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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsüberprüfung eines Abgaskatalysators. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Steuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Funktionsüberprüfung eines Abgaskatalysators.
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Bei der Verbrennung von Kraftstoff in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs entsteht Abgas, welches zur Abgasreinigung über mindestens einen Abgaskatalysator einer Abgasreinigungsanlage des Kraftfahrzeugs geführt wird. Aus der Praxis ist es bereits bekannt, dass Abgas, welches einen Verbrennungsmotor verlässt, über einen Oxidationskatalysator und anschließend in die Umgebung oder über mindestens eine weitere Abgasnachbehandlungsbaugruppe zu leiten, die für deren ordnungsgemäßen Betrieb einen definierten Anteil an Stickstoffdioxid im Abgas benötigt, wie zum Beispiel über einen SCR-Katalysator und/oder einen NOX-Speicherkatalysator und/oder einen Partikelfilter.
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Im Oxidationskatalysator einer Abgasreinigungsanlage werden unterschiedliche Bestandteile des Gases katalytisch umgesetzt, nämlich einerseits werden reduzierende Abgasbestandteile wie HC (Kohlenwasserstoffe) und CO (Kohlenmonoxid) zu H2O (Wasser) und CO2 (Kohlendioxid) oxidiert, andererseits wird als oxidierender Abgasbestandteil NO (Stickstoffmonoxid) zu NO2 (Stickstoffdioxid) oxidiert.
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Die katalytische Umsetzung der reduzierenden Abgasbestandteile erfolgt dabei in erster Linie an Palladiumwerkstoffen des Abgaskatalysators und die katalytische Umsetzung des oxidierenden Abgasbestandteils NO (Stickstoffmonoxid) zu NO2 (Stickstoffdioxid) erfolgt typischerweise in erster Linie an Platinwerkstoffen des Abgaskatalysators.
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Eine optimale Abgasreinigung in einem Oxidationskatalysator ist nur dann gegeben, wenn sowohl die reduzierenden Abgasbestandteile als auch der oxidierende Abgasbestandteil oxidiert werden. Insbesondere ist die Oxidation von NO zu NO2 für die optimale Funktion eines dem Oxidationskatalysator nachgeschalteten SCR-Katalysators oder einer anderen Abgasnachbehandlungsbaugruppe erforderlich.
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Bislang wird in der Regel der Betrieb eines als Oxidationskatalysator ausgebildeten Abgaskatalysators auf Basis einer Temperaturmessung am Oxidationskatalysator überwacht, wobei die Temperaturänderung durch die katalytische Umsetzung der unterschiedlichen Abgasbestandteile des Abgasesstroms verursacht wird. Eine derart indirekte Überprüfung ist jedoch in manchen Fällen nicht ausreichend.
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Aus der Praxis ist es bekannt, mit Hilfe von Sensoren einen Abgasstrom sensorisch zu überprüfen. Hierzu kommen nach der Praxis Sensoren zum Einsatz, die lediglich auf einen einzigen Bestandteil des Abgases ansprechen und demnach nur einen einzigen Bestandteil des Abgases sensorisch erfassen können. Sollen mehrere Bestandteile eines Abgasstroms sensorisch erfasst werden, so ist es demnach erforderlich, mehrere derartige Sensoren, die zur Erfassung der entsprechenden Bestandteile des Abgases geeignet sind, einzusetzen.
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Aus dem Stand der Technik ”Mixed-potential-type propylene sensor based an stabilized zirkonia and oxide electrode, Norio Miura et al., Electro Chemistry Communications 2, Seiten 77 bis 80, Jahr 2000” ist ein Mischpotentialsensor bekannt, mit Hilfe dessen mehrere Bestandteile eines Abgasstroms in einem Messsignal sensorisch erfasst werden können. So ist es aus diesem Stand der Technik bekannt, dass ein Mischpotentialsensor für unterschiedliche Bestandteile des Abgases unterschiedliche Empfindlichkeiten aufweist.
