WO1988007622A1 - Process for monitoring the performance of catalysers - Google Patents

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WO1988007622A1
WO1988007622A1 PCT/EP1988/000230 EP8800230W WO8807622A1 WO 1988007622 A1 WO1988007622 A1 WO 1988007622A1 EP 8800230 W EP8800230 W EP 8800230W WO 8807622 A1 WO8807622 A1 WO 8807622A1
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WO
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temperature
catalyst
thermocouples
measuring
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Application number
PCT/EP1988/000230
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Inventor
Erich PRÄKELT
Original Assignee
Phywe Systeme Gmbh
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N9/00—Electrical control of exhaust gas treating apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N11/00—Monitoring or diagnostic devices for exhaust-gas treatment apparatus, e.g. for catalytic activity
    • F01N11/002—Monitoring or diagnostic devices for exhaust-gas treatment apparatus, e.g. for catalytic activity the diagnostic devices measuring or estimating temperature or pressure in, or downstream of the exhaust apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1444—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases
    • F02D41/1446—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being exhaust temperatures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2550/00—Monitoring or diagnosing the deterioration of exhaust systems
    • F01N2550/02—Catalytic activity of catalytic converters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the invention is based on a method for
  • DE-PS 24 06 073 Such a method is known from DE-PS 24 06 073.
  • a circuit arrangement is described which is used to monitor the temperature of catalysts for the exhaust gases of motor vehicle internal combustion engines. Such temperature monitoring is necessary because the catalyst can overheat during operation and be destroyed as a result.
  • the circuit arrangement of DE-PS 24 06 073 enables the determination of the thermal energy in one place, regardless of the ambient temperature. When a certain critical temperature is exceeded, an indicator lamp flashes and the driver of the motor vehicle is thus signaled that the catalytic converter has overheated. It is disadvantageous that the failure of the catalytic converter is only signaled to the driver after the malfunction has occurred and continuous monitoring is not provided. Another disadvantage is that only the overheating of the catalyst is monitored. Function monitoring, i. H.
  • a temperature controller for a catalytic reaction chamber is known from DE-OS 22 22 498. This is cooled by a cooling stream, the amount of cooling air being regulated essentially in proportion to the temperature increase in the chamber. Furthermore, from DE-OS 22 44 227 a device is known which bypasses the exhaust gases from motor vehicle engines by means of a bypass valve control at the catalytic muffler at elevated catalyst temperature.
  • a disadvantage of the subject of these two publications is that only temperature monitoring takes place. Functional monitoring does not take place.
  • the degree of conversion is usually measured using gas analysis methods.
  • the degree of conversion i.e. the percentage turnover is determined from the concentrations of the input and output products.
  • the starting behavior of catalysts is determined by measuring the degree of conversion as a function of the exhaust gas temperature at the entry into the catalyst.
  • the invention has for its object to develop a method for monitoring the function of catalysts of the type described in such a way that the function of the catalyst is constantly monitored, and that the method is inexpensive and works reliably, and is therefore suitable for series installation in catalysts.
  • the thermal energy is also determined at least at a second location in the region of the catalyst, in that the catalytic process takes place at least partially between the first location and the second location, in that the two thermal energies are compared with each other so that a control variable is formed from this comparison and that this control variable is evaluated.
  • the operation of the catalyst is based on the fact that the energy thresholds for the initiation of oxidation and reduction processes are reduced. Chemical reactions which are exothermic or endothermic in nature therefore take place in the catalytic converter, ie they occur with the release or consumption of thermal energy. In the case of mixed reactions, as occur, for example, in the three-way catalytic converters for motor vehicles known today, the exothermic reactions predominate.
  • the catalyst can be deactivated by overheating, even melting. All of these processes can be effectively and continuously monitored by the method. This method is suitable for monitoring all catalytic processes, such as in the case of exhaust gas catalysts in motor vehicles or any type of catalytic exhaust gas detoxification system Heating systems.
  • the thermal energy can advantageously be determined by temperature measurement. Temperature measurements are easy to carry out and the instruments required for this are available as standard on the market for relatively low prices. With these instruments, temperature measurement with relatively high accuracy is possible.
