AT399398B - Verfahren zur überprüfung und justierung von lambda-sonden-geregelten katalytischen abgasreinigungsanlagen von verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

AT 399 398 B

Verbrennungsmotoren, insbesondere Kraftfahrzeugmotoren, enthalten in ihrem Abgas noch brennbare Bestandteile wie Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe sowie Stickoxide. Um den Anteil dieser Bestandteile auf einen vom Gesetzgeber geforderten Minimalwert zu senken, müssen die Abgase weitgehend von diesen Stoffen befreit werden. Das bedeutet, daß die brennbaren Bestandteile möglichst 5 vollständig zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert und die Stickoxide zu Stickstoff reduziert werden müssen.

Eine solche Umsetzung kann z.B. dadurch geschehen, daß man die Abgase an Katalysatoren einer Nachbehandlung unterwirft. Voraussetzung für ein optimales Arbeiten des Katalysators ist jedoch, daß das im Motor verbrannte Kraftstoff-Luft-Gemisch etwa dem stöchiometrischen Verhältnis von Luft und Kraftstoff (X = 1) entspricht. Aus diesem Grund wird in den Weg des Abgases vor dem Katalysator ein elektrochemi-io scher Meßfühler (X-Sonde) eingebaut, der z.B. den Sauerstoffgehalt im Abgas mißt und über eine Regeleinrichtung, in der das von der Sonde abgegebene Signal verarbeitet wird, die richtige Einstellung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses und damit auch weitgehend der Abgaszusammensetzung bewirkt. Diese X-Sonde wird daher im folgenden auch "Regelsonde" genannt. Die bekannten elektrochemischen Meßfühler dieser Art arbeiten nach dem Prinzip der Sauerstoffkonzentrationskette (X-Sonde). Sie weisen daher eine 75 Bezugselektrode auf, die mit Sauerstoff eines bekannten, konstanten Partialdrucks in Verbindung steht. Als derartige Sauerstoffquelle kann beispielsweise der Luftsauerstoff dienen, die Bezugselektrode kann aber auch beispielsweise mit einem Metall-Metailoxidgemisch wie Eisen/Eisenoxid, Nickel/Nickeloxid usw. (z.B. DE-AS 28 36 900) oder mit einer CO/CO2-Mischung (DE-AS 24 43 037) oder mit Kohlenstoff (DE-OS 29 17 265) zwecks Einstellung eines bestimmten Sauerstoffpartialdrucks in Verbindung stehen. Als ionenleitender 20 Festelektrolyt dient im allgemeinen ein Rohr aus stabilisiertem kubischem Zirkondioxid. Der Festelektrolyt muß während des Betriebes der Sonde auf eine Temperatur von 400 - 600 · C erhitzt werden.

Von der von der X-Sonde (Regelsonde) abgegebenen Spannung (EMK) wird über eine Sondenkennlinie auf das Kraftstoff-Luft-Verhältnis zurückgeschlossen. Über einstellbare elektronische Parameter wie Schwellwert, Arbeitspunkt, Integratorcharakteristik und Verzugszeiten, wird der gewünschte λ-Regelpunkt einge-25 stellt. Aufgrund der Sondenkennlinie arbeitet der an die Sonde angeschlossene Regier im allgemeinen als Zweipunktregler, d.h. bei Abweichung der abgegebenen Spannung von dem Arbeitspunkt wird der Kraftstoffanteil im Kraftstoff-Luft-Gemisch vergrößert oder verkleinert. Die zu entfernenden Bestandteile des Abgases, das durch diese Regelvorgänge die für die katalytische Umsetzung optimale Zusammensetzung besitzt, werden an dem nachfolgenden Katalysator praktisch restlos zu Wasser, Stickstoff und Kohlendioxid 30 umgesetzt. Die Funktionsweise einer λ-Sonden gesteuerten Regelung ist allgemein bekannt und wird z.B. ausführlich beschrieben in: Glöckler, "Advances in closed-loop lambda-controlled fuel injection Systems means to meet most stringent emission levels", Proceedings International Symposium on Automotive Technology & Automation, ISATA 81, Stockholm 7.-11. September 1981, Band 1, Seiten 308-326, herausgegeben durch Automotive Automation Ltd., Croydon, England. 35 Die Alterung der X-Sonde, aber auch die Anwesenheit von z.B. Wasserstoff im Abgas führen zu einer deutlichen Verschiebung der Kennlinie der X-Sonde, so daß der Katalysator nicht mehr mit dem für ihn optimalen Abgas beaufschlagt wird und der Ausstoß des Kraftfahrzeugs an unerwünschten Abgasbestandteilen zunimmt. Natürlich nimmt der Ausstoß unerwünschter Abgasbestandteile ebenfalls zu, wenn die X-Sonde defekt oder der Katalysator erschöpft oder die Kraftstoffaufbereitungsanlage z.B. Vergaser oder 40 Kraftstoffeinspritzung dejustiert ist.

