DE4100397C2 - Verfahren und Anordnung zur Überwachung des Konvertierungsgrads eines Katalysators - Google Patents

Verfahren und Anordnung zur Überwachung des Konvertierungsgrads eines Katalysators

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Bekanntlich werden zur Umwandlung von schädlichen Bestandteilen in den Abgasen von Brennkraftmaschinen, insbesondere solchen, die zum Antrieb von Kraftfahrzeugen dienen, Katalysatoren einge­ setzt. Insbesondere handelt es sich dabei um Katalysatoren, die in den Abgasen enthaltene Kohlenwasserstoffe sowie Kohlenmon­ oxid in gesundheitlich unbedenkliche Verbindungen konvertieren. Da die Katalysatoren im Betrieb harten Beanspruchungen ausgesetzt sind, insbesondere hohen Temperaturen, aber auch Erschütterungen während des Fahrbetriebs des Fahrzeugs, ist ihre Lebensdauer begrenzt. Das bedeutet, daß sie nach einer von der Betriebsweise der zugeordneten Brennkraftmaschine abhängigen Zeit eine Verrin­ gerung ihres Konvertierungsgrads bis zu Werten zeigen, die einen Austausch des Katalysators erfordert.
Daher sind bereits Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1 bekannt - siehe beispielsweise die DE 26 43 739 C2, die Temperaturen an unterschiedlichen Stellen im Gehäuse des Katalysators erfassen, die im Betrieb des Katalysators unter­ schiedliche Temperaturwerte annehmen, also beispielsweise in Strömungsrichtung der Abgase vor und in dem Katalysator, und die durch Vergleich der gemessenen Temperaturwerte gleichsam den jeweiligen Konvertierungsgrad des Katalysators ermitteln sowie bei einer kritischen Abnahme des Konvertierungsgrads ein Überwachungssignal erzeugen. Sieht man einmal davon ab, daß diese bekannten Verfahren erst dann durchgeführt werden, wenn die Warmlaufphase des Katalysators beendet und demgemäß dessen Anspringtemperatur erreicht ist, tragen diese bekannten Verfahren der Tatsache nicht Rechnung, daß die erfaßten Tempera­ turen nicht nur vom Zustand des Katalysators, sondern insbeson­ dere auch von der jeweiligen Belastung der Brennkraftmaschine abhängig sind. Gerade Fahrzeug-Brennkraftmaschinen arbeiten in einem großen Last- und Drehzahlbereich, so daß auch die Abgasmengen (und damit die Raumgeschwindigkeit des Katalysators) und -temperaturen großen Schwankungen unterliegen. Es ist daher kaum möglich, mit den bekannten Verfahren, die während des normalen, mit Leistungsabgabe verbundenen Betriebs der Brenn­ kraftmaschine durchgeführt werden, eine sichere Aussage über den jeweiligen Aktivierungsgrad des Katalysators zu gewinnen.
Desweiteren ist es aus DE 35 16 981 A1 bekannt, die Funktionsfähigkeit eines Katalysators durch Temperaturmessungen vor und hinter diesem Katalysator zu überprüfen, wobei bei Temperaturänderungen der ein- oder ausströmenden Abgase die Auswertungen unterbrochen werden sollen, da in diesen Fällen das Signal der Temperaturdifferenz keine Aussagekraft besitzt.
Aus DE 37 10 268 A1 ist ein weiteres Verfahren zur Funktionsüberwachung von Katalysatoren derart bekannt, daß an zwei voneinander beabstandeten Bereichen eines Katalysators die Wärmeenergie bestimmt wird, wobei zwischen diesen beiden Orten zumindest teilweise ein katalytischer Prozeß stattfindet. Diese beiden aufgenommen Wärmeenergiewerte werden miteinander in Vergleich gesetzt, um aus diesem Vergleich eine Steuergröße zu bilden und weiter auszuwerten.
Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein gattungs­ gemäßes Verfahren und eine Anordnung zu seiner Durchführung zu schaffen, das auch bei Brennkraftmaschinen, die mit stark unterschiedlichen Lasten gefahren werden, eine genaue, reprodu­ zierbare Ergebnisse liefernde Überwachung des Konvertierungsgrads des Katalysators vorzunehmen gestattet.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einer Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens nach Anspruch 7. Vorteilhafte Ausbildungen des Verfahrens und der Anordnung zur Durchfüh­ rung des Verfahrens beschreiben die entsprechenden Unteransprüche.