  • the thermal energy of the gas stream is advantageously determined. This ensures that no heat conduction losses occur and falsify the determination of the thermal energies.
  • the exothermic resp. endothermic process only measured indirectly. Indirect measurement, i.e. the extent to which other parts have heated up or cooled down, can impair the accuracy of the method.
  • the control variable can be determined by forming the difference between the temperature in the first measurement location and the temperature in the second measurement location.
  • the formation of the control variable as the difference between the temperature in the first measuring location and the temperature in the second measuring location can easily be carried out with elements on the market. This difference value has proven to be particularly simple and effective for further evaluation or display.
  • At least two measuring elements, an evaluation unit for evaluating the signals of the measuring elements and a display unit are provided in the device for carrying out the method.
  • the temperature is measured at a location that lies before the catalytic process and at a location that lies after the catalytic process.
  • the Both signals of the measuring elements are made available to an evaluation unit which takes over the evaluation and is then forwarded to a display unit.
  • thermocouples can be provided as measuring elements, the two thermocouples being connected to one another.
  • Thermocouples are particularly suitable for measuring temperatures due to their fast response time to temperature fluctuations, their cheap manufacture and the possibility of tapping the thermal voltage generated due to the temperature at any point.
  • the two measuring elements can also consist of a thermocouple, the thermocouple sensor being arranged at the first location and the thermocouple cold point at the second location. This arrangement saves a thermocouple without impairing the accuracy of the measurement.
  • the evaluation unit can have an operational amplifier, an A / D converter and a digital display unit and a recorder. These are all elements that can be purchased commercially and thus contribute to a cheap device. These elements are mature and thus guarantee reliable operation.
  • Heat stores are advantageously provided to increase the thermal capacity of the thermocouples. A stable display of an average value is thus achieved.
  • a fastening device is advantageously provided for each measuring element, the individual fastening devices exhibiting the same heat losses. The temperature drop due to heat conduction losses at both measuring points is thus kept approximately the same, and a reliable and accurate measurement is thus achieved.
  • Fig. 3 possible places where the thermal energy can be determined.
  • the catalytic converter 1 shows a catalytic converter 1 through which a gas flows in according to an arrow 2 and flows out again in accordance with an arrow 3.
  • the catalytic converter 1 has a feed pipe 4 and a discharge pipe 5.
  • a thermocouple 6 is provided on the feed pipe 4 and a thermocouple 7 on the discharge pipe 5.
  • the thermocouples 6 and 7 are fastened to the feed pipe 4 and the discharge pipe 5 by fastening devices 8.
  • the temperature difference between the exhaust gas flowing into the catalyst 1 and the exhaust gas leaving the catalyst 1 is measured by means of the thermocouples 6 and 7.
  • the inflowing gas is heated in the catalyst 1 by a predominantly exothermic reaction, so that it has a higher temperature when it emerges from the catalyst 1 than when it enters.
  • thermocouples 6 and 7 are fastened to the feed pipe 4 or the drain pipe 5 by means of fastening devices 8.
  • the fastening device 8 can consist of a mounting plate with suitable clamps.
  • thermocouple 7 which is connected to the discharge pipe 5, than at the thermocouple 6.
  • the exhaust gas takes off due to the predominant exothermic catalytic processes additional thermal energy from the catalyst 1.
  • the result is that the sign of the temperature difference is reversed.
  • the temperature at the discharge pipe 5 rises above the temperature at the supply pipe 4. This temperature difference serves as a measure of the functionality of the catalytic converter 1.
  • thermocouples 6 and 7 are connected to an evaluation unit 9 via the inputs 10 and 11.
  • the evaluation unit 9 contains an operational amplifier 12, an AD converter 13, and a digital display 14.
  • a recorder 16 is connected to an output 15 of the evaluation unit 9.
  • the evaluation unit 9 permits the acquisition and processing of the measured temperatures in various ways.
  • there the inputs 10 and 11 of the evaluation unit 9 are supplied with the differential thermal voltage of the thermocouples 6 and 7 connected to one another.
