DE4201136A1 - Verfahren zur ueberwachung einer katalytischen abgasreinigungsanlage eines verbrennungsmotors - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer katalytischen Abgasreinigungsanlage eines Verbrennungsmotors, insbesondere 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 Vorkatalysator, motornah eingesetzt wird, der insbesondere in der Kaltstartphase des Fahrzeuges schnell für eine genügende Umsetzung von Schadstoffen sorgen kann. Diesem Vorkatalysator wird ein meist größerer weiterer katalytischer Konverter nachgeschaltet, ein sogenannter Hauptkatalysator, welcher im Normalbetrieb für eine möglichst vollständige Entgiftung der Abgase, soweit diese nicht bereits im Vorkatalysator umgesetzt werden, sorgt.

Natürlich ist es wünschenswert und in einigen Ländern sogar vorgeschrieben, die Funktionsfähigkeit der katalytischen Abgasreinigungsanlage zu überwachen, damit sich der Schadstoffausstoß nicht unbemerkt erhöht.

Hierzu ist bereits bekannt, insbesondere aus der WO 91/14 855 und der WO 91/14 856, einen Katalysator mittels Temperatur­ fühlern während des Betriebes zu überwachen.

Da, wie sich inzwischen herausgestellt hat, zur Einhaltung von strengen Abgasbestimmungen die Funktionsfähigkeit des Vorkatalysators von entscheidender Bedeutung ist, sollte auch für diese die Möglichkeit einer Überwachung geschaffen werden. Bisher ist man davon ausgegangen, daß die integrale Überwachung des gesamten Abgassystemes oder die Überwachung des Hauptkatalysators ausreicht. Tatsächlich sind jedoch Vorkatalysatoren meist höher belastet als Hauptkatalysatoren, so daß die Funktionsfähigkeit des ganzen Systems eher durch die Lebensdauer der Vorkatalysatoren als der Hauptkataly­ satoren begrenzt ist. Auch sind die Vorgänge im Vorkatalysator wesentlich transienter und instationärer als im Hauptkataly­ sator, da der Vorkatalysator mit seiner wenn auch geringen Wärmekapazität auf Temperaturschwankungen des Abgases wie ein Tiefpaßfilter wirkt. Bei geeigneter Auswertung der Signale kann daher die Überwachung von Vorkatalysatoren zu sehr präzisen Aussagen über dessen Funktionsfähigkeit und gegebenenfalls sogar zur Gewinnung von für die Motorsteuerung wichtigen Daten genutzt werden.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe dient daher ausgehend von der WO 91/14 855 ein Verfahren zur Überwachung einer katalytischen Abgasreinigungsanlage eines Verbrennungsmotors, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, enthaltend mindestens einen Vorkatalysator und mindestens einen mit Abstand dazu angeord­ neten Hauptkatalysator, welche durch einen Zwischenabschnitt der Abgasleitung strömungsmäßig hintereinandergeschaltet sind, wobei die Überwachung mittels Temperaturmessung an einer oder mehreren Stellen der Abgasreinigungsanlage und Auswertung der Temperaturmeßwerte und/oder deren zeitlicher Verläufe und/oder deren Korrelation erfolgt, wobei weiter mindestens eine Temperaturmessung direkt im Vorkatalysator erfolgt und separat für den Vorkatalysator eine Auswertung 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 motornahen Lage empfindlichste Teil mitüberwacht wird, andererseits können zusätzliche Informationen über den Betriebszustand des Motors mit großer Empfindlichkeit gewonnen werden.

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

Dabei ist es auch möglich, daß mindestens eine der Temperaturmessungen im Vorkatalysator eine integrale Temperatur über mindestens einen Teil der axialen Länge des Vorkatalysators ermittelt. Schon eine so ermittelte Temperatur allein gestattet eine Aussage über die Funktionsfähigkeit des Katalysators, wenn sie ins Verhältnis zu einer an einem neuen Vorkatalysator aufgenommenen Temperatur bei entsprechenden Betriebsbedingungen gesetzt wird. Vorkatalysatoren altern aufgrund der thermischen Belastung, so daß sie möglicherweise am Ende ihrer Lebensdauer nicht mehr in ihrem ganzen Bereich katalytisch aktiv sind und damit exotherme Reaktionen auslösen, sondern nur noch in einem hinteren Teilbereich. Dies würde sich durch eine niedrigere integrale Temperatur des Vorkatalysators bei einer Messung über die axiale Länge auswirken. Günstig kann es auch sein, eine Messung über die axiale Länge mit einer weiteren Temperaturmessung in einem bestimmten Bereich des Vorkatalysators zu kombinieren und beide Messungen gemeinsam auszuwerten.

