DE19850338C2 - Verfahren und Einrichtung zur Kontrolle und Beobachtung der Alterung eines Katalysators im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen und des Schadstoffausstoßes - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zur Kontrolle und Beobachtung der Alterung eines Katalysators im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen und des Schadstoffausstoßes

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Kontrolle und Beobachtung der Alterung eines Katalysators im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, und zur Registrierung der Zeiten des größten Schadstoffausstoßes der Verbrennungskraftmaschine.
Katalysatoren im Abgassystem von Verbrennungskraftmaschinen beginnen erst nach Erreichen einer relativ hohen Arbeitstemperatur die Schadstoffe im Abgas, also Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide, weitgehend in unschädliche Stoffe umzuwandeln. Im ersten Zeitintervall nach dem Starten der Verbrennungskraftmaschine können die Schadstoffe prak­ tisch ungehindert den Katalysator passieren. Deshalb sehen die neueren Abgasbestimmungen Meßzyklen vor, die besonders Kalt- und Warmstartphasen einschließen. Es zeigt sich dabei, daß vom Kohlenwasserstoffausstoß während solcher Meßzyklen der Hauptteil während der Kaltstartphasen anfällt. Um den Schadstoffausstoß zu verkleinern, muß also besonders eine niedrige "Anspringtemperatur" des Katalysators und damit nach dem Starten eine möglichst kurze "Anspringzeit" ohne Abgasreinigung angestrebt werden. Zur Verkürzung der Anspringzeit gibt es bereits viele Vorschläge.
Zur Kontrolle der Arbeit des Katalysators durch OBD (on board diagnose) werden viele Versu­ che mit Sensoren insbesondere für Kohlenwasserstoffe (CHx) und für Stickoxide (NOx) ge­ macht. Messungen mit aufwendigen Meßsystemen (mit Flammenionisationsdetektoren: FID) zeigen jedoch, daß hinter kommerziellen heißen neuen oder bereits längere Zeit genutzten Ab­ gaskatalysatoren zumindest die CHx-Konzentrationen außerordentlich klein sind. Sie lassen sich hier selbst mit dem FID nicht völlig sicher messen und noch weniger mit den bisher bekannten Sensoren für CHx oder NOx quantitativ bestimmen. Daher ist es auch schwer möglich, mit solchen Mitteln etwa am allmählichen Anstieg der CHx-Konzentration im Abgas hinter dem Katalysator dessen Alterung zu verfolgen.
Zur Einschätzung der Alterung von Abgaskatalysatoren sind eine Reihe von Verfahren vorge­ schlagen worden, bei denen die Schadstoffkonzentrationen im Abgas nicht direkt gemessen werden. Häufig wird nicht nur mit einer Lambdasonde, die ein Sauerstoffsensor ist, vor dem Katalysator das nötige Pendeln zwischen fett und mager der Kraftstoffzufuhr geregelt, sondern mit einer zweiten Lambdasonde hinter dem Katalysator auch dessen Wirkung verfolgt (deutsche Offenlegungsschriften: 23 04 622, 24 44 334, 35 00 594, 41 39 560, 42 11 116, 43 37 793). Dabei werden, um die Funk­ tionsfähigkeit des Katalysators einschätzen zu können, bestimmte Beschickungsprogramme auf das Katalysatorsystem und verschiedene Verknüpfungen der Signale angewendet. Weiterhin wurde vorgeschlagen, die Katalysatoraktivität mit je einem Temperaturfühler kurz vor und in­ nerhalb des Katalysators zu kontrollieren (DE 26 43 739 A1). Diese Vorschläge beziehen sich in der Regel auf den Betriebszustand des Katalysatorsystems und erbringen zum Anspringen des Katalysators keine direkte Aussage.
DE 196 43 674 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der Temperatur eines Abgas- Katalysators. Dabei wird die Temperatur des Katalysators mit einem speziellen Verfahren nicht gemessen sondern lediglich abgeschätzt. Die Abschätzung der Katalysatortemperatur basiert auf einer Feststellung, ob der Motor ausgehend von einem Kalt- oder einem Warmstart betrie­ ben wird, wobei eine eventuelle Kondensation von Wasser im Katalysator ausgenutzt wird. Ein Temperaturfühler zur Erfassung der Katalysatortemperatur ist nicht vorhanden.
