DE19913268C1

DE19913268C1 - Überwachungsvorrichtung

Info

Publication number: DE19913268C1
Application number: DE19913268A
Authority: DE
Inventors: Antonio Pepe
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1999-03-24
Filing date: 1999-03-24
Publication date: 2000-08-03
Anticipated expiration: 2019-03-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung der Funktionstüchtigkeit eines Katalysators bei einer Brennkraftmaschine, die mager betreibbar ist, mit Kraftstoffzuführungsmitteln, mit denen in einer dem Katalysator zugeführten Gasströmung eine bestimmte Kraftstoffmenge einstellbar ist, deren chemische Energie sich im Katalysator in Abhängigkeit dessen Funktionstüchtigkeit mehr oder weniger in thermische Energie umwandelt, mit Energiebestimmungsmitteln, die zur Bestimmung von dem Katalysator zugeführten und davon abgeführten Energien dient, und mit einer Auswerteeinrichtung, die mit den Kraftstoffzuführungsmitteln und den Energiebestimmungsmitteln kommuniziert und unter Berücksichtigung der dem Katalysator zugeführten Kraftstoffmenge eine Energiebilanz für den Katalysator aufstellt und daraus einen mit der Funktionstüchtigkeit des Katalysators korrelierten Signalwert genergiert und diesen zur Auswertung heranzieht.

Description

Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, können zur Verminderung der Emission umweltschädigender Abga se mit einer Abgasreinigungsanlage ausgestattet sein, die ei nen Katalysator aufweist. Die Funktionstüchtigkeit dieses Ka talysators ist entscheidend für den Schadstoffgehalt der Ab gasemission.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, mit deren Hilfe die Funktionstüchtigkeit eines Katalysators bei einer Brennkraft maschine überwacht werden kann.

Aus der DE 26 43 739 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung der Aktivität eines Katalysators für die Abgasreinigung bei Kraftfahrzeugen bekannt. Dort wird die Funktionstüchtigkeit des Katalysators mit Hilfe von zwei Temperaturwerten über wacht. Mit einem ersten Temperatursensor wird die Abgastempe ratur vorzugsweise im Eingangsbereich des Katalysators ermit telt, während mit einem zweiten Temperatursensor die Abga stemperatur im Inneren des Katalysators bestimmt wird. Solan ge die Abgastemperatur im Inneren des Katalysators höher ist als die Abgastemperatur im Eingangsbereich des Katalysators, geht man beim bekannten Verfahren davon aus, daß der Kataly sator voll funktionsfähig ist. Eine derartige Überwachung ist jedoch nur dann zuverlässig, wenn sichergestellt werden kann, daß die Temperaturmessungen zur Überwachung des Katalysators während stationärer Betriebszustände der Brennkraftmaschine durchgeführt werden, so daß sich auch im Temperaturverlauf der Abgasströmung durch den Katalysator ein im wesentlichen stationärer Zustand einstellen kann.

Aus der DE 40 27 207 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung der katalytischen Aktivität eines Katalysators im Abgassystem ei ner Brennkraftmaschine bekannt, das ebenfalls auf der Auswer tung von zwei Temperaturwerten der Abgase, vorzugsweise am Eintritt sowie im Inneren des Katalysators, beruht. Aus den Signalen der Temperatursensoren wird dann eine Temperaturmeß größe gebildet, die entweder zur Bildung eines Mittelwertes unter Berücksichtigung einer Vielzahl von Betriebszuständen der Brennkraftmaschine über einen langen Zeitraum hinweg be obachtet oder unter Berücksichtigung weiterer Meßgrößen, die mittels eines Maschinenüberwachungssystems gewonnen werden und den jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine charakterisieren, auf eine vom jeweiligen Betriebszustand un abhängige Aussage reduziert und weiter mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird. Sobald die so generierte Tempera turmeßgröße kleiner als der vorgenannte Grenzwert ist, geht man bei diesem bekannten Verfahren davon aus, daß der Kataly sator defekt ist.

