DE19811574A1

DE19811574A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen der Funktionsfähigkeit eines Katalysators einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19811574A1
Application number: DE19811574A
Authority: DE
Inventors: Bertrand Lemire
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-03-17
Filing date: 1998-03-17
Publication date: 1999-09-23
Also published as: EP1084331A2; WO1999047795A2; EP1084331B1; WO1999047795A3; US6401453B1; DE59900693D1

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit eines Katalysators (15) im Abgastrakt (3) einer Brennkraftmaschine (1) bestimmt den Konvertierungsgrad als Funktion der Temperatur des Katalysators (15) im Aufheizbetrieb. Eine Auswertung des sich mit dem Alter des Katalysators ändernden Zusammenhangs zwischen Konvertierungsgrad und Temperatur erlaubt eine Überprüfung und Diagnose eines nicht funktionsfähigen Katalysators (15) mit hoher Präzision.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen der Funktionsfähigkeit eines im Abgastrakt ei ner Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 20.

Die Abgasnachbehandlung bei Brennkraftmaschinen erfolgt heut zutage üblicherweise mit einem oder mehreren Katalysatoren in der Auspuffanlage der Brennkraftmaschine. Strenge Emissions grenzwerte für Schadstoffemissionen von Brennkraftmaschinen, insbesondere in Fahrzeugen, machen die zuverlässige Überwa chung des eingesetzten Katalysators erforderlich. Von solchen Diagnoseverfahren wird verlangt, daß sie die kontinuierliche Überprüfung des Katalysators im Betrieb ermöglichen, auch als On-Board-Diagnose bezeichnet.

Ein für Otto-Motoren bekanntes Verfahren zur Katalysatorüber wachung basiert auf der Auswertung des Zusammenhangs zwischen dem Sauerstoffspeichervermögen und dem Konvertierungsgrad ei nes Dreiwege-Katalysators. Ein solches Verfahren ist z. B. aus der DE 195 36 252 bekannt; dabei werden zwei Sauerstoff- oder Lambda-Sonden eingesetzt, eine stromauf und eine stromab des Katalysators. Dieses Verfahren kann nur dann angewendet wer den, wenn die Lambda-Regelung aktiv ist und der Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat. Die Auswertung der Lambdasondensignale erlaubt nur eine indirekte Katalysator überwachung, wobei die Korrelation zwischen Sauerstoffspei chervermögen und Konvertierungsgrad des Katalysators nicht sehr gut ist. Deshalb ist dieses Verfahren, ebenso wie das aus DE 24 44 334 bekannte auf die Diagnose relativ großer Konvertierungsgraddifferenzen begrenzt, wodurch nur eine starke Verschlechterung des Katalysators diagnostizierbar ist. Zur Diagnose einer geringen Katalysatorverschlechterung, wie sie strenge Emissionsgrenzwerte erforderlich machen, sind diese Verfahren nicht tauglich.

Einen anderen Weg zur Katalysatorüberprüfung beschreitet das aus DE 40 39 429 bekannte Verfahren. Es sieht stromab des Ka talysators einen Kohlenmonoxid- und/oder Wasserstoffkonzen trationsaufnehmer vor. Bei Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes des Kohlenmonoxid- und/oder Wasserstoffgehaltes wird ein defekter Katalysator erkannt. Die Messungen erfolgen bei definierten, stationären Betriebszuständen der Brenn kraftmaschine, d. h. dann, wenn der Katalysator seinen höch sten Konvertierungsgrad aufweist.

Aus DE 195 37 778 ist ein Verfahren zur Überwachung der Funk tion eines NO_x-reduzierenden Katalysators einer Dieselbrenn kraftmaschine bekannt, bei der als Reduktionsmittel Kraft stoff stromauf des Katalysators zudosiert wird. Dabei ist zur Überwachung des NO_x-Katalysators ein Aufnehmer für die Koh lenwasserstoffkonzentration im Abgas stromab des Katalysators vorgesehen, um ein Nachlassen der katalytischen Reduktion an hand erhöhter Kohlenwasserstoffkonzentrationen im Abgas er kennen zu können.

Eine exakte Steuerung einer Brennkraftmaschine mit Katalysa toren im Abgastrakt ermöglicht im normalen Betrieb, d. h. nach Erreichen der Betriebstemperatur, sehr hohe Konvertierungs grade, z. B. über 95%. Strenge Emissionsgrenzwerte erlauben nur geringe Abweichungen von dieser fast vollständigen Kon vertierung, weshalb ein OBD-System in der Lage sein muß, be reits geringe Abweichungen festzustellen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen der Funktionsfähigkeit eines im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysa tors anzugeben, mit denen sich bereits eine geringe, durch Alterung bedingte Verschlechterung des Konvertierungsgrades sehr präzise erfassen läßt.

Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung sind in den Ansprüchen 1 und 20 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausge staltungen und Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen definiert.

Erfindungsgemäß erfolgt die Überprüfung der Funktionsfähig keit des Katalysators während der Aufheizphase der Brenn kraftmaschine. Da während der Aufheizphase der Brennkraftma schine der größte emittierte Schadstoffanteil ausgestoßen wird, ist eine Funktionsüberprüfung des Katalysators in die ser Zeitspanne besonders bedeutsam. Zum anderen fällt es auf grund der höheren Schadstoffkonzentration im Abgas hinter dem Katalysator während der Aufheizphase leichter, Änderungen in der Funktionsfähigkeit des Katalysators zu diagnostizieren.

Die Grundidee des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der er findungsgemäßen Vorrichtung beruht auf dem Zusammenhang zwi schen dem Konvertierungsgrad bzw. dem Emissionsniveau einer Abgaskomponente hinter einem zu überwachenden Katalysator und den thermischen Eigenschaften, d. h. der Temperatur, des Kata lysators. Der Konvertierungsgrad des Katalysators hängt di rekt von seiner Temperatur ab. Diese Abhängigkeit ändert sich mit der Alterung des Katalysators. Der Konvertierungsgrad wird mit zunehmenden Alter des Katalysators schlechter. Diese Änderung der Abhängigkeit des Konvertierungsgrades des Kata lysators von seiner Temperatur mit der Alterung bietet somit eine Möglichkeit, den Katalysator auf seine Funktionsfähig keit hin zu überwachen.

Die thermische Eigenschaft des Katalysators kann durch die Festkörpertemperatur des Katalysators selbst oder aber durch die dem Katalysator zugeführte Wärme ausgedrückt werden. Letztere kann durch die Bestimmung der Abgastemperatur strom auf des Katalysators und Bestimmung des dem Katalysator Zuge führten Volumenstroms sowie anschließender Berechnung der dem Katalysator zugeführten Wärme aus Abgastemperatur, Volumen strom und Wärmekapazität des Abgases erfolgen. Eine Energie zufuhr durch eine eventuell vorhandene Katalysatorheizung muß natürlich ebenfalls berücksichtigt werden. Vorzugsweise kann die Abgastemperatur stromauf des Katalysators mittels eines Modells aus Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine berech net werden. Weiter wird die dem Katalysator zugeführte Wärme vorzugsweise nur dann bestimmt, wenn nach einem Start der Brennkraftmaschine keine latente Wärme mehr zur Verdampfung von Kondensaten im Katalysator aufgenommen wird.

Bei der Erfindung wird die Überwachung des Katalysators vor zugsweise anhand von Messungen einer Schadstoffkomponente, insbesondere Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoff (HC) oder Stickoxide NO_x, vorgenommen. Es können jedoch auch mehrere dieser Schadstoffkomponenten berücksichtigt werden.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird stromauf sowie stromab des Katalysators die Konzentration einer Schad stoffkomponente im Abgas gemessen. Aus diesen Meßwerten wird der Konvertierungsgrad des Katalysators errechnet. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dann, wenn die Katalysatortemperatur bei einem gegebenen Konvertie rungsgrad über einem Schwellwert liegt, eine mangelnde Kata lysatorfunktion erkannt. Alternativ ist dies auch möglich, wenn bei gegebener Katalysatortemperatur ein Mindestkonver tierungsgrad nicht erreicht wird.