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Demnach kann ein solcher Mischpotentialsensor für unterschiedliche Bestandteile des Abgases unterschiedliche Ausgangsspannungen bereitstellen. Insbesondere ist es aus diesem Stand der Technik bekannt, dass ein Mischpotentialsensor zum Beispiel für die Detektion von CO und für die Detektion von NO2 konzentrationsabhängige Spannungssignale mit unterschiedlichen Vorzeichen ausgibt.
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In der Praxis werden zur sensorischen Erfassung eines Abgasstroms in Automobilanwendungen solche querempfindlichen Mischpotentialsensoren nicht eingesetzt. Dies liegt darin begründet, dass davon ausgegangen wird, dass die Querempfindlichkeit solcher Mischpotentialsensoren die sensorische Erfassung des Abgasstroms negativ beeinflusst. So wird davon ausgegangen, dass zum Beispiel bei der Erfassung von CO im Abgasstrom die Querempfindlichkeit des Mischpotentialsensors gegenüber NO2 die Messung unbrauchbar macht. Daher finden bislang zur sensorischen Erfassung eines Abgasstroms keine derartigen Sensoren Anwendung.
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Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde ein neuartiges Verfahren zur Funktionsüberprüfung eines Abgaskatalysators und eine Steuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird dann, wenn die Ausgangstemperatur des Abgaskatalysators relativ gering ist bzw. ausgehend von einer geringen Ausgangstemperatur des Abgaskatalysators, der vom Abgaskatalysator abgeführte Abgasstroms mit Hilfe eines Sensors erfasst, wobei ein Messsignal des Sensors abhängig von einer gemessenen oder berechneten Temperatur des Abgaskatalysators ausgewertet wird, um entweder auf einen funktionsfähigen Abgaskatalysator oder auf einen nicht-funktionsfähigen Abgaskatalysator zu schließen.
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Als Sensor wird vorzugsweise ein querempfindlicher Sensor wie ein Mischpotentialsensor verwendet, der in einem Messsignal mindestens zwei unterschiedliche Abgasbestandteile erfasst.
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Mit der Erfindung wird erstmals vorgeschlagen, zur Funktionsüberprüfung eines Abgaskatalysators einen vom Abgaskatalysator abgeführten Abgasstrom mit Hilfe eines querempfindlichen Sensors zu erfassen und auf Grundlage dieser sensorischen Erfassung die Funktionsüberprüfung durchzuführen. Erfindungsgemäß wird demnach gezielt die Querempfindlichkeit von zum Beispiel Mischpotentialsensoren ausgenutzt. Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass in einem noch kalten Abgaskatalysator während der Aufheizphase desselben die katalytische Umsetzung von unterschiedlichen Bestandteilen des Abgasstroms nicht zeitgleich, sondern zeitlich versetzt, erfolgt.
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So werden ausgehend von einem kalten Abgaskatalysator, der sich im Betrieb allmählich erhitzt, zunächst die reduzierenden Abgasbestandteile des vom Abgaskatalysator abgeführten Abgasstroms katalytisch umgesetzt und erst anschließend NO (Stickstoffmonoxid) zu NO2 (Stickstoffdioxid) oxidiert, wobei hinsichtlich dieser katalytischen Umsetzungen keine bzw. keine messtechnisch relevante zeitliche Überschneidung vorliegt, sondern vielmehr die katalytische Umsetzung der reduzierenden Abgasbestandteile und die katalytische Umsetzung von NO (Stickstoffmonoxid) zu NO2 (Stickstoffdioxid) zeitlich nacheinander erfolgt.
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Daher ist die Querempfindlichkeit von Mischpotentialsensoren bei der sensorischen Erfassung unterschiedlicher Bestandteile eines Abgasstroms in der Aufheizphase des Abgaskatalysators nicht nachteilig, sondern vielmehr nach der Erkenntnis der Erfindung von Vorteil, da dann mit einem einzigen Sensor mehrere unterschiedliche Bestandteile eines Abgasstroms sensorisch erfasst werden können.
