DE4342035A1

DE4342035A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen des Wirkungsgrades der Kohlenwasserstoffkonversion eines katalytischen Konverters

Info

Publication number: DE4342035A1
Application number: DE4342035A
Authority: DE
Inventors: Jacobus H Visser; Richard E Soltis; Elftherios M Logothetis; Douglas R Hamburg; Jeffrey A Cook; Margherita Zanini-Fisher
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1993-01-07
Filing date: 1993-12-09
Publication date: 1994-07-14
Also published as: GB2274169A; US5265417A; JPH06235709A; GB9325967D0

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vor richtungen zum Überwachen des katalytischen Umwandlers, der zum Herabsetzen der in den Abgasen eines Verbrennungsmotors enthaltenen Umweltschadstoffe verwendet wird.

Stand der Technik

The California Air Resources Board (CARB) verlangt die Über wachung des Wirkungsgrades der Kohlenwasserstoffkonversion des katalytischen Konverters im Fahrzeug als Teil des OBD-II (On-Board Diagnostics Phase 2). In den SAE-Papieren 900062 und 910561, die in diese Offenbarung eingeschlossen werden, schlägt der CARB das Erreichen dieses Ziels mit dualen HEGO (Heated Exhaust Gas Oxygen)/EGO(Exhaust Gas Oxygen)-Sensorme thodologien vor. Durch Vergleich der Anzeigen der strömungs aufwärts und -abwärts des katalytischen Konverters angeordne ten HEGO/EGO-Sensoren ergibt sich ein Maß für die Sauerstoff speicherkapazität, das dann auf den Wirkungsgrad der Kohlen wasserstoffkonversion bezogen werden muß. Es zeigt sich, daß diese Beziehung im höchsten Maß nichtlinear ist. Die Erfah rung zeigt, daß duale HEGO/EGO-Sensormethodologien im Hin blick auf die erforderliche Genauigkeit beim Messen des Wir kungsgrades der Kohlenwasserstoffkonversion nicht sehr lei stungsfähig sind.

Die US-PS 3 906 721 beschreibt einen thermoelektrischen Ab gassensor zum Detektieren des Gehaltes an Restbrennstoffen in den Abgasen eines Verbrennungsmotors. Ein Sensor wird strömungsunterhalb eines in Verbindung mit dem Verbrennungs motor verwendeten katalytischen Konverters in den Abgasstrom eingesetzt.

Die US-PS 4 070 157 und 4 169 126 beziehen sich auf das Über wachen der Temperaturunterschiede zwischen zwei im Gasstrom voneinander getrennten Punkten. Ein Aspekt der ′157-Patent schrift betrifft ein Verfahren zur Detektion von Änderungen in der Zusammensetzung eines Gasstroms durch Einsetzen eines Thermometers in den Gasstrom in Kontakt mit oder strömungsun terhalb eines Katalysators, um damit Änderungen in dessen Temperatur oder im Gas kurz nach Verlassen des Katalysators zu detektieren. Solche Änderungen sind eine Funktion der Men ge des unter der Einwirkung eines Katalysators reagierenden Gases. Ein alternatives Verfahren liegt in der Anordnung ei nes zweiten Thermometers strömungsoberhalb des Katalysators und im Detektieren des Temperaturunterschiedes zwischen den beiden Thermometern. Der Unterschied ist eine Funktion der Menge des Gases, das unter der Einwirkung des Katalysators reagiert hat. Diese Vorrichtungen detektieren die Temperatu ren der Gase.

Die vorstehend erwähnten Patentschriften beschreiben weder die hier offenbarte Erfindung noch lehren sie die dieser zu grundeliegenden Aufgaben.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt im Bestimmen des Wirkungsgrades der Kohlenwasserstoffkonversion eines in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor (IC) verwendeten kata lytischen Konverters mit Verwendung eines katalytischen kalo rimetrischen Differentialsensors, der zum Durchführen des ge eigneten Versuchs während kurzer Zeitabschnitte betriebsfä hig ist.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Beschreibung einer Vorrichtung, die Abgasproben strömungs oberhalb und -unterhalb des katalytischen Konverters für kur ze Zeitabschnitte nimmt und einen katalytischen kalorimetri schen Differentialsensor den Wirkungsgrad der Kohlenwasser stoffkonversion des katalytischen Konverters bestimmen läßt. Dieser katalytische kalorimetrische Differentialsensor befin det sich auf dem von einem Verbrennungsmotor angetriebenen Kraftfahrzeug.

