VERFAHREN ZUR PRüFUNG DES ALTERUNGS ZUSTANDES EINES KATALYSATORS AN BORD EINES FAHRZEUGS

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung des Alterungszustandes 5 eines Katalysators an einem Fahrzeug. Ein solches Verfahren wird auch als OBD-Verfahren bezeichnet (OBD = On Board Diagnosis). Bei dem zu prüfenden Katalysator handelt es sich bevorzugt um einen Dieseloxidationska- talysator.

Ein häufig verwendetes Maß für den Alterungszustand eines Katalysators ist0 seine Anspringtemperatur. Mit Anspringtemperatur T ₅₀ wird diejenige Temperatur des Katalysators bezeichnet, bei welcher er den betrachteten Schadstoff zu 50 % zu unschädlichen Komponenten umsetzt. Ein Katalysator hat im allgemeinen für jeden Schadstoff eine eigene Anspringtemperatur. Im Falle eines Oxidationskatalysators handelt es sich um die Anspring-5 temperatur für die Umsetzung von Kohlenmonoxid und um die Anspringtemperatur für die Umsetzung von Kohlenwasserstoffen.

Es existiert eine große Zahl von Vorschlägen zur überwachung der Aktivität eines Katalysators an einem Fahrzeug. Gemäß der EP 1 136 671 Bl wird zur überprüfung der verbliebenen katalytischen Aktivität eines Katalysators die0 Differenz der aktuellen Austrittstemperatur des Katalysators zur Anspringtemperatur des frischen Katalysators für die Umsetzung von Kohlenmonoxid gebildet und außerdem der Umsetzungsgrad für Kohlenmonoxid gemessen. Liegt der gemessene Umsetzungsgrad für Kohlenmonoxid unterhalb eines Grenzwertes während die Katalysatoraustrittstemperatur die Anspringtem-5 peratur des frischen Katalysators um einen vorgebbaren Wert übersteigt, wird dies als Fehlfunktion des Katalysators bewertet.

Die WO 92/03643 schlägt vor, zur überwachung der katalytischen Aktivität eines Katalysators, der von einem Abgas durchströmt wird, die Temperatur des Katalysators entlang der Strömungsrichtung durchgehend oder an meh-0 reren Meßstellen unter Bildung eines Temperaturmittelwertes sowie die

Temperatur des Katalysators an mindestens einer Meßstelle unter Bildung eines Temperaturlokalwertes zu messen und den Temperaturmittelwert mit dem Temperaturlokalwert zur Ableitung einer Aussage über den Zustand des Katalysators zu vergleichen.

Die WO 95/17588 befaßt sich mit der überprüfung der Konvertierungsfähigkeit eines Katalysators bei Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, wobei die überprüfung mittels einer Temperaturmessung in unmittelbarer Nähe stromabwärts des Katalysators vorgenommen wird. Zunächst wird die Temperatur am Beginn und am Ende einer vorgegebenen Leerlaufphase über eine vorgegebene Anzahl von Leerlaufphasen im Anschluß an eine Schubphase des Kraftfahrzeugs gemessen; dann wird die Differenz aus den Temperaturmessungen gebildet. Es wird die Summe aller Temperaturmeßergebnisse und die Summe der Dauer der Leerlaufphasen gebildet und danach der Durchschnittsquotient aus diesen Ergebnissen. Der somit ermittelte Durchschnittsgradient wird mit einem Grenzwert verglichen, wobei der Katalysator als fehlerhaft erkannt wird, wenn ein vorgegebener Grenzwert überschritten wird.

Gemäß der JP 04 060106 wird die Alterung eines Katalysators beurteilt, indem während des Normalbetriebs das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zur fetten Seite des Normalbetriebs verschoben wird und überprüft wird, ob der daraus resultierende ansteigende Temperaturgradient sich in einem zulässigen Bereich befindet.

