DE2643739A1 - Verfahren zur ueberwachung der aktivitaet von katalysatoren fuer die abgasreinigung - Google Patents

Description

• Anlage zur
• Patentanmeldung Verfahren zur Überuachung der Aktivität von Katalysatoren für die Abgasreinigung Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung der Aktivität von Katalysatoren für die Abgasreinigung, insbesondere bei Kraftfahrzeugen.
• Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren erzeugen in ihrem Abgas u.a. Kohlenmonoxid, Stickoxide sowie unverbrannte oder teilverbrannte Kohlenwasserstoffe, die zur Luftverunreinigung beitragen. Um die durch diese Stoffe hervorgerufene Luftverunreinigung auf einen Minimalwert herabzudrücken, ist es erforderlich, die Abgase von Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren möglichst weitgehend von diesen Stoffen zu befreien. Das geschieht durch Überführung der schädlichen Anteile des Abgases in die unschädlichen Verbindungen Kohlendioxid, S ickstoi und Wasser, indem man die Abgase einer Nachverbrennung unterwirft, wobei min sie bei Temperaturen oberhalb etwa 600 C über Katalysatoren leitet.
• Die Lebensdauer dieser Katalysatoren ist begrenzt. Das bedeutet, daß ihre katalytische Aktivität nach einer bestimmten Zeit mehr oder weniger rasch nachläßt und die Abgase somit ungereinigt in die Atmosphäre gelangen können. Da die gesetzlichen Abgasvorschriften jedoch während des gesamten Betriebseinsatzes eines Fahrzeuges stets erfüllt sein müssen, ist eine Funktionsüberwachung des Katalysators empfehlenswert. Dieses Überwachungssystem muß dem Fahrer durch ein optisches oder akustisches Signal anzeigen, wenn der Katalysator nicht mehr einwandfrei arbeitet.
• Eine Möglichkeit der direkten Überwachung des Katalysators besteht in der Messung des Abbaus einer oder mehrerer Schadstoffkomponenten, wobei man die Konzentration derselben einmal vor und einmal nach dem Katalysator mißt, so daß der Konzentrationsunterschied als Maß für die Funktionsfähigkeit des Katalysators eingesetzt werden kann. Die Messung dieser Schadstoffanteile ist jedoch verhältnismäßig aufwendig und schwierig.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, das es gestattet, Katalysatoren für die Abgasreinigung in möglichst einfacher Weise zuverlässig auf ihre Funktionstüchtigkeit hin zu überwachen.
• Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß über eine Temperaturvergleichsmessung mit hilfe zweier Temperaturfühler die durch eine am Katalysator ablaufende Reaktion entstehende Wärmetönung gemessen und bei einer Temperaturdifferenz, die anzeigt, daß der Katalysator nicht mehr funktionsfähig ist, ein Warnsignal ausgelöst wird.
• An einem funktionsfähigen Katalysator werden Kohlenmonoxid sowie unverbrannte Kohlenwasserstoffe zu Kohlendioxid und Wasser ungesetzt. Dabei handelt es sich um exotherme Reaktionen, die mit einer Temperaturerhöhung innerhalb des Systems verbunden sind. Diese Reaktionen und die damit verbundene Temperaturerhöhung treten aber nur auf, wenn und solange der Katalysator einwandfrei funktionsfähig ist.
• Die beiden Temperaturfühler können entweder gleichartig sein, wobei der eine dann kurz vor dem Katalysatorsystem, der andere dagegen innerhalb des Katalysatorsystems angeordnet ist. Es ist aber auch möglich, für die Temperaturmessung zwei verschiedenartige Temperaturfühler zu verwenden, von denen einer eine katalytisch aktive Oberfläche, der andere dagegen eine katalytisch inaktive Oberfläche aufweist. Diese beiden Temperaturfühler werden dann, ohne sich zu berühren, dicht nebeneinander im Katalysatorsystem oder kurz hinter diesem angeordnet.
• Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
• Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch eine Auspuffanlage mit zwei Katalysatorscheiben und darunter in einem Diagramm aufgetragen den Temperaturverlauf des Abgases innerhalb des Auspuffsystems, wobei sich ein Temperaturfühler kurz vor dem Katalysatorsystem, der andere dagegen innerhalb einer Katalysatorscheibe befindet, Fig. 2 den gleichen Schnitt sowie die gleichen graphischen Darstellungen, wobei die beiden Temperaturfühler aber dicht beieinander einmal innerhalb des Katalysatorsystems, das andere Mal kurz hinter diesem angeordnet sind.