  • the temperature difference between the two locations of the measurement is displayed by a digital display 14.
  • the analog value proportional to this temperature difference is fed from the output 15 to a recorder 16. Test runs with a measuring system according to FIG.
  • thermocouples 6 and 7 are attached at suitable locations, in the vicinity of the catalyst 1. The function of the catalytic converter 1 is monitored by reading the temperature difference display.
  • Fig. 3 shows different locations for attaching the thermocouples 6 and 7.
  • the sensors of the Thermoolomonto 6 and 7 are expediently to be arranged on the outside of the supply pipe 4 and mandrel pipe 5 at the places 17 and lo.
  • An accommodation is also possible in bores 19 and 20 in the connecting flanges 21 and 22 of catalyst 1 and the feed pipe 4 or the drain pipe 5.
  • heat conduction losses measure a temperature that is lower than the exhaust gas temperature.
  • the two sensors should therefore be arranged thermally as symmetrically as possible in order to keep the drop in temperature due to thermal conduction losses at both Mcßstellon approximately the same.
  • the supply pipe 4 and the discharge pipe 5 match as far as possible in material and wall thickness on both sides of the catalytic converter 1 and identical fastening devices 8 are used for fastening the sensor.
  • the holes 19 and 20 should be of the same depth. If the temperature sensors of the thermocouples 6 and 7 are arranged directly in the exhaust gas flow, there are no heat conduction losses.
  • the locations 23 and 24 on the supply pipe 4 and the discharge pipe 5 are shown here, for example. However, it should be noted that the temperature changes during load changes in the gas flow are considerable and do not take place in the feed pipe 4 in synchronism with those in the discharge pipe 5.
  • thermocouples 6 and 7 there is also the possibility of installing the temperature sensors of the thermocouples 6 and 7 directly in the catalytic converter 1.
  • the sensors can also be integrated in the catalyst block at locations 27, 28 or 29.
  • the fluctuations in the display that occur during measurements in the gas flow during load changes can thus be largely suppressed from the outset.
  • Mcss stellc at location 30, which is located on the catalyst housing, is shown.
  • this location 30 is generally not recommended because the thermal resistance between the catalytic converter block and the housing is usually relatively high.

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Description

Verfahren zur Funktionsüberwachung von Katalysatoren
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur
Funktionsüberwachung von Katalysatoren, indem eine Wärmeenergie an einem ersten Ort im Bereich des Katalysators bestimmt wird.
Solch ein Verfahren ist aus der DE-PS 24 06 073 bekannt. Dort wird eine Schaltungsanordnung beschrieben, die der Temperaturüberwachung an Katalysatoren für die Abgase von Kraftfahrzeugbrennkraftmaschinen dient. Solche Temperaturüberwachungen sind erforderlich, da im Betrieb der Katalysator überhitzt werden kann und dadurch zerstört wird. Die Schaltungsanordnung der DE-PS 24 06 073 ermöglicht die Bestimmung der Wärmeenergie an einem Ort, unabhängig von der Umgebungstemperatur. Bei überschreiten einer bestimmten kritischen Temperatur wird eine Anzeigelampe zum Blinken gebracht, und dem Fahrer des Kraftfahrzeuges damit die Uberhitzung des Katalysators signalisiert. Nachteilig ist, daß dem Fahrer die Störung des Katalysators erst nach Eintritt der Störung signalisiert wird und eine kontinuierliche Überwachung nicht vorgesehen ist. Weiterhin nachteilig wird nur die überhitzung des Katalysators überwacht. Eine Funktionsüberwachung, d. h. eine Überwachung inwieweit der Katalysator seine Funktion der Abgasreinigung durchführt, ist mit dem Gegenstand der DE-PS 24 06 073 nicht möglich. Ein Alterungsprozeß des Katalysators oder ein Ausfall des Katalysators, aufgrund nicht temperaturbedingter Störungen, kommt nicht zur Anzeige.
