DE19843461C2

DE19843461C2 - Verfahren zum computergestützten Konditionieren bzw. Altern eines Katalysators für das Auspuffsystem eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE19843461C2
Application number: DE19843461A
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Scott Hepburn; Douglas A Dobson; Robert Joseph Jerger
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 1997-10-01
Filing date: 1998-09-22
Publication date: 2002-01-24
Anticipated expiration: 2018-09-23
Also published as: GB2329853B; GB2329853A; GB9821233D0; JPH11159386A; US5998210A; DE19843461A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum computergestützten Konditionie ren bzw. Altem eines Katalysators für das Auspuffsystem eines Kraftfahrzeuges.

Für die vorliegende Erfindung ist voraussetzbar, daß bei der Produktion von Kraft fahrzeugen etwa ab 1994 damit begonnen wurde, bordeigene Regel- und Überwa chungsysteme auch für eine Diagnose von funktionsgestörten Komponenten einzu richten, die das Emissionsverhalten der Maschine bestimmen. Solche bordeigene System sind allgemein bekannt entweder als OBD-II (On-Board Diagnostics-II für den Staat Kalifornien) oder OBD (On-Board Diagnostics für die restlichen 49 Staa ten der USA). Eine sehr wichtige Komponente dieser Systeme befaßt sich dabei mit der Diagnose eines Katalysators. Für die Überwachung seines Wirkungsgrades besteht insoweit die Forderung, daß eine Funktionsstörung des Katalysators mit dem Erleuchten einer Lampe (MIL) anzuzeigen ist, sobald der Katalysator auf ein Leistungsniveau abfällt, bei welchem die HC Emissionen an dem Auspuffrohr ge mäß dem staatlichen Testverfahren (FTP) auf mehr als 0.40 gm/mi ansteigen relativ zu einem Grundniveau der Emission bzw. noch bevor die HC Emissionen den Wert von 0.60 gm/mi übersteigen. Gemäß den Forderungen in Kalifornien für Fahrzeuge mit niedrigen Emissionen muß eine Funktionsstörung des Katalysators auch dann bestimmt werden, wenn die HC Emissionen die Norm der anwendbaren methan freien organischen Substanz (NMOG) um das 1.75 fache übersteigen oder wenn der Wirkungsgrad der methanfreien Umwandlung von Kohlenwasserstoffen (NMHC) des überwachten Bereichs des Katalysatorsystems auf ein Niveau von weniger als 50% abfällt.

Über die letzen 5 bis 6 Jahre hat nun die Fahrzeugindustrie beträchtliche Mittel frei gesetzt, um verschiedene Kontrollgeräte zu entwickeln, die für die OBD- und für die OBD-II Diagnostik einsetzbar sind. Neben den diesbezüglichen Investitionen fallen noch beträchtliche Kosten an, um solche Kontrollgeräte ingenieurtechnisch zu kali brieren und zu erproben, dabei auch unter dem Vorzeichen, daß diese Kontrollge räte für verschiedene Maschinentypen eines Fahrzeuges zur Verfügung stehen sollen. Jede Veränderung der für einen Grundtyp einer Maschine vorgesehenen Hardware, der für eine Maschine vorbestimmten Betriebsstrategie oder auch der die Emissionen der Maschine bestimmenden Kalibrierung erfordert aber eine ange paßte und wiederholte Kalibrierung des vorgesehenen Kontrollgerätes, welches daneben auch noch beeinflußt wird von einer vorbestimmten Ausgestaltung des gesamten Auspuffsystems des betreffenden Fahrzeuges, von der Anordnung des Katalysators oder auch von der Formulierung einer für den Katalysator vorgesehe nen Auswaschbeschichtung, sodaß auch Veränderungen bei diesen Größen eine jeweilige Anpassung bei der Kalibrierung des betreffenden Kontrollgerätes erfor dern. Es erwächst also hier ein beträchtlicher Kostenfaktor, der häufig dazu führt, daß bei Veränderungen, die noch in letzter Minute veranlaßt werden, eine erneute Kalibrierung eines betroffenen Kontrollgerätes einfach unterlassen wird und daher solche Veränderungen letztendlich unberücksichtigt bleiben.