Zusammenfassende Beschreibung der Erfindung

Ein Verfahren zum Bestimmen des Wirkungsgrades der Kohlenwas serstoffkonversion eines zum Herabsetzen der Umweltschadstof fe in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors eingesetzten katalytischen Konverters mit den folgenden Stufen:

a) Bestimmen der Kohlenwasserstoffkonzentration des Abgases strömungsoberhalb des katalytischen Konverters durch Pro benahme des Abgases und Zuführen der Probe zu einem kata lytischen kalorimetrischen Differentialsensor,
b) Kontaktieren des in dem Konverter vorhandenen Katalyten mit dem Abgas des Verbrennungsmotors,
c) Bestimmen der Kohlenwasserstoffkonzentration des Abgases strömungsunterhalb des katalytischen Konverters durch Pro benahme des Abgases und Zuführen der Probe zu einem kata lytischen kalorimetrischen Differentialsensor und
d) Vergleichen des Kohlenwasserstoffgehaltes der Abgasproben aus den Stufen (a) und (c) und Bestimmen des Wirkungsgra des der Kohlenwasserstoffkonversion des katalytischen Kon verters aus dem Vergleich.

Ebenso wird eine Vorrichtung beschrieben zum Bestimmen des Wirkungsgrades der Kohlenwasserstoffkonversion des katalyti schen Konverters mit einem Mittel zur Probenahme zum Erzie len einer Probe aus dem Abgas strömungsoberhalb des katalyti schen Konverters, mit einem Mittel zur Probenahme zum Erzie len einer Probe aus dem Abgas strömungsunterhalb des kataly tischen Konverters und mit einer katalytischen kalorimetri schen Differentialmeßvorrichtung zum Messen der Kohlenwasser stoffkonzentration in beiden Proben und damit Bestimmen des Wirkungsgrades der Kohlenwasserstoffkonversion des katalyti schen Konverters.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsge mäßen Probenahmesystems,

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung des bei der hier be schriebenen Erfindung verwendeten katalytischen kalo rimetrischen Sensors,

Fig. 3 ist eine alternative Ausführungsform des bei der hier beschriebenen Erfindung nützlichen katalytischen kalo rimetrischen Differentialsensors,

Fig. 4 ist ein Schnitt entlang der Schnittlinie 4-4 in Fig. 3,

Fig. 5 ist die Darstellung der Verbrennungswärme einer An zahl von Brennstoffen als eine Funktion der Anzahl der Kohlenstoffatome in dem Molekül und

Fig. 6 ist ein Schaubild mit der Darstellung der Sensoranzei ge auf einer prozentualen Grundlage gegenüber dem Wir kungsgrad (in Prozent) der Kohlenwasserstoffkonver sion bei verschiedenen Abgasströmungsgeschwindigkei ten bei drei verschiedenen Katalysatoren.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem auf einem Fahrzeug durchzuführenden Verfahren zum Bestimmen des Wir kungsgrades der Kohlenwasserstoffkonversion eines katalyti schen Konverters. Der katalytische Konverter befindet sich zum Herabsetzen der Umweltschadstoffe im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors. Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der unmittelbaren Messung der Kohlenwasserstoffkonzentra tionen im Abgas und der Bestimmung des Wirkungsgrades der Konversion aus dieser Messung. Dies erfolgt durch Verwendung eines katalytischen kalorimetrischen Differentialsensors, der Kohlenwasserstoffe messen kann. Die Messung erfolgt mit Abgasproben strömungsoberhalb und -unterhalb des katalyti schen Konverters.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der vorliegenden Er findung, bei der Abgas von dem Verbrennungsmotor dem Einlaß 12 des katalytischen Konverters 14 zugeleitet wird. Der kata lytische Konverter weist einen Auslaß 16 auf, der unmittel bar zum Auspuffrohr führt. Der katalytische Konverter ist ei ner, der Abgas von einem Verbrennungsmotor zum Herabsetzen der in dem Abgas vom Motor enthaltenen Umweltschadstoffe ka talysiert. In der bevorzugten Ausführungsform wird der Sen sor 18 so angeordnet, daß er die Proben über eine Leitung 20 vom Einlaß und über eine Leitung 22 vom Ausgang des katalyti schen Konverters empfängt. Geeignete Ventile 24 und 26 sind in der Leitung 20 bzw. 22 angeordnet. Diese Ventile sind wäh rend des gewünschten Prüfabschnitts geöffnet.

