DE4201136C2 - Verfahren zur Überwachung einer katalytischen Abgasreinigungsanlage eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer katalytischen Abgasreinigungsan­ lage eines Verbrennungsmotors, ins besondere bei Kraftfahrzeugen.

Im Zuge der immer strenger werdenden Vorschriften über die zulässigen Emissionen von Schadstoffen bei Abgasen werden die Abgasreinigungsanlagen bei Kraftfahrzeugen immer weiter verbessert. Inzwischen werden vielfach Systeme eingesetzt, bei denen ein erster katalytischer Konverter, ein sogenannter Vorkatalysa­ tor, motornah eingesetzt wird, der insbesondere in der Kaltstartphase des Fahrzeuges schnell für eine genü­ gende Umsetzung von Schadstoffen sorgen kann. Die­ sem Vorkatalysator wird ein meist größerer weiterer katalytischer Konverter nachgeschaltet, ein sogenann­ ter Hauptkatalysator, welcher im Normalbetrieb für ei­ ne möglichst vollständige Entgiftung der Abgase, soweit diese nicht bereits im Vorkatalysator umgesetzt werden, sorgt.

Natürlich ist es wünschenswert und in einigen Län­ dein sogar vorgeschrieben, die Funktionsfähigkeit der katalytischen Abgasreinigungsanlage zu überwachen, damit sich der Schadstoffausstoß nicht unbemerkt er­ höht.

Hierzu ist bereits bekannt, insbesondere aus der WO 91/14 855 und der WO 91/14 856, einen Katalysator mit­ tels Temperaturfühlern während des Betriebes zu über­ wachen.

Aus der WO 91/14855 ist auch bekannt, daß zur Überwachung der Funktionsfähigkeit einer katalytischen Abgasreinigungsanlage Temperaturmessungen herangezogen werden können, wobei die Meßwerte selbst, Differenzen zwischen Temperaturmeßwerten, und/oder deren zeitliches Verhalten zur Überwachung herangezogen werden können. Aus dieser Schrift ist es auch bekannt, daß solche Meßwerte mit Daten aus der Motorelektronik verknüpft werden, um die Genauigkeit der Überwachung zu erhöhen.

Für Abgasanlagen mit einem Hauptkatalysator ist aus der DE-OS 26 43 739 ebenfalls bekannt, an mehreren Stellen einer Abgasreinigungsanlage Temperaturen zu messen und die Meßwerte und/oder deren zeitliche Verläufe und/oder deren Korrelation zur Feststellung der katalytischen Aktivität heranzuziehen.

Da, wie sich inzwischen herausgestellt hat, zur Einhal­ tung von strengen Abgasbestimmungen die Funktions­ fähigkeit des Vorkatalysators von entscheidender Be­ deutung ist, sollte auch für diese die Möglichkeit einer Überwachung geschaffen werden. Bisher ist man davon ausgegangen, daß die integrale Überwachung des ge­ samten Abgassystemes oder die Überwachung des Hauptkatalysators ausreicht. Tatsächlich sind jedoch Vorkatalysatoren meist höher belastet als Hauptkataly­ satoren, so daß die Funktionsfähigkeit des ganzen Sy­ stems eher durch die Lebensdauer der Vorkatalysatoren als der Hauptkatalysatoren begrenzt ist. Auch sind die Vorgänge im Vorkatalysator wesentlich transienter und instationärer als im Hauptkatalysator, da der Vorkataly­ sator mit seiner wenn auch geringen Wärmekapazität auf Temperaturschwankungen des Abgases wie ein Tiefpaßfilter wirkt. Bei geeigneter Auswertung der Si­ gnale kann daher die Überwachung von Vorkatalysato­ ren zu sehr präzisen Aussagen über dessen Funktionsfä­ higkeit und gegebenenfalls sogar zur Gewinnung von für die Motorsteuerung wichtigen Daten genutzt wer­ den.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe dient daher aus­ gehend von der WO 91/14 855 ein Verfahren zur Über­ wachung einer katalytischen Abgasreinigungsanlage ei­ nes Verbrennungsmotors, insbesondere bei Kraftfahr­ zeugen, enthaltend mindestens einen Vorkatalysator und mindestens einen mit Abstand dazu angeordneten Hauptkatalysator, welche durch einen Zwischenab­ schnitt der Abgasleitung strömungsmäßig hintereinan­ dergeschaltet sind, wobei die Überwachung mittels Temperaturmessung an einer oder mehreren Stellen der Abgasreinigungsanlage und Auswertung der Tempera­ turmeßwerte und/oder deren zeitlicher Verläufe und/ oder deren Korrelation erfolgt, wobei weiter minde­ stens eine Temperaturmessung direkt im Vorkatalysa­ tor erfolgt und separat für den Vorkatalysator eine Aus­ wertung und Überwachung vorgenommen wird. Durch diese Maßnahmen wird einerseits die Überwachung der Abgasreinigungsanlage besonders umfassend, da auch das in der Kaltstartphase wichtigste und wegen der mo­ tornahen Lage empfindlichste Teil mitüberwacht wird, andererseits können zusätzliche Informationen über den Betriebszustand des Motors mit großer Empfind­ lichkeit gewonnen werden.

