DE4437655C2 - Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit einer Katalysatorheizvorrichtung - Google Patents

Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit einer Katalysatorheizvorrichtung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwa­ chung der Funktionsfähigkeit einer Reizvorrichtung zur beschleunigten Erwärmung eines Katalysators nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 bis 4.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 42 08 609 A1 bekannt. Zum technischen Umfeld wird weiterhin auf die DE 42 39 079 A1, die DE 42 01 136 A1 und die DE 42 35 113 A1 hingewiesen.
Bei dem aus der DE 42 08 609 A1 bekannten Verfahren wird eine Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Brenners durch den Vergleich der Ist-Temperatur mit einem Temperaturwert vorgenommen, der ein Erlöschen der Brennerflamme anzeigt. Mittels einer derartigen Überwachung kann jedoch lediglich ein Totalausfall des Brenners erkannt werden. Darüber hinaus spricht die Temperaturüberwachung nach dem bekannten Verfahren erst geraume Zeit nach einem Brennerstart an.
Aus der DE 42 39 079 A1 geht ein Verfahren zur Steuerung einer Heizvorrichtung für einen Katalysator hervor, durch das jedoch keine Überwachung der Funktionsfähigkeit der Heizvorrichtung vorgenommen wird.
Bei dem aus der DE 42 01 136 A1 bekannten Verfahren wird zur beschleunigten Erwärmung des Katalysators eines Kraftfahrzeugs auf Betriebstemperatur eine Reizvorrich­ tung in Form eines Vorkatalysators eingesetzt. Die Über­ wachung der Funktionsfähigkeit des Vorkatalysators wird durch Ermittlung mehrerer Temperaturverläufe an unterschiedlichen Meßorten und durch deren Auswertung durchgeführt. Nach dem bekannten Verfahren soll eine sogenannte integrale Temperatur z. B. über die Länge und/oder den Querschnitt des Vorkatalysators ermittelt werden. Das weitere Auswerteverfahren nach der Ermittlung der integralen Temperatur, insbesondere im Zusammenhang mit der Überwachung der Funktionsfähigkeit geht aus der DE 42 01 136 A1 nicht hervor.
Bei dem aus der DE 42 35 113 A1 bekannten Verfahren wird die Funktionsfähigkeit einer elektrischen Reizvorrichtung zur beschleunigten Erwärmung eines Kraftfahrzeugs auf Be­ triebstemperatur diagnostiziert. Bei diesem bekannten Verfahren befindet sich mindestens ein Temperatursensor im oder am Katalysator, mit dem die Temperaturänderung bzw. ein Temperatur-Istverlauf erfaßt und mit mindestens einem Temperatur-Sollverlauf verglichen wird. Zur Feh­ lererkennung wird die Übereinstimmung der beiden Verläufe bewertet. Vorzugsweise sind mehrere Temperatur-Sollver­ läufe vorgegeben, die für definierte Fehler der elektri­ schen Reizvorrichtung charakteristisch sind.
Beispielsweise aus der motortechnischen Zeitschrift MTZ 1/93, S. 22/23, ist ein sog. "Katalysator-Startheizungs-System" bekannt, bei dem zur beschleunigten Erwärmung ei­ nes Katalysators in Kraftfahrzeugen eine Reizvorrichtung in Form eines unmittelbar vor dem Katalysator angeordne­ ten Brenners vorgesehen ist. Die Verwendung eines Bren­ ners als Reizvorrichtung anstelle einer elektrischen Reizvorrichtung für einen Katalysator hat den Vorteil, daß die Batterie eines Kraftfahrzeuges nicht zusätzlich belastet wird.
Da bei der Entwicklung von Kraftfahrzeugsystemen auch die Verbesserung der Batterieladebilanz stark im Vordergrund steht, ist es Aufgabe der Erfindung, eine nicht-elektri­ sche Katalysator-Reizvorrichtung zu verwenden und ein einfaches, hierzu angepaßtes Verfahren zur Überwachung deren Funktionsfähigkeit zu schaffen. Insbesondere soll die Funktionsfähigkeit dieser Reizvorrichtung dahingehend überwacht werden, daß jeder Fehler schnellstmöglich erkannt wird, der zur Erhöhung der Abgasemissionen über einen zulässigen Wert hinaus führt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 bis 4 gelöst.
Gemäß Patentanspruch 1 wird erfindungsgemäß zum einen ein Brenner als Reizvorrichtung zur beschleunigten Erwärmung eines Katalysators verwendet. Zum anderen wird bei dem Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit des Brenners die Temperatur des Brenners bzw. eine dem Bren­ ner proportionale Temperatur ermittelt und diese Tempera­ tur nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitraums, der ab der Erkennung eines Brennerstarts beginnt, mit einer vorgegebenen oberen Temperaturschwelle verglichen.