Die Länge und die Konstruktion der Probeleitungen 20 und 22 kann so gewählt werden, daß sich eine angemessene Kühlung der Abgasproben ergibt und, falls gewünscht, eine Beschädi gung der Ventile 24 und 26 und des Sensors 18 durch Hitze vermieden wird.

Beim Prüfvorgang erfolgt die Überwachung nach dem Aufwärmen des katalytischen Konverters und des Motors. Im einfachsten Fall wird der Wirkungsgrad der Kohlenwasserstoffkonversion unter konstantem Motorbetrieb, das heißt während des Leer laufs oder während eines Abschnitts konstanter Drehzahl und Last bestimmt. Falls der im Kraftfahrzeug befindliche Compu ter feststellt, daß sämtliche Bedingungen für die Überwa chung des katalytischen Konverters erfüllt sind, wird das Ventil 24 geöffnet und der Sensor 18 bestimmt die Kohlenwas serstoffkonzentration im Abgasstrom strömungsoberhalb des ka talytischen Konverters. Die Sensoranzeige würde dann dem im Kraftfahrzeug befindlichen Computer zugeführt, das Ventil 24 würde geschlossen, das Ventil 26 würde geöffnet, und der Sen sor 18 würde die Kohlenwasserstoffkonzentration im Abgas strom strömungsunterhalb des katalytischen Konverters fest stellen. Die Anzeige des Sensors 18 würde dann dem im Kraft fahrzeug befindlichen Computer zugeleitet, und das Ventil 26 würde dann geschlossen. Der im Kraftfahrzeug befindliche Com puter könnte dann den Wirkungsgrad der Kohlenwasserstoffkon version des katalytischen Konverters durch Bilden des Ver hältnisses zwischen den Kohlenwasserstoffkonzentrationen strömungsoberhalb und -unterhalb des katalytischen Konver ters bestimmen.

In einem komplizierteren Fall wird der Wirkungsgrad der Koh lenwasserstoffumwandlung des katalytischen Konverters nicht bei konstantem Motorbetrieb, sondern während eines (zum Bei spiel) heißen Zyklus nach FTP (Federal Test Procedure) be stimmt. Dieser Prüfvorgang würde auch nach Aufwärmen des ka talytischen Konverters und des Motors stattfinden. Der im Fahrzeug befindliche Computer würde kontinuierlich die Motor drehzahl, das Motordrehmoment, die Brennstoff- und die Mas senluftdurchflußmenge überwachen. Die Kohlenwasserstoffkon zentrationen strömungsoberhalb und -unterhalb des katalyti schen Konverters würden abwechselnd, wie oben beschrieben, gemessen und in den im Kraftfahrzeug befindlichen Computer eingegeben. Die gemessenen Konzentrationen würden dann zum Errechnen der äquivalenten Massenemissionen strömungsober halb und -unterhalb des katalytischen Konverters in jeder Drehzahl/Drehmomentzelle während des Betriebs des Motors im heißen Zyklus gemäß FTP errechnet. Diese Massenemissionen würden dann mit einem auf die Zeit bezogenen Faktor multipli ziert, der die Zeit darstellt, die das Fahrzeug in jedem Drehzahl/Drehmomentbereich verbringen würde, falls es wäh rend des heißen Zyklus nach FTP betrieben würde. Schließlich würde eine Summierung sämtlicher auf die Zeit bezogener Mas senemissionen aus sämtlichen Drehzahl/Drehmomentzellen der Speichertabelle erfolgen. Auf diese Weise würde man die wäh rend des heißen Zyklus nach FTP strömungsoberhalb und -unter halb emittierte Kohlenwasserstoffmassenemission erhalten.