Aus der DE-OS 22 22 498 ist ein Temperaturregler für eine katalytische Reaktionskammer bekannt. Diese wird durch einen Kühlstrom gekühlt, wobei die Kühlluftstrommenge im wesentlichen proportional zur Temperaturzunahme der Kammer geregelt wird. Weiterhin ist aus der DE-OS 22 44 227 eine Vorrichtung bekannt, die bei erhöhter Katalysatortemperatur die Abgase von Kraftfahrzeugmotoren mittels einer Steuerung eines Bypassventils am katalytischen Auspufftopf vorbeileitet. Nachteilig bei dem Gegenstand dieser beiden Druckschriften ist wiederum, daß nur eine Temperaturüberwachung stattfindet. Eine Funktionsüberwachung findet nicht statt.
Weiterhin ist es in der KfZ-Technik bekannt, Fahrzeugemissionen nach verschiedenen Testvorschriften zu ermitteln, wobei diese Tests hauptsächlich auf einem Motorprüfstand angewendet werden. Dabei wird in der Regel mit gasanalytischen Verfahren der Konvertierungsgrad gemessen. Der Konvertierungsgrad, d.h. der prozentuale Umsatz wird aus den Konzentrationen der Eingangs- und Ausgangsprodukte ermittelt. Damit wird beispielsweise das Ansprungverhalten von Katalysatoren ermittelt, indem der Konvertierungsgrad in Abhängigkeit von der Abgastemperatur am Eintritt in den Katalysator gemessen wird. Solch ein gasanalytisches Verfahren erfordert einen großen und teuren apparativen Aufbau und kommt daher zum Einbau in ein Katalysatorsystem für eine dauernde Funktionsüberwachung nicht in Frage.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Funktionsüberwachung von Katalysatoren der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, daß die Funktion des Katalysators ständig überwacht wird, und daß das Verfahren preiswert ist und zuverlässig arbeitet, und sich somit für den Serieneinbau in Katalysatoren eignet.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Wärmeenergie mindestens auch an einem zweiten Ort im Bereich des Katalysators bestimmt wird, daß zwischen dem ersten Ort und dem zweiten Ort der katalytische Prozeß zumindest teilweise abläuft, daß die beiden Wärmeenergien miteinander in Vergleich gesetzt werden, daß aus diesem Vergleich eine Steuergröße gebildet wird und daß diese Steuergröße ausgewertet wird. Die Wirkungsweise des Katalysators beruht darauf, daß die Energieschwellen für die Einleitung von Oxydations- und Reduktionsvorgänge herabgesetzt werden. Im Katalysator laufen somit chemische Reaktionen ab, die exothermer oder endothermer Natur sind, d.h. sie verlaufen unter Freisetzung oder unter Verbrauch von Wärmeenergie. Bei gemischten Reaktionen, wie sie beispielsweise bei den heute bekannten Dreiweg-Katalysatoren für Kraftfahrzeuge auftreten, überwiegen die exothermen Reaktionen. Aufgrund dieser endothermen oder exothermen Reaktionen im Katalysator entsteht eine Differenz zwischen der Wärmeenergie des eintretenden Gases und der Wärmeenergie des aus dem Katalysator austretenden Gases. Durch Bestimmung der Wärmeenergien an zwei Orten, wobei der erste Ort vor dem katalytischen Prozeß und der zweite Ort nach dem katalytischen Prozeß liegt, ergeben sich somit zwei voneinander unterschiedliche Wärmeenergien, deren Größe zueinander in Vergleich gesetzt werden können, und woraus dann Rückschlüsse auf den Katalysator bezüglich seiner Wirksamkeit gezogen werden können. Eine ständige Funktionsüberwachung ist somit leicht möglich. Die ständige Funktionsüberwachung ist deshalb erforderlich, weil der Katalysator durch chemische Vergiftung, beispielsweise Blei, Phosphor oder Zink, durch thermische Alterung, also durch Abnahme der aktiben Oberfläche oder durch mechanische Vergiftung wie Abdeckung der aktiven Schicht altert und dadurch die Wirksamkeit des Katalysators erheblich reduziert wird bzw. der Katalysator seine Aufgabe, der Abgasreinigung überhaupt nicht mehr erfüllt. Weiterhin kann der Katalysator durch überhitzung desaktiviert werden, ja sogar schmelzen. Alle diese Vorgänge können durch das Verfahren wirkungsvoll und kontinuierlich überwacht werden. Dieses Verfahren eignet sich zur Überwachung sämtlicher katalytischer Prozesse, wie bei Abgaskatalysatoren in Kraftfahrzeugen oder katalytischen Abgasentgiftungsanlagen beliebiger Art, beispielsweise an Heizunganlagen.
