des Katalysators
eine starke Änderung der zweiten Größe verursacht.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge
kennzeichnet, daß bei einem vorgegebenen Wert der zweiten
Größe ein Schwellwert der ersten Größe gesetzt wird, bei des
sen Überschreitung eine unzureichende Funktionsfähigkeit des
Katalysators diagnostiziert wird, wobei der vorgegebene Wert
der zweiten Größe in einem Bereich liegt, in dem eine Alte
rung des Katalysators eine starke Änderung der ersten Größe
verursacht.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Änderung der zweiten Größe in einem In
tervall der ersten Größe bestimmt wird und bei Unterschreiten
eines vorgegebenen Schwellwertes der zweiten Größe eine unzu
reichende Funktionsfähigkeit des Katalysators diagnostiziert
wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Änderung der ersten Größe in einem In
tervall der zweiten Größe bestimmt wird und bei Überschreiten
eines vorgegebenen Schwellwertes der Änderung der ersten Grö
ße eine unzureichende Funktionsfähigkeit des Katalysators
diagnostiziert wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß
die Änderung der ersten Größe vor Vergleich mit dem Schwell
wert noch mit dem Mittelwert der ersten Größe multipliziert
wird.
20. Vorrichtung zum Überwachen der Funktionsfähigkeit eines
im Abgastrakt (3) einer Brennkraftmaschine (1) angeordneten
Katalysators (15), mit
- - einer ersten Meßeinrichtung (5, 9, 12) zum Erfassen einer für die Temperatur des Katalysators charakteristischen ersten Größe während einer Aufheizphase,
- - einer zweiten Meßeinrichtung (8, 10) zum Erfassen einer für den Konvertierungsgrad des Katalysators charakteristischen zweiten Größe, die von der ersten Größe abhängig ist, während der Aufheizphase und
- - einem Steuergerät (4), das eine von der Alterung des Kata lysators verursachte Änderung der Abhängigkeit der zweiten Größe von der ersten Größe zum Überwachen der Funktionsfähig keit des Katalysators benutzt.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß
die erste Meßeinrichtung einen Temperaturaufnehmer (9) auf
weist, der die Festkörpertemperatur des Katalysators (15)
mißt.
22. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß
die erste Meßeinrichtung (5, 9, 12) die Abgastemperatur mißt
sowie Meßwerte liefert, aus denen der Abgasvolumenstrom be
stimmt werden kann.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß
die erste Meßeinrichtung (5, 9, 12) den Massenstrom der An
saugluft der Brennkraftmaschine (1), einen eventuell vorhan
denen Sekundärluftmassenstrom, der dem Abgasstrom stromauf
des Katalysators (15) zugemischt wird, und die Lambdazahl
mißt.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch
gekennzeichnet, daß dem Steuergerät (4) zur Überwachung des
Katalysators (15) benötigte Betriebskenngrößen der Brenn
kraftmaschine (1) zugeführt werden.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß
das Steuergerät (4) aus Betriebskenngrößen mittels eines Mo
dells die Abgastemperatur stromauf des Katalysators (15) be
rechnet.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch
gekennzeichnet, daß die zweite Meßeinrichtung (8, 10) einen
Meßaufnehmer (10) umfaßt, der die Konzentration mindestens
einer Schadstoffkomponente stromab des Katalysators (15)
mißt.
27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß
die zweite Meßeinrichtung (8, 10) einen Meßaufnehmer (8) auf
weist, der die Konzentration mindestens einer Schadstoffkom
ponente stromauf des Katalysators (15) mißt.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 27, dadurch
gekennzeichnet, daß das Steuergerät (4) in ein Betriebssteu
ergerät der Brennkraftmaschine (1) integriert ist.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 28, dadurch
gekennzeichnet, daß der Katalysator (15) ein Oxidationskata
lysator ist.
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 29, dadurch
gekennzeichnet, daß der Katalysator (15) ein Reduktionskata
lysator ist.
31. Vorrichtung nach Anspruch 20 bis 30, dadurch gekennzeich
net, daß das Steuergerät (4) mit einer Warneinrichtung ver
bunden ist, mittels der eine unzureichende Funktionsfähigkeit
des Katalysators (15) angezeigt wird.
32. Vorrichtung nach Anspruch 20 bis 31, dadurch gekennzeich
net, daß das Steuergerät (4) einen Speicher aufweist, der bei
der Wartung der Brennkraftmaschine (1) auslesbar ist und in
dem das Auftreten einer ungenügenden Funktion des Katalysa
tors (15) abspeicherbar ist.
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