DE4227207C2 - Verfahren zur Überprüfung zumindest eines Bereiches eines von einem Fluid entlang einer Strömungsrichtung durchströmbaren wabenförmigen katalytischen Konverters im Abgassystem eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung eines katalytischen Konverters während seines Betriebes unter Heranziehung von Tempera­ turmeßwerten.

Die mittlerweile in vielen Ländern immer strenger werdenden Umwelt­ schutzvorschriften verlangen die Ausstattung von Verbrennungsmotoren mit Katalysatoren, deren Funktionstüchtigkeit während ihrer Lebensdauer auch sichergestellt werden soll. Die meisten Katalysatoren sind wabenähn­ liche Körper, die eine Anzahl von Kanälen aufweisen, durch die das Abgas strömt. Die Katalyse findet in einem frischen Katalysator haupt­ sächlich im anströmseitigen Teil statt. Dabei werden Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide in Kohlendioxid, Wasser und Stickstoff umgewandelt. Bei einem funktionierenden Katalysator wird bei diesen Reaktionen insgesamt Wärme frei, wodurch die Katalysatortemperatur ansteigt. Bei einem zunehmend älter werdenden Katalysator verschiebt sich die Reaktionszone in den hinteren Teil des Katalysators, und bei einem völlig gealterten Katalysator findet eine Reaktion nicht mehr statt.

In der DE 26 43 739 A1 wird ein Verfahren zur Überwachung eines Katalysatorsy­ stems vorgestellt, wobei mit zwei Temperaturfühlern an zwei Stellen in oder in und am Katalysator die Temperaturen überwacht werden. Durch Vergleich der Tempe­ raturen an den beiden Stellen des Katalysatorsystems wird eine Aussage über die Güte bzw. den Alterungszustand des Katalysatorsystems gemacht. In der DE 40 32 721 A1 wird ein Verfahren zur Überwachung des Zustandes eines Katalysatorsy­ stems beschrieben, wobei ein Temperaturmittelwert, zum Beispiel entlang der Strömungsrichtung des Katalysators, durch mehrere lokale Temperaturfühler oder einen durchgehenden Temperaturfühler bestimmt wird und mit dem lokalen Tempe­ raturwert von einem lokalen Temperaturfühler verglichen wird. Die DE 41 00 397 A1 beschreibt ein Verfahren zur Überwachung des Konvertierungsgrades eines Katalysators. Auch hier werden stets mindestens zwei Sensoren eingesetzt und Differenzen zwischen erfaßten und gespeicherten Temperaturen gebildet.

Ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors unter Einbezie­ hung der aktuellen Temperatur eines nachgeschalteten Katalysators ist zum Beispiel in WO 91/14856 offenbart. Dabei wird der Motor so gesteuert, daß die Temperatur des nachgeschalteten Katalysators stets unter einer für den Katalysator kritischen Temperatur bleibt. Dabei werden manchmal Kompromisse zwischen einer Minimierung des Schad­ stoffausstoßes und einer Optimierung der Brennstoffeffizienz des Ver­ brennungsmotors eingegangen. Bei diesem Verfahren werden noch nicht alle Möglichkeiten zur Gewinnung von Informationen über den Katalysator ausgenutzt, um zu einer verbesserten Aussage über den Betriebszustand und die Funktionstüchtigkeit des Katalysators zu gelangen.

Aufgabe der Erfindung ist es, durch einfache Mittel oder Maßnahmen den Zustand und/oder die Funktionstüchtigkeit eines katalytischen Konverters, insbesondere eines kleinvolumigen Vorkatalysators zu erfassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß für einen gegebenen Katalysator bestimmter Geometrie bei gegebenen Betriebsparametern ein charakteristisches Verhalten vorliegt, wobei das räumliche und das zeitli­ che Temperaturverhalten von erhöhter Bedeutung sind. Insbesondere das zeitliche Verhalten eines Temperaturmeßwertes bei einer gezielten, definierten Störung des Normalbetriebes kann registriert und zu einer Aussage über den Zustand des katalytischen Konverters ausgewertet werden.

