DE10148606C1 - Verfahren zum Überprüfen der Konvertierungsfähigkeit eines katalytischen Elementes zur Umwandlung von Ozon - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Überprüfen eines mit einer katalytischen Beschichtung (10) versehenen Kühlers (1) eines Fahrzeuges mittels Ozonsensoren (3, 4) stromaufwärts und stromabwärts des Kühlers (1). Die Überprüfung wird nur durchgeführt, wenn vorgegebene Freigabebedingungen erfüllt sind. Nur in diesem Falle werden die von den Sensoren abgegebenen Werte (C_03_UP, C_03_DOWN) erfasst und miteinander verglichen. Daraus wird eine Größe abgeleitet, welche einen unkorrigierten Wert für die Güte der Konvertierungsfähigkeit wiedergibt. Diese Größe wird abhängig von mindestens einem Betriebsparameter des Fahrzeuges gewichtet. Die gewichtete Größe wird mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen und bei Überschreiten des Schwellenwertes wird auf eine nicht ausreichende Konvertierungsfähigkeit des Kühlers (1) geschlossen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen der Kon­ vertierungsfähigkeit eines in einem Fahrzeug vorhandenen ka­ talytischen Elementes zur Spaltung von Ozon gemäß den Merkma­ len des Patentanspruches 1.

Aus Gründen des Umwelt- und Personenschutzes muss die Schad­ stoffbelastung, die aus Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor oder aus der Energieerzeugung mit stationären Verbrennungsanlagen resultiert, deutlich reduziert werden.

Ein neuer Ansatz zur Reduzierung der Schadstoffbelastung be­ steht darin, aktiv Schadstoffe nicht direkt aus dem Abgas­ strom einer Verbrennungskraftmaschine oder einer stationären Verbrennungsanlage, sondern aus der Umgebungsluft zu entfer­ nen. Dieser Weg ist insbesondere für die Entfernung von bo­ dennahem Ozon, welches durch seine stark oxidierende Wirkung erheblichen Einfluss auf das Befinden von Menschen ausübt, aussichtsreich. Ozon selber ist kein direkt emittiertes Gas und kann daher nicht im Abgasstrom entfernt werden. Es ent­ steht bei Anwesenheit von Stickoxiden in Außenluft bei Son­ nenbestrahlung aufgrund deren UV-Anteils durch komplexe pho­ tochemische Reaktionsgleichgewichte.

Da Ozon äußerst reaktiv ist, kann es gut mittels eines luft­ durchströmten Katalysatorsystems quantitativ abgebaut werden. Diese Katalysatoren sind äußerst stabil, da keine direkte Wirkung starker Oxidationskatalysatoren benötigt wird, die stark vergiftungsempfindlich sind, wie z. B. Platin. Zur Wir­ kung reichen Systeme aus, die im wesentlichen eine Adsorption des Ozons auf einer Oberfläche bewirken; dies zerfällt dann instantan zu Sauerstoff.

Seit längerem werden solche Katalysatorsysteme bei Passagier­ flugzeugen eingesetzt, welche nahe der Ozonschicht fliegen. Dort dienen sie zur Aufbereitung der Luft, welche in den Pas­ sagierraum geführt wird. In neuerer Zeit werden solche Syste­ me auch in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Hier wird der Kühler des Fahrzeugs mit dem Katalysator beschichtet. Die in großen Mengen durch den Kühler strömende Luft wird quantitativ von Ozon gereinigt, d. h. das Fahrzeug reinigt die Umgebungsluft.

Bei Einsatz solcher Ozon-Katalysatorsysteme gewährt die a­ merikanische Umweltbehörde CARB (California Air Resources Board) den Automobilherstellern einen Bonus (Credits) bezüg­ lich der Abgasgrenzwerte für die LEV (Low Emmission Vehicle)- Abgasgesetzgebung. Die Gewährung der Credits wird aber nur erteilt, wenn eine On-Board-Diagnose des Ozon-Katalysator­ systems erfolgt.

In der Veröffentlichung SAE Paper 2001-01-1302 "PremAir® Ca­ talyst System - OBD Concepts, Ronald M. Heck, Fred M. Allen, Jeffrey B. Hoke and Xiaolin Yang; Engelhard Corporation ist ein solches System beschrieben.

