DE2643739C2 - Verfahren zur Überwachung der Aktivität von Katalysatoren für die Abgasreinigung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung der Aktivität von Katalysatoren für die Abgasreinigung, durch Temperaturmessung mit Temperaturfühlern. Es kann insbesondere bei Kraftfahrzeugen eingesetzt werden.

Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren erzeugen in ihrem Abgas u. a. Kohlenmonoxid, Stickoxide sowie unverbrannte oder teilverbrannte Kohlenwasserstoffe, die zur Luftverunreinigung beitragen. Um die durch diese Stoffe hervorgerufene Luftverunreinigung auf einen Minimalwert herabzudrücken, ist es erforderlich, die Abgase von Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren weitgehend von diesen Stoffen zu befreien. Das geschieht durch Überführung der schädlichen Anteile des Abgases in die unschädlichen Verbindungen Kohlendioxid, Stickstoff und Wasser, indem man die Abgase einer Nachverbrennung unterwirft, wobei man sie bei Temperaturen oberhalb etwa 600° C über Katalysatoren leitet.

Die Lebensdauer dieser Katalysatoren ist begrenzt. Das bedeutet, daß ihre kaialytische Aktivität nach einer bestimmten Zeit mehr oder weniger rasch nachläßt und die Abgase somit ungereinigt in die Atmosphäre gelangen können. Da die gesetzlichen Abgasvorschriften jedoch während des gesamten Betriebseinsatzes eines Fahrzeuges stets erfüllt sein müssen, ist eine Funktionsüberwachung des Katalysators empfehlenswert. Dieses Überwachungssystem muß dem Fahrer durch ein optisches oder akustisches Signal anzeigen, wenn der Katalysator nicht mehr einwandfrei arbeitet.

Eine Möglichkeit der direkten Überwachung des Katalysators besteht in der Messung des Abbaus einer oder mehrerer Schadstoffkomponenten, wobei man die Konzentration derselben einmal vor und einmal nach dem Katalysator mißt, so daß der Konzentrationsunterschied als Maß für die Funktionsfähigkeit des Katalysators eingesetzt werden kann. Die Messung dieser Schadstoffanteile ist jedoch verhältnismäßig aufwendig und schwierig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, das es gestattet. Katalysatoren für die Abgasreinigung in möglichst einfacher Weise zuverlässig auf ihre Funktionstüchtigkeit hin zu überwachen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß über eine Temperaturvergleichsmessung mit Hilfe zweier Temperaturfühler die durch eine am Katalysator ablaufende Reaktion entstehende Wärmetönung gemessen und bei einer Temperaturdifferenz, die anzeigt, daß der Katalysator nicht mehr funktionsfähig ist, ein Warnsignal ausgelöst wird.

An einem funktionsfähigen Katalysator werden Kohlenmonoxid sowie unverbrannte Kohlenwasserstoffe zu Kohlendioxid und Wasser umgesetzt. Dabei handelt es sich um exotherme Reaktionen, die mit einer Temperaturerhöhung innerhalb des Systems verbunden sind. Diese Reaktionen und die damit verbundene Temperaturerhöhung treten aber nur auf, wenn und solange der Katalysator einwandfrei funktionsfähig ist.

Die beiden Temperaturfühler können entweder gleichartig sein, wobei der eine dann kurz vor dem Katalysatorsystem, der andere dagegen innerhalb des Katalysatorsystems angeordnet ist. Es ist aber auch mög-Hch, für die Temperaturmessung zwei verschiedenartige Temperaturfühler zu verwenden, von denen einer eine katalytisch aktive Oberfläche, der andere dagegen eine katalytisch inaktive Oberfläche aufweist Diese beiden Temperaturfühler werden dann, ohne sich zu berühren, dicht nebeneinander im Katalysatorsystem oder kurz hinter diesem angeordnet.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Auspuffanlage mit zwei Katalysatorscheiben und darunter in einem Diagramm aufgetragen den Temperaturverlauf des Abgases innerhalb des Auspuffsystems, wobei sich ein Temperaturfühler kurz vor dem Katalysatorsysiem, der andere dagegen innerhalb einer Katalysatorscheibe befindet,

F i g. 2 den gleichen Schnitt sowie die gleichen graphischen Darstellungen, wobei die beiden Temperaturfühler aber dicht beieinander einmal innerhalb des Katalysators, das andere Mal kurz hinter diesem angeordnet

so sind.

