Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betriebsüberwachung eines Katalysators für Abgase einer Verbrennungsmaschine mit Abgassystem sowie eine hierfür geeignete Vorrichtung und einen speziell hierfür gestalteten Katalysator.

Entsprechend den in vielen Ländern immer strenger werdenden Umweltschutzvorschriften werden inzwischen viele Verbrennungsmaschinen, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, mit einem Katalysator ausgestattet. Ein solcher Katalysator wird vom Abgas durchströmt und setzt in seinem katalytisch aktiven Volumen, welches eine große Oberfläche aufweist, die mit dem Abgas in Kontakt tritt, Schadstoffe im Abgas katalytisch zu unschädlichen Stoffen um. Als Trägerkörper für katalytisch aktives Material sind viele verschiedene Ausführungen bekannt, teilweise aus Keramik und teilweise aus Metall. Es handelt sich im allgemeinen um wabenähnliche Körper, welche eine Vielzahl von Kanälen aufweisen, die vom Abgas durchströmt werden. Metallische Katalysatoren werden im allgemeinen aus strukturierten Blechen geschichtet, spiralig aufgewickelt oder anderweitig verschlungen. Solche Formen sind beispielsweise in der EP-B-0 223 058, der EP-B-0 245 737 oder der EP-B-0 245 738 beschrieben.

Um zur weiteren Reduzierung von Schadstoffen eine katalytische Umsetzung unmittelbar nach dem Start des Motors zu gewährleisten, wurden auch bereits elektrisch bεheizbare Katalysatoren vorgeschlagen, die schneller die für eine katalytische Umsetzung notwendige Temperatur erreichen. Solche heizbaren Katalysatoren sind beispielsweise in der WO 89/10470 beschrieben.

Als zusätzliche E rgänzung der bekannten Systeme ist es als

wünschenswert erkannt worden, die Funktionsfähigkeit einer katalytischen Abgasreinigung während des Betriebes ständig überwachen zu können, um Fehlfunktionen frühzeitig erkennen und beseitigen zu können. Dies wurde z. B. mit Hilfe von zwei Temperaturmeßstellen versucht, wobei die Temperaturdifferenz beobachtet wurde. Solche Anordnungen sind in der WO 88/07622 AI, der DE 35 16 981 AI, der DE-AS 23 46 425 oder der DE 26 43 739 C2 beschrieben.

Aufgabe der Erfindung ist es, mit einem möglichst geringen Aufwand an Instrumentierung und bei geringer Störanfälligkeit ein solches Meßsystems für eine möglichst genaue und umfassende Überwachung der Funktion des Katalysators im Betrieb zu ertüchtigen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Betriebsüberwachung eines Katalysators für Abgas einer Verbrennungsmaschine mit Abgassystem, bei dem an mindestens zwei räumlich beabstandeten Querschnittsbereichen im Abgassystem die Temperatur gemessen und überwacht wird, wobei zwischen den beiden Meßstellen zumindest ein Teil des für die katalytische Umsetzung von Schadstoffen im Abgas maßgeblichen Katälysatorvolumens liegt, wobei die Temperatur an mindestens einer der Meßstellen nicht punktuell sondern über einen repräsentativen Teil des Querschnittsbereiches integral gemessen wird.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß die Umsetzung von Schadstoffen im Katalysator eine exotherme Reaktion ist, bei der also Energie frei wird. Diese Energie führt dazu, daß das mit Schadstoffen beaufschlagte Abgas vor dem Katalysator (zumindest in einem quasistationären Zustand) eine geringere Temperatur als das gereinigte Abgas hinter dem Katalysator hat. Dieser Effekt soll bei der vorliegenden Erfindung zur Überwachung der Funktionsfähigkeit des Katalysators und nach Möglichkeit noch zur Ermittlung anderer Informationen