DE 195 41 903 A1 beschreibt ein Überwachungssystem für die Abgasreinigung einer Brenn­ kraftmaschine. Hier wird eine erste Lambda-Sonde stromaufwärts und eine zweite, beheizbare Lambda-Sonde stromabwärts eines Katalysators angeordnet, wobei die erste Lambda-Sonde für die Regelung der Abgaszusammensetzung dient und die zweite ausgehend von einem Kalt­ start unbeheizt nicht für eine Sauerstoffmessung, sondern lediglich zur Bestimmung der Ab­ gastemperatur verwendet wird. Die so bestimmte Temperatur stellt ein Maß für die zu diagnos­ tizierende Umsatzrate des Katalysators im Anspringvorgang dar. Eine Bestimmung der Gaszu­ sammensetzung nach dem Katalysator ist in der Kaltstartphase nicht vorgesehen. Auch ein Temperaturfühler, der direkt die Temperatur des Katalysators erfassen kann, ist nicht vorhan­ den.
DE 195 37 363 A1 betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Überwachung des Betriebsver­ haltens von Kohlenwasserstoffemissionsauffangvorrichtungen von Motoren. Die in der Kalt­ startphase entstehenden Kohlenwasserstoffe werden durch die Auffangvorrichtung bereits aus dem Abgas entfernt, bevor der Katalysator seine Anspringtemperatur erreicht. Eine Bestimmung der Anspringtemperatur des Katalysators bzw. die Erfassung einer Katalysatoralterung ist nicht vorgesehen.
Die Alterung des Abgaskatalysators macht sich aber insbesondere am Anstieg seiner An­ springtemperatur und damit auch der Anspringzeit bemerkbar. Deshalb wurde bereits vorge­ schlagen, die Anspringtemperatur des Katalysators zu ermitteln und damit die Funktionsfähig­ keit des Katalysators zu beurteilen. Dabei geht man davon aus, daß die Temperatur im Abgas­ katalysator rascher ansteigt, sobald darin die Konvertierung beginnt, so daß man die Anspring­ temperatur sowie die Zeitspanne bis zum Beginn der Konvertierung unmittelbar aus der Tempe­ ratur-Zeit-Kurve ablesen und mit vorgegebenen Schwellenwerten vergleichen kann (DE 42 11 092 A1). Allerdings bildet sich die Anspringtemperatur in der Temperatur-Zeit-Kurve gar nicht scharf ab; sie wird möglicherweise durch endotherme Desorptionsprozesse während des An­ springens verwischt. Mit dem allmählichen Altem des Katalysators wird die Anspringtemperatur immer weniger gut erkennbar.
DE 43 30 997 A1 beschreibt ein Verfahren zur Überwachung des Anspringverhaltens eines Katalysatorsystems in einem Kraftfahrzeug. Dabei wird das Konvertierungsvermögen des Ka­ talysators bestimmt, indem ein Temperaturverlauf ermittelt wird, der sich ergibt, wenn dem Ka­ talysator ein Gemisch aus Luft und unverbranntem Kraftstoff zugeführt wird. Dieses Verfahren wird nicht während des Anspringens des Katalysators durchgeführt, sondern erst später bei voll betriebsbereitem Katalysatorsystem. Die Temperaturerhöhung des Katalysators, die sich auf­ grund der Verbrennungsreaktion im heißen Katalysator wegen der Zuführung des Luft-/Kraft­ stoffgemisches einstellt, wird mit einem Temperaturfühler erfaßt und ausgewertet. Die Sauer­ stoffsensoren werden zur Durchführung dieses Verfahrens nicht benötigt.
Als allmählicher Vorgang läßt sich das Altem bis zu dem Punkt, an dem man den Katalysator für funktionsunfähig erklärt, mit den bisher bekannten Verfahren nicht verfolgen.
Auf Motorprüfständen kann man das Anspringen des Katalysators mit Hilfe teurer stationärer FID-Geräte am drastischen Abfall der CHx-Konzentration im Abgas deutlich beobachten. An Bord von Fahrzeugen sind entsprechende wiederholte zuverlässige Beobachtungen zur Kon­ trolle der Alterung des Abgaskatalysators und der Schadstoffemission mit einfachen Mitteln bis­ her nicht möglich.
