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DE102005056312A1 - Verfahren zur Überprüfung der Konvertierungsfähigkeit eines Katalysators - Google Patents

Verfahren zur Überprüfung der Konvertierungsfähigkeit eines Katalysators Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der Konvertierungsfähigkeit eines Katalysators einer Brennkraftmaschine hinsichtlich zumindest einer Schadstoffkomponente eines mageren Abgases mit lambda > 1. Aus einer Messwertabweichung DELTAlambda eines Sondensignals lambda¶SONDE¶ einer stromab des Katalysators angeordneten Breitband-Lambda-Sonde von einem Lambda-Ist-Wert lambda¶ist¶ des Abgases stromab des Katalysators wird die Konvertierungsfähigkeit des Katalysators abgeleitet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der Konvertierungsfähigkeit eines Katalysators einer Brennkraftmaschine hinsichtlich zumindest einer Schadstoffkomponente eines mageren Abgases mit λ > 1.
  • Damit in einem, einer Brennkraftmaschine nachgeordneten Katalysator hohe Konvertierungsraten von Schadstoffen im Abgas der Brennkraftmaschine erreicht werden können, muss im Motormanagement dafür gesorgt werden, dass ein Lambdawert in einem engen Bereich eingehalten wird. Das Motormanagement benötigt zur Regelung der Gemischzusammensetzung und somit zur Abgaszusammensetzung einen Messwertgeber, mit dessen Hilfe der Restsauerstoffgehalt des Abgases vor dem Katalysator gemessen werden kann. Der Messwertgeber ist in der Regel eine Lambdasonde vor dem Katalysator, welche den Sauerstoffanteil im Abgas durch eine vergleichende Messung mit dem Sauerstoffanteil der Außenluft als Referenzwert ermittelt.
  • Zur Einhaltung der immer strenger werdenden Abgasnormen ist außerdem eine Überwachung der Funktionsfähigkeit des Katalysators notwendig, da Schäden des Katalysators die Schadstoffemission wesentlich erhöhen können.
  • Zur Überwachung und Diagnose der Funktionsfähigkeit der Katalysatoren von Benzinmotoren sind aus der DE 41 12 478 und der DE 42 09 136 Verfahren bekannt, die die Sauerstoffspeicherfähigkeit, welche mit der Kohlenwasserstoff-Konvertierung im Katalysator korreliert, nutzen. Um festzustellen, ob der betriebswarme Katalysator die Schadstoffe ausreichend umwandelt, wird nach dem Katalysator eine zweite Lambdasonde als Monitorsonde eingebaut. Durch die ständige Regelung der Gemischzusammensetzung entstehen vor dem Katalysator Sauerstoffschübe, welche in der Lambdasonde vor dem Katalysator Spannungssprünge auslösen. Bei einer hohen Speicherfähigkeit des Katalysators befindet sich kaum noch Sauerstoff im Abgas und die Monitorsonde zeigt eine nahezu konstante Spannung an. Verschlechtert sich der Zustand des Katalysators, zeigt die Monitorsonde ebenfalls Spannungssprünge. Die ermittelte Sauerstoffspeicherkapazität wird mit dem Katalysatorumsatz und dem Emissionsverhalten korreliert. Die Diagnose der Funktionsfähigkeit der Katalysatoren aus den Sensorsignalen ist dadurch relativ aufwändig und langwierig.
  • Um die Schadstoffemission und den Verbrauch von Brennkraftmaschinen weiter zu reduzieren, werden so genannte Magermotoren eingesetzt. Diese arbeiten im Gegensatz zu bisher üblichen Ottomotoren mit einem Sauerstoffüberschuss (Lambda » 1) bei der Verbrennung. Die Überwachung des Katalysators bedarf daher eines Sensors, der Sauerstoffanteile bis 8 % im Abgas noch sicher erkennen kann. Die herkömmliche binäre Lambda-Sonde ist für den Einsatz im Ottomotor optimiert, bei dem ein Sprung des Sauerstoffgehaltes um viele Dekaden zu detektieren ist. Für eine Betriebsweise in mageren Lambda-Bereichen mit λ » 1 reicht die Genauigkeit der herkömmlichen binären Sonden nicht aus, da wegen des permanenten Sauerstoffgehaltes im Abgas kein verwertbares Signal mit ausreichender Auflösung ausgegeben wird.