Wie im Stand der Technik bereits erläutert, ist es sinnvoll, Temperaturmessungen integral über einen etwa repräsentativen Teil des Querschnitts des Vorkatalysators durchzuführen, um über den Querschnitt ungleichmäßige Temperaturprofile nicht falsch zu bewerten. Dies ist insbesondere bei den Anströmungsbedingungen und dem transienten Verhalten von Vorkatalysatoren besonders wichtig.

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

Grundsätzlich ist es für die richtige Interpretation der Temperaturmeßwerte vorteilhaft, auch Daten über die Betriebs­ zustände des Verbrennungsmotors aus dessen Motorsteuerung in der Auswerteelektronik mit zu verwerten. So sollten beispielsweise die Meßwerte für Drehzahl, Motortemperatur, Stellung der Drosselklappe etc. der Auswerteelektronik über Datenleitungen zugeleitet werden.

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

Eine entsprechende erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung einer katalytischen Abgasreinigungsanlage eines von einer Motorsteuerung gesteuerten Verbrennungsmotor, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, enthält mindestens einen Vorkatalysator mit mindestens einem darin angeordneten Temperaturfühler, mindestens einen vom Vorkatalysator durch einen Zwischenabschnitt der Abgasleitung getrennten Hauptkatalysator, der ebenfalls einen oder mehrere Temperaturfühler enthalten kann, und eine Auswerteelektronik, mit der alle Temperaturfühler über Meßleitungen verbunden sind und welche ihrerseits mit einer Anzeige über den Funktions­ zustand der Abgasreinigungsanlage verbunden ist. Einzelheiten der Vorrichtung werden anhand eines Ausführunsbeispiels in der Zeichnung erläutert. Bevorzugt werden dabei zwei Temperaturfühler im Vorkatalysator, von denen einer ein über mindestens einen Teil der axialen Länge des Vorkatalysators integral 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 Zwischenabschnitt 3 der Abgasleitung verbunden. Dabei kann sowohl 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 dennoch mit einer gemeinsamen Auswerteelektronik verbunden sein. Sowohl Vorkatalysator 1 wie Hauptkatalysator 2 bestehen aus bekannten Wabenkörpern mit einer Vielzahl von für das Abgas durchströmbaren Kanälen und enthalten die katalytisch aktive Substanz in einer keramischen Beschichtung. Bevorzugt können Vorkatalysator 1 und Hauptkatalysator 2 metallische Trägerkörper aus strukturierten Blechlagen haben, jedoch sind auch keramische Wabenkörper möglich.

Erfindungsgemäß sind im Vorkatalysator Temperaturfühler 4, 5, 6 angeordnet, welche über Meßleitungen 14, 15, 16 mit einer Auswerteelektronik 8 verbunden sind. Vorzugsweise weist der Vorkatalysator mindestens 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 Querschnittsfläche in ihrem Bereich messen. Zusätzlich oder alternativ zu einem der beiden in Querschnittsbereichen messenden Temperaturfühlern 4, 5 kann ein über zumindest einen Teil der axialen Länge des Vorkatalysators 1 integral messender Längstemperaturfühler 6 vorhanden 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 einerseits Informationen über den Betriebszustand des Motors über Zuleitungen 11 für die Auswertung der Temperaturmessungen zu erhalten und andererseits über Ableitungen 12 Auswertungsergebnisse an die Motorsteuerung 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 Abgasreinigungsanlage frühzeitig erkannt und beseitigt werden können.

Claims (10)

1. Verfahren zur Überwachung einer katalytischen Abgasreini­ gungsanlage 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 mittels Temperaturmessung (4, 5, 6, 7) an einer oder mehreren Stellen der Abgasreinigungsanlage und Auswertung (8) der Temperaturmeßwerte und/oder deren zeitlicher Verläufe und/oder deren Korrelation erfolgt, wobei weiter mindestens eine Temperaturmessung (4, 5, 6) direkt im Vorkatalysator (1) erfolgt, und separat für den Vorkatalysator (1) eine Auswertung (8) und Überwachung (9) 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 (6) der Temperaturmessungen (4, 5, 6) 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 (4, 5) der Temperaturmessungen (4, 5, 6) 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 (7) und deren Auswertung (8) 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 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 (4, 5, 6), mindestens einen vom Vorkatalysator (1) durch einen Zwischenabschnitt (3) der Abgasleitung getrennten Hauptkatalysator (12), der eben­ falls einen oder mehrere Temperaturfühler (7) enthalten kann, und eine Auswerteelektronik (8), mit der alle Temperaturfühler (4, 5, 6, 7) über Meßleitungen (14, 15, 16, 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 (4, 5, 6) im Vorkatalysator (1) vorhanden sind.

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