DE4319924A1 - Verfahren zur Überwachung der Funktion eines katalytischen Konverters - Google Patents
Verfahren zur Überwachung der Funktion eines katalytischen KonvertersInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse des Zu
stands zumindest eines Teilvolumens eines von einem Gasgemisch durch
strömten katalytischen Konverters, insbesondere zur Überwachung der
Funktion eines einem Verbrennungsmotor mit elektronischer Steuerung
nachgeschalteten katalytischen Konverters. Im Zusammenhang mit welt
weit immer strenger werdenden Gesetzen zur Minderung des Schadstoff
ausstoßes von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor wird es auch
zunehmend erforderlich, die Funktion eines einem Verbrennungsmotor
nachgeschalteten katalytischen Konverters ständig oder in Abständen zu
überwachen, um Informationen über seinen Zustand, seine Wirksamkeit
und nach Möglichkeit über die noch zu erwartende Lebensdauer zu
erhalten. Eine solche Überwachung soll beim Fahrbetrieb zu passenden
Gelegenheiten durchgeführt werden und wird daher auch mit dem Kürzel
OBD (on board diagnosis) bezeichnet.
Im Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren zur Überwachung der
Funktion eines katalytischen Konverters bekannt, welche verschiedene
physikalische und chemische Effekte ausnutzen. Zunächst kann mittels
sogenannter Lamdasonden vor und hinter dem Katalysator der Sauerstoff
gehalt des Abgases gemessen werden. Aus der Abnahme des Sauerstoff
gehaltes zwischen beiden Sonden kann dabei auf die Funktion des
katalytischen Konverters geschlossen werden. Ein anderes physikalisches
Prinzip nutzt die Tatsache aus, daß die im katalytischen Konverter
ablaufenden Prozesse exotherme Reaktionen sind, welche Wärmeenergie
freisetzen. Im einfachsten Fall kann daher auch aus der Temperaturdiffe
renz von Temperaturfühlern, zwischen denen sich zumindest ein großer
Teil des katalytisch aktiven Volumens befindet, auf die Wirksamkeit des
katalytischen Konverters geschlossen werden. Ein solches Verfahren und
eine zugehörige Vorrichtung sind beispielsweise in der WO 91/14855
beschrieben. Geeignete Sensoren, mit denen Temperaturmessungen in
einem katalytischen Konverter durchgeführt werden können, sind in dieser
Schrift und auch in der WO 93/05284 beschrieben. Grundsätzlich muß
man bei Temperaturmessungen im Abgassystem eines Verbrennungsmotors
zwischen Messungen der Gastemperatur und Messungen der Strukturtem
peratur im katalytischen Konverter unterscheiden. Die Struktur eines
katalytischen Konverters, die die katalytisch aktive Masse an ihrer Ober
fläche trägt, nimmt sehr viel schneller die Energie einer exothermen
Reaktion in der katalytisch aktiven Oberfläche auf als das vorbeiströmen
de Abgas. Die Temperaturmessung dort erfolgt daher sozusagen an der
Wärmequelle und reagiert in vielen Fällen bei transienten Vorgängen
wesentlich schneller und genauer als die Gastemperatur. Trotzdem zeigt
auch die Gastemperatur, wenn auch verzögert und/oder abgeschwächt,
ähnliche Reaktionen, so daß auswertbare Messungen nicht nur an der
Struktur, sondern mit Einschränkungen auch im Abgas selbst innerhalb
des katalytischen Konverters möglich sind.
Aus der DE 41 00 397 A1 ist weiterhin ein Meßverfahren bekannt, bei
welchem der Zustand eines Verbrennungsmotors kurzzeitig gestört wird,
insbesondere durch Abschalten der Zündung und Einspritzen von Benzin
während des Schubbetriebes, wobei die Reaktion von Temperaturfühlern
an verschiedenen Stellen im Abgassystem beobachtet wird. Dabei wird
auch vorgeschlagen, die Temperatursignale zu differenzieren und die
differenzierten Signale zu speichern bzw. diese Signale mit schon gespei
cherten älteren Werten zu vergleichen.