Aus der US-PS 4 007 589 ist eine Einrichtung zur Überwachung der Aktivität von katalytischen Reaktoren in Abgasentgiftungsanlagen von Brennkraftmaschinen bekannt. Diese Einrichtung arbeitet nach dem Prinzip der Amplitudenauswertung, wobei als Regelsonde ausschließlich eine dem Katalysator vorgeschaltete Sonde eingesetzt wird. Zur Bestimmung des Alterungszustandes des Katalysators wird die 45 Amplitude des Sondensignals einer dem Katalysator nachgeschalteten Sauerstoffsonde ausgewertet. Aufgrund der katalytischen Reaktion im Katalysator wird das überschüssige Kohlenmonoxid verbrannt und damit das "Fettsignal" der Sauerstoffsonde abgeschwächt. Bei dem Einsatz der Einrichtung ergibt sich bei der Verfahrensdurchführung der Nachteil einer geringen Auflösung; d.h. die Kataiysatorschädigungen lassen sich erst nach sehr starken Alterungsvorgängen desselben bzw. großen Zerstörungen bei dem Katalysator 50 feststellen.

Die US-PS 4 251 989 bezieht sich auf eine Einrichtung zur Bestimmung des Verhältnisses Luft-Brennstoff bei einer Verbrennungskraftmaschine. Bei dieser Einrichtung ist eine Mehrfach-Fühler-Anordnung vorhanden, wobei ein Ausgangssignal einer zweiten Sauerstoffsonde korrigierend in den Regelkreislauf des Luft-Kraftstoffgemisches eingreift. Verfahrensgemäß wird über die Verzögerungszeiten der Fett-Mager-55 Phase einer dem Katalysator nachgeschalteten Sonde versucht dichter am stöchiometrischen Verhältnis zu regeln und damit die Regelgüte zu verbessern. Es erfolgt keine Auswertung der Signale zur Bestimmung der katalytischen Reaktionsfähigkeit des Katalysators. 2

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Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren zu finden, das es gestattet, eine verschobene Kennlinie der X-Sonde bzw. eine mangelhafte Regelung zu erkennen und den für das optimale Arbeiten des Katalysators erforderlichen Arbeitspunkt einzustellen bzw. nachzujustieren sowie den Wirkungsgrad des Abgaskatalysators oder eine schadhafte X-Sonde (Regelsonde) bzw. Regelung zu ermitteln. 5 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Kraftstoff-Luft-Verhältnis des Abgases in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Katalysator· mittels einer weiteren X-Sonde (Prüfsonde) gemessen wird, bei der Amplitude und Mittelwert des Ausgangssignals ermittelt werden und daß bei einem Abweichen des Mittelwerts von einem vorgegebenen Sollwert der Arbeitspunkt der Regelung so lange geändert wird, bis die Prüfsonde ihren Sollwert erreicht hat und daß bei Überschreiten einer vorgegebenen Amplitudenhö-10 he ein Signal zum Wechseln des Katalysators erfolgt.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Prüfsonde intermittierend betrieben wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden unter Zuhilfenahme der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen beispielhaft Fig. 1a das von einer intakten und Fig. 1b das von einer schadhaften 15 Regelsonde erzeugte Signal; Fig. 2 das Signal der Regelsonde mit dem zugehörigen Signal der Prüfsonde bei korrekter Einstellung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses; Fig. 3 das .-Signal der Regelsonde und das Prüfsondensignal bei defektem Katalysator und Fig. 4 das Signal der Regelsonde und das Prüfsondensignal bei verschobener Regelkennlinie.

