DE3710268A1

DE3710268A1 - Verfahren zur funktionsueberwachung von katalysatoren

Info

Publication number: DE3710268A1
Application number: DE19873710268
Authority: DE
Inventors: Erich Praekelt
Original assignee: Phywe Systeme GmbH
Current assignee: Phywe Systeme GmbH
Priority date: 1987-03-28
Filing date: 1987-03-28
Publication date: 1988-10-06
Also published as: WO1988007622A1

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Funktionsüberwachung von Katalysatoren, indem eine Wärmeenergie an einem ersten Ort im Bereich des Katalysators bestimmt wird.

Solch ein Verfahren ist aus der DE-PS 24 06 073 bekannt. Dort wird eine Schaltungsanordnung beschrieben, die der Temperaturüberwachung an Katalysatoren für die Abgase von Kraftfahrzeugbrennkraftmaschinen dient. Solche Temperaturüberwachungen sind erforderlich, da im Betrieb der Katalysator überhitzt werden kann und dadurch zerstört wird. Die Schaltungsanordnung der DE-PS 24 06 073 ermöglicht die Bestimmung der Wärmeenergie an einem Ort, unabhängig von der Umgebungstemperatur. Bei Überschreiten einer bestimmten kritischen Temperatur wird eine Anzeigelampe zum Blinken gebracht, und dem Fahrer des Kraftfahrzeuges damit die Überhitzung des Katalysators signalisiert. Nachteilig ist, daß dem Fahrer die Störung des Katalysators erst nach Eintritt der Störung signalisiert wird und eine kontinuierliche Überwachung nicht vorgesehen ist. Weiterhin nachteilig wird nur die Überhitzung des Katalysators überwacht. Eine Funktionsüberwachung, d. h. eine Überwachung inwieweit der Katalysator seine Funktion der Abgasreinigung durchführt, ist mit dem Gegenstand der DE-PS 24 06 073 nicht möglich. Ein Alterungsprozeß des Katalysators oder ein Ausfall des Katalysators, aufgrund nicht temperaturbedingter Störungen, kommt nicht zur Anzeige.

Aus der DE-OS 22 22 498 ist ein Temperaturregler für eine katalytische Reaktionskammer bekannt. Diese wird durch einen Kühlstrom gekühlt, wobei die Kühlluftstrommenge im wesentlichen proportional zur Temperaturzunahme der Kammer geregelt wird.

Weiterhin ist aus der DE-OS 22 44 227 eine Vorrichtung bekannt, die bei erhöhter Katalysatortemperatur die Abgase von Kraftfahrzeugmotoren mittels einer Steuerung eines Bypassventils am katalytischen Auspufftopf vorbeileitet. Nachteilig bei dem Gegenstand dieser beiden Druckschriften ist wiederum, daß nur eine Temperaturüberwachung stattfindet. Eine Funktionsüberwachung findet nicht statt.