herangezogen werden. Hierzu wird die Temperatur in zwei

Querschnittsbereichen im Abgassystem gemessen, zwischen denen sich zumindest ein Teil des für die katalytische Umsetzung maßgeblichen Katalysatorvolumens liegt. Wie anhand der Zeichnung näher erläutert wird, ist es nicht unbedingt nötig zur Erzielung von signifikanten Meßergebnissen, daß das gesamte Katalysatorvolumen zwischen den Meßstellen liegt. Es kommen daher verschiedene Anordnungen der Meßstellen in Betracht, die von den räumlichen Gegebenheiten des einzelnen Abgassystems stark abhängen können. Im einfachsten Fall kann wie erwähnt die Temperatur in der Abgasleitung vor dem Katalysator und hinter dem Katalysator gemessen werden. Da im allgemeinen in einem Abgassystem keine homogene Temperaturverteilung über den gesamten Strömungsquerschnitt vorliegt, insbesondere nicht innerhalb eines Katalysatorkörpers, ist es sinnvoll, die

Temperatur an bestimmten Meßstellen nicht punktuell, sondern über einen etwa repräsentativen Teil des Querschnittsbereiches integral zu messen. Hierdurch wird die Genauigkeit der Überwachung erhöht. Als repräsentativ wird dabei eine Messung angesehen, die sowohl aus den Randbereichen der Strömung wie auch aus den Zentralbereichen Informationen enthält. Ein Querschnittsbereich ist dabei eine etwa in einer Querschnittsebene liegende Scheibe aus dem Abgassystem, in welcher die Messung durchgeführt wird.

Geei gnet für integrale Messungen sind be ispielsweise f lächige oder etw a l inienförmige Temperaturfühler , wie sie im Stand der Technik zahlreich bekannt sind . Insbesondere kommen Meßfühler mit einem temper aturabhängigen Widerstand , vorzugsweise in Form eines Drahtes , in Betracht . Temperaturmessungen gehören im übrigen zu den genauesten und am besten beherrschten Messungen in der Technik und eignen sich daher f ür die vorliegende Anwendung . Sie reagieren auch au f relativ kleine und schnelle ^' Änderungen .

Vorteilhaft kann es sein, eine oder zwei Temperaturmeßstellen

innerhalb des Katalysators selbst anzuordnen. Insbesondere bei beheizbaren Katalysatoren sind an diesem ohnehin schon elektrische Durchführungen und Anschlüsse vorhanden, so daß diese zusätzliche Instrumentierung den Aufwand an Verkabelung des Abgassystems nicht übermäßig erhöht. Dabei kann davon ausgegangen werden, daß eine in den Katalysator integrierte Temperaturmeßstelle im vorderen Stirnbereich eine Temperatur proportional zu der Temperatur des anströmenden Abgases mißt, während eine Temperaturmeßstelle im Abstrδmbereich des Katalysators eine der Temperatur der abströmenden Abgase proportionale Temperatur mißt. Bei einer solchen Anordnung können unterschiedliche systemtechnische und theoretische Ansätze gemacht werden. Man kann einerseits die Temperaturfühler so anordnen, daß sie im wesentlichen vom Abgas umströmt werden und daher die Abgastemperatur messen, man kann jedoch auch die Temperaturmeßstellen so anordnen, daß sie im wesentlichen in einem guten Wärmekontakt mit dem Katalysatormaterial oder dem Trägermaterial des Katalysators stehen. Für beide Möglichkeiten gibt es gute Gründe, die unter Berücksichtigung der hauptsächlichen Betriebstemperaturen und der Geometrie der Katalysatoranordnungen bei der Auswahl des Meßsystems berücksichtigt werden müssen. Günstig kann es beispielsweise sein, im vorderen Bereich des Katalysators die Gastemperatur zu messen und im hinteren Bereich die Temperatur des Trägermaterials. Die bei der katalytischen Umsetzung freiwerdende Energie wird nach dem derzeitigen Verständnis der Wärmetransportvorgänge zunächst auf das Trägermaterial des Katalysators übertragen und von diesem wieder auf das abströmende Abgas.