Gattungsgemäß betrifft DE 197 58 154 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwa­ chung der Leistung eines Katalysators. Dabei mißt ein stromabwärts zum Katalysator positio­ nierter Kohlenwasserstoffsensor die Kohlenwasserstoffkonzentration im Abgas einmal vor Er­ reichen der Betriebstemperatur und einmal nach einer vorgegebenen Zeit nach Erreichen der Betriebstemperatur des Katalysators. Mit der Kohlenwasserstoff-Konzentration vor und nach Erreichen der Betriebstemperatur des Katalysators wird der Katalysatorwirkungsgrad bestimmt, wofür die dem Katalysatormaterial zugeführte Gesamtenergie und die Temperatur des Abgases berechnet werden. Die Anspringzeit des Katalysators wird nicht ermittelt. Da kein Temperatur­ fühler vorgesehen ist, kann auch die Anspringtemperatur des Katalysators nicht ermittelt wer­ den.
Es stellt sich die Aufgabe, die dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile zu beseitigen, insbesondere, ein Verfahren mit der zugehörigen Einrichtung anzugeben, mit dem man die Alte­ rung von Abgaskatalysatoren nicht nur gelegentlich, sondern in ihrem ganzen allmählichen Verlauf kontrollieren kann und das zugleich zu einer Größe führt, die charakteristisch für einzel­ ne Startphasen oder für die Summe der in den Startphasen ausgestoßenen Schadstoffe ist.
Diese Aufgabe wird für das Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß nach Anlassen der Verbrennungskraftmaschine
  • - im Abgas hinter dem Katalysator ein Anspringen des Katalysators durch einen Sensor für Sauerstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf oder brennbare Stoffe festgestellt wird, wobei eine Signaländerung infolge einer sprunghaften Änderung der Konzentration des Stoffes oder Stoffgemisches, für den der Sensor empfindlich ist, verwendet wird,
  • - eine Anspringzeit des Katalysators als die Zeit zwischen dem Anlassen der Verbrennungs­ kraftmaschine und dem Auftreten der Signaländerung erfaßt wird,
  • - zum Zeitpunkt der Signaländerung des Sensors eine Temperatur des Katalysators mittels eines Temperaturmeßfühlers im oder am Katalysator erfaßt wird, und daß
  • - diese erfaßte Temperatur als Anspringtemperatur des Katalysators verwendet wird.
Bevorzugt werden die sensorindizierte Anspringtemperatur sowie auch die Anspringzeit an Bord und/oder extern in Werkstätten oder Kontrollstationen auslesbar gemacht.
Die sensorindizierte Anspringtemperatur sowie auch die Anspringzeit werden extern in Werk­ stätten oder Kontrollstationen gemessen und/oder im Kraftfahrzeug ermittelt und an Bord ange­ zeigt. Vorteilhafterweise werden die nach jedem Anlassen ermittelten Werte fortlaufend an Bord gespeichert und zu Aussagen über Alterung und Schadstoffausstoß verarbeitet.
Die Anspringtemperatur wird bevorzugt genau an dem Zeitpunkt gemessen, an dem die Ände­ rung der Konzentration des mit dem Sensor erfaßten Stoffes oder Stoffgemisches im Abgas durch einen Extremwert geht, wobei dieser Extremwert durch Bildung der Differenzen der in gleichkurzen Zeitabständen direkt gemessenen Sensorsignale oder daraus berechneten ma­ thematischen Ausdrücke oder damit berechneten Konzentrationen erhalten werden kann.
Vorteilhaft ist es, wenn als Sensor für die Bestimmung des Anspringens des Katalysators ein Sauerstoffsensor verwendet wird, bei dem die katalytische Aktivität des Meßfühlers kleiner als die gebräuchlicher Lambdasonden ist. Insbesondere ist es zweckmäßig, daß der verwendete Sauerstoffsensor auf eine Temperatur gebracht wird, bei der seine Brenngassensitivität kleiner als seine Sauerstoffsensitivität ist.
Als Sensor verwendet man vorzugsweise einen, bei dem die Zeit vom Anlassen der Verbren­ nungskraftmaschine und gleichzeitigem Anschalten einer Sensorheizung bis zum Erreichen der Betriebstemperatur des Sensors kleiner als die Anspringzeit des Katalysators ist. Einen Sensor also, der eine kürzere Zeit zur Heizung auf Betriebstemperatur benötigt als der Abgaskatalysa­ tor und der den Konzentrationsänderungen sofort sehr schnell folgen kann. Falls solche Vor­ aussetzungen nicht gegeben sind, ist die Aufheizung des Sensors auf seine Betriebstemperatur jeweils vor dem Anlassen vorzusehen. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß die Behei­ zung des Sensors vor dem Anlassen der Verbrennungskraftmaschine eingeschaltet wird.