Weiterhin ist es in der KfZ-Technik bekannt, Fahrzeugemissionen nach verschiedenen Testvorschriften zu ermitteln, wobei diese Tests hauptsächlich auf einem Motorprüfstand angewendet werden. Dabei wird in der Regel mit gasanalytischen Verfahren der Konvertierungsgrad gemessen. Der Konvertierungsgrad, d.h. der prozentuale Umsatz wird aus den Konzentrationen der Eingangs- und Ausgangsprodukte ermittelt. Damit wird beispielsweise das Ansprungverhalten von Katalysatoren ermittelt, indem der Konvertierungsgrad in Abhängigkeit von der Abgastemperatur am Eintritt in den Katalysator gemessen wird. Solch ein gasanalytisches Verfahren erfordert einen großen und teuren apparativen Aufbau und kommt daher zum Einbau in ein Katalysatorsystem für eine dauernde Funktionsüberwachung nicht in Frage.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Funktionsüberwachung von Katalysatoren der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, daß die Funktion des Katalysators ständig überwacht wird, und daß das Verfahren preiswert ist und zuverlässig arbeitet, und sich somit für den Serieneinbau in Katalysatoren eignet.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Wärmeenergie mindestens auch an einem zweiten Ort im Bereich des Katalysators bestimmt wird, daß zwischen dem ersten Ort und dem zweiten Ort der katalytische Prozeß zumindest teilweise abläuft, daß die beiden Wärmeenergien miteinander in Vergleich gesetzt werden, daß aus diesem Vergleich eine Steuergröße gebildet wird und daß diese Steuergröße ausgewertet wird. Die Wirkungsweise des Katalysators beruht darauf, daß die Energieschwellen für die Einleitung von Oxydations- und Reduktionsvorgänge herabgesetzt werden. Im Katalysator laufen somit chemische Reaktionen ab, die exothermer oder endothermer Natur sind, d.h. sie verlaufen unter Freisetzung oder unter Verbrauch von Wärmeenergie. Bei gemischten Reaktionen, wie sie beispielsweise bei den heute bekannten Dreiweg-Katalysatoren für Kraftfahrzeuge auftreten, überwiegen die exothermen Reaktionen. Aufgrund dieser endothermen oder exothermen Reaktionen im Katalysator entsteht eine Differenz zwischen der Wärmeenergie des eintretenden Gases und der Wärmeenergie des aus dem Katalysator austretenden Gases. Durch Bestimmung der Wärmeenergien an zwei Orten, wobei der erste Ort vor dem katalytischen Prozeß und der zweite Ort nach dem katalytischen Prozeß liegt, ergeben sich somit zwei voneinander unterschiedliche Wärmeenergien, deren Größe zueinander in Vergleich gesetzt werden können, und woraus dann Rückschlüsse auf den Katalysator bezüglich seiner Wirksamkeit gezogen werden können. Eine ständige Funktionsüberwachung ist somit leicht möglich. Die ständige Funktionsüberwachung ist deshalb erforderlich, weil der Katalysator durch chemische Vergiftung, beispielsweise Blei, Phosphor oder Zink, durch thermische Alterung, also durch Abnahme der aktiben Oberfläche oder durch mechanische Vergiftung wie Abdeckung der aktiven Schicht altert und dadurch die Wirksamkeit des Katalysators erheblich reduziert wird bzw. der Katalysator seine Aufgabe, der Abgasreinigung überhaupt nicht mehr erfüllt. Weiterhin kann der Katalysator durch Überhitzung desaktiviert werden, ja sogar schmelzen. Alle diese Vorgänge können durch das Verfahren wirkungsvoll und kontinuierlich überwacht werden. Dieses Verfahren eignet sich zur Überwachung sämtlicher katalytischer Prozesse, wie bei Abgaskatalysatoren in Kraftfahrzeugen oder katalytischen Abgasentgiftungsanlagen beliebiger Art, beispielsweise an Heizunganlagen.

Die Bestimmung der Wärmeenergie kann vorteilhaft durch Temperaturmessung erfolgen. Temperaturmessungen sind leicht durchführbar, und die dafür benötigten Instrumente sind am Markt standardmäßig für relativ geringe Preise erhältlich. Mit diesen Instrumenten ist eine Temperaturmessung mit relativ hoher Genauigkeit möglich.

Vorteilhaft wird die Wärmeenergie des Gasstromes bestimmt. Damit wird erreicht, daß keine Wärmeleitungsverluste auftreten und die Bestimmung der Wärmeenergien verfälschen. Natürlich ist es auch möglich die Wärmeenergien des Katalysatorblocks, der Zu- und Ableitungsrohre unter beliebiger Kombinationen davon, zu bestimmen. Dabei wird jedoch der exotherme bzw. endotherme Prozeß nur indirekt gemessen. Die indirekte Messung, also die Messung inwieweit sich andere Teile aufgeheizt bzw. abgekühlt haben, kann die Genauigkeit des Verfahrens beeinträchtigen.

