DE19752274A1 - Catalyst protection method for preventing overheating at full load in combustion engine - Google Patents

Catalyst protection method for preventing overheating at full load in combustion engine

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Abstract

The air/fuel ratio is reduced up to a non-critical temperature of the catalyst, and the operation of the combustion engine is continued, as long as the operation is at full load and the temperature of the catalyst does not sink under a limit which lies underneath the permissible maximum temperature and above the necessary operating temperature. The method involves determining when a necessary catalyst operating temperature and a regulated catalyst operation with lambda = 1 are reached, and whether the combustion engine is at full load. The elapsed time of a continuous operation at full load is measured and compared with a predetermined maximum duration, while the regulated catalyst operation at lambda = 1 is continued. The air/fuel ratio is reduced by a first level at overstepping of the predetermined maximum duration, and the catalyst temperature is continuously compared with a permissible maximum catalyst temperature whilst continuing the operation at full load. The air/fuel ratio is further reduced up to a non-critical temperature of the catalyst, and the operation of the combustion engine is continued, as long as the operation is at full load and the temperature of the catalyst does not sink under a limit which lies underneath the permissible maximum temperature and above the necessary operating temperature.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz eines im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten Kataly­ sators vor Überhitzung bei Vollast der Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a method for protecting a Exhaust line of an internal combustion engine arranged Kataly before overheating at full load of the internal combustion engine according to the preamble of claim 1.

Bekanntlich arbeiten die zur Reduktion der schädlichen Abgasbestandteile von Brennkraftmaschinen verwendeten Ka­ talysatoren nur in einem festliegenden Temperaturbereich. So liegt die Anspringtemperatur typischer für Kraftfahr­ zeuge geeignete Katalysatoren für Ottomotoren bei ca. 370°C. Die Temperatur soll zur Vermeidung von Emissionen mit einem Schadstoffanteil während eines Kaltstarts der Brennkraftmaschine möglichst schnell erreicht werden. An­ dererseits darf eine Maximaltemperatur des Katalysators von ca. 800°C bis 900°C nicht überschritten werden, da sonst der Katalysator zerstört oder zumindest seine Le­ bensdauer drastisch reduziert wird. Insbesondere bei Brennkraftmaschinen zum Antrieb von Kraftfahrzeugen vari­ iert die Wärmebelastung stark in Abhängigkeit von der Leistung der Brennkraftmaschine. Bei Vollast liegen ex­ treme Anforderungen vor, die zur Überhitzung des Kataly­ sators führen können. Bei mit Brennkraftmaschinen ange­ triebenen Fahrzeugen sind daher Vorkehrungen getroffen, daß bei Erreichen einer Temperatur, die ca. 50°C bis 60°C unterhalb der zulässigen Maximaltemperatur liegt, eine weitere Erwärmung des Katalysators unterbunden wird.As is known, they work to reduce the harmful Exhaust components from internal combustion engines used Ka Talysators only in a fixed temperature range. The light-off temperature is more typical for motor vehicles produce suitable catalysts for gasoline engines at approx. 370 ° C. The temperature is said to avoid emissions with a pollutant content during a cold start of the Internal combustion engine can be reached as quickly as possible. On on the other hand, a maximum temperature of the catalyst from approx. 800 ° C to 900 ° C, because otherwise the catalyst will be destroyed or at least its Le life is drastically reduced. Especially at Internal combustion engines for driving motor vehicles vari The heat load depends heavily on the Performance of the internal combustion engine. At full load, ex treme requirements for overheating the Kataly can lead sators. When with internal combustion engines precautions are therefore taken to drive vehicles that when a temperature of about 50 ° C to 60 ° C is reached  is below the permissible maximum temperature, one further heating of the catalyst is prevented.

