DE3841685C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung des Zustandes von Katalysatoren nach dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1.

Aus der DE-OS 27 58 835 ist eine Meßfühleranordnung zur Überwachung der Funktionsfähigkeit von Abgaskatalysatoren bekannt, die zwei mit Abstand voneinander angeordnete und durch ein Katalysatorvolumen voneinander getrennte Meßfüh­ ler aufweist. Die uneingeschränkte Funktionsfähigkeit eines Katalysators wird dann erkannt, wenn zwischen den beiden Meßfühlern keine Potentialdifferenz auftritt, das heißt wenn an beiden Meßfühlern der gleiche Sauerstoffpar­ tialdruck herrscht. Dies kann jedoch nur erreicht werden, wenn der von den unbehandelten Abgasen umspülte, am strom­ aufwärtigen Teil des Katalysators angeordnete, Meßfühler eine äußerste, katalytisch aktive Schicht aufweist, die dafür sorgt, daß die Dreiphasengrenze dieses Meßfühlers durch die um den Meßfühler angeordnete Gas-Diffusionszone hindurch nur von solchem Abgas erreicht wird, das in seinem Sauerstoffgehalt dem Gasgleichgewicht bei der be­ treffenden Abgastemperatur entspricht. Diese bekannte An­ ordnung weist dabei also den Nachteil auf, daß zur Über­ wachung der Funktionsfähigkeit des Katalysators zwei un­ terschiedliche, speziell ausgestaltete Meßfühler benötigt werden.

Auch die DE-OS 34 43 649 beinhaltet ein Verfahren zur Über­ prüfung der Katalysatorfunktion mit Hilfe zweier Lambda­ sonden, die im Abstand voneinander angeordnet sind. Bei diesem Verfahren werden die sich einstellenden Regelfre­ quenzen an den beiden Sonden ermittelt, ihr Quotient ge­ bildet und dieser mit einem zuvor bestimmten Sollwert ver­ glichen. Dieses Verfahren kann jedoch nur unter Einhaltung konstanter Motorbetriebsbedingungen im Stationärbetrieb durchgeführt werden, also nicht während eines regulären Fahrbetriebs und kann daher auch nicht für Eingriffe in die Regelung verwendet werden.

Die DE-OS 35 27 175 hat zwar ebenfalls die Erkennung der Funktionsfähigkeit eines Abgaskatalysators zur Aufgabe, ist jedoch auch nicht für einen Einsatz im instationären Betrieb geeignet, insbesondere durch die bei jedem Wechsel des Kraftstoff-Luft-Gemischs von fett nach mager und umge­ kehrt erfolgende verzögerte Umschaltung des Kraftstoff- Luft-Verhältnisses und die damit verbundenen schlechten Abgaswerte.

Auch die DE-OS 37 10 268 zeigt ein Verfahren zur Funktions­ überwachung von Katalysatoren. Zum Einsatz kommen hier jedoch anstelle von Abgasmeßsonden zwei Sensoren zur Mes­ sung der Wärmeenergie an unterschiedlichen Orten, woraus nach Differenzbildung eine Aussage über den Zustand des Katalysators getroffen werden kann. Die so gewonnene Dif­ ferenzgröße läßt jedoch keinerlei die Regelung des Kraft­ stoff-Luft-Gemischs an den geänderten Katalysatorzustand anpassende Regeleingriffe zu.

In der US-PS 47 61 950 ist ein Abgassystem mit je einer Lambdasonde stromauf und stromab eines Katalysators be­ schrieben. Durch Bildung eines Mittelwertes des Kraft­ stoff-Luft-Verhältnisses als Korrekturfaktor für jeden Betriebsbereich kann das tatsächliche Kraftstoff-Luft-Ver­ hältnis optimiert werden. Das Verfahren dient jedoch aus­ schließlich zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs, der Fahrbarkeit und der Abgascharakteristik einer Brennkraft­ maschine. Es ist jedoch nicht möglich, eine Erkennung des Katalysatorzustandes zu erreichen und das Kraftstoff- Luft-Verhältnis an eine geänderte Katalysatoraktivität entsprechend der Katalysatoraktivität anzupassen.