Bei der Temperaturmessung in Abgassystemen, insbesondere innerhalb
von katalytischen Konvertern gibt es folgende prinzipiellen Probleme:
Einerseits sind die auftretenden absoluten Temperaturen so hoch, daß
mit herkömmlichen, wirtschaftlich noch einsetzbaren Temperaturfühlern
die absoluten Temperaturen nicht genau genug gemessen werden können,
um daraus zuverlässige Schlüsse zu ziehen. Insbesondere bei der Bildung
der Differenz von mehreren Temperaturfühlern addieren sich die Meß
fehler, so daß aufgrund der Meßfehler die an sich kleinen Änderungen,
die gemessen werden sollen, nicht mehr sicher feststellbar sind. Ein
weiteres Problem besteht darin, daß die von einem Temperaturfühler
gemessenen Werte innerhalb eines katalytischen Konverters stark von der
Stelle abhängen, an der der Fühler eingebaut ist. Ist beispielsweise ein
Temperaturfühler ganz am Anfang eines etwa 20 cm langen katalytischen
Konverters eingebaut, so kann es sein, daß sich dieser Fühler schon nach
kurzer Betriebszeit in einer katalytisch wenig aktiven Zone befindet, so
daß die dort gemessenen Werte praktisch keinerlei Aussagen mehr über
die Funktionsfähigkeit des übrigen Katalysatorvolumens liefern können.
Andererseits würde ein am Ende des katalytischen Konverters eingebauter
Temperaturfühler bei transienten Vorgängen, insbesondere bei kurzzeiti
gen Störungen des Betriebszustandes des Verbrennungsmotors bei einem
Katalysator mit noch geringer Betriebszeit praktisch keinerlei Änderung
messen, da sich die gesamte exotherme Reaktion im vorderen Bereich
des katalytischen Konverters abspielt und durch die Wärmekapazität des
dahinterliegenden Teiles kurzzeitige Änderungen nicht oder nur verzögert
und stark abgeschwächt am Ende des katalytischen Konverters feststellbar
sind. Noch schwieriger wird die Situation in dem häufigen Fall, daß ein
katalytischer Konverter aus mehreren hintereinander angeordneten Teil
körpern besteht. Hier ist die Aussagekraft eines an irgendeiner Stelle
gewonnenen Temperaturmeßwertes für den Gesamtzustand des Systems
sehr gering.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Analyse
des Zustands zumindest eines Teilvolumens eines von einem Gasgemisch
durchströmten katalytischen Konverters zu schaffen, welches die beschrie
benen Nachteile vermeidet und allein oder gemeinsam mit der Analyse
des Zustandes weiterer Teilvolumina eine zuverlässige Aussage über den
Gesamtzustand eines katalytischen Konverters liefert. Die Erfindung geht
dabei von der Erkenntnis aus, daß sich der Zustand eines katalytischen
Konverters und sein Verhalten unter Betriebsbedingungen recht gut
anhand einfacher Modelle beschreiben läßt und nur wenige physikalische
Größen bei den mathematischen Gleichungen zur Beschreibung eines
solchen Modells benötigt werden. Einige grundsätzliche Überlegungen
dazu sind aus dem Dokument "SAE Technical Paper Series 930938" mit
dem Titel "A Linear Catalyst Temperature Sensor for Exhaust Gas
Ignition (EGI) and On Board Diagnostics of Misfire and Catalyst Effi
ciency" von Nick Collings et al. und aus dem Dokument "SAE Technical
Paper Series 930624" mit dem Titel "Thermal Measurements Inside a
Three-Way Catalytic Converter on Engine Bench" von Angelo Germidis
et al. zu entnehmen.
Die vorliegende Erfindung geht nunmehr von der Betrachtungsweise aus,
daß ein Katalysatorvolumen theoretisch in zwei oder mehr hintereinander
liegende Teilvolumina zerlegt werden kann und man diese Teilvolumina
einzeln oder im Zusammenhang betrachten muß.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe dient daher ein Verfahren zur Analy
se des Zustands zumindest eines Teilvolumens eines von einem Gasge
misch durchströmten katalytischen Konverters, bei dem während einer
Änderung der chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften des
Gasgemisches mindestens an einer Stelle oder in einem Bereich inner
halb des Teilvolumens mit einem Sensor eine Temperaturmessung durch
geführt wird, wobei die Stelle oder der Bereich und die Anordnung des
Sensors so gewählt sind, daß die zeitliche Ableitung dieser gemessenen
Temperatur zumindest näherungsweise repräsentativ für die zeitliche
Änderung der Temperatur in dem Teilvolumen des katalytischen Konver
ters ist, und wobei weiter die zeitliche Ableitung der gemessenen Tempe
ratur bestimmt und mit Sollwerten für die betreffende Änderung der
Eigenschaften des Gasgemisches verglichen wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen beschrieben.