Jedenfalls ist die im Katalysator erzeugte Energie so hoch, daß signifikante Temperaturunterschiede leicht zu messen sind. Es reicht daher auch aus, wenn zwischen den Meßstellen nicht das gesamte aktive Katalysatorvolumen liegt, sondern mehr als 50, vorzugsweise mehr als 70 %.

Die Genauigkeit der Messung wird auch dadurch erhöht, daß in einer Überwachungselektronik die Temperaturdifferenz zwischen mindestens zwei Meßwerten an den Meßstellen gebildet wird. Aus dem Vorzeichen, der absoluten Größe und/oder dem zeitlichen Verhalten der Temperaturdifferenz kann auf die Funktion des Katalysators und/oder sogar der Steuerung der Verbrennungsmaschine oder der Katalysatorregelung (falls vorhanden) geschlossen werden. Bildet man die

Temperaturdifferenz Delta T = Tl - T2, wobei Tl der Meßwert an einer vorderen Meßstelle und T2 der Meßwert an einer hinteren Meßstelle ist, so können qualitativ folgende Aussagen direkt gewonnen werden: a) Ist Delta T sehr klein oder gar positiv, so findet im Katalysator keine Umsetzung statt, so daß eine Meldung "Katalysator defekt" erfolgen soll. b) Ist Delta T negativ und innerhalb eines bestimmten Toleranzbereiches, so sind alle Systeme in Ordnung und es erfolgt keine Meldung. c) Ist Delta T negativ und sehr groß, so gelangen offensichtlich zu große Schadstoffanteile bzw. unverbrannte Brennstoffreste ins Abgassystem, weshalb im Katalysator eine heftige Reaktion stattfindet. In diesem Fall soll eine Meldung "Steuerung der Verbrennungsmaschine defekt" erfolgen.

wie anhand der Ausführungsbeispiele noch näher beschrieben wird, ist das vorgeschlagene Meßsystem außerordentlich empfindlich für das Auftreten von unverbraπnten Brennstoffresten im Abgas. Es können daher mit dem System auch Fehler in der Steuerung der Verbrennungsmaschine mit hoher Empfindlichkeit diagnostiziert werden, insbesondere auch seltene periodische oder episodische Zündaussetzer bei Einspritzmotoren.

Das Verfahren kann weiter dadurch verfeinert werden, daß bei Verbrennungsmotoren mit elektronischer Steuerung eine

Datenverbindung zwischen der Uberwachungselektronik und der

Motorsteuerung hergestellt wird. So -können dem

Überwachungssystem Daten über die Motordrehzahl, die Motorlast, Massenströme, Umgebungsbedingungen etc. zugeführt werden, aus welchen sich die zu erwartende Temperaturdifferenz Delta T bei ordnungsgemäßer Funktion der Anlage in bestimmten Grenzen vorhersagen läßt. Auf diese Weise kann mit üblichen Mikroprozessoren die oben beschriebene qualitative Diagnose zu einer präzisen quantitativen Diagnose verfeinert werden. Gegebenenfalls können dabei auch die Meßwerte von einer oder mehreren Lambda-Sonden im Abgassystem mit verarbeitet werden. Schließlich ist auch eine Rückwirkung der

Überwachungselektronik auf die Motorsteuerung möglich, indem bei bestimmten Betriebszuständen des Katalysators (beispielsweise vor Erreichen der Betriebstemperatur oder bei Überschreiten einer vorgegebenen Maximaltemperatur) entsprechende Steuerbefehle in der Motorsteuerung beeinflußt werden. Es sei noch darauf hingewiesen, daß eine zeitliche Veränderung der Temperaturfühler durch eine von der Überwachungselektronik selbst durchführbare gelegentliche Neukalibrierung ausgeglichen werden kann. Nach einem langen Stillstand der Verbrennungsmaschine müssen sich alle Temperaturfühler auf der gleichen Temperatur befinden, so daß in diesem Zustand eine Nachkalibrierung möglich ist, ggf. unter Einbeziehung der anderweitig gemessenen Außentemperatur. Wartungsarbeiten oder ein Eingriff von außen sind hierzu nicht nötig.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe, der genauen und umfassenden Betriebsüberwachung eines Katalysators, dient eine Vorrichtung, die mindestens zwei Temperaturfühler in mindestens zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Querschnittsbereichen des Abgassystems enthält, wobei zwischen den beiden Querschnittsbereichen zumindest ein Teil des für die katalytische Umsetzung von Schadstoffen im Abgas maßgeblichen Katalysatorvolumens liegt und wobei mindestens einer der

