DE3339429A1

DE3339429A1 - Einrichtung zur reduzierung von abgas-schadstoffen

Info

Publication number: DE3339429A1
Application number: DE19833339429
Authority: DE
Inventors: Wenpo Dr.-Ing. 3180 Wolfsburg Lee; Hermann Dr.-Ing. 3300 Braunschweig Oetting; Reinhard 3172 Isenbüttel Schulz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1983-10-29
Filing date: 1983-10-29
Publication date: 1985-05-09
Also published as: JPH077566Y2; DE3339429C2; JPS60100540U

Description

Einrichtung zur Reduzierung von Abgas-Schadstoffen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Reduzierung der schädlichen Bestandteile des Abgases einer Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Fahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zur Reduzierung der schädlichen Bestandteile des Abgases von Brennkraftmaschinen ist es bereits bekannt, Katalysatoren in der Abgasleitung der Brennkraftmaschine einzusetzen. Da die optimale Wirkung dieser Katalysatoren hinsichtlich der Reduzierung der einzelnen Schadstoffanteile bei einem Kraftstoff-Luftverhältnis von A= 1 erfolgt, ist es weiter bekannt, das der Brennkraftmaschine zugeführte Kraftstoff-Luft-Gemisch mit Hilfe einer den Luftüberschuß im Abgas erfassenden, sogenannten A-Sonde zu regeln. Diese A-Sonde zeigt beim Durchgang des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses durch den Wert A= 1 eine deutliche, sprungartige Signaländerung, die zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Gemisches auf diesen stöchiometrischen Wert A = 1 herangezogen wird.
Nun hat sich jedoch gezeigt, daß die bei derartigen Schadstoff-Reduzierungseinrichtungen verwendeten Katalysatoren relativ empfindlich auf Betriebsstörungen reagieren. Solche Betriebsstörungen können beispielsweise in einer unvollständigen Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Brennkraftmaschine infolge eines falschen Zündzeitpunktes oder aber auch in einer schlechten Gemischaufbereitung infolge eines zu fett eingestellten Kraftstoff-Luft-Gemisches bestehen. Die Ursachen für derartige Fehler könnten in einer defekten A -Sonde oder auch in einer fehlerhaft arbeitenden Gemischzuführungseinrichtung liegen.
Eine andere Art der Betriebsstörung ergibt sich beim Ausfall einer oder mehrerer Zündkerzen der Brennkraftmaschine. In allen diesen Fällen könnte infolge des Vorhandenseins größerer Mengen von Sauerstoff und unverbrannten Kraftstoffbestandteilen im Abgas eine so starke Nachverbrennung in dem Katalysator auftreten, daß dieser durch Überschreiten zulässiger Temperaturgrenzen Schaden nimmt. Solche Schäden, die zum Ausfall des gesamten Katalysators führen können, müssen jedoch mit Sicherheit vermieden werden.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, bei einer Schadstoff-Reduzierungseinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegbenen Art das Auftreten von den Katalysator gefährdenden Betriebsstörungen innerhalb kürzester Zeit anzuzeigen und geeignete Gegenmaßnahmen einzuleiten.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1. Es ist nämlich erkannt worden, daß die Zahl der von der A -Sonde abgegebenen Signale je Zeiteinheit eine Aussage über das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine zuläßt in dem Sinne, daß bei Überschreiten bzw. Unterschreiten vorgegebener Grenzen auf eine den Katalysator gefährdende Betriebsstörung geschlossen werden kann. So zeigt sich, daß bei üblichen Fahrzuständen die Kraftstoff-Luft-Gemischregelung so arbeitet, daß die A-Sonde das Luftverhältnis A = 1 mit einer Frequenz von etwa 0,1 bis 5 Hz durchläuft, d. h. zwischen ein und fünfzig Signalen über einen Zeitraum von 10 Sekunden abgibt. Beim Unter- bzw. Überschreiten dieser Signalfrequenz, die für eine Vierzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine gilt, dürfte dagegen eine Betriebsstörung vorliegen. Wird beispielsweise innerhalb einer Zeit von mindestens 10 Sekunden kein Signal von der A-Sonde abgegeben, so deutet dies auf eine Störung hin, die beispielsweise durch einen falschen Zündzeitpunkt oder eine fehlerhafte Gemischaufbereitung infolge eines Fehlers der A -Sonde oder des Regelsystems gegeben ist, so daß das Luftverhältnis A = 1 nicht mehr eingeregelt werden kann.