Die Bestimmung der Wärmeenergie kann vorteilhaft durch Temperaturmessung erfolgen. Temperaturmessungen sind leicht durchführbar und die dafür benötigten Instrumente sind am Markt standardmäßig für relativ geringe Preise erhältlich. Mit diesen Instrumenten ist eine Temperaturmessung mit relativ hoher Genauigkeit möglich.
Vorteilhaft wird die Wärmeenergie des Gasstromes bestimmt. Damit wird erreicht, daß keine Wärmeleitungsverluste auftreten und die Bestimmung der Wärmeenergien verfälschen. Natürlich ist es auch möglich die Wärmeenergien des Katalysatorblocks, der Zuund Ableitungsrohre unter beliebiger Kombinationen davon, zu bestimmen . Dabei wird j edoch der exotherme bzw . endotherme Prozeß nur indirekt gemessem. Die indirekte Messung, also die Messung inwieweit sich andere Teile aufgeheizt bzw. abgekühlt haben, kann die Genauigkeit des Verfahrens beeinträchtigen.
Die Steuergröße kann durch Differenzbildung zwischen der Temperatur in dem ersten Meßort und der Temperatur in dem zweiten Meßort bestimmt werden. Die Bildung der Steuergröße als Differenz zwischen der Temperatur in dem ersten Meßort und der Temperatur in dem zweiten Meßort läßt sich leicht mit am Markt befindlichen Elementen durchführen. Dieser Differenzwert hat sich für die weitere Auswertung bzw. Anzeige als besonders einfach und wirkungsvoll erwiesen.
Erfindungsgemäß sind bei der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mind. zwei Meßelemente, eine Auswerteeinneit zur Auswertung der Signale der Meßelemente und eine Anzeigeeinheit vorgesehen. Mit Hilfe der Meßelemente wird an einem Ort, der vor dem katalytischen Prozeß liegt und an einem Ort, der nach dem katalytischen Prozeß liegt, die Temperatur gemessen. Die beiden Signale der Meßelemente, werden einer Auswerteeinheit zur Verfügung gestellt die die Auswertung übernimmt und anschließend an eine Anzeigeneinheit weitergeleitet.
Als Meßelemente können zwei Thermoelemente vorgesehen sein, wobei die zwei Thermoelemente gegeneinander geschaltet sind. Thermoelemente eignen sich zur Messung von Temperaturen in besonderer Weise durch ihre schnelle Ansprechzeit auf TemperaturSchwankungen, ihre billige Herstellung und der Möglichkeit, die aufgrund der Temperatur entstandene Thermospannung an beliebiger Stelle abzugreifen. Durch das Gegeneinanderschalten der Thermoelemente, d.h. die Verlegung der Kaltstelle der Thermoelemente an den jeweilig andere Meßort, erspart man sich die Anordnung einer normalerweise erforderlichen Einrichtung zur Konstanthaltung der Kaltstelle der Thermoelemente.
Die zwei Meßelemente können auch aus einem Thermoelement bestehen wobei an dem ersten Ort der Meßfühler des Thermoelements und an dem zweiten Ort die Kaltstelle des Thermoelements angeordnet ist. Durch diese Anordnung wird ein Thermoelement eingespart, ohne daß dabei die Genauigkeit der Messung beeinträchtigt wird.
Die Auswerteeinheit kann einen Operationsverstärker, einen A/D-Wandler und eine digitale Anzeigeeinheit und einen Schreiber aufweisen. Dieses sind alles Elemente, die im Handel käuflich erworben werden können und so zu einer billigen Vorrichtung beitragen. Dabei sind diese Elemente ausgereift und garantieren somit einen funktionssicheren Betrieb.