Aus der DE 41 22 787 A1 ist eine Einrichtung zur Überwachung des Konvertierungsgrades eines Katalysators bekannt. Mit Hil fe eines ersten Temperaturfühlers wird dort stromab des Kata lysators die Abgastemperatur ermittelt und einer Auswerteein heit zugeführt, die mit einem Ausgang eines Rechners in Ver bindung steht. Ein weiterer Temperatursensor ermittelt strom auf des Katalysators die dort herrschende Abgastemperatur und stellt diese dem Rechner zur Verfügung. Außerdem ist ein Mas senstromsensor vorgesehen, der die durch den Katalysator strömende Luft- bzw. Abgasmasse ermittelt und den entspre chenden Meßwert an den Rechner weiterleitet. Im Unterschied zu den vorgenannten Überwachungsverfahren, die den Konvertie rungsgrad des Katalysators anhand der Differenz von zwei ge messenen Temperaturen bestimmen, wird hier an einem bevorzug ten Meßort stromab des Katalysators die dort herrschende Ab gastemperatur gemessen und mit Hilfe der stromauf des Kataly sators gemessenen Temperatur und mit Hilfe des gemessenen Massenstromes unter Berücksichtigung der Katalysatorgeometrie eine Grenztemperatur errechnet, die sich in dem vorgenannten Meßort einstellen würde, wenn der Katalysator, ohne daß darin eine exotherme Reaktion stattfindet, durchströmt würde, d. h. wenn der Katalysator nicht mehr funktionsfähig wäre. Die Dif ferenz zwischen der an diesem bevorzugten Meßort gemessenen Temperatur und der dafür berechneten Grenztemperatur dient hier als Maß für die im Katalysator umgesetzte Energie und somit für den Konvertierungsgrad des Katalysators.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für die Überwachung der Funktionstüchtigkeit eines Katalysa tors bei einer Brennkraftmaschine eine andere Möglichkeit an zugeben.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zur Über wachung der Funktionstüchtigkeit des Katalysators für diesen eine Energie-Bilanz für den Fall aufzustellen, daß in den dem Katalysator zugeführten Abgasen Kraftstoff enthalten ist. Die Erfindung nutzt dabei die Erkenntnis, daß die chemische Ener gie in dem Kraftstoff enthalten ist, der dem Katalysator, insbesondere durch Nacheinspritzung, zugeführt wird, in einem voll funktionstüchtigen Katalysator durch die darin stattfin dende exotherme Reaktion vollständig in thermische Energie umgewandelt wird. Wenn die dem Katalysator zugeführte Kraft stoffmenge bekannt ist, muß beim voll funktionsfähigen Kata lysator gemäß einer thermodynamischen Betrachtung insbesonde re die stromab des Katalysators meßbare thermische Energie einem theoretisch erreichbaren Energiewert entsprechen, der sich aus der stromauf des Katalysators meßbaren thermischen Energie und aus der chemischen Energie zusammensetzt, die in der Kraftstoffmenge enthalten ist, die dem Katalysator zuge führt, z. B. nacheingespritzt ist. Je weiter die stromab des Katalysators gemessene thermische Energie von diesem theore tisch erreichbaren Energiewert abweicht, desto stärker ist die Funktionstüchtigkeit des überwachten Katalysators redu ziert. Demnach bildet die Differenz zwischen dem theoretisch erreichbaren Energiewert und der stromab des Katalysators ge messenen thermischen Energie ein Maß für die Funktionstüch tigkeit des Katalysators.

Die Erfindung geht bei einer bevorzugten Ausführungsform da von aus, daß der Brennkraftmaschine eine Kraftstoffeinsprit zeinrichtung zur Verfügung steht, die es ermöglicht, in die Verbrennungsabgase eine bestimmte, das heißt bekannte Kraft stoffmenge einzuspritzen. Aus der Kraftstoffmenge kann dann die in der Nacheinspritzmenge enthaltene, von der verwendeten Kraftstoffart abhängige chemische Energie bestimmt, insbeson dere errechnet, werden. Um sicherzustellen, daß ausschließ lich der nacheingespritzte Kraftstoff zur Erhöhung der ther mischen Energie bei der Durchströmung des Katalysators bei trägt, setzt die erfindungsgemäße Vorrichtung bei dieser Aus führungsform zumindest während der Katalysatordiagnose einen stöchiometrischen, vorzugsweise überstöchiometrischen Betrieb der Brennkraftmaschine voraus. Brennkraftmaschinen die stöchiometrisch oder überstöchiometrisch betrieben werden können, sind allgemein bekannt.