• In Fig. 1 ist die Ausführungsform dargestellt, bei welcher zwei gleichartige Temperaturfühler 1 und 2 eingesetzt werden, wobei der Temperaturfühler 1 vor dem Eintritt des Gases in den Katalysator angeordnet ist, der Temperaturfühler 2 dagegen in dem Katalysatorsystem sitzt. In der dazugehörigen graphischen Darstellung ist der Temperaturverlauf innerhalb des Auspuffsystems bei betriebswarmem Motor und funktionsfähigem Katalysator aufgetragen. Die Temperatur des Gases fällt bis zum Eatalysator hin ab. Kurz'vor Eintritt des Gases in den Katalysator wird die Temperatur Tg,e mit Hilfe des Temperaturfühlers 1 gemessen. Durch die ständig ablaufenden exothermen Oxidatioijsreaktionen ist die Temperatur des Katalysators höher, was durch den Temperatursprung an der Grenze Gasraum/Katalysator angedeutet ist. Der Temperaturverlauf innerhalb des Katalysators K I stellt lediglich eine Momentaufnahme dar, er ist Änderungen während des Fahrbetriebes unterworfen. In jedem Falle mißt aber der Temperaturfühler 2 eine Temperatur TK,I, die höher liegt, als die Temperatur T . Zwischen den Katalysatorscheiben K I und K II g,e liegt die Gastemperatur wieder niedriger als innerhalb der Katalysatoren, während die VerhältnIsse in der Katalysatorscheibe K II denen in K I entsprechen, obwohl die Temperatur im Ganzen niedriger als in K I liegen kann, wenn der größte Teil der Oxidationsreaktionen bereits in K I stattgefunden hat. Die mit F bezeichneten Flächen sind ein Maß für die mit den exothermen Oxidationsreaktionen verbundene positive Wärmetönung.
• Ist der Katalysator nicht nehr funktionsfähig, so finden keine exothermen Reaktionen mehr statt und der Temperaturverlauf innerhalb der Katalysatorscheiben entspricht dem gestrichelt eingezeichneten Verlauf 3> d.h. die an dem Temperaturfühler 2 gemessene Temperatur ist kleiner als die mit dem Fühler 1 gemessene.
• Grundsätzlich läßt sich als niedri6ere Vergleichstemperatur statt der am Katalysatoreingang gernessenen Temperatur T auch die am g,e Katalysatorausgang gemessene Temperatur T verwenden, doch liegt g>a diese Temperatur T im allgemeinen höher als die Temperatur T am g,a g,e Katalysatoreingang, vorausgesetzt der Katalysator ist gut wärmeisoliert, so daß die als Meßsignal verwendete Temperaturdifferenz TK>I - T bei Verwendung von T kleiner ist als bei Verwendung von g g>a T . Daher ist für die Vergleichsmessun6 die Temperatur T vorzug,e g,e ziehen.
• Für einen funktionsfähigen Katalysator gilt also die Beziehung TK,I > Tg,e, wobei die Differenz TK,I - Tg,e etwa 50 - 100° erreicht. Ein Warnsignal muß also ausgelöst werden, wenn die Terperaturdifferenz T -T K,I g,e einen experimentell festgelegten Mindestwert unterschreitet oder wenn T I = T wird. Dieses Warnsignal wird allerdings auch ausgelöst, Q>e wenn der Katalysator noch nicht angesprungen ist, d.h. die für seine Funktion erforderliche Temperatur von 200 - 300° C noch nicht erreicht hat. Durch einen Temperaturschwellwerts chalt er , der auf die Temperatur des Öls, Kühlwassers oder des Zylinderkopfes reagiert, bzw. einen Zeitschalter kann die Warnanzeige jedoch während der Warnlaufphase, d.h.
• bis die Anspringtemperatur des Katalysators erreicht ist, blockiert werden.
• Als Temperaturfühler werden vorteilhaft handelsiibliche NTC-Widerstände verwendet.
• In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 entspricht der Temperaturfühler 4 dem Temperaturfühler 1 bzw. 2 in Fig. 1. Der Temperaturfühler 5 dagegen trägt eine katalytisch wirksame Oberflächenschicht, die vorteilhaft aus dem gleichen Material besteht wie der in den Katalysatorscheiben K I und K II verwendete Katalysator, z.B. Platin oder Vanadium.
• Die katalytisch wirksame Schicht auf dem Temperaturfühler 5 kann z.B.
• durch Aufdampfen oder durch Plasmaspritzen auf den IXTC-Widerstand aufgebracht werden.
• Die beiden Temperaturfühler können entweder innerhalb des Katalysatorsystems, z.B. in der Katalysatorscheibe K II dicht nebeneinander angebracht werden (Temijeraturfühler 4 und 5, Lösung A), oder sie können ebenfalls dicht nebeneinander, am Katalysatoraustritt im Gasraum angeordnet werden (Temperaturfühler 4' und 5', Lösung B). Eine derartige Anordnung der beiden Temperaturfühler dicht beieinander, ohne sie allerdings miteinander in Kontakt zu bringen, hat den Vorteil, daß zur Überwachung der Wirksamkeit des Katalysators beide Fühler an einer Meßstelle innerhalb des Abgassystems eingesetzt werden können. Hierdurch wird nämlich der durch unterschiedliche Motorbetriebszustände hervorgerufene Temperatureinfluß, besonders während des Warmlaufens des Motors, eliminiert, s daß d£ arneinrichtung nicht während der Warmlaufphase, sondern nur noch be; nicht mehr funktionsfähigem Katalysator anspricht, Bei Einbau der beiden Temperaturfühler 4 und 5 in der Katalysatorscheibe K II (Lösung A) haben beide annähernd die gleiche Temperatur T4 bzw. T5 (vgl. Diagramm a der Fig. 2). Verringert sich nun aber die Aktivität des Katalysators in K I und K II, bleibt aber der Katalysator auf dem Temperaturfühler 5 voll funktionsfähig, so sinkt die Temperatur T4 des Fühlers 4 ab, während die Temperatur T5 des Fühlers 5 nur wenig absinkt, weil sich die exothermen Oxidationsreaktionen nun in zunehmendem Maße nur noch an dem auf der Oberfläche des Fühlers 5 befindlichen Katalysator abspielen (vgl. Diagramm b der Fig. 2).