Temperaturfühler (TF ₅ TFl, TF2; TFl', TF2') flächig oder etwa

linienförmig ausgebildet ist und die Temperatur über einen etwa repräsentativen Teil des Querschnittsbereiches, in dem er angeordnet ist, integral mißt. Weiter wird eine Überwachungselektronik zur Auswertung der Temperaturmeßwerte und eine Anzeigevorrichtung für das Ergebnis der Auswertung benötigt. Weitere Einzelheiten solcher Vorrichtungen werden im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben.

Wichtig ist noch, darauf hinzuweisen, daß das vorliegende Überwachungssystem besonders geeignet in Verbindung mit elektrisch beheizbaren Katalysatoren ist. Bei elektrisch beheizbaren Katalysatoren ist es wünschenswert, die tatsächlich aktuell erreichte Temperatur jeweils zu messen, um damit die Beheizung zu regeln und ggf. den Start des Motors nach Erreichen der Starttemperatur freizugeben. Für diesen Zweck können die zur Betriebsüberwachung vorgesehenen Temperaturfühler alle oder teilweise mit herangezogen werden, wodurch ein zusätzlicher Aufwand entfällt. Da elektrisch beheizbare Katalysatoren ohnehin elektrische Anschlüsse aufweisen, ist es auch vorteilhaft, dort die Anschlüsse zur

Instrumentierung vorzusehen, so daß außer der Verkabelung einer eventuell vorhandenen Lambda-Sonde nur ein zusätzlicher Kabelstrang zum Abgassystem führt.

Die Erfindung betrifft auch einen speziell ausgebildeten

Katalysator, der in mindestens einem Querschnittsbereich nahe mindestens einer seiner Stirnflächen mindestens einen integrierten Temperaturfühler aufweist, der die Temperatur über einen etwa repräsentativen Teil des Querschnittsbereiches integral mißt. Ein solcher Katalysator ist insbesondere für die bisher beschriebenen Vorrichtungen und zur Durchführung des Überwachungsverfahrens geeignet. Er ist darüber hinaus aber auch, unabhängig von dieser Anwendung für andere Systeme geeignet, bei denen solche Temperaturmeßwerte benötigt werden. Insbesondere können beheizbare Katalysatoren so ausgestattet sein, auch wenn sie nicht mit einer Betriebsüberwachung

versehen sind. Spezielle Ausführungsformen der integrierten Temperaturfühler werden ebenfalls im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben.

Eine teilweise schematische Übersichtsdarstellung und Ausführungsbeispiele für Einzelheiten der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen Figur 1 eine schematische Übersicht über ein erfindungsgemäßes Motor- und Katalysatorüberwachungssystem, Figur 2 ein Ausführungsbeispiel für einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgestalteten Katalysator in der Ebene eines Temperaturfühlers,

Figuren 3 und 4 den Aufbau eines geeigneten Temperaturfühlers im Längsschnitt (Figur 3) und im Querschnitt (Figur 4) und Figur 5 ein schematisches Beispiel für die fertigungstechnische Einbindung eines Temperaturfühlers in einen Katalysatorkörper.

