DE19946044C1 - Abgasreinigungsanlage - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsanlage für eine Verbrennungseinrichtung, insbesondere eine Brennkraftmaschine, mit Abgasreinigungsmitteln im Abgastrakt der Verbrennungseinrichtung und Verbrennungsregelungsmitteln zur Einstellung der Zusammensetzung eines in der Verbrennungseinrichtung verbrannten Luft-Kraftstoff-Gemisches in Abhängigkeit vom Ausgangssignal einer im Abgastrakt angeordneten Lambda-Sonde. DOLLAR A Erfindungsgemäß sind zwei seriell hintereinandergeschaltete Dreiwege-Katalysatoren (1, 2) vorgesehen, und die Lambda-Sonde ist zwischen den beiden Dreiwege-Katalysatoren angeordnet. DOLLAR A Verwendung z. B. als Abgasreinigungsanlage in Kraftfahrzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsanlage für eine Ver­ brennungseinrichtung, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, mit Abgasreinigungsmitteln im Abgastrakt der Verbrennungsein­ richtung und Verbrennungsregelungsmitteln zur Einstellung der Zusammensetzung eines in der Verbrennungseinrichtung verbrannten Luft-Kraftstoff-Gemisches in Abhängigkeit vom Ausgangssignal ei­ ner oder mehrerer im Abgastrakt angeordneter Lambda-Sonden.

Abgasreinigungsanlagen der eingangs genannten Art werden häufig zur Reinigung des Abgases von Kraftfahrzeugmotoren, z. B. Otto- Motoren, eingesetzt. Sie enthalten meist eine motornah, im Ab­ gastrakt häufig direkt im Abgaskrümmer positionierte Lambda- Sonde, mittels der die Zusammensetzung eines in dem Motor ver­ brannten Luft-Kraftstoff-Gemisches erfaßt wird, und einen der Lambda-Sonde nachgeschalteten Dreiwege-Katalysator. Abhängig vom Signal der Lambda-Sonde wird die Zusammensetzung des im Motor verbrannten Luft-Kraftstoff-Gemisches so eingeregelt, daß für den Dreiwege-Katalysator eine stöchiometrische Abgaszusammenset­ zung, d. h. ein Lambdawert von eins, vorliegt. Die stöchiometri­ sche Abgaszusammensetzung ermöglicht es dem Dreiwege-Katalysa­ tor, sowohl Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe als auch Stick­ oxide weitestgehend zu Kohlendioxid, Wasser und Stickstoff umzu­ setzen.

Aus der JP 7-034933 (A) ist eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine bekannt, in der jedem Zylinder motornah in einem jeweiligen Ab­ gaskrümmer ein Vorkatalysator mit vorgeschalteter Lambda-Sonde zugeordnet ist. Diese Abgaskrümmer mit Vorkatalysator münden in einen Haupt-Abgaskanal, in dem sich ein Haupt-Katalysator mit vorgeschalteter Lambda-Sonde befindet. Mittels der Lambda-Sonden wird die Zusammensetzung des in den Zylindern verbrannten Luft- Kraftstoff-Gemisches erfaßt und in gewünschter Weise geregelt.

In der DE 197 47 670 C1 ist eine Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug beschrieben, die einen unmittelbar bei der Brennkraftmaschine angeordneten Oxidations­ katalysator und zwei abwechselnd im Adsorptions- und Desorpti­ onsbetrieb betriebene Stickoxidadsorber umfaßt, die sich in je­ weils parallel zueinander verlaufenden Abgasteilsträngen befin­ den. Weiter enthält die Abgasreinigungsanlage einen Mini-E-Kata­ lysator mit nachgeschalteter Lambda-Sonde.

In der Offenlegungsschrift DE 38 21 345 A1 wird eine Abgasreini­ gungsanlage der eingangs genannten Art beschrieben, die einen aus zwei voneinander getrennten Monolithblöcken bestehenden Ka­ talysator und zwei Lambda-Sonden aufweist, von denen eine in Ab­ gasströmungsrichtung erste Lambda-Sonde stromaufwärts des Kata­ lysators und die andere Lambda-Sonde im Zwischenraum zwischen den beiden Monolithblