DE3527175A1 - Verfahren zur erkennung des alterungszustandes eines abgaskatalysators bei einem mit (lambda)-sonderregelung des kraftstoff-luft-verhaeltnisses ausgeruesteten verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Erkennung des Alterungszustandes eines Abgaskatalysators bei einem mit λ-Sondenregelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses ausge­ rüsteten Verbrennungsmotor, bei dem bei Über- bzw. Unterschrei­ ten eines vorgegebenen Kraftstoff-Luft-Verhältnisses in Ab­ hängigkeit von der von der λ-Sonde abgegenenen Spannung bei Erreichen des Umschaltpunktes das Kraftstoff-Luft-Verhältnis von fett auf mager bzw. von mager auf fett umgeschaltet wird.

Bestimmte gesetzliche Anforderungen an die Abgaszusammensetzung lassen sich nur durch katalytische Nachbehandlung der Abgase erreichen. Um ein optimales Arbeiten des Katalysators sicher­ zustellen muß das Kraftstoff-Luft-Verhältnis innerhalb sehr enger Grenzen um das stöchiometrische Verhältnis schwanken. Erreicht wird das durch die Einschaltung einer λ-Sonde vor dem Katalysator, mit deren Hilfe der Restsauerstoff im Abgas ermittelt wird.

Von der von der λ -Sonde abgegebenen Spannung (EMK) wird über eine Sondenlinie auf das Kraftstoff-Luft-Verhältnis zurückge­ schlossen. Über einstellbare elektronische Parameter, wie Schwellwert, Arbeitspunkt, Integrator-Charakteristik und Verzugs­ zeiten, wird der gewünschte λ -Regelpunkt eingestellt. Aufgrund der Sondenkennlinie arbeitet der an die Sonde angeschlossene Regler im allgemeinen als Zweipunktregler, d.h. bei Abweichungen der abgegebenen Spannung von dem Arbeitspunkt wird der Kraftstoff­ anteil im Kraftstoff-Luft-Gemisch vergrößert oder verkleinert. Aufgrund der Gaslaufzeiten im Motor ergibt sich damit ein stän­ diges Hin- und Herpendeln zwischen einem fetten und einem ma­ geren Kraftstoff-Luft-Gemisch.

Es ist nun bekannt, daß die Katalysatoren relativ empfindlich auf Überhitzung und insbesondere auf Verunreinigungen und Zu­ sätze im Benzin, z.B. Bleiverbindungen, reagieren. Außerdem findet bei den harten Betriebsbedingungen im Fahrzeug eine ge­ wisse Alterung der Katalysatoren statt. Alle die genannten Faktoren führen zu einer Leistungsminderung des Katalysators.

Sobald die Leistungsminderung des Katalysators einen bestimmten Grad erreicht hat, sollte der Katalysator ausgewechselt werden, wobei tunlichst nicht so lange zu warten ist, bis der Kata­ lysator so weit zerstört ist, daß sich sein nicht funktionieren bereits nach außen hin bemerkbar macht.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein einfaches Verfahren zu finden, was in praktisch jeder Kraftfahrzeugwerkstatt durch­ geführt werden kann und mit dem Rückschlüsse auf den Alterungs­ zustand des Katalysators gezogen werden können.

Diese Aufgabe wird durch das in Patentansprüchen beschriebene Verfahren gelöst.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, daß der Ka­ talysator bei Verbrennung eines mageren Gemisches ( λ< 1 Sauerstoffüberschuß im Abgas) in der Lage ist, Sauerstoff zu speichern, mit dem bei Verbrennung eines fetten Gemisches (λ < 1, Sauerstoffunterschuß im Abgas) die noch verbrenn­ baren Abgasbestandteile oxidiert werden können. Ein Katalysa­ tor mit voller katalytischen Aktivität besitzt dabei ein ver­ hältnismäßig großes Sauerstoffspeichervermögen. Im Verlauf des Alterungsprozesses des Katalysators nimmt das Sauerstoffspeicher­ vermögen und damit auch die Aktivität des Katalysators ab.

Bedingt durch die Funktion der λ-Sonden gesteuerten Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses pendelt dieses Verhältnis mit einer bestimmten Frequenz zwischen fett und mager. Die Funk­ tionsweise einer λ -Sonden gesteuerten Regelung ist allgemein bekannt und wird z.B. ausführlich beschrieben in: Glöckler, "Advances in closed-loop lambda-controlled fuel injection systems means to meet mist stringent emission levels", Proceedings In­ ternational Symposium in Automotive Technology & Automation, ISATA 81, Stockholm 7.-11. September, Band 1, Seiten 308-326 herausgegeben durch Automotive Automation Ltd., Croydon, Eng­ land.

Verzögert man nun die Umschaltung von dem fetten zum mageren Ge­ misch bzw. umgekehrt um einen bestimmten zeitlichen Betrag, so verlängern sich sowohl die Zeiten, in denen dem Katalysator ein Gas mit Sauerstoffunterschuß angeboten wird, als auch die Zei­ ten, in denen ein Abgas mit Sauerstoffüberschuß angeboten wird. Das noch oxidierbare Bestandteile enthaltende Abgas mit Sauer­ stoffunterschuß kann nur dann vollständig oxidiert werden, wenn die während der Sauerstoffüberschußphase im Katalysator gespei­ cherte Menge an Sauerstoff dazu ausreicht. Da die Sauerstoff­ speicherfähigkeit des Katalysators aber mit zunehmender Alterung d.h. zunehmendem Unwirksamwerden des Katalysators abnimmt, ist bei geeigneter Wahl der Verzögerung der Umschaltpunkte der An­ teil nicht mehr umgesetzter brennbarer Bestandteile im Abgas ein Maß für die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators und damit für seinen Alterungszustand. Aus dem Gehalt an brennbaren Bestandteilen im Abgas hinter dem Katalysator kann man somit den Erschöpfungsgrad des Katalysators ermitteln und den Katalysator daraufhin gegebenenfalls auswechseln, bevor noch im normalen Betrieb störende Abgasbestandteile in die At­ mosphäre gelangen.