Vorteilhaft ist es weiterhin, daß der Temperaturmeßfühler und/oder der Sensor nur zeitweilig für einzelne Kontrollmessungen in einem Kraftfahrzeug in Positionen zur Ermittlung der Anspring­ temperatur und/oder Anspringzeit des Katalysators gebracht werden oder daß der Tempera­ turmeßfühler und/oder der Sensor fest im Kraftfahrzeug installiert sind und damit jeweils nach dem Anlassen der Verbrennungskraftmaschine an Bord die Anspringtemperatur und/oder An­ springzeit ermittelt und gespeichert werden.
Zweckmäßig wird die Erhöhung der Anspringtemperatur des Katalysators über die Anspring­ temperatur des neuen Katalysators als ein die Alterung des Katalysators charakterisierender Wert verwendet oder das Mittel mehrerer (beispielsweise 5 bis 10) nacheinander gemessener Anspringtemperaturen wird gebildet und die Erhöhung dieses Mittelwertes über den Mittelwert am Anfang der Nutzung des neuen Katalysators als ein die Alterung des Katalysators charakte­ risierender Wert verwendet.
Die Zeit vom Anlassen der Verbrennungskraftmaschine bis zum Anspringen des Abgaskataly­ sators hängt stark von der Temperatur des Katalysators im Moment des Anlassens der Maschi­ ne ab. Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber weiterhin dadurch vorteilhaft zu betreiben, daß nur die Zeiten vom Durchlaufen einer festgelegten unteren Temperatur des Katalysators bis zum Erreichen der Anspringtemperatur des Katalysators gegenüber dieser Zeit bei dem neuen Katalysator als "basisnormierte Anspringzeiten" zur Charakterisierung der Alterung des Katalysators verwendet werden, wobei als untere Temperatur ein Wert 20 bis 100 Kelvin über dem Jahresmittel der Umgebungstemperatur im Einsatzgebiet des Kraftfahrzeugs festgelegt wird, oder daß allein oder zusätzlich das Mittel mehrerer (beispielsweise 5 bis 10) basisnor­ mierter Anspringzeiten des Katalysators gebildet und die Zunahme des Mittelwertes der basis­ normierten Anspringzeiten gegenüber dem Mittelwert am Anfang der Nutzungen des neuen Katalysators gemessenen basisnormierten Anspringzeiten als ein die Alterung des Katalysators charakterisierender Wert verwendet wird.
Zweckmäßig werden die Messungen zur Verfahrensdurchführung nur ausgelöst, wenn die Temperatur des Katalysators eine untere Temperatur, die so festgelegt ist, daß die Aufheizzeit des verwendeten Sensors jedenfalls kürzer als die Anspringzeit des Katalysators ist, nicht über­ schreitet.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Summe aller gemessenen und gespeicherten vollen Anspringzeiten gebildet und als ein für den Hauptteil der Schadstoffemission charakteristischer Wert an Bord gespeichert und dort und/oder in einer Werkstatt oder Kontrollstation lesbar gemacht wird und daß diese Summe durch die seit Beginn der Messungen von dem Kraftfahrzeug gefahrene Strecke dividiert und damit ein für die Nutzung des betreffenden Kraftfahrzeugs charakteristischer Wert gewonnen wird.
Für die Schonung des Gassensors ist es zweckmäßig, daß seine Beheizung nach Nutzung in der Startphase der Verbrennungskraftmaschine abgeschaltet oder reduziert wird.
Die Aufgabe wird für die Einrichtung dadurch gelöst, daß Signalleitungen eines (an einem ge­ eigneten Ort) im oder am Katalysator positionierten Temperaturmeßfühlers und eines hinter dem Katalysator positionierten Sensors für Sauerstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf oder brenn­ bare Stoffe im Abgas sowie eine ein Signal beim Anlassen der Verbrennungskraftmaschine übermittelnde elektrische Leitung verbunden sind mit einer externen oder im Kraftfahrzeug in­ stallierten Auswerte- und Recheneinheit, die die Anspringtemperatur und/oder die Anspringzeit und/oder die basisnormierte Anspringzeit des Katalysators gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt, diese Werte speichert und/oder an ein externes Kontrollgerät und/oder an ein Bordinstrument mindestens ein Signal zur Anzeige weiterleitet, das für die Alterung des Katalysators und/oder den Schadstoffausstoß charakteristisch ist.
