DE3339429C2 - - Google Patents
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Description
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 λ=1 erfolgt, ist es weiter bekannt, das der Brennkraftmaschine
zugeführte Kraftstoff-Luft-Gemisch mit Hilfe einer den Luftüberschuß
im Abgas erfassenden, sogenannten λ-Sonde zu regeln. Diese λ-Sonde zeigt
beim Durchgang des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses durch den Wert λ=1 eine
deutliche, sprungartige Signaländerung, die zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Gemisches
auf diesen stöchiometrischen Wert λ=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 λ-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.
Aus der US-PS 41 82 300 ist eine Warneinrichtung für Fehler einer
Lambda-Sonde bekannt, die als Kriterium für den Zustand dieser
Sonde den Pegel der Ausgangsspannung derselben erfaßt. Mit einer
derartigen Amplitudenbewertung lassen sich zwar an einer Lambda-Sonde
aufgetretene Fehler, nicht aber Betriebszustände der Brennkraftmaschine
erfassen, die für einen dieser nachgeschalteten
Katalysator gefährlich sein können. Was diesen Stand der Technik im
einzelnen anbelangt, so offenbart er eine optische Alarmvorrichtung
und die Verwendung eines Zeitgliedes, das die Zuschaltung der Warneinrichtung
erst nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit nach jedem
Start der Brennkraftmaschine zuläßt.
Die DE-OS 23 04 622 beschreibt eine Einrichtung zur Überwachung der
Aktivität von katalytischen Reaktoren in Abgasentgiftungsanlagen
von Brennkraftmaschinen mit der Auswertung des Ausgangssignals
einer Meßsonde in der Weise, daß über ein Stellglied eine Verschlechterung
der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine erzielbar
ist.
Die DE-OS 23 01 354 schließlich offenbart eine Einrichtung zur
Abgasentgiftung von Brennkraftmaschinen mit einer Warneinrichtung,
die den Fahrer darüber informiert, daß die Abgas-Meßsonde oder eine
Regeleinrichtung ausgefallen ist. Dabei sind Maßnahmen getroffen,
die die entsprechende Überwachungseinrichtung unter anderem erst
dann wirksam werden lassen, wenn die Abgas-Meßsonde ihre Betriebstemperatur
erreicht hat.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht demgegenüber
darin, bei einer Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 das Auftreten von den Katalysator gefährdenden Betriebsstörungen
der Brennkraftmaschine 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 λ-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 λ-Sonde das
Luftverhältnis λ=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 λ-Sonde abgegeben, so deutet dies auf eine
Störung hin, die beispielsweise durch einen falschen Zündzeitpunkt oder eine
fehlerhafte Gemischaufbereitung infolge eines Fehlers der λ-Sonde oder
des Regelsystems gegeben ist, so daß das Luftverhältnis λ=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 Signalfrequenz der λ-Sonde ergibt sich dabei
dadurch, daß in diesem Fall drei normal funktionierenden Arbeitstakten mit einem
Luftverhältnis λ<1 jeweils ein Takt mit einem Luftverhältnis λ<1 gegenübersteht.
Dieser Takt mit λ<1 ist der ausgefallenen Zündkerze zuzuordnen, wobei
das unverbrannte Gemisch einen hohen, von der λ-Sonde erfaßten Sauerstoffanteil
aufweist.
Erfindungsgemäß kann also die Signalfrequenz der λ-Sonde unmittelbar zur
Überwachung des Katalysators 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
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Einrichtung
zur Reduzierung der Abgas-Schadstoffe
einer Brennkraftmaschine und
Fig. 2 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen
Überwachungseinrichtung.
In der Fig. 1 der Zeichnung ist mit 1 eine herkömmliche Vierzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine
der Otto-Bauart angedeutet, die zum Antrieb beispielsweise
eines Personankraftfahrzeugs 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
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 λ-Sonde 7 angeordnet, deren Signale einer Regeleinrichtung
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
λ=1 gehalten wird. Diese Regelung erfordert damit ein ständiges
Durchlaufen des stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Verhältnisses, so daß
die λ-Sonde 7, die bei einem derartigen Durchlaufen durch den Wert λ=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 beispielsweise etwa 0,1 bis 5 Hz.
Mit 10 ist in der Fig. 1 eine an die λ-Sonde 7 angeschlossene Überwachungseinrichtung
angedeutet, die die am Ausgang der λ-Sonde 7 auftretende Signalfrequenz
auswertet und daraus auf den Betriebszustand der Brennkraftmaschine
Rückschlüsse zieht. Beim Abweichen der λ-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 λ-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 Temperaturschalters
15 wird jedoch nicht unmittelbar zum Schließen des Schalters
11 herangezogen, sondern 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 λ-Sonde
7 mit Sicherheit die Betriebstemperatur erreicht 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 Fig. 2 ist das Blockschaltbild der in der Fig. 1 mit 10 bezeichneten
Überwachungseinrichtung angegeben. Diese Überwachungseinrichtung 10 weist
demnach einen Signalverstärker 20 auf, der das von der λ-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 λ-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
λ-Sonden-Signal als Löschsignal zugeführt, so daß der gewünschte 10-Sekunden-Takt
jeweils nach dem letzten λ-Sonden-Signal beginnt.
Wird nun dieses über den Eingang 27a dem ersten Zähler 24 zugeführte Setzsignal
nicht durch ein über den Eingang 23a zugeführtes λ-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 λ-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 λ-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 λ-Sonden-Signals über eine
längere Zeit darauf hin, daß z. B. die λ-Regelung der Brennkraftmaschine
ausgefallen ist, in jedem Fall aber der für einen ordnungsgemäßigen Betrieb des
Katalysators 5 erforderliche Wert des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses mit
λ=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 Fig. 2 weiter ersichtlich ist, wird das am
Ausgang des Differenzier-Gliedes und Impulsformers 23 erscheinende formierte
λ-Sonden-Signal über einen Eingang 23c einem zweiten Zähler 25 zugeführt,
der die Aufgabe hat, die pro Sekunde eingehenden λ-Signale zu zählen
und beim Auftreten einer unzulässig hohen Zahl solcher λ-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
λ-Sonden-Signale zählt.
In der Fig. 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 λ-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 (11)
1. Einrichtung 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
λ=1 regelnden λ-Sonde, dadurch gekennzeichnet,
daß eine die Zahl der von der λ-Sonde (7) innerhalb
vorgegebener Zeiten abgegebenen Signale 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
λ-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 λ-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 λ-Sonde (7) abgegebenen Signale zwischen jeweils zwei
aufeinanderfolgenden, den Zähler löschenden Signalen der Zeitbasis (26)
zählt und der bei Überschreiten einer vorgegebenen Zahl von λ-Sonden-Signalen
die Schutzvorrichtung (28, 29, 30) betätigt.
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ID=6213142
Family Applications (1)
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