Auch die Erfindung bietet also in vorteilhafter Weise die Mög­ lichkeit, während des Betriebs der Brennkraftmaschine, insbeson­ dere während des Fahrbetriebs eines Fahrzeugs, Überwachungs­ signale für den Konvertierungsgrad des Katalysators zu erzeugen, jedoch in Betriebsphasen der Brennkraftmaschine, nämlich in Schubphasen, bei denen im Bereich des Katalysators infolge Erzeugung zumindest eines Zündaussetzers und Zuführung eines definierten Kraftstoff-Luft-Gemischs zur Maschine hinsichtlich der Erzeugung der Temperaturen, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfaßt werden, definierte Verhältnisse vorliegen.
Zwar erfaßt das erfindungsgemäße Verfahren nur Reaktionen am Katalysator mit positiver Wärmetönung, also Oxidationsprozesse (Kohlenwasserstoffe, CO), aber die so erhaltenen Ergebnisse lassen bei normaler Katalysatoralterung auch Rückschlüsse auf die reduzierende Wirkung (auf NOx, N) zu.
Dabei kann, wie in Unteransprüchen zum Ausdruck gebracht, das Verfahren mittels eines Steuergeräts so gesteuert werden, daß beispielsweise jeweils nach dem Start der Brennkraftmaschine eine Schubphase derselben zur Durchführung des Verfahrens ausge­ nutzt wird; es ist jedoch auch möglich, das Verfahren so zu steuern, daß in weitgehend regelmäßigen Zeitabständen während dann auftretender Schubphasen die Überwachung des Katalysators vorgenommen wird.
Wenn im Rahmen der Ansprüche und der Beschreibung der Begriff "Überwachungssignal" verwendet wird, so soll er jede Signaler­ zeugung erfassen, also nicht nur ein Alarmsignal, sondern bei­ spielsweise auch ein quantitatives Signal, das den jeweiligen Überwachungsgrad zahlenmäßig angibt. Dieses so definierte Über­ wachungssignal kann dem Fahrer des Fahrzeugs zugeführt werden; es kann aber auch zur Einleitung irgendwelcher Befehle im Motor­ management Verwendung finden.
Im folgenden wird das Verfahren anhand von zwei Zeichnungen erläutert, die schematisch zwei Ausführungsbeispiele von Anordnungen zur Durchführung dieses Verfahrens wiedergeben.
Die bei 1 angedeutete Brennkraftmaschine besitzt das Ansaug­ system 2 mit der das Leistungsstellglied darstellenden Drossel­ klappe 3 sowie das Abgassystem 4, in dem bei 5 der Katalysator bekannten und daher nicht zu beschreibenden Aufbaus angeordnet ist. Es sei angenommen, daß es sich bei der fremdgezündeten Brennkraftmaschine 1 um die Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs handelt, so daß die Drosselklappe 3 unter dem Einfluß eines vom Fahrer zu betätigenden Gaspedals steht. Die Drosselklappe 3 ist in ihrer geschlossenen Stellung, die sie bei Leerlauf (nie­ drige Drehzahl) und Schubbetrieb (Drehzahl höher als bei Leer­ laufbetrieb) einnimmt; die Leerlaufluft strömt demgemäß über den Bypass 6, in dem das Ventil 7 zur Einstellung der Leerlauf­ luftmenge angeordnet ist. Der Strömungsquerschnitt des Ventils 7 wird im Schubbetrieb ebenso wie eine über die Einspritzdüse 8 gelieferte Kraftstoffmenge mittels des Steuergeräts 9 einge­ stellt. Zur Kennzeichnung des Schubbetriebs dient (in Verbindung mit einem Drehzahlsignal) der Drosselklappenschalter 10, der im Schubbetrieb (geschlossene Drosselklappe 3, nicht betätigtes Gaspedal) ebenfalls geschlossen ist und über die Leitung 11 ein entsprechendes, den Schubbetrieb signalisierendes Aktivie­ rungssignal an das Steuergerät 9 liefert. Daraufhin bewirkt das Steuergerät 9 über die Ansteuerleitungen 12 und 13 die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderliche Betätigung der Einrichtungen 7 und 8 sowie über die Steuerlei­ tung 14 die Erzeugung zumindest eines Zündaussetzers.
Über Meßleitungen 15 und 16, die mit jeweils einem Temperaturfüh­ ler 17 bzw. 18 in Strömungsrichtung der Abgase hinter bzw. vor dem Katalysator 5 verbunden sind, werden dem Steuergerät 9 elektrische Signale zugeführt, die ein Maß für die jeweiligen Temperaturwerte am Ort der Temperaturfühler 17 und 18 sind. Infolge der Zufuhr eines definierten Kraftstoff-Luft-Gemischs (über die Einrichtungen 7 und 8), das infolge Zündungsunterdrüc­ kung (Zündaussetzer) unverbrannt zum Katalysator 5 gelangt, findet an diesem eine chemische Reaktion mit Wärmeerzeugung statt, so daß bei ordnungsgemäßem Arbeiten des Katalysators die Differenz der von den Sensoren 17 und 18 gemessenen Tempera­ turwerte relativ groß ist und ein eindeutiges Signal für den Konvertierungsgrad des Katalysators 5 darstellt.