Ein katalytischer Konverter ist im allgemeinen im Neuzustand für alle
Betriebszustände überdimensioniert. Das bedeutet, daß über 90% der
Schadstoffe schon innerhalb der ersten Zentimeter im Konverter umge
wandelt werden. Im Laufe der Katalysatoralterung mit zunehmender
Betriebszeit nimmt die Effektivität im vorderen Teil des katalytischen
Konverters ab, beispielsweise durch Vergiftung und/oder thermische
Alterung. Aus der Tatsache, daß ein weit hinten angeordneter Tempera
turfühler bei einer kurzzeitigen Störung kaum eine Änderung seines
Meßwertes zeigt, kann daher nicht geschlossen werden, daß der katalyti
sche Konverter seine Funktion nicht erfüllt. Andererseits kann bei einem
gealterten katalytischen Konverter, bei dem ein weit vorne angeordneter
Temperaturfühler kaum eine Reaktion auf eine Störung des Betriebs
zustandes des Verbrennungsmotors zeigt, ebenfalls nicht geschlossen
werden, da der katalytische Konverter in seinem übrigen Volumen seine
Aufgabe nicht vollständig erfüllt. Dazu kommt, daß sämtliche Sensoren
bei einem Kraftfahrzeug sowohl für die Motorsteuerung wie auch für die
Überwachung des katalytischen Konverters durch produktionstechnische
Toleranzen und Alterung Meßfehler aufweisen und außerdem auch ein
katalytischer Konverter bei seiner Fertigung und seinem Einbau erhebli
che Toleranzen, insbesondere in der katalytisch aktiven Beschichtung
aufweisen kann. Die Auswertung einzelner Temperaturmeßwerte, ihrer
differenzierten Signale oder auch von Differenzen zwischen den Meßwer
ten von Temperaturmeßfühlern ist daher mit so großen Fehlern behaftet,
daß eine genaue Auswertung schwer möglich ist. Insbesondere die Festle
gung von Grenzwerten, bei deren Erreichen auf eine Fehlfunktion des
katalytischen Konverters geschlossen wird, ist äußerst problematisch.
Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem besonders günstig durch
eine theoretische Unterteilung des katalytischen Konverters in zwei oder
mehrere Teilbereiche und die Beobachtung der zeitlichen Ableitungen der
Temperaturen in mindestens einem dieser Teilbereiche bei Änderungen
der chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften des den katalyti
schen Konverter durchströmenden Gasgemisches, d. h. des Betriebszu
standes des Verbrennungsmotors. Die beobachteten differenzierten Signale
oder ihre Differenzen werden jedoch vorzugsweise nicht mit festen
Grenzwerten verglichen, sondern mit theoretischen oder durch Vorver
suche bestimmten Sollwertbereichen, wobei im Falle der Messung in zwei
oder mehr Teilvolumina bei der Festlegung der Sollwertbereiche des
zweiten Teilvolumens und aller folgenden Teilvolumina die tatsächlich
gemessenen Werte in allen davorliegenden Teilvolumina berücksichtigt
werden, da ansonsten das Bild über die Funktionsfähigkeit des katalyti
schen Konverters unvollständig bleibt.
Besonders günstig, insbesondere bei katalytischen Konvertern größerer
Länge ist es, wenn mindestens in drei Teilvolumina die Temperatur
gemessen, deren zeitliche Ableitung bestimmt und der Vergleich mit
Sollwertbereichen durchgeführt wird. Da die vorliegende Erfindung in
gewisser Weise nach der Methode der finiten Elemente arbeitet, hängt
es von der Maschenweite, d. h. dem Abstand der einzelnen Elemente ab,
welche Genauigkeit die Ergebnisse haben. Natürlich ist das Ergebnis
umso genauer, je mehr Teilvolumina betrachtet und Temperaturen gemes
sen werden. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden die Soll
wertbereiche anhand einer Modellfunktion, die die funktionalen Zusam
menhänge der Temperaturen in verschiedenen Teilvolumina des katalyti
schen Konverters untereinander und mit den Daten der elektronischen
Steuerung des Verbrennungsmotors für den jeweiligen Zustand und/oder
die jeweilige Zustandsänderung des Verbrennungsmotors angibt, ermittelt.