Wenn die Brennkraftmaschine eine Kraftstoffeinspritzeinrich tung aufweist, mit der zur Verbrennung vorbestimmte Kraft stoffmengen in Brennkammern der Brennkraftmaschine einspritz bar sind, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise so ausgebildet, daß die Auswerteeinrichtung mit dieser Kraft stoffeinspritzeinrichtung kommuniziert und von dieser Signal werte erhält, die mit der in die Brennkammern eingespritzten Kraftstoffmenge korrelieren. Die Energiebestimmungsmittel können dann relativ einfach ausgestaltet sein, um die dem Ka talysator zugeführten bzw. davon abgeführten Energien zu be stimmen. Beispielsweise genügt eine Temperaturmessung strom auf und stromab des Katalysators sowie eine Messung der dem Katalysator zugeführten Luftmenge. Die Auswerteeinrichtung kann dann besonders einfach anhand der der Verbrennung zuge führten, durch die Kraftstoffeinspritzeinrichtung bekannten Kraftstoffmenge und anhand der dem Katalysator zugeführten, durch die Kraftstoffzuführungsmittel bekannten Kraftstoffmen ge in Verbindung mit einer Messung der der Verbrennung zuge führten Luftmenge die dem Katalysator zugeführte Energie durch eine Messung der Strömungstemperatur stromauf des Kata lysators und die vom Katalysator abgegebene Energie durch ei ne Messung der Strömungstemperatur stromab des Katalysators besonders einfach ermitteln.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. deren Auswerteeinrich tung stellt hinsichtlich der thermischen Abgasenergie strom auf und stromab des Katalysators unter Berücksichtigung der im Katalysator in thermische Energie umwandelbaren, im nach eingespritzten Kraftstoff enthaltenen chemischen Energie eine Energiebilanz auf, die sie zur Überwachung der Funktionalität des Katalysators heranzieht. Da die Umwandlung der im nach eingespritzten Kraftstoff enthaltenen chemischen Energie im Katalysator in thermische Energie relativ langsam abläuft, wirkt sich eine Nacheinspritzung oder eine Änderung der Nach einspritzmenge erst mit einer zeitlichen Verzögerung auf die stromab meßbare thermische Energie aus. Um bei der Energiebi lanz derartige Verzögerungseffekte zu eliminieren, erfolgt die Erfassung der thermischen Energie über einen ausreichend großen Zeitraum. Vorzugsweise werden zu diesem Zweck bei spielsweise mit einer Frequenz von 10 Hz aufeinanderfolgende Energiemengen gemessen und aufsummiert oder über der Zeit in tegriert.

Die Integration von Energiemengen über der Zeit wird hierbei bevorzugt, da dann für die Energiemengen von der Zeit abhän gige Größen der Abgasströmung, wie z. B. die durch einen be stimmten Querschnitt des Abgasstranges pro Zeiteinheit durch strömende Abgasmasse (Abgasmassenstrom), verwendet werden können, die besonders einfach meßbar sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform startet die Auswerte einrichtung die Integrationen der thermischen Energien etwa zu Beginn der Nacheinspritzung. So kann gewährleistet werden, daß in der thermischen Energie der Abgase stromab des Kataly sators die im Katalysator umgewandelte chemische Energie der nacheingespritzten Kraftstoffmenge sicher enthalten ist. Eine Integration weit vor Beginn der Nacheinspritzung verbraucht lediglich Speicherkapazität, da die thermischen Energien stromauf und stromab des Katalysators gleich groß sein soll ten. Der Zeitraum, während dem die Integration der Energie mengen stattfindet, wird so groß gewählt, daß die Umwandlung der chemischen Energie der nacheingespritzten Kraftstoffmenge in thermische Energie regelmäßig vollständig stattgefunden hat, sofern der Katalysator ordnungsgemäß arbeitet. Wenn der Katalysator ordnungsgemäß arbeitet, ist die über diese Zeit spanne aufintegrierte thermische Energie stromab des Kataly sators etwa gleich groß wie die über diesem Zeitraum aufinte grierte thermische Energie stromauf des Katalysators zuzüg lich der chemischen Energie der nacheingespritzten Kraft stoffmenge.