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Vorzugsweise wird das Messsignal des Sensors abhängig von der Temperatur des Abgaskatalysators derart ausgewertet, dass dann, wenn das Messsignal sich ausgehend von einem Startwert desselben betragsmäßig um mehr als einen ersten Grenzwert ändert, ein erster Temperaturwert ermittelt wird, und dass dann, wenn das Messsignal sich nach einem Vorzeichenwechsel betragsmäßig um mehr als einen zweiten Grenzwert ändert, ein zweiter Temperaturwert ermittelt wird.
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Dann, wenn sowohl der erste Temperaturwert als auch der zweite Temperaturwert beide kleiner als ein entsprechender Grenzwert sind, wird auf einen funktionsfähigen Abgaskatalysator geschlossen. Dann, wenn der erste Temperaturwert und/oder der zweite Temperaturwert größer als der entsprechende Grenzwert ist, wird auf einen nicht-funktionsfähigen Abgaskatalysator geschlossen. Diese Auswertung des Messsignals des Mischpotentialsensors abhängig von der Temperatur des Abgaskatalysators ist besonders vorteilhaft.
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Vorzugsweise wird dann, wenn sich für das Messsignal ein Vorzeichenwechsel ausbildet, ein dritter Temperaturwert ermittelt, wobei dann, wenn der zweite Temperaturwert kleiner als ein entsprechender Grenzwert ist, auf einen funktionsfähigen Abgaskatalysator geschlossen wird, und wobei dann, wenn der zweite Temperaturwert größer als der entsprechende Grenzwert ist, auf einen nicht-funktionsfähigen Abgaskatalysator geschlossen wird. Hiermit kann die Funktionsüberprüfung weiter verbessert werden.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Steuerungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs, die Mittel zur Durchführung des Verfahrens zum Überwachen des Betriebs eines Abgaskatalysators aufweist.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 ein Blockschaltbild eines Kraftfahrzeugs umfassend einen Verbrennungsmotor und zwei hintereinander geschaltete Katalysatoren;
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2 ein Diagramm zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Funktionsüberprüfung eines Abgaskatalysators; und
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3 ein Diagramm zur weiteren Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsüberprüfung eines Abgaskatalysators, insbesondere eines als Oxidationskatalysator ausgebildeten Abgaskatalysators.
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1 zeigt eine stark schematisierte Darstellung eines Kraftfahrzeugs, nämlich eines Verbrennungsmotors 10 des Kraftfahrzeugs, wobei in Zylindern 11 des Verbrennungsmotors 10 Kraftstoff verbrannt und hierbei Abgas 12 erzeugt wird. Bei dem Verbrennungsmotor 10 kann es sich um einen mit Hilfe eines Abgasturboladers aufgeladenen Verbrennungsmotor handeln.
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Das den Verbrennungsmotor 10 verlassende Abgas 12 wird gemäß 1 einem Oxidationskatalysator 13 zugeführt, wobei den Oxidationskatalysator 13 verlassendes Abgas 14 anschließend beispielsweise über einen SCR-Katalysator 15 geführt wird, um das Abgas weiter zu reinigen. Den SCR-Katalysator 15 verlassendes Abgas 16 gelangt in die Umgebung oder wird über eine weitere Abgasnachbehandlungsbaugruppe geführt.
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Die hier vorliegende Erfindung betrifft nun ein Verfahren, mit Hilfe dessen eine Funktionsüberprüfung des Oxidationskatalysators 13 duchgeführt werden kann.
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Ein vom Oxidationskatalysator 13 abgeführter Abgasstrom 14 wird mit Hilfe eines einzigen Sensors 17 sensorisch erfasst, wobei der Sensor 17 mindestens zwei unterschiedliche Bestandteile des vom Oxidationskatalysator 13 abgeführten Abgasstroms 14 sensorisch erfasst.
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Beim Sensor 17 handelt es vorzugsweise um einen als Mischpotentialsensor 17 ausgebildeten, querempfindlichen Sensor, der mit einem Messsignal mehrere Bestandteile eines Abgasstroms sensorisch erfassen kann.