    •
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin eine einfache und zuverlässige Überprüfung der Funktionsfähigkeit von Katalysatoren bei einer Betriebsweise im mageren Betrieb zu ermöglichen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Überprüfung der Konvertierungsfähigkeit eines Katalysators einer Brennkraftmaschine hinsichtlich zumindest einer Schadstoffkomponente eines mageren Abgases mit λ > 1 aus einer Messwertabweichung Δλ eines Sondensignal λSONDE einer stromab des Katalysator angeordneten Breitband-Lambda-Sonde von einem Lambda-Ist-Wert λist des Abgases stromab des Katalysators die Konvertierungsfähigkeit des Katalysators abgeleitet.
  • Mit der Breitband-Lambda-Sonde können Lambdawerte zwischen 0,8 und 2,5 stufenlos gemessen werden. Dies ist möglich, da ein nahezu linear verlaufender "Pumpstrom" als Messgröße dient. Die Breitbandsonde besitzt zwei Zellen, eine Pumpzelle und eine Sensorzelle. Mit dem Pumpstrom werden immer so viele Sauerstoff-Ionen in die Messkammer hineingepumpt, bis sich zwischen den Elektroden im Referenzluftkanal und in der Messzelle ein konkreter Spannungswert eingestellt hat. Der Pumpstrom ist die Messgröße für den Lambdawert.
  • Erfindungsgemäß wird zur Überprüfung der Konvertierungsfähigkeit eines Katalysators die begrenzte Reaktionskinetik einer Breitband-Lambda-Sonde genutzt. Bei einem Katalysator mit verminderter Konversationsfähigkeit enthält das Abgas nach Passieren des Katalysators noch eine große Menge an Kohlenwasserstoffen. Da die Kohlenwasserstoffe an der Sondenoberfläche nicht schnell genug oxidiert werden, verbleibt an der Sondenoberfläche ein zu hoher Sauerstoffanteil, der detektiert wird. Dadurch zeigt das Sondensignal λSONDE mehr Sauerstoff im Abgas an, als tatsächlich vorhanden ist. Aus der Messwertabweichung Δλ des Sondensignals λSONDE von dem tatsächlichen Lambda-Ist-Wert λist des Abgases wird auf die Konvertierungsfähigkeit des Katalysators geschlossen.
  • Der Lambda-Ist-Wert λist des Abgases wird vorzugsweise mittels einer Sonde, welche den Sauerstoffanteil im Abgas mit einem anderen Messprinzip als die Breitband-Lambda-Sonde erfasst, gemessen oder aus Modellen berechnet.