Beim Ausfall einer oder mehrerer Zündkerzen wird dagegen der oben angegebene Signalfrequenzbereich wesentlich überschritten. Schon der Ausfall einer Zündkerze ergibt bei einer Vierzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine bei einer unteren Überwachungsdrehzahl von n = 1000 U/min ein Anheben der Signalfrequenz auf 80 bezogen auf die Zeiteinheit 10 Sekunden, d. h. auf acht Signale pro Sekunde. Diese Erhöhung der Singalfrequenz der Ã-Sonde ergibt sich dabei dadurch, daß in diesem Fall drei normal funktionierenden Arbeitstakten mit einem Luftverhältnis All 1 jeweils ein Takt mit einem Luftverhältnis Ao1 1 gegenübersteht. Dieser Takt mit A> l ist der ausgefallenen Zündkerze zuzuordnen, wobei das unverbrannte Gemisch einen hohen, von der A -Sonde erfaßten Sauerstoffanteil aufweist.
Erfindungsgemäß kann also die Signalfrequenz der A -Sonde unmittelbar zur Überwachung des Katalysator herangezogen werden, indem beim Über- bzw.
Unterschreiten einer als zulässig erkannten Signalfrequenz optische und/oder akustische Alarmvorrichtungen und/oder unmittelbar Maßnahmen zur Begrenzung der Drehzahl und/oder der Belastung der Brennkraftmaschine ausgelöst werden.
Da diese Signalerfassung relativ schnell ist und beispielsweise der Ausfall einer oder mehrerer Zündkerzen bereits innerhalb weniger Sekunden erfaßt werden kann, ergibt sich eine sehr wirkungsvolle Überwachungseinrichtung, die bereits vor Eintritt einer gefährlichen Temperaturerhöhung in dem Katalysator Gegenmaßnahmen, beispielsweise durch Begrenzung der Drehzahl und/oder Last der Brennkraftmaschine, einleiten kann.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß den Unteransprüchen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Reduzierung der Abgasschadstoffe einer Brennkraftmaschine dargestellt, das im folgenden näher erläutert wird. Die Zeichnung zeigt in Figur 1 ein Prinzipschaltbild einer Einrichtung zur Reduzierung der Abgas-Schadstoffe einer Brennkraftmaschine und Figur 2 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung.
In der Figur 1 der Zeichnung ist mit 1 eine herkömmliche Vierzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine der Otto-Bauart angedeutet, die zum Antrieb beispielsweise eines Personenkraftfahrzeugs dient. Die Brennkraftmaschine 1 weist eine Ansaugleitung 2 mit einer darin angeordneten Gemischbildungseinrichtung 3 auf. 4 stellt eine Abgasleitung der Brennkraftmaschine 1 dar, in der vor einer in die Umgebung führenden Auspuffleitung 6 ein Katalysator 5 zur katalytischen Nachbehandlung der Abgase zwecks weitgehender Beseitigung Beseitigung der schädlichen Abgasbestandteile eingeschaltet ist In Strömungsrichtung gesehen vor diesem Katalysator 5 ist eine bekannte den Sauerstoffpartialdruck des Abgases im Verhältnis zum Sauerstoffpartialdruck der umgebenden Luft messende A-Sonde 7 angeordnet, deren Signale einer Regeleinrich tung 9 zur Beaufschlagung der Gemischbildungseinrichtung 3 zugeführt werden.