Zweckmäßig ist es, daß der Temperaturmeßfühler und/oder der Sensor sowie die Auswerte- und Recheneinheit als Einzelteile für den Einsatz an verschiedenen Kraftfahrzeugen ausgeführt sind, wenn nur gelegentliche Kontrollen vorgesehen sind, oder daß der Temperaturmeßfühler und der Sensor sowie die Auswerte- und Recheneinheit mit Speichern für ermittelte Kenndaten fest im Kraftfahrzeug installiert sind, insbesondere, daß die Auswerte- und Recheneinheit in einen an Bord des Fahrzeugs befindlichen Computer integriert ist.
Weitere erfindungsgemäße Einzelheiten des Verfahrens und der Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ein großer Vorteil des beschriebenen Verfahrens besteht darin, daß wichtige Daten zur Alte­ rung des Abgaskatalysators, zur Schadstoffemission und zu einem Aspekt der Nutzung des Fahrzeugs mit Verbrennungskraftmaschine, auf das es angewandt wird, mit Hilfe bereits relativ gut bekannter Sensoren und durch Anwendung im Prinzip bekannter Rechentechnik gewonnen werden. Dadurch ist das Verfahren relativ leicht unter Nutzung gegebener Erfahrungen reali­ sierbar.
Ein weiterer großer Vorteil besteht darin, daß das Verfahren von Werkstätten und Kontroll­ stationen auf Fahrzeuge angewendet werden kann, in denen kein entsprechendes Meßsystem installiert ist. Andererseits gestattet das Verfahren bei Einbau der Einrichtung ins Fahrzeug eine komfortable ständige Kontrolle des Abgassystems durch den Fahrzeugbetreiber.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen erläutert.
In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 Meßergebnisse, wie sie auf Motorprüfständen anfallen,
Fig. 2 schematisch die Verknüpfung der Elemente zur Durchführung des Verfahrens an einem Fahrzeug ohne installierte Einrichtung und
Fig. 3 schematisch die Verknüpfung der Elemente zur Durchführung des Verfahrens bei im Fahrzeug installierter Einrichtung.
In Fig. 1 ist ein Beispiel für den Verlauf der Konzentrationen des Sauerstoffs (O2), des Kohlen­ dioxids (CO2) und des Kohlenwasserstoffs Propan (C3H8) in den ersten 500 Sekunden nach dem Anlassen der Verbrennungskraftmaschine dargestellt. Weiterhin ist der Verlauf der Celsi­ us-Temperatur ϑ im Abgaskatalysator während dieser Zeit eingezeichnet. Man erkennt, daß bereits nach kurzer Zeit die Sauerstoffkonzentration unter den Wert in Luft (20,6 Vol.-%) sinkt und die Konzentration des Kohlendioxids weit über den Wert in Luft (0,036 Vol.-%) ansteigt, was eine entsprechende Teilverbrennung in den sich rasch erhitzenden Zylindern der Verbren­ nungskraftmaschine anzeigt. Nach einer weiteren Zeit treten sprunghafte Änderungen der ge­ messenen Konzentrationen des Sauerstoffs, des Kohlendioxids und des Propans ein. Für die Konzentrationen sind unterschiedliche Maßstäbe gewählt worden, wodurch sich in Fig. 1 unter­ schiedlich große Konzentrationssprünge ergeben. Wesentlich ist, daß außer der scharfen Ände­ rung der Konzentration des Kohlenwasserstoffs zum selben Zeitpunkt auch sprunghafte Ände­ rungen der O2- und CO2-Konzentration deutlich sind. Zweifellos markieren alle drei Konzentrati­ onssprünge denselben Vorgang, nämlich das Anspringen des Abgaskatalysators. Aus der Temperatur-Zeit-Kurve ist der Moment dieses Anspringens nicht deutlich erkennbar. Die An­ springtemperatur ϑA wird jedoch exakt mit der Anspringzeit tA erhalten, die sich mit den Sprün­ gen der Sensorsignale oder der damit berechneten Konzentrationen ergibt. Im vorliegenden Beispiel liegt ϑA bei 310°C und tA bei 162 s. Diese Werte ergeben sich mit dem Verlauf der O2- und CO2-Konzentration ebenso wie mit dem Verlauf der C3H8-Konzentration. Es wurde also gefunden, daß sich Anspringtemperatur und Anspringzeit des Abgaskatalysators mit O2- und CO2-Sensoren prinzipiell ebensogut wie mit Kohlerwasserstoff-Sensoren ermitteln lassen. Auch die Summe der Konzentrationen brennbarer Stoffe oder die Restverbrennungsenthalpie des Abgases am Meßpunkt hinter dem Abgaskatalysator und weiterhin die Konzentration des Was­ serdampfs im Abgas ändern sich zum selben Zeitpunkt infolge der im Abgaskatalysator einset­ zenden Nachverbrennung sprunghaft. Daraus folgt der Vorteil des Verfahrens, daß man ganz verschiedene Sensoren einsetzen kann, um den Zeitpunkt desselben Vorgangs zu bestimmen.