Der im Kraftfahrzeug befindliche Rechner könnte dann den Wir kungsgrad der katalytischen Konversion durch Vergleich der Massenemissionen strömungsoberhalb mit den Massenemissionen strömungsunterhalb errechnen.

Bei beiden oben beschriebenen Meßvorgängen würde der im Kraftfahrzeug befindliche Computer nach einer oder mehreren Messungen während einer oder mehrerer Fahrten entscheiden, ob der Wirkungsgrad des katalytischen Konverters unter einen bestimmten Wert gefallen ist. In einem solchen Fall könnte eine Lampe im Armaturenbrett zur Unterrichtung des Fahrers des Fahrzeugs eingeschaltet werden.

Es leuchtet ein, daß die Probenahmefrequenz zum Steuern der Ventile 24 und 26 so gewählt werden sollte, daß sie sowohl mit dem Frequenzverhalten des katalytischen kalorimetrischen Differentialsensors als auch mit der für die Prüfung des ka talytischen Konverters zur Verfügung gestellten Gesamtzeit zusammenpaßt. Eine typische Probenahmezeit könnte 1 Hz sein.

Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen darin, daß der ka talytische kalorimetrische Differentialsensor während jedes Betriebszyklus des Fahrzeugs nur für einen kurzen Zeitab schnitt, zum Beispiel 10 bis 60 Sekunden, im Einsatz sein würde. Für den richtigen Betrieb der Erfindung würden weiter nur sehr geringe als Probe genommene Gasdurchflußmengen benö tigt. Ein Verschleiß des Sensors aufgrund eines anhaltenden Kontaktes mit den Abgasen würde herabgesetzt. Die Anordnung des Sensors außerhalb des Auspuffrohrs ermöglicht auch die Steuerung der Temperatur und der Gasströmung, was für einen richtigen Betrieb des Sensors 18 erforderlich sein könnte. Es ermöglicht auch die Zugabe von Luft in die Leitungen 20 und 22 (entweder vor oder nach den Ventilen 24 und 26), um sicherzustellen, daß für den richtigen Betrieb des katalyti schen kalorimetrischen Differentialsensors genügend Sauer stoff zur Verfügung steht. Obgleich vom Sensor angenommen wird, daß er wesentlich langsamer als der katalytische Kon verter, den er überwachen soll, verschleißt, ist ein gewis ser Verschleiß des Sensors annehmbar, da die vorliegende Er findung zu einem Verhältnis von zwei Messungen anstatt zu ei ner absoluten Konzentration der Kohlenwasserstoffe in dem Ab gas führt. Da die Probedurchflußmengen niedrig liegen wür den, könnte die Abgabe des Sensors 18 mit vernachlässigbaren Auswirkungen auf die Fahrzeugemissionen über die Leitung 28 unmittelbar in die Atmosphäre geführt werden. Alternativ könnte die Abgabe des Sensors 18 über die Leitung 28 und den Auslaß 29 ohne erkennbare Beeinflussung des Betriebes des Mo tors in dessen Einlaßleitung zurückgeführt werden.

Ein alternativer Weg zum Detektieren des Wirkungsgrades der Kohlenwasserstoffkonversion des katalytischen Konverters wür de in einer Anordnung eines katalytischen kalorimetrischen Differentialsensors im Abgasstrom 12 und eines katalytischen kalorimetrischen Differentialsensors im Abgasstrom 16 lie gen. Die Anzeigen beider Sensoren könnten dann in den im Kraftfahrzeug befindlichen Computer eingegeben werden, der dann das Verhältnis zum Bestimmen des Wirkungsgrades des ka talytischen Konverters errechnen würde. Die Sensoren können unmittelbar in den Abgasstrom oder mit Leitungen und Venti len gerade außerhalb angeordnet werden. Im letzteren Fall würden die Ventile nur während des Prüfzyklus geöffnet. Hier durch würde die Zeit herabgesetzt, während derer die Senso ren den vom Verbrennungsmotor erzeugten Abgasen ausgesetzt wären.