Wie bereits oben beschrieben, arbeitet der an die Sonde angeschlossene Regler als Zweipunktregler, 20 d.h. bei Sauerstoffunterschuß im Abgas wird die Kraftstoffzufuhr abgeregelt und bei Sauerstoffüberschuß wird die Kraftstoffzufuhr erhöht. Aufgrund der Trägheit des Systems und der Arbeitsweise eines Zweipunktreglers pendelt die Zusammensetzung des Abgases zwischen einem leicht oberhalb und leicht unterhalb des dem eingestellten Kraftstoff-Luft-Verhältnisses entsprechenden Wert, wobei der Mittelwert der Schwingungen dem eingestellten Kraftstoff-Luft-Verhältnis entspricht. Die Regelsondenspannung schwingt dann, 25. wie In Fig. 1a dargestellt, regelmäßig von einem hohen zu einem niedrigen Wert. Diese regelmäßige Schwingung steht aber an der Regelsonde auch in dem Fall an, wenn sich aus irgendeinem Grund der Arbeitspunkt der Regelung (Mitteliage) verschoben hat. Der Regelvorgang verläuft dann zwar an sich noch ordnungsgemäß, jedoch entspricht das Ergebnis der Regelung nicht mehr dem gewünschten Kraftstoff-Luft-Verhältnis sondern ist in den fetten oder mageren Bereich verschoben. Lediglich bei einem Defekt der 30 Regelsonde entsteht ein unregelmäßiges Signal, wie in Fig. 1 b dargestellt.

In Strömungsrichtung hinter dem Katalysator wird nun der Abgasstrom mit einer weiteren X-Sonde, der Prüfsonde, erneut gemessen. Bedingt durch den Umsatz der Abgase an dem Katalysator erzeugt die Prüfsonde, bei ordnungsgemäßem Arbeiten der Abgasreinigungsanlage, ein zu dem Signal der Regelsonde deutlich unterschiedliches Signal. Die Amplitude des Signals der Prüfsonde ist wesentlich geringer - im 35 Idealfall gleich Null - als die des Signals der Regelsonde und die mittlere Spannung des Signals der Prüfsonde entspricht dem tatsächlichen Rest-Sauerstoffgehalt des Abgases.

Fig. 2 zeigt bei ordnungsgemäßer Funktion der Abgasreinigungsanlage das Signal der Regelsonde mit seiner großen Amplitude und daneben das Signal der Prüfsonde mit einer kleinen Amplitude.

Je kleiner die Amplitude des Signals der Prüfsonde ist, desto vollständiger ist die Umsetzung der 40 Abgase an dem Katalysator gewesen. In dem Maße, in dem der Katalysator an Wirksamkeit verliert, vergrößert sich die Amplitude. Man kann nun für einen bestimmten Sondentyp sehr einfach ermitteln, ab welcher Amplitudenhöhe der Katalysator seine Wirksamkeit so weit verloren hat, daß die geforderten Abgaswerte nicht mehr eingehalten werden. Mißt man nun das Abgas einer zu prüfenden Abgasreinigungsanlage mit einem Prüfsensor der gleichen Art unter den für die Sonde erforderlichen Arbeitsbedingungen 45 wie Sondentemperatur usw. und erhält man ein Signal, dessen Amplitude die zulässige Amplitudenhöhe überschreitet und größer ist als die, bei der die Wirksamkeit des Katalysators noch ausreichend ist, so muß der Katalysator ausgewechselt werden. Diese maximal zulässige Amplitudenhöhe des Prüfsondensignals ist in Fig. 2 mit dem Buchstaben B eingezeichnet. In Fig. 3 wird ein Prüfsondensignal gezeigt, dessen Amplitude die maximal zulässige Höhe B überschritten hat, der Katalysator ist erschöpft. so Mittels einer einfachen Vergleicherschaltung wird nun die ermittelte Amplitudenhöhe mit der maximal zulässigen Amplitudenhöhe B verglichen. Bei Überschreiten der zulässigen Amplitudenhöhe B wird dann ein Warnton oder ein Lichtzeichen erzeugt, das auf den erforderlichen Katalysatorwechsel aufmerksam macht. Es kann aber auch, was besonders vorteilhaft ist, die Differenz zwischen der ermittelten und der maximal zulässigen Amplitudenhöhe angezeigt werden, so daß z.B. bei einer geeigneten Umrechnung 55 (Skaleneinteilung) die Wirksamkeit des Katalysators jederzeit direkt mit Werten zwischen 100% (Amplitude = 0: voll funktionsfähig) und 0% (Amplitude 2 B: austauschbedürftig) angezeigt werden kann.