Eine bekannte Maßnahme zum Schutz des Katalysators vor Überhitzung bei Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine, wie sie z. B. auch in DE 43 44 137 A1 dargestellt ist, besteht darin, daß Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ zu ver­ ringern, d. h. das Luft-Kraftstoff-Gemisch anzufetten. Die Abgase der Verbrennung des fetteren Gemisches weisen eine geringere Temperatur auf als die bei Verbrennung ei­ nes stöchiometrischen Gemisches mit λ = 1.A known measure to protect the catalyst from Overheating at full load operation of the internal combustion engine, as they e.g. B. is also shown in DE 43 44 137 A1, consists in ver ver the air-fuel ratio wrestle, d. H. to grease the air-fuel mixture. The exhaust gases from the combustion of the fatter mixture indicate a lower temperature than that of combustion egg nes stoichiometric mixture with λ = 1.

Von Nachteil ist, daß durch Anfettung des Gemisches bei Vollastbetrieb der Kraftstoffverbrauch steigt.The disadvantage is that by enriching the mixture Full load operation fuel consumption increases.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit dem dieser erhöhte Kraftstoffverbrauch infolge einer Gemischanfettung zum Schutz des Katalysators vor Überhit­ zung bei Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine minimiert werden kann.It is an object of the invention to provide a method with which this increased fuel consumption as a result of Mixture enrichment to protect the catalyst from overheating minimized at full load operation of the internal combustion engine can be.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Er­ findung sind Gegenstand der Unteransprüche.The invention solves this problem with the features of Claim 1. Advantageous further developments of the Er invention are the subject of the subclaims.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nicht bei jedem Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine das Luft-Kraft­ stoff-Gemisch angefettet, sondern nur dann, wenn infolge einer zeitlich längeren Vollastphase auch ausreichend Zeit vorhanden ist, den Katalysator an seine zulässige Maximaltemperatur heranzuführen. Unter Berücksichtigung der Erkenntnis, daß kurzfristige Überschreitungen der Ma­ ximaltemperatur um ca. 50°C bei hochwertigen Katalysato­ ren keinen Einfluß auf deren Lebensdauer haben, wird eine solche kurzfristige Temperaturerhöhung auch in Kauf ge­ nommen, indem bei Vollast über einen Zeitraum, der zu ei­ ner solchen kurzfristigen Temperaturerhöhung führen kann, die Brennkraftmaschine weiter mit λ = 1 betrieben wird. Andererseits wird sofort bei Beendigung des Vollastbe­ triebes auf einen Betrieb mit λ = 1 geschaltet, wenn die Brennkraftmaschine vorher mit einem fetteren Gemisch bei Vollast betrieben wurde. Dadurch sinkt der zeitliche An­ teil des Betriebes der Brennkraftmaschine mit einem ange­ fetteten Gemisch im praktischen Fahrbetrieb erheblich, und es tritt eine Reduzierung des durchschnittlichen Kraftstoffverbrauches auf, ohne daß die Lebensdauer des Katalysators dadurch negativ beeinträchtigt wird.With the method according to the invention, not everyone Full load operation of the internal combustion engine, the air force mixture of substances greased, but only if as a result a longer period of full load is also sufficient Time is available to allow the catalytic converter to its allowable Maximum temperature. Considering recognizing that short-term violations of the Ma ximal temperature around 50 ° C with high quality catalytic converter have no influence on their lifespan such a short-term increase in temperature also in purchase taken by at full load over a period of time to egg  such a short-term increase in temperature, the internal combustion engine continues to be operated with λ = 1. On the other hand, immediately upon termination of the full load switched to an operation with λ = 1 if the Internal combustion engine beforehand with a richer mixture Was operated at full load. This reduces the time part of the operation of the internal combustion engine with a greased mixture considerably in practical driving, and there is a reduction in the average Fuel consumption without the life of the Catalyst is adversely affected.