Aus der DE 197 22 333 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs mit Hilfe einer Steuereinheit bekannt, welche Betriebsdaten der Brennkraftmaschine erfasst und in einer Recheneinheit verarbeitet und abhängig von den erfassten Betriebsdaten Stellglieder zur Beeinflussung des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine betätigt. Dabei sind Sensoren vorgesehen, welche die Konzentration wenigstens einer Komponente der Um­ gebungsluft erfassen, die in der Steuereinheit verarbeitet werden und die Stellglieder abhängig von der erfassten Kon­ zentration der wenigstens einen Komponenten der Umgebungsluft betätigt werden. Als ein Sensor ist dabei ein Ozonsensor ge­ nannt, der die Ozonwerte der Umgebungsluft erfasst und die Recheneinheit abhängig von dem ermittelten Wert Geschwindig­ keitsbeschränkungen Fahrverboten und dergleichen verfügt.

Aus der DE 196 21 941 C2 ist eine Überwachungseinrichtung mit einer Anzeigevorrichtung für Systeme bekannt, die bei vorge­ gebenen Betriebszuständen und/oder Abweichungen von einem Sollbetriebszustand ein Warn- oder Fehlersignal erzeugen. Da­ bei ist der Anzeigevorrichtung eine Steuervorrichtung vorge­ schaltet, die die vorgenannten Warn- bzw. Fehlersignale spei­ chert und die Anzeigevorrichtung bei Erhalt eines bei einer Betriebsabschaltung des überwachten Systems erzeugten Auss­ chaltsignales zumindest vorübergehend betätigt.

In der DE 39 38 592 A1 ist eine Vorrichtung zur Beseitigung des Ozongehaltes von Raumluft beschrieben. Sie weist eine Re­ aktionseinrichtung zur chemischen Umwandlung von Ozon in ein ungiftiges Gas auf, bestehend aus einem geschlossenen raum­ lufttechnischen Gerät mit einer Ansaugöffnung und einer Aus­ trittsöffnung, in dessen Innern die Reaktionseinrichtung an­ geordnet und von einem mittels eines Ventilators erzeugten Luftstrom durchsetzt ist. Eine Bypaßleitung führt einen Teil der von Ozon befreiten Luft wieder zum Eingang des raumluft­ technischen Geräts zurück. Hinter der Ansaugöffnung und/oder vor der Austrittsöffnung ist eine Messsonde zur Erfassung des Ozongehaltes und/oder der Luftfeuchtigkeit und/oder der Luft­ temperatur vorgesehen, wobei die Messsonde mit einer Steuer­ einrichtung verbunden ist. In Abhängigkeit von den durch die Messsonden erfassten Werten wird von der Steuereinrichtung eine mit der Reaktionseinrichtung verbundene Heizeinrichtung aktiviert und/oder eine Kühleinrichtung bzw. die Heizeinrich­ tung so angesteuert, dass der Ozongehalt der Abluft einen vorgegebenen Maximalwert nicht übersteigt bzw. die an einem mit der Steuereinrichtung verbundenen Steuergerät eingestell­ te Ablufttemperatur und Feuchtigkeit konstant bleibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überprüfung eines zur Ozonkonvertierung dienenden Katalysa­ tors in einem Fahrzeug anzugeben.

Die Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprü­ chen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zur Überprüfung der Konvertierungsfähigkeit eines in ei­ nem Fahrzeug angeordneten, einem Umgebungsluftstrom ausge­ setzten katalytischen Elements zur Spaltung von Ozon strom­ aufwärts des katalytischen Elements im Umgebungsluftstrom ein erster Ozonsensor zum Erfassen der dort herrschenden Ozonkon­ zentration und stromabwärts des katalytischen Elements im Um­ gebungsluftstrom ein zweiter Ozonsensor zum Erfassen der dort herrschenden Ozonkonzentration angeordnet ist. Die Überprü­ fung wird nur durchgeführt, wenn vorgegebene Freigabebedin­ gungen erfüllt sind. Nur in diesem Falle werden die von den Sensoren abgegebenen Werte erfasst und miteinander vergli­ chen. Daraus wird eine Größe abgeleitet, welche einen unkor­ rigierten Wert für die Güte der Konvertierungsfähigkeit wie­ dergibt. Anschließend wird diese Größe abhängig von mindes­ tens einem Betriebsparameter des Fahrzeuges gewichtet. Die gewichtete Größe wird mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen und bei Überschreiten des Schwellenwertes wird auf eine nicht ausreichende Konvertierungsfähigkeit des katalyti­ schen Elementes geschlossen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spiels mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung zur Überprüfung der Konver­ tierungsfähigkeit eines mit einem katalytischen E­ lement beschichteten Kühlers eines Fahrzeuges und

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm zur Überprüfung der Konvertie­ rungsfähigkeit eines mit einem katalytischen Ele­ ment beschichteten Kühlers eines Fahrzeuges.