Nach dieser Beschreibung alternativer Wege zur Benutzung der katalytischen kalorimetrischen Differentialsensoren wenden wir uns nun einer Erörterung der Sensoren zu.

Bei einem katalytischen kalorimetrischen Gassensor ermög licht eine auf einem geeigneten Substrat aufgebrachte kataly tische Schicht die Oxidation von Brennstoffen (wie zum Bei spiel Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Wasserstoff). Die bei dieser Oxidation erzeugte Hitze erhöht die Tempera tur des Substrates, die als eine Änderung im elektrischen Wi derstand eines auf das gleiche Substrat aufgebrachten geeig neten Widerstandsmaterials gemessen wird. Katalytische kalo rimetrische Sensoren arbeiten im allgemeinen bei 200 bis 500°C. Fig. 2 ist ein Querschnitt durch einen katalytischen kalorimetrischen Gassensor mit einem Substrat 30 und einem auf diesem angeordneten Widerstand 32. Auf diesem befindet sich eine katalytische Schicht 34. Das Substrat würde so dünn wie möglich sein und aus Werkstoffen mit einer niedri gen Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise Keramikstoffen, wie zum Beispiel Aluminiumoxid, Siliziumoxid oder Siliziumnitrid, be stehen. Der Widerstand besteht aus gewünschten Werkstoffen, wie zum Beispiel Platin. Der zu verwendende Katalysator wür de im allgemeinen ein allein oder in Kombination mit einer geeigneten katalytischen Abstützung verwendeter Edelmetallka talysator sein. Die Edelmetalle sind im allgemeinen Platin, Palladium, Rhodium und dergleichen.

Verschiedene Bauarten von katalytischen kalorimetrischen Sen soren sind in der Literatur beschrieben worden. Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung einer Alternative eines ka talytischen kalorimetrischen Differentialsensors mit einem Siliziumsubstrat 40 mit zwei Membranen 44 und 45 mit auf die Oberseite der Membran aufgesetzten Widerstandselementen 48 und 49. Die Widerstandselemente sind mit einer dielektri schen Schicht 41 abgedeckt. Eine katalytische Schicht 46 wird auf die Oberseite der Membran 45 (und des Widerstands elementes 48 und der dielektrischen Schicht 41) aufgelegt. Das Widerstandselement 49 auf der Membran 44 wird zum Messen der Temperatur des Umgebungsgases verwendet, während das Wi derstandselement 48 auf der Membran 45 die durch die Oxida tionsreaktionen auf der katalytischen Schicht 46 erzeugte zu sätzliche Wärme mißt. Beide Membranen sind thermisch vonein ander isoliert, da sie eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf weisen und das Siliziumsubstrat eine gute Wärmesenke ist. Die Widerstandselemente 48 und 49 könnten Teil einer Wheat stone-Brücke sein. In diesem Fall wäre die Sensoranzeige der Menge der in dem Gas enthaltenen Brennstoffe unmittelbar pro portional. Ein alternatives Verfahren zum Betreiben des Sen sors liegt im Aufheizen der Membrane auf eine gesetzte Tempe ratur durch Durchleiten von Strom durch die Widerstandsele mente 48 und 49. Der Unterschied zwischen beiden Strömen wä re dann ein Maß für die Menge der in dem Gas enthaltenen Brennstoffe. Die verschiedenen Verfahren zum Betreiben der katalytischen kalorimetrischen (Differential-)Sensoren sind gut bekannt und zum Beispiel in "Calorimetry: Fundamentals and Practice" von W. Hemminger (1984) beschrieben worden. Die Offenbarung dieses Buches wird hier eingeschlossen. Die Membranen 44 und 45 sind im typischen Fall 1 µ stark und 1 mm breit und zum Herabsetzen von Restspannungen aus einem Verbundstoff aus Siliziumoxid und Siliziumnitrid herge stellt. Die temperaturempfindlichen Widerstandselemente 48 und 49 werden im typischen Fall aus gesputtertem und mit li thografischen Verfahren und chemischer Ätzung aufgebrachtem Platinfilm hergestellt. Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch den Sensor von Fig. 3 entlang der Schnittlinie 4-4. Ein ka talytischer kalorimetrischer Differentialgassensor ähnlich dem der Fig. 3 und 4 ist in "SENSORS AND ACTUATORS B", 533-538, 4 (1991), von M. Gall beschrieben worden. Die Of fenbarung dieses Buches wird hier eingeschlossen.