Entsprechend den aus dem Stand der Technik be­ kannten Gründen ist es sinnvoll, mindestens zwei Tem­ peraturmessungen im Vorkatalysator durchzuführen. Dies ist nicht zwingend, da u. U. ein weiterer stromab im Abgassystem angeordneter Temperaturfühler mit zur Auswertung herangezogen werden kann, jedoch er­ scheint es sinnvoll, direkt im Vorkatalysator in zwei Be­ reichen die Temperatur zu ermitteln und entsprechend den bekannten Verfahren auszuwerten.

Dabei ist es auch möglich, daß mindestens eine der Temperaturmessungen im Vorkatalysator eine integra­ le Temperatur über mindestens einen Teil der axialen Länge des Vorkatalysators ermittelt. Schon eine so er­ mittelte Temperatur allein gestattet eine Aussage über die Funktionsfähigkeit des Katalysators, wenn sie ins Verhältnis zu einer an einem neuen Vorkatalysator auf­ genommenen Temperatur bei entsprechenden Betriebs­ bedingungen gesetzt wird. Vorkatalysatoren altern auf­ grund der thermischen Belastung, so daß sie möglicher­ weise am Ende ihrer Lebensdauer nicht mehr in ihrem ganzen Bereich katalytisch aktiv sind und damit exo­ therme Reaktionen auslösen, sondern nur noch in einem hinteren Teilbereich. Dies würde sich durch eine niedri­ gere integrale Temperatur des Vorkatalysators bei ei­ ner Messung über die axiale Länge auswirken. Günstig kann es auch sein, eine Messung über die axiale Länge mit einer weiteren Temperaturmessung in einem be­ stimmten Bereich des Vorkatalysators zu kombinieren und beide Messungen gemeinsam auszuwerten.

Wie im Stand der Technik bereits erläutert, ist es sinnvoll, Temperaturmessungen integral über einen et­ wa repräsentativen Teil des Querschnitts des Vorkataly­ sators durchzuführen, um über den Querschnitt un­ gleichmäßige Temperaturprofile nicht falsch zu bewer­ ten. Dies ist insbesondere bei den Anströmungsbedin­ gungen und dem transienten Verhalten von Vorkataly­ satoren besonders wichtig.

Für den Fall, daß außer dem Vorkatalysator auch der Hauptkatalysator durch Temperaturmessungen über­ wacht wird, kann es besonders günstig sein, für beide Überwachungen die Temperaturmeßwerte abwech­ selnd der gleichen Auswerteelektronik zuzuführen, um unnötige Bauteile zu vermeiden.

Grundsätzlich ist es für die richtige Interpretation der Temperaturmeßwerte vorteilhaft, auch Daten über die Betriebszustände des Verbrennungsmotors aus dessen Motorsteuerung in der Auswerteelektronik mit zu ver­ werten. So sollten beispielsweise die Meßwerte für Drehzahl, Motortemperatur, Stellung der Drosselklap­ pe etc. der Auswerteelektronik über Datenleitungen zu­ geleitet werden.