Vom Verbrennungsmotor stehen Meßgrößen wie der Massenstrom, die
Abgastemperatur, das Luft/Brennstoff-Verhältnis usw. zur Verfügung. Aus
diesen Werten und aus der bekannten Größe einer Zustandsänderung
kann dann auf die im ersten Teilvolumen des katalytischen Konverters
zu erwartende Temperaturänderung (für einen bestimmten Alterungs
zustand des Katalysators) geschlossen werden. Zum Ausgleich von Me
ßungenauigkeiten und Fertigungstoleranzen wird nun geprüft, ob die
gemessene Temperatur innerhalb eines bestimmten vorberechneten Soll
wertbereiches liegt oder nicht. Dies liefert die erste Information über den
Zustand des katalytischen Konverters. Mit den gleichen Vorgaben unter
zusätzlicher Berücksichtigung der gemessenen Temperaturänderung im
ersten Teilvolumen kann eine Voraussage für die zu erwartende Tempe
raturänderung im zweiten Teilvolumen gemacht werden. Auch hier wird
wiederum nur geprüft, ob der gemessene Wert der Temperaturänderung
innerhalb eines Toleranzbereiches liegt oder nicht. Dieses Verfahren wird
für alle Teilbereiche fortgesetzt. Liegen alle gemessenen Temperatur
änderungswerte unterhalb der Sollwertbereiche, so erfüllt der katalytische
Konverter nicht mehr seine vorgesehene Funktion. Je weiter stromabwärts
der gemessene Temperaturänderungswert im Sollwertbereich liegt, desto
stärker ist der katalytische Konverter gealtert. Geht man davon aus, daß
keine plötzliche Zerstörung des katalytischen Konverters zwischen zwei
Meßvorgängen erfolgen kann, so würde es theoretisch genügen, nur die
Reaktion in einem hinteren Teilvolumen des katalytischen Konverters auf
eine Zustandsänderung des Verbrennungsmotors zu überwachen. Ist der
Katalysator neu, so sollte sich eine Zustandsänderung dort kaum aus
wirken, während bei einem immer stärker gealterten katalytischen Kon
verter die dort auftretenden Temperaturänderungen immer stärker wer
den. Mit dieser Überwachung allein würden sich allerdings (in der Praxis
extrem selten vorkommende) plötzliche Zerstörungen des katalytischen
Konverters, schnelle Vergiftungen zwischen zwei Meßvorgängen und vor
allem eine Verschlechterung des Zustandes im vorderen Bereich des
katalytischen Konverters, der unter anderem für das Kaltstartverhalten
mit entscheidend ist, nicht feststellen lassen. Für eine vollständige Über
wachung sind daher vorzugsweise mindestens zwei, insbesondere jedoch
drei oder mehr Messungen der Temperaturänderungen in verschiedenen
Teilvolumina sinnvoll.
Im folgenden sei anhand der Zeichnung das Umfeld, die Funktionsweise
und eine Ausführungsform beispielhaft beschrieben.
Einem Verbrennungsmotor 1 mit einer elektronischen Steuerung 2 ist ein
Abgassystem 3, 4 nachgeschaltet, welches einen katalytischen Konverter
K enthält. Das Volumen des katalytischen Konverters K umfaßt mehrere
(theoretische) Teilvolumina, im vorliegenden Beispiel vier Teilvolumina
K1, K2, K3 und K4. In jedem dieser Teilvolumina ist ein Sensor S1, S2,
S3 bzw. S4 angeordnet, welcher die Temperatur in diesen Teilvolumen
annähernd repräsentativ mißt, vorzugsweise die Temperatur der Träger
struktur. Ein solcher Sensor kann im einfachsten Falle aus einem punkt
förmig messenden Sensor bestehen, welcher etwa im Schwerpunkt des
jeweiligen Teilvolumens K1, K2, K3 oder K4 liegt. Günstiger ist es
jedoch, wenn linienförmige oder flächige Sensoren verwendet werden, da
hierdurch die Genauigkeit der Messung steigt. Besonders günstig ist es,
wenn nicht nur repräsentativ über einen Querschnitt des Teilvolumens,
sondern auch repräsentativ über die axiale Länge des Teilvolumens. Am
empfindlichsten ist die Messung dann, wenn die Temperatur der Träger
struktur, auf die die katalytisch aktive Masse aufgebracht ist, direkt
gemessen wird. Dies kann beispielsweise durch an oder in der Träger
struktur integrierte Sensoren, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt
sind, erfolgen. Grundsätzlich ist jedoch auch eine Messung mit Sensoren
möglich, die die Gastemperatur erfassen, da im katalytischen Konverter
immer auch ein Wärmeübergang von der Struktur und der katalytisch
aktiven Oberfläche auf das durchströmende Gas stattfindet.