Die Betriebsdauer bei Vollast und einem Luft-Kraftstoff- Verhältnis von λ = 1 kann auf eine Zeit von 0,5 bis 10 Sek begrenzt sein. Bereits das Verzögern des Anfettens des Gemisches nach Einleitung einer Vollastphase von nur 0,5 Sek führt zu einer meßbaren Kraftstoffeinsparung. Auch bei einer Verzögerung von 10 Sek wird ein hochwerti­ ger Katalysator nicht nachhaltig geschädigt.The operating time at full load and an air-fuel Ratio of λ = 1 can range from 0.5 to 10 Seconds. Delaying the greasing of the mixture after initiation of a full load phase of only 0.5 seconds leads to measurable fuel savings. Even with a delay of 10 seconds, a high quality ger catalyst not sustainably damaged.

In vorteilhafter Weise kann das Verfahren dadurch abge­ wandelt sein, daß die Veränderung des Luft-Kraftstoff- Verhältnisses λ nach Beginn einer Vollast-Betriebsphase der Brennkraftmaschine und nach einer ersten zeitlichen Verzögerung um eine erste Teilstufe von 0,01 bis 0,05 und bei anhaltendem Vollastbetrieb und nach weiteren zeitli­ chen Verzögerungen in weiteren Teilstufen von 0,01 bis 0,05 reduziert wird bis zum einem Minimalwert von λ = 0,6. Bei Verlassen des Vollastbetriebes wird jedoch aus jeder der Betriebsstufen sofort auf Betrieb mit λ = 1 zurückge­ schaltet.Advantageously, the method can thereby abge changes that the change in air-fuel Ratio λ after the start of a full-load operating phase the internal combustion engine and after a first time Delay by a first stage from 0.01 to 0.05 and with continuous full load operation and after further time Chen delays in further stages from 0.01 to 0.05 is reduced to a minimum value of λ = 0.6. When leaving full-load operation, however, everyone becomes the operating levels immediately return to operation with λ = 1 switches.

Ebenso wird bei Erkennen einer Temperatur des Katalysa­ tors unterhalb einer den Katalysator schädigenden Tempe­ ratur auch deren Vollast der Brennkraftmaschine das Luft- Kraftstoff-Verhältnis λ auf λ = 1 gesetzt. Dies kann sprunghaft sofort oder auch in Stufen über mehrere zeit­ versetzte Schritte erfolgen.Likewise, when a temperature of the catalytic converter is recognized tors below a temperature damaging the catalyst the full load of the internal combustion engine Fuel ratio λ set to λ = 1. This can  abruptly immediately or in stages over several times staggered steps take place.

Alle diese Maßnahmen führen dazu, daß die Zeitdauer des Betriebs der Brennkraftmaschine mit einem Luft-Kraft­ stoff-Verhältnis λ < 1 auf ein Minimum reduziert wird und so der Kraftstoffverbrauch minimiert ist, trotzdem aber der Katalysator vor Überhitzung geschützt ist.All of these measures result in the duration of the Operating the internal combustion engine with an air force material ratio λ <1 is reduced to a minimum and so fuel consumption is minimized, but still the catalytic converter is protected against overheating.

Dabei entspricht es der Erfindung, wenn dem verfahrensge­ mäß eingeregeltem Lambdawert eine Lambdavariation mit ei­ ner Amplitude von ca. 3% des Lambdawertes und einer Fre­ quenz von ca. 0,1 bis 5 Hz, so wie sie sich entsprechend dem Schaltverhalten einer Lambdasonde ergeben, überlagert ist.It corresponds to the invention if the procedural According to the regulated lambda value, a lambda variation with egg ner amplitude of approx. 3% of the lambda value and a fre frequency of approx. 0.1 to 5 Hz, as they correspond accordingly the switching behavior of a lambda probe, superimposed is.

Ein Ausführungsbeispiel ist in vereinfachter Form nach­ stehend anhand eines Flußdiagrammes dargestellt und er­ läutert.An embodiment is in simplified form represented using a flow chart and he purifies.