Die Steuergröße kann durch Differenzbildung zwischen der Temperatur in dem ersten Meßort und der Temperatur in dem zweiten Meßort bestimmt werden. Die Bildung der Steuergröße als Differenz zwischen der Temperatur in dem ersten Meßort und der Temperatur in dem zweiten Meßort läßt sich leicht mit am Markt befindlichen Elementen durchführen. Dieser Differenzwert hat sich für die weitere Auswertung bzw. Anzeige als besonders einfach und wirkungsvoll erwiesen.

Erfindungsgemäß sind bei der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mind. zwei Meßelemente, eine Auswerteeinheit zur Auswertung der Signale der Meßelemente und eine Anzeigeeinheit vorgesehen. Mit Hilfe der Meßelemente wird an einem Ort, der vor dem katalytischen Prozeß liegt und an einem Ort, der nach dem katalytischen Prozeß liegt, die Temperatur gemessen. Die beiden Signale der Meßelemente, werden einer Auswerteeinheit zur Verfügung gestellt die die Auswertung übernimmt und anschließend an eine Anzeigeneinheit weitergeleitet.

Als Meßelemente können zwei Thermoelemente vorgesehen sein, wobei die zwei Thermoelemente gegeneinander geschaltet sind. Thermoelemente eignen sich zur Messung von Temperaturen in besonderer Weise durch ihre schnelle Ansprechzeit auf Temperaturschwankungen, ihre billige Herstellung und der Möglichkeit, die aufgrund der Temperatur entstandene Thermospannung an beliebiger Stelle abzugreifen. Durch das Gegeneinanderschalten der Thermoelemente, d.h. die Verlegung der Kaltstelle der Thermoelemente an den jeweilig anderen Meßort, erspart man sich die Anordnung einer normalerweise erforderlichen Einrichtung zur Konstanthaltung der Kaltstelle der Thermoelemente.

Die zwei Meßelemente können auch aus einem Thermoelement bestehen, wobei an dem ersten Ort der Meßfühler des Thermoelements und an dem zweiten Ort die Kaltstelle des Thermoelements angeordnet ist. Durch diese Anordnung wird ein Thermoelement eingespart, ohne daß dabei die Genauigkeit der Messung beeinträchtigt wird.

Die Auswerteeinheit kann einen Operationsverstärker, einen A/D- Wandler und eine digitale Anzeigeeinheit und einen Schreiber aufweisen. Dieses sind alles Elemente, die im Handel käuflich erworben werden können und so zu einer billigen Vorrichtung beitragen. Dabei sind diese Elemente ausgereift und garantieren somit einen funktionssicheren Betrieb.

Vorteilhaft sind Wärmespeicher zur Vergrößerung der Wärmekapazität der Thermoelemente vorgesehen. Damit wird eine stabile Anzeige eines Mittelwertes erreicht.

Vorteilhaft ist für jedes Meßelement eine Befestigungsvorrichtung vorgesehen, wobei die einzelnen Befestigungsvorrichtungen die gleichen Wärmeverluste aufweisen. Damit wird der Temperaturabfall durch Wärmeleitungsverluste an beiden Meßstellen annähernd gleich gehalten, und damit wird eine zuverlässige und genaue Messung erzielt.

Die Erfindung wird anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen weiter beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung des Katalysators;

Fig. 2 einen Katalysator mit einer Auswerteeinheit;

Fig. 3 mögliche Orte, an denen die Wärmeenergie bestimmt werden kann.

