DE3822415A1 - Verfahren und vorrichtung zur regelung des verbrennungsluftverhaeltnisses bei verbrennungsmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses bei einer mit einem Katalysator versehenen Verbrennungsma­ schine mittels eines Reglers, auch Lambda-Regler genannt, und einer Lambda-Sonde (λ-Sonde), die in der Abgasleitung der Verbrennungsmaschine angeordnet ist, und wobei der λ-Regler ebenfalls Signale mindestens eines Abgastemperatur­ fühlers registriert und zum Beeinflussen des Regelsollwertes verarbeitet.

Es ist eine Einrichtung dieser Art aus der DE-OS 34 10 930 bekannt, bei der die Kraftstoffzufuhr einem Mischer mittels eines g-Reglers in Abhängigkeit der Signale einer λ-Sonde gesteuert wird. Mit der λ-Sonde wird das tatsächliche Ver­ brennungsluftverhältnis (im folgenden λ-Wert genannt) erfaßt, indem beispielsweise die O₂-Partialdruckdifferenz zwischen Motorabgas und Umgebung in ein Spannungssignal umgesetzt wird. Es ist bekannt, daß die Kennlinie von derartigen Sonden von der Temperatur des Abgases, dem die Sonde ausgesetzt ist, abhängig ist. Dieser Effekt wird bei der bekannten Vorrichtung dadurch berücksichtigt, daß der Regler die Signale eines im Abgaskanal angeordneten Temperatur­ fühlers aufnimmt und zur Temperaturkompensation der g-Regelung verarbeitet. Es hat sich jedoch gezeigt, daß das Gesamtsystem noch anderen Einflüssen unterliegt. Altern beispielsweise λ-Sonde und/oder Katalysator, so muß für schadstoffoptimalen Betrieb der Sollwert des λ-Reglers nach­ justiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, bei dem eine möglichst allgemeine Kompensation der den Regelprozeß beeinflussenden Faktoren in möglichst einfacher Weise erreicht wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem gattungsgemäßen Verfahren mit den im Anspruch 1 gekennzeichneten Maßnahmen gelöst.

Der Regelsollwert, der dem Spannungswert der λ-Sonde bei dem gewünschten λ-Wert entspricht, richtet sich nach der Kennlinie der verwendeten λ-Sonde. Mit der Erfindung wird der Regelsollwert lediglich durch Messen und Auswerten einer Abgastemperatur bzw. Katalysatortemperatur an veränderte Systemverhältnisse angepaßt, ohne die neue Kenn­ linie der Sonde zu kennen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Temperatur­ erhöhung am Katalysator genutzt, die durch die exothermen Umsetzungsvorgänge verursacht wird. Es wurde nämlich durch Messungen festgestellt, daß ein fester Zusammenhang zwischen der Schadstoffumsetzung und dem Temperaturverlauf im Kata­ lysator besteht.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Tempe­ raturverlauf am Katalysator aufgetragen über die λ-Werte eine markante Steigerungsänderung aufweist, deren Knick­ punkt im Bereich der größten Schadstoffumsetzungsrate des Katalysators liegt. Über diesen Temperaturknickpunkt läßt sich die magere Grenze des einzuregelnden λ-Fensters genau genug erkennen und damit ein Regelsollwert festlegen, der einen Betrieb mit guter Umsetzung der Schadstoffe zur Folge hat.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für Verbrennungsmaschinen-Anlagen, die mit einer konstanten Last arbeiten, wie z. B. stationäre Anlagen zur Stromer­ zeugung und dergleichen. Hier kann ein Kalibrieren des Soll­ wertes beliebig zu jeder Zeit vorgenommen werden, ohne den Betriebszustand der Verbrennungsmaschine ändern zu müssen.