Durch die in der US-PS 47 20 973 aufgeführten Maßnahmen soll das Antwortverhalten eines mit zwei Lambdasonden aus­ gestatteten Abgassystems trotz einer eventuellen Ver­ schlechterung des Antwortverhaltens der stromaufwärtigen Lambdasonde verbessert werden. Es ist jedoch nicht mög­ lich, mit den in der US-PS beschriebenen Maßnahmen den Katalysator selbst betreffend seiner Funktionsfähigkeit zu überprüfen und entsprechend das der Brennkraftmaschine zugeführte Kraftstoff-Luft-Gemisch zu bemessen.

Gemäß dem in der Entgegenhaltung US-PS 47 07 985 beschrie­ benen Verfahren wird in Abhängigkeit von einem ermittelten Korrekturwert für das einzustellende Kraftstoff-Luft-Ver­ hältnis zur Optimierung desselben eine Lernfunktion frei­ gegeben bzw. gesperrt. Eine Untersuchung des Aktivitätszu­ standes des Katalysators und eine Anpassung des Kraft­ stoff-Luft-Verhältnisses an denselben ist hierbei aber nicht vorgesehen. Gleiches gilt auch für die US-PS 47 07 984, bei der eine Korrektur des tatsächlichen Kraft­ stoff-Luft-Verhältnisses über das Ausgangssignal der strom­ abwärtigen Lambdasonde in Abhängigkeit von der Kühlwasser­ temperatur vorgenommen wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ausgehend von der DE-OS 27 58 835 den Alterungszustand eines Katalysators zu erfassen und das Kraftstoff-Luft-Verhältnis entsprechend der erkannten Aktivität des Katalysators anzupassen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeich­ nenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale ge­ löst. Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.

Im Katalysatorvolumen sind räumlich voneinander getrennt zwei Sonden zur Erfassung der Abgaszusammensetzung vorgesehen. Üblicherweise handelt es sich dabei um Sauer­ stoffsonden, mit deren Hilfe ein Übergang von einem fetten zu einem mageren Kraftstoff/Luft-Verhältnis und umgekehrt erkannt wird. Durch die räumlich getrennte Anordnung der beiden Sonden ergibt sich bei der Abgasmessung ein zeit­ licher Verzug zwischen den beiden Sondensignalen. Dieser zeitliche Verzug, d.h. die Phasenverschiebung zwischen den beiden Sondensignalen ist ein Maß für die Aktivität des Katalysators und somit für seinen Alterungszustand, der die Konvertierungsrate des Katalysators beeinflußt. Das Ergebnis der Messung der Phasenverschiebung wird als zu­ sätzlicher Eingabeparameter für die herkömmliche Regelung verwendet und ermöglicht so laufzeitabhängige Regelungs­ eingriffe.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sei nachstehend an­ hand der Zeichnung beschrieben.

Die einzige Figur zeigt schematisch einen Katalysator 1, der in einem Gehäuse 2 angeordnet ist. Am stromaufwärtigen Ende 3 strömt Abgas 4 in Pfeilrichtung von einer hier nicht gezeigten Brennkraftmaschine kommend in den Kataly­ sator 1 ein. Nach Durchlaufen des gesamten Katalysatorvo­ lumens verläßt das nunmehr gereinigte Abgas 5 den Kataly­ sator 1 am stromabwärtigen Ende 6 und gelangt von dort in Pfeilrichtung in ein hier ebenfalls nicht gezeigtes Aus­ puffsystem.