Figur 1 zeigt schematisch einen Verbrennungsmotor 1 mit einer elektronischen Motorsteuerung 2, welche über Meßwertzuleitungen 3 Informationen von außen erhält und danach über

Motorzuleitungen 4 den Motor 1 steuert. Aus dem Motor gelangen Abgase in Pfeilrichtung in eine Abgasleitung 5, in welcher eine Lambda-Sonde 6 angeordnet ist, welche wiederum über eine Meßwertleitung 7 mit der Motorsteuerung 2 in Verbindung steht. in der Abgasleitung ist ein Katalysator 8 angeordnet, an den sich eine Abgasauslaßleitung 9 anschließt. Der Katalysator 8 kann aus einer oder mehreren einzelnen Scheiben bestehen und natürlich kann das Abgassystem auch ehrsträngig aufgebaut sein, was jedoch für die vorliegende Erfindung beides keine entscheidende Rolle spielt. Der Katalysator 8 kann auch zumindest in Teilbereichen elektrisch beheizbar sein und dementsprechende elektrische Anschlüsse 17 und 18 aufweisen. Erfindungsgemäß sollen im Abgassystem mindestens zwei Temperaturfühler angeordnet sein, zwischen denen sich zumindest ein Teil des katalytisch aktiven Volumens befindet. Für den vorderen Temperaturfühler sind in Figur 1 zwei Alternativen

angegeben, nämlich der Temperaturfühler TFl im vorderen

Stirnbereich des Katalysators 8 und der Temperaturfühler TFl' in der Abgasleitung 5. Für den hinteren Temperaturfühler sind ebenfalls zwei Alternativen angegeben, nämlich ein im hinteren Stirnbereich des Katalysators 8 integrierter Temperaturfühler TF2 und ein in der Abgasauslaßleitung 9 angeordneter Temperaturfühler TF2 ¹ . Welche der jeweiligen Alternativen miteinander vorteilhaft kombiniert werden sollten, hängt von den geometrischen Gegebenheiten und anderen Faktoren ab. Wichtig ist vor allem, daß zwischen den Meßstellen ein wesentlicher Teil der katalytischen Reaktionen abläuft. Die Temperaturmeßwerte werden über die Meßleitungen 13 und 14 einer Überwachungselektronik 10 zugeführt. Diese wertet die Meßwerte aus, wobei ggf. Daten aus der Motorsteuerung 2 über Datenzuleitungen 11 bei der Auswertung hinzugezogen werden können. Auch eine Rückwirkung der Überwachungselektronik 10 auf die Motorsteuerung 2 über Datenableitungen 12 ist möglich. Das Ergebnis der Überwachung wird über eine Diagnoseleitung 15 an eine Anzeige 16 des Diagnoseergebnisses weitergegeben. Diese Anzeige kann z. B. in Form von Signallampen oder Anzeigeinstrumenten ausgebildet sein.

Für den Fall, daß Temperaturfühler in einen Katalysator 8 integriert werden, veranschaulicht Figur 2 ein mögliches Ausführungsbeispiel der Erfindung. Figur 2 ist dabei ein teilweise schematisch dargestellter Schnitt durch den Katalysator 8 in der Ebene eines Temperaturfühlers TF. Bei Figur 2 handelt es sich um eine an sich aus der WO 89/10470 bekannte Ausführungsform eines elektrisch beheizbaren metallischen Katalysatorträgers, der aus gegensinnig verschlungenen Blechlagen besteht und in seiner Querschnittsfläche durch Isolierschichten so unterteilt ist, daß ein für eine Beheizung geeigneter elektrischer Widerstand und Strompfad entsteht. Dieser Katalysator 8 ist aus abwechselnden Lagen gewellter 21 und glatter Bleche 22 aufgebaut und in seinem Inneren mit hier nur schematisch

