DE10148803A1 - Senkung der Emission durch zylinderspezifische Bestimmung von Abgaswerten am Kraftfahrzeugmotor - Google Patents

Senkung der Emission durch zylinderspezifische Bestimmung von Abgaswerten am Kraftfahrzeugmotor

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Abstract

Für die Senkung des Kraftstoffverbrauches wird ein zeitlich hoch auflösender Mikroanalysator für die Erfassung der wichtigsten Abgasbestandteile sowie weiterer physikalischer Parameter empfohlen. Die Entnahmestellen befinden sich unmittelbar in den einzelnen Strängen des Krümmers, wo Abgase aus dem Verbrennungsraum austreten, sowie an mehreren weiteren Stellen entlang des Abgasweges, s. Fig. 1. DOLLAR A Das Gerät überwacht die zeitlichen Abläufe der wichtigsten Kenngrößen in den einzelnen Zylinder, vergleicht sie mit den systemeigenen Mikrocontroller gespeicherten Kennfeldern und gibt Befehle zur optimalen Einstellung der Kraftstoffdosierung und der Verbrennungsluftzuführung im vormotorischen Bereich. Eine besondere Bedeutung kommt dem System bei gemischten Treibstoffsystemen, bestehend aus Wasserstoff, Erdgas, Flüssiggas oder Methanol als Ergänzung zum konventionellen Treibstoff zu. DOLLAR A Die Regelung eines, aus mehreren Modulen bestehenden Katalysatorsystems ist ebenfalls möglich. Solche Katalysatorsysteme können beliebige Reduzier- und Oxidierstrecken mit unterschiedlichen katalytischen Elementen sowie verschiedenen Dosierstellen von Sekundärluft sowie weiterer Prozessgase für die kontrollierte Senkung der Emission enthalten.