Bei der gezielten Änderung der Betriebsparameter kann man z. B. die Konzentration an Kohlenwasserstoffen in dem in den katalytischen Kon­ verter eintretenden Abgasstrom ändern. Durch eine Erhöhung der Kon­ zentration an Kohlenwasserstoffen bei konstantem Luft- bzw. Sauerstoff­ anteil in den Abgasen erhöht sich die Betriebstemperatur des Katalysa­ tors, sofern dieser noch katalytisch aktiv ist. Man kann auch die Luft- bzw. Sauerstoff- bzw. Stickstoffkonzentration in dem Abgas verändern. Manchmal ist es vorteilhaft, die Konzentration sämtlicher in den Abgasen enthaltenen Stoffe zu verändern. Der Katalysator ist in der Regel hinter einem Abgassystem eines mehrzylindrischen Verbrennungsmotors mit Zündung geschaltet, wo er auch als Vorkatalysator vor einem nachge­ schalteten Katalysator dienen kann.

Bei einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens werden ein Betriebs­ parameter oder mehrere Betriebsparameter bei einer konstanten Bela­ stung des Verbrennungsmotors geändert. Dies kann z. B. im Leerlaufbe­ trieb des Verbrennungsmotors beim Stillstand des Fahrzeugs an einer roten Ampel oder bei bestimmten Drehzahlen im Schubbetrieb durch­ geführt werden.

Bei dem Verfahren wird bei Änderung eines oder mehrerer Betriebs­ parameter das zeitliche Temperaturverhalten in mindestens einem Bereich des katalytischen Konverters erfaßt und dieses Temperaturverhalten eines ersten katalytischen Verwerters mit dem entsprechenden (z. B. elektronisch gespeicherten) früheren zeitlichen Temperaturverhalten dieses Konverters oder eines zweiten katalytischen Konverters verglichen, wobei der zweite katalytische Konverter ein bekannter, meist frischer Katalysator ist. Aus dem Vergleich der zeitlichen Temperaturverläufe sind Rückschlüsse auf den Alterungsgrad und/oder die Schädigung des ersten Katalysators möglich.

Für die Temperaturerfassung eines Bereichs des Katalysators kann bei diesem Verfahren jeweils mindestens ein Thermoelement verwendet werden. Vorzugsweise wird der zeitliche Temperaturverlauf in mindestens zwei Bereichen des Katalysators erfaßt. Man kann auch die Temperatur­ erfassung in den Bereichen des Katalysators durch jeweils mindestens einem temperaturabhängigen Widerstand durchführen. Somit läßt sich auch neben dem zeitlichen Verhalten der Temperaturen auch die räumliche Temperaturverteilung im Katalysator erfassen. Bei der Erfassung der Temperatur in mehreren Bereichen des Katalysators sollte zwischen den beiden Bereichen zumindest ein Teil des katalytisch aktiven Volumens liegen.

Um den Katalysator unter möglichst standardmäßigen Bedingungen überprüfen zu können, wird zum Beispiel die gezielte Änderung der Konzentration an Kohlenwasserstoffen erreicht, indem man die Zündung von mindestens einem der Zylinder des Verbrennungsmotors gezielt ab­ schaltet. Zu diesem Zweck eignet sich ein rhythmisches wiederholtes Ein- und Ausschalten der Zündung eines oder auch mehrerer Zylinder. Eine andere Möglichkeit ist die kurzzeitige Zugabe von Benzin während des Schubbetriebes, bei dem normalerweise die Benzinzufuhr abgeschaltet ist.

Um die Konzentrationen von Kohlwasserstoffen, Sauerstoff oder Stickstoff jeweils unabhängig voneinander ändern zu können, sollte bei einem Katalysator mit Lambda-Regelung diese vorzugsweise bei der Änderung abgeschaltet werden.