Fig. 1 zeigt einen Katalysator 1 durch den ein Gas entsprechend einem Pfeil 2 einströmt und entsprechend einem Pfeil 3 wieder ausströmt. Der Katalysator 1 besitzt ein Zuleitungsrohr 4 und ein Ableitungsrohr 5. An dem Zuleitungsrohr 4 ist ein Thermoelement 6 und an dem Ableitungsrohr 5 ein Thermoelement 7 vorgesehen. Die Thermoelemente 6 und 7 sind mit Befestigungsvorrichtungen 8 an dem Zuleitungsrohr 4 bzw. am Ableitungsrohr 5 befestigt. Mittels den Thermoelementen 6 und 7 wird die Temperaturdifferenz, die sich zwischen dem in den Katalysator 1 einströmenden und dem den Katalysator 1 verlassenden Abgas gemessen. Das einströmende Gas wird im Katalysator 1 durch überwiegend exothermer Reaktion erwärmt, so daß es beim Austritt aus dem Katalysator 1 eine höhere Temperatur als beim Eintritt hat. Diese sich beim funktionierenden Katalysator 1 einstellende Temperaturdifferenz (Temperaturanstieg bei exothermen Reaktionen) wird vor und hinter dem Katalysator 1 mit zwei Thermoelementen 6 und 7 gemessen. Als Thermoelemente 6 und 7 können beispielsweise NiCr-Ni- Thermoelemente verwendet werden. Es ist jedoch natürlich auch möglich, die Temperatur mittels anderer Meßverfahren bzw. Meßmethoden zu ermitteln. Für Nachrüstungen für Katalysatoren werden die Thermoelemente mittels Befestigungsvorrichtungen 8 an dem Zuleitungsrohr 4 bzw. dem Ableitungsrohr 5 befestigt. Die Befestigungsvorrichtung 8 kann dabei als Aufnahmeplatte mit geeigneten Schellen bestehen. Nach dem Kaltstart des Motors erwärmt sich zunächst die Meßstelle im Zuleitungsrohr 4 rascher als im Ableitungsrohr 5, da das im Motor aufgeheizte Abgas Wärme an die kälteren Abgasrohre und den Katalysatorblock abgibt. Während dieser Phase wird an dem Thermoelement 7, welches mit dem Ableitungsrohr 5 in Verbindung steht, eine niedrigere Temperatur gemessen als an dem Thermoelement 6. Sobald der Katalysator 1 nach Erreichen der sogenannten Ansprungtemperatur zu arbeiten beginnt, nimmt das Abgas aufgrund der überwiegenden exothermen katalytischen Prozesse zusätzliche Wärmeenergie aus dem Katalysator 1 auf. Das führt dazu, daß sich das Vorzeichen der Temperaturdifferenz umkehrt. Die Temperatur an dem Ableitungsrohr 5 steigt über die Temperatur an dem Zuleitungsrohr 4 an. Diese Temperaturdifferenz dient als Maß für die Funktionstüchtigkeit des Katalysators 1.