Bei einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor richtung kann die Auswerteeinrichtung die Integration perma nent durchführen, sofern die Brennkraftmaschine stöchiome trisch oder überstöchiometrisch und mit Nacheinspritzung be trieben ist. Solange bei dieser Ausführungsform die Differenz zwischen der thermischen Energie stromab des Katalysators und der thermischen Energie stromauf des Katalysators etwa der chemischen Energie der nacheingespritzten Kraftstoffmenge entspricht, arbeitet der Katalysator ordnungsgemäß. Sobald jedoch die vorgenannte Differenz kleiner wird als die chemi sche Energie des nacheingespritzten Kraftstoffes, erkennt die Auswerteeinrichtung eine reduzierte Funktionstüchtigkeit oder eine Fehlfunktion des Katalysators.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann die Auswerteeinrichtung zur Ermittlung des mit der Funktionstüch tigkeit des Katalysators korrelierten Energiewertes eine Nacheinspritzung herbeiführen oder bei vorhandener Nachein spritzung die Nacheinspritzmenge variieren. Mit anderen Wor ten, die Auswerteeinrichtung kann entsprechend der ersten Al ternative speziell für die Überwachung der Funktionstüchtig keit des Katalysators die Nacheinspritzung einer bestimmten Kraftstoffmenge herbeiführen oder entsprechend der zweiten Alternativen bei einer permanent ablaufenden Nacheinspritzung für eine bestimmte Zeit die eingespritzte Kraftstoffmenge um einen bestimmten Wert erhöhen oder erniedrigen. Die Auswerte einrichtung kann dann die Auswirkungen dieser speziell her beigeführten Nacheinspritzung oder Einspritzmengenveränderung auf die Bilanz der thermischen Energien stromauf und stromab des Katalysators beobachten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich in besonderer Weise für eine als Dieselmotor ausgebildete Brennkraftmaschi ne, die mager, das heißt überstöchiometrisch betrieben wird und die insbesondere einen DENOX-Katalysator aufweist. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines, solchen DENOX- Katalysators wird üblicherweise eine Nacheinspritzung durch geführt. Diese Nacheinspritzung kann vorteilhafterweise von der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung der Funkti onstüchtigkeit des Katalysators herangezogen werden.

Weitere wichtige Vorteile und Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung an hand der Zeichnungen.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der je weils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombi nationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Be schreibung näher erläutert.

Es zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1 eine schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Brenn kraftmaschine, die mit der erfindungsgemäßen Vorrich tung ausgestattet ist,

Fig. 2 ein Diagramm, das den thermischen Energieverlauf stromauf und stromab eines Katalysators über der Zeit integriert wiedergibt.

Entsprechend Fig. 1 ist in einem Abgasstrang 1 einer Brenn kraftmaschine 2, z. B. eines Dieselmotors, ein Katalysator 3, insbesondere ein DENOX-Katalysator, angeordnet. Die Brenn kraftmaschine 2 weist außerdem eine Kraftstoffeinspritzein richtung 4 auf, mit deren Hilfe relativ genau bemessene Kraftstoffmengen in die Brennräume der Brennkraftmaschine 2 einspritzbar sind. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 4 wird dabei von einem Motorsteuergerät 5 über eine Steuerleitung 6 betätigt. Das Motorsteuergerät 5 gibt für die Einspritzung insbesondere den Zeitpunkt der Einspritzung und die Kraft stoffmenge an, die in den jeweiligen Brennraum der Brenn kraftmaschine 2 eingespritzt werden soll. Die Brennkraftma schine 2 ist luftgeführt, das heißt die Regelung der Kraft stoffeinspritzung zur Einstellung bestimmter Betriebszustände der Brennkraftmaschine 2 erfolgt mit der der Brennkraftma schine 2 zugeführten Luft als Führungsgröße. Zu diesem Zweck weist die Brennkraftmaschine 2 einen stromauf der Brennkraft maschine 2 angeordneten Luftmassensensor 7 auf, der mit der der Brennkraftmaschine 2 zugeführten Luftmenge korrelierte Signale über eine entsprechende Signalleitung 8 dem Motor steuergerät 5 zuleitet. Der Luftmassensensor 7 kann dabei als Heißfilmmeßvorrichtung ausgebildet sein, die allgemein be kannt ist.

Zur Überwachung der Funktionstüchtigkeit des Katalysators 3 ist die Brennkraftmaschine 2 mit einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung ausgestattet, die eine Auswerteein richtung 9 aufweist. Diese Auswerteeinrichtung 9 erhält vom Motorsteuergerät 5 die Werte der stromauf der Brennkraftma schine 2 gemessenen Luftmasse und die Werte der eingespritz ten Kraftstoffmengen. Der vom Motorsteuergerät 5 zur Auswer teeinrichtung 9 fließende Datenstrom wird über eine Daten- oder Signalleitung 10 übertragen. Beispielsweise können so die für die eingespritzten Kraftstoffmengen relevanten Daten an die Auswerteeinrichtung 9 weitergeleitet werden. Die Über wachungsvorrichtung weist außerdem einen ersten Temperatur sensor 11 auf, der stromab der Brennkraftmaschine 2 und stromauf des Katalysators 3 im Abgasstrang 1 angeordnet ist und über eine entsprechende Signalleitung 12 Temperatursigna le der Auswerteeinrichtung 9 zuführt, die mit der stromauf des Katalysators 3 im Abgas herrschenden Temperatur korrelie ren. Die Überwachungsvorrichtung weist zusätzlich einen zwei ten Temperatursensor 13 auf, der stromab des Katalysators 3 im Abgasstrang 1 angeordnet ist und über eine Signalleitung 14 Temperatursignale der Auswerteeinrichtung 9 zur Verfügung stellt, die mit der stromab des Katalysators 3 im Abgas herr schenden Temperatur korrelieren.