Das vorliegende Verfahren ist somit in der Lage, ohne große Eingriffe in den Betrieb eines mit einem Katalysator verbundenen Verbrennungs­ motors Überprüfungen des Katalysators durchzuführen. Da das Verfahren äußerst flexibel ist, lassen sich viele verschiedene Untersuchungen an seinem Katalysator unbekannten Zustandes durchführen, deren Ergebnisse dann mit denen entsprechender Versuche an einem bekannten standardi­ sierten Katalysators oder mit früheren Messungen verglichen werden.

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegen­ den Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbin­ dung mit den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen, auf die die Erfindung aber nicht beschränkt ist, wobei

Fig. 1 schematisch einen Verbrennungsmotor mit Zündung und einem nachgeschalteten Katalysator zeigt, und

Fig. 2 ein Beispiel für den Temperaturverlauf in einem Katalysator bei einer typischen Überprüfung zeigt.

Fig. 1 zeigt schematisch einen aus einem Wabenkörper bestehenden Kataly­ sator 1, der an einen Verbrennungsmotor M angeschlossen ist. Die Zündung Z ist über Zündkabel 4 an den Verbrennungsmotor M ange­ schlossen. Die Zündung Z kann extern über Signalleitungen 5 gesteuert werden. Der Wabenkörper 1 des Katalysators ist von einem ersten Temperatursensor S1 und einem zweiten Temperatursensor S2 durchsetzt, die jeweils über eine erste Sensorsignalleitung L1 und eine zweite Sen­ sorsignalleitung L2 an einem Prozessor P angeschlossen sind. Zwischen S1 und S2 ist ein Teil des katalytisch aktiven Volumens enthalten. Mit dieser Anordnung gemäß Fig. 1 kann eine Aussage über die Güte eines Katalysators gemacht werden, indem man das räumliche und/oder zeitli­ che Temperaturverhalten des katalytischen Konverters 1 auswertet. Eine Auswertung des Temperaturverhaltens bei einer gezielten Betriebsände­ rung (Störung) kann zum Beispiel ein Vergleich der Betriebstemperaturen bei S1 und S2 sein oder auch das zeitliche Verhalten, insbesondere die erste und/oder zweite Zeitableitung, der Temperatur an jeweils einem der Temperatursensoren S1 oder S2. Bei einem frischen Katalysator ist die Betriebstemperatur an dem ersten Temperatursensor S1 an der Anströmseite 2 des Katalysators höher und ändert sich bei einer Störung schneller als die Temperatur bei dem zweiten Temperatursensor S2 an der Abströmseite 3 des Katalysators. Bei einem in zunehmenden Maße gealterten Katalysator ist die Reaktionszone in zunehmendem Maße in Richtung Abströmseite 3 des Katalysators hin verschoben, so daß das Verhalten sich umkehrt. Schon aus dem zeitlichen Verhalten eines Temperaturfühlers kann daher auf die Alterung des Katalysators geschlos­ sen werden. Zusätzliche Informationen ergeben sich durch Hinzuziehen der Meßwerte eines zweiten Temperaturfühlers. In diesem Falle nimmt die Temperaturdifferenz zwischen S1 und S2 mit zunehmendem Grade der Alterung des Katalysators ab. Bei einem stark gealterten Katalysator liegt die Reaktionszone vollständig an der Abströmseite 3 des Katalysa­ tors, so daß die Temperaturdifferenz zwischen S1 und S2 negativ ist und die Änderungsgeschwindigkeit der Temperaturmeßwerte des zweiten Sensors bei einer Störung größer als die an S1 ist. Ein solcher Katalysa­ tor sollte ausgewechselt werden. Ein Beispiel für die Auswertung des zeitlichen Temperaturverlaufs zumindest eines Temperatursensors S1 ist in Fig. 2 dargestellt.