Die Erfindung gemäß der DE 43 30 997 Al betrifft ein Verfahren zur überwachung des Anspringverhaltens eines Katalysatorsystems im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine. Das Anspringverhalten des Katalysatorsystems hängt vom Konvertierungsvermögen des Bereichs des Katalysatorsystems ab, der von den Abgasen als erstes durchströmt wird. Das Konvertierungsvermögen dieses Bereichs läßt sich gemäß der DE 43 30 997 Al aus dem Temperaturverlauf ermitteln, der sich ergibt, wenn man dem Katalysator- System ein Gemisch aus Luft und unverbranntem Kraftstoff zuführt.

Die WO 01/49989 Al beschreibt eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, die mit einem Katalysator versehen ist. Der Katalysator kann mit Kohlenwasserstoffen beaufschlagt werden. Ein Temperatursensor mißt die Temperatur des Abgases nach dem Katalysator. Durch ein Steuergerät kann zusätzliche Luft vor dem Katalysator dem Abgas zugeführt werden. Aus der daraus sich ergebenden Temperaturerhöhung des Abgases in und/oder nach dem Katalysator kann das Steuergerät auf die Konvertierungsfähigkeit des Katalysators schließen.

Gemäß der EP 1 052 385 A2 wird zur Diagnose der Kohlenwasserstoff oxi- dierenden Eigenschaften eines Katalysators im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine während eines Ausschiebetaktes eines Zylinders der Brennkraftmaschine eine zusätzliche Kraftstoffzufuhr vorgenommen. Der Temperaturverlauf des Abgases stromab des Katalysator wird überwacht. Bei einem unter einem Schwellenwert bleibenden Temperaturanstieg wird der Katalysator als defekt diagnostiziert.

Die US 6,408,616 Bl beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Aktivität eines Katalysators am Fahrzeug. Zu diesem Zweck werden dem Abgas vor dem Katalysator über eine bestimmte Zeit Kohlenwasserstoffe zugeführt und die Temperaturerhöhung durch Verbrennen dieser Kohlenwasserstoffe am Katalysator gemessen. Durch Vergleich mit der erwarteten Temperaturerhöhung kann eine Aussage über den Alterungszustand des Katalysators gemacht werden. Das Verfahren benötigt zur Messung der Abgastemperaturen vor und hinter dem Katalysator je ein Thermoelement. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist die Tatsache, daß es nur eine schon vorhandene Schädigung des Katalysators feststellen kann. Es ist mit diesem Verfahren nicht möglich, die zunehmende Alterung des Katalysators zu überwachen. Eine Beurteilung des Katalysators mit diesem Verfahren kann nur bei Abgastemperaturen vorgenommen werden, die nahe der aktuellen Anspringtemperatur des Katalysators liegen. Damit ist jede Messung mit einer er- höhten Emission von unverbrannten Kohlenwasserstoffen verbunden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Prüfung des Alterungszustandes eines Katalysators anzugeben, welches aufgrund einfa-

eher Messungen in der Lage ist, eine Aussage über die Oxidationsaktivität eines Katalysators und seinen Alterungszustand zu machen.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Das Verfahren gemäß Hauptanspruch betrifft die Prüfung des Alterungszustandes eines Katalysators für die Reinigung der Abgase eines Fahrzeugmotors, wobei das Abgas brennbare Bestandteile enthält und die Prüfung am Fahrzeug unter Betriebsbedingungen vorgenommen wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Zeitverzögerung zwischen einer ände- rung der Betriebsbedingungen und der dadurch hervorgerufenen änderung der Abgastemperatur hinter dem Katalysator bestimmt und aus der Zeitverzögerung auf den Alterungszustand des Katalysators geschlossen wird.

Eine änderung der Betriebsbedingungen des Katalysators führt zu einer änderung der im Katalysator erzeugten Wärme infolge der katalytischen Umsetzung der Schadstoffe und damit auch zu einer änderung der Abgastemperatur hinter dem Katalysator. Dabei reagiert die Abgastemperatur hinter Katalysator verzögert auf die änderung der Betriebsbedingungen. Diese Verzögerung ist dadurch zu erklären, daß die Reaktionswärme zunächst innerhalb des Katalysators erzeugt wird und durch das Abgas zum Katalysatorausgang transportiert werden muß. Das Ausmaß der zu beobachtenden Verzögerung hängt von der Lage der Reaktionszone und damit von der Lage des Wärmefreisetzungsprofils im Katalysator ab. Die Lage des Wärmefreisetzungsprofils hängt wiederum vom Aktivitätszustand, beziehungsweise Alterungszustand, des Katalysators ab. Es ist deshalb möglich, aus der meßbaren Verzögerung des zeitlichen Temperaturprofils hinter dem Katalysator auf den Aktivitätszustand des Katalysators zu schließen.