Wird als Maß für die Temperatur des Katalysators die dem Ka talysator zugeführte Wärme verwendet, kann ein nicht funkti onsfähiger Katalysator dadurch erkannt werden, daß die Ener gie, die notwendig ist, um den Konvertierungsgrad des Kataly sator von einem Anfangswert η_i, z. B. 20%, auf einen Endwert η_f, z. B. 60% zu erhöhen, bestimmt wird. Die zum Erreichen der Konvertierungsgraderhöhung η_f-η_i notwendige Energie, die dem Katalysator in Form von Wärme zugeführt werden muß, ist bei einem gealterten, funktionsuntüchtigen Katalysator höher als bei einem neuen, funktionstüchtigen Katalysator. Der Mit telwert dieser Energien steigt ebenfalls mit der Alterung des Katalysators. Das Produkt aus Mittelwert der Energie und zu geführter Energie ist folglich ein Maß für das Aufwärmverhal ten des Katalysators und somit für seine Funktionsfähigkeit. Durch Setzen eines Schwellwertes für dieses Produkt kann auf einfache Weise die Katalysatordiagnose durchgeführt werden. Wird der Schwellwert überschritten, wird der Katalysator als nicht funktionsfähig erkannt. Um thermischen Randbedingungen des Systems Rechnung zu tragen, ist es vorzugsweise möglich, die Diagnoseschwelle als Funktion von Temperaturwerten der Brennkraftmaschine, wie z. B. Kühlwassertemperatur, Ansaug lufttemperatur, Außentemperatur oder Abgastemperatur beim Start der Brennkraftmaschine aus einem Kennfeld zu wählen. Ebenso kann das Fahrprofil eines Fahrzeuges, mit dem die Brennkraftmaschine ausgerüstet ist, das die Aufheizung des Katalysators beeinflussen kann, durch einen Korrekturfaktor berücksichtigt werden.

Bei einer Ausführungsform wird auf eine Messung der Schad stoffkonzentration stromauf des Katalysators verzichtet; statt dessen wird nur die Konzentration einer der Schad stoffkomponenten hinter dem Katalysator gemessen. Zur Diagno se wird die dem Katalysator zugeführte Wärme bzw. die Ände rung der Festkörpertemperatur des Katalysators bestimmt, die notwendig ist, um die Konzentration der zu überwachenden Schadstoffkomponente von einem Anfangswert [i]_i auf einen End wert [i]_f zu senken. Da die Konzentration für sich allein noch kein direktes Maß für die emittierte Schadstoffmenge ist, wird sie mit der Abgasmenge verknüpft und die Masse der Schadstoffkomponente bestimmt. Je besser das Aufheizverhalten des Katalysators, umso niedriger ist die Masse, die während der Zufuhr einer gegebenen Wärme oder während einer vorgege benen Festkörpertemperaturänderung des Katalysators emittiert wird. Bei Überschreiten eines gewissen Schwellwertes wird der Katalysator als nicht funktionsfähig erkannt. Vorzugsweise wird die emittierte Masse mit der mittleren zugeführten ther mischen Energie multipliziert, um den zeitlichen Verlauf der Energiezufuhr, wie z. B. Lasteinflüsse, zu berücksichtigen. Das Produkt aus emittierter Masse und zugeführter Energie ist dann ein Maß für die Funktionsfähigkeit des Katalysators, und bei Überschreiten eines Schwellwertes wird der Katalysator als defekt erkannt. Um den thermischen Randbedingungen des Systems Rechnung zu tragen, wird vorzugsweise auch hier die Diagnoseschwelle als Funktion von Temperaturwerten der Brenn kraftmaschine, wie z. B. Kühlwassertemperatur, Ansauglufttem peratur, Außentemperatur oder Abgastemperatur beim Start der Brennkraftmaschine definiert. Auch kann das Fahrprofil eines Fahrzeugs, mit dem die Brennkraftmaschine ausgestattet ist, während des Verfahrens durch einen Korrekturfaktor berück sichtigt werden.

Es sei darauf hingewiesen, daß das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung für alle Katalysator typen wie Reduktionskatalysatoren, Oxidationskatalysatoren, insbesondere geregelte Drei-Wege-Katalysatoren, Speicherkata lysatoren oder Adsorbern, sowie für Otto- wie Dieselbrenn kraftmaschinen anwendbar sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie len unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 ein Diagramm mit dem Verlauf des Konvertierungsgrads eines Katalysators als Funktion der Katalysatortem peratur,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 4 ein Diagramm mit dem Verlauf des Konvertierungsgrads eines Katalysators als Funktion der dem Katalysator zugeführten Wärme,

Fig. 5 ein Diagramm mit Meßergebnissen, das die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen Drei-Wege-Kataly sator veranschaulicht,

Fig. 6 ein Diagramm mit der von einer Brennkraftmaschine emittierten Masse als Funktion der dem Katalysator zugeführten Wärme und

Fig. 7 ein Diagramm mit Meßergebnissen, das die Anwendung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Drei-Wege-Katalysator veranschau licht.

Anhand der Fig. 1 und 2 wird ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Überwachen der Funktionsfähigkeit eines Katalysators beschrieben.