Im Gegensatz zu im Stand der Technik bekannten Meß- und Überwa
chungsverfahren ist das vorliegende Meßverfahren nicht darauf angewie
sen, absolute Temperaturen oder Temperaturdifferenzen zwischen zwei
Meßstellen zu ermitteln, sondern es werden in einem oder mehreren der
Teilvolumina K1, K2, K3, K4 die zeitlichen Ableitungen der von den
Sensoren S1, S2, S3, S4 gemessenen Temperaturen beobachtet, die bei
einer Änderung der physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften
des vom Motor 1 in den katalytischen Konverter K gelangenden Gasge
misches auftreten. Zu diesem Zwecke sind den Sensoren S1, S2, S3, S4
Differenziereinrichtungen D1, D2, D3, D4 nachgeschaltet, deren Aus
gangssignale einer Auswerteelektronik 5 zugeführt werden. Die Auswerte
elektronik 5 kann über Datenleitungen 10 mit der elektronischen Motor
steuerung 2 verbunden sein, so daß sowohl Daten der Motorsteuerung 2
an die Auswerteelektronik 5 übertragen werden können als auch Zu
standswerte des katalytischen Konverters K an die elektronische Motor
steuerung 2. Die Auswerteelektronik 5 steht mit einer ersten Speicher
einrichtung 6 für Sollwertbereiche in Verbindung, so daß die gemessenen
zeitlichen Ableitungen der Temperaturen T1, T2, T3, T4 mit Sollwertbe
reichen verglichen werden können. Die Ergebnisse dieses Vergleiches
können in einer zweiten Speichereinrichtung 7 für eine spätere Diagnose
in einer Fachwerkstatt gespeichert werden und/oder mittels einer Anzeige
8 angezeigt werden.
Um den Zustand des katalytischen Konverters K zu analysieren, bedarf
es einer Änderung der chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften
der aus dem Motor 1 austretenden Abgase. Eine solche Änderung muß,
um eine sinnvolle Zustandsanalyse durchführen zu können, mit einer
bestimmten Genauigkeit definiert sein. Hier kommen viele im Alltags
betrieb vorkommende Zustandsänderungen in Betracht, beispielsweise eine
Beschleunigungsphase nach einer Phase konstanter Last, eine Schubab
schaltung nach einer Phase konstanter Last, ein Kaltstart nach einem
längeren Stillstand oder ähnliches. Durch Analyse der Reaktion der
zeitlichen Ableitungen der Temperaturen T1, T2, T3, T4 auf verschiedene
Zustandsänderungen können verschiedene Aspekte der Funktion eines
katalytischen Konverters überprüft werden. So kann während einer Kalt
startphase der Beginn der katalytischen Reaktion im katalytischen Kon
verter K festgestellt werden und das Teilvolumen, in welchem die erste
Umsetzung stattfindet. Bei anderen Zustandsänderungen des Verbren
nungsmotors, bei denen sich beispielsweise nur die Temperatur der Ab
gase, nicht jedoch ihre chemische Zusammensetzung ändert, kann über
prüft werden, ob sämtliche Meßfühler noch korrekt, nämlich in diesem
Falle mit einer Zeitverzögerung von vorne nach hinten messen.