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm, in dem an der vertikalen Achse die erste Ableitung der Temperatur nach der Zeit aufgetragen ist und bei dem die horizontale Achse die Zeit darstellt. Die durchgezogene Linie stellt die Ableitung der Temperatur des Gases dar, die punktierte Linie die Tem­ peratur des Katalysators ohne Überprüfung, das heißt ohne Erhöhung der Kohlenwasserstoffzufuhr in dem Katalysator, und die strichpunktierte Linie die Ableitung der Temperatur des Katalysators mit Überprüfung, das heißt bei Zufuhr von zusätzlichem Kohlenwasserstoff in den Katalysa­ tor. Die Überprüfung des Katalysators beginnt vorzugsweise dann, wenn sich die Signale von Temperatursensor S1 (und, falls vorhanden, von Temperatursensor S2) annähernd konstant verhalten. Hierbei ist es nicht notwendig, daß beide die gleiche absolute Temperatur anzeigen, sondern es reicht aus, wenn die durch den Prozessor P gebildeten ersten Zeit­ ableitungen der Temperatursignale von S1 und S2 gleich sind. Bei die­ sem Test werden während einer konstanten Belastungsphase des Ver­ brennungsmotors M, die bei einem Zeitpunkt t₀ beginnt, zu einem Zeitpunkt t₁ die Kohlenwasserstoffemissionen in den Katalysator 1 erhöht bis zu einem Zeitpunkt t₂. Bei diesem Verfahren kann man prinzipiell mit nur einem Temperatursensor S1 arbeiten. In einem ersten Durchgang wird dabei während dem Zeitintervall zwischen t₁ und t₂ die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit während der Konstantbelastungsphase ohne erhöhte Kohlenwasserstoffemissionen in den Katalysator ermittelt. Dies ist die Steigung der punktierten Linie zwischen t₁ und t₂. In einem zweiten Durchgang wird dann während einem gleichen Zeitintervall t₁ und t₂ die Kohlenwasserstoffemission in den Katalysator erhöht, was zu einer gesteigerten Temperaturanstiegsgeschwindigkeit bei Sensor S1 führt. Dies ist dargestellt durch die Steigung der strichpunktierten Linie zwi­ schen t₁ und t₂. Vergleicht man nun die Temperaturanstiegsgeschwindig­ keit des Katalysators mit Überprüfung (mit HC-Emission in den Katalysa­ tor) mit der Temperaturanstiegsgeschwindigkeit des Katalysators ohne Überprüfung (ohne HC-Emission in den Katalysator), so hat man bei bekannten Randbedingungen des Katalysators ein Maß für die Güte des Katalysators. Dementsprechend berechnet der Prozessor P jeweils für den Durchgang ohne Überprüfung und mit Überprüfung die zweite Zeit­ ableitung der Katalysatortemperatur zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂, und bildet davon die Differenz. Diese Differenz ist dann ein Maß für die Güte des Katalysators. Je größer die Differenz ist, desto besser ist die Güte des Katalysators. Vorteile dieses Verfahrens sind zum Beispiel die schnelle Durchführbarkeit innerhalb weniger Sekunden und die Un­ abhängigkeit von Fehlern aufgrund einer Nullpunktverschiebung des Temperatursensors S1.