angedeuteten spiralförmig nach innen laufenden Isolierschichten versehen. Die Blechlagen sind von einem Mantel umgeben, der aus zwei Halbschalen 23, 24 besteht, welche durch Isolierabschnitte 25, 26 elektrisch voneinander getrennt sind. Die Mantelhalbschalen 23, 24 sind mit elektrischen Anschlüssen 27, 28 für eine elektrische Beheizung versehen. Im Inneren dieses Katalysators 8 verläuft nun parallel zu den einzelnen Blechlagen ein Temperaturfühler TF, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Draht enthält, dessen Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Um nicht zwei Anschlüsse für den Temperaturfühler an verschiedenen Stellen vorsehen zu müssen, ist der Widerstandsdraht im Inneren U-förmig verlegt, d. h. er besteht aus am Ende verbundener Hin- und Rückleitung, wie dies in den Figuren 3 und 4 veranschaulicht wird. Der Temperaturfühler TF ist an einer Seite durch den Mantel 24 nach außen geführt und weist dort Anschlüsse 29 für die Meßleitungen auf. Das hier dargestellte Prinzip zur Verlegung eines Temperaturfühlers TF in einem Katalysator 8 ist nur ein Ausführungsbeispiel. Viele andere Möglichkeiten für anders aufgebaute Katalysatoren sind denkbar, insbesondere das spiralige Aufwickeln eines Temperaturfühlers oder auch das Einbringen in eine Querbohrung sind denkbar.

Figur 3 zeigt zur Veranschaulichung einen Längsschnitt durch das Ende des Temperaturfühlers TF, und in Figur 4 ist ein

Querschnitt entlang der Linie IV-IV in Figur 3 dargestellt. Der Thermofühler hat einen Mantel 31, welcher beispielsweise aus Inconel oder einem anderen hochte peraturfesten Stahl mit Chrom- und/oder Aluminium-Anteilen bestehen kann. Je nach den Anforderungen kann der Mantel 31 auch aus dem gleichen Material bestehen wie die Bleche des Katalysators 8, wodurch eine Verlötung zwischen Temperaturfühler TF und Blechen 21, 22 bzw. dem Mantel 24 problemlos möglich wird. Im Inneren des Temperaturfühlers TF ist ein Draht 33, 34 U-förmig verlegt, wobei der Draht beispielsweise aus Nickel oder einem anderen Material bestehen kann, welches einen stark von der

Temperatur abhängigen Widerstand aufweist. Eine Isolierschicht 32, z. B. aus Magnesiumoxidpulver, verhindert in bekannter Weise Kontakte zwischen den beiden Leitungen 33, 34 des Widerstandsdrahtes untereinander und zu dem Mantel 31.

Figur 5 zeigt zur Veranschaulichung einen kleinen Ausschnitt aus einem gewellten bzw. im vorliegenden Fall gefalteten Blech, wie es zum Aufbau von Katalysator-Trägerkörpern verwendet wird. Durch Einschleifen einer geeigneten Nut quer zum Verlauf der Struktur in die Wellenberge kann eine Aufnahme für einen

Temperaturfühler TF geschaffen werden, die es ermöglicht, den Temperaturfühler zusammen mit dem strukturierten Blech 21 zu einem Katalysator-Trägerkörper zu schichten bzw. zu wickeln oder zu verschlingen. Die Nut 51 sollte dabei nicht wie hier zur Veranschaulichung dargestellt wesentlich größer als der Querschnitt des Temperaturfühlers sein, sondern etwa dessen Abmessungen haben, so daß eine Einlötung oder zumindest eine Fixierung des Temperaturfühlers TF durch die Nut möglich ist. Sofern die Nut 51 so tief gemacht wird, daß der Temperaturfühler TF etwa auf halber Höhe der Wellung liegt, so mißt dieser hauptsächlich die Temperatur des vorbeiströmenden Gases und nicht in gleichem Maße die Temperatur der Struktur selbst. Durch eine geringere Tiefe der Nut 51 und möglicherweise eine Verlötung mit dem angrenzenden nächsten glatten Blech kann hingegen erreicht werden, daß der Temperaturfühler TF hauptsächlich die Temperatur der Trägerstruktur mißt. Eine flexible Bauweise je nach den Anforderungen ist daher möglich.

Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders für fortschrittliche integrale Diagnose- und Überwachungssysteme bei Kraftfahrzeugen, die Verbrennungsmotoren mit elektronischer Einspritzung aufweisen und mit geregelten Katalysatoren ausgestattet sind. Besonders günstig ist die Erfindung anwendbar in Verbindung mit elektrisch beheizbaren Katalysatoren.