Erfindungsgemäß wird also das zeitliche Temperaturprofil hinter dem Katalysator gemessen, das sich als Folge einer änderung der Betriebsbedingungen für den Katalysator ergibt. Bevorzugt wird die beobachtete Verzögerung zwischen dem Beginn der änderung der Betriebsbedingungen und dem Auftreten eines charakteristischen Merkmals des zeitlichen Temperaturpro-

fils des Abgases hinter dem Katalysator für die Beurteilung des Alterungszustandes des Katalysators ausgewertet. Als charakteristisches Merkmal kann eine ansteigende oder abfallende Flanke oder ein Maximum des zeitlichen Temperaturprofils verwendet werden.

Zur praktischen Durchführung des Verfahrens ist es notwendig, die gemessenen zeitlichen Verzögerungen mit der Aktivität des Katalysators zu korrelieren. Eine einfache Lösung ist die Verwendung einer zuvor aufgestellten Tabelle, in welcher der Alterungszustand in Abhängigkeit von der gemessenen Verzögerung eingetragen ist, wobei der Betriebszustand des Katalysa- tors vor Beginn der Prüfung als Parameter dient. Als Maß für den Alterungszustand des Katalysators kann hier zum Beispiel seine aktuelle Anspringtemperatur verwendet werden. Der Betriebszustand des Katalysators wird beschrieben durch Temperatur, Zusammensetzung und Massenstrom des Abgases vor Eintritt in den Katalysator. Diese Parameter hängen direkt von Drehzahl und Last des Motors ab. Die Daten dieser Tabelle können entweder experimentell oder durch Simulationsrechnungen gewonnen werden. Eine weitere Möglichkeit zur Korrelation der gemessenen Verzögerung mit dem Alterungszustand des Katalysators besteht in der Verwendung eines Rechenmodells.

Alternativ kann die Verzögerung des charakteristischen Merkmals für einen Grenzkatalysator berechnet und mit der gemessenen Verzögerung zur Beurteilung des Alterungszustandes des Katalysators verglichen werden. Unter einem Grenzkatalysator wird hier ein Katalysator verstanden, mit dem die Abgasgrenzwerte für die gesetzlich vorgeschriebenen Fahrzyklen gerade noch eingehalten werden. Die US 6,408,616 Bl beschreibt unter anderem wie ein solcher Katalysator hergestellt werden kann.

Bevorzugt werden die Betriebsbedingungen für den Katalysator durch Erhöhen der Konzentration der brennbaren Bestandteile im Abgas vor Eintritt in den Katalysator während einer Zeitdauer δt geändert. Zu den brennbaren Bestandteilen des Abgases gehören die bekannten Schadstoffe Kohlenmo- noxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) und Wasserstoff (H ₂ ). Die Konzentration an brennbaren Bestandteilen im Abgas kann in einfacher Weise durch

motorische Maßnahmen, zum Beispiel durch Nacheinspritzen von Kraftstoff in den Fahrzeugmotor, oder durch Eindüsen von Kraftstoff in das Abgas zwischen Fahrzeugmotor und Katalysator erhöht werden.

Die Erhöhung der Konzentration an brennbaren Bestandteilen des Abgases bestimmt die zu messende Temperaturerhöhung am Ausgang des Katalysators. Für eine sichere Ermittlung des zeitlichen Temperaturprofils ist es daher vorteilhaft, die Konzentrationserhöhung so zu bemessen, daß das Temperaturprofil hinter dem Katalysator eine Amplitude von wenigsten 5 ⁰ C, bevorzugt von wenigstens 10 ⁰ C aufweist. Besonders bevorzugt wird eine Schadstoffkonzentration gewählt, die eine Amplitude des Temperaturprofils hinter dem Katalysator zwischen 20 und 50 ⁰ C gewährleistet. Geht die Amplitude des Temperaturprofils über etwa 50 ⁰ C hinaus, besteht die Gefahr, daß der Katalysator durch die Prüfung selber thermisch geschädigt wird.

