DE19645279A1 - Verfahren zur Regelung einer Abgasreinigungsvorrichtung an einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die Erfindung geht von dem allgemein bekannten, heute üblichen Verfahren zur Regelung einer Abgasreinigungsvorrichtung mit einem Dreiwege-Katalysator und einer Sauer­ stoffsonde aus. Hierbei umfaßt die Abgasreinigungsvorrichtung mindestens einen in einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine eingesetzten Abgaskatalysator sowie eine strom­ auf dazu angeordnete, als Lambda-Sonde ausgebildete Sauerstoffsonde, deren Aus­ gangssignale einem Steuergerät zugeführt werden. Dieses stellt im Betrieb der Brenn­ kraftmaschine Einspritzzeiten einer Zumeßeinrichtung für Kraftstoff derart ein, daß dem Abgaskatalysator ein stöchiometrisches Kraftstoff/Luft-Verhältnis zugeführt wird, d. h. einem Teil Kraftstoff stehen ca. 14 Teile Luft gegenüber und es bildet einen Mittelwert über der Zeit aus den Regelschwankungen des Ausgangssignales und speichert diesen ab.

Die Lambda-Sonde ist dabei in bekannter Weise empfindlich bezüglich der mit dem Ab­ gas zugeführten Sauerstoffionen. Die sogenannte Luftzahl Lambda ist dabei für das stöchiometrische Verhältnis auf den Wert von 1,0 festgelegt. Weicht das dem Abgaska­ talysator zugeführte Gemisch von diesem Wert 1,0 ab, so wird dies von der Sonde am Restsauerstoffgehalt des Abgases erkannt und dem Steuergerät in Form eines veränder­ ten elektrischen Ausgangssignales mitgeteilt. Werden dabei Werte unterhalb von 1,0 si­ gnalisiert, so liegt ein fettes Gemisch vor und das Steuergerät korrigiert durch verkürzte Einspritzzeiten in Richtung optimales Gemisch. Bei Vorliegen von Werten für Lambda oberhalb von 1,0 liegt ein mageres Gemisch vor und das Steuergerät stellt durch verlän­ gerte Einspritzzeiten das gewünschte Kraftstoff/Luft-Verhältnis her.

Die vorbeschriebene Regelung funktioniert in weiten Bereichen mit ausreichender Genau­ igkeit, wobei auch unterschiedliche Kraftstoffqualitäten in gewissen Grenzen erfaßt wer­ den.

Im Zuge verschärfter Umweltbedingungen können zukünftig Kraftstoffqualitäten mit einem verringerten Anteil von Aromaten, beispielsweise Benzol, auf den Markt kommen. Diese Bemühungen sind zu begrüßen, da beispielsweise Benzol als kanzerogen gilt. Heute verwendete Kraftstoffqualitäten weisen einen Aromatengehalt von ca. 45% auf, zukünftige Forderungen gehen in Richtung von ca. 30%.

Infolge der Verwendung von aromatenarmen Kraftstoffen stellt sich jedoch für die Rege­ lung der bekannten Abgasreinigungsvorrichtung folgendes Problem ein. Die Verringerung des Aromatengehaltes hat einen Anstieg der Wasserstoffkonzentration im Rohabgas zur Folge. Aufgrund der geringen Größe der Wasserstoffmoleküle gelangen diese in ver­ stärktem Maße zu der wasserstoffempfindlichen, dem Abgas ausgesetzten Oberfläche der Lambda-Sonde. Infolge der Besetzung mit Wasserstoffmolekülen wird die Lambda-Sonde zunehmend unempfindlicher für den Restsauerstoff im Abgas. Infolge dessen stellt sich eine Drift der Spannungskurve der Lambda-Sonde derart ein, daß Lambda­ werte unterhalb von 1,0 signalisiert werden, d. h. fettes Gemisch. Das Steuergerät kor­ rigiert dieses fette Gemisch durch eine Zurücknahme der Einspritzzeiten. Diese Korrektur ist jedoch tatsächlich nicht erforderlich, da lediglich die Lambda-Sonde ein fehlerhaftes Signal abgibt, tatsächlich aber ein stöchiometrisches Kraftstoffluftverhältnis vorliegen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung einer Abgasreini­ gungsvorrichtung an einer Brennkraftmaschine zu schaffen, welches bei Verwendung von Kraftstoffen, welche gegenüber herkömmlichen Kraftstoffen einen erhöhten Wasser­ stoffgehalt im Rohabgas bewirken, insbesondere Kraftstoffe mit verringertem Aromaten­ gehalt, ein stöchiometrisches Kraftstoffluftverhältnis einstellt.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 oder 2. Eine vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich aus dem abhängigen Anspruch.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht zur Kompensation des fehlerhaften Sondensignales der stromauf des Katalysators angeordneten Sauerstoffsonde eine weitere im oder stromab des Katalysators angeordnete Sauerstoffsonde vor. Diese wird als Referenz­ sonde herangezogen, da sie unbeeinflußt von dem eventuell erhöhten Wasserstoffmole­ külgehalt im Abgas arbeiten kann, da der Wasserstoff im Abgaskatalysator zu H₂O umgesetzt wird.