Die Messung des Gehaltes an brennbaren Bestandteilen im Abgas bei Verzögerung der Umschaltung kann von jeder Werkstatt mit den heute schon gebräuchlichen Meßgeräten (CO-Messung) insbe­ sondere im Leerlauf oder bei erhöhtem Leerlauf vorgenommen wer­ den. Messungen zur Feststellung des CO-Gehaltes im Ab­ gas werden ja auch bereits heute bei der Einstellung von Ver­ gasern vorgenommen.

Die Zeit, mit der bei Erreichen des normalen Umschaltpunktes die Umschaltung verzögert wird, liegt zwischen 10 und 5000 msec, bevorzugt zwischen 50 und 200 msec. Die optimale Verzögerungs­ zeit muß jeweils individuell für den entsprechenden Motorentyp ermittelt werden. Dabei kann von folgenden Richtwerten ausge­ gangen werden: wenn ein großes Katalysatorvolumen vorhanden ist, muß auch die Verzögerung verhältnismäßig groß sein, da ein großes Katalysatorvolumen auch eine große Sauerstoffspeicher­ fähigkeit besitzt. Würde die Verzögerung zu klein genommen wer­ den, so träte nicht die gewünschte Überlastung des Katalysators ein, und die Grenze des Sauerstoffspeicherfähigkeit könnte erst kurz vor dem Zusammenbrechen des Katalysators ermittelt werden.

Häufig sind Fahrzeuge auch mit einem in großer Nähe zum Auspuff angebrachten Minikatalysator oder Startkatalysator versehen. Ein solcher Katalysator ist im Abgasstrom vor der λ-Sonde und dem eigentlichen Katalysator angeordnet und hat die Aufgabe, sich in der Startphase sehr schnell zu er­ wärmen und dadurch in der Startphase den Gehalt unerwünschter Abgasbestandteile zu reduzieren. Ist ein solcher Katalysator eingebaut, so ist eine Verkürzung der Verzögerungszeit ange­ bracht, da die Abgase den eigentlichen Katalysator ja bereits in teilweise umgesetztem Zustand erreichen. Die Verzögerung der Umschaltung von fett auf mager bzw. umgekehrt läßt sich besonders einfach durch Zwischenschalten eines RC-Gliedes bzw. eines Tiefpasses in die Leitung zwischen der λ-Sonde und dem Steuergerät erreichen. Mitunter genügt sogar, wenn Plus- und Minusleitung der Verbindung zwischen Sonde und Regelgerät durch einen Kondensator geeigneter Kapazität überbrückt werden. falls die Verzögerung durch Einschalten eines RC-Gliedes oder eines Kondensators in die Leitung zwischen λ-Sonde und Regelgerät hervorgerufen wird, gestaltet sich die praktische Durchführung besonders einfach. Die Verbindung zwischen dem Kabel der λ-Sonde und dem Regelgerät erfolgt nämlich durch einen Steckkontakt. Schaltet man nun zwischen den Stecker der Leitung und den Steck­ kontakt des Regelgerätes einen geeigneten Zwischenstecker ein, der das RC-Glied bzw. den Kondensator enthält, so kann das in jeder Werkstatt ohne Schwierigkeiten durchgeführt werden. Die Werkstatt braucht nur einen Satz geeigneter Zwischenstecker, die auf die von Ihr gewarteten Fahrzeugtypen abgestimmt sind. Eine andere Möglichkeit, die Verzögerung vorzunehmen, besteht da­ rin, daß man ein entsprechendes Verzögerungsglied in das Re­ gelgerät einbaut und bei der Überprüfung der Katalysatoranlage durch einen Schalter aktiviert. Eine solche Lösung hat den Vorteil, daß in der Werkstatt außer den ohnehin vorhandenen Geräten zur Messung der Abgaszusammensetzung keine weiteren Vorrichtungen erforderlich sind.

Mit der vorliegenden Erfindung ist es erstmals auf außerordent­ lich einfache Weise möglich geworden, den Alterungszustand des Abgaskatalysators im Fahrzeug zu messen. Die dazu vorhandenen apparativen Voraussetzungen sind außerordentlich einfach und größtenteils bereits in jeder Kraftfahzeugwerkstatt vorhanden. Durch das Verfahren ist es möglich geworden, einen erschöpften Katalysator rechtzeitig zu erkennen, bevor er so unbrauchbar geworden ist, daß unerwünschte Abgase während des Betriebes des Motors ins Freie gelangen.

Claims (3)

1. Verfahren zur Erkennung des Alterungszustandes eines Abgas­ katalysators bei einem mit λ-Sonden-Regelung des Kraftstoff- Luft-Verhältnisses ausgerüsteten Verbrennungsmotor, bei dem bei Über- bzw. Unterschreiten eines vorgegebenen Kraftstoff- Luft-Verhältnisses in Abhängigkeit von der von der λ-Sonde abgegebenen Spannung bei Erreichen des Umschaltpunktes das Kraftstoff-Luft-Verhältnis von fett auf mager bzw. von mager auf fett umgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung um 10 bis 5000 msec verzögert und der sich im Abgas hinter dem Katalysator einstellende Gehalt an brenn­ baren Abgasbestandteilen gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung um 50 bis 200 msec verzögert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerung durch Zwischenschalten eines RC-Gliedes bzw. eines Tiefpasses in den Stromkreislauf der λ -Sonde erzeugt wird.