Nach dem Start gemäß Aktivität 1 einer Brennkraftmaschine wird gemäß der Aktivität 2 der Katalysator mit den an sich bekannten Mitteln auf seine Starttemperatur auf ge­ heizt. Kann gemäß Aktivität 3 festgestellt werden, daß die Betriebstemperatur des Katalysators erreicht ist, dann wird der Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ = 1 gemäß Aktivität 4 fort­ gesetzt. Dabei wird mit Aktivität 5 geprüft, ob die Brennkraftmaschine mit Vollast betrieben wird. Ist dies der Fall, dann wird bei Aktivität 6 ein Zeitmeßglied ge­ startet und nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne von 5 bis 10 Sek wird bei Aktivität 7 geprüft, ob diese Zeit­ spanne unter Vollast der Brennkraftmaschine verstrichen ist. Ist dies nicht der Fall, wird die Brennkraftmaschine weiter mit λ = 1 betrieben - Aktivität 4. Ist es jedoch der Fall, dann wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ ge­ mäß Aktivität 8 um eine erste Stufe reduziert, d. h. das Luft-Kraftstoff-Gemisch wird angefettet. Diese erste Stufe kann einen Betrag von 0,01 bis 0,05 umfassen, so daß ein Wert λ zwischen 0,99 bis 0,95 eingeregelt wird. Mit diesem angefetteten Gemisch wird die Brennkraftma­ schine weiter unter Vollast betrieben. Dabei wird gemäß Aktivität 9 geprüft, ob eine für den Katalysator kriti­ sche Temperatur unterschritten ist. Ist dies der Fall, wird auf λ = 1 geregelten Betrieb gemäß Aktivität 4 ge­ schaltet. Ist dies nicht der Fall, dann wird gemäß Akti­ vität 10 geprüft, ob weiterhin Vollast vorliegt. Wenn das nicht der Fall ist, wird auf einen λ = 1 geregelten Be­ trieb der Brennkraftmaschine gemäß Aktivität 4 zurückge­ schaltet. Ist dies jedoch der Fall, dann wird gemäß Akti­ vität 11 in einer zweiten Stufe das Luft-Kraftstoff-Ver­ hältnis λ weiter reduziert. Auch diese Stufe kann einen Betrag von 0,01 bis 0,05 umfassen, so daß dann die Brenn­ kraftmaschine im Extremfall z. B. mit λ = 0,9 betrieben wird. Mit Aktivität 12 wird geprüft, ob sich danach eine Katalysatortemperatur unterhalb einer kritischen Tempera­ tur einstellt. Ist dies der Fall, wird auf Betrieb mit λ = 1 gemäß Aktivität 4 geschaltet. Stellt sich die Tempe­ ratur nicht unterhalb der vorgewählten kritischen Tempe­ ratur ein, wird gemäß Aktivität 13 geprüft, ob weiterhin Vollast vorliegt. Ist das nicht der Fall, wird auf Be­ trieb λ = 1 gemäß Aktivität 4 geschaltet. Liegt weiterhin Vollast vor, dann wird in weiteren Stufen gemäß Aktivität 14, deren Anzahl beliebig festgelegt sein kann, erneut das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ reduziert, in deren Er­ gebnis nach Aktivität 15 dann eine kritische Temperatur unterschritten wird. Liegt gemäß Aktivität 16 weiter Vollast vor, so wird gemäß Aktivität 17 der eingeregelte Wert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ gehalten. Liegt nach Aktivität 16 keine Vollast vor, dann wird auf Be­ trieb mit λ = 1 gemäß Aktivität 4 geschaltet. Nach Akti­ vität 18 wird bei gleichbleibendem Luft-Kraftstoff-Ver­ hältnis λ geprüft, ob weiterhin Vollast vorliegt. Ist das der Fall, wird das eingeregelte Luft-Kraftstoff-Verhält­ nis λ gehalten. Wird Vollast