Die Regeleinrichtung 9 ist dabei so ausgebildet, daß das der Brennkraftmaschine 1 zuzuführende Kraftstoff-Luft-Gemisch auf dem stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Verhältnis A = 1 gehalten wird. Diese Regelung erfordert damit ein ständiges Durchlaufen des stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Verhältnisses, so daß die A-Sonde 7, die bei einem derartigen Durchlaufen durch den Wert A = 1 ein für die Regelung verwendetes Signal abgibt, eine von der Art der Brennkraftmaschine und dem Betriebszustand abhängige, normale Signalfrequenzbreite aufweist. Bei Vierzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschinen beträgt diese übliche Signalfrequenz beispielweise etwa 0,1 bis 5 Hz.
Mit 10 ist in der Figur 1 eine an die A -Sonde 7 angeschlossene Überwachungsein richtung angedeutet, die die am Ausgang der A-Sonde 7 auftretende Signalfrequenz auswertet und daraus auf den Betriebszustand der Brennkraftmaschine Rückschlüsse zieht Beim Abweichen der A -Sonden-Signalfrequenz von dem als zulässig erkannten Frequenzbereich werden Schutzvorrichtungen betätigt, die aus einer optischen Alarmvorrichtung 28, einer akustischen Alarmvorrichtung 29 und/oder einer Vorrichtung 30 zur Begrenzung der Drehzahl und/oder Belastung der Brennkraftmaschine 1 bestehen. Die letztgenannte Drehzahl-und/oder Belastungs-Begrenzungsvorrichtung kann beispielsweise der Gemischbildungseinrichtung 3 zugeordnet sein und durch entsprechende Eingriffe in diese einen Betrieb der Brennkraftmaschine 1 nur noch in einem sehr stark eingeschränkten Betriebsbereich ermöglichen.
Um sicherzustellen, daß diese Überwachungseinrichtung 10 die Überwachung erst dann beginnt, wenn die A-Sonde 7 wirklich betriebsbereit ist, kann in der Stromversorgungsleitung von einer Batterie 12 zur Überwachungseinrichtung 10 ein Schalter 11 vorgesehen sein, der in Abhängigkeit von Signalen eines die Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine erfassenden Temperaturschalters 15 und eines Zeitgliedes 16 betätigt wird. So kann der Temperaturschalter 15 beispielsweise die Temperatur des Kühlwassers der Brennkraftmaschine 1 erfassen und ein Signal zum Schließen des Schalters 11 erst dann abgeben, wenn eine vorgegebene Betriebstemperatur erreicht ist. Dieses Signal des Tem peraturschalters 15 wird jedoch nicht unmittelbar zum Schließen des Schalters 11 herangezogen, sondem in einem Und-Glied 14 mit einem Signal eines Zeitgliedes 16 verknüpft, das nach jedem Neustart zu laufen beginnt und erst nach Ablauf einer vorgegebenen kurzen Zeitspanne ein Schaltsignal abgibt Dieses Zeitglied soll sicherstellen, daß auch nach einem Warmstart der Brennkraftmaschine die wegen der wesentlich geringeren Masse schneller abkühlende A-Sonde 7 mit Sicherheit die Betriebstemperatur errecht hat. Der Schalter 11 erhält also über die Signalleitung 13 von dem Und-Glied 14 erst dann ein Signal zum Zuschalten der Überwachungseinrichtung 10, wenn sowohl der Temperaturschalter 15 das Erreichen der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine als auch das Zeitglied 16 den Ablauf der vorgegebenen Zeitspanne nach dem Start der Brennkraftmaschine angezeigt haben.