Besondere Vorteile bietet die Erfindung bei Anlagen mit Dreiwegekatalysatoren, bei denen eine gute Schadstoffumset­ zung nur innerhalb eines schmalen λ-Bereiches bzw. λ-Fensters gewährleistet ist. Durch periodisches Kalibrie­ ren des Regelsollwertes kann ein schadstoffarmer Betrieb der Anlage aufrechterhalten werden.

Bei Anlagen, die mit sich verändernder Last betrieben werden, wird für den Kalibrierprozeß ein vorbestimmter Betrieb eingestellt werden müssen, der, wie nachfolgend beschrieben, über die Abgastemperatur überwacht werden kann.

Der Kalibriervorgang erfolgt vorzugsweise durch schrittweises Verändern des Regelsollwertes mit anschließender Messung der Temperatur am Katalysator. Durch Vergleich der Temperatur mit den vorangegangenen Messungen läßt sich der Temperatur­ knick in Verbindung mit dem zugehörigen Regelsollwert fest­ stellen. Dieser Regelsollwert würde bei einem Dreiwegekata­ lysator der mageren Grenze des λ-Fensters entsprechen.

Als neuer Regelsollwert wird zweckmäßigerweise dieser Soll­ wert, der um einen festen Betrag verändert wird, genommen.

Für den Kalibriervorgang kann eine Referenztemperatur heran­ gezogen werden, wie z. B. die Abgastemperatur vor dem Katalysator. Damit werden etwaige Unregelmäßigkeiten, die einen Einfluß auf die gesamte Temperaturlage haben können, miterfaßt und berücksichtigt. Der Kalibriervorgang kann auf diese Weise ausgesetzt werden, wenn eine Unregelmäßig­ keit in der Referenztemperatur, die sich auf die Tempera­ turdifferenz zwischen der am Katalysator gemessenen Temperatur und der Referenztemperatur auswirkt, registriert wird. Damit werden unkorrekte Neubestimmungen des Regel­ sollwertes, die durch veränderte allgemeine Betriebsbedin­ gungen verursacht werden, ausgeschaltet.

Die Durchführung des Kalibriervorganges anhand der vorge­ nannten Temperaturdifferenz hat den weiteren Vorteil, daß die erfaßte Temperaturdifferenz gleichzeitig für weitere Kontrollfunktionen, nämlich für den Zustand des Katalysa­ tors, genutzt werden kann. Diese Temperaturdifferenz wird von der Umsetzung im Katalysator beeinflußt, nämlich derart, daß bei Alterung des Katalysators die Temperaturdifferenz abnimmt.

Die Erfindung erstreckt sich auf eine Vorrichtung zur Durch­ führung des Verfahrens, die die im Anspruch 11 gekennzeich­ neten Merkmale enthält.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher er­ läutert. Es zeigt

Fig. 1 Diagramme von Abgastemperaturen vor und nach einem Katalysator sowie Diagramme der Schadstoffemission nach einem Katalysator in Abhängigkeit des Ver­ brennungsluftverhältnisses,

Fig. 2 ein Diagramm, in dem die Sondenspannung in Abhängig­ keit des Verbrennungsluftverhältnisses aufgetragen ist,

Fig. 3 Diagramm über das Alterungsverhalten eines Dreiwege­ katalysators,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 5 der Ablauf der Funktionsweise eines Sollwertgebers.

Das Ziel einer λ-Regelung ist, das Kraftstoff-Luftver­ hältnis einer Verbrennungsmaschine so zu steuern, daß unter Verwendung eines Katalysators eine geringstmögliche Schad­ stoffemission erfolgt. Die Emission von NO _x und CO nach einem Katalysator ist in Fig. 1, unten, über das Luftverhältnis g aufgetragen. Durch den gegensätzlichen Verlauf der beiden Kurven wird vorgesehen, die Emission beider Schadstoffe unterhalb vorbestimmter Grenzwerte A, B zu halten, indem der Betriebsbereich des Motors innerhalb eines von den Grenz­ werten A, B vorgegebenen, sogenannten λ-Fensters 13 gehalten wird. In diesem λ-Fenster gibt es einen Betriebspunkt, bei dem beide Schadstoffkomponenten CO und NO _x zugleich niedrige Werte erreichen. Dieser Punkt wird Crossoverpoint genannt und dient in der Katalysatortechnik zur Beurteilung verschiede­ ner Katalysatoren.