Wie Fig. 1 zeigt, hat eine Brennkraftmaschine 1 einen Ansaug trakt 2 sowie einen Abgastrakt 3. Ihr Betrieb wird von einem Steuergerät 4 gesteuert beziehungsweise geregelt. Dem Steuer gerät 4 wird der Meßwert eines Ansaugluftmassenaufnehmers 5 zugeführt, der im Ansaugtrakt 2 der Brennkraftmaschine 1 an geordnet ist und den Ansaugluftmassenstrom erfaßt. Das Steu ergerät 4 steuert weiter die Einspritzung des Kraftstoffes über Einspritzventile 6 in den Ansaugtrakt 3 und erfaßt mit tels einer Lambda-Sonde 7 den Sauerstoffgehalt des Abgases, um den Betrieb der Brennkraftmaschine zu regeln. Im Ab gastrakt 3 ist ein Katalysator 15 angeordnet, dessen Funkti onsfähigkeit, d. h. Konvertierungsgrad überwacht werden soll.

Der Konvertierungsgrad η eines Katalysators hängt direkt von der Temperatur des Katalysators T_cat ab. Dieser Zusammenhang ist in Fig. 2 dargestellt. Die Kurve 13 zeigt die Temperatur abhängigkeit des Konvertierungsgrades η eines neuen Katalysa tors. Kurve 14 beschreibt einen alten funktionsuntüchtigen Katalysator. Mit steigender Katalysatortemperatur T_cat nimmt η bis zu einem maximalen Wert zu. Der Verlauf oberhalb die Tem peratur, bei der der maximale Wert erreicht wird, hängt vom verwendeten Katalysator ab. Er ist annähernd konstant bei ei nem Drei-Wege-Katalysator, nimmt z. B. bei einem Entstickungs katalysator dagegen ab.

Der Konvertierungsgrad für eine Komponente ergibt sich aus folgender Gleichung:

η_i = ([i]_{vor Kat.}-[i]_{nach Kat.})/[i]_{vor Kat.} (1),

wobei [i] die Volumenkonzentration der Schadstoffkomponente i darstellt. Mit der Alterung des Katalysators nimmt seine Ak tivierungsenergie ab und der Kurvenverlauf ändert sich. Die für einen bestimmten Konvertierungsgrad η_i notwendige Kata lysatortemperatur T_cat erhöht sich, und der maximale Konver tierungsgrad η_i,max nimmt ab; die Kurve verbreitert sich, wie in Fig. 2 zu sehen ist. Die Änderung des Konvertierungsgrads als Funktion der Temperatur bei der Alterung bietet somit ei ne Möglichkeit, den Katalysator auf seine Funktionsfähigkeit hin zu überwachen.

Um die Temperatur des Katalysators zu bestimmen, wird dessen Festkörpertemperatur mittels eines Temperaturaufnehmers 9 ge messen, wobei der Meßwert dem Steuergerät 4 zugeführt wird. Um die Konzentration einer Schadstoffkomponente im Abgas und hieraus den Konvertierungsgrad des Katalysators zu bestimmen, sind stromauf des Katalysators 15 ein Schadstoffkonzentrati onsaufnehmer 8 und stromab des Katalysators ein Schad stoffkonzentrationsaufnehmer 10 angeordnet, die abhängig von der Konzentration der Schadstoffkomponente, z. B. der Kohlen wasserstoffe (HC), Meßwerte an das Steuergerät 4 liefern. Dort werden diese mittels einer mathematischen Funktion oder eines Kennfeldes in die Schadstoffvolumenkonzentration umge rechnet. Als Schadstoffkonzentrationsaufnehmer, die die Volu menkonzentration einer zu überwachenden Schadstoffkomponente im Abgas erfassen, sind planare Abgassensoren möglich, die eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit eines Metal loxids (z. B. dotiertes SrTiO₃) als Meßsignal zeigen. Es sind aber auch Abgassensoren denkbar, die einen Festkörperelektro lyten (z. B. stabilisiertes ZrO₂ oder CeO₂) als Meßelement verwenden. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel handelt es sich um zwei planare Kohlenwasserstoffsensoren für eine ge forderte OBD-Überwachungsfunktion.