Auf die katalytischen kalorimetrischen Differentialsensoren aufzutragende katalytische Schichten können mit vielen Tech niken aufgetragen werden, zum Beispiel durch Sputtern, Ver dampfen (E-Kanone) oder durch Aufbringen einer Paste. Die letzte Technik ist in "Detection of Methane/Butane Mixtures in Air By A Set of Two Micro Calorimetric Sensors", SENSORS AND ACTUATORS B, 6 (1992), 262-265, von V. Summer, R. Ron gen, P. Tobias und D. Kohl beschrieben worden. Die Offenba rung dieser Literatur wird hier eingeschlossen. Es gibt eini ge Anzeichen dafür, daß das Sputtern oder Aufdampfen eines dünnen katalytischen Films zu einer Schicht mit einer gerin geren Oberfläche und damit verringerter Oxidation der Kohlen wasserstoffe führt. Eine Paste, wie sie in der Literaturstel le SENSORS AND ACTUATORS B, 1992, siehe oben, beschrieben wurde, führt im allgemeinen zu einer großen Oberfläche.

Im allgemeinen sind katalytische kalorimetrische Differen tialgassensoren Sensoren für Brennstoffe. Fig. 5 zeigt die Verbrennungswärme verschiedener Brennstoffe als eine Funk tion der Anzahl der Kohlenstoffatome im Molekül. Der kataly tische kalorimetrische Sensor könnte als ein Kohlenwasser stoffsensor gebraucht werden, falls die Kohlenwasserstoffkon zentration annähernd gleich wie oder größer als die Konzen trationen von Wasserstoff und Kohlenmonoxid wäre, da die Ver brennungswärme des Kohlenmonoxids und des Wasserstoffs viel kleiner als die Verbrennungswärme der Kohlenwasserstoffe ist. Es wird angenommen, daß der Sensor die Kohlenwasserstof fe annähernd genauso wirksam wie Kohlenmonoxid und Wasser stoff oxidiert. Fig. 5 zeigt auch, daß das Ausgangssignal des Sensors dann eine Funktion der Anzahl der Kohlenstoffato me in dem Kohlenwasserstoffmolekül wäre. In einem Gemisch aus verschiedenen Kohlenwasserstoffen wäre die Anzeige des katalytischen kalorimetrischen Sensors der Anzahl der Kohlen stoffatome proportional. Falls die Kohlenwasserstoffkonzen trationen im Vergleich mit den Kohlenmonoxid- und Wasser stoffkonzentrationen klein sind, könnte ein Kohlenwasser stoffsensor doch noch mit einem Katalysator erzielt werden, der gegenüber der Oxidation der Kohlenwasserstoffe selekti ver ist. Alternativ könnte der Zugang des Kohlenmonoxids oder Wasserstoffs zum Katalysator zum Beispiel mit einem Fil ter begrenzt werden. Im gleichen Sinne könnte ein katalyti scher kalorimetrischer Differentialgassensor, der gegenüber Kohlenmonoxid selektiv ist, erhalten werden.