In F i g. 1 ist die Ausführungsform dargestellt, bei welcher zwei gleichartige Temperaturfühler 1 und 2 eingesetzt werden, wobei der Temperaturfühler 1 vor dem Eintritt des Gases in den Katalysator angeordnet ist, der Temperaturfühler 2 dagegen in dem Katalysatorsystem sitzt. In der graphischen Darstellung ist der Temperaturverlauf innerhalb des Auspuffsystems bei betriebswarmem Motor und funktionsfähigem Katalysator aufgetragen. Die Temperatur des Gases fällt bis zum Katalysator hin ab. Kurz vor Eintritt des Gases in den Katalysator wird die Temperatur 7^..,.. mit Hilfe des Temperaturfühlers 1 gemessen. Durch die ständig ablaufenden exothermen Oxidationsreaktionen ist die Temperatur des Katalysators höher, was durch den Temperatursprung an der Grenze Gasraum/Katalysator angedeutet ist. Der Temperaturverlauf innerhalb des Katalysators K I stellt lediglich eine Momentaufnahme dar, er ist Änderungen während des Fahrbetriebes unterworfen.

In jedem Falle mißt aber der Temperaturfühler 2 eine Temperatur T_K,\. die höher liegt, als die Temperatur T_g. c Zwischen den Katalysatorscheiben KI und KII liegt die Gastemperatur wieder niedriger als innerhalb der Katalysatoren, während die Verhältnisse in der Katalysatorscheibe K Il denen in KI entsprechen, obwohl die Temperatur im Ganzen niedriger als in K I liegen kann, wenn der größte Teil der Oxidationsreaktionen bereits in KI stattgefunden hat Die mit ^bezeichneten Flächen sind ein Maß für die mit den exothermen Oxidationsreaktionen verbundene positive Wärmetönung.

Ist der Katalysator nicht mehr funktionsfähig, so finden keine exothermen Reaktionen mehr statt und der Temperaturverlauf innerhalb der Katalysatorscheiben entspricht dem gestrichelt eingezeichneten Verlauf 3, ri h. die an dem Temperaturfühler 2 gemessene Temperatur ist kleiner als die mit dem Fühler 1 gemessene.

Grundsätzlich läßt sich als niedrigere Vergleichstemperatur statt der am Katalysatoreingang gemessenen Temperatur Tg._c auch die am Katalysatorausgang gemessene Temperatur T_g.₃ verwenden, doch liegt diese Temperatur Tg_-1 im allgemeinen höher als die Temperatur T₄, _eam Katalysatoreingang, vorausgesetzt der Katalysator ist gut wärmeisoliert, so daß die als Meßsignal verwendete Temperaturdifferenz 7"kj — T_g bei Verwendung von Tg_-1 kleiner ist als bei Verwendung von Tg. c Daher ist für die Vergleichsmessung die Temperatur Tg. _c vorzuziehen.

Für einen funktionsfähigen Katalysator gilt also die Beziehung

Tk.\

Tg. _e,

wobei die Differenz T_K.\ — 7>,_eetwa 50—100° erreicht. Ein Warnsignal muß also ausgelöst werden, wenn die Temperaturdifferenz Τκ.ι — T_g,_e einen experimentell festgelegten Mindestwert unterschreitet oder wenn Tk.\ = Tg. _c wird. Dieses Warnsignal wird allerdings auch ausgelöst, v/enn der Katalysator noch nicht angesprungen ist, d. h. die für seine Funktion erforderliche Temperatur von 200—300° C noch nicht erreicht hat Durch einen Temperaturschwellwertschalter, der auf die Temperatur des Öls, Kühlwassers oder des Zylinderkopfes reagiert, bzw. einen Zeitschalter kann die Warnanzeige jedoch während der Warmlaufphase, d. h. bis die Anspringtemperatur des Katalysators erreicht ist, blockiert werden.

Als Temperaturfühler werden vorteilhaft handelsübliche NTC-Widerstände verwendet.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 entspricht der Temperaturfühler 4 dem Temperaturfühler 1 bzw. 2 in Fig. 1. Der Temperaturfühler 5 dagegen trägt eine katalytisch wirksame Oberflächenschicht, die vorteilhaft aus dem gleicher. Material besteht wie der in den Katalysatorscheiben K I und K II verwendete Katalysator, z. B. Platin oder Vanadium. Die katalytisch wirksame Schicht auf dem Temperaturfühler 5 kann z. B. durch Aufdampfen oder durch Plasmaspritzen auf den NTC-Widerstand aufgebracht werden.

Die beiden Temperaturfühler können entweder innerhalb des Katalysatorsystems, z. B. in der Katalysatorscheibe KII dicht nebeneinander angebracht werden (Temperaturfühler 4 und 5, Lösung A), oder sie können ebenfalls dicht nebeneinander, am Katalysatoraustritt im Gasraum angeordnet werden (Temperaturfühler 4' und 5', Lösung B). Eins derartige Anordnung der beiden Temperaturfühler dicht beieinander, ohne sie allerdings miteinander in Kontakt zu bringen, hat den Vorteil, daß zur Überwachung der Wirksamkeit des Katalysators beide Fühler an einer Meßstelle innerhalb des Abga-systems eingesetzt werden können. Hierdurch wird nämlich der durch unterschiedliche Motorbetriebszustände hervorgerufene Temperatureinfluß, besonders während des Warmlaufens des Motors, eliminiert, so daß die Warneinrichtung nicht während der Warmlaufphase, sondern nur noch bei nicht mehr funktionsfähigem Katalysator anspricht.