Besonders günstig ist es, wenn der Betriebszustand des Verbrennungs
motors 1 über die elektronische Steuerung, die den Motor über Steue
rungsleitungen 9 steuert, kurzzeitig gestört wird. Dies kann beispielsweise
in an sich bekannter Weise durch eine kurzzeitige Einspritzung von
zusätzlichem Kraftstoff bei gleichzeitigem Abschalten der Zündung wäh
rend einer Schubphase erfolgen. Das Angebot an zusätzlicher chemischer
Energie im Abgas löst in dem ersten noch funktionsfähigen Teilvolumen
des katalytischen Konverters K eine große zeitliche Ableitung der Tem
peratur aus, die von der Auswerteelektronik 5 analysiert werden kann.
Anders als für die im Stand der Technik bekannten Verfahren spielt es
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine Rolle, welche Temperatur
verteilung zum Zeitpunkt der Messung gerade im katalytischen Konverter
vorliegt. Gerade dies ist ein entscheidender Vorteil. Je nach den Be
triebsbedingungen, die ein Kraftfahrzeug vor einer Messung durchlaufen
hat, können nämlich in einem katalytischen Konverter verschiedene
Temperaturverteilungen vorliegen. Es gibt Zustände, in denen der kataly
tische Konverter in seinem vorderen Bereich wesentlich heißer als in
seinem hinteren Bereich ist, andere mit eher gleichmäßiger Temperatur
verteilung und auch Zustände, bei denen der katalytische Konverter
hinten heißer als vorne ist. Diese Tatsache verfälscht alle nach dem
Stand der Technik bekannten Meßverfahren, welche darauf beruhen, die
zwischen zwei Meßbereichen freiwerdende thermische Energie zu messen.
Die bisherige Betrachtungsweise ging davon aus, daß die Meßfühler das
zwischen ihnen befindliche Volumen überwachen, während die vorliegen
de Erfindung nach der Methode der finiten Elemente davon ausgeht, daß
die Meßfühler das sie umgebende Teilvolumen und die dort auftretenden
Temperaturänderungen separat überwachen.
Natürlich muß die Zahl der dafür notwendigen Sensoren nicht dem hier
dargestellten Ausführungsbeispiel entsprechen. Die Genauigkeit der Mes
sung steigt zwar mit zunehmender Zahl an Sensoren, jedoch ist, wie
oben erwähnt, das erfindungsgemäße Verfahren sogar schon dann in
gewissem Umfange aussagefähig, wenn nur ein einziger Sensor ein ein
ziges Teilvolumen überwacht und die dort bei Betriebsänderungen auf
tretenden zeitlichen Ableitungen der Temperatur mit Sollwertbereichen
und/oder früher gemessenen Werten vergleicht. Das Verfahren ist sowohl
für monolithische katalytische Konverter wie auch für aus mehreren
Teilkörpern bestehende katalytische Konverter geeignet und kann ebenso
Sensoren in sogenannten Vor- oder Startkatalysatoren und/oder in elek
trisch beheizbaren katalytischen Konvertern mit einbeziehen. Die Senso
ren S1, S2, S3, S4 können selbstverständlich auch zur Messung der
absoluten Temperaturen und/oder des Temperaturprofils im katalytischen
Konverter herangezogen werden, zumindest in einem Temperaturbereich
von beispielsweise unterhalb 500°C, in dem die meisten Temperaturfühler
noch verhältnismäßig genau messen können. Solche Messungen liefern
beispielsweise Aussagen über das Kaltstartverhalten des katalytischen
Konverters.
Die Erfindung eignet sich besonders für die ständige Betriebsüberwachung
von katalytischen Konvertern in Kraftfahrzeugen zur Sicherstellung der
Einhaltung von strengen Abgasbestimmungen.