Beim Durchlaufen des Katalysators 1 strömt das Abgas an den beiden Sauerstoffsonden 7 und 8 vorbei, die in bekann­ ter Weise dann eine sprunghafte Änderung ihrer Ausgangs­ spannung aufweisen, wenn ein Wechsel des Kraftstoff/Luft- Verhältnisses von fett nach mager bzw. umgekehrt festge­ stellt wird. Durch die räumlich getrennte Anordnung dieser beiden Sonden 7 und 8 wird ein derartiger Wechsel im Kraft­ stoff/Luft-Verhältnis von der stromabwärtigen Sonde 8 zwangsläufig später festgestellt als von der stromaufwär­ tigen Sonde 7. Dies bedingt einen zeitlichen Verzug in der Signalabgabe der Sonde 8 gegenüber der Sonde 7, der in einer Auswerteeinheit 9 als Phasenverschiebungssignal aus­ gewertet wird. Der Betrag der Phasenverschiebung ist ein Maß für den Aktivitätszustand und damit also der Alterung des Katalysators 1. Das Ergebnis 10 der Phasenverschie­ bungsmessung kann dann als Eingabeparameter für laufzeit­ abhängige Eingriffe in die hier nicht dargestellte Rege­ lung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses verwendet werden und somit können alterungsbedingte Verschlechterungen des Konvertierungsgrades des Katalysators 1 ausgeglichen wer­ den.

Besonders vorteilhaft erweist sich das erfindungsgemäße Verfahren im Zusammenwirken mit einem Regelungsverfahren, bei dem auf das Kraftstoff/Luft-Verhältnis eine periodi­ sche Schwingung aufgeprägt ist. Über eine Erhöhung der Frequenz dieser aufgeprägten Schwingung in Abhängigkeit vom Phasenverschiebungssignal 10 kann die Regelfrequenz des Systems erhöht werden und es lassen sich - wie oben schon gezeigt - alterungsbedingte Verschlechterungen des Konvertierungsgrades des Katalysators 1 ausgleichen. Be­ sonders zweckmäßig ist dabei die Verwendung einer sinus­ förmigen aufgeprägten Schwingung, da die Sinusform durch die Übertragungsfunktion des Katalysators 1, der ein Ver­ zögerungsglied darstellt und Tiefpaßverhalten aufweist, nicht verzerrt wird, sondern nur die Amplitude dieser Schwingung gedämpft wird. Auf diese Weise ist eine beson­ ders einfache Auswertung der Meßergebnisse an den Sonden 7 und 8 gegeben.

In einer günstigen Ausführungsform beträgt das zwischen den beiden Sonden 7 und 8 befindliche Katalysatorvolumen etwa 10% bis 30% des Gesamtkatalysatorvolumens. Ein größe­ res dazwischen liegendes Katalysatorvolumen verbessert zwar prinzipiell die Erkennung der Alterung, verschlech­ tert jedoch in gleichem Maße die Erkennbarkeit der Signale und ihre Zuordnung zueinander aufgrund der Verschleifung der Signale durch die Tiefpaßeigenschaft eines Katalysa­ tors. Besonders günstig wird die Aussage über den Alte­ rungszustand des Katalysators 1 für den Fall, daß das zwi­ schen den Sonden 7 und 8 befindliche Katalysatorvolumen das Vorderstück, d.h. das stromaufwärtige, thermisch hoch belastete Ende des Katalysators 1 ist.

Claims (3)

1. Verfahren zur Erkennung des Zustandes von Katalysatoren bei Brennkraftmaschinen mit einem im Abgasweg angeordneten Katalysator und zwei mit Abstand voneinander angeordneten, durch ein dazwischen liegendes Katalysatorvolumen räumlich getrennten Abgasmeßsonden, von denen das der Brennkraft­ maschine zugeführte Kraftstoff/Luft-Gemisch in Abhängig­ keit von der erkannten Abgaszusammensetzung in einer Regel­ einheit auf einen stöchiometrischen Wert geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung zwischen den Signalen der Abgas­ meßsonden (7, 8) erfaßt wird und als Maß für den Alterungs­ zustand des Katalysators (1) in der Regeleinheit ausgewer­ tet wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen den Abgasmeßsonden (7, 8) liegende Kata­ lysatorvolumen zwischen 10% und 30% des Gesamtkatalysator­ volumens beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen den Abgasmeßsonden (7, 8) liegende Kata­ lysatorvolumen am stromaufwärtigen Ende des Katalysators (1) angeordnet ist.