ίο Bei Einbau der beiden Temperaturfühler 4 ucd 5 in der Katalysatorscheibe K II (Lösung A) haben beide annähernd die gleiche Temperatur T₄ bzw. T? (vgl. Diagramm a der F i g. 2). Verringert sich nun aber die Aktivität des Katalysators K I und K II, bleibt aber der Katalysator auf dem Temperaturfühler 5 voll funktionsfähig, so sinkt die Temperatur Ta, des Fühlers 4 ab, während die Temperatur T₅ des Fühlers 5 nur wenig absinkt, weil sich die exothermen Oxidationsreaktionen nun in zunehmendem Maße nur noch an dem auf der Oberfiäehe des Fühlers 5 befindlichen K ualysator abspielen (vgl. Diagramm öder F i g. 2). Eine gewisse Temperaturerniedrigung tritt dadurch ein, daß Wärme vom Fühler 5 an den Katalysator KII abgegeben wird.

Der gemessene Temperaturunterschied Tj — Ta ist ein Maß für die Verschlechterung der Aktivität des Katalysators. Die Warneinrichtung muß also in diesem Falle so ausgelegt werden, daß sie bei Überschreiten einer bestimmten Temperaturdifferenz anspricht.
Die genannte Temperaturdifferenz kann jedoch noch vergrößert werden, wenn die Wärmeableitung des Fühlers 5 mit seiner katalytisch aktiven Oberfläche an den ihn umgebenden Katalysator verringert wird, wenn also die Wärmeabgabe des Fühlers durch Wärmeleitung von der Meßstelle in das Katalysatormaterial wegfällt. Dies ist dann der Fall, wenn die Temperaturfühler im Gasraum am Austritt des Katalysators angeordnet werden (Temperaturfühler 4' und 5', Lösung B). Ein Einbau der Fühler an dieser Stelle hat noch den weiteren Vorteil, daß beide Fühler einer niedrigeren Temperatur ausgesetzt sind. Dies ist für die Lebensdauer der katalytisch wirksamen Oberfläche des Temperaturfühlers 5' von Bedeutung, da dieser dann mit Sicherheit eine höhere Lebensdauer aufweist als die Katalysatoren der Scheiben K I und K II, die ständig auf höherer Temperatur betrieben werden. Ist der Katalysator in den Scheiben KI und KII voll funktionsfähig, so zeigen die beiden Temperaturfühler 4' und 5' wiederum etwa gleiche Temperaturen Tv bzw. Ty, wobei diese aber tiefer liegen, als die Temperaturen T* und T$ bei der Lösung A (vgl. Diagramm a der F i g. 2).

Ist der Katalysator in den Katalysatorscheiben K I und K II nicht mehr funktionsfähig, so sinkt die Tempe- *atu. T^, des Temperaturfühlers 4' ab, während die Temperatur T$ des Temperaturfühlers 5' durch die nun an dessen katalytisch aktiver Oberfläche in verstärktem Maße einsetzenden exothermen Reaktionen ansteigt (vgl. Diagramm b der Fig.2). Auch hier muß also die Warneinrichtung genauso ausgelegt sein, wie oben bei der Lösung A beschrieben.

Für einen funktionsfähigen Katalysator gilt also die Beziehung

Ti » T₅ bzw. Tv = T₅:

Ist der Katalysator nicht mehr einwandfrei funktionsfähig, so gilt die Beziehung

Ti < T₅ bzw. Tv < T₅.

In diesem Falle soll die Warneinrichtung ansprechen.

Die Auslösung der Signale unter den bei den beiden
Ausführungsbeispielen gemäß den F i g. I und 2 genannten Bedingungen erfolgt mit Hilfe von üblichen, nicht
zur Erfindung gehörenden schaltungstechnischen Maßnahmen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

35

40

50

55

60

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Überwachung der Aktivität von Katalysatoren für die Abgasreinigung, durch Temperaturmessung mit Temperaturfühlern, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Temperaturvergleichsmessung mit Hilfe zweier Temperaturfühler die durch eine am Katalysator ablaufende Reaktion entstehende Wärmetönung gemessen und bei einer Temperaturdifferenz, die anzeigt, daß der Katalysator nicht mehr funktionsfähig ist, ein Warnsignal ausgelöst wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Temperaturmessung zwei gleichartige Temperaturfühler verwendet werden, von denen der eine kurz vor dem Katalysatorsystem, der andere dagegen innerhalb des Katalysstorsystems angeordnet ist

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Temperaturmessung zwei Temperaturfühler verwendet werden, von denen einer eine katalytisch aktive Oberfläche, der andere dagegen eine katalytisch inaktive Oberfläche aufweist, und daß beide Temperaturfühler ohne sich zu berühren, dicht nebeneinander im Katalysatorsystem oder kurz hinter diesem im Gasraum angeordnet sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Temperaturfühler NTC-Widerstände eingesetzt werden.