Besonders geeignet ist eine nur kurzzeitige Erhöhung der Konzentration der brennbaren Bestandteile des Abgases, insbesondere von Kohlenmonoxid und/oder Kohlenwasserstoffen. Die kurzzeitige Erhöhung der Schadstoffkonzentration im Abgas wird im folgenden als Schadstoffpuls oder CO/HC-Puls und der zeitliche Temperaturverlauf hinter dem Katalysator als zeitliches Temperaturprofil bezeichnet. Die Dauer des Schadstoffpulses δt kann zwischen 1 und 10 Sekunden gewählt werden. δt sollte auf jeden Fall deutlich kürzer sein als die Zeit, die das axiale Temperaturprofil benötigt, um vom Eingang bis zum Ausgang des Katalysators zu wandern. Bevorzugt sollte δt nur ein Zehntel bis ein Viertel der Wanderungszeit des Temperaturprofils betragen.

Der zeitliche Verlauf der Abgastemperatur nach Katalysator wird neben der im Katalysator erzeugten Reaktionswärme durch den zeitlichen Verlauf der Abgastemperatur vor Eintritt in den Katalysator beeinflußt. Wie weiter unten gezeigt wird, beträgt die Meßzeit für das Temperaturprofil hinter dem Kata- lysator unter üblichen Bedingungen etwa 1 Minute. Während dieser Zeit kann sich der Betriebszustand des Fahrzeugmotors ändern und so die Messungen verfälschen. Die Prüfung des Alterungszustandes des Katalysators

wird daher bevorzugt vorgenommen, wenn das Fahrzeug mit konstanten Betriebsbedingungen betrieben wird, also zum Beispiel während einer längeren Autobahnfahrt. ändern sich die Betriebsbedingungen während der Prüfdauer entscheidend, so wird das Prüfergebnis verworfen.

Ein Verwerfen des Prüfergebnisses bei sich ändernden Betriebsbedingungen ist jedoch nicht notwendig, wenn schwankende Betriebsbedingungen des Fahrzeugs während der Prüfung dadurch berücksichtigt werden, daß das erwartete Temperaturprofil hinter dem Katalysator für die Betriebszustände während der Prüfung ohne Erhöhen der Konzentration der brennbaren Be- standteile berechnet und von dem gemessenen Temperaturprofil abgezogen wird.

Im folgenden wird die Erfindung für den Fall erläutert, daß kurze Schadstoffpulse zur änderung der Betriebsbedingungen des Katalysators eingesetzt werden. Die hierbei vorliegenden Verhältnisse werden an Hand der die Figuren 1 bis 7 erklärt.

Figur 1: Schematische Darstellung der Schadstoffumsetzung eines Katalysators in Abhängigkeit von seiner Temperatur für drei verschiedene Alterungszustände

Figur 2: Schematische Darstellung von Schadstoffpuls und zeitlichem Temperaturprofil hinter dem Katalysator

Figur 3: Kohlenmonoxid-Profile im Katalysator für verschiedene Temperaturen oberhalb der Anspringtemperatur

Figur 4: Wärmefreisetzungsprofile

Figur 5: Zeitliche Entwicklung des Temperaturprofils im Katalysator

Figur 6: Zeitliche Entwicklung der Temperatur am Katalysatorausgang nach einem 3 s dauernden CO-PuIs

Figur 7: Darstellung der prinzipiellen Abhängigkeit der Anspringtemperatur von der gemessenen Zeitdifferenz zwischen Beginn der Prü-

fung und Auftreten des Maximums des zeitlichen Temperaturprofils hinter dem Katalysator

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung der Schadstoffumsetzung (hier die Verbrennung der brennbaren Bestandteile des Abgases) eines Katalysa- tors in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur für drei verschiedene Alterungszustände I, II und III. Aus solchen Kurven können die Anspringtemperaturen für den jeweiligen Alterungszustand ermittelt werden. I bezeichnet zum Beispiel die Umsatzkurve für einen frischen Katalysator, während III die Umsatzkurve für einen stark geschädigten Katalysator ist. In der Regel gibt es auch bei einem Katalysator, dessen Schadstoffumsetzung nicht mehr den gesetzlichen Anforderungen genügt, Temperaturbereiche oberhalb der Anspringtemperatur, in denen die Schadstoffumsetzung noch der Schadstoffumsetzung eines frischen Katalysators nahekommt. Dieser Bereich ist in Figur 1 zum Beispiel mit M bezeichnet.