verlassen, dann wird auf Be­ trieb mit λ = 1 gemäß Aktivität 4 geschaltet.After starting according to activity 1 of an internal combustion engine, according to activity 2, the catalyst is heated to its starting temperature using the means known per se. If it can be determined in accordance with activity 3 that the operating temperature of the catalytic converter has been reached, then the operation of the internal combustion engine is continued with an air-fuel ratio λ = 1 in accordance with activity 4 . Activity 5 is used to check whether the internal combustion engine is operating at full load. If this is the case, then a timer is started at activity 6 and after a predetermined period of 5 to 10 seconds has been checked in activity 7 whether this period of time has passed under full load of the internal combustion engine. If this is not the case, the internal combustion engine continues to be operated with λ = 1 - activity 4. However, if it is the case, then the air-fuel ratio λ according to activity 8 is reduced by a first stage, ie the air-fuel The mixture is enriched. This first stage can comprise an amount from 0.01 to 0.05, so that a value λ between 0.99 and 0.95 is set. With this enriched mixture, the internal combustion engine continues to be operated under full load. It is checked in accordance with activity 9 whether a critical temperature for the catalyst has fallen below. If this is the case, it is switched to λ = 1 regulated operation according to activity 4 . If this is not the case, then activity 10 checks whether full load is still present. If this is not the case, the engine is switched back to a λ = 1 regulated operation according to activity 4 . However, if this is the case, then according to activity 11, the air-fuel ratio λ is further reduced in a second stage. This stage can also include an amount of 0.01 to 0.05, so that the internal combustion engine in extreme cases, for. B. is operated with λ = 0.9. Activity 12 is used to check whether a catalyst temperature below a critical temperature subsequently arises. If this is the case, the system switches to operation with λ = 1 according to activity 4 . If the temperature is not below the pre-selected critical temperature, activity 13 checks whether full load is still present. If this is not the case, λ = 1 is activated according to activity 4 . If full load is still present, then the air-fuel ratio λ is reduced again in further stages according to activity 14 , the number of which can be arbitrarily defined, in the result of which after activity 15 a critical temperature is then fallen below. If full load is still present according to activity 16 , then the regulated value of the air-fuel ratio λ is maintained according to activity 17 . If there is no full load after activity 16, the system switches to operation with λ = 1 according to activity 4 . After activity 18 , it is checked with a constant air-fuel ratio λ whether full load is still present. If this is the case, the regulated air-fuel ratio λ is maintained. If full load is exited, the system switches to operation with λ = 1 according to activity 4 .