Gemäß einem ersten Verfahren ist vorgesehen, daß in einer Speichereinheit der aus dem Sondensignal der zweiten Sauerstoffsonde gebildete Mittelwert mit dem der stromauf des Katalysators liegenden Sauerstoffsonde verglichen wird. Bei funktionierender Lambda-Regelung wird dieser Vergleich einen identischen Wert für den Mittelwert vor und nach dem Katalysator ergeben. Sollte es dann im Betrieb der Brennkraftmaschine zur Verwendung eines einen erhöhten Wasserstoffgehalt im Rohabgas bewirkenden, insbe­ sondere eines aromatenarmen Kraftstoffes kommen, so wird die Kennlinie der ersten Sauerstoffsonde aufgrund der Wasserstoffempfindlichkeit verschoben (Drift) und ein tatsächlich nicht vorhandenes, fettes Gemisch an das Steuergerät signalisiert, so daß dieses durch Zurücknahme der Einspritzzeiten das Gemisch ausmagert.

Dieses Ausmagern wird jedoch vor der zweiten Sauerstoffsonde durch Abgabe eines niedrigeren Ausgangssignales sicher erkannt. Ein ständig wiederholter Vergleich zwi­ schen dem Sondensignal der zweiten Sauerstoffsonde und dem der üblichen Sauerstoff­ sonde in einem Komparator führt bei Überschreiten eines vorgebbaren Schwellwertes zum Auslösen eines Korrektursignales an das Steuergerät derart, daß die von ihm vorge­ gebenen Einspritzzeiten zur Kompensation des fälschlicherweise ausgemagerten Ge­ misches verlängert werden, bis wiederum ein stöchiometrisches Kraftstoffluftverhältnis vorliegt.

Gemäß einem im Patentanspruch 2 angegebenen zweiten Verfahren wird auf den Vergleich des Sondensignales der zweiten Sauerstoffsonde mit dem Mittelwert der stromauf des Katalysators liegenden Sauerstoffsonde verzichtet, anstelle dessen wird der stromab des Katalysators erfaßte Signalwert in dem Komperator mit einem dort gespeicherten Festwert verglichen. Dieser Festwert ist so gewählt, daß er einen ausreichenden Abstand zu dem sich bei Verwendung von heute üblichen Kraftstoff­ qualitäten einstellenden Sondensignal aufweist, so daß dieses in einer gewissen Breite schwanken kann. Andererseits ist dieser Festwert so empfindlich gewählt, daß eine vergleichsweise deutliche Abweichung des Sondensignales durch die Verwendung eines aromatenarmen Kraftstoffes zumindest zum Erreichen wenn nicht zum Überschreiten dieses Grenzwertes führt. Anschließend wird, wie bei dem ersten Verfahren gemäß Patentanspruch 1, ein Korrektursignal ausgelöst.

Vorteilhafterweise gelingt es mit diesen Verfahren in äußerst einfacher Weise das vor­ beschriebene Problem zu lösen. Unter Beibehaltung der bekannten Regelung der Abgas­ reinigungsvorrichtung kann durch die Verwendung einer weiteren üblichen Sauerstoff­ sonde die Fehlregelung kompensiert werden.

Diese Vorteile werden insbesondere solange zum Tragen kommen, wie am Markt bezüg­ lich ihres Aromatengehaltes unterschiedliche Kraftstoffqualitäten zur Verfügung stehen. Sollten durchweg aromatenarme Kraftstoffe am Markt zum Einsatz kommen, so kann die zweite Sauerstoffsonde beispielsweise zur Beurteilung der Funktion des Abgaskatalysa­ tors herangezogen werden, wie es grundsätzlich beispielsweise aus DE-38 30 515 A1 bekannt ist.