Claims (22)
1. Verfahren zur Analyse des Zustands zumindest eines Teilvolumens
(K1, K2, K3, K4, . . . ) eines von einem Gasgemisch durchströmten
katalytischen Konverters (K), bei dem während einer Änderung der
chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften des Gasgemisches
mindestens an einer Stelle oder in einem Bereich innerhalb des
Teilvolumens (K1, K2, K3, K4, . . . ) mit einem Sensor (S1, S2, S3,
S4, . . . ) eine Temperaturmessung durchgeführt wird, wobei die Stelle
oder der Bereich und die Anordnung des Sensors (S1, S2, S3, S4, . . . )
so gewählt sind, daß die zeitliche Ableitung (d/dt T) dieser gemes
senen Temperatur (T) zumindest näherungsweise repräsentativ für die
zeitliche Änderung der Temperatur in dem Teilvolumen (K1, K2,
K3, K4, . . . ) des katalytischen Konverters (K) ist, und wobei weiter die
zeitliche Ableitung der gemessenen Temperatur bestimmt und mit
Sollwerten für die betreffende Änderung der Eigenschaften des
Gasgemisches verglichen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Änderung der Eigenschaften
des Gasgemisches eine, vorzugsweise plötzliche und kurzzeitige,
Erhöhung des Gehaltes an chemischer Energie in dem Gasgemisch
ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Erhöhung der chemischen
Energie in einer Phase ansonsten konstanter oder genau bekannter
Betriebsbedingungen des katalytischen Konverters (K) durch zusätzli
che Zufuhr von katalytisch umsetzbaren Bestandteilen, insbesondere
Kohlenwasserstoffen, erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der katalytische Konverter (K)
zur Abgasreinigung einem Verbrennungsmotor (1) mit elektronischer
Steuerung (2) nachgeschaltet ist und die Änderung der Eigenschaften
des Gasgemisches aufgrund einer Betriebsänderung des Verbren
nungsmotors (1) erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Betriebsänderung eine plötzli
che Änderung der Temperatur des Gasgemisches bewirkt.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Betriebsänderung eine
plötzliche Änderung des Massenstromes des Gasgemisches bewirkt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine
Auswerteelektronik (5) die ermittelten zeitlichen Ableitungen der
Temperatur (d/dt T1, d/dt T2, d/dt T3, d/dt T4, . . . ) in dem Teilvo
lumen (K1, K2, K3, K4, . . . ) mit früher für gleiche Zustandsänderun
gen des Gasgemisches ermittelten Werten, mit an einem anderen
katalytischen Konverter ermittelten Werten und/oder mit theoretisch
aufgrund von Modellrechnungen ermittelten Sollwerten vergleicht.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
analysierte Teilvolumen (K4) im katalytischen Konverter (K) im
Bereich des abströmseitigen Endes liegt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Zustände von zwei oder mehr Teilvolumina (K1, K2, K3, K4, . . . )
durch eine entsprechende Anzahl von Temperaturmessungen analy
siert werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Gesamtvolumen des katalyti
schen Konverters (K) als aus mehreren Teilvolumina (K1, K2, K3,
K4, . . . ) bestehend betrachtet wird und wobei der Zustand jedes
Teilvolumens (K1, K2, K3, K4, . . . ) durch möglichst gleichzeitige Be
stimmung von annähernd repräsentativen zeitlichen Ableitungen der
Temperatur (d/dt T1, d/dt T2, d/dt T3, d/dt T4 . . . ) bei Änderun
gen der Eigenschaften des Gasgemisches ermittelt und die einzelnen
ermittelten Zustände zu einem Gesamtbild über den Gesamtzustand
des katalytischen Konverters (K) zusammengeführt werden.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
unterschiedlichen Änderungen der zeitlichen Ableitungen der Tempe
ratur (d/dt T1, d/dt T2, d/dt T3, d/dt T4 . . . ) bei unterschiedlichen
Arten von Änderungen der Eigenschaften des Gasgemisches regi
striert und analysiert werden, um Aussagen über den Zustand des
Teilvolumens (K1, K2, K3, K4, . . . ) bezüglich verschiedener Funktio
nen, z. B. Konvertierungsvermögen und Kaltstartverhalten, zu gewin
nen.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder
Temperatursensor (S1, S2, S3, S4, . . . ), soweit technisch möglich, die
Temperatur an der Wärmequelle, d. h. an der katalytisch aktiven
Schicht, mißt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei jeder Temperatursensor (S1, S2,
S3, S4, . . . ) in innigem Wärmekontakt mit der Trägerstruktur des kata
lytischen Konverters (K) steht, vorzugsweise in die Wände der
Trägerstruktur integriert ist.
14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei jeder Temperatursensor (S1, S2,
S3, S4, . . . ) so in der Strömung des Gasgemisches angeordnet ist, daß
ein guter Wärmeübergang von der Trägerstruktur über das Gasge
misch auf den Temperatursensor (S1, S2, S3, S4, . . . ) ermöglicht wird.