Bevorzugt wird daher die Prüfung bei Abgastemperaturen vor Eintritt in den Katalysator vorgenommen, die in einem Bereich liegen, in welchem auch der gealterte Katalysator noch Umsätze für die brennbaren Bestandteile wie ein frischer Katalysator aufweist. Hierdurch werden ungewollte Schadstoffemissionen durch die Prüfung weitgehend vermieden, da der Katalysator bei diesen Abgastemperaturen ausreichend aktiv ist, um die für die Prüfung zusätzlich eingebrachten Schadstoffe vollständig umzusetzen.

Die Umsetzung von zum Beispiel Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffen (HC) an Edelmetallkatalysatoren wird durch diese Stoffe selbst gehemmt. Die katalytische Umsetzung dieser Abgasbestandteile ist also ein selbstbeschleunigender Vorgang : ist erst einmal ein Teil der Schadstoffe umgesetzt, beschleunigt dies die weitere Reaktion. Aufgrund dieses selbstbeschleunigenden Charakters findet der Umsatz nicht gleichmäßig verteilt über den gesamten Katalysator statt, sondern es kommt längs des Katalysators zur Ausbildung eines örtlich begrenzten, axialen Wärmefreisetzungs- profus und damit zu einem axialen Temperaturprofil im Katalysator.

Liegt die Abgastemperatur bei Eintritt in den Katalysator deutlich über seiner Anspringtemperatur, so werden die brennbaren Bestandteile schon auf einer kurzen Strecke hinter dem Katalysatoreingang vollständig verbrannt und erwärmen den Katalysator längs dieser Strecke. Das Abgas kommt dann stromabwärts mit den noch kühleren Teilen des Katalysators in Kontakt und gibt eventuell mitgeführte Wärme an den Katalysator ab. Das aus dem Katalysator austretende Abgas weist daher kurz nach Beginn des Schadstoffpulses keine Temperaturerhöhung auf, obwohl die Laufzeit des Abgases durch den Katalysator bei den für die Abgasreinigung üblichen Raumgeschwindigkeiten nur Bruchteile von Sekunden beträgt. Erst allmählich wandert das axiale Temperaturprofil nach Beendigung des Schadstoffpulses zum Ausgang des Katalysators. Diese Wanderung erfolgt in Wechselwirkung mit dem durch den Katalysator strömenden Abgas und wird von den thermischen Eigenschaften des Katalysators, insbesondere von seiner Wärmeleitfähigkeit und seiner Wärmekapazität, beeinflußt.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung von Schadstoffpuls (hier CO/HC-Puls) und Temperaturprofil hinter dem Katalysator in Abhängigkeit von der Zeitdifferenz zwischen dem Beginn des Schadstoffpulses und dem augenblicklichen Zeitpunkt. Die Prüfung beginnt damit, daß die Konzentrati- on der brennbaren Schadstoffbestandteile des Abgases vor Katalysator kurzzeitig während einer Zeitdauer δt erhöht wird. Gleichzeitig beginnt die Messung der Temperaturerhöhung hinter dem Katalysator. Je aktiver der Katalysator bei der gewählten Abgastemperatur ist, um so später steigt die Temperatur des Abgases hinter dem Katalysator an, denn bei einem aktiven Katalysator werden die zugeführten Schadstoffe schon kurz nach Eintritt in den Katalysator umgesetzt und erhöhen die Temperatur des Katalysators an dieser Stelle. Eine merkliche Temperaturerhöhung des Abgases hinter dem Katalysator tritt erst dann ein, wenn die erwärmte Zone des Katalysators durch Wärmeleitung und durch Wechselwirkung mit dem Abgas bis zum Katalysatorausgang gewandert ist. Entspricht die Abgastemperatur am Eingang des Katalysators dagegen gerade der Anspringtemperatur, so verteilt sich die Umsetzung der Schadstoffe längs des ganzen Katalysators derart, daß am Katalysatorausgang gerade 50 % der Schadstoffe umgesetzt