Vorteilhaft sind Wärmespeicher zur Vergrößerung der Wärmekapazität der Thermoelemente vorgesehen. Damit wird eine stabile Anzeige eines Mittelwertes erreicht. Vorteilhaft ist für jedes Meßelement eine Befestigungsvorrichtung vorgesehen, wobei die einzelnen Befestigungsvorrichtungen die gleichen Wärmeverluste aufweisen. Damit wird der Temperaturabfall durch Wärmeleitungsverluste an beiden Meßstellen annähernd gleich gehalten, und damit wird eine zuverlässige und genaue Messung erzielt.
Die Erfindung wird anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen weiter beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung des Katalysators;
Fig. 2 einen Katalysator mit einer Auswerteeinheit;
Fig. 3 mögliche Orte, an denen die Wärmeenergie bestimmt werden kann.
Fig. 1 zeigt einen Katalysator 1 durch den ein Gas entsprechend einem Pfeil 2 einströmt und entsprechend einem Pfeil 3 wieder ausströmt. Der Katalysator 1 besitzt ein Zuleitungsrohr 4 und ein Ableitungsrohr 5. An dem Zuleitungsrohr 4 ist ein Thermoelement 6 und an dem Ableitungsrohr 5 ein Thermoelement 7 vorgesehen. Die Thermoelemente 6 und 7 sind mit Befestigungsvorrichtungen 8 an dem Zuleitungsrohr 4 bzw. am Ableitungsrohr 5 befestigt. Mittels den Thermoelementen 6 und 7 wird die Temperaturdifferenz, die sich zwischen dem in den Katalysator 1 einströmenden und dem den Katalysator 1 verlassenden Abgas gemessen. Das einströmende Gas wird im Katalysator 1 durch überwiegend exothermer Reaktion erwärmt, so daß es beim Austritt aus dem Katalysator 1 eine höhere Temperatur als beim Eintritt hat. Diese sich beim funktionierenden Katalysator 1 einstellende Temperaturdifferenz (Temperaturanstieg bei exothermen Reaktionen) wird vor und hinte dem Katalysator 1 mit zwei Thermoelementen 6 und 7 gemessen. Als Thermoelemente 6 und 7 können beispielsweise NiCr- Ni- Thermoelemente verwendet werden. Es ist jedoch natürlich auch möglich, die Temperatur mittels anderer Meßverfahren bzw. Meßmethoden zu ermitteln. Für Nachrüstungen für Katalysatoren werden die Thermoelemente mittels Befestigungsvorrichtungen 8 an dem Zuleitungsrohr 4 bzw. dem Ableitungsrohr 5 befestigt. Die Befestigungsvorrichtung 8 kann dabei als Aufnahmeplatte mit geeigneten Schellen bestehen. Nach dem Kaltstart des Motors erwärmt sich zunächst die Meßstelle im Zuleitungsrohr 4 rascher als im Ableitungsrohr 5, da das im Motor aufgeheizte Abgas Wärme an die kälteren Abgasrohre und den Katalysatorblock abgibt. Während dieser Phase wird an dem Thermoelement 7, welches mit dem Ableitungsrohr 5 in Verbindung steht, eine niedrigere Temperatur gemessen als an dem Thermoelement 6. Sobald der Katalysator 1 nach Erreichen der sogenannten Ansprungtemperatur zu arbeiten beginnt, nimmt das Abgas aufgrund der überwiegenden exothermen katalytischen Prozesse zusätzliche Wärmeenergie aus dem Katalysator 1 auf. Das führt dazu, daß sich das Vorzeichen der Temperaturdifferenz umkehrt. Die Temperatur an dem Ableitungsrohr 5 steigt über die Temperatur an dem Zuleitungsrohr 4 an. Diese Temperaturdifferenz dient als Maß für die Funktionstüchtigkeit des Katalysators 1.