Es ist auch denkbar, die räumliche Temperaturverteilung des Katalysators 1 durch mehr als zwei Sensoren S1 und S2 zu erfassen. Genauso ist es auch denkbar, den zeitlichen Temperaturverlauf mit nicht nur einem Temperatursensor S1, sondern mit mehreren Temperatursensoren gleich­ zeitig durchzuführen. Weiterhin ist auch eine Kombination der Ergebnisse des räumlichen Temperaturverlaufs und des zeitlichen Temperaturverlaufs zur Gütebestimmung des Katalysators möglich.

Die Erfindung ermöglicht daher mit einem ganz geringen apparativen Aufwand eine sehr genaue Aussage über den Zustand eines katalytischen Konverters, auch eines motornah eingebauten sogenannten Vor-Katalysa­ tors.

Claims (17)

1. Verfahren zur Überprüfung zumindest eines Bereiches eines von einem Fluid entlang einer Strömungsrichtung durchströmbaren, wabenförmigen katalytischen Konverters im Abgassystem eines Verbrennungsmotors, wobei nur eine örtliche Temperatur in jedem Bereich im katalytischen Konverter überwacht wird, wobei

• a) der zeitliche Verlauf dieser Temperatur des katalytischen Konverters bei Normalbetrieb durch einen Temperatursensor erfaßt und gespei­ chert wird,
• b) während einer Messung der zeitliche Temperaturverlauf des katalyti­ schen Konverters in Abweichung vom Normalbetrieb unter gezielter Änderung mindestens eines seiner Betriebsparameter durch densel­ ben Temperatursensor erfaßt und gespeichert wird, und
• c) der erfaßte und gespeicherte zeitliche Temperaturverlauf mit dem bei Normalbetrieb erfaßten zeitlichen Temperaturverlauf verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebs­ parameter die Konzentration an Kohlenwasserstoffen in dem in den katalytischen Konverter eintretenden Fluidstrom ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebs­ parameter die Konzentration an Sauerstoff in dem in den katalytischen Konverter eintretenden Fluidstrom ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebs­ parameter die Konzentration an Stickstoff in dem in den katalytischen Konverter einströmenden Fluidstrom ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der minde­ stens eine Betriebsparameter sich aus einem oder mehreren der in den Ansprüchen 2 bis 4 genannten Betriebsparameter zusammensetzt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der katalytische Konverter in ein Abgassystem eines mehrzylindrischen Verbrennungsmotors mit Zündung geschaltet ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der katalyti­ sche Konverter als Vorkatalysator in ein Abgassystem eines mehrzylin­ drischen Verbrennungsmotors mit Zündung geschaltet ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des/der Betriebsparameter und die Erfassung des zeitlichen Temperatur­ verhaltens bei einer konstanten Belastung des Verbrennungsmotors statt­ finden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nach der Änderung des/der Betriebsparameter und der Erfassung und Speicherung des zeitlichen Temperaturverhaltens eines ersten katalytischen Konverters dieses zeitliche Temperaturverhalten des ersten katalytischen Konverters mit dessen früheren erfaßten und gespei­ cherten zeitlichen Temperaturverhalten oder dem eines zweiten katalyti­ schen Konverters aufgrund entsprechender Änderung der Betriebsparame­ ter des zweiten katalytischen Konverters verglichen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste katalytische Konverter ein gealterter und der zweite katalytische Konver­ ter ein frischer katalytischer Konverter ist.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Temperaturerfassung in einem Bereich durch ein Thermoelement durchgeführt wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Temperaturerfassung in mindestens zwei Bereichen durch jeweils einen temperaturabhängigen Widerstand durchgeführt wird und neben dem zeitlichen Verhalten der Temperaturen auch die räumli­ che Temperaturverteilung im katalytischen Konverter und/oder deren zeitliches Verhalten gemessen und ausgewertet werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7-12, dadurch gekennzeichnet, daß die gezielte Änderung der Konzentration an Kohlenwasserstoffen durch ein Abschalten der Zündung von mindestens einem der Zylinder des Verbrennungsmotors durchgeführt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Ab­ schalten wiederholt und in einem festgelegten Rhythmus erfolgt.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß während der Überprüfung des katalytischen Konverters eine eventuell vorhandene λ- Regelung des katalytischen Konverters abgeschaltet wird.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß während den Schritten a) und b) von einem ersten und/ oder nachfolgendem zweiten jeweils erfaßten und gespeicherten zeitlichen Temperaturverlauf T (t) die Zeitableitung T (t) während eines ersten Zeitintervalls (t₁ bis t₂) und/oder während eines zweiten Zeitintervalls (t₃ bis t₄) gebildet wird, und während des Schritts c) der Vergleich des Temperaturverlaufs durch Berechnen der Differenz Δ der zweiten zeitli­ schen Ableitungen aus dem ersten und/oder zweiten Zeitintervall berech­ net wird.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verfahren in mehreren Bereichen des Konverters jeweils durch Erfassen und Speichern des Temperaturverlaufs und anschließendes Vergleichen der Temperaturverläufe durchgeführt wird, wobei zusätzlich die Ergebnisse von jedem Bereich miteinander ver­ glichen werden.