Die direkte Auswertung des Zusammenhangs η_i (T_cat) erfolgt, indem während des Warmlaufs des Motors in der Aufheizphase die Festkörpertemperatur des Katalysators 15 mit dem Tempera turaufnehmer 9 gemessen wird und dazu aus den Signalen der Schadstoffkonzentrationsaufnehmer 8, 9 der Konvertierungsgrad η ermittelt wird. Bei gegebenem Konvertierungsgrad η_diag hat ein neuer Katalysator eine sehr viel niederere Temperatur T_neu als ein älterer Katalysator. Liegt, wie in Fig. 2 zu sehen, die Temperatur T_alt zum gegebenen Konvertierungsgrad η_diag über einer Temperaturschwelle T_diag, wird der Katalysator als de fekt erkannt. Alternativ kann auch der Konvertierungsgrad η zu einer gegebenen Temperatur T_diag bestimmt werden und bei Unterschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes η_diag der Ka talysator als defekt erkannt werden.

Anhand der Fig. 3 und 4 wird eine weitere Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Elemente, die denen der Fig. 1 ent sprechen, sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, es sei hier auf die Beschreibung der Fig. 1 verwiesen. Im Unter schied zur Vorrichtung der Fig. 1 ist kein Temperaturaufneh mer 9 am Katalysator 15 vorgesehen. Statt dessen wird die Tem peratur des Abgases stromauf des Katalysators mit einem Tem peraturaufnehmer 9 vom Steuergerät 4 erfaßt. Über eine Sekun därluftpumpe 11 wird dem Abgas stromauf des Katalysators 15 ein Sekundärluftmassenstrom zugeführt, der von einem Sekun därluftmassenaufnehmer 12 gemessen wird, wobei der Meßwert dem Steuergerät 4 zugeführt wird.

Alternativ zur Abhängigkeit des Konvertierungsgrads des Kata lysators von seiner Festkörpertemperatur wird in diesem Fall die Abhängigkeit des Konvertierungsgrades von der dem Kataly sator zugeführten Energie für die Diagnose verwendet. Die Energie zur Aufheizung des Katalysators wird diesem vom Abgas in Form von Wärme zugeführt. Diese Wärme kann aus der Abga stemperatur vor dem Katalysator und dem dem Katalysator zuge führten Abgasmassenstrom nach folgender Gleichung bestimmt werden:

wobei T_Abgas die Abgastemperatur stromauf des Katalysators, _ansaug der Ansaugluftmassenstrom, _sekundär der Sekundärluft massenstrom, C_p die Wärmekapazität des Abgases bei konstantem Druck, λ die Luftzahl und L₀ die Luftmasse pro Kraftstoff masseneinheit bei stöchometrischer Verbrennung darstellt. Die Wärme ΔQ = E_ηf-E_ηi, die notwendig ist, um den Konvertie rungsgrad des Katalysators von einem Anfangswert η_i (Wärme E_ηi) auf einen Endwert η_f (Wärme E_ηf) zu erhöhen, ist bei ei nem gealterten Katalysator höher als bei einem neuen Kataly sator, wie in Fig. 4 zu sehen ist. Die in Fig. 4 gezeigten Kurven entsprechen denen der Fig. 2, mit dem Unterschied, daß sie über der dem Katalysator 15 zugeführten Wärme anstatt über der Festkörpertemperatur aufgetragen sind. Die zum Er reichen von η_i und η_f notwendigen Energien E_ηi und E_ηf sind ebenfalls bei einem gealterten Katalysator höher als bei ei nem neuen Katalysator. Ihr Mittelwert η_th = =0,5 (E_ηi + E_ηf) steigt ebenso mit der Alterung des Katalysators an. Das Pro dukt aus Mittelwert und zugeführter Wärme ΔQ ist folglich ein brauchbares Maß für das Aufwärmverhalten des Katalysators und somit für seine Funktionsfähigkeit. Durch Setzen eines Schwellwertes für das Produkt kann auf einfache Weise die Ka talysatordiagnose durchgeführt werden. Bei Schwellwertüber schreitung wird der Katalysator als defekt erkannt.

Da letztendlich jedoch die Aufheizung des Katalysators für seinen Konvertierungsgrad entscheidend ist, sind die thermi schen Randbedingungen des Systems von Bedeutung, wenn man die dem Katalysator zugeführte Wärme als Maß für seine Aufheizung verwendet. Um diesen thermischen Randbedingungen Rechnung zu tragen, kann die Diagnoseschwelle vorzugsweise als Funktion von Temperaturwerten der Brennkraftmaschine wie z. B. Kühlwas sertemperatur, Ansaugtemperatur, Außentemperatur oder Abga stemperatur beim Inbetriebsetzen der Brennkraftmaschine ge wählt werden. Das Steuergerät 4 enthält dazu ein geeignetes Kennfeld. Weiter kann das Fahrprofil der Fahrzeuggeschwindig keit eines Fahrzeuges, in dem die Brennkraftmaschine einge baut ist, durch einen Korrekturfaktor,der im Steuergerät 4 abgelegt sein kann, berücksichtigt werden.