• Eine gewisse Temperaturerniedrigung tritt dadurch ein, daß Wärme vom Fühler 5 an den Katalysator K II abgegeben wird.
• Die gemessene Temperaturunterschied T5 - T4 ist ein Maß für die Verschlechterung der Aktivität des Katalysators. Die Warneinrichtung muß also in diesem Falle so ausgelegt werden, daß sie bei Überschreiten einer bestimmten Temperaturdifferenz anspricht.
• Die genannte Temperaturdifferenz kann jedoch noch vergrößert werden, wenn die Wärmeableitung des Fühlers 5 mit seiner katalytisch aktiven Oberfläche an den ihn umgebenden Katalysator verringert wird, wenn also die Wärmeabgabe des Fühlers durch Wärmeleitung von der Meßstelle in das Katalysatormaterial wegfällt. Dies ist dann der Fall, wenn die Temperaturfühler im Gasraum am Austritt des Katalysators angeordnet werden (Temperaturfühler 4' und 5', Lösung B). Ein Einbau der Fühler an dieser Stelle hat noch den weiteren Vorteil, daß beide Fühler einer niedrigeren Temperatur ausgesetzt sind. Dies ist für die Lebensdauer der katalytisch wirksamen Oberfläche des Temperaturfühlers 5' von Bedeutung, da dieser dann mit Sicherheit eine höhere Lebensdauer aufweist als die Katalysatoren der Scheiben K 1 und K II, die ständig auf höherer Temperatur betrieben werden. Ist der Katalysator in den Scheiben K I und K II voll funktionsfähig, so zeigen die beiden Temperaturfühler 4' und 5' wiederum etwa gleiche Temperaturen T4, bzw.
• T51, wobei diese aber tiefer liegen, als die Temperaturen T4 und T 5 bei der Lösung A (v61. Diagramm a der Fig. 2).
• Ist der Katalysator in den Katalysatorscheiben K 1 und K II nicht mehr funktionsfähig, so sinkt die Temperatur T4, des Temperaturfühlers 4' ab, während die Temperatur T5, des Temperaturfühlers 5' durch die nun an dessen katalytisch aktiver Oberfläche in verstärktem Maße einsetzenden exothermen Reaktionen ansteigt (vgl. Diagramm b der Fig. 2).
• Auch hier muß also die Warneinrichtung genauso ausgelegt sein, wie oben bei der Lösung A beschrieben.
• Für einen funktionsfähigen Katalysator gilt also die Beziehung T4 # T5 bzw. T4, # T5, .
• Ist der Katalysator nicht mehr einwandfrei-funktionsfähig, so gilt die Beziehung T4 < T5 bzw. T4, < T5,.
• In diesem Falle soll die Warneinrichtung ansprechen.
• Die Auslösung der Signale unter den bei den beiden Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 1 und 2 genannten Bedingungen erfolgt mit Hilfe von üblichen, nicht zur Erfindung gehörenden schaltungstechnischen Maßnahmen.

Claims (4)

1. Ansprüche 1. Verfahren zur Überwachung der Aktivität von Katalysatoren für die Abgasreinigung, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Temperaturvergleichsmessung mit Hilfe zweier Temperaturfühler die durch eine am Katalysator ablaufende Reaktion entstehende Wärmetönung gemessen und bei einer Tei,1peraturdifferenz, die anzeigt, daß der Katalysator nicht mehr funktionsfähig ist, ein Warnsignal ausgelöst wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Temperaturmessung zwei gleichartige Temperaturfühler verwendet werden, von denen der eine kurz vor dem Katalysatorsystem, der andere dagegen innerhalb des Katalysatorsystems angeordnet ist.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Temperaturmessung zwei Temperaturfühler verwendet werden, von denen einer eine katalytisch aktive Oberfläche, der andere dagegen eine katalytisch inaktive Oberfläche aufweist, und daß beide Temperaturfühler, ohne sich zu berühren, dicht nebeneinander im Katalysatorsystem oder kurz hinter diesem im Gasraum angeordnet sind.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Temperaturfühler NTC-Hiderstände eingesetzt werden.