Fig. 2 zeigt den Katalysator 1 mit seinem Zuleitungsrohr 4 und dem Ableitungsrohr 5 sowie mit seinen Thermoelementen 6 und 7. Die Thermoelemente 6 und 7 sind mit einer Auswerteeinheit 9 über die Eingänge 10 und 11 verbunden. Die Auswerteeinheit 9 beinhaltet einen Operationsverstärker 12, einen AD-Wandler 13, und eine digitale Anzeige 14. An einem Ausgang 15 der Auswerteeinheit 9 ist ein Schreiber 16 angeschlossen. Die Auswerteeinheit 9 erlaubt die Erfassung und Verarbeitung der gemessenen Temperaturen auf verschiedene Art und Weise. Dabei wird den Eingängen 10 und 11 der Auswerteeinheit 9 die Differenzthermospannung der gegeneinander geschalteten Thermoelemente 6 und 7 zugeführt. Die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Orten der Messung wird von einer digitalen Anzeige 14 angezeigt. Der an dieser Temperaturdifferenz proportionale Analogwert wird aus dem Ausgang 15 einem Schreiber 16 zugeführt. Testfahrten mit einem Meßsystem entsprechend Fig. 2 in einem PkW mit 66 KW- Motor und geregeltem Dreiwege-Katalysator zeigten, daß sich bei betriebswarmem Motor an dem Ableitungsrohr 5 eine um mehr als 20 K höhere Temperatur einstellt als an dem Zuleitungsrohr 4. Weiterhin zeigte es sich, daß bei Kaltstart während der ersten Minuten eine negative Anzeige auftritt, also die Temperatur am Zuleitungsrohr 4 höher als am Ableitungsrohr 5 ist, da die für das Arbeiten des Katalysators 1 erforderliche Mindesttemperatur noch nicht erreicht wird. Es ist natürlich ebenso möglich eine einfache analoge oder digitale Temperaturdifferenzanzeige zu benutzen. Dies eignet sich besonders für den praktischen Einsatz in Kraftfahrzeugen. Die beiden Thermoelemente 6 und 7 werden an geeigneten Orten, in der Nähe des Katalysators 1, befestigt. Die Funktionsüberwachung des Katalysators 1 erfolgt durch Ablesen der Temperaturdifferenzanzeige. Sinkt die erreichte Temperaturdifferenz um einen bestimmten Wert ab, so ist eine Störung im Katalysatorsystem zu vermuten, deren Ursache z.B. durch eine genaue Abgasanalyse zu klären ist. Steigt die Temperaturdifferenz dagegen über die normalen fahrbetriebüblichen Werte an, so ist eine erhöhte Abgabe unverbrauchten Kraftstoffes durch den Motor zu vermuten, dessen Ursache beispielsweise Störungen in der Zündanlage sein können. Im Fall solcher Störungen steigt die Wärmeenergieabgabe im Katalysator erheblich an, was rasch zur Desaktivierung und Zerstörung des Katalysators 1 führen kann. Das hier vorgeschlagene Verfahren kann all solche Fehler erkennen, und die Abwendung der daraus resultierenden Folgeschschäden an dem Katalysator 1 ermöglichen. Fig. 3 zeigt verschiedene Orte zur Anbringung der Thermoelemente 6 und 7. Bei einer Nachrüstung werden die Fühler der Thermoolomonto 6 und 7 sinnvollerweiso außen an dem Zuleitungsrohr 4 und dorn Ablei tungsrohr 5 an dem Orten 17 und lö anzuordnen sein. Eine Unterbringung ist auch in Bohrungen 19 und 20 in den Verbindungsflanschen 21 und 22 von Katalysator 1 und dem Zuleitungsrohr 4 bzw. dem Ableitungsrohr 5 möglich. In diesen Fällen ist jedoch zu beachten, daß durch Wärmeleitungsverluste eine Temperatur gemessen wird, die niedriger als die Abgastemperatur ist. Die beiden Meßfühler sollten daher thermisch möglichst symmetrisch angeordnet sein, um den Temporaturabfall durch Wärmeleitungsverluste an beiden Mcßstellon annähernd gleich zu halten. Dies wird in der Praxis erreicht, wenn das Zuleitungsrohr 4 und das Ableitungsrohr 5 in Material und Wandstärke auf beiden Seiten des Katalysators 1 möglichst übereinstimmen und für die Befestigung des Fühlers identische Befestigungsvorrichtungen 8 benutzt werden. Bei der Anbringung der Fühler der Thermoelemente 6 und 7 in die Verbindungsflansche 21 und 22 sollten die Bohrungen 