Die Kalibrierung eines für einen Katalysator vorgesehenen Kontrollgerätes ist auf die Verwendung der Hardware eines Schwellwert-Katalysators angewiesen. Unter einem solchen Schwellwert-Katalysator wird ein Katalysator verstanden, dessen Verhalten oder Aktivität auf einen Punkt abgebaut wird, welcher die FTP HC Emissionen an dem Auspuffrohr eines Fahrzeuges auf ein Niveau gleich oder sehr nahe dem Niveau abbaut, bei welchem die Kontrolleuchte des Regel- und Überwa chungssystems aktiviert werden muß.

Die Verfügbarkeit von Schwellwert-Katalysatoren für die Kalibrierung eines Kataly sator-Kontrollgerätes ist jedoch problematisch. Wenn feldgealterte Katalysatoren für die Konzipierung einer Schwellwert-Hardware verwendet werden sollen, dann müs sen dafür bereits benutzte Katalysatoren mit einem wirksamen Schwellwert-Niveau berücksichtigt werden. Ein entsprechender Schwellwert-Katalysator wurde bisher jedoch nur konzipiert für einen Katastrophenausfall, wobei vorausgesetzt werden kann, daß solche Schwellwert-Katalysatoren nur mit einer minimalen Anzahl zur Verfügung stehen. Daneben hat sich die Technologie der Auswaschbeschichtung eines Katalysators in den letzten Jahren beträchtlich verändert. Die Folge ist, daß sich die früheren Generationen der Katalysatoren wesentlich unterscheiden von der Technologie, die von den meisten Fahrzeugherstellern für die allernächste Zukunft eingeplant wird, sodaß auch unter diesem Aspekt die früheren Katalysatoren nicht für eine Kalibrierung eines Katalysator-Kontrollgerätes verwendet werden können.

Um einen feldgealterten Katalysator zu simulieren, sind seither Verfahren ange wendet worden, welche die Anordnung des Katalysators an einem Dynamometer der Maschine und die Indizierung von verschieden großen Fehlzündungen bein halten, um so daß Verhalten des Katalysators auf das Niveau eines vorbestimmten Schwellwertes abzubauen. Für diese Annäherung sind jedoch verschiedene Nach teile festgestellt worden. So ist es bsp. für die Bedingungen eines stetigen Fahrbe triebes schwierig, die benötigten mittleren Temperaturen zu erreichen, um den Ka talysator innerhalb einer vertretbaren Zeit auf das Niveau des gewünschten Wir kungsgrades abzubauen. Auch sind die Überlegungen bezüglich der Verfügbarkeit von Dynamometern und anderen Mitteln begrenzt, die für die Hardware eines Schwellwert-Katalysators bei dem Verfahren der Fehlzündungen benötigt werden.

Das bevorzugte Verfahren der Herstellung von Schwellwert-Katalysatoren ist das Altern in einem Ofen. Die Katalysator-Ziegel werden dabei von dem Katalysator- Gehäuse entfernt und in einem Ofen bei Temperaturen gebrannt, die zwischen 1000 und 1350°C liegen und für 2 bis 32 Stunden gehalten werden. Nach dem Al tern werden die Ziegel erneut in das Gehäuse des Katalysators eingebracht und an dem Fahrzeug installiert. Das Fahrzeug wird dann gewöhnlich über einige hundert Kilometer gefahren, um eine Stabilisierung des Katalysators zu erhalten, bevor mit dem Testen der Emissionen begonnen wird. Bei diesem Verfahren ist aber die Be stimmung der geeigneten Alterungszeit und der Alterungstemperatur schwierig, die für einen Abbau des Verhaltens des Katalysators auf ein vorbestimmtes Niveau be nötigt werden. Es werden daher oft mehrere schrittweise Annäherungen benötigt, um das gewünschte Niveau des Katalysator-Verhaltens zu erreichen. Sobald die Emissionsergebnisse für ein vorgegebenes Altern einmal erhalten wurden, wird dann entweder die Alterungszeit oder die Alterungstemperatur entsprechend einge stellt, um die Emissionen enger an das gewünschte Schwellwertniveau anzupas sen, wobei dafür generell etwa 2 bis 5 schrittweise Annäherungen benötigt werden. Bei dieser Verfahrensweise ergeben sich somit beträchtliche Zeitverzögerungen und Ungenauigkeiten für den OBD Kalibrierungsprozeß. Das Erfordernis für eine Anordnung des Katalysators an dem Fahrzeug für eine vorbestimmte Fortdauer zur Stabilisierung der Aktivität des Katalysators vergrößert außerdem noch zusätzlich die zeitlichen Vorgaben und die Kosten bei der Kalibrierung eines Katalysator- Kontrollgerätes.

