DE3841685A1 - Verfahren zur erkennung des zustandes von katalysatoren - Google Patents

Verfahren zur erkennung des zustandes von katalysatoren

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung des Zustandes von Katalysatoren nach dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1.
Für Brennkraftmaschinen mit nachgeschaltetem Katalysator und Abgasmeßsonden zur Abgasnachbehandlung ist es aus der DE-OS 32 24 347 bekannt, den Sauerstoffpartialdruck mit Hilfe dieser Sonden zu analysieren und in Abhängigkeit da­ von das Kraftstoff/Luft-Verhältnis des der Brennkraftma­ schine zugeführten Gemischs auf einen nahezu stöchiometri­ schen Wert zu regeln. Für diese Analyse wird das bekannte Verhalten einer Sauerstoffsonde ausgenutzt, in Abhängig­ keit vom Vorhandensein von Sauerstoff im Abgas ihre Aus­ gangsspannung zu verändern. Charakteristisch für die Sauer­ stoffsonde ist dabei eine sehr steile Änderung ihrer Aus­ gangsspannung in einem engen Bereich um das stöchiometri­ sche Verhältnis (λ = 1) herum. Wird beim Vergleich des von der Sonde abgegebenen Signals mit einem vorgegebenen Schwellwert ein geringer Sauerstoffpartialdruck, d.h. also ein fettes Gemisch, erkannt, so wird die Gemischzusammen­ setzung mit Hilfe eines in einem Steuergerät enthaltenen Integrators gleichmäßig abgemagert. Umgekehrt wird das Kraftstoff/Luft-Verhältnis gleichmäßig angefettet, wenn ein hoher Partialdruck, d.h. also ein mageres Gemisch, erkannt wird. Wird ein Wechsel im Kraftstoff/Luft-Verhältnis zwischen den beiden Bereichen "fett" und "mager" bzw. umge­ kehrt erkannt, so erfolgt eine Veränderung der Gemischzu­ sammensetzung um einen konstanten Betrag. Dieses soeben beschriebene bekannte Regelverhalten wird z.B. über einen Proportional-Integral-(PI)-Regler bewirkt.
Bei diesem bekannten Regelverfahren ist es möglich, die Regelung an verschiedene Betriebszustände der Brennkraft­ maschine anzupassen, indem z.B. die Integrationsgeschwin­ digkeit des PI-Reglers abhängig von Last und Drehzahl der Brennkraftmaschine gewählt wird. Außerdem ist es möglich, die Regelparameter in Abhängigkeit von der Betriebsdauer des Katalysators zu wählen, um die mit steigender Betriebs­ dauer abnehmende Konvertierungsrate des Katalysators aus­ zugleichen. Die Erfassung der Betriebsdauer kann einer­ seits über die Betriebsstunden und andererseits über die zurückgelegte Laufstrecke erfolgen. Bei beiden Möglichkei­ ten wird jedoch nicht der tatsächliche Aktivitätszustand des Katalysators erfaßt, da dieser zusätzlich durch ver­ schiedene Last/Drehzahl-Kollektive beeinflußt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, den tatsächlichen Aktivi­ tätszustand eines Katalysators zu erfassen und laufzeitab­ hängige Eingriffe in die Regelung vorzunehmen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeich­ nenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale ge­ löst. Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.
Im Katalysatorvolumen sind räumlich voneinander getrennt zwei Sonden zur Erfassung der Abgaszusammensetzung vorge­ sehen. Üblicherweise handelt es sich dabei um Sauerstoff­ sonden, mit deren Hilfe ein Übergang von einem fetten zu einem mageren Kraftstoff/Luft-Verhältnis und umgekehrt erkannt wird. Durch die räumlich getrennte Anordnung der beiden Sonden ergibt sich bei der Abgasmessung ein zeit­ licher Verzug zwischen den beiden Sondensignalen. Dieser zeitliche Verzug, d.h. die Phasenverschiebung zwischen den beiden Sondensignalen ist ein Maß für die Aktivität des Katalysators und somit für seinen Alterungszustand, der die Konvertierungsrate des Katalysators beeinflußt. Das Ergebnis der Messung der Phasenverschiebung wird als zu­ sätzlicher Eingabeparameter für die herkömmliche Regelung verwendet und ermöglicht so laufzeitabhängige Regelungs­ eingriffe.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sei nachstehend an­ hand der Zeichnung beschrieben.
Die einzige Figur zeigt schematisch einen Katalysator 1, der in einem Gehäuse 2 angeordnet ist. Am stromaufwärtigen Ende 3 strömt Abgas 4 in Pfeilrichtung von einer hier nicht gezeigten Brennkraftmaschine kommend in den Kataly­ sator 1 ein. Nach Durchlaufen des gesamten Katalysatorvo­ lumens verläßt das nunmehr gereinigte Abgas 5 den Kataly­ sator 1 am stromabwärtigen Ende 6 und gelangt von dort in Pfeilrichtung in ein hier ebenfalls nicht gezeigtes Aus­ puffsystem.