Durch die Wirkung des Katalysators werden, sofern er intakt ist, die aus dem Abgas zu entfernenden Bestandteile praktisch vollständig umgesetzt und der Mittelwert der Spannung der Prüfsonde entspricht 3

Claims (2)

1. AT 399 398 B genau der tatsächlichen Abgaszusammensetzung. Da das Kraftstoff-Luft-Verhältnis, bedingt durch den optimalen Arbeitsbereich des Katalysators, innerhalb eines bestimmten Bereichs vorgegeben ist, muß auch die Zusammensetzung des Abgases hinter dem Katalysator innerhalb eines bestimmten Bereichs liegen. Das wiederum entspricht einem bestimmten Bereich für den Mittelwert der von dem Prüfsensor erzeugten Spannung (EMK). Dieser Bereich ist in den Fig. 2 bis 4 mit dem Buchstaben A gekennzeichnet. Hat das Abgas die richtige Zusammensetzung, so liegt die vom Prüfsensor erzeugte Spannung (Mittelwert) innerhalb dieses Bereichs A, wie in den Fig. 2 und 3. Dabei zeigt Fig. 3, daß zwar die Regelsonde korrekt arbeitet, der Katalysator jedoch ausgetauscht werden muß. Verschiebt sich nun, sei es z.B. infolge von Alterung oder durch Wasserstoffanteile im Abgas an der Sonde die Kennlinie der Regelsonde oder infolge Veränderungen des Regelkreises (Elektronik, Stellglieder etc.) die Zusammensetzung des Abgases, so arbeitet die Regelung immer noch scheinbar korrekt, das Abgas hinter dem Katalysator hat dann jedoch nicht mehr die gewünschte Zusammensetzung. Dieser Sachverhalt ist in Fig. 4 dargestellt. Das von der Prüfsonde abgegebene Signal liegt außerhalb des zulässigen Bereichs A, obwohl der Katalysator als solcher durchaus ordnungsgemäß arbeitet (Amplitudenhöhe des Prüfsondensignals innerhalb des zulässigen Bereichs B). Mittels einer geeigneten elektrischen Schaltung wird nun der Arbeitspunkt der Regeleinrichtung so weit verschoben, bis die vom Prüfsensor erzeugte Spannung (EMK) wieder innerhalb des Bereichs A (Sollwert) liegt. Dieser Eingriff kann natürlich auch manuell durch Verstellen eines Justierpotentiometers oder eines mechanischen Elements im Regler erfolgen. Ist es nicht möglich, die Prüfsensorspannung wieder in den Bereich A (Sollwert) zu bringen, so sollte der Regelsensor ausgetauscht werden. Erreicht auch dann die Prüfsondenspannung nicht den gewünschten Wert, so liegt ein anderer Fehler im Abgasreinigungssystem vor, z.B. ein Leck im Abgasstrang oder ein Fehler in der elektronischen Schaltung. Der Prüfsensor kann sowohl im Abgasstrang hinter dem Abgaskataiysator fest eingebaut sein, als auch nur vorübergehend zu Überwachungs- und Einstellarbeiten, z.B. im Verlauf von Wartungs- und Pflegearbeiten eingesetzt werden. Der feste Einbau hat den Vorteil, daß jederzeit durch eine geeignete automatische Schaltung der Arbeitspunkt des Regelsensors nachjustiert werden kann und daß der Fahrer stets über den Zustand des Katalysators informiert werden kann. Dabei ist es besonders vorteilhaft, den Prüfsensor nicht dauernd in Betrieb zu halten (Sondenheizung), sondern ihn nur intermittierend, z.B. nach einer bestimmten Fahrleistung oder nach einer bestimmten Betriebsdauer in Betrieb zu nehmen, um Alterungserscheinungen der Prüfsonde weitgehend zu vermeiden. Die Arbeitszeit der Prüfsonde sollte daher im allgemeinen etwa 20% oder weniger der Arbeitszeit der Regelsonde