Die Auswerteeinrichtung 9 ermittelt die thermische Energie E_thvorKat im Abgas stromauf des Katalysators 3 in Analogie zu folgender Gleichung:

E_thvorKat = Σ(m_x.c_pmx.T_x)

In dieser Gleichung bedeutet:
x = einzelne Abgaskomponente,
m_x = Masse der Abgaskomponente x,
c_pmx = spezifische Wärmekapazität der Abgaskomponente x,
T_x = Temperatur der Abgaskomponente x.

Die Summe wird über x, das heißt über alle Abgaskomponenten des Abgases gebildet. Unter der Voraussetzung, daß die Tempe ratur T_x bei allen Abgaskomponenten x gleich groß ist und mit der durch den ersten Temperatursensor 11 gemessenen Tempera tur übereinstimmt, kann die thermische Energie E_thvorKat im Abgas stromauf des Katalysators 3 relativ einfach berechnet werden, da die Zusammensetzung des Abgases, das heißt die Anteile der einzelnen Abgaskomponenten an der Gesamtmasse der Abgase und die einzelnen spezifischen Wärmekapazitäten c_pmx ebenfalls be kannt sind. Die Masse der einzelnen Abgaskomponenten m_x ergibt sich dabei aus der stromauf der Brennkraftmaschine 2 gemesse nen Luftmasse und aus der bekannten Kraftstoffmenge, die der Verbrennung zugeführt wird. Daraus ist die anteilige Zusam mensetzung der Abgase nach der Verbrennung bekannt.

Ebenso kann die thermische Energie E_thvorKat im Abgas stromauf des Katalysators 3 dadurch ermittelt werden, daß zunächst aus der mit dem Luftmassensensor 7 gemessenen Luftmenge und der Menge des für die Verbrennung vorgesehenen Kraftstoffes ein Kraftstoff/Luft-Verhältnis, genannt "Lambda", berechnet oder mit Hilfe einer nicht dargestellten Lambda-Sonde gemessen wird. Mit diesem Lambda kann aus einem temperaturabhängigen Kennfeld ein Wert für die Wärmekapazität der Abgase zugeord net werden. Daraus kann dann mit Hilfe eines weiteren Kenn feldes die im Abgas mitgeführte Wärmeenergie ermittelt wer den.

Die thermische Energie E_thnachKat im Abgas stromab des Katalysa tors 3 wird in entsprechender Weise analog zu folgender Glei chung ermittelt:

E_thnachKat = Σ(m_x.c_pmx.T_x)

Wenn die Auswirkung einer Kraftstoffnacheinspritzung auf die thermische Energiebilanz stromauf und stromab des Katalysa tors ausgewertet werden soll, kann die Auswerteeinrichtung 9 die in der nacheingespritzten Kraftstoffmenge enthaltene che mische Energie E_chnK in Analogie zu folgender Gleichung ermit teln:

E_chnK = m_nK.Hu_K

In dieser Gleichung bedeutet:
m_nK = Masse des nacheingespritzten Kraftstoffes,
Hu_K = unterer Heizwert des Kraftstoffes.

Die Art des von der Brennkraftmaschine 2 verwendeten Kraft stoffes, z. B. Dieselkraftstoff, liegt üblicherweise fest, so daß auch der untere Heizwert Hu_K des Kraftstoffes bekannt ist. Von dem Motorsteuergerät 5 kennt die Auswerteeinrichtung 9 die nacheingespritzte Kraftstoffmenge und kann daraus die Masse m_nK des nacheingespritzten Kraftstoffes ermitteln.

Die Auswerteeinrichtung 9 stellt nun eine Vielzahl zeitlich aufeinanderfolgender Messungen bzw. Berechnungen auf, bei spielsweise mit einer Frequenz von 10 Hz. Zur Überwachung der Funktionstüchtigkeit des Katalysators 3 führt die Auswerte einrichtung 9 dann eine Integration der zeitlich aufeinander folgenden Einzelmessungen über der Zeit aus. Dies kann in Analogie zu folgender Gleichung erfolgen:

∫E.dt

Die Auswerteeinrichtung 9 stellt dann eine Energiebilanz auf und beobachtet die Differenz zwischen der thermischen Energie E_thnachKat stromab des Katalysators 3 und der thermischen Energie E_thvorKat stromauf des Katalysators 3 zuzüglich der chemischen Energie E_chnK der nacheingespritzten Kraftstoffmenge. Die Er findung geht davon aus, daß bei einem voll funktionstüchtigen Katalysator 3 nach Ablauf einer ausreichenden Zeitspanne fol gender Zusammenhang gilt:

(E_thvorKat + E_chnK) - E_thnachKat = 0

Hierbei werden Energieverluste, z. B. durch Abstrahlung vom Abgasstrang 1 in die Umgebung oder durch Speicherung im Ab gasstrang 1, insbesondere im Katalysator 3, z. B. durch ent sprechende Korrekturfaktoren berücksichtigt.