Auch die umgekehrte Verbindung, zur eventuellen Verwertung der Überwachungsergebnisse in der Mo­ torsteuerung kann sinnvoll sein, so beispielsweise zur Einleitung von Schutzmaßnahmen für den Vorkatalysa­ tor gegen Überhitzung.

Eine entsprechende erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung einer katalytischen Abgasreinigungs­ anlage eines von einer Motorsteuerung gesteuerten Verbrennungsmotor, insbesondere bei Kraftfahrzeu­ gen, enthält mindestens einen Vorkatalysator mit min­ destens einem darin angeordneten Temperaturfühler, mindestens einen vom Vorkatalysator durch einen Zwi­ schenabschnitt der Abgasleitung getrennten Hauptka­ talysator, der ebenfalls einen oder mehrere Temperatur­ fühler enthalten kann, und eine Auswerteelektronik, mit der alle Temperaturfühler über Meßleitungen verbun­ den sind und welche ihrerseits mit einer Anzeige über den Funktionszustand der Abgasreinigungsanlage ver­ bunden ist. Einzelheiten der Vorrichtung werden an­ hand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung erläu­ tert. Bevorzugt werden dabei zwei Temperaturfühler im Vorkatalysator, von denen einer ein über mindestens einen Teil der axialen Länge des Vorkatalysators inte­ gral messender Temperaturfühler sein kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, in der die Richtung des Abgases durch einen Pfeil angedeutet ist.

Ein Vorkatalysator 1 ist einem Hauptkatalysator 2 vorgeschaltet und mit diesem über einen Zwischenab­ schnitt 3 der Abgasleitung verbunden. Dabei kann so­ wohl der Vorkatalysator 1 wie der Hauptkatalysator 2 jeweils einer von zweien oder mehreren sein, was für die vorliegende Erfindung keine entscheidende Rolle spielt. Sind jeweils mehrere vorhanden, so können diese den­ noch mit einer gemeinsamen Auswerteelektronik ver­ bunden sein. Sowohl Vorkatalysator 1 wie Hauptkataly­ sator 2 bestehen aus bekannten Wabenkörpern mit ei­ ner Vielzahl von für das Abgas durchströmbaren Kanä­ len und enthalten die katalytisch aktive Substanz in ei­ ner keramischen Beschichtung. Bevorzugt können Vor­ katalysator 1 und Hauptkatalysator 2 metallische Trä­ gerkörper aus strukturierten Blechlagen haben, jedoch sind auch keramische Wabenkörper möglich.

Erfindungsgemäß sind im Vorkatalysator Tempera­ turfühler 4, 5, 6 angeordnet, welche über Meßleitungen 14, 15, 16 mit einer Auswerteelektronik 8 verbunden sind. Vorzugsweise weist der Vorkatalysator minde­ stens zwei der drei dargestellten Temperaturfühler 4, 5, 6 auf, beispielsweise einen vorderen Temperaturfühler 4, und einen hinteren Temperaturfühler 5, welche beide integral über einen repräsentativen Teil der Quer­ schnittsfläche in ihrem Bereich messen. Zusätzlich oder alternativ zu einem der beiden in Querschnittsbereichen messenden Temperaturfühlern 4, 5 kann ein über zu­ mindest einen Teil der axialen Länge des Vorkatalysa­ tors 1 integral messender Längstemperaturfühler 6 vor­ handen sein.