Beim Durchlaufen des Katalysators 1 strömt das Abgas an den beiden Sauerstoffsonden 7 und 8 vorbei, die in bekann­ ter Weise dann eine sprunghafte Änderung ihrer Ausgangs­ spannung aufweisen, wenn ein Wechsel des Kraftstoff/Luft- Verhältnisses von fett nach mager bzw. umgekehrt festge­ stellt wird. Durch die räumlich getrennte Anordnung dieser beiden Sonden 7 und 8 wird ein derartiger Wechsel im Kraft­ stoff/Luft-Verhältnis von der stromabwärtigen Sonde 8 zwangsläufig später festgestellt als von der stromaufwär­ tigen Sonde 7. Dies bedingt einen zeitlichen Verzug in der Signalabgabe der Sonde 8 gegenüber der Sonde 7, der in einer Auswerteeinheit 9 als Phasenverschiebungssignal aus­ gewertet wird. Der Betrag der Phasenverschiebung ist ein Maß für den Aktivitätszustand und damit also der Alterung des Katalysators 1. Das Ergebnis 10 der Phasenverschie­ bungsmessung kann dann als Eingabeparameter für laufzeit­ abhängige Eingriffe in die hier nicht dargestellte Rege­ lung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses verwendet werden und somit können alterungsbedingte Verschlechterungen des Konvertierungsgrades des Katalysators 1 ausgeglichen wer­ den.
Besonders vorteilhaft erweist sich das erfindungsgemäße Verfahren im Zusammenwirken mit einem Regelungsverfahren, bei dem auf das Kraftstoff/Luft-Verhältnis eine periodi­ sche Schwingung aufgeprägt ist. Über eine Erhöhung der Frequenz dieser aufgeprägten Schwingung in Abhängigkeit vom Phasenverschiebungssignal 10 kann die Regelfrequenz des Systems erhöht werden und es lassen sich - wie oben schon gezeigt - alterungsbedingte Verschlechterungen des Konvertierungsgrades des Katalysators 1 ausgleichen. Be­ sonders zweckmäßig ist dabei die Verwendung einer sinus­ förmigen aufgeprägten Schwingung, da die Sinusform durch die Übertragungsfunktion des Katalysators 1, der ein Ver­ zögerungsglied darstellt und Tiefpaßverhalten aufweist, nicht verzerrt wird, sondern nur die Amplitude dieser Schwingung gedämpft wird. Auf diese Weise ist eine beson­ ders einfache Auswertung der Meßergebnisse an den Sonden 7 und 8 gegeben.
In einer günstigen Ausführungsform beträgt das zwischen den beiden Sonden 7 und 8 befindliche Katalysatorvolumen etwa 10% bis 30% des Gesamtkatalysatorvolumens. Ein größe­ res dazwischen liegendes Katalysatorvolumen verbessert zwar prinzipiell die Erkennung der Alterung, verschlech­ tert jedoch in gleichem Maße die Erkennbarkeit der Signale und ihre Zuordnung zueinander aufgrund der Verschleifung der Signale durch die Tiefpaßeigenschaft eines Katalysators. Besonders günstig wird die Aussage über den Alterungszustand des Katalysators 1 für den Fall, daß das zwischen den Sonden 7 und 8 befindliche Katalysatorvolumen das Vorderstück, d.h. das stromaufwärtige, thermisch hoch belastete Ende des Katalysators 1 ist.

Claims (4)

1. Verfahren zur Erkennung des Zustandes von Katalysatoren bei Brennkraftmaschinen mit einem im Abgasweg angeordneten Katalysator und zwei mit Abstand voneinander angeordneten Abgasmeßsonden, von denen das der Brennkraftmaschine zuge­ führte Kraftstoff/Luft-Gemisch in Abhängigkeit von der erkannten Abgaszusammensetzung in einer Regeleinheit auf einen stöchiometrischen Wert geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung zwischen den Signalen der Abgas­ meßsonden (7, 8) erfaßt wird und als Maß für den Alterungs­ zustand des Katalysators (1) in der Regeleinheit ausgewer­ tet wird.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Abgasmeßsonden (7, 8) im Katalysator (1) ange­ ordnet sind und durch ein dazwischen liegendes Katalysator­ volumen räumlich voneinander getrennt sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen den Abgasmeßsonden (7, 8) liegende Kata­ lysatorvolumen zwischen 10% und 30% des Gesamtkatalysator­ volumens beträgt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen den Abgasmeßsonden (7, 8) liegende Kata­ lysatorvolumen am stromaufwärtigen Ende des Katalysators (1) angeordnet ist.
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