Bei funktionsfähigem Brenner muß also nach dem Brenner­ start innerhalb eines bestimmten Zeitraums ein Mindest­ wert der Brennertemperatur erreicht sein. Liegt die der Brennertemperatur proportionale Temperatur nach Ablauf des vorgegebenen Zeitraums ab Brennerstart unterhalb der vorgegebenen oberen Temperaturschwelle wird bei­ spielsweise eine Fehlerlampe, die auf einen Defekt am Brenner hinweist, gesetzt.
Dieses erfindungsgemäße Verfahren, das lediglich einen Temperatursensor erfordert, ermöglicht eine besonders einfache und kostensparende Diagnose der Funktions­ fähigkeit des Brenners. Somit kann auf die bekannten, aufwendigen Verfahren zur Diagnose des Brenners, wie z. B. auf das Ionenstrommeßverfahren zwischen den Zündelektro­ den, verzichtet werden.
Der Ablauf des vorgegebenen Zeitraums beginnt bei dem er­ findungsgemäßen Verfahren nach einer Erkennung des Brennerstarts. So wird nach Anspruch 1 weiterhin der Brennerstart durch das Erreichen einer vorgegebenen unteren Temperaturschwelle erkannt. Diese Tempe­ raturschwelle wird vorzugsweise derart definiert, daß sie in ausreichendem Maß oberhalb einer maximal möglichen Brennertemperatur bei Kaltstart liegt.
Alternativ wird nach Patentanspruch 2 der Brennerstart durch eine vorgegebene Temperaturerhöhung gegenüber einem Temperaturanfangswert erkannt. Dadurch ist ein Brennerstart unabhängig von einem Kaltstart oder einem Warmstart erkennbar.
Nach Patentanspruch 3 wird bei einem Verfahren zur Über­ wachung der Funktionsfähigkeit eines Brenners als Reiz­ vorrichtung zur beschleunigten Erwärmung eines Katalysa­ tors ein Temperatur-Istverlauf der Brennertemperatur er­ mittelt und mit einem vorgegebenen Temperatur-Sollverlauf verglichen. Die Abweichung des Temperatur-Istverlaufs vom Temperatur-Sollverlauf wird in Abhängigkeit von der Lauf­ zeit des Brenners gewichtet. Diesem erfindungsgemäßen Verfahren liegt der Gedanke zugrunde, daß Fehler, die kurz nach dem Brennerstart auftreten, sich auf eine Verschlechterung der Abgasemissionen um ein Vielfaches stärker auswirken als Fehler, die erst nach längerer Laufzeit des Brenners bei bereits angewärmtem Katalysator auftreten. Somit wird ein Brennerdefekt nach kurzer Laufzeit des Brenners bereits bei geringer Abweichung der Ist-Temperatur von der Soll-Temperatur erkannt, während bei längerer Laufzeit des Brenners größere Abweichungen noch ohne Fehlererkennung zulässig sind. Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren findet einerseits eine sichere Überwachung der Funktionsfähigkeit des Brenners statt, wobei jedoch eine überflüssige Fehlererkennung vermieden wird.
Gemäß Anspruch 4 wird erfindungsgemäß alternativ zu An­ spruch 3 eine Wichtung der Abweichung des Temperatur-Ist­ verlaufs vom Temperatur-Sollverlauf in Abhängigkeit vom momentanen Istwert der ermittelten Temperatur des Bren­ ners vorgenommen. Der momentane Istwert der ermittelten Temperatur des Brenners ist direkt proportional zur momentanen Laufzeit des Brenners. Eine bestimmte Abweichung der Ist-Temperatur von der Soll-Temperatur wirkt sich bei einem niedrigen momentanen Ist-Wert der ermittelten Temperatur stärker aus, als bei einem hohen momentanen Istwert der ermittelten Temperatur. Somit wird im Falle eines niedrigen momentanen Ist-Werts der ermittelten Temperatur ein Brennerdefekt bei einer viel geringeren Abweichung der Ist-Temperatur von der Soll-Temperatur erkannt, als im Falle eines hohen momentanen Istwerts der ermittelten Temperatur. Auch bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine unnötige Fehlererkennung verhindert.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 eine einem Katalysator vorgeschaltete Heizvorrichtung in Form eines Brenners,
Fig. 2 einen charakteristischen Temperaturverlauf eines intakten Brenners, insbesondere nach Brennerstart und
Fig. 3 eine Möglichkeit zur Wichtung der Abweichung ei­ ner Ist-Temperatur von einer Soll-Temperatur des Brenners.