Die Verfahren sind unabhängig davon anzuwenden, in welcher Reihenfolge oder in wel­ chem Mischungsverhältnis unterschiedliche Kraftstoffe verwendet werden. Der Kompa­ rator erkennt, in welcher Richtung und um welchen Betrag das aktuell ermittelte Son­ densignal, bzw. dessen Mittelwert, von dem Mittelwert der stromauf des Katalysators angeordneten Sauerstoffsonde abweicht. Nur bei einem einen vorgebbaren Schwellwert übersteigenden Betrag der Mittelwertabweichung werden zur Korrektur die Einspritzzei­ ten verlängert, bis die Mittelwerte innerhalb eines erlaubten Toleranzbandes überein­ stimmen und somit ein stöchiometrisches Kraftstoff/Luft-Verhältnis vorliegt.

Die Auswirkungen von unterschiedlichen Kraftstoffqualitäten auf die Abgasemissionen von Brennkraftmaschinen sind in dem SAE-Paper 941 867 beschrieben, insbesondere der Zusammenhang von Aromatengehalt und Stickoxidanteilen im SAE-Paper 941 869.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläuterten Ausführungsbeispiel. Die Zeichnung zeigt dabei in Fig. 1 und Fig. 2 jeweils in stark schematisierter Form auch die zeitliche Abfolge von zwei Regelungsverfahren.

Gemäß Fig. 1 wird in einem ersten Verfahren einer Brennkraftmaschine 1 ansaugseitig ein Kraftstoff/Luft-Gemisch zugeführt, wobei Einspritzventile 2 als Zumeßeinrichtung für diesen Kraftstoff dienen.

In einer Abgasleitung 3 ist ein Abgaskatalysator 4 eingesetzt, wobei stromauf dieses Abgaskatalysators 4 eine Sauerstoffsonde 5 in Form einer Lambda-Sonde angeordnet ist. Der Abgasreinigungsvorrichtung ist weiterhin ein Steuergerät 6 zugeordnet, welches in Abhängigkeit mehrerer Parameter unter anderem Einspritzzeiten der Einspritzventile 2 re­ gelt.

Der Regelkreislauf ist dabei so gestaltet, daß sich zwischen Brennkraftmaschine 1 und Abgaskatalysator 4 ein stöchiometrisches Kraftstoff/Luft-Verhältnis einstellt. Ein Diagramm 8 zeigt einen von mehreren möglichen Verläufen der Sondenspannung U über der Luftzahl Lambda der Sauerstoffsonde 5. Bei Vorliegen eines stöchiometrischen Kraftstoffluftverhältnisses bei Lambda gleich 1,0 liefert die Sauerstoffsonde 5 ein be­ kanntes, im Zuge der Regelung um einen Mittelwert MV schwankendes Ausgangssignal 7, welches dem Steuergerät 6 zugeführt wird.

Abweichungen von dem idealen Lambda-Wert von 1,0 werden dem Steuergerät 6 durch eine erhöhte oder erniedrigte Ausgangsspannung U signalisiert und das Steuergerät 6 verkürzt oder verlängert die Einspritzzeiten um erneut den Lambda-Wert von 1,0 einzu­ stellen. Der Mittelwert MV wird im Steuergerät 6 gespeichert.

Innerhalb oder stromab des Katalysators 4 ist in der Abgasleitung 3 eine zweite Sauer­ stoffsonde 9 in Form einer Lambda-Sonde eingesetzt. Der zeitliche Verlauf der Sonden­ spannung U über der Zeit t dieser zweiten Sauerstoffsonde 9 ist in einem weiteren Dia­ gramm 10 dargestellt. Der Verlauf dieser Sondenspannung U wird zu einem Mittelwert MN1 geformt und gespeichert.

Bei Verwendung von heute üblichen Kraftstoffqualitäten mit vergleichsweise hohem Aromatengehalt stellt sich ein Mittelwert MN1 entsprechend einer Sondenspannung U₁ an der zweiten Sauerstoffsonde 9 ein. Die Mittelwerte MV und MN1 werden miteinander in einem Komparator 12 verglichen.