In Fig. 2 ist die Auspuffanlage 1 eines Kraftfahrzeugs mit einer (bekannten) Lambdasonde 2 zur Regelung des Verhältnisses von Kraftstoff und Luft im Verbrennungsgemisch angedeutet. Der Temperaturfühler 3 liegt hier mit seinem Meßpunkt in einem von außen zugänglichen Einzug 4 im Abgaskatalysator 5. Hinter dem Abgaskatalysator 5 ist in das Abgasrohr 6 beispielsweise eine Sonde mit einem Sauerstoffsensor 7 eingeschoben, dessen Meßfühler geringe katalyti­ sche Aktivität aufweist und der sich innerhalb kurzer Zeit beispielsweise auf 800°C aufheizen läßt. Eingeschaltet mit dem Anlassen der Maschine kommt er vor Erreichen der Anspringtempe­ ratur des Abgaskatalysators 5 auf seine Betriebstemperatur, bei der seine Brenngassensitivität kleiner als seine Sauerstoffsensitivität ist. Die externe Auswerte- und Recheneinheit 8 ist durch die Signalleitungen 9 und 10 mit dem Temperaturmeßfühler 3 und mit dem Sensor 7 verbun­ den. Außerdem besteht über die Signalleitung 11 eine Verbindung, die den Zeitpunkt des An­ lassens der Verbrennungskraftmaschine beispielsweise aus der Zündanlage 12 übermittelt.
In der externen Auswerte- und Recheneinheit 8 erfolgt je nach Notwendigkeit eine Impedanz­ wandlung der Signale, im Abstand von einigen Hundertstel Sekunden die Berechnung der Cel­ sius-Temperatur des Abgaskatalysators 5, aus den Signalen des Sensors 7 die Bildung von Differenzen, die der Ermittlung des Extremwerts der Gaskonzentrationsänderungen dienen, und die Ausgabe der Temperatur bei Erreichen dieses Extremwerts und/oder der seit dem Durchlaufen z. B. von 100°C bis zum Anspringen vergangenen Zeit (der basisnormierten Anspring­ zeit).
In Fig. 3 ist die Einrichtung bei fester Installation im Fahrzeug gezeigt. Der Temperaturfühler 3 liegt hier mit seinem Meßpunkt in einem zweckmäßig ausgewählten Teil des Abgaskatalysators 5, der Sensor 7 im Ausgangsstück 13 des Gehäuses vom Abgaskatalysator 5.
Der feste Einbau der Einrichtung ins Fahrzeug bringt gegenüber der externen Einrichtung den Vorteil, daß die an Bord befindliche Auswerte- und Recheneinheit 14 ein umfangreicheres und informativeres Programm ermöglicht. Außer der Impedanzwandlung von Signalen, der Berech­ nung der Temperatur des Abgaskatalysators 5, der Bildung von Differenzen aus den Signalen des Sensors 7, die der Ermittlung des Extremwerts der Gaskonzentrationsänderungen dienen, und der Ausgabe der Temperatur bei Erreichen dieses Extremwerts und damit der aktuellen Anspringtemperatur und/oder der Ausgabe der Anspringzeit, die zwischen einem gewählten Temperaturwert und dem Erreichen der Anspringtemperatur abläuft, (der basisnormierten An­ springzeit), kann diese Einheit 14 zusätzlich Mittelungen über eine gewählte Anzahl gespei­ cherter Ergebnisse mehrerer Anlaßvorgänge vornehmen und die Temperatur des Katalysators 5 beim Anlassen und Auslösen der Verfahrensdurchführung berücksichtigen. Weiterhin kann sie alle im Fahrzeug gemessenen vollen Anspringzeiten vom Anlassen der Maschine bis zum Erreichen der Anspringtemperatur summieren und damit charakteristische Werte für die Schad­ stoffemission liefern. Die Ausgabe solcher Werte kann an Geräte an Bord und/oder bei Abruf an Werkstätten oder Kontrollstationen außerhalb des Kraftfahrzeugs vorgesehen werden.