15. Verfahren nach Anspruch 4, wobei Sollwertbereiche anhand einer
Modellfunktion, die die funktionalen Zusammenhänge der Tempera
turen (T1, T2, T3, T4, . . . ) in verschiedenen Teilvolumina (K1, K2,
K3, K4, . . . ) des katalytischen Konverters (K) untereinander und mit
den Daten aus der elektronischen Steuerung (2) des Verbrennungs
motors (1) für den jeweiligen Zustand und/oder die jeweilige Zu
standsänderung des Verbrennungsmotors (1) ermittelt werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Größe der Sollwertbereiche
Toleranzen berücksichtigt, die sich beispielsweise durch Ungenau
igkeiten von Sensoren, durch Fertigungstoleranzen bei den katalyti
schen Konvertern (K) und/oder durch Abweichungen bei der Ge
mischaufbereitung des Verbrennungsmotors (1) ergeben können.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein
vorbestimmter genau festgelegter Zustand des Verbrennungsmotors
(1) gezielt gestört wird und die Reaktion der zeitlicher Ableitungen
(d/dt T1, d/dt T2, d/dt T3, d/dt T4, . . . ) auf diese Störung mit
vorgegebenen Sollwertbereichen verglichen wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Störung nach einer längeren
Phase mit konstanter Leistung in einer Phase der Schubabschaltung
durch kurzzeitiges Einspritzen von Kraftstoff bei abgeschalteter
Zündung in eine oder mehrere Brennkammern erfolgt.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein
bestimmter transienter Vorgang des Motors, z. B. eine Kaltstartphase
oder eine Beschleunigungsphase mit seiner Auswirkung auf die zeit
lichen Ableitungen (d/dt T1, d/dt T2, d/dt T3, d/dt T4, . . . ) be
obachtet wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19 mit folgenden
Schritten:
- a. für ein erstes Teilvolumen (K1) wird anhand einer Modellfunktion die dort zu erwartende zeitliche Ableitung der Temperatur (d/dt T1′) bestimmt, indem aus in der Motorsteuerung verfügbaren Daten, z. B. über die Drehzahl, den Massendurchsatz, die eingeführte Brenn stoffmenge und die Motortemperatur, die Abgastemperatur und die im katalytischen Konverter freigesetzte Energie berechnet werden;
- b. die in dem ersten Teilvolumen (K1) gemessene Temperatur (T1) und/oder deren zeitliche Ableitung (d/dt T1) werden mit der be rechneten Temperatur (T1′) und deren zeitlicher Ableitung (d/dt T1′) verglichen, wobei Abweichungen außerhalb eines Sollwertberei ches registriert werden;
- c. die in einem nachfolgenden Teilvolumen (K2, K3, K4, . . . ) zu erwar tende zeitliche Ableitung (d/dt T2′, d/dt T3′, d/dt T4′, . . . ) wird anhand einer Modellfunktion berechnet, welche die aus der Motor steuerung verfügbaren Daten und die in den davorliegenden Teilvo lumina (K1) gemessenen zeitlichen Ableitungen (d/dt T1) berück sichtigt;
- d. die in dem nachfolgenden Teilvolumen (K2, K3, K4, . . . ) gemessene zeitliche Ableitung (d/dt T2, d/dt T3, d/dt T4, . . . ) wird mit der be rechneten zeitlichen Ableitung (d/dt T2′, d/dt T3′, d/dt T4′, . . . ) verglichen, wobei Abweichungen außerhalb eines Sollwertbereiches registriert werden;
- e. aus den registrierten Abweichungen wird ermittelt, ob und in wel chem Umfang der katalytische Konverter (K) insgesamt noch seine Funktion erfüllt und welche Teilvolumina (K1, K2, K3, K4) gegebe nenfalls wie stark geschädigt sind.
21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
erste Teilvolumen (K1) in einem Vorkatalysator und das zweite (K2)
und die folgenden Teilvolumen (K3, K4, . . . ) in verschieden Quer
schnittsbereichen oder Teilkörpern eines Hauptkatalysators liegen.
22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Temperaturmessungen mittels punktueller Temperatursensoren oder
mittels repräsentativ über ein Teilvolumen des katalytischen Konver
ters messender Temperatursensoren (S1, S2, S3, S4, . . . ) durchgeführt
werden.
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