In der oberen Hälfte der Fig. 1 ist mit der oberen Kurve die Tempratur T ₂ am Katalysator (Exotherme) ebenfalls über das Luftverhältnis λ aufgetragen. Diese Temperatur T ₂ erfährt eine deutliche Änderung mit einem Knickpunkt 41 an der mageren Grenze des λ-Fensters 13. Dies wird erfindungs­ gemäß genutzt, um die magere Grenze des λ-Fensters 13 zu finden und zur Nachkalibrierung eines λ-Reglers zu verwen­ den. Eine Nachkalibrierung ist aufgrund des Alterungsverhal­ tens von λ-Sonden, die als Istwertsensoren für die Luftver­ hältnisregelung von Verbrennungsmaschinen verwendet werden, notwendig. Die zweite Kurve stellt die Abgastemperatur T ₁ vor dem Katalysator dar, diese ist bei konstanter Last annähernd unabhängig von dem Luftverhältnis λ.

In Fig. 2 sind die Signalspannungen einer λ-Sonde im neuen Zustand (Kurve 11) und nach einer Betriebszeit von 9000 Stunden (Kurve 12) über λ aufgetragen. Aufgrund dieses Alterungsverhaltens einer λ-Sonde wird die Regel­ größe λ so beeinflußt, daß der Betriebspunkt 10 zur mageren Grenze (Betriebspunkt 10′) des λ-Fensters 13 hin verschoben wird. Dieses kann zur Über­ schreitung des NO _x -Schadstoffgrenzwertes B führen.

Ein weiterer, die Schadstoffreduktion des Gesamtsystems be­ einflussender Faktor ist die Alterung des Katalysators. Anhand der Fig. 3 wird gezeigt, wie das λ-Fenster 13 und der Crossoverpoint eines Dreiwegekatalysators über der Betriebslaufzeit bei konstanten Betriebsbedingungen sich verändert. Mit zunehmender Laufzeit verringert sich die Breite des λ-Fensters 13, wobei die stärksten Veränderungen an der mageren Grenze des λ-Fensters auftreten, indem sich eine Verschiebung in Richtung fett zeigt. Gleichermaßen verschiebt sich der Crossoverpoint. Dieses führt bei kon­ stanter Regler-Sollwerteinstellung, in ähnlicher Weise wie bei der λ-Sondenveralterung, unter Umständen zur Überschrei­ tung des NO _x -Schadstoffgrenzwertes B.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung soll diesen Änderungen des Gesamtsystems Rechnung getragen werden. Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 dargestellt.

Eine Verbrennungsmaschine, beispielsweise ein Gas-Otto- Motor 20 erhält über einen Gas-Luft-Mischer 33 das brenn­ bare Gemisch. Das Volumenverhältnis Luft/Gas wird über ein Drosselventil 30 in der Gasleitung 31 von einem λ-Reg­ ler 25 beeinflußt. In der Abgasleitung 22 des Motors 20 ist ein Dreiwegekatalysator 21 angeordnet, der innerhalb eines bestimmten Betriebsbereiches 13 des Luftverhältnis­ ses λ Schadstoffe NO _x und CO in den Abgasen soweit ver­ mindert, daß erwünschte oder gesetzlich vorgeschriebene Schadstoffgrenzwerte A, B eingehalten werden können. Die Einhaltung dieses Betriebsbereiches geschieht mit Hilfe einer λ-Sonde 23, die im Abgassystem 22 des Motors 20 installiert ist, und eines λ-Reglers 25. Die λ-Sonde liefert ein vom Luftverhältnis abhängiges elektrisches Signal 24 (nachfolgend Sondenspannung genannt) an den g-Regler 25, der von einem Sollwertgeber 47 einen aktuellen Sollwert 28 erhält. Nach einem Soll/Istvergleich 26 gibt der λ-Regler 25 entsprechende Stellbefehle 29 an das Drosselventil 30 in der Gasleitung 31. Die λ-Sonde 23 und der λ-Regler 25 können konventioneller Bauart sein.