Aus der DE 196 43 674 A1 ist eine Vorrichtung zur Ermittlung der Temperatur eines Katalysators bekannt, wobei dafür auch angegeben ist, daß eine solche Temperaturermittlung in eine Einrichtung zur Diagnostik von eventuellen Beschädigungen des Katalysators bei seiner Verwendung für ein Auspuffsystem eines Kraftfahrzeu ges eingegliedert ist. Die Temperaturermittlung ist differenziert in Bezug auf einen Kaltstart und einen Warmstart der Fahrzeugmaschinen, wobei insoweit entspre chende Bezugswärmemengen berücksichtigt werden, die eine Beurteilung an dem Vorhandensein oder an der Abwesenheit eines Kondensats in dem Katalysator er fahren unter Einbeziehung von vorbestimmten Laufbedingungen der Maschine. Die Temperaturermittlung des Katalysators, in welche auch eine Ermittlung der Kühl wassertemperatur und des Einlaßluftvolumens der Maschine optimal einbezogen werden soll, dient dabei dem Zweck, eine Funktionsfähigkeit des Katalysators vor hersagen zu können. Dabei wird die Vorgabe beachtet, daß der Katalysator bei ei ner zu niedrigen Temperatur funktionsunfähig ist und eine Bestimmung seiner Funktionfähigkeit nur durchgeführt werden kann, wenn die Temperatur wenigstens 400°C beträgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum computergestützten Konditionieren bzw. Altern eines Katalysators für das Auspuffsystem eines Kraft fahrzeuges bereitzustellen, welches bei gleichzeitiger Vermeidung der vorgeschil derten Nachteile der bisherigen Systeme zeitsparender durchführbar und gleichzei tig ein präziseres Altern eines Katalysators in einem Ofen erlauben soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Verfahren gemäß den durch die Patentansprüche gekennzeichneten Merkmalen.

Die Erfindung befaßt sich somit vorrangig mit einem Verfahren, bei welchem als ein Parameter für ein anfängliches Konditionieren bzw. Altern eines Katalysators eine vorbestimmte Alterungszeit und/oder eine vorbestimmte Alterungstemperatur aus gewählt wird. Auf der Grundlage dieses vorbestimmten Alterungsparameters wird daneben ein entsprechender Kinetikparameter ausgewählt, mit welchem die Oxida tion der durch den Katalysator zu katalysierenden Auspuffgase berücksichtigt wird, die überwiegend Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe enthalten. Auf der Grundlage des ausgewählten Kinetikparameters wird dann eine Vorhersage bezüg lich des Emissionsniveaus getroffen und wird ein Vergleich mit einem zugehörigen Sollwert vorgenommen, um so eine Aussage darüber zu erhalten, ob der anfänglich jeweils ausgewählte Alterungsparameter in der Beurteilung an einem vorbestimm ten Schwellwert noch für ein Konditionieren bzw. Altern des betreffenden Katalysa tors ausreicht oder als nicht ausreichend zu befinden ist. Das Verfahren wird dann damit abgerundet, daß der Katalysator in einem Ofen gemäß der Vorgabe des an fänglich vorbestimmten Alterungsparameters gealtert wird, wenn sich das vorherge sagte Emissionsniveau des Fahrzeuges bei dem festgelegten Schwellwert als aus reichend erweist. Nach der Beendigung der Alterung kann dann der Katalysator für ein bordeigenes Regel- und Überwachungssystem eines Fahrzeuges unmittelbar verwendet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren erweist sich als äußerst präzise und kostenspa rend und ist daneben verbunden mit einer erheblichen apparativen Verringerung des Aufwandes, insbesondere mit Rücksicht auf die jetzt bestehende Möglichkeit, daß der gealterte Katalysator nicht mehr für eine vorbestimmte Fortdauer mit unter schiedlichen Fahrbedingungen geprüft werden muß, bevor er für ein borgeigenes Regel- und Überwachungssystem eines Fahrzeuges wirksam eingesetzt werden kann.

Weiter Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles anhand der beigefügten Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Auspuffsystems eines Kraftfahrzeuges,

Fig. 2 ein Flußdiagramm für den Alterungsprozeß eines Kata lysators gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Altern eines Katalysators gemäß der vorliegenden Er findung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Testofens gemäß der vorliegenden Erfindung und

Fig. 5 ein Flußdiagramm eines Stabilisierungsprozesses zum Stabilisieren eines in einem Ofen gealterten Kataly sators gemäß der vorliegenden Erfindung.