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Als ersten Bestandteil des vom Oxidationskatalysator 13 abgeführten Abgasstroms 14 erfasst der Sensor 17 mindestens einen reduzierenden Abgasbestandteil, nämlich CO und/oder H2 und/oder HC und/oder HXCYOZ (X, Y, Z = {0, 1, 2, 3...}).
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Als zweiten Bestandteil des vom Oxidationskatalysator 13 abgeführten Abgasstroms 14 erfasst der Sensor 17 einen oxidierten Abgasbestandteil, nämlich NO2.
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Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass die katalytische Umsetzung der reduzierenden Abgasbestandteile, nämlich von CO und/oder H2 und/oder HC und/oder HXCYOZ, zu H2O und CO2 sowie die katalytische Umsetzung von zu oxidierendem NO in oxidiertes NO2, ausgehend von einem kalten Abgaskatalysator nicht gleichzeitig sondern vielmehr zeitlich nacheinander bzw. mit einer messtechnisch nicht relevanten zeitlichen Überschneidung erfolgt.
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Daher wird die Funktionsüberprüfung nur dann gestartet, wenn die Temperatur des Oxidationskatalysators 13 kleiner als eine definierte Grenztemperatur ist.
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Bei dieser definierten Grenztemperatur handelt es sich maximal um die geringste bzw. kleinste Light-Off-Temperatur der Light-Off-Temperaturen der mit dem Sensor 17 erfassbaren Abgasbestandteile.
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Bei der Light-Off-Temperatur eines Abgasbestandteils handelt es sich um diejenige Temperatur des Oxidationskatalysators 13, bei welcher der jeweilige Abgasbestandteil zu einem definierten Anteil, zum Beispiel um 50%, katalytisch umgesetzt wurde.
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Vorzugsweise wird als definierter Grenzwert, nach dessen Unterschreiten das erfindungsgemäße Verfahren zum Überwachen des Betriebs des Oxidationskatalysators 13 gestartet werden kann, eine Temperatur verwendet, die kleiner ist als die kleinste Light-Off-Temperatur des oder jedes zu reduzierenden Abgasbestandteils. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, ausschließlich nach einem Motorkaltstart und/oder aus einem Schubbetrieb des Verbrennungsmotors 10 heraus das erfindungsgemäße Verfahren zum Überwachen des Betriebs des Oxidationskatalysators 13 zu starten.
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In 2 sind über der Zeit t mehrere Signalverläufe aufgetragen, nämlich ein Signalverlauf Y1, welcher die Konzentration mindestens eines reduzierenden Abgasbestandteils im Abgasstrom 14 visualisiert, sowie einen Signalverlauf Y2, welcher die Konzentration des oxidierten Abgasbestandteils NO2 im Abgasstrom 14 darstellt. Wie bereits ausgeführt, erfolgt zum Zeitpunkt t0 der Start des Verfahrens zum Überwachen des Betriebs des Abgaskatalysators 13, wobei zu diesem Startzeitpunkt t0 die Temperatur des Oxidationskatalysators 13 kleiner als der definierte Grenzwert ist. In 2 wird davon ausgegangen, dass zum Zeitpunkt t0 ein Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 erfolgt.
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2 kann entnommen werden, dass zum Zeitpunkt t0 bei einem kalten Oxidationskatalysator 13 eine sehr hohe Konzentration Y1 an reduzierenden Abgasbestandteilen und eine sehr niedrige Konzentration Y2 an dem oxidierten Abgasbestandteil NO2 vorliegt.
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Zum Zeitpunkt t1 wurden 50% der erfassbaren reduzierenden Abgasbestanteile im Abgas umgesetzt, sodass demnach zum Zeitpunkt t1 der Abgaskatalysator 13 die sogenannte Light-Off-Temperatur für diese reduzierenden Abgasbestandteile erreicht hat.
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Zum Zeitpunkt t2 sind im gezeigten Beispiel sämtliche reduzierenden Abgasbestandteile katalytisch umgesetzt worden.