Fig. 2 zeigt den Katalysator 1 mit seinem Zuleitungsrohr 4 und dem Ableitungsrohr 5 sowie mit seinen Thermoelementen 6 und 7. Die Thermoelemente 6 und 7 sind mit einer Auswerteeinheit 9 über die Eingänge 10 und 11 verbunden. Die Auswerteeinheit 9 beinhaltet einen Operationsverstärker 12, einen AD-Wandler 13, und eine digitale Anzeige 14. An einem Ausgang 15 der Auswerteeinheit 9 ist ein Schreiber 16 angeschlossen. Die Auswerteeinheit 9 erlaubt die Erfassung und Verarbeitung der gemessenen Temperaturen auf verschiedene Art und Weise. Dabei wird den Eingängen 10 und 11 der Auswerteeinheit 9 die Differenzthermospannung der gegeneinander geschalteten Thermoelemente 6 und 7 zugeführt. Die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Orten der Messung wird von einer digitalen Anzeige 14 angezeigt. Der an dieser Temperaturdifferenz proportionale Analogwert wird aus dem Ausgang 15 einem Schreiber 16 zugeführt. Testfahrten mit einem Meßsystem entsprechend Fig. 2 in einem PkW mit 66 KW- Motor und geregeltem Dreiwege Katalysator zeigten, daß sich bei betriebswarmem Motor an dem Ableitungsrohr 5 eine um mehr als 20 K höhere Temperatur einstellt als an dem Zuleitungsrohr 4. Weiterhin zeigte es sich, daß bei Kaltstart während der ersten Minuten eine negative Anzeige auftritt, also die Temperatur am Zuleitungsrohr 4 höher als am Ableitungsrohr 5 ist, da die für das Arbeiten des Katalysators 1 erforderliche Mindesttemperatur noch nicht erreicht wird. Es ist natürlich ebenso möglich eine einfache analoge oder digitale Temperaturdifferenzanzeige zu benutzen. Dies eignet sich besonders für den praktischen Einsatz in Kraftfahrzeugen. Die beiden Thermoelemente 6 und 7 werden an geeigneten Orten, in der Nähe des Katalysators 1, befestigt. Die Funktionsüberwachung des Katalysators 1 erfolgt durch Ablesen der Temperaturdifferenzanzeige. Sinkt die erreichte Temperaturdifferenz um einen bestimmten Wert ab, so ist eine Störung im Katalysatorsystem zu vermuten, deren Ursache z.B. durch eine genaue Abgasanalyse zu klären ist. Steigt die Temperaturdifferenz dagegen über die normalen fahrbetriebüblichen Werte an, so ist eine erhöhte Abgabe unverbrauchten Kraftstoffes durch den Motor zu vermuten, dessen Ursache beispielsweise Störungen in der Zündanlage sein können. Im Fall solcher Störungen steigt die Wärmeenergieabgabe im Katalysator erheblich an, was rasch zur Desaktivierung und Zerstörung des Katalysators 1 führen kann. Das hier vorgeschlagene Verfahren kann all solche Fehler erkennen, und die Abwendung der daraus resultierenden Folgeschäden an dem Katalysator 1 ermöglichen.

Fig. 3 zeigt verschiedene Orte zur Anbringung der Thermoelemente 6 und 7. Bei einer Nachrüstung werden die Fühler der Thermoelemente 6 und 7 sinnvollerweise außen an dem Zuleitungsrohr 4 und dem Ableitungsrohr 5 an dem Orten 17 und 18 anzuordnen sein. Eine Unterbringung ist auch in Bohrungen 19 und 20 in den Verbindungsflanschen 21 und 22 von Katalysator 1 und dem Zuleitungsrohr 4 bzw. dem Ableitungsrohr 5 möglich. In diesen Fällen ist jedoch zu beachten, daß durch Wärmeleitungsverluste eine Temperatur gemessen wird, die niedriger als die Abgastemperatur ist. Die beiden Meßfühler sollten daher thermisch möglichst symmetrisch angeordnet sein, um den Temperaturabfall durch Wärmeleitungsverluste an beiden Meßstellen annähernd gleich zu halten. Dies wird in der Praxis erreicht, wenn das Zuleitungsrohr 4 und das Ableitungsrohr 5 in Material und Wandstärke auf beiden Seiten des Katalysators 1 möglichst übereinstimmen und für die Befestigung des Fühlers identische Befestigungsvorrichtungen 8 benutzt werden. Bei der Anbringung der Fühler der Thermoelemente 6 und 7 in die Verbindungsflansche 21 und 22 sollten die Bohrungen 19 und 20 gleich tief sein. Bei Anordnung der Temperaturfühler der Thermoelemente 6 und 7 direkt im Abgasstrom treten keinerlei Wärmeleitungsverluste auf. Die Orte 23 und 24 an dem Zuleitungsrohr 4 und dem Ableitungsrohr 5 sind hier beispielsweise gezeigt. Es ist jedoch zu beachten, daß die Temperaturveränderungen bei Lastwechsel im Gasstrom erheblich sind und im Zuleitungsrohr 4 nicht synchron mit denen im Ableitungsrohr 5 erfolgen. Es hat sich gezeigt, daß bei Mittelwertbildung der gemessenen Temperaturdifferenzen bei unterschiedlichsten Fahrweisen eine mittlere Temperaturerhöhung des Abgasstroms im Katalysator 1 von über 20 K vorhanden ist. Zur Erzielung einer stabilen Anzeige dieses Mittelwertes ist beispielsweise eine Vergrößerung der Wärmekapazität der Temperaturfühler der Thermoelemente 6 und 7 durch Wärmespeicher denkbar. Natürlich kann eine stabile Anzeige auch auf elektronischem Wege erreicht werden.