In der Darstellung gemäß Fig. 1 wird ein Kühler 1 eines Fahrzeuges von einem Umgebungsluftstrom 2 angeströmt. Die An­ strömung erfolgt aufgrund der Geschwindigkeit des Fahrzeuges durch den Fahrtwind und/oder durch einen Kühlerlüfter. Der Kühler 1 ist mit einem katalytischen Element 10 zur Zerlegung von Ozon beschichtet, im nachfolgenden als Ozon-Katalysator bezeichnet. Stromaufwärts des Kühlers 1 ist ein erster Sensor 3 zur Ermittlung der Ozonkonzentration in der Umgebungsluft stromaufwärts des Kühlers 1 angeordnet. Das Signal des Sen­ sors 3 ist mit C_o3_UP bezeichnet. Stromabwärts des Kühlers 1 ist ein zweiter Sensor 4 zur Ermittlung der Ozonkonzentration in der Umgebungsluft stromabwärts des Kühlers 1 angeordnet. Das Signal des Sensors 4 ist mit C_o3_DOWN bezeichnet.

Beide Sensoren 3, 4 sind mit einer die Messwerte C_o3_UP, C_o3_DOWN der beiden Sensoren 3, 4 auswertenden Steuer- und Auswerteeinrichtung 5 verbunden. Diese ist vorzugsweise als Mikroprozessor ausgebildet. Die Steuer- und Auswerteeinrich­ tung 5 kann auch in ein den Betrieb der Brennkraftmaschine des Fahrzeuges steuerndes Motorsteuergerät 6 integriert sein, wie es in der Fig. 1 mit strichlinierter Darstellung ange­ deutet ist. Der Steuer- und Auswerteeinrichtung 5 werden wei­ tere Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine und Umgebungspara­ meter zugeführt, insbesondere der Istwert der Fahrzeugge­ schwindigkeit V_IST, die Kühlmitteltemperatur TKW der das Fahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine, sowie die Umge­ bungslufttemperatur TIA.

Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 5 weist einen Fehlerspei­ cher 9 auf, in den die Ergebnisse der Überprüfung der Konver­ tierungsfähigkeit des Ozon-Katalysators abgelegt werden.

Ferner ist die Steuer- und Auswerteeinrichtung 5 mit einer Speichereinrichtung 7 verbunden, in der verschiedene Kennfel­ der KF abgelegt sind, deren Bedeutung später erläutert wird.

Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 5 steuert außerdem eine Anzeigevorrichtung 8 an, die dem Fahrer des Fahrzeuges an­ zeigt, ob die Ozonumwandlung ordnungsgemäß funktioniert. Bei einer Wandlungsrate unterhalb eines vorgegebenen Wertes kann beispielsweise ein Warnlicht leuchten. Es ist auch denkbar, ständig die aktuelle Wandlungsrate anzuzeigen.

Das in der Fig. 2 dargestellte Ablaufdiagramm zeigt die Ü­ berprüfungsroutine für den Ozon-Katalysator.

Nach dem Start der Diagnose wird in einem ersten Verfahrens­ schritt S1 überprüft, ob der Abgleich der beiden Ozonsensoren 3, 4 abgeschlossen ist. Aufgrund der Verwendung von zwei, nur im Idealfall in seinen Eigenschaften identischen Sensoren für die Diagnose ist mit Ungenauigkeiten bei der Ermittlung der Ozonkonzentrationen infolge der Sensorspezifikation und Sen­ soralterung zu rechnen. Um diesen Einfluss zu minimieren und damit eine sichere Diagnose der Ozonkonvertierung zu ermögli­ chen, werden die Sensoren nach einem beliebigen, bekannten Verfahren abgeglichen, bzw. bezüglich ihrer Ausgangssignale plausibilisiert.

Ist der Abgleich der beiden Ozonsensoren 3, 4 noch nicht abge­ schlossen, so wird zum Verfahrensschritt S1 verzweigt (Warte­ schleife)

Ist dagegen der Abgleich der beiden Ozonsensoren 3, 4 abge­ schlossen, so wird im Verfahrensschritt S2 überprüft, ob eine für die Diagnose geeignete Durchströmung des für Ozon kataly­ tisch wirkenden Kühlers 1 stattfindet. Auf eine Durchströmung des Kühlers 1 wird geschlossen, wenn die Fahrzeuggeschwindig­ keit V_IST innerhalb einer durch die Grenzen V_MIN und V_MAX vorgegebenen Bandbreite liegt oder beim Stillstand des Fahr­ zeuges das Kühlluftgebläse des Kühlers 1 eingeschaltet ist. Die beiden Grenzwerte V_MIN und V_MAX werden experimentell abhängig von der Geometrie, der Anströmfläche und vom Einbau­ ort des Kühlers 1, sowie der verwendeten Sensoren 3, 4 und der Sensorenanordnung ermittelt. Ein typischer Wert für V_MIN liegt bei 30 km/h und für V_MAX bei 80 km/h.