Eine Prüfung der Grundlagen erfolgte mit Verwendung eines Mo tordynamometers beim Lauf eines 5,0 l V8-Motors bei Stöchio metrie, 1500 nmin^-1 und 4,15 mkg. Bei diesem Motor waren die Konzentrationen an Kohlenwasserstoff etwa gleich den Konzen trationen an Kohlenmonoxid und größer als die Konzentratio nen an Wasserstoff. Die Auspuffgase vom Motor wurden strö mungsoberhalb und -unterhalb des katalytischen Konverters entnommen und sowohl mit Laborgeräten (einem Flammenionisa tionsdetektor (FID)) als auch mit einem im Handel erhältli chen katalytischen kalorimetrischen Differentialsensor gemes sen. Insgesamt wurden drei Katalysatoren mit unterschiedli chen Wirkungsgraden der katalytischen Kohlenwasserstoffkon version (etwa 0, 50 und 95%) gemessen. Das Verhältnis der sich in einem gleichbleibenden Zustand befindenden Kohlenwas serstoffkonzentrationen strömungsunterhalb und -oberhalb, wie es mit den Laborgeräten gemessen wurde, wurde in Fig. 6 entlang der X-Achse aufgetragen. Das gleiche, jedoch mit ei nem katalytischen kalorimetrischen Sensor gemessene Verhält nis wurde entlang der Y-Achse aufgetragen. Wie Fig. 6 zeigt, ergab sich eine gute Übereinstimmung zwischen den beiden Mes sungen. Obgleich die Anzeige des katalytischen kalorimetri schen Differentialsensors von der Durchflußmenge abhängt, verschwindet diese Abhängigkeit zu einem großen Teil (für Durchflußmengen von 200 und 800 cc/min), sobald das Verhält nis der Messungen strömungsunterhalb und -oberhalb genommen ist. Die Temperatur des katalytischen kalorimetrischen Diffe rentialsensors wurde genau bei 400°C eingeregelt. Dieser Ver such mit einem Motordynamometer zeigt somit, daß die Anzeige eines kalorimetrischen Sensors in der Tat auf den Wirkungs grad der katalytischen Kohlenwasserstoffkonversion (wie er mit einem FID gemessen wird) bezogen werden kann.

Es leuchtet ein, daß die relativen Konzentrationen der Brenn stoffe im Abgas eines Verbrennungsmotors abhängig vom Motor und vom Fahrzeug, insbesondere bei Lastkraftwagen im Gegen satz zu Personenkraftwagen, schwanken. Beim Messen von Koh lenwasserstoffen mit einem katalytischen kalorimetrischen Differentialsensor muß dieser daher auf eine bestimmte Grup pe von Motoren oder Kraftfahrzeugen abgestimmt werden.

Die Herstellung einer für das Messen von Kohlenwasserstoffen geeigneten Sensorreihe sollte auch möglich sein. Insbesonde re in Silizium könnte dies einfach durch Einbau mehrerer mit verschiedenen katalytischen Stoffen überzogener Membranen verwirklicht werden. Ein geeigneter Computeralgorithmus wer tet dann die Anzeigen der Sensorreihen aus.

Zum Betrieb der katalytischen kalorimetrischen Gassensoren könnte im Abgas nicht genügend Sauerstoff vorhanden sein. Ein Verfahren zur Zugabe von Sauerstoff in den Sensor 18 liegt in der Verwendung des Pumpens von Sauerstoff mit elek trochemischen Zirkonium(IV)-Oxid-Zellen. Siehe Sensors For Measuring Combustibles In the Absence Of Oxygen, TRANS- DUCERS, 1991, Seiten 555-557, von J. H. Visser, R. E. Sol tis, L. Rimai, E. M. Logothetis. Die Offenbarung dieser Lite raturstelle wird hier eingeschlossen. Siehe auch Chemical And Physical Sensors Based On Oxygen Pumping With Solid State Electrochemical Cells, von E. M. Logothetis, J. H. Vis ser, R. E. Soltis, L. Rimai, SENSORS AND ACTUATORS, Juli 1992. Die Offenbarung dieser Literaturstelle wird hier einge schlossen.

Die vorliegende Erfindung beschreibt Verfahren und ein Gerät zum Bestimmen des Wirkungsgrades der Kohlenwasserstoffkonver sion durch einen katalytischen Konverter. Ein ähnliches Ver fahren (mit geeigneten katalytischen kalorimetrischen Diffe rentialsensoren) könnte zum Bestimmen des Wirkungsgrades der Kohlenmonoxidkonversion durch einen katalytischen Konverter verwendet werden.