Weiterhin besteht die Möglichkeit die Temperaturfühler der Thermoelemente 6 und 7 unmittelbar in den Katalysator 1 einzubauen. Neben der Messung im freien Abgasstrom an den Orten 25 und 26 können die Fühler auch im Katalysatorblock an den Orten 27, 28 oder 29 integriert sein. Damit können die bei Messungen im Gasstrom auftretenden Schwankungen der Anzeige bei Lastwechsel von vornherein weitgehend unterdrückt werden. Schließlich ist noch die Anbringung einer Meßstelle am Ort 30, der sich am Katalysatorgehäuse befindet, gezeigt.

Allerdings dürfte dieser Ort 30 in der Regel wenig empfehlenswert sein, weil der Wärmewiderstand zwischen Katalysatorblock und Gehäuse üblicherweise relativ hoch ist.

Bezugszeichenliste 1 Katalysator
2 Pfeil
3 Pfeil
4 Zuleitungsrohr
5 Ableitungsrohr
6 Thermoelement
7 Thermoelement
8 Befestigungsvorrichtung
9 Auswerteeinheit
10 Eingang
11 Eingang
12 Operationsverstärker
13 AD-Wandler
14 digitale Anzeige
15 Ausgang
16 Schreiber
17 Ort
18 Ort
19 Bohrung
20 Bohrung
21 Verbindungsflansch
22 Verbindungsflansch
23 Ort
24 Ort
25 Ort
26 Ort
27 Ort
28 Ort
29 Ort
30 Ort

Claims

1. Verfahren zur Funktionsüberwachung von Katalysatoren, indem eine Wärmeenergie an einem ersten Ort im Bereich des Katalysators bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeenergie mindestens auch an einem zweiten Ort im Bereich des Katalysators (1) bestimmt wird, daß zwischen dem ersten Ort und dem zweiten Ort der katalytische Prozeß zumindest teilweise abläuft, daß die beiden Wärmeenergien miteinander in Vergleich gesetzt werden, daß aus diesem Vergleich eine Steuergröße gebildet wird, und daß diese Steuergröße ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Wärmeenergien durch Temperaturmessung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeenergien des Gasstromes bestimmt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuergröße durch Differenzbildung zwischen der Temperatur an dem ersten Meßort und der Temperatur an dem zweiten Meßort bestimmt wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mind. zwei Meßelemente vorgesehen sind, daß eine Auswerteeinheit (9) zur Auswertung der Signale der Meßelemente und eine Anzeigeeinheit vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßelemente zwei Thermoelemente (6, 7) vorgesehen sind, und daß die zwei Thermoelemente (6, 7) gegeneinander geschaltet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Meßelemente aus einem Thermoelement (6) bestehen, daß an dem ersten Ort der Meßfühler des Thermoelementes (6) angeordnet ist und an dem zweiten Ort die Kaltstelle des Thermoelementes (6) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (9) einen Operationsverstärker (12), einen AD- Wandler (13) sowie eine digitale Anzeige (14) und einen Schreiber (16) aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß Wärmespeicher zur Vergrößerung der Wärmekapazität der Thermoelemente (6, 7) vorgesehen sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Meßelement eine Befestigungsvorrichtung (8) vorgesehen ist, wobei die einzelnen Befestigungsvorrichtungen (8) die gleichen Wärmeverluste aufweisen.