Wenn die Auswerteeinrichtung 9 feststellt, daß die vorstehen de Gleichung nicht erfüllt wird, schließt sie daraus, daß der Katalysator 3 nicht voll funktionstüchtig arbeitet. Weicht die tatsächlich ermittelte thermische Energie E_thnachKat stromab des Katalysators 3 um ein vorbestimmtes Maß von der stromab des Katalysators 3 bei vollständiger Umwandlung der chemi schen Energie E_chnK der nacheingespritzten Kraftstoffmenge theoretisch erreichbaren thermischen Energie ab, so gibt die Auswerteeinrichtung 9 über eine Leitung 15 ein entsprechendes Signal an das Motorsteuergerät 5, das dieses Signal in ent sprechender Weise verarbeitet. Beispielsweise wird bei der Verwendung der Brennkraftmaschine 2 in einem Fahrzeug dem Fahrzeugführer mitgeteilt, daß eine Fehlfunktion der Abgas reinigungsanlage vorliegt. Ebenso kann ein Signal gesetzt werden, das erst bei der nächsten Wartung dem Wartungsperso nal einen entsprechenden Warnhinweis gibt.

In Fig. 2 ist in X-Richtung die Zeit aufgetragen und in Y- Richtung der Verlauf der von der Auswerteeinrichtung 9 be trachteten Energien in Abhängigkeit von der Zeit. Ein mit durchgezogener Linie dargestellter Verlauf I gibt dabei die zeitliche Entwicklung der Summe aus der thermischen Energie E_thvorKat stromauf des Katalysators 3 und der chemischen Energie E_chnK der nacheingespritzten Kraftstoffmenge wieder. Ein mit unterbrochener Linie dargestellter Energieverlauf II gibt die zeitliche Entwicklung der thermischen Energie E_thnachKat stromab des Katalysators 3 wieder. Mit III ist ein Zeitfenster ge kennzeichnet, während dem eine Kraftstoffnacheinspritzung stattfindet, das heißt während dem chemische Energie E_chnK stromauf des Katalysators 3 dem Abgas zugeführt wird.

In einem ersten Zeitabschnitt a, während dem keine Nachein spritzung stattfindet, entspricht der Verlauf I der thermi schen Energie E_thvorKat stromauf des Katalysators 3 und ist gleich dem Verlauf II der thermischen Energie E_thnachKat stromab des Katalysators 3. Während einem Zeitabschnitt b findet eine Nacheinspritzung (III) statt, was sich unmittelbar auf den Verlauf I der Summe aus thermischer Energie E_thvorKat stromauf des Katalysators 3 und chemischer Energie E_chnK der nacheinge spritzten Kraftstoffmenge auswirkt. Die Umsetzung der chemi schen Energie E_chnK der nacheingespritzten Kraftstoffmenge im Katalysator 3 in zusätzliche thermische Energie erfolgt zeit verzögert, so daß die thermische Energie E_thnachKat stromab des Katalysators 3 entsprechend zeitverzögert zunimmt. Die Ener gieverläufe I und II verlaufen daher im Zeitabschnitt b und in einem nachfolgenden Zeitabschnitt c getrennt voneinander. Wenn der Katalysator 3 ordnungsgemäß funktioniert, erreicht der Energieverlauf II, das heißt die thermische Energie E_thnach _Kat stromab des Katalysators 3, nach einer gewissen Zeit wieder den Energieverlauf I, das heißt den Verlauf der Summe aus thermischer Energie E_thvorKat stromauf des Katalysators und che mischer Energie E_chnK der nacheingespritzten Kraftstoffmenge. In einem Zeitabschnitt d weisen die Energieverläufe I und II wieder denselben Verlauf auf.

Wenn die Funktionstüchtigkeit des Katalysators 3 einge schränkt ist, wird der Energieverlauf II nach dem Einspritz vorgang den Energieverlauf I nicht mehr erreichen. Der sich nach einem Einspritzvorgang zwischen den Energieverläufen I und II einstellende Abstand ist dann ein Maß für die Funkti onstüchtigkeit bzw. Fehlfunktion des Katalysators 3.