Description

    Problemdarstellung
  • Die Entwicklung der Dosiertechnik im Kraftfahrzeug führt zu spezifischen Ventilsteuerungen und Maßnahmen an den Zylindern, die eine wesentlich feinere Dosierung des Kraftstoffes bzw. der Verbrennungsluft als früher bedeuten. Solche Systeme sind die Direkt- Einspritztechnik im Ottomotor und das Pumpe-Düse-System im Dieselmotor.
  • Die weitere Senkung des Verbrauches und der damit verbundenen Emission ist nur durch eine Kopplung der vor- und nachmotorischen Vorgänge möglich. Die Betrachtung der nachmotorischen Vorgänge beinhaltet die Erfassung der verbrennungsspezifischen Merkmale unmittelbar hinter dem Verbrennungsraum. Die hier gewonnenen Erfahrungen müssen mit den Steuerorganen vor der Verbrennung rückgekoppelt werden. Treten Veränderungen der wichtigsten physikalischen und chemischen Kenngrößen unmittelbar am Austritt des Verbrennungsraumes auf, müssen die Dosierparameter am Motor an die Gegebenheiten angepasst werden.
    • Beschreibung des Lösungsweges Senkung der Emission
  • Als erste und wichtigste Maßnahme sollte der Verbrennungsablauf unmittelbar am Austritt der Abgase aus dem Verbrennungsraum erfasst werden. Bereits am Krümmer müssen die Konzentrationswerte der einzelnen Abgaskomponenten, die Temperatur und der Druck sowie der Massenstrom des Abgases mit einer schnellen zeitlichen Auflösung gemessen werden. Besonders bedeutend ist die zylinderspezifische Erfassung der obigen Kenngrößen.
  • Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Anordnung zur dynamischen Erfassung der Abgaswerte in den einzelnen Krümmersträngen (2).
  • Weiterhin empfiehlt es sich, entlang des Abgasweges an mehreren Stellen zu messen, s. Fig. 2, und im Abgasweg mehrere Katalysatorelemente (4, 5, 6) optimal zu steuern. Die Abgasmessung ist die Grundlage für die Dosierung von Luft (7) oder für die Dosierung von Zumischgasen (8). Über verschiedene Einspritzstellen (9, 10, 11) wird die Zugabe geregelt.
  • Durch diese Kaskade, die eine Hintereinanderschaltung einzelner Elemente bedeutet, können oxidierende (12) und reduzierende (13) Phasen in der Abgasnachbehandlung eingerichtet werden. Zur Erzeugung der sauerstoffarmen Atmosphäre können die Abgaskomponenten im sog. "fetten" Betrieb oder prozessfremde Gase durch Zumischung dienen. Als Zumischungsgas (8) kommen Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff oder Stickstoff in Frage.
  • Die Erfassung der Gaskonzentration an mehreren Stellen entlang des Abgasweges kann durch den Einsatz eines einzigen Messgerätes (14) erfolgen, das die einzelnen Entnahmestellen über Ventile (15) regelt.
  • Als weitere Maßnahme können Veränderungen in der Abgasführung im Krümmer vorgenommen werden. Fig. 3 zeigt den NO-Verlauf in vier Zylindern (22, 23, 24, 25) des Motors (1), wobei der zweite Zylinder (23) einen höheren NO-Wert zeigt als das in den anderen Zylindern der Fall ist. Bei Ungleichmäßigkeiten zwischen den einzelnen Zylindern kann eine nachträgliche Korrektur der Kraftstoffdosierung (16) über die Einspritzpumpe (17), die sich aus den gemittelten Daten über mehrere Takte in den einzelnen Zylindern ergibt, erfolgen. Die differenzierte Zuführung von Sekundärluft (7) an den einzelnen Krümmersträngen kann die Emission ebenfalls senken. Durch Aktivierung eines Regelalgorithmus, der die Gaskonzentrationswerte als Führungsgröße für die zeitliche Staffelung des Eindüsevorgangs in den Verbrennungsraum betrachtet, kann eine Kopplung zum Motormanagement erstellt werden (18).
    • Senkung des Kraftstoffverbrauches
  • Die gegenwärtige Messtechnik im Abgasstrom beschränkt sich auf die Erfassung der Sauerstoffkonzentration vor- und hinter dem Oxidationskatalysator (5). Mit Hilfe der 1. Lambdasonde (19) wird die Dosierrate der Luft (20), mit der 2. Sonde (21) die Konvertierungsrate des Katalysators bestimmt. Mit der Lambda-Sonde ist es möglich, Informationen hinsichtlich der O2-Konzentration zu erhalten. Die genaue Zuordnung der verbrauchten Sauerstoffmoleküle zu den einzelnen Endprodukten im parts-per-million (ppm)- Bereich ist jedoch nicht möglich. Diese Zuordnung ermöglichen schnelle Gasanalysatoren, die die wichtigsten Bestandteile des Abgases CO, HC, CO2 und NO an mehreren Stellen (3) des Abgasweges mit hoher zeitlicher Auflösung erfassen. Mit dieser zeitlichen Auflösung ist die Veränderung der Abgaszusammensetzung in den einzelnen Zylindern zu erkennen.
  • Treten in den Zylindern altersbedingte Verschlechterungen im Verbrennungsablauf auf, s. Fig. 4, steigt die Menge und Konzentration an unverbrannten Produkten im Abgas. Durch die Kenngröße wird ein Regelkreis betätigt, der im Mikrocontroller des Abgassystems die Einspritzparameter zeitlich oder räumlich, eventuell beide Maßnahmen gekoppelt, automatisch verändert.
  • Die dynamisch hochauflösende simultane Erfassung von Abgaskenngrößen, vor allem der Konzentration der einzelnen Abgaskomponenten, kann bei der Hybridfeuerung von Motoren eine große Rolle spielen. Der Weg zur Senkung von Emissionen führt u. a. über die intensive Einführung von Verbrennungssystemen mit Wasserstoff, Erdgas, Flüssiggas oder Methanol. Bei der gemischten Verbrennung zwischen mehreren Energieträgern mit Otto- oder Dieselkraftstoff muss die Überwachung der Abgaskonzentration, sowohl für die Regelung des Prozesses, als auch für die Kontrolle der Emission ein zentrales Element der Technik sein.
    • Figurenverzeichnis Fig. 1: Anordnung der Messstellen zur dynamischen Erfassung der Abgaswerte in den einzelnen Krümmern
  • 1 Motor
    2 dynamische Erfassung der Abgaswerte an den einzelnen Krümmersträngen
    4 Rußfilter
    5 Oxidationskatalysator
    6 Reduktionskatalysator
    9, 11 Einspritzstellen
    Fig. 2: Abgasüberwachung durch einen Mehrkomponentengasanalysator mit Kopplung an das Motor-Management 3 Entnahmestellen an mehreren Stellen im Abgasweg
    7 Dosierung von Luft über ein Ventil
    8 Tank zur Reduzierung (Zumischgase)
    9, 10, 11 Einspritzstellen
    12 oxidierende Phase
    13 reduzierende Phase
    14 Mehrkanalgasanalysator
    15 Ventile zur Umschaltung der Entnahmestellen
    16 Kraftstofftank
    17 Einspritzdüse
    18 Motormanagement
    19 1. Lambda Sonde
    20 Luftzufuhr
    21 2. Lambda Sonde
    Fig. 3: NO-Verlauf in vier Zylindern eines Diesel-Nutzfahrzeuges 22 1. Zylinder
    23 2. Zylinder
    24 3. Zylinder
    25 4. Zylinder
    Fig.4 Vergleich des abgegebenen Kennfeldes beim Beschleunigen eines Kraftfahrzeuges 26 erhöhter Konzentrationsverlauf (NO)
    27 aus Mittelung der Messdaten genormte, gespeicherte Etalon-Konzentrationskurve
    28 erhöhter Konzentrationsverlauf (CO)
    29 erhöhter Konzentrationsverlauf (HC)