Claims (24)

1. Verfahren zur Kontrolle und Beobachtung der Alterung eines Katalysators (5) im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen und zur Registrierung der Zeiten des größten Schadstoffaus­ stoßes der Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass nach Anlassen der Verbrennungskraftmaschine
im Abgas hinter dem Katalysator (5) ein Anspringen des Katalysators (5) durch einen Sensor (7) für Sauerstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf oder brennbare Stoffe festgestellt wird, wobei eine Signaländerung infolge einer sprunghaften Änderung der Konzentration des Stoffes oder Stoffgemisches, für den der Sensor (7) empfindlich ist, verwendet wird,
eine Anspringzeit des Katalysators als die Zeit zwischen dem Anlassen der Verbrennungs­ kraftmaschine und dem Auftreten der Signaländerung erfasst wird,
zum Zeitpunkt der Signaländerung des Sensors (7) eine Temperatur des Katalysators (5) mittels eines Temperaturmessfühlers (3) im oder am Katalysator (5) erfasst wird, und dass
diese erfasste Temperatur als Anspringtemperatur des Katalysators verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anspringtemperatur und die Anspringzeit an Bord und/oder extern in Werkstätten oder Kontrollstationen auslesbar ge­ macht werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Anspringtemperatur des Katalysators (5) die Temperatur an dem Zeitpunkt bestimmt wird, an dem die Änderung des Signals des Sensors (7) oder eines daraus berechneten mathematischen Ausdrucks oder der damit berechneten Konzentration durch einen Extremwert geht.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Extremwert der Änderung der Konzentration eines Stoffes oder Stoffgemisches im Abgas über die Bildung der Diffe­ renzen der in gleichkurzen Zeitabständen an dem Sensor (7) gemessenen Sensorsignale oder daraus berechneten mathematischen Ausdrücke oder damit berechneten Konzentrati­ onen ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor (7) für die Bestimmung des Anspringens des Katalysators (5) ein Sauerstoffsen­ sor verwendet wird, bei dem die katalytische Aktivität des Messfühlers kleiner als die von Lambdasonden ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete Sauerstoffsen­ sor (7) auf eine Temperatur gebracht wird, bei der seine Brenngassensitivität kleiner als sei­ ne Sauerstoffsensitivität ist.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (7) verwendet wird, bei dem die Zeit vom Anlassen der Verbrennungskraftma­ schine und gleichzeitigem Anschalten einer Sensorheizung bis zum Erreichen der Be­ triebstemperatur des Sensors (7) kleiner als die Anspringzeit des Katalysators (5) ist.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung des Sensors (7) vor dem Anlassen der Verbrennungskraftmaschine einge­ schaltet wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturmessfühler (3) und/oder der Sensor (7) betriebsbereit nur zeitweilig für ein­ zelne Kontrollmessungen in einem Kraftfahrzeug in Positionen zur Ermittlung der Anspring­ temperatur und/oder Anspringzeit des Katalysators (5) gebracht werden.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturmessfühler (3) und/oder der Sensor (7) fest in einem Kraftfahrzeug installiert und damit jeweils nach dem Anlassen der Verbrennungskraftmaschine an Bord die An­ springtemperatur und/oder Anspringzeit ermittelt und gespeichert werden.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung der Anspringtemperatur des Katalysators (5) über die Anspringtempe­ ratur des neuen Katalysators (5) als ein die Alterung des Katalysators (5) charakterisieren­ der Wert verwendet wird.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel mehrerer nacheinander gemessener Anspringtemperaturen gebildet und die Erhöhung dieses Mittelwertes über den Mittelwert am Anfang der Nutzung des neuen Kata­ lysators (5) als ein die Alterung des Katalysators (5) charakterisierender Wert verwendet wird.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass allein oder zusätzlich die Zunahme der Zeit vom Durchlaufen einer festgelegten unte­ ren Temperatur des Katalysators (5) bis zum Erreichen der Anspringtemperatur des Kataly­ sators (5) gegenüber dieser Zeit bei dem neuen Katalysator (5) als basisnormierte An­ springzeit zur Charakterisierung der Alterung des Katalysators (5) verwendet wird, wobei als untere Temperatur ein Wert 20 bis 100 Kelvin über dem Jahresmittel der Umgebungstempe­ ratur im Einsatzgebiet des Kraftfahrzeugs festgelegt wird.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass allein oder zusätzlich das Mittel mehrerer basisnormierter Anspringzeiten des Kataly­ sators (5) gebildet und die Zunahme des Mittelwertes der basisnormierten Anspringzeiten gegenüber dem Mittelwert am Anfang der Nutzungen des neuen Katalysators (5) gemesse­ nen basisnormierten Anspringzeiten als ein die Alterung des Katalysators (5) charakterisie­ render Wert verwendet wird.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen zur Verfahrensdurchführung nur ausgelöst werden, wenn die Tempe­ ratur des Katalysators (5) eine untere Temperatur, die so festgelegt ist, dass die Aufheizzeit des verwendeten Sensors (7) kürzer als die Anspringzeit des Katalysators (5) ist, nicht überschreitet.