Diese Differenzbildung erfolgt im Steuergerät 9, das auch zur Speicherung dieses Überwachungssignals eingerichtet ist. Diese Speicherung ist wichtig zur Bestimmung des ungefähren Zeitpunkts eines Abfalls des Konvertierungsgrads. Das Steuergerät 9 kann so programmiert sein, daß das beschriebene Verfahren nach jedem Start der Brennkraftmaschine 1 bei einer der ersten Schubphasen derselben vorgenommen wird, jedoch erst dann, wenn der Kataly­ sator 5 auch im gealterten Zustand seine Anspringtemperatur angenommen hat. Das Steuergerät 9 kann aber auch so programmiert sein, daß es nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit nach Durchfüh­ rung des Verfahrens eine dann auftretende Schubphase der Brenn­ kraftmaschine 1 abwartet und dann erneut das Verfahren initiiert.
In Fig. 2 sind die bereits in Fig. 1 vorkommenden Teile mit denselben Bezugszeichen versehen. Statt des hinter dem Katalysa­ tor 5 liegenden Temperatursensors 17 ist im Katalysator der Temperatursensor 19 vorgesehen und zwar hier etwa bei 1/3 axialer Länge des Katalysators, damit er durch Zündaussetzer hervorgeru­ fene Temperaturerhöhungen desselben schnell erfaßt. Den Sensoren 18 und 19 sind - hier im Steuergerät 9 - die differenzbildende Schaltung 20, das Differenzierglied 21 sowie der Speicher 22 nachgeschaltet. Die Differentiation und die Speicherung des so erhaltenen, dem Konvertierungsgrad proportionalen Wertes sind zweckmäßig, da Schubphasen in der Regel zu kurz für ein auswertbares Signal für den Konvertierungsgrad sind. An den Speicher 22 ist ein Signalgeber angeschlossen.
Mit der Erfindung sind demgemäß ein gattungsgemäßes Verfahren und eine Anordnung zu seiner Durchführung geschaffen worden, das bzw. die bei einfachem Aufwand eine sichere Überwachung des Konvertierungsgrads eines Katalysators vorzunehmen gestattet.

Claims (13)

1. Verfahren zur Überwachung des Konvertierungsgrads eines im Abgassystem einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators, wobei an im Betrieb des Kataly­ sators unterschiedliche Temperaturen besitzenden Stellen gemessene Temperaturwerte verglichen werden und der Ver­ gleichswert zur Gewinnung eines Überwachungssignals herange­ zogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß während Schubphasen der Brennkraftmaschine (1) zumindest ein Zündaussetzer zur Zufuhr einer definierten Menge eines unverbrannten Kraftstoff-Luft-Gemischs zum Katalysator (5) hervorgerufen wird und die während der chemischen Reaktion dieses Gemischs am Katalysator (5) auftretenden Temperaturwerte verglichen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Temperaturwerte an Stellen vor und hinter dem Katalysator (5) verglichen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des Überwachungssignals erst dann erfolgt, wenn der Katalysator (5) auch im gealterten Zustand seine Anspringtemperatur erreicht hat.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Überwachungssignal nach jedem Start der Brennkraftmaschine (1) einmal erzeugt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Erzeugung des Überwachungssignals in vorgegebenen Zeitabständen wiederholt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Überwachungssignal gespeichert wird.
7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Steuergerät (9) zur Erzeugung von Zündaussetzern und zur Erzeugung von Signalen für die Zufuhr vorgegebener Kraftstoff- und Luftmengen, dem ein den Schubbetrieb der Brennkraftmaschine (1) signalisierender Schalter zugeordnet ist.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter ein Drosselklappenschalter (10) ist, der bei in Schließstellung befindlicher Drosselklappe (3) ein Akti­ vierungssignal an das Steuergerät (9) liefert.
9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zufuhr der Luftmenge ein Ventil (7) in einem Bypass (6) zu einer Drosselklappe (3) der Brennkraftmaschine (1) vorgesehen ist.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Zufuhr der Kraftstoffmenge hinter einer Drosselklappe (3) der Brennkraftmaschine (1) eine Kraftstoff­ einspritzdüse (8) angeordnet ist.
11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzdüse (8) zwischen Brennkraftmaschine (1) und Katalysator (5) angeordnet ist.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß je ein Temperatursensor (18, 19) vor und in dem Katalysator (5) vorgesehen sind, denen ein differenz­ bildendes (20) und ein differenzierendes (21) Schaltglied sowie ein Speicher (22) nachgeschaltet sind.
13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (19) im Katalysator (5) in dessen abgaseintrittsseitiger Hälfte angeordnet ist.
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