In Fig. 1 ist eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine 1 mit einem Brenner 3 verbunden, der einem Katalysator 2 vorgeschaltet ist. In der Brennkammer des Brenners 3 sind eine Brennerdüse 4, zwei Zündelektroden 7 und ein Temperatursensor 8 angeordnet. Die Brennerdüse 4 ist über eine erste Leitung mit einem Sekundärluftgebläse 5 und über eine zweite Leitung mit einem Brennstoffabsperrven­ til 6 verbunden.
Der Brenner 3 wird bei Inbetriebnahme der Brennkraftma­ schine 1 vorzugsweise dann gestartet, wenn vom Tempera­ turfühler 8 oder von einem nicht-dargestellten Temperaturfühler des Katalysators 2 bei der Inbetrieb­ nahme der Brennkraftmaschine 1 eine zu niedrige Tempera­ tur, d. h. ein Kaltstart, erkannt wird. Daraufhin werden das Sekundärluftgebläse 5 und die Zündelektroden 7 einge­ schaltet sowie das Brennstoffabsperrventil 6 geöffnet. Vom Brennstoffabsperrventil 6 wird Brennstoff zur Brennerdüse 4 weitergeleitet. Zwischen dem Sekundärluft­ gebläse 5 und der Brennerdüse 4 wird Sekundärluft trans­ portiert. In der Brennerdüse 4 wird aus der Sekundärluft und dem Brennstoff ein feinzerstäubtes Gemisch gebildet und in die Brennkammer des Brenners 3 eingespritzt. Die­ ses feinzerstäubte Gemisch wird im Bereich der Funken­ strecke zwischen den Zündelektroden 7 gezündet und weit­ gehend in der Brennkammer des Brenners 3 verbrannt. Vor­ zugsweise wird der dazu benötigte Brennstoff dem Ein­ spritzsystem der Brennkraftmaschine 1 entnommen. Der Brennerstart erfolgt vorzugsweise gleichzeitig mit dem Start der Brennkraftmaschine 1. Im Brenner 3 wird inner­ halb von einigen Sekunden ein Temperaturanstieg von meh­ reren 100°C erreicht. Hierdurch wird der Katalysator 2 ebenfalls innerhalb von wenigen Sekunden zumindest nahezu auf Betriebstemperatur gebracht, wodurch eine sehr schnelle Reduzierung der Abgasemissionen erreicht wird.
Fig. 2 zeigt schematisch den Anstieg der Temperatur T in der Brennkammer des Brenners 3 in Abhängigkeit von der Laufzeit des Brenners nach einem Brennerstart. Auf der Abszisse ist die Zeit t und auf der Ordinate die Tempera­ tur T dargestellt, die mit dem Temperatursensor 8 erfaßt wird. Auf der Ordinate ist eine untere Temperaturschwelle Su und eine obere Temperaturschwelle So eingetragen.
Zunächst wird erfindungsgemäß der Brennerstart erkannt, wenn die untere Temperaturschwelle Su zumindest erreicht wird. Hierdurch ist der Zeitpunkt t1 als Brennerstart-Zeitpunkt definiert. Nach der Erkennung des Brennerstarts zum Zeitpunkt t1 beginnt der Ablauf des vorgegebenen Zeitraums t2 - t1. Zum Zeitpunkt t2, d. h. nach Ablauf des vorgegebenen Zeitraums, wird überprüft, ob die durch den Temperatursensor 8 aktuell erfaßte Temperatur T in der Brennkammer die obere Temperaturschwelle So zumindest er­ reicht hat. Liegt die momentan erfaßte Temperatur T zum Zeitpunkt t2 unterhalb der oberen Temperaturschwelle So, so wird auf einen Brennerdefekt geschlossen. In diesem Fall wird beispielsweise eine Warnlampe gesetzt. Liegt jedoch zum Zeitpunkt t2 eine Temperatur T vor, die größer als die obere Temperaturschwelle So ist, so wird die fehlerfreie Funktionsfähigkeit des Brenners festgestellt.
In Fig. 2 ist gestrichelt ein typischer Verlauf der HC-Emissionen in Abhängigkeit von der erreichten Temperatur T des Brenners 3 dargestellt. Aus dem gestrichelten Ver­ lauf ist erkennbar, daß nach Ablauf des vorgegebenen Zeitraums zum Zeitpunkt t2 die HC-Emissionen bereits sehr stark reduziert werden.
Alternativ oder zusätzlich zur Überwachung der Funktions­ fähigkeit des Brenners 3 mittels der Schwellwertüberwa­ chung nach Fig. 2 wird erfindungsgemäß die Funktionsfä­ higkeit des Brenners 3 anhand des Vergleichs eines Tempe­ ratur-Istverlaufs Tist mit einem vorgegebenen Temperatur-Sollverlauf Tsoll gemäß Fig. 3 überwacht. In Fig. 3 ist auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate zum einen die Temperatur T des Brenners 3 und zum anderen ein Wichtungsfaktor G dargestellt.