In Fig. 5 sind Meßergebnisse dargestellt, die das erfindungs gemäße Verfahren am Beispiel der Oxidation von Kohlenwasser stoffen mit einem Drei-Wege-Katalysator demonstrieren. Die Messungen erfolgten an einem Motorprüfstand, der Aufbau ent spricht dem der Fig. 3. Die Brennkraftmaschine wurde aus kal tem Zustand (300°K) auf unterschiedliche konstante Drehzah len gestartet, um so unterschiedliche Aufheizprofile des Ka talysators zu erzeugen. Die Diagnose wurde mit η_i = 20% und η_f = 60% für die Konzentration von Kohlenwasserstoff (HC) durchgeführt. Die Bestimmung der Kohlenwasserstoffkonzentra tion stromauf und stromab des Katalysators erfolgte mit einem Flammen-Ionisationsdetektor (FID). Es wurden zwei Katalysato ren untersucht. Der neue Katalysator, Meßkurve 13, weist nach Fahrzyklus FTP 75 eine Emission von 50 mgHC pro Meile auf. Der gealterte Katalysator der Meßkurve 14 erreicht 100 mgHC pro Meile. Die beiden Katalysatoren können mit dem erfin dungsgemäßen Verfahren gut unterschieden werden, wie Fig. 5 zeigt.

In den bisher vorgestellten Ausführungsbeispielen sind zwei Schadstoffkonzentrationsaufnehmer im Abgas erforderlich. Eine kostengünstigere und deshalb bevorzugte Möglichkeit bietet eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Mes sung der Volumenkonzentration der Schadstoffkomponente nur stromab dem Katalysator erfolgt. Ansonsten entspricht die Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels der Vorrichtung der Fig. 3. Zur Diagnose wird vorzugsweise die Wärme bestimmt, die dem Katalysator zugeführt werden muß, um die Konzentrati on [i]_{nach Kat.} der zu überwachenden Schadstoffkomponente i von einem Anfangswert [i]_i auf einen Endwert [i]_f zu senken. Da die Konzentration, insbesondere die Volumenkonzentration, kein Maß für die emittierte Schadstoffmenge ist, wird mit folgen der Gleichung aus der Konzentration die Masse der Komponente i bestimmt:

wobei M_i die Molmasse der Komponente i, M_abgas die Molmasse des Abgases und alle anderen Bezeichnungen der der Gleichung (2) entsprechen. Um den zeitlichen Verlauf der Energiezufuhr, insbesondere Lasteinflüsse, zu berücksichtigen, wird mass_i wie beim vorherigen Ausführungsbeispiel mit der mittleren thermischen Energie E_th multipliziert. Das Produkt aus mass_i.E_th ist wieder ein Maß für die Funktionsfähigkeit des Katalysators. Beim Überschreiten eines Schwellwertes wird der Katalysator als defekt erkannt. Um wiederum den thermischen Randbedingungen des Systems Rechnung zu tragen, wird die Dia gnoseschwelle als Funktion von Temperaturwerten der Brenn kraftmaschine, wie z. B. Kühlwassertemperatur, Ansauglufttem peratur, Außentemperatur oder Abgastemperatur der Brennkraft maschine vor Inbetriebsetzung definiert und in einem Kennfeld im Steuergerät 4 abgelegt. Das Fahrprofil eines mit der Brennkraftmaschine ausgerüsteten Fahrzeuges kann während der Diagnose wiederum durch einen geschwindigkeitsabhängigen Kor rekturfaktor berücksichtigt werden.