sind. Der Schadstoffumsatz am Ausgang des Katalysators führt wegen der hohen Raumgeschwindigkeit des Abgases zu einem sehr schnellen Anstieg der Abgastemperatur hinter dem Katalysator. Es gilt also: je aktiver der Katalysator bei der Eingangstemperatur des Abgases ist, umso später er- reicht das Temperaturprofil des Abgases hinter dem Katalysator sein Maximum.

Diese Zusammenhänge ermöglichen es, aus dem zeitlichen Temperaturprofil hinter dem Katalysator das axiale Wärmefreisetzungsprofil im Katalysator zu ermitteln. Die Berechnungsverfahren hierfür sind dem Fachmann be- kannt. Aus dem Wärmefreisetzungsprofil im Katalysator kann schließlich die aktuelle Anspringtemperatur für die zugeführten Schadstoffe ermittelt werden.

Für die Prüfung wird kurzzeitig die Schadstoffkonzentration im Abgas angehoben. Deshalb besteht die Gefahr, daß die Prüfung die Schadstoffemission des Fahrzeugs erhöht. Das kann weitgehend verhindert werden, wenn die Prüfung nur bei Abgastemperaturen durchgeführt wird, die oberhalb der Anspringtemperatur des Katalysators liegen. Die Oxidationsaktivität eines Katalysators nimmt mit zunehmender Alterung ab und die Anspringtemperatur steigt an. Daher wird die Prüfung bevorzugt bei Abgastemperaturen vorgenommen, die größer sind als die während der letzten Prüfung ermittelte aktuelle Anspringtemperatur des Katalysators. Besonders bevorzugt wird die Prüfung bei Abgastemperaturen vorgenommen, die um 10 bis 100 ⁰ C, insbesondere um 10 bis 50 ⁰ C oberhalb der während der letzten Prüfung ermittelten aktuellen Anspringtemperaturen des Katalysators liegen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Aufgabe der Erfindung durch folgende Verfahrensschritte gelöst:

a) Zugabe von zusätzlichen brennbaren Bestandteilen zum Abgas vor Eintritt in den Katalysator während einer Zeitdauer δt, b) Messen eines zeitlichen Temperaturprofils des Abgases hinter dem Kata- lysator infolge der Wärmeentwicklung bei der Verbrennung der zusätzlichen brennbaren Bestandteile am Katalysator,

c) Ermitteln einer Zeitdifferenz zwischen dem Beginn der Zugabe der brennbaren Bestandteile und dem Auftreten eines Maximums des Temperaturprofils hinter dem Katalysator und d) Setzen eines Signals, daß der Katalysator schwerwiegend geschädigt ist, wenn die Zeitdifferenz einen vorgegebenen Wert unterschreitet.

Die aktuelle Anspringtemperatur des Katalysators kann in diesem Fall wie folgt ermittelt werden : Es wird vorab eine Tabelle für den betrachteten Katalysator erstellt, die die Anspringtemperatur des Katalysators für verschiedene Alterungszustände enthält in Abhängigkeit von der erfindungs- gemäß gemessenen Zeitdifferenz. Der Betriebszustand des Motors mit Last und Drehzahl dient hierbei als Parameter. Figur 7 zeigt die grafische Darstellung der Daten einer solchen Tabelle, wobei beispielhaft nur die Abgastemperatur vor Beginn der Prüfung als Parameter verwendet wurde. Aus diesem Diagramm kann bei bekannter Eingangstemperatur des Abgases und der gemessenen Zeitdifferenz die aktuelle Anspringtemperatur abgelesen und für die Wahl der Abgastemperatur bei der nächsten Prüfung benutzt werden.