Bei einem Katalysator 3, der zu seiner Wirkungsgradsteigerung ohnehin permanent mit einer Nacheinspritzung betrieben wird, kann entsprechend einer anderen Ausführungsform der Verlauf I der Summe aus thermischer Energie E_chvorKat stromauf des Kataly sators 3 und der chemischen Energie E_chnK der nacheingespritz ten Kraftstoffmenge permanent mit dem Verlauf II der thermi schen Energie E_thnachKat stromab des Katalysators 3 verglichen werden. Solange der Katalysator 3 ordnungsgemäß arbeitet, liegen die Energieverläufe I und II aufeinander. Sobald eine Einschränkung der Funktionstüchtigkeit des Katalysators 3 auftritt, entfernt sich der Energieverlauf II vom Energiever lauf I. Wenn der Abstand zwischen den Energieverläufen I und II einen vorbestimmten Grenzwert übersteigt, alarmiert die Auswerteeinrichtung 9 das Motorsteuergerät 5.

Bei einer anderen Ausführungsform kann die Auswerteeinrich tung 9 für den Fall, daß der Katalysator 3 ebenfalls perma nent mit einer Nacheinspritzung betrieben wird, für einen be stimmten Zeitraum die nacheingespritzte Kraftstoffmenge vari ieren, wobei sich bei einer Erhöhung grundsätzlich derselbe Zusammenhang ergibt wie in Fig. 2.

Es ist klar, daß die Funktion der Auswerteeinrichtung 9 in ein entsprechend programmierbares Motorsteuergerät 5 inte grierbar ist.

Die Integration oder Summation oder allgemein die Beobachtung der Energien kann grundsätzlich unabhängig vom jeweiligen Be triebszustand der Brennkraftmaschine 2 durchgeführt werden. Jedoch ist es von Vorteil, wenn vor dem Zeitpunkt, für den oder ab dem die vorstehend genannte Gleichung (E_thvorKat + E_chnK) - E_thnachKat = 0 erfüllt sein soll, während eines hinreichend langen Zeitraumes ein stationärer oder quasistationärer Be triebszustand vorgelegen hat. Dieser Zeitraum ist dabei so gewählt, daß Zeitverzögerungen bei der Durchströmung des Ka talysators berücksichtigt werden.

Außerdem werden Energie-"Verluste" bei der Katalysatordurch strömung weitgehend durch Korrekturgrößen berücksichtigt, wie z. B. die vom Katalysator nach außen abgestrahlte Wärmeener gie. Diese Korrekturgrößen sind z. B. in Kennfeldern in der Auswerteeinrichtung 9 gespeichert.