Im Abgassystem 22 ist vor und am Katalysator 21 je ein Temperaturfühler 50 bzw. 45 angebracht, deren Temperatur­ signale T ₁ bzw. T ₂ an den Sollwertgeber 47 abgegeben werden, der die Temperaturen T ₁ und T ₂ zur Bildung des auf den aktuellen Systemzustand (beispielsweise der λ-Sonde, des Katalysators etc.) kalibrierten Sollwertes 28 auswertet.

Die Verfahrensweise des Sollwertgebers 47 wird nachfolgend anhand der Fig. 5 beschrieben, die das Verfahrensschema des Sollwertes 47 darstellt.

Nach Einleitung des Kalibriervorganges werden die Tempera­ turen T ₁ und T ₂ vor bzw. am oder im Katalysator 21 einge­ lesen, während für den ganzen Kalibriervorgang die Abgas­ temperatur T ₁ vor dem Katalysator 21 auf Konstanz über­ wacht wird. Der Kalibriervorgang soll bei konstanter Be­ lastung der Maschine 20 erfolgen, um Fehlkalibrierungen zu vermeiden.

Aus den beiden Temperaturen T ₁ und T ₂ wird die Temperatur­ differenz gebildet. Anhand der Veränderung dieser Temperaturdifferenz bei Veränderung des λ-Wertes soll der Knickpunkt 41 ermittelt werden. Hierzu wird vom Soll­ wertgeber 47 der Sollwert 28 stufenweise in Richtung fett verändert, mit jeweils anschließender Auswertung der Temperaturdifferenz.

Zwischen der Einlesung der Temperaturen und dem zuvor einge­ stellten Luftverhältnis wird eine Zeitspanne, d. h. bis die Temperaturen sich um neuen Betriebszustand eingestellt haben, abgewartet.

Mit der Temperaturdifferenz bestimmt der Sollwertgeber 47 zunächst die relative Lage des alten Sollwertes 28 zur mageren Grenze des λ-Fensters 13. Sinkt die Temperatur­ differenz ab, dann lag der alte Sollwert im fetteren Be­ reich. Erkennt der Sollwertgeber 47 diesen Zustand, so leitet er direkt die zweite Phase des Kalibriervorganges ein. Steigt dagegen die Temperaturdifferenz, so lag der alte Sollwert im mageren Bereich, d. h. nach Fig. 1, rechts vom Knickpunkt 41. In diesem Fall wird ein Sollwertsprung in Richtung fett vorgenommen, so daß in jedem Fall die zweite Phase mit einem im fetteren Bereich liegenden Soll­ wert beginnt. In der zweiten Phase werden ebenfalls die Temperaturen T ₁ und T ₂ vor bzw. am Katalysator 21 eingelesen und deren Differenz gebildet und ausgewertet. Solange die Temperaturdifferenz ansteigt, wird der Sollwert stufenweise in Richtung mager verändert, und zwar solange, bis eine deutliche Abnahme der Temperaturdifferenz registriert wird.

Dieser Sollwert ist der mageren Grenze des λ-Fensters 13 zuzuordnen. Ausgehend von diesem Sollwert wird durch einen Sollwertsprung in Richtung fett (Erfahrungswert) der neue Sollwert 28 generiert.

Mit dem neuen Sollwert 28 wird der normale Betrieb der Verbrennungsmaschine 20 fortgesetzt, bis ein neuer Kali­ briervorgang eingeleitet wird. Dieses kann automatisch nach entsprechenden Betriebsstunden geschehen. Selbstverständ­ lich ist es auch möglich, einen Kalibriervorgang per Hand bei Bedarf einzuleiten.