19 und 20 gleich tief sein. Bei Anordnung der Temperaturfühler der Thermoelemente 6 und 7 direkt im Abgasstrom treten keinerlei Wärmeleitungsverluste auf. Die Orte 23 und 24 an dem Zuleitungsrohr 4 und dem Ableitungsrohr 5 sind hier beispielsweise gezeigt. Es ist jedoch zu beachten, daß die Temperaturveränderungen bei Lastwechsel im Gasstrom erheblich sind und im Zuleitungsrohr 4 nicht synchron mit denen im Ableitungsrohr 5 erfolgen. Es hat sich gezeigt, daß bei Mittelwertbildung der gemessenen Temperaturdifferenzen bei unterschiedlichsten Fahrweisen eine mittlere Temperaturerhöhung des Abgasstroms im Katalysator 1 von über 20 K vorhanden ist. Zur Erzielung einer stabilen Anzeige dieses Mittelwertes ist beispielsweise eine Vergrößerung der Wärmekapazität der Temperaturfühler der Thermoelemente 6 und 7 durch Wärmespeicher denkbar. Natürlich kann eine stabile Anzeige auch auf elektronischem Wege erreicht werden.
Weiterhin besteht die Möglichkeit die Temperaturfähler der Thermoelemente 6 und 7 unmittelbar in den Katalysator 1 einzubauen. Neben der Messung im freien Abgasstrom an den Orten 25 und 26 können die Fühler auch im Katalysatorblock an den Orten 27, 28 oder 29 integriert sein. Damit können die bei Messungen im Gasstrom auftretenden Schwankungen der Anzeige bei Lastwechsel von vornherein weitgehend unterdrückt werden. Schließlich ist noch die Anbringung einer Mcß stellc am Ort 30 , der sich am Katalysatorgehäuse befindet, gezeigt.
Allerdings dürfte dieser Ort 30 in der Regel wenig empfehlenswert sein, weil der Wärmewiderstand zwischen Katalysatorblock und Gehäuse üblicherweise relativ hoch ist.

Claims

P a t e n t a n s g r ü c h e :
1. Verfahren zur Funktionsüberwachung von Katalysatoren, indem eine Wärmeenergie an einem ersten Ort im Bereich des Katalysators bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeenergie mindestens auch an einem zweiten Ort im Bereich des Katalysators (1) bestimmt wird, daß zwischen dem ersten Ort und dem zweiten Ort der katalytische Prozeß zumindest teilweise abläuft, daß die beiden Wärmeenergien miteinander in Vergleich gesetzt werden, daß aus diesem Vergleich eine Steuergröße gebildet wird, und daß diese Steuergröße ausgewertet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Wärmeenergien durch Temperaturmessung erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeenergien des GasStromes bestimmt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuergröße durch Differenzbildung zwischen der Temperatur an dem ersten Meßort und der Temperatur an dem zweiten Meßort bestimmt wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mind. zwei Meßelemente vorgesehen sind, daß eine Auswerteeinheit (9) zur Auswertung der Signale der Meßelemente und eine Anzeigeeinheit vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßelemente zwei Thermoelemente (6,7) vorgesehen sind, und daß die zwei Thermoelemente (6,7) gegeneinander geschaltet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Meßelemente aus einem Thermoelement (6) bestehen, daß an dem ersten Ort der Meßfühler des Thermoelementes (6) angeordnet ist und an dem zweiten Ort die Kaltstelle des Thermoelementes (6) vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (9) einen Operationsverstärker (12), einen AD-Wandler (13) sowie eine digitale Anzeige (14) und einen Schreiber (16) aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß Wärmespeicher zur Vergrößerung der Wärmekapazität der Thermoelemente (6,7) vorgesehen sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Meßelement eine Befestigungsvorrichtung (8) vorgesehen ist, wobei die einzelnen Befestigungsvorrichtungen (8) die gleichen Wärmeverluste aufweisen.
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