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Erst anschließend an den Zeitpunkt t2, nämlich gemäß 2 beginnend mit dem Zeitpunkt t3, erfolgt die katalytische Umsetzung von NO (Stickstoffmonoxid) zu NO2 (Stickstoffdioxid), sodass erst beginnend mit dem Zeitpunkt t3 eine erhöhte NO2-Konzentration Y2 von deutlich größer als Null im Abgasstrom 14 vorliegt.
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Zum Zeitpunkt t4 wurden 50% der oxidierenden Abgasbestanteile im Abgas umgesetzt, sodass demnach zum Zeitpunkt t4 der Abgaskatalysator 13 die sogenannte Light-Off-Temperatur für diese reduzierenden Abgasbestandteile erreicht hat.
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In der Zeitspanne Δt1 zwischen den Zeitpunkten t0 und t2 werden demnach ausgehend von einem kalten Abgaskatalysator 13 zunächst ausschließlich die reduzierenden Abgasbestandteile katalytisch umgesetzt. Die katalytische Umsetzung von NO (Stickstoffmonoxid) zu NO2 (Stickstoffdioxid) erfolgt in der Zeitspanne Δt3 ab dem Zeitpunkt t3, also erst mit zunehmender Erhitzung des Abgaskatalysators 13.
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Im Zeitintervall Δt2 zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 ist die katalytische Umsetzung der reduzierenden Abgasbestandteile abgeschlossen und die katalytische Umsetzung von NO (Stickstoffmonoxid) zu NO2 (Stickstoffdioxid) hat in Folge der noch nicht ausreichend hohen Katalysatortemperatur noch nicht begonnen, wobei in der Regel Δt2 ≥ 0 ist. Für das Zeitintervall Δt2 kann auch gelten Δt2 < 0, wobei jedoch eine solche zeitliche Überschneidung der katalytischen Umsetzung der reduzierenden Abgasbestandteile und der katalytischen Umsetzung von NO (Stickstoffmonoxid) zu NO2 (Stickstoffdioxid) messtechnisch nicht relevant ist.
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Ferner verdeutlicht 2 einen bei einer solchen katalytischen Umsetzung im Oxidationskatalysator 13 messbaren Signalverlauf U des Mischpotentialsensors 17. Für die zu reduzierenden Abgasbestandteile Y1 des Abgasstroms 14 gibt der Mischpotentialsensor 17 demnach im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Spannungssignal U mit einem positiven Vorzeichen aus, wohingegen für den NO2 Abgasbestandteil Y2 der Mischpotentialsensor 17 ein Spannungssignal U mit einem negativen Vorzeichen ausgibt.
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Zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 ist das Spannungssignal U betragsmäßig klein, da zum Zeitpunkt t2 sämtliche reduzierenden Abgasbestandteile umgesetzt wurden und erst zum Zeitpunkt t3 die Oxidation NO (Stickstoffmonoxid) zu NO2 (Stickstoffdioxid) beginnt, sodass erst beginnend mit dem Zeitpunkt t3 NO2 vorliegt.
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Zur Funktionsüberprüfung des Abgaskatalysators 13 wird ausgehend von einer geringeren Ausgangstemperatur des Abgaskatalysators 13 der vom Abgaskatalysator 13 abgeführte Abgasstrom 14 mit Hilfe des querempfindlichen, vorzugsweise als Mischpotentialsensor ausgebildeten, Sensors 17 erfasst.
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Das Messsignal des Sensors 17 wird abhängig von einer gemessenen Temperatur des Abgaskatalysators 13 oder abhängig von auf Basis eines Modells berechneten Temperatur des Abgaskatalysators 13 ausgewertet, um entweder auf einen funktionsfähigen Abgaskatalysator 13 oder auf einen nicht-funktionsfähigen Abgaskatalysator 13 zu schließen. Dies wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 3 beschrieben, wobei in 3 über der Zeit t einerseits ein Messsignal U des Sensors 17 und andererseits eine gemessene oder berechnete Temperatur T des Abgaskatalysators 13 gezeigt ist.