In der Figur 2 ist das Blockschaltbild der in der Figur 1 mit 10 bezeichneten Überwachungseinrichtung angegeben. Diese Überwachungseinrichtung 10 weist demnach einen Signalverstärker 20 auf, der das von der A -Sonde über die Signalleitung 8 abgegebene Signal verstärkt und über einen Ausgang 20a an einen Komparator 21 weitergibt, der dieses Signal mit einem über einen Eingang 22a von einem Sollwertgeber 22 zugeführten Sollwert vergleicht Der Ausgang des Komparators 21 ist mit einem Differenzierglied und Impulsformer 23 verbunden, dessen Ausgangssignal im wesentlichen einem ersten Zähler 24 und einem zweiten Zähler 25 zugeführt wird. In dem ersten Zähler 24 dient das über den Eingang 23a zugeführte aufbereitete A -Sonden-Signal zur Löschung eines von einer Zeitbasis 26 über einen Teiler 27 über den Eingang 27a zugeführten Setzsignals. Dieses Setzsignal erscheint dabei bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils alle 10 Sekunden, weshalb das von der Zeitbasis 26 jeweils einmal in der Sekunde abgegebene Signal in dem Teiler 27 in der Frequenz reduziert wird. Über den Eingang 23b wird dabei dem Teiler 27 das A -Sonden-Signal als Löschsignal zugeführt, so daß der gewünschte 10-Sekunden-Takt jeweils nach dem letzten A -Sonden-Signal beginnt Wird nun dieses über den Eingang 27a dem ersten Zähler 24 zugeführte Setzsignal nicht durch ein über den Eingang 23a zugeführtes A -Sonden-Signal gelöscht, wird in einem ersten Schritt über einen Ausgang 24a eine durch eine Warnlampe 28 gebildete optische Warnvorrichtung eingeschaltet. Erscheint innerhalb von weiteren 10 Sekunden immer noch kein A -Sonden-Signal am Eingang 23a des Zählers 24, dann wird in einem zweiten Schritt über einen Ausgang 24b zusätzlich noch eine akustische Warnvorrichtung 29 betätigt. Schließlich wird in einem dritten Schritt nach weiteren 10 Sekunden ohne ein A -Sonden-Signal über den Ausgang 24c eine Vorrichtung 30 zur Begrenzung der Drehzahl und/oder Last der Brennkraftmaschine angesteuert. Diese Drehzahl- und/oder Lastbegrenzung kann beispielsweise durch eine Begrenzung der zuführbaren Kraftstoffmenge oder des Drosselklappenwinkels der Brennkraftmaschine erfolgen und dient dem Zweck, die Brennkraftmaschine nur noch in einem sehr eingeschränkten Umfang betreiben zu können, der gerade noch ausreicht, um eine nächstgelegene Werkstatt anzufahren, der aber das Erreichen höherer Temperaturen im Katalysator 5 weitgehend ausschließt Wie oben bereits erläutert wurde, deutet nämlich das Ausbleiben des -Sonden-Signals über eine längere Zeit darauf hin, daß z. B. die Regelung der Brennkraftmaschine ausgefallen ist, in jedem Fall aber der für einen ordnungsmäßigen Betrieb des Katalysators 5 erforderliche Wert des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses mit A = 1 nicht mehr eingehalten wird. Dies läßt auf eine Betriebsstörung schließen, die letztlich zu unzulässig hohen Reaktionstemperaturen in dem Katalysator 5 führen könnte, was vermieden werden soll. Gegebenenfalls könnte auch daran gedacht werden, die Vorrichtung 30 zur Begrenzung der Drehzahl und/oder Last der Brennkraftmaschine nicht erst im dritten, sondern schon im zweiten oder gar ersten Schritt anzusteuern.
Wie aus dem Blockschaltbild der Figur 2 weiter ersichtlich ist, wird das am Ausgang des Differenzier-Gliedes und Impulsformers 23 erscheinende formierte A-Sonden-Signal über einen Eingang 23c einem zweiten Zähler 25 zugeführt, der die Aufgabe hat, die pro Sekunde eingehenden Signale zu zählen und beim Auftreten einer unzulässig hohen Zahl solcher A-Sonden-Signale über einen Ausgang 25a die Drehzahl- und Last-Begrenzungsvorrichtung 30 sowie zusätzlich auch die optische und akustische Warnvorrichtung 28 bzw. 29 zu betätigen. Über den Eingang 26b erhält dazu der zweite Zähler 25 von der Zeitbasis 26 im Abstand von einer Sekunde Signale, die den Zähler 25 löschen, so daß dieser nur die zwischen jeweils zwei Signalen der Zeitbasis 26 ankommenden A -Sonden-Signale zählt.
In der Figur 2 sind Verknüpfungsglieder 32, 33 und 34 vorgesehen, die eine sinnvolle Verknüpfung der Ausgangssignale der beiden Zähler 24 und 25 zur Betätigung der Alarmvorrichtungen 28, 29 sowie der Drehzahl- und Last-Begrenzungsvorrichtung 30 ermöglichen.