Gemäß der Darstellung in Fig. 1 ist ein Auspuffsystem 10 eines Kraftfahrzeuges mit einer V-Maschine 12 verbunden. Das System 10 besteht aus Auspuffkrümmern 14 der Maschine 12 und einem ersten Auspuffrohr 16, das mit diesen Auspuffkrümmern verbunden ist. Für eine vereinfachte Darstellung ist nur ein einziges Auspuffsystem 10 gezeigt, welches mit einem ersten Katalysator 18 und mit einem zweiten Katalysator 22 gebildet ist, welche mit dem ersten Auspuffrohr 16 sowie untereinander über ein zweites Auspuffrohr 20 verbunden und über ein drit tes Auspuffrohr 24 an einen Auspufftopf 26 angeschlossen sind, der mit einem Auspuffrohr 28 versehen ist. Das gezeigte Auspuffsystem 10 ist lediglich beispielhaft angegeben und kann beliebig andere Ausführungsformen aufweisen.

Gemäß dem in Fig. 2 gezeigten Flußdiagramm wird für das Altern eines Katalysators zur Verwendung bei der Kalibrierung eines bordeigenen Diagnostik-Systems in der Ausführung eines Kon trollgerätes 30 für die Maschine 12 ein das Altern des Kata lysators vorhersagendes Verfahren 50 angewendet, mit welchem somit in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung das Zeit- und Temperaturerfordernis für ein gewünschtes Altern eines Katalysators vorhergesagt oder auch erhalten wird.

Gemäß diesem Verfahren werden in zwei Stufen 52 und 54 kine tische Parameter für eine Oxidation von Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO) für eine vorgegebene ausgewählte Alterungszeit und -temperatur im Ofen ausgewählt. In diesem Zusammenhang wird vorausgesetzt, daß die Formulierung des Katalysators spezifiziert ist, da die kinetischen Parameter für eine vorgegebene ausgewählte Alterungszeit und -tempera tur im Ofen stark abhängig sind von der Technologie einer Auswaschbeschichtung des Katalysators. Diese Information wird von einer kinetischen Datenbasis 55 erhalten.

Eine Information über das Katalysatorsystem des Fahrzeuges, wie bspw. die Ziegelgestaltung sowie auch die einzelnen Volu mina der Katalysatorziegel und deren Vorderflächen, wird in das Verfahren 50 in einer weiteren Stufe 56 eingeführt. Die tatsächlichen oder aktuellen Parameter des Fahrzeuges beim Gasgeben oder die Emissionsparameter der Maschine für einen FTP Test werden weiterhin ebenfalls in das Verfahren 50 in einer weiteren Stufe 58 eingegeben. Als typische Parameter, jedoch darauf nicht beschränkt, kommen hierbei die Konzentra tionen an HC und CO beim Gasgeben in Betracht ebenso wie das Mischungsverhältnis von Luft und Brennstoff bei dem Auspuffgas, die Einlaßtemperatur des Auspuffgases bei den Ziegeln des vorderen Katalysators und die volumetrische Fließrate der Auspuffgase als eine Funktion der Zeit.

Mit diesen Informationen wird dann in einer Stufe 60 ein Ka talysatormodell 62 für die Projektion oder Vorhersage der FTP HC Auspuffrohr-Emissionen benutzt in Übereinstimmung mit der Alterungszeit und -temperatur, die in den Stufen 52 und 54 ausgewählt wurde. Diese Vorhersage wird dann in einer Stufe 64 ausgegeben und wird in einer nächsten Stufe 66 verglichen mit einem Sollwert für ein gewünschtes Schwellwert-Emissions niveau. Wenn die vorhergesagten Emissionen an dem Auspuffrohr relativ nahe an dem Schwellwert liegen, und zwar bevorzugt in einem Bereich von angenähert 10%, dann geht das Verfahren in einer nachfolgenden Stufe 68 in eine Alterungsroutine im Ofen über, wo dann die durch das Verfahren abgeleitete spe zielle Alterungszeit und die Alterungstemperatur ausgegeben werden, um es einem Benutzer zu ermöglichen, einen Ofen zu programmieren, der einen zu alternden Katalysator enthält. Wie es aus der Darstellung in Fig. 3 ableitbar ist, können die spezifizierte Zeit und die Temperatur auch direkt an den Ofen abgegeben werden, in welchem in einer Stufe 70 die ge wünschte Ofentemperatur und in einer Stufe 72 die gewünschte Zeit eingestellt werden. Wenn jedoch in der Stufe 66 eine Übereinstimmung zwischen den vorhergesagten Emissionen an dem Auspuffrohr und dem gewünschten Schwellwert unzureichend ist, dann wird das Verfahren zurück zu der Stufe 54 umgesteuert, wo die kinetischen Konstanten entsprechend einer unterschied lichen Alterungszeit und -temperatur vernünftig gewählt wer den, um eine zweite schrittweise Annäherung zu erreichen. Diese Folge von Schritten wird durchgeführt, bis endlich eine gute Übereinstimmung zwischen den Emissionen an dem Auspuff rohr und dem gewünschten Niveau einer Schwellwert-Emission erhalten ist.