Der Wichtungsfaktor G bewertet die Abweichung A des mo­ mentanen Istwerts der ermittelten Temperatur T entspre­ chend dem Temperatur-Istverlaufs Tist von der durch den Temperatur-Sollverlauf Tsoll vorgegebenen Sollwert der Temperatur T zum momentanen Zeitpunkt t, der beispiels­ weise durch die Laufzeit des Brenners 3 nach Brennerstart t1 bestimmt ist. Durch den Wichtungsfaktor G wird mit zu­ nehmender Laufzeit t des Brenners bzw. mit Zunahme des Istwerts der ermittelten Temperatur T eine Abweichung A der Solltemperatur (Tsoll) von der Isttemperatur (Tist) für eine Fehlererkennung weniger stark bewertet. Für eine Fehlererkennung kann beispielsweise die Multiplikation der Abweichung A mit dem Wichtungsfaktor G vorgenommen werden und mit einer Fehlererkennungsschwelle verglichen werden. Empirisch hat sich herausgestellt, daß sich kurz nach Beginn des Brennerstarts Abweichungen A der Isttemperatur von der Solltemperatur viel stärker auf die Verschlechterung der Abgasemissionen auswirken, als zu einem späteren Zeitpunkt, wenn der zeitabhängige Tem­ peraturverlauf T des Brenners in den Sättigungsbereich übergeht. Somit wird beispielsweise kurz nach Brenner­ start schon eine geringe Abweichung A als sehr bedeutend für die Abgasverschlechterung eingestuft. Weiterhin hat sich empirisch herausgestellt, daß sporadische Fehlerer­ eignisse vorzugsweise im Zeitraum t2 - t1 erkannt werden, während beispielsweise die Absolutwerte der Abweichungen A im Sättigungsbereich des Temperaturverlaufes unabhängig von einem Wichtungsfaktor G Rückschlüsse auf sich langsam ändernde Fehlerereignisse, wie z. B. Alterungsvorgänge, treffen lassen.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemä­ ßen Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit des Brenners vorzugsweise im Leerlaufbetrieb der Brennkraft­ maschine 1 vorgenommen werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit einer Heizvorrichtung zur beschleunigten Erwärmung eines Katalysators in Kraftfahrzeugen mittels Mes­ sung und Auswertung der Heizvorrichtungstempera­ tur, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrich­ tung ein Brenner (3) ist, dessen Temperatur (T) ermittelt und nach Ablauf eines vorgegebenen Zeit­ raums (t₂-t₁) ab einer Erkennung des Brennerstarts (t₁) mit einer vorgegebenen oberen Temperatur­ schwelle (So) verglichen wird und daß der Brennerstart (t₁) bei Erreichen einer vorgegebenen unteren Temperaturschwelle (Su) erkannt wird.
2. Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit einer Heizvorrichtung zur beschleunigten Erwärmung eines Katalysators in Kraftfahrzeugen mittels Mes­ sung und Auswertung der Heizvorrichtungstempera­ tur, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrich­ tung ein Brenner (3) ist, dessen Temperatur (T) ermittelt und nach Ablauf eines vorgegebenen Zeit­ raums (t₂-t₁) ab einer Erkennung des Brennerstarts (t₁) mit einer vorgegebenen oberen Temperatur­ schwelle (So) verglichen wird und daß der Brennerstart (t₁) bei einer vor­ gegebenen Temperaturerhöhung gegenüber einem Tem­ peraturanfangswert erkannt wird.
3. Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit einer Heizvorrichtung zur beschleunigten Erwärmung eines Katalysators in Kraftfahrzeugen mittels Mes­ sung und Auswertung der Heizvorrichtungstempera­ tur, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrich­ tung ein Brenner (3) ist, dessen Temperatur-Ist­ verlauf (Tist) ermittelt und mit einem vorgegebe­ nen Temperatur-Sollverlauf (Tsoll) verglichen wird und daß die Abweichung (A) des Temperatur-Istver­ laufs (Tist) vom Temperatur-Sollverlauf (Tsoll) in Abhängigkeit von der Laufzeit (t) des Brenners (3) gewichtet wird.
4. Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit einer Heizvorrichtung zur beschleunigten Erwärmung eines Katalysators in Kraftfahrzeugen mittels Mes­ sung und Auswertung der Heizvorrichtungstempera­ tur, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrich­ tung ein Brenner (3) ist, dessen Temperatur-Ist­ verlauf (Tist) ermittelt und mit einem vorgegebe­ nen Temperatur-Sollverlauf (Tsoll) verglichen wird und daß die Abweichung (A) des Temperatur-Istver­ laufs (Tist) vom Temperatur-Sollverlauf (Tsoll) in Abhängigkeit vom momentanen Istwert der ermittel­ ten Temperatur (T) gewichtet wird.
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