16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe aller gemessenen und gespeicherten vollen Anspringzeiten gebildet und als ein für den Hauptteil der Schadstoffemission charakteristischer Wert an Bord gespei­ chert und dort und/oder in einer Werkstatt oder Kontrollstation lesbar gemacht wird.
17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die für den Hauptteil der Schadstoffemission charakteristische Summe aller gemesse­ nen Anspringzeiten durch die seit Beginn der Messungen von einem mit der Verbrennungs­ kraftmaschine mit Katalysator (5) ausgerüsteten Kraftfahrzeug gefahrene Strecke dividiert und damit ein für die Nutzung des Kraftfahrzeugs charakteristischer Wert gewonnen wird.
18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung des Sensors (7) nach seiner Nutzung in der Startphase der Verbren­ nungskraftmaschine abgeschaltet oder reduziert wird.
19. Einrichtung zur Kontrolle und Beobachtung der Alterung des Katalysators (5) im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen und zur Registrierung der Zeiten des größten Schadstoffaus­ stoßes der Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass Signalleitungen (9, 10) eines im oder am Katalysator (5) positionierten Temperaturmessfühlers (3) und eines hinter dem Katalysator (5) positionierten Sensors (7) für Sauerstoff, Kohlendioxid, Wasser­ dampf oder brennbare Stoffe im Abgas sowie eine ein Signal beim Anlassen der Verbren­ nungskraftmaschine übermittelnde elektrische Leitung (11) verbunden sind mit einer exter­ nen oder im Kraftfahrzeug installierten Auswerte- und Recheneinheit (8, 14), die die An­ springtemperatur und/oder die Anspringzeit und/oder die basisnormierte Anspringzeit des Katalysators (5) gemäß dem Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 18 er­ mittelt, diese Werte speichert und/oder an ein externes Kontrollgerät und/oder an ein Bord­ instrument mindestens ein Signal zur Anzeige weiterleitet, das für die Alterung des Kataly­ sators (5) und/oder den Schadstoffausstoß charakteristisch ist.
20. Einrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (7) ein Sauer­ stoffsensor ist, dessen Messfühler eine kleinere katalytische Aktivität als gebräuchliche Lambdasonden hat und deren Sensitivität für Brenngas bei der Betriebstemperatur kleiner als für Sauerstoff ist.
21. Einrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Sensor (7) die Zeit vom Anlassen der Verbrennungskraftmaschine und gleichzeitigem Anschalten der Sensorheizung bis zum Erreichen der Betriebstemperatur kürzer als die Anspringzeit des Katalysators (5) ist.
22. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturmessfühler (3) und/oder der Sensor (7) sowie die Auswerte- und Re­ cheneinheit (8) als Einzelteile für den Einsatz an verschiedenen Kraftfahrzeugen ausgeführt sind.
23. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturmessfühler (3) und der Sensor (7) sowie die Auswerte- und Rechen­ einheit (14) mit Speichern für ermittelte Kenndaten fest im Kraftfahrzeug installiert sind.
24. Einrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Rechen­ einheit (14) in einen an Bord des Fahrzeugs befindlichen Computer integriert ist.
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