Gemäß der Darstellung in Fig. 4 wird für eine bevorzugte Aus führungsform des Verfahrens ein Computer 100 verwendet, der einen Mikroprozessor 102, einen Ein/Ausgang 104, ein elektro nisches Speichermedium für ein Speicher verschiedener Program me und einen herkömmlichen Datenbus aufweist. Das elektroni sche Speichermedium kann einen ROM Speicher 106, einen RAM Speicher 108 und einen KAM Speicher 110 umfassen, womit der Computer 100 zur Ausführung des Verfahrens 50 programmiert werden kann sowie gemäß einer alternativen Ausführungsform auch für eine Steuerung des Ofens 120, um damit ein Altern eines Katalysators 122 zu erreichen, der in diesem Ofen für eine vorbestimmte Zeit und eine vorbestimmte Dauer aufgenom men wird.

Das Katalysatormodell 62, das bei der vorliegenden Erfindung angewandt wird, kann mit den folgenden partiellen Differen zialgleichungen beschrieben werden. Ein dimensionsgerechter Energieausgleich, der an den Gas- und Feststoffasern des monolithischen Katalysatorsubstrats durchgeführt wird, ergibt die folgende Gleichung:

wobei
ε = katalysatorfreie Fraktion;
ρ_ex = Dichte des Auspuffgases;
C_pex = Wärmekapazität des Auspuffgases:
T_ex = Temperatur des Auspuffgases;
ν = Oberflächengeschwindigkeit des Auspuffgases;
h_a = Wärmeübertragungskoeffizient;
g_sa = geometrischer Oberflächenbereich des Substrats;
T_sub = Temperatur des Substrats.

wobei
ρ_sub = Dichte des Substratmaterials;
C_psub = Wärmekapazität des Substratmaterials;
k_sub = Wärmeleitfähigkeit des Substratmaterials;
ρ_cat = Beladung der Katalysator-Auswaschbeschichtung;
R i|rxn = Reaktionsrate für i;
ΔH i|rxn = Reaktionswärme für i;
R_cat = Radius des Katalysator-Substrats;
h_o = äußerer Wärmeübertragungskoeffizient;

Bei dieser Gleichung, wird die Wärmeleitfähigkeit der Gas phase vernachlässigt. Es wird angenommen, daß die Temperatur des Katalysator-Substrats in der Richtung senkrecht zu dem Fluß gleichförmig ist und daß der Wärmeverlust der äußeren Umgebung durch einen Gesamt-Wärmeübertragungskoeffizienten h_o geregelt wird. Weiterhin wird angenommen, daß die Fließver teilung über die Vorderseite des Katalysators gleichförmig ist. Darüber hinaus werden die Gleichungen 1 und 2 durch die folgenden Grenzbedingungen bestimmt:

T_ex(x = 0, t) = T_inlet(t) (3)

wobei

T_inlet = Gaseinlaßtemperatur

T_ex(x, t = 0) = 20°C (4)

T_sub(x, t = 0) = 20°C (5)

Der Massenausgleich, der für die verschiedenen Bestandteile in dem Füllgas und für die Phasen der Katalysator-Auswasch beschichtung durchgeführt wird, bestimmt sich weiterhin nach den folgenden Gleichungen:

wobei
c i|ex = Konzentration von i in dem Auspuffgas;
K_m = Massenübertragungskoeffizient;
c i|sub = Konzentration von i in dem Substrat.

Die Gleichungen 8 und 9 werden durch die folgenden Grenzbe dingungen bestimmt:

wobei
c i|inlet = Konzentration des Einlaßgases

Bei dieser Analyse wird die Diffusion der Gasphase nicht in Betracht gezogen. Die katalytischen Reaktionsraten werden durch die folgenden kinetischen Gleichungen angenähert:

wobei
k i|o = Präexponentialkonstante für i
E i|a = Aktivierungsenergie für i.