Alternativ kann die aktuelle Anspringtemperatur durch Simulationsrechnungen aus dem gemessenen zeitlichen Temperaturprofil ermittelt werden.

Die Zugabe der zusätzlichen brennbaren Bestandteilen zum Abgas vor Eintritt in den Katalysator kann auf verschiedene Weise erfolgen : durch motorische Maßnahme wie zum Beispiel Nacheinspritzen von Kraftstoff, späte Verbrennungslage oder mehrstufige Verbrennung; durch Eindüsen von Kraftstoff in die Abgasleitung oder durch Zugabe eines durch Reformierung von Kraftstoff erhaltenen wasserstoffreichen Gases.

Beispiel

Die Vorgänge im Katalysator während der Prüfung wurden mit Hilfe eines kommerziellen Berechnungsprogrammes untersucht unter der Annahme eines reinen CO-Pulses als Schadstoffpuls. Die Ergebnisse dieser Simulati-

onsrechnungen sind in den folgenden Figuren 3 bis 6 dargestellt und dienen zur weiteren Erläuterung der Erfindung.

Die Figuren 3 und 4 zeigen Konzentrationsprofile für Kohlenmonoxid und die entsprechenden Wärmefreisetzungsprofile im Katalysator für stationäre Abgasbedingungen unter der Annahme einer Anspringtemperatur des Katalysators für Kohlenmonoxid von 200 ⁰ C, einer konstanten Konzentration von Kohlenmonoxid vor Katalysator von 1 Vol.-% und einer Raumgeschwindigkeit des Abgases von 36.000 h ^"1 , entsprechend einem zehnmaligen Wechsel des Abgases im Katalysator pro Sekunde. Die Länge des Katalysators wurde zu 10 cm (0,1 m) festgelegt. Die Berechnungen wurden für vier verschiedene Abgastemperaturen vor Eintritt in den Katalysator vorgenommen :

Kurven a) : T _A bgas = 200 ⁰ C (entspricht der Anspringtemperatur) Kurven b) : T _A bgas = 220 ⁰ C Kurven c) : T _A bgas = 240 ⁰ C Kurven d) : T _A bgas = 260 ⁰ C

Figur 3 zeigt die berechneten Konzentrationsprofile von Kohlenmonoxid längs des Katalysators. Ist die Abgastemperatur gleich der Anspringtemperatur (Kurve a)), so ist Kohlenmonoxid definitionsgemäß am Ende des Katalysators nur zu 50 % umgesetzt. Für Temperaturen von 20 ⁰ C oberhalb der Anspringtemperatur wird das Kohlenmonoxid schon im Katalysator vollständig umgesetzt. Mit zunehmender Abgastemperatur verschiebt sich die Umsetzung immer mehr zum Katalysatoreingang. Deutlich ist dabei die Selbstbeschleunigung der Oxidation von Kohlenmonoxid mit zunehmendem Umsatz von Kohlenmonoxid am Edelmetallkatalysator erkennbar: Die Umset- zung von Kohlenmonoxid wird mit geringer werdender Konzentration im Abgas beschleunigt.

Figur 4 zeigt die sich aus den Konzentrationsprofilen von Figur 3 ergebenden Wärmefreisetzungsprofile. Auch hier beobachtet man, daß die Wärmefreisetzung nicht gleichmäßig über den gesamten Katalysator sondern ört- lieh begrenzt erfolgt. Für Abgastemperaturen oberhalb der Anspringtemperatur ist aufgrund der Selbstbeschleunigung ein deutlich ausgeprägtes Ma-

ximum zu erkennen. Die Lage des Maximums verschiebt sich mit zunehmender Abgastemperatur Richtung Eingang des Katalysators.

Prinzipiell ist es also möglich, durch Messen des Temperaturprofils längs des Katalysators eine Aussage über die Anspringtemperatur des Katalysators zu erhalten. Zu diesem Zweck muß jedoch das Temperaturprofil ausreichend genau mit Hilfe mehrerer Meßstellen längs des Katalysators ermittelt werden. Das ist technisch aufwendig und mit erheblichen Kosten verbunden.