Liegt die ermittelte Geschwindigkeit V_IST des Fahrzeugs au­ ßerhalb der vorgegebenen Grenzen, so wird zum Verfahrens­ schritt S2 verzweigt, andernfalls wird in einem Verfahrens­ schritt S3 überprüft, ob die Bedingungen für eine begrenzte Dynamik erfüllt sind, d. h. keine großen Laständerungen der Brennkraftmaschine auftreten.

Liegen die Bedingungen für eine begrenzte Dynamik nicht vor, so wird ebenfalls wieder zum Verfahrensschritt S2 verzweigt.

In einem Verfahrensschritt S4 werden die aktuellen Werte C_o3_UP und C_o3_DOWN der beiden Sensoren 3, 4 von der Steu­ er- und Auswerteeinheit 5 eingelesen und jeder Wert für sich im Verfahrensschritt S5 mit einem unteren Schwellenwert C_MIN und einem oberen Schwellenwert C_MAX verglichen. Diese Schwellenwerte hängen von der Art der verwendeten Sensoren, insbesondere vom Verlauf der Nominalkennlinie der Sensoren ab. Das bedeutet, dass keine sinnvolle Diagnose der Ozonkon­ vertierung möglich ist, wenn die ermittelten Werte C_o3_UP und C_o3_DOWN außerhalb der spezifizierten Kennlinien der Sensoren liegen. Ein typischer Wert für C_MIN liegt bei 100 ppb (parts per billion) und für C_MAX bei 1000 ppb. Das Ver­ fahren wird deshalb abgebrochen, wenn einer der beiden Werte C_o3_UP und C_o3_DOWN außerhalb des genannten Bereiches liegt (Verfahrensschritt S6).

Liegen beide Werte C_o3_UP und C_o3_DOWN innerhalb des ge­ nannten Bereiches, so wird einem Verfahrensschritt S7 über­ prüft, ob die Ansauglufttemperatur TIA größer als ein vorge­ gebener Schwellenwert TIA_SW ist. Ist dies nicht der Fall, so wird zum Verfahrensschritt S2 verzweigt, andernfalls wird mit dem Verfahrensschritt S8 fortgefahren.

Dort wird das Verhältnis der beiden Werte C_o3_UP, C_o3_DOWN gebildet und der erhaltene Quotient F abgespeichert.

Im Verfahrensschritt S9 wird dieser Quotient F in Abhängig­ keit von mindestens einem der Parameter Kühlmitteltemperatur TKW, Ansauglufttemperatur TIA, Fahrzeuggeschwindigkeit V_IST, eingestellte Stufe des Kühlluftgebläses gewichtet. Hierzu sind in der Speichereinrichtung 7 mehrere Kennfelder KF vor­ gesehen, aus denen abhängig von dem Quotienten F als Ein­ gangsgröße dieser Kennfelder KF ein gewichteter Quotient GF ausgelesen wird.

Um Fehlentscheidungen bei der Überprüfung der Konvertierungs­ fähigkeit des Ozon-Katalysators z. B. aufgrund sogenannter einzelner Ausreißer oder nichtreproduzierbarer Einflüsse aus­ zuschließen, werden die Werte GF aus Verfahrensschritt S9 ei­ ner statistischen Auswertung zugeführt. Eine mögliche Auswer­ tung besteht z. B. darin, dass die erhaltenen Werte aus mehre­ ren Überprüfungsroutinen über eine bestimmte Zeitdauer auf­ summiert werden und dieser Summenwert durch die Anzahl der Diagnosen dividiert wird. Es kann aber auch eine gleitende Mittelwertbildung durchgeführt werden. Der auf eine solche Weise im Verfahrensschritt S10 erhaltene Mittelwert MW wird nachfolgend mit einem vorgegebenen Schwellenwert MW_SW ver­ glichen (Verfahrensschritt S11). Der Schwellenwert MW_SW wird beispielsweise so festgelegt, dass ein Absinken der Konver­ tierungsfähigkeit des Ozon-Katalysators auf 50% gegenüber der Konvertierungsfähigkeit eines neuen Ozon-Katalysators als fehlerhaft eingestuft wird.