Die kinetischen Parameter k i|o und E i|a sind eine Funktion der Formulierung für die Katalysator-Auswaschbeschichtung und für das Alterungsrezept im Ofen und sie sind in der kinetischen Datenbasis enthalten, welche nachfolgend näher beschrieben wird. Es wird dabei nur ein Typ eines Kohlenwasserstoffs be rücksichtigt. Die verschiedenen NO_x Reaktionen mit HC, CO und H₂ werden ebenfalls nicht berücksichtigt. Auch wird an genommen, daß die H₂ Konzentration in den Auspuffgasen etwa gleich 1/3 der CO Konzentration ist:

Es wird außerdem vorausgesetzt, daß die Kinetik für die CO und die H₂ Oxidation gleich ist:

Für Katalysatorsysteme mit vielen Ziegeln, bei welchen die Ziegel in Reihen angeordnet und in getrennten Dosen verpackt sind, wird ein forciertes Konvektions-Wärmeübertragungsmodell für den Fluß innerhalb eines Rohres angewendet, um den Tempe raturabfall in dem Auspuffgas vorherzusagen, während es von dem Auslaß eines Ziegels zu dem Einlaß eines anderen Ziegels übergeht:

wobei
h_ip = innerer Wärmeübertragungkoeffizient für das Rohr;
ν_p = Geschwindigkeit des Auspuffgases in dem Rohr.

wobei
h_op= innerer Wärmeübertragungskoeffizient für das Rohr
R_p = Rohrradius;
T_w = Wandtemperatur des Rohres;
C_pw = Wärmekapazität der Rohrwand;
ρ_w = Dichte der Rohrwand;
δ_w = Dicke der Rohrwand;
k_w = thermische Leitfähigkeit der Rohrwand;
T_a = Umgebungstemperatur.

Die Grenzbedingungen für diese Gleichungen lauten wie folgt:

T_ex(x_p, t = 0) = 20°C (20)

T_ex(x_p = 0, t) = T_ex(x = l, t) (21)

T_W(x_p, t = 0) = 20°C (22)

wobei
x = Abstand entlang des Katalysator-Substrats;
x_p = Abstand entlang des Rohres.

Auch hier wird wieder die thermische Leitfähigkeit der Gas phase vernachlässigt und wird weiterhin angenommen, daß die Temperaturverteilung durch die Rohrwand gleichmäßig ist.

Die vorstehenden partiellen Differentialgleichungen werden numerisch integriert unter Anwendung von endlichen Differenz annäherungen für die partiellen Ableitungen in der x-Dimen sion durch das Linienverfahren. Es wird dann eine gewöhnliche Differentialgleichung-Integrationspackung für starre Systeme für eine Integration über der Zeit benutzt, wie bspw. die Livermore Solver for Ordinary Differential Equations (LSODE). Die Werte für die verschiedenen physikalischen Konstanten, die in den vorerwähnten Gleichungen enthalten sind, können von den Fachleuten unmittelbar bestimmt werden.

Die kinetischen Konstanten zur Verwendung in der kinetischen Datenbasis wurden entsprechend den verschiedenen Parametern für die Alterungskonditionierung im Ofen, also die Zeit und die Temperatur, bestimmt durch lichtfreie Momentanexperimente. Die lichtfreien Momentanexperimente wurden durchgeführt in einem Durchfluß-Laborreaktor 190, der in Fig. 4 schematisch gezeigt ist. Für diese Experimente wurde eine Katalysator probe 200 (Durchmesser 19.05 mm, Länge 25.4 mm) unterhalb einer erwärmten Zone eines Rohrofens 202 angeordnet. Die Kata lysatorprobe 200 befindet sich anfangs etwa auf Raumtempera tur. Ein synthetisches Auspuffgas, dargestellt durch den Pfeil F1 wird an der Katalysatorprobe 200 durch ein Rohr 204 hin durch mit einer Fließrate von etwa 3 Liter/Minute vorbeige strömt. Zur Bestimmung der CO Oxidationskinetik besteht das synthetische Auspuffgas aus 1.5% CO, 0.5% H₂ 1000 ppm NO_x, 0% CO₂, 10% H₂O, einer stöchiometrischen O₂ Menge und einem Rest an N₂. Um die HC Oxidationskinetik zu bestimmen, werden werden CO und H₂ in dem vorstehenden Gemisch ersetzt durch ein 1500 ppm Propylen (C₃H₆), und die O₂ Konzentration wird auf das passende stöchiometrische Niveau eingestellt. Zu einem Zeitpunkt Null wird ein Solenoidventil 205 betätigt, sodaß das synthethische Auspuffgasgemisch durch das Rohr 206 hindurchfließen kann und in den Ofen 202 und zu der Kataly satorprobe 200 gelangt. Das entsprechende Profil der Kataly sator-Einlaßtemperatur wird durch ein Thermoelement 208 er faßt, und es wird dann mittels der Auspuffgas-Analysatoren die Umwandlungsleistung 210 entweder von CO oder von HC als eine Funktion der Zeit gemessen. Die Katalysatorprobe 200 wird generell in dem synthetischen Auspuffgas bei einer Temperatur von 600°C über eine Dauer von etwa einer Stunde konditioniert, um die Katalysatoroberfläche vor der Durch führung der lichtfreien Momentantests zu stabilisieren.