Claims (6)

1. Verfahren zum Schutz eines im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators vor Überhitzung bei Vollast der Brennkraftmaschine durch des Anfetten des Luft-Kraftstoff-Gemisches bei Voll­ last und unter Verwendung eines kurzzeitig Wärme­ spitzen schadlos ertragenden Katalysators, gekenn­ zeichnet durch folgende Schritte:
  • - Nachweis der erreichten erforderlichen Katalysa­ tor-Betriebstemperatur und eines geregelten Kata­ lysatorbetriebes mit λ = 1;
  • - fort laufender Nachweis von Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine;
  • - Messen der verstrichenen Zeitdauer des ununter­ brochenen Vollastbetriebs der Brennkraftmaschine;
  • - Vergleich der verstrichenen Zeitdauer des unun­ terbrochenen Vollastbetriebes der Brennkraftma­ schine mit einer vorgegebenen maximalen Zeitdauer bei Fortdauer des geregelten Katalysatorbetriebes bei λ = 1;
  • - Reduzieren des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses x (Anfetten des Gemisches) um eine erste Stufe bei Überschreiten der vorgegebenen maximalen Zeitdau­ er des Vollastbetriebes mit λ = 1;
  • - fortlaufender Vergleich der Katalysator-Ist-Tem­ peratur mit einer zulässigen maximalen Katalysa­ tortemperatur bei Fortdauer des Vollastbetriebes;
  • - weiteres Reduzieren des Luft-Kraftstoff-Verhält­ nisses λ (Anfetten des Gemisches) um weitere Stu­ fen bis zum Erkennen einer für den Katalysator unkritischen Temperatur;
  • - Fortsetzung des Betriebs der Brennkraftmaschine mit dem eingeregelten fetten Luft-Kraftstoff-Ver­ hältnis λ, solange Vollast vorliegt und die Tem­ peratur des Katalysators nicht unter einen Grenz­ wert sinkt, der unterhalb der zulässigen maxima­ len Temperatur und oberhalb der erforderlichen Arbeitstemperatur liegt;
  • - Zurückgehen zu geregeltem Katalysatorbetrieb mit λ = 1 bei Erkennen einer Temperatur des Katalysa­ tors unterhalb der Grenzwerttemperatur und/oder bei Verlassen des Vollastbetriebs der Brennkraft­ maschine.
1.Procedure for protecting a catalytic converter arranged in the exhaust line of an internal combustion engine against overheating at full load of the internal combustion engine by greasing the air / fuel mixture at full load and using a catalytic converter that can withstand brief heat peaks, characterized by the following steps:
  • - Evidence of the required catalyst operating temperature and a regulated catalyst operation with λ = 1;
  • - ongoing proof of full load operation of the internal combustion engine;
  • - Measuring the elapsed time of the uninterrupted full load operation of the internal combustion engine;
  • - Comparison of the elapsed time period of the uninterrupted full load operation of the internal combustion engine with a predetermined maximum time period when the regulated catalyst operation continues at λ = 1;
  • - Reduction of the air-fuel ratio x (enrichment of the mixture) by a first step when the predetermined maximum duration of full-load operation is exceeded with λ = 1;
  • - Continuous comparison of the actual catalyst temperature with an allowable maximum catalytic converter temperature with continued full-load operation;
  • - Further reducing the air-fuel ratio λ (enrichment of the mixture) by further stages until a temperature that is not critical for the catalyst is recognized;
  • - Continuation of the operation of the internal combustion engine with the regulated rich air-fuel ratio λ as long as full load is present and the temperature of the catalyst does not drop below a limit value which is below the permissible maximum temperature and above the required working temperature;
  • - Return to regulated catalytic converter operation with λ = 1 upon detection of a temperature of the catalytic converter below the limit temperature and / or when leaving the engine under full load operation.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene maximale Zeitdauer des Vollast­ betriebes bei Fortdauer des geregelten Katalysator­ betriebes bei λ = 1 0,5 bis 10 Sek beträgt.2. The method according to claim 1, characterized in that that the specified maximum duration of full load operation with continued operation of the regulated catalyst operation at λ = 1 is 0.5 to 10 seconds. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Reduzierung des Luft-Kraftstoff- Verhältnisses λ in Stufen von 0,01 bis 0,05 erfolgt und bis zum einem Minimalwert von 0,6 fortgesetzt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized records that the reduction in air-fuel Ratio λ takes place in steps of 0.01 to 0.05 and continued to a minimum value of 0.6 becomes. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erkennen einer Temperatur des Katalysators unterhalb der Katalysator schädi­ genden Temperatur das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ sprunghaft auf λ = 1 gesetzt wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized characterized in that after detection of a temperature the catalytic converter below the catalytic converter the temperature the air-fuel ratio λ is set abruptly to λ = 1. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erkennen einer Temperatur des Katalysators unterhalb der den Katalysator schä­ digenden Temperatur das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ in mehreren Stufen bis zum Wert λ = 1 angehoben wird.5. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized characterized in that after detection of a temperature of the catalyst below the schä the catalyst the air-fuel ratio λ raised in several stages up to the value λ = 1 becomes. 6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem eingeregelten Wert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ eine Lamb­ davariation mit einer Amplitude von ca. 3% des Lamb­ dawertes und einer Frequenz von ca. 0,1 bis 5 Hz überlagert ist.6. The method according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that the regulated  Value of the air-fuel ratio λ a Lamb davariation with an amplitude of approx. 3% of the Lamb dawertes and a frequency of about 0.1 to 5 Hz is superimposed.
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