Liegt der Mittelwert MW unterhalb des Schwellenwertes MW_SW, so ist eine ausreichende Konvertierung des Ozon-Katalysators gegeben und das Verfahren ist zu Ende. Wird der Schwellenwert MW_SW aber überschritten, so wird auf einen fehlerhaften O­ zon-Katalysators 1 geschlossen und im Verfahrensschritt S12 erfolgt ein entsprechender Eintrag in den Fehlerspeicher 9. Zusätzlich kann die fehlende Konvertierungsfähigkeit dem Fah­ rer des Fahrzeuges optisch und/oder akustisch mittels der An­ zeigevorrichtung 8 mitgeteilt werden.

Anstelle der Verhältnisbildung der Werte C_o3_UP, C_o3_DOWN im Verfahrensschritt S8 ist es auch möglich, die Differenz D der beiden Werte zu bilden und diese Differenz D zu gewich­ ten. Diese Alternative ist in der Fig. 2 in strichlinierter Darstellung mit den Verfahrensschritt S8' und S9' angegeben. Der Rest der Auswertung verläuft analog gemäß den angegebenen Verfahrensschritten, mit der Ausnahme, dass die Höhe des Schwellenwertes in Verfahrensschritt S11 anders gewählt ist.

Claims (12)

1. Verfahren zum Überprüfen der Konvertierungsfähigkeit ei­ nes in einem Fahrzeug angeordneten, einem Umgebungsluftstrom (2) ausgesetzten katalytischen Elements (10) zur Spaltung von Ozon, dabei stromaufwärts des katalytischen Elements (10) im Umgebungsluftstrom (2) ein erster Ozonsensor (3) zum Erfassen der dort herrschenden Ozonkonzentration und stromabwärts des katalytischen Elements (10) im Umgebungsluftstrom (2) ein zweiter Ozonsensor (4) zum Erfassen der dort herrschenden O­ zonkonzentration angeordnet ist, wobei
vorgegebene Freigabebedingungen zur Durchführung der Ü­ berprüfung abgefragt werden,
bei erfüllten Freigabebedingungen die von den Sensoren (3, 4) abgegebenen Werte (C_o3_UP, C_o3_DOWN) erfasst werden,
diese Werte (C_o3_UP, C_o3_DOWN) miteinander verglichen und daraus eine Größe (F, D) abgeleitet wird, welche ei­ nen unkorrigierten Wert für die Güte der Konvertie­ rungsfähigkeit wiedergibt,
diese Größe (F, D) abhängig von mindestens einem Be­ triebsparameter (TKW, TIA, V_IST) des Fahrzeuges gewich­ tet wird,
die gewichtete Größe (GF, DF) mit einem vorgegebenen Schwellenwert (MW_SW) verglichen wird und bei Über­ schreiten des Schwellenwertes (MW_SW) auf eine nicht ausreichende Konvertierungsfähigkeit des katalytischen Elementes (10) geschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Freigabebedingung abgefragt wird, ob die beiden Senso­ ren (3, 4) abgeglichen sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Freigabebedingung abgefragt wird, ob die Geschwindig­ keit (V_IST) des Fahrzeugs innerhalb eines durch eine un­ tere Grenze (V_MIN) und einer oberen Grenze (V_MAX) defi­ nierten Bereiches liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Freigabebedingung abgefragt wird, ob das Erfordernis der begrenzten Dynamik erfüllt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Freigabebedingung abgefragt wird, ob die Ansaugluft­ temperatur (TIA) oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwer­ tes (TIA_SW) liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Werten (C_o3_UP, C_o3_DOWN) das Verhältnis gebil­ det wird und die daraus erhaltene Größe (F) gewichtet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Werten (C_o3_UP, C_o3_DOWN) die Differenz gebildet wird und die daraus erhaltene Größe (D) gewichtet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aus mehreren Überprüfungsroutinen erhaltenen gewichte­ ten Größen (GF, GD) gemittelt werden und der so gewonnene Mittelwert (MW) mit dem Schwellenwert (MW) verglichen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsparameter die Kühlmitteltemperatur (TKW) ist.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsparameter die Ansauglufttemperatur (TIA) ist.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsparameter die Geschwindigkeit (V_IST) des Fahrzeuges ist.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsparameter die eingestellte Stufe eines Kühlerlüf­ ters ist.