Weil die Kinetik der CO und HC Oxidation jeweils beschrieben wird durch zwei kinetische Parameter (siehe Gleichungen 13-15), werden die Daten von zwei lichtfreien Momentanexperimen ten, welche zwei verschiedenen Katalysator-Einlaßtemperatur- Profilen entsprechen, benötigt, um k i|o und E i|a zu bestimmen. Das Einlaßtemperatur-Profil für den Katalysator wird durch die Ofentemperatur bestimmt. Um die Genauigkeit der Bestim mung von k i|o und E i|a zu vergrößern, werden die Katalysator- Einlaßtemperaturprofile für eine Maximierung des Unterschiedes der lichtfreien Zeiten zwischen zwei Experimenten eingestellt. Die Bestimmung dieser beiden Parameter benötigt die Anwendung des momentanen Katalysatormodells 62, welches oben unter Bezugnahme auf die Gleichungen 1 bis 17 beschrieben wurde.

Die passenden Parameter, die mit dem lichtfreien Momentantext verknüpft sind, wie bspw. die Fließrate, die Katalysator größe, die Konzentrationen des Einlaßgases und das Profil der Einlaßtemperatur, werden mit dem Modell 62 berücksichtigt. Die Parameter k i|o und E i|a werden bestimmt durch ein Einpaßen der Ergebnisse des Modells 62 in die experimentellen Daten. Dieses Verfahren wird wie folgt zusammengefaßt für einen Satz von lichtfreien Momentanergebnissen entsprechend einem Expe riment mit einem hohen Temperaturprofil (HTP) und einem nie drigen Temperaturprofil (LPT). Zuerst wird mit einem LTP Lauf gestartet, bei welchem k i|o eingestellt wird für die Erreich barkeit einer besten Übereinstimmung zwischen den experimen tellen Daten und der Vorhersage durch das Modell, während E i|a konstant gehalten wird. Es würde dann dasselbe E i|a zusammen mit dem Wert verwendet, der gerade für k i|o bestimmt wurde, um die experimentellen Daten und die Modellvorhersage für den HTP Lauf zu vergleichen. Wenn der absolute Fehler positiv ist, womit impliziert wird, daß die durch das Modell vorher gesagte Lichtfreiheit langsamer ist als die experimentellen Daten, dann wird E i|a vergrößert. Wenn andererseits der abso lute Fehler negativ ist, dann wird E i|a verkleinert. Das Ver fahren wird dann mit einem neuen Wert für E i|a wiederholt.

Die schrittweise Annäherung wird dann fortgesetzt, bis ein akzeptierbares Fehlerniveau zwischen den Modellvorhersagen und den experimentellen Daten erreicht ist. Die experimentel len Daten können verhältnismäßig gut für jede Vorgabe von E i|a eingepaßt werden lediglich durch eine Justierung von k i|o. Es schafft jedoch nur eine Kombination der beiden Werte k i|o und E i|a eine relativ gute Übereinstimmung mit den experimentel len Daten aus dem HTP Lauf.