Der Kalibriervorgang läßt sich auch anhand der Temperatur T ₂ am oder nach dem Katalysator 21 alleine vornehmen. Dabei entfällt die gleichzeitige Überwachung der Konstanz des Betriebes.

Claims (11)

1. Verfahren zur Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses bei einer mit einem Katalysator versehenen Verbrennungs­ maschine in Abhängigkeit von Signalen einer Lambda-Sonde, die in der Abgasleitung der Verbrennungsmaschine ange­ ordnet ist, wobei mit dem Regler zusätzlich Abgastempe­ raturen gemessen und zur Beeinflussung des Regelsoll­ wertes verarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Temperatur (T ₂) am oder nach dem Katalysator (21) in Abhängigkeit des Verbrennungsluft­ verhältnisses erfaßt und zur Korrektur des Regelsoll­ wertes (28) verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kalibriervorgang in Zeitabständen eingeleitet wird, der bei einem Betrieb der Verbrennungsmaschine mit konstanter Last durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrieb mit konstanter Last durch den Verlauf der Abgastemperatur vor dem Katalysator überwacht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kalibriervorgang in vorbestimmten Zeitabständen bzw. Motorbetriebszeiten automatisch eingeleitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für den Kalibriervorgang des Sollwertes (28) das Luftver­ hältnis stufenweise verändert und die entsprechende Veränderung der Temperatur (T ₂) am oder nach dem Katalysator (21) registiert und der Bereich der höchsten Temperatur erfaßt wird und daß als neuer Soll­ wert (28) derjenige Wert des Luftverhältnisses genommen wird, bei dem der höchste Temperaturbereich registriert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung des Luftverhältnisses für den Kalibrier­ vorgang durch stufenweise Veränderung des Regelsoll­ wertes (28) erfolgt und daß der Regelsollwert, bei dem der Bereich der höchsten Temperatur am oder nach dem Katalysator registriert wird, als neuer Sollwert ge­ nommen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nach jeder Sollwertverstellung der Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne abgewartet wird, bevor die Temperatur (T ₂) am bzw. nach dem Katalysator (21) aufgenommen wird, und daß dieser Temperaturwert mit den vorhergehenden Temperaturwerten zur Bestimmung des Temperaturverlaufes (T ₂) in Abhängigkeit des Verbrennungsluftverhältnisses verglichen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des neuen Regelsollwertes (28) von dem Sollwert ausgegangen wird, bei dem ein Kurvenknick­ punkt (41) im Temperaturverlauf registriert wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen der Temperatur (T ₂) am bzw. nach dem Katalysator (21) und der Temperatur (T ₁) der Abgase vor dem Katalysator gebildet wird und daß der Verlauf dieser Temperatur­ differenz in Abhängigkeit des Verbrennungsluftverhält­ nisses für die Korrektur des Regelsollwertes verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der anhand des höchsten Temperaturbereiches bzw. des Temperaturknick­ punktes (41) am oder nach dem Katalysator ermittelte Sollwert um einen experimentell vorbestimmten Betrag verändert und für den weiteren Regelvorgang als neuer Sollwert (28) eingegeben wird.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer λ-Sonde und einem λ-Regler zur Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses in Abhängig­ keit der von der λ-Sonde abgegebenen Spannungssignale und mit mindestens einem Abgastemperaturfühler, da­ durch gekennzeichnet, daß der Regler (25) mit einem Sollwertgeber (47) ausgerüstet ist, der einen Eingang für die Signale (T ₂) eines am oder nach dem Kataly­ sator (21) angeordneten Temperaturfühlers (45) hat, und daß der Sollwertgeber so ausgelegt ist, daß damit die Temperatur (T ₂) am bzw. nach dem Katalysator als Funktion des Verbrennungsluftverhältnisses erfaßbar und auswertbar ist.