Claims (7)

1. Verfahren zur Senkung des Kraftstoffverbrauches und der damit verbundenen Emission von Schadgasen und klimarelevanten Abgasen dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasmesssystem an mehreren Stellen des Abgasweges, so
a) an den Strängen des Krümmers, unmittelbar hinter den Zylindern,
b) vor und hinter den Sekundäreinblasstellen
c) vor und hinter den einzelnen Katalysatorstufen sowie
d) vor und hinter den Dosierstellen von Zusätzen zum Abgas
die Konzentration an den wichtigsten Abgasbestandteilen, wie CO2, CO, HC und NO, sowie an weiteren physikalischen Kenngrößen wie Druck, Temperatur und Massenstrom bestimmt und sie mittels eines Mikrocontrollersystems sowohl zur optimalen Einstellung der Einspritzmenge und des zeitlichen und räumlichen Einspritzvorganges des Kraftstoffs als auch für die Dosierung der Verbrennungsluft vor dem Verbrennungsprozess, an ein entsprechend gekoppeltes Regelorgan gibt.
2. Verfahren zur Senkung des Kraftstoffverbrauches und der damit verbundenen Emission von Schadgasen und klimarelevanter Abgase nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die zeitlichen Abläufe von chemischen und physikalischen Parametern am Austritt der einzelnen Zylinder mit einem im prozesseigenen Mikrocontrollersystem gespeicherten Kennfeld verglichen werden, und die Regelung der Dosierung von Luft und Kraftstoff anhand der gespeicherten Algorithmen erfolgt.
3. Verfahren zur Senkung des Kraftstoffverbrauches und der damit verbundenen Emission von Schadgasen und klimarelevanter Abgase nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die zylinderspezifischen Emissionsdaten während der ersten als Selbstlernstrecke geltenden 100 bis 1000 gefahrenen Kilometer im Mikrocontrollersystem des Bordcomputers festgehalten werden und miteinander in Form einer Regressionsanalyse so verbunden werden, dass die Emission als Funktion der Motor- und Katalysatortemperatur, der Drehzahl und der Geschwindigkeit in einem aus mehreren Punkten bestehenden Kennfeld bestimmt wird und als Etalon-Konzentrationskurve zu den einzelnen Kennfeldpunkten so zugeordnet wird, dass die späteren, momentanen, in den entsprechenden Zeitfenstern gewonnenen Konzentrationsverläufe mit diesen Etalon- Konzentrationskurven in den einzelnen, zutreffenden Kennfeldpunkten verglichen werden.
4. Verfahren zur Senkung des Kraftstoffverbrauches und der damit verbundenen Emission klimarelevanter Abgase sowie Schadgase nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Einsatz mehrerer Analysatoren an den einzelnen Messstellen, als auch die Anwendung eines einzigen zentralen Systems mit einem Ventilmodul für die zeitlich gestaffelte Umschaltung der einzelnen Messstellen möglich ist.
5. Verfahren zur Senkung des Kraftstoffverbrauches und der damit verbundenen Emission klimarelevanter Abgase sowie Schadgase nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Emission durch mehrere Katalysatorstufen, bestehend aus mehreren Oxidations- und Reduktionsmodulen, ergänzt mit mehreren Mess- und Steuerstellen vorgenommen wird.
6. Verfahren zur Senkung des Kraftstoffverbrauches und der damit verbundenen Emission klimarelevanter Abgase sowie Schadgase nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung einer Reduktionsstrecke durch eine angepasste Zudosierung sauerstoffarmer Gase, sowie für oxidierende Strecken durch eine angepasste Zudosierung sauerstoffreicher Gase, geregelt durch den Abgasanalysator erfolgt.
7. Verfahren zur Senkung des Kraftstoffverbrauches und der damit verbundenen Emission klimarelevanter Abgase sowie Schadgase nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das System zur Regelung von gemischten Dosierungen geeignet ist, wobei das Kraftstoffsystem aus mehreren Kraftstoffsorten, hauptsächlich aus Wasserstoff, Erdgas, Flüssiggas oder Methanol sowie aus Otto- und Dieselkraftstoff besteht.
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