In Fig. 7 sind Meßergebnisse dargestellt, die die Anwendung des Verfahrens am Beispiel der Oxidation von Kohlenwasser stoffen in einem Drei-Wege-Katalysator demonstrieren. Die Messungen erfolgten auf einem Rollenprüfstand, der Aufbau entspricht dem der Fig. 3 ohne den Schadstoffkonzentrations aufnehmer 8 stromauf des Katalysators. Der Schadstoffkonzen trationsaufnehmer 10 stromab des Katalysators 15 ist in die sem Ausführungsbeispiel ein resistiver planarer Sensor. In Test Nr. 1, 2 und 5 wurde ein neuer Katalysator, in den Tests 3, 4 und 6 der Fig. 7 wurde ein alter Katalysator untersucht. In den Tests 1 und 2 bzw. 3 und 4 wurden aufeinanderfolgende Fahrzyklen FTP 75 durchlaufen, anschließend an diese Tests wurde im Test 5 bzw. 6 die Brennkraftmaschine 60 s im Leer lauf gehalten. Wie zu sehen ist, überschreiten die Tests mit dem gealterten Katalysator deutlich den Schwellwert von 110 g kJ, während die Tests mit dem neuen Katalysator deutlich dar unterliegende Werte zeigen. Dadurch ist es möglich, einen al ten, nicht mehr funktionstüchtigen Katalysator von einem neu en zu unterscheiden.

Das Ergebnis der Funktionsüberprüfung kann dem Führer der Brennkraftmaschine 1 bzw. eines damit ausgerüsteten Fahrzeu ges über eine Warnvorrichtung (nicht dargestellt) signali siert werden. Alternativ kann das Steuergerät 4 einen Spei cher (nicht gezeigt) aufweisen, in dem eine Aussage über die Funktionsfähigkeit der Brennkraftmaschine 1 abgelegt wird, die z. B. bei einer Wartung ausgelesen werden kann.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Messung der Abgastempera tur im vorstehend geschilderten Verfahren durch eine modell basierte Berechnung der Abgastemperatur aus Betriebskenngrö ßen der Brennkraftmaschine ersetzt werden kann. Weiter sei darauf hingewiesen, daß das Steuergerät 4 in das Betriebs steuergerät der Brennkraftmaschine integriert oder ein eigen ständiges Gerät sein kann.

Claims

1. Verfahren zum Überwachen der Funktionsfähigkeit eines im Abgasttrakt einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysa tors, bei dem durch laufende Messungen während einer Aufheiz phase des Katalysators eine für die Temperatur des Katalysa tors charakteristische erste Größe sowie eine für den Konver tierungsgrad des Katalysators charakteristische zweite Größe, die von der ersten Größe abhängig ist, bestimmt werden und eine von der Alterung des Katalysators verursachte Änderung der Abhängigkeit der zweiten Größe von der ersten Größe zum Überwachen der Funktionsfähigkeit des Katalysators benutzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Größe die Festkörpertemperatur des Katalysators verwen det wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Größe die dem Katalysator zugeführte Wärme verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Katalysator zugeführte Wärme durch folgende Schritte be stimmt wird:

- Bestimmen der Abgastemperatur stromauf des Katalysators,
- Bestimmen des dem Katalysator zugeführten Volumenstroms des Abgases und
- Berechnung der dem Katalysator zugeführten Wärme aus Abga stemperatur, Volumenstrom und Wärmekapazität des Abgases.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die dem Katalysator zugeführte Wärme nur dann bestimmt wird, wenn nach einem Kaltstart der Brennkraft maschine keine latente Wärme mehr zur Verdampfung von Konden saten im Katalysator aufgenommen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Abgastemperatur stromauf des Katalysa tors mittels eines Modells aus Betriebskenngrößen der Brenn kraftmaschine berechnet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß als erste Größe ein Wert für die dem Kata lysator zugeführte Wärme verwendet wird, der mit einem Kor rekturfaktor hinsichtlich äußerer Einflüsse korrigiert wurde.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als zweite Größe der Konvertierungsgrad des Katalysators verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Bestimmen der zweiten Größe die Kon zentration mindestens einer Schadstoffkomponente im Abgas stromab des Katalysators erfaßt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Schadstoffkomponente im Abgas auch stromauf des Katalysators erfaßt und aus dem Konzentrations unterschied der Konvertierungsgrad des Katalysators bestimmt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß als zweite Größe die Masse minde stens einer Schadstoffkomponente im Abgas stromab des Kataly sators verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Masse folgende Schritte durchgeführt wer den:

- Bestimmen des dem Katalysator zugeführten Abgasvolumen stroms,
- Umrechnung des Volumenstroms in einen Massenstrom und Be rechnung des Produktes aus Massenstrom und Konzentration der Schadstoffkomponente im Abgas stromab des Katalysators und
- Integration dieses Produktes.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse der Schadstoffkomponente im Ab gas hinter dem Katalysator mit der ersten Größe multipliziert wird und das hierdurch gebildete Produkt zur Überwachung der Funktionsfähigkeit des Katalysators benutzt wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, daß die Abhängigkeit der zweiten Größe von der ersten Größe an einem vorgegebenen Punkt bestimmt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem vorgegebenen Wert der ersten Größe ein Schwellwert der zweiten Größe gesetzt wird, bei dessen Unterschreitung eine unzureichende Funktionsfähigkeit des Katalysators diagno stiziert wird, wobei der vorgegebene Wert der ersten Größe in einem Bereich liegt, in dem eine Alterung des Katalysators eine starke Änderung der zweiten Größe verursacht.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge kennzeichnet, daß bei einem vorgegebenen Wert der zweiten Größe ein Schwellwert der ersten Größe gesetzt wird, bei des sen Überschreitung eine unzureichende Funktionsfähigkeit des Katalysators diagnostiziert wird, wobei der vorgegebene Wert der zweiten Größe in einem Bereich liegt, in dem eine Alte rung des Katalysators eine starke Änderung der ersten Größe verursacht.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge kennzeichnet, daß die Änderung der zweiten Größe in einem In tervall der ersten Größe bestimmt wird und bei Unterschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes der zweiten Größe eine unzu reichende Funktionsfähigkeit des Katalysators diagnostiziert wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge kennzeichnet, daß die Änderung der ersten Größe in einem In tervall der zweiten Größe bestimmt wird und bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes der Änderung der ersten Grö ße eine unzureichende Funktionsfähigkeit des Katalysators diagnostiziert wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der ersten Größe vor Vergleich mit dem Schwell wert noch mit dem Mittelwert der ersten Größe multipliziert wird.

20. Vorrichtung zum Überwachen der Funktionsfähigkeit eines im Abgastrakt (3) einer Brennkraftmaschine (1) angeordneten Katalysators (15), mit

- einer ersten Meßeinrichtung (5, 9, 12) zum Erfassen einer für die Temperatur des Katalysators charakteristischen ersten Größe während einer Aufheizphase,
- einer zweiten Meßeinrichtung (8, 10) zum Erfassen einer für den Konvertierungsgrad des Katalysators charakteristischen zweiten Größe, die von der ersten Größe abhängig ist, während der Aufheizphase und
- einem Steuergerät (4), das eine von der Alterung des Kata lysators verursachte Änderung der Abhängigkeit der zweiten Größe von der ersten Größe zum Überwachen der Funktionsfähig keit des Katalysators benutzt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Meßeinrichtung einen Temperaturaufnehmer (9) auf weist, der die Festkörpertemperatur des Katalysators (15) mißt.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Meßeinrichtung (5, 9, 12) die Abgastemperatur mißt sowie Meßwerte liefert, aus denen der Abgasvolumenstrom be stimmt werden kann.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Meßeinrichtung (5, 9, 12) den Massenstrom der An saugluft der Brennkraftmaschine (1), einen eventuell vorhan denen Sekundärluftmassenstrom, der dem Abgasstrom stromauf des Katalysators (15) zugemischt wird, und die Lambdazahl mißt.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß dem Steuergerät (4) zur Überwachung des Katalysators (15) benötigte Betriebskenngrößen der Brenn kraftmaschine (1) zugeführt werden.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (4) aus Betriebskenngrößen mittels eines Mo dells die Abgastemperatur stromauf des Katalysators (15) be rechnet.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßeinrichtung (8, 10) einen Meßaufnehmer (10) umfaßt, der die Konzentration mindestens einer Schadstoffkomponente stromab des Katalysators (15) mißt.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßeinrichtung (8, 10) einen Meßaufnehmer (8) auf weist, der die Konzentration mindestens einer Schadstoffkom ponente stromauf des Katalysators (15) mißt.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (4) in ein Betriebssteu ergerät der Brennkraftmaschine (1) integriert ist.

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (15) ein Oxidationskata lysator ist.

30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (15) ein Reduktionskata lysator ist.

31. Vorrichtung nach Anspruch 20 bis 30, dadurch gekennzeich net, daß das Steuergerät (4) mit einer Warneinrichtung ver bunden ist, mittels der eine unzureichende Funktionsfähigkeit des Katalysators (15) angezeigt wird.

32. Vorrichtung nach Anspruch 20 bis 31, dadurch gekennzeich net, daß das Steuergerät (4) einen Speicher aufweist, der bei der Wartung der Brennkraftmaschine (1) auslesbar ist und in dem das Auftreten einer ungenügenden Funktion des Katalysa tors (15) abspeicherbar ist.