Falls auch der Hauptkatalysator 2 überwacht werden soll, kann dieser ebenfalls Temperaturfühler 7, welche über Meßleitungen 17 mit der Auswerteelektronik 8 verbunden sind, aufweisen. Die Auswerteelektronik 8 steht mit einer Anzeige 9 in Verbindung, welche eine Kontrollampe ein Meßinstrument oder dergleichen sein kann, wobei als Anzeige im weitesten Sinn auch die Speicherung für eine spätere Diagnose oder akustische Warnsignale und ähnliches gelten. Zusätzlich kann die Auswerteelektronik 8 über Datenleitungen 11, 12 mit der Motorsteuerung 10 in Verbindung stehen, um einer­ seits Informationen über den Betriebszustand des Mo­ tors über Zuleitungen 11 für die Auswertung der Tem­ peraturmessungen zu erhalten und andererseits über Ableitungen 12 Auswertungsergebnisse an die Motor­ steuerung 10 weitergeben zu können.

Erfindungsgemäßes Verfahren und die zugehörige Vorrichtung eignen sich zur Betriebsüberwachung der Erfüllung auch der strengsten Abgasbestimmungen und zur Sicherstellung, daß Funktionsstörungen in der Ab­ gasreinigungsanlage frühzeitig erkannt und beseitigt werden können.

Claims (10)

1. Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit einer katalytischen Abgasreinigungsanlage eines Verbrennungsmotors, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, enthaltend mindestens einen Vorkatalysator (1) und mindestens einen mit Abstand dazu angeordneten Hauptkatalysator (2), welche durch einen Zwischenabschnitt (3) der Abgasleitung strömungsmäßig hintereinandergeschaltet sind, wobei die Überwachung durch Temperaturmessung mittels Temperaturfühler(n) (z. B. 4, 5, 6, 7) an einer oder mehreren Stellen der Abgasreinigungsanlage und Auswertung der Temperaturmeßwerte und/oder deren zeitlicher Verläufe und/oder deren Korrelation zur Feststellung der katalytischen Aktivität erfolgt, wobei weiter mindestens eine Temperaturmessung (z. B. 4, 5 und/oder 6) direkt im Vorkatalysator (1) erfolgt und separat für den Vorkatalysator (1) eine Auswertung (8) und Überwachung (9) in einer Auswerteelektronik (8) vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Temperaturmessungen (4, 5, 6) im Vorkatalysator (1) erfolgen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Temperaturmessungen eine integrale Temperatur über mindestens einen Teil der axialen Länge des Vorkatalysators (1) ermittelt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Temperaturmessungen eine integrale Temperatur über einen etwa repräsentativen Teil des Querschnitts des Vorkatalysators (1) ermittelt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auch der Hauptkatalysator (2) durch Temperaturmessungen und deren Auswertung überwacht wird, dadurch gekennzeichnet, daß für beide Überwachungen Temperaturmeßwerte aus Vor- (1) und Hauptkatalysator (2) abwechselnd der gleichen Auswerteelektronik (8) zugeführt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswerteelektronik (8) auch Daten über den Betriebszustand des Verbrennungsmotors aus der Motorsteuerung (10) zugeleitet (11) werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsergebnisse von der Auswerteelektronik (8) der Motorsteuerung (10) zugeleitet (12) werden.

8. Vorrichtung zur Überwachung der Funktionsfähigkeit einer katalytischen Abgasreini­ gungsanlage eines von einer Motorsteuerung (10) gesteuerten Verbrennungsmotors, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, enthal­ tend mindestens einen Vorkatalysator (1) mit mindestens einem darin angeordneten Temperaturfühler (z. B. 4, 5 und/oder 6), mindestens einen vom Vorkatalysator (1) durch einen Zwischenabschnitt (3) der Abgasleitung getrennten Hauptkatalysator (12), der eben­ falls einen (7) oder mehrere Temperaturfühler enthalten kann, und eine Auswerteelektronik (8), mit der alle Temperaturfühler (4, 5, 6 und/oder 7) über Meßleitungen (14, 15, 16 und/oder 17) verbunden sind und welche ihrerseits mit einer Anzeige (9) über den Funktionszustand der Abgasreinigungsanlage verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Temperatur­ fühler (z. B. 4, 5 und/oder 6) im Vorkatalysator (1) vorhanden sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Temperaturfühler (4, 5 oder 6) ein über mindestens einen Teil der axialen Länge des Vorkatalysators (1) messender Temperaturfühler ist.