Mit 31 ist noch ein in dem Signalweg zwischen der Zeitbasis 26 und dem ersten Zähler 24 angeordneter, in Abhängigkeit von der Stellung der Drosselklappe der Brennkraftmaschine stehender Schalter angegeben, der bei geschlossener Drosselklappe geöffnet ist und in diesem Zustand die von der Zeitbasis 26 ausgehenden Signale nicht an den Teiler 27 weiterleitet. Dieser Schalter 31 soll verhindern, daß bei Schubbetriebsphasen, in denen trotz der A Regelung über längere Zeit das Luftverhältnis über dem stöchiometrischen Wert liegen kann, durch den ersten Zähler 24 eine vermeintliche Betriebsstörung angezeigt wird und schließlich auch eine Drehzahl- und Last-Begrenzung ausgelöst wird.

Claims

ANSPRÜCHE fs 1.IEinrichtung zur Reduzierung der schädlichen Bestandteile des Abgases einer Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Fahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftfahrzeugs, mit einem in der Abgasleitung der Brennkraftmaschine eingeschalteten Katalysator und mit einer vor dem Katalysator angeordneten, den Sauerstoffanteil in dem Abgas erfassenden und in Abhängigkeit von diesen Meßwerten das der Brennkraftmaschine zuzuführende Kraftstoff-Luft-Gemisch auf ein im wesentlichen konstant bleibendes Kraftstoff-Luft-Verhältnis A.= A= 1 regelnden -Sonde, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Abgabe der Signale der A -Sonde (7) innerhalb vorgegebener Zeiten erfassende Überwachungseinrichtung (10) vorgesehen ist, die bei Abweichungen von vorgegebenen Grenzwerten eine Vorrichtung (28, 29, 30) zum Schutz des Katalysators (5) betätigt 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzvorrichtung durch eine optische und/oder akustische Alarmvorrichtung (28, 29) gebildet ist 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzvorrichtung durch eine Vorrichtung (30) zur Begrenzung der Drehzahl und/oder Belastung der Brennkraftmaschine (1) gebildet ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein unterer und ein oberer Grenzwert der je Zeiteinheit von der A -Sonde (7) abgegebenen Signale vorgesehen ist, bei deren Unter- bzw.

Überschreitung die Schutzvorrichtung (28, 29, 30) betätigt wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Vierzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine der untere Grenzwert etwa ein Signal je 10 Sekunden ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Vierzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine der obere Grenzwert etwa acht Signale je Sekunde ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein temperaturabhängiger Schalter (11, 15) vorgesehen ist, der die Überwachungseinrichtung (10) erst bei Erreichen der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine (1) zuschaltet.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zeitglied (16) vorgesehen ist, das die Zuschaltung der Überwachungseinrichtung (10? erst nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit nach jedem Start der Brennkraftmaschine (1) zuläßt.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungseinrichtung (10) einen ersten, durch ein von einer Zeitbasis (26) mit einer vorgegebenen Frequenz abgegebenes Signal setzbaren und durch das von der A -Sonde (7) abgegebene Signal löschbaren Zähler (24) aufweist, der bei Nichtlöschung bis zum Erscheinen der nächstfolgenden Signale der Zeitbasis die Schutzvorrichtung (28, 29, 30) betätigt 10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Signalleitung zwischen der Zeitbasis (26) und dem ersten Zähler (24) ein in Abhängigkeit von der Stellung der Drosselklappe stehender Schalter (31) vorgesehen ist, der bei geschlossener Drosselklappe die Signalleitung unterbricht 11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungseinrichtung (10) einen zweiten Zähler (25) aufweist, der die von der A-Sonde (7) abgegebenen Signale zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden, den Zähler löschenden Signalen der Zeitbasis (26) zählt und der bei Uberschreiten einer vorgegebenen Zahl von A -Sonden-Signalen die Schutzvorrichtung (28, 29, 30) betätigt.