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Das Messsignal U des Sensors 17 wird abhängig von der Temperatur T des Abgaskatalysators 13 derart ausgewertet, dass dann, wenn das Messsignal U sich ausgehend von einem Startwert U0 betragsmäßig um mehr als einen ersten Grenzwert ΔU1 ändert, ein erster Temperaturwert T1 ermittelt wird. Dies ist in 3 zum Zeitpunkt t1' der Fall, der mit dem Zeitpunkt t1 zusammenfallen kann aber nicht zusammenfallen muss. Dann, wenn das Messsignal U sich nach einem Vorzeichenwechsel betragsmäßig um mehr als einen zweiten Grenzwert ΔU2 ändert, wird ein zweiter Temperaturwert T4 ermittelt. Dies ist in 3 zum Zeitpunkt t4' der Fall, der mit dem Zeitpunkt t4 zusammenfallen kann aber nicht zusammenfallen muss. Vorzugsweise wird dann, wenn sich für das Messsignal U der Vorzeichenwechsel ausbildet, ein weiterer, nämlich dritter, Temperaturwert T3 ermittelt. Dies ist in 2 zum Zeitpunkt t3 der Fall. Dann, wenn Δt2 = 0 ist, fallen die Zeitpunkte t3 und t2 zusammen.
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Dann, wenn sowohl der erste Temperaturwert T1 als auch der zweite Temperaturwert T4 beide kleiner als ein entsprechender Grenzwert sind, wird auf einen funktionsfähigen Abgaskatalysator geschlossen. Dann, wenn der erste Temperaturwert T1 und/oder der zweite Temperaturwert T4 größer als der entsprechende Grenzwert ist, wird auf einen nicht-funktionsfähigen Abgaskatalysator geschlossen.
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Ferner wird dann, wenn sich das Messsignal U ausgehend von dem Startwert U0 desselben betragsmäßig nicht um mehr als den ersten Grenzwert ΔU1 ändert, auf einen nicht-funktionsfähigen Abgaskatalysator 13 geschlossen wird. Ebenso wird dann, wenn sich für das Messsignal U kein Vorzeichenwechsel ausbildet und/oder dann, wenn sich das Messsignal U nach Vorzeichenwechsel betragsmäßig nicht um mehr als den zweiten Grenzwert ΔU2 ändert, auf einen nicht-funktionsfähigen Abgaskatalysator 13 geschlossen wird.
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Dann, wenn der dritte Temperaturwert T3 ermittelt wird, wird dann, wenn der dritte Temperaturwert T3 kleiner als ein entsprechender Grenzwert ist, auf einen funktionsfähigen Abgaskatalysator geschlossen, und wobei dann, wenn der dritte Temperaturwert T3 größer als der entsprechende Grenzwert ist, auf einen nicht-funktionsfähigen Abgaskatalysator geschlossen wird.
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Alternativ ist es auch möglich, das Messsignal U des Mischpotentialsensors 17 abhängig von der Temperatur T des Abgaskatalysators 13 derart auszuwerten, dass dann, wenn ein zeitlicher Gradient des Messsignals U größer als ein erster Grenzwert wird, den ersten Temperaturwert T1 und dann, wenn nach dem Vorzeichenwechsel der zeitliche Gradient des Messsignals U größer als ein zweiter Grenzwert wird, den zweiten Temperaturwert T4 zu ermitteln. Die übrige Funktionsüberprüfung erfolgt analog.
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Diese obige Funktionsüberprüfung wird ausschließlich ausgehend von einer geringeren Ausgangstemperatur des Abgaskatalysators gestartet, wobei sich der Abgaskatalysator während der Ausführung der Funktionsüberprüfung erhitzt. Vorzugsweise wird die Funktionsüberprüfung des Abgaskatalysators nach einem Motorkaltstart oder aus einem Motorschubbetrieb heraus gestartet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Mixed-potential-type propylene sensor based an stabilized zirkonia and oxide electrode, Norio Miura et al., Electro Chemistry Communications 2, Seiten 77 bis 80, Jahr 2000 [0008]