Wird die Brennkraftmaschine 1 mit einem anderen, aromatenarmen Kraftstoff betrieben, so steigt der Wasserstoffgehalt im Rohabgas der Brennkraftmaschine 1. Diese Wasser­ stoffmoleküle besetzen die dem Abgas ausgesetzte Oberfläche der Sauerstoffsonde 5 und senken somit deren Empfindlichkeit für Sauerstoff. Hierdurch stellt sich eine Drift der Spannungskurve, im Diagramm 8 gestrichelt dargestellt, derartig ein, daß dem Steuergerät 6 ein Ausgangssignal 71 zugeführt wird, welches ein fettes Gemisch signalisiert, d. h. die Luftzahl liegt unterhalb des Idealwertes.

Das Steuergerät 6 reagiert hierauf in bekannter Weise durch eine Zurücknahme der Ein­ spritzzeiten für die Einspritzventile 2, d. h. das Gemisch wird zunehmend ausgemagert. Die zweite Sauerstoffsonde 9 ist unbeeinflußt vom erhöhten Gehalt an Wasserstoff im Abgas, da dieser im Abgaskatalysator 4 umgesetzt wird. Diese zweite Sauerstoffsonde 9 erkennt jedoch sofort das Ausmagern des Gemisches und liefert daher eine niedrigere Sondenspannung U₂ mit einem entsprechend niedrigeren Mittelwert MN2. Dieser wird ebenfalls im Speicher 11 abgelegt und in dem Komparator 12 mit dem Mittelwert MV verglichen. Ergibt dieser Vergleich eine Spannungsdifferenz, die einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet, so wird aus einem Kennfeld 13 ein Korrektursignal 14 ausge­ lesen und dem Steuergerät 6 zugeführt. Dieses wird dem im Steuergerät 6 ermittelten üblichen Signal für die Einspritzzeiten derart überlagert, daß diese für eine erneute Anfet­ tung des Gemisches verlängert werden, bis die Sauerstoffsonde 9 ein korrektes Aus­ gangssignal liefert.

Ein zweites Verfahren wird anhand von Fig. 2 erläutert, wobei dort mit Fig. 1 überein­ stimmende Bauteile mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dieses zweite, verein­ fachte Verfahren unterscheidet sich gegenüber dem ersten Verfahren dadurch, daß der Mittelwert MV nicht dem Steuergerät 6 zu dem zuvor beschriebenen Zwecke zugeführt wird, vielmehr wird der jeweilige Mittelwert MN1 oder MN2 im Komparator 12 gegen einen dort gespeicherten, festen Grenzwert GW verglichen. Dieser ist im Diagramm 10 durch eine horizontale Linie dargestellt.

Bei Verwendung der üblichen Kraftstoffqualitäten stellt sich wiederum eine Sonden­ spannung U1 ein, welche oberhalb des Grenzwertes liegt, was im Komparator festge­ stellt wird und löst daher kein Korrektursignal 14 aus. Wird in dem Vergleich im Kompa­ rator 12 festgestellt, daß der Wert MN2 der niedrigeren Sondenspannung U2 bei Ver­ wendung eines aromatenarmen Kraftstoffes den Grenzwert GW erreicht oder unter­ schreitet, so wird in bereits zuvor beschriebener Art und Weise ein Korrektursignal 14 ausgelöst.

Um eine Anwendung der vorbeschriebenen Verfahren in bestimmten Betriebsphasen der Brennkraftmaschine auszuschließen, kann zusätzlich abgefragt werden, ob eine so­ genannte Schubabschaltung, d. h. Einspritzmenge gleich Null oder ob ein eine Beschleu­ nigung signalisierendes Laständerungssignal einen vorgegebenen Wert überschreitet. Liegt eine dieser beiden Bedingungen vor, so wird das vorbeschriebene Verfahren abge­ brochen.

Die separat dargestellten Bauteile Speicher 11, Komparator 12, Kennfeld 13 sowie die Mittelwertbildung können integraler Bestandteil des Steuergerätes 6 sein.