  • Mit dem Verfahren wird vorzugsweise die Konvertierungsfähigkeit eines Oxidations-Katalysators überprüft. Im Oxidationskatalysator werden die Schadstoffe HC und CO mit dem Restsauerstoff oder durch zusätzlich in das Abgas eingebrachte Luft in H2O und CO2 umgewandelt. Eine Reduktion der Stickoxide erfolgt in einem nachgeordneten NOx-Adsorber. Der dabei stromab des Katalysators oder NOx-Adsorbers angeordnete NOx-Sensor wird vorzugsweise gleichzeitig zur Erfassung des Lambda-Ist-Wert λist des Abgases genutzt. Da der NOx-Sensor ein Doppelkammersensor ist, misst dieser zum einen den Lambdawert des Abgases und zum anderen die Stickoxide-Reduktion.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der Lambda-Ist-Wert λist des Abgases mit einem amperometrischen Sauerstoffsensor erfasst. Amperometrische Sauerstoffsensoren sind Gasdiffusions-Grenzstromsonden und basieren auf einer elektrochemischen. Sauerstoffpumpzelle, vorzugsweise aus Zirkonoxid. Wird eine Spannung an die Zellen angelegt, werden Sauerstoffionen von der Kathode zur Anode gepumpt. Deckt man zusätzlich die Kathode mit einer Gasdiffusionsbarriere ab, stellt sich beim Erhöhen der Spannung ein Sättigungsstrom ein, der ein Maß für die Sauerstoffkonzentration im Abgas ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der Lambda-Ist-Wert λist des Abgases mit einem Sauerstoffsensor mit einer metalloxidischen Sensorschicht, deren Leitfähigkeit vom Sauerstoffgehalt im Abgas abhängig ist, erfasst. Vorzugsweise werden Sauerstoffsensoren mit einer metalloxidischen Sensorschicht auf Kupratbasis oder auf der Basis von erdalkalidotierter Lanthanferrite verwendet, da diese eine geringen Temperaturabhängigkeit aufweisen.
  • Alternativ oder zusätzlich kann der Lambda-Ist-Wert λist des Abgases vorzugsweise aus einem Modell berechnet werden. Dafür können bekannte Modellberechnungen, beispielsweise herangezogen werden.
    •
  • Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels weiter erläutert.
  • Es soll die Konvertierungsfähigkeit hinsichtlich der Schadstoffe HC und CO eines Oxidationskatalysators im Rahmen einer OBD überprüft werden. Zur Herstellung der Messbedingungen kann eine kurzzeitige Abgasverschlechterung durch HC-Zuführung eingestellt werden.
  • Stromab des Oxidationskatalysators ist eine Breitband-Lambda-Sonde vom Typ LSU angeordnet, von welcher als Wert für die Sauerstoffkonzentration im Abgas das Sondensignal λSONDE erfasst und an die Motorsteuerung weitergeleitet wird.
  • Als Referenzwert zur Ermittlung der Messabweichung Δλ des Sondensignal λSONDE wird ein Lambda-Ist-Wert λist aus dem Signal einer NOx-Sonde mit integrierter Sauerstoffmessfähigkeit vom Typ NGK erfasst und an die Motorsteuerung weitergeleitet.
  • Zur Vergleichbarkeit des Lambda-Wertes aus dem Sondensignals λSONDE der Breitband-Lambda-Sonde mit dem Lambda-Ist-Wert λist der NOx-Sonde werden die Werte mittels in der Motorsteuerung abgelegter Kalibrierkurven abgeglichen.
  • Durch Differenzbildung wird die aus den kalibrierten Werten ermittelte Messabweichung Δλ berechnet und die Konvertierungsfähigkeit hinsichtlich der Schadstoffe HC und CO abgeleitet.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Überprüfung der Konvertierungsfähigkeit eines Katalysators einer Brennkraftmaschine hinsichtlich zumindest eine Schadstoffkomponente eines mageren Abgases mit λ> 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Messwertabweichung Δλ eines Sondensignal λSONDE einer stromab des Katalysator angeordneten Breitband-Lambda-Sonde von einem Lambda-Ist-Wert λist des Abgases. stromab des Katalysators die Konvertierungsfähigkeit des Katalysators abgeleitet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lambda-Ist-Wert λist des Abgases mit einem NOx-Sensor erfasst wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lambda-Ist-Wert λist des Abgases mit einem amperometrischen Sauerstoffsensor erfasst wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lambda-Ist-Wert λist des Abgases mit einem Sauerstoffsensor mit einer metalloxidischen Sensorschicht, deren Leitfähigkeit vom Sauerstoffgehalt im Abgas abhängig ist, erfasst wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lambda-Ist-Wert λist des Abgases aus einem Modell berechnet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konvertierungsfähigkeit eines Oxidations-Katalysators überprüft wird.
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