Claims

1. Vorrichtung zur Überwachung der Funktionstüchtigkeit ei nes Katalysators (3) bei einer Brennkraftmaschine (2), die stöchiometrisch oder überstöchiometrisch betreibbar ist, mit Kraftstoffzuführungsmitteln (4), mit denen in einer dem Kata lysator (3) zugeführten Gasströmung eine bestimmte Kraft stoffmenge einstellbar ist, deren chemische Energie (E_ch) sich im Katalysator (3) in Abhängigkeit dessen Funktionstüchtig keit mehr oder weniger in thermische Energie (E_th) umwandelt, mit Energiebestimmungsmitteln (7, 11, 13), die zur Bestimmung von dem Katalysator (3) zugeführten und davon abgeführten Energien dient, und mit einer Auswerteeinrichtung (9), die mit den Kraftstoffzuführungsmitteln (4) und den Energiebe stimmungsmitteln (7, 11, 13) kommuniziert und unter Berück sichtigung der dem Katalysator (3) zugeführten Kraftstoffmen ge eine Energiebilanz für den Katalysator (3) aufstellt und daraus einen mit der Funktionstüchtigkeit des Katalysators (3) korrelierten Signalwert generiert und diesen zur Auswer tung heranzieht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiebestimmungsmittel (7, 11, 13) zur Bestimmung von thermischen Energien (E_th) in der Gasströmung stromauf und stromab des Katalysators (3) ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Brennkraftmaschine (2) eine Kraftstoffeinspritzein richtung (4) aufweist, mit der zur Verbrennung vorbestimmte Kraftstoffmengen in Brennkammern der Brennkraftmaschine (2) einspritzbar sind,
daß die Auswerteeinrichtung (9) mit der Kraftstoffeinsprit zeinrichtung (4) kommuniziert und Signalwerte erhält, die mit der in die Brennkammern eingespritzten Kraftstoffmenge korre lieren,
daß die Energiebestimmungsmittel (7, 11, 13) zur Bestimmung der Temperaturen in der Gasströmung stromauf und stromab des Katalysators (3) sowie zur Bestimmung der zur Verbrennung den Brennkammern der Brennkraftmaschine (2) zugeführten Luftmenge ausgebildet sind,
daß die Auswerteeinrichtung (9) aus der in die Brennkammern eingespritzten Kraftstoffmenge, aus der den Brennkammern zu geführten Luftmenge und aus der Strömungstemperatur stromauf des Katalysators (3) die thermische Energie (E_thvorKat) im Abgas stromauf des Katalysators (3) ermittelt,
daß die Auswerteeinrichtung (9) aus der dem Katalysator (3) zugeführten Kraftstoffmenge deren chemische Energie (E_ch) er mittelt,
daß die Auswerteeinrichtung (9) aus der in die Brennkammern eingespritzten Kraftstoffmenge, aus der den Brennkammern zu geführten Luftmenge, aus der dem Katalysator (3) zugeführten Kraftstoffmenge und aus der Strömungstemperatur stromab des Katalysators (3) die thermische Energie (E_thnachKat) im Abgas stromab des Katalysators (3) ermittelt,
wobei die thermische Abgasenergie (E_thvorKat) stromauf des Kata lysators (3) zuzüglich der chemischen Energie (E_ch) der dem Katalysator (3) zugeführten Kraftstoffmenge abzüglich der thermischen Abgasenergie (E_thnachKat) stromab des Katalysators (3) einen Energiewert liefert, der mit der Funktionstüchtig keit des Katalysators (3) korreliert und von der Auswerteein richtung (9) zur Auswertung herangezogen wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kraftstoffzuführungsmittel durch eine Kraftstoffein spritzeinrichtung (4) der Brennkraftmaschine (2) gebildet sind, und
daß die Auswerteeinrichtung (9) entweder die Brennkraftma schine (2) zur Durchführung eines zeitlich begrenzten unters töchiometrischen Betriebes der Brennkraftmaschine (2) betä tigt, bei dem eine bestimmte Kraftstoffmenge mit der Ab gasströmung dem Katalysator (3) zugeführt wird, oder die Kraftstoffeinspritzeinrichtung (4) zur Durchführung einer Kraftstoffnacheinspritzung betätigt, bei der eine bestimmte Kraftstoffmenge in die Verbrennungsabgase eingespritzt wird, oder bei vorhandener Nacheinspritzung die Nacheinspritzmenge zeitlich begrenzt variiert.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (9) zur Ermittlung der thermi schen Energie (E_th) im Abgas eine Integration der thermischen Energiemengen in der Abgasströmung über der Zeit durchführt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Auswerteeinrichtung (9) die Integration etwa zu Be ginn der Nacheinspritzung startet oder
daß die Auswerteeinrichtung (9) die Integration permanent durchführt, sofern die Brennkraftmaschine (2) stöchiometrisch oder überstöchiometrisch und mit einer Kraftstoffzuführung zum Katalysator (3) betrieben ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bestimmung der thermischen Abgasenergie (E_th) einen Luftmassensensor (7), der stromauf der Brennkraft maschine (2) angeordnet ist, einen ersten Temperatursensor (11), der stromab der Brennkraftmaschine (2) und stromauf des Katalysators (3) angeordnet ist, und einen zweiten Tempera tursensor (13) aufweisen, der stromab des Katalysators (3) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (3) als DENOX-Katalysator ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine (2) als Dieselmotor oder als überstöchiometrisch betriebener Ottomotor ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (9) die thermische Energie (E_th) im Abgas in Analogie zu der Gleichung:
E_th = Σ(m_x.c_pmx.T_x)
berechnet, wobei
E_th = thermische Energie im Abgas,
x = einzelne Abgaskomponente,
m_x = Masse der Abgaskomponente x,
c_pmx = spezifische Wärmekapazität der Abgaskomponente x,
T_x = Temperatur der Abgaskomponente x.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (9) die chemische Energie (E_chnK) der dem Katalysator (3) zugeführten, insbesondere nacheinge spritzten, Kraftstoffmenge in Analogie zu der Gleichung:
E_chnK = m_nK.Hu_K
berechnet, wobei
E_chnK = chemische Energie des Kraftstoffes,
m_nK = Masse des nacheingespritzten Kraftstoffes,
Hu_K = unterer Heizwert des Kraftstoffes.