Claims (4)

1. Verfahren zur Regelung einer Abgasreinigungsvorrichtung an einer Brennkraftmaschi­ ne (1), wobei diese Abgasreinigungsvorrichtung in einer Abgasleitung (3) mindestens einen Abgaskatalysator (4) sowie stromauf dazu mindestens eine Sauerstoffsonde (5) aufweist, deren Ausgangssignale (7, 71) einem Steuergerät (6) zugeführt werden, welches im Betrieb der Brennkraftmaschine (1) Einspritzzeiten einer Zumeßeinrichtung für Kraftstoff derart einstellt, daß dem Abgaskatalysator (4) ein stöchiometrisches Kraftstoff/ Luft-Verhältnis zugeführt wird und welches aus den Regelschwankungen des Ausgangssignales (7, 71) einen Mittelwert (MV) über der Zeit bildet und spei­ chert, gekennzeichnet durch die Schritte

• a) Erfassen des Sauerstoffgehaltes mittels einer zweiten, in Strömungsrichtung des Abgases zumindest durch einen Teil des Abgaskatalysators (4) axial von der ersten getrennt angeordneten Sauerstoffsonde (9) und speichern eines aus dem zeitlichen Verlauf dieses Sondensignales (U₁) gebildeten Mittelwertes (MN1) in einem Spei­ cher (11),
• b) Vergleichen der beiden Mittelwerte (MV, MN1) in einem Komparator (12),
• c) Betreiben der Brennkraftmaschine (1) mit einem Kraftstoff, der derart von dem vor­ her verwendeten Kraftstoff abweicht, daß der Wasserstoffgehalt im Abgas erhöht ist und Speichern des jetzt vorliegenden Mittelwertes (MN2) des Sondensignales (U₂) der zweiten Sauerstoffsonde (9),
• d) Vergleichen der beiden Mittelwerte (MV, MN2) in dem Komparator (12),
• e) Auslösen eines Korrektursignales (14) an das Steuergerät (6), wenn der Vergleich im Schnitt d) ein Überschreiten eines vorgebbaren Schwellwertes ergibt, derart, daß die vom Steuergerät (6) eingestellten Einspritzzeiten verlängert werden, bis ein stöchiometrisches Kraftstoff/Luft-Verhältnis vorliegt.

2. Verfahren zur Regelung einer Abgasreinigungsvorrichtung an einer Brennkraftmaschi­ ne (1), wobei diese Abgasreinigungsvorrichtung in einer Abgasleitung (3) mindestens einen Abgaskatalysator (4) sowie stromauf dazu mindestens eine Sauerstoffsonde (5) aufweist, deren Ausgangssignale (7, 71) einem Steuergerät (6) zugeführt werden, welches im Betrieb der Brennkraftmaschine (1) Einspritzzeiten einer Zumeßeinrichtung für Kraftstoff derart einstellt, daß dem Abgaskatalysator (4) ein stöchiometrisches Kraftstoff/ Luft-Verhältnis zugeführt wird, gekennzeichnet durch die Schritte

• a) Erfassen des Sauerstoffgehaltes mittels einer zweiten, in Strömungsrichtung des Abgases zumindest durch einen Teil des Abgaskatalysators (4) axial von der ersten getrennt angeordneten Sauerstoffsonde (9) und speichern eines aus dem zeitlichen Verlauf dieses Sondensignales (U₁) gebildeten Mittelwertes (MN1) in einem Spei­ cher (11),
• b) Vergleichen des Mittelwertes (MN1) in einem Komparator (12) mit einem ge­ speicherten Grenzwert (GW),
• c) Betreiben der Brennkraftmaschine (1) mit einem Kraftstoff, der derart von dem vor­ her verwendeten Kraftstoff abweicht, daß der Wasserstoffgehalt im Abgas erhöht ist und Speichern des jetzt vorliegenden Mittelwertes (MN2) des Sondensignales (U₂) der zweiten Sauerstoffsonde (9),
• d) Vergleichen des Mittelwertes (MN2) in dem Komparator (12) mit dem Grenzwert
• e) Auslösen eines Korrektursignales (14) an das Steuergerät (6), wenn der Vergleich im Schritt d) ein Erreichen oder Unterschreiten des Grenzwertes (GW) ergibt, derart, daß die vom Steuergerät (6) eingestellten Einspritzzeiten verlängert werden, bis ein stöchiometrisches Kraftstoff/Luft-Verhältnis vorliegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Schritt a) abgefragt wird, ob

• - eine Betriebsphase der Brennkraftmaschine mit Schubabschaltung oder
• - eine Betriebsphase der Brennkraftmaschine mit einem Laständerungssignalwert vorliegt, der einen vorgebbaren Wert überschreitet,

und Abbrechen des Verfahrens, wenn eine der vorgenannten Bedingungen erfüllt ist.