Erfindungsgemäß wird dagegen nur das zeitliche Temperaturprofil hinter dem Katalysator mit einer Temperaturmeßsonde gemessen. Sie kann leicht an einem Ort angebracht werden, an welchem alle aus dem Katalysator austretenden Strömungsfäden gut miteinander vermischt sind und so eine verläßliche Temperaturmessung erlauben. Die Messung des zeitlichen Temperaturprofils hinter dem Katalysator macht es jedoch notwendig, den Katalysator mit einer kurzzeitig höheren Konzentration an verbrennbaren Ab- gaskomponenten zu belasten. Die dabei entstehende zeitliche änderung der Abgastemperatur hinter dem Katalysator kann dann leicht vermessen werden.

Für die Simulationsrechnungen der Figuren 5 und 6 wurden die gleichen Voraussetzungen bezüglich Anspringtemperatur, Raumgeschwindigkeit und Katalysatorlänge getroffen wie für die stationären Berechnungen der Figuren 3 und 4. Abweichend von den stationären Berechnungen wurde jetzt nur eine pulsartige Zugabe von Kohlenmonoxid zum Abgas vor dem Katalysator angenommen mit einer Pulsdauer von 3 Sekunden und einer Konzentration von Kohlenmonoxid im Puls von 1 Vol.-%.

Figur 5 zeigt die berechneten axialen Profile der Katalysatortemperatur für eine Abgastemperatur vor Katalysator von 240 ⁰ C und verschiedene Zeiten nach Beginn des CO-Pulses. Auf der Ordinate ist die Differenz der am jeweiligen Ort längs des Katalysators herrschenden Katalysatortemperatur T zur Abgastemperatur vor Katalysator T _1n aufgetragen. Da die Abgastemperatur T _n deutlich oberhalb der Anspringtemperatur (200 ⁰ C) liegt, wird das Kohlenmonoxid des CO-Pulses schon in der ersten Hälfte des Katalysators voll-

ständig verbrannt und erzeugt ein axiales Temperaturprofil im Katalysator, das im wesentlichen dem Wärmefreisetzungsprofil entspricht. In Wechselwirkung mit dem Abgas und infolge der thermischen Eigenschaften des Katalysatorkörpers wandert das Temperaturprofil im Katalysator stromab- wärts zum Katalysatorausgang und verbreitert sich dabei. Nach etwa 30 Sekunden hat das Maximum des Temperaturprofils den Katalysatorausgang erreicht.

Am Ausgang des Katalysators kann das örtliche Temperaturprofil als zeitabhängiges Temperaturprofil vermessen werden. Die sich ergebenden zeitli- chen Temperaturprofile hinter dem Katalysator sind in Figur 6 für die oben angeführten vier verschiedenen Abgastemperaturen vor Katalysator a), b), c) und d) dargestellt. Je weiter oberhalb der Anspringtemperatur des Katalysators die Abgastemperatur liegt, umso größer ist die Zeitdifferenz zwischen dem Start der Kohlenmonoxidzugabe und dem Auftreten des Maxi- mums des zeitlichen Temperaturprofils hinter dem Katalysator.

Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt wenigstens einen Temperatursensor zur Messung der Abgastemperatur hinter dem Katalysator. Die Abgastemperatur vor Katalysator wird bevorzugt von der Motorsteuerung aus den aktuellen Betriebsdaten des Motors berechnet. Alternativ kann auch ein zweiter Temperatursensor vor dem Katalysator vorgesehen werden. An die Temperatursensoren, insbesondere an den Temperatursensor hinter dem Katalysator, werden bezügliche Meßgenauigkeit und Langzeitstabilität nur geringe Anforderungen gestellt, da es im wesentlichen nicht auf die absolute Höhe der Temperatur ankommt, sondern nur auf die zeitliche Verzögerung zum Beispiel des Auftretens des Maximums des Temperaturverlaufs.

Es ist ein Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens, daß bei einer Temperatur deutlich oberhalb der Anspringtemperatur gearbeitet werden kann, so daß auch im Fall eines geschädigten Katalysators während der Prüfung noch ein vollständiger Umsatz des Schadstoffpulses erzielt wird. Auf diese Weise können zusätzliche Emissionen durch die Prüfung vermieden werden.