Mit einer abschließenden Bezugnahme auf die Fig. 3 und 5 wird jetzt noch ein Verfahren zum Stabilisieren der Aktivität eines Katalysators beschrieben, der gemäß dem vorbeschriebe nen Verfahren gealtert wurde. In einer Stufe 300 wird der in einem Ofen gealterte Katalysator in den Ofen 120 eingebracht bzw. es kann alternativ auch eine Retortenkammer mit einer geregelten Umgebung verwendet werden. Der Ofen wird dann in einer Stufe 302 auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt, vorzugsweise auf etwa 600°C. Der Katalysator 122 verbleibt in dem Ofen 120 für eine vorbestimmte Zeitdauer, vorzugsweise für etwa 12 Stunden, wie gezeigt für die Stufe 304. Ein stöchio metrisches Auspuffgas F₂ fließt kontinuierlich durch den Ofen 120, wie gezeigt für die Stufe 306. Das stöchiometrische Auspuffgas kann von einer kleinen Verbrennungskraftmaschine erzeugt sein oder auch von einem Labor-Vergasungsbrenner mit einer Impulsflamme bzw. einem einfachen Brenner, oder es kann sich dabei auch um ein synthetisches Gemisch handeln, das aus einem H₂O, CO₂, CO, HC und O₂ in Stickstoff enthaltenden Ge misch besteht. Andere Verfahren zur Erzeugung eines stöchiome trischen Auspuffgases sind allgemein bekannt und müssen daher nicht besonders erwähnt werden.

Claims

1. Verfahren zum computergestützten Konditionieren bzw. Altern eines Kataly sators für das Auspuffsystem eines Kraftfahrzeuges gemäß den Stufen

- Auswahl einer vorbestimmten Alterungszeit und/oder einer vorbestimmten Al terungstemperatur als ein anfänglicher Parameter für ein Konditionieren bzw. Altern des Katalysators;
- Auswahl eines entsprechenden Kinetikparameters auf der Grundlage des aus gewählten anfänglichen Katalysator-Konditionierung- bzw. Alterungsparame ters für eine Oxidation der durch den Katalysator zu katalysierenden, Kohlen monoxid und Kohlenwasserstoffe enthaltenden Auspuffgase des Kraftfahrzeu ges.
- Vorhersage eines Emissionsniveaus des Kraftfahrzeuges auf der Grundlage des ausgewählten Kinetikparameters für die aus dem Katalysator abströmen den Auspuffgase, wobei die Auswahl des Kinetikparameters wenigstens unter einem der Werte für die Konzentration des Kohlenmonoxids und der Kohlen wasserstoffe in den Auspuffgasen des Kraftfahrzeuges sowie der Temperatur und der Strömungsrate der Auspuffgase vorgenommen wird;
- Vergleich des vorhergesagten Emissionsniveaus des Kraftfahrzeuges mit ei nem Sollwert;
- Beurteilung des ausgewählten anfänglichen Katalysator-Konditionierung- bzw. Alterungsparameters an einem betreffenden vorbestimmten Schwellwert als ausreichend oder nicht ausreichend für ein Konditionieren bzw. Altern des Ka talysators;
- Alterung des Katalysators in einem Ofen auf der Grundlage der anfänglich vor bestimmten Alterungszeit und/oder der vorbestimmten Alterungstemperatur, wenn sich das vorhergesagte Emissionsniveau des Kraftfahrzeuges bei dem festgelegten Schwellwert als ausreichend erweist; und
- Verwendung des konditionierten bzw. gealterten Katalysators für ein bordeige nes Regel- und Überwachungssystem des Kraftfahrzeuges.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Beurteilung der Bedingungen für ein Konditionieren bzw. Altem des Katalysators mit wiederholt neu ausge wählten Konditionierungs- bzw. Alterungs- und Kinetikparametern vorgenom men wird, bis sich das vorhergesagte Emissionsniveau des Kraftfahrzeuges bei dem festgelegten Schwellwert als ausreichend erweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem für die Vorhersage des Emis sionsniveaus des Kraftfahrzeuges die physikalischen Eigenschaften des zu konditionierenden bzw. zu alternden Katalysators bestimmt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem für die Vorhersage des Emissionsniveaus des Kraftfahrzeuges ein Parameter für die durch den Katalysator zu katalysierenden Auspuffgase ausgewählt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem der konditionierte bzw. gealterte Katalysator durch Reaktion mit einem Reaktionsparameter sta bilisiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem die Reaktion des Katalysators mit einem stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Gemisch durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem mit dem Konditio nieren bzw. Altern des Katalysators begonnen wird, wenn das vorhergesagte Emissionsniveau etwa 10% seines Sollwertes beträgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem die vorbestimmte Alterungstemperatur mit etwa 600°C und die vorbestimmte Alterungszeit mit etwa 12 Stunden ausgewählt wird.