Obgleich die hier offenbarten Formen der Erfindung die gegen wärtig bevorzugten Ausführungsformen darstellen, sind viele andere möglich. Es ist nicht beabsichtigt, hier sämtliche der möglichen äquivalenten Formen oder Verästelungen der Er findung zu erwähnen. Es ist verständlich, daß die hier ver wendeten Ausdrücke lediglich beschreibend und nicht beschrän kend sind und daß ohne Abweichen vom Wesen oder Umfang der Erfindung verschiedenartige Änderungen durchgeführt werden können.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen des Wirkungsgrades der Kohlenwas serstoffkonversion eines zum Herabsetzen der Umweltschad stoffe in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors einge setzten katalytischen Konverters, gekennzeichnet durch die folgenden Stufen:

a) Bestimmen der Kohlenwasserstoffkonzentration des Abga ses strömungsoberhalb des katalytischen Konverters durch Probenahme des Abgases und Weiterleiten der Pro be auf einen katalytischen kalorimetrischen Differen tialsensor,
b) Kontaktieren des Katalyten in dem Konverter mit dem Abgas des Verbrennungsmotors,
c) Bestimmen der Kohlenwasserstoffkonzentration des Abga ses strömungsunterhalb des katalytischen Konverters durch Probenahme des Abgases und Weiterleiten der Pro be auf einen katalytischen kalorimetrischen Differen tialsensor und
d) Vergleichen des Kohlenwasserstoffgehalts der Abgaspro ben aus den Stufen (a) und (c) und Bestimmen des Wir kungsgrades der Kohlenwasserstoffkonversion des kata lytischen Konverters aus diesem Vergleich.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenahme in einem Zeitabschnitt von weniger als 1 bis 5 Sekunden durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen ka talytischen kalorimetrischen Differentialsensor für die Probenahmestufen (a) und (c).

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster katalytischer kalorimetrischer Differential sensor in den Abgasstrom von dem Verbrennungsmotor und vor dem Eintritt von dessen Abgasen in den katalytischen Konverter eingesetzt und ein zweiter katalytischer kalo rimetrischer Differentialsensor in den Abgasstrom vom ka talytischen Konverter eingesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der katalytische kalorimetrische Differentialsensor ein Edelmetall enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelmetall aus der Gruppe bestehend aus Platin, Pal ladium, Silber, Gold, Ruthenium, Rhodium, Osmium, Iri dium und Gemischen hieraus ausgewählt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator in den Abgasstrom des Verbrennungsmotors in einer ein Siliziumsubstrat berührenden Beziehung ein gesetzt wird.

8. Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug zum Bestimmen des Wir kungsgrades der katalytischen Kohlenwasserstoffkonver sion eines in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors eingesetzten katalytischen Konverters, wobei der Abgas strom zum Herabsetzen der in ihm enthaltenen Umweltschad stoffe einem katalytischen Konverter zugeführt wird, ge kennzeichnet durch ein Mittel zur Probenahme zum Erzie len einer Probe aus dem Abgas des Verbrennungsmotors vor dem Eintritt in den katalytischen Konverter, ein Mittel zur Probenahme zum Erzielen einer Probe aus dem Abgas strom vom katalytischen Konverter und eine katalytische kalorimetrische Differentialmeßvorrichtung zum Messen des Kohlenwasserstoffgehaltes beider Proben und Bestim men des Wirkungsgrades der Kohlenwasserstoffkonversion des katalytischen Konverters aus dieser Messung.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenahme in einem Zeitabschnitt von weniger als 1 bis 5 Sekunden durchgeführt wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein katalytischer kalorimetrischer Differentialsensor zur Probenahme aus dem Abgasstrom eines Verbrennungsmo tors vor dem Eintritt in den katalytischen Konverter und dem Austritt aus dem katalytischen Konverter vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, daß ein erster katalyti scher kalorimetrischer Differentialsensor in den Abgas strom von dem Verbrennungsmotor und vor dem Eintritt von dessen Abgasen in den katalytischen Konverter eingesetzt und ein zweiter katalytischer kalorimetrischer Differen tialsensor in den Abgasstrom vom katalytischen Konverter eingesetzt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der katalytische kalorimetrische Differentialsensor ein Edelmetall enthält.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelmetall aus der Gruppe bestehend aus Platin, Palladium, Silber, Gold, Ruthenium, Rhodium, Osmium, Iri dium und Gemischen hieraus ausgewählt ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator in den Abgasstrom des Verbrennungsmo tors in einer ein Siliziumsubstrat berührenden Beziehung eingesetzt ist.