betragen. Die Inbetriebnahme der Prüfsonde kann auch durch einen Bordcomputer erfolgen, der Drehzahl, Belastung und Temperatur des Motors berücksichtigt. Solche Geräte sind z.B. zur Ermittlung des Wartungsintervalls bereits bekannt. Die nur sporadische Überprüfung der Abgase mittels der Prüfsonde ist durchaus tolerierbar, da im allgemeinen keine dramatische Verschiebung der Sondenkennlinie oder eine schlagartige Verschlechterung der Katalysatorwirkung erfolgt. Der nur vorübergehende Einbau der Prüfsonde im Verlauf von Wartungsarbeiten hat den Vorteil, daß sich das einzelne Fahrzeug nicht verteuert, da in diesem Falle ein Prüfsensor mit elektronischer Schaltung für viele Fahrzeuge verwendet wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Prüfsensor im nicht in ein Fahrzeug eingebauten Zustand verhältnismäßig einfach mit entsprechenden Testgasen auf ordnungsgemäßes Arbeiten überprüft werden kann. Das von der Prüfsonde ermittelte Signal kann nicht nur zur Verschiebung des Arbeitspunktes der Regelsonde dienen, sondern es ist auch, je nach den im Fahrzeug vorhandenen Möglichkeiten, z.B. bei einem mikroprozessor-gesteuerten Motor, möglich, andere abgasbestimmende Parameter wie Zündzeitpunkt, Regelfrequenz und Regelamplitude der Regelsonden-Regelung, Ansaugluftdruck bei Fahrzeugen mit Abgasturbolader usw. zu verändern. Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen vor allem darin, daß auf einfache Weise zum ersten Mal möglich geworden ist, Regelsonde und Katalysator gleichzeitig aber unabhängig voneinander auf ihre Funktionsfähigkeit überprüfen zu können und Verschiebungen der Kennlinie der Regelsonde durch Nachjustieren des Arbeitspunktes der Regeleinrichtung zu kompensieren. Auch ist es möglich, die Anspringzeit des Katalysators, d.h. die Zeit, die der Katalysator nach einem Kaltstart braucht, um seine Funktion aufzunehmen, zu überprüfen. Dazu wird der Motor mit betriebswarmer Prüfsonde gestartet und die Zeit gemessen, bis die Amplitudenhöhe der Prüfsonde im Bereich B liegt. Patentansprüche 1. Verfahren zur Überprüfung und Justierung von katalytischen Abgasreinigungsanlagen von Verbrennungsmotoren, bei denen das Kraftstoff-Luft-Verhältnis im Abgas mittels einer X-Sonde (Regelsonde) gemessen und bei Überschreiten bzw. Unterschreiten einer vorgegebenen Sollspannung der Regelson- 4 AT 399 398 B de (Arbeitspunkt) die Kraftstoffzufuhr auf der Ansaugseite vergrößert bzw. verkleinert wird und das Abgas an einem im Abgasstrom hinter der Regelsonde liegenden Katalysator weiter umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftstoff-Luft-Verhältnis des Abgases in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Katalysator mittels einer weiteren X-Sonde (Prüfsonde) gemessen wird, bei der Amplitude und Mittelwert des Ausgangssignals ermittelt werden und daß bei einem Abweichen des Mittelwerts von einem vorgegebenen Sollwert der Arbeitspunkt der Regelung so lange geändert wird, bis die Prüfsonde ihren Sollwert erreicht hat und daß bei Überschreiten einer vorgegebenen Amplitudenhöhe ein Signal zum Wechseln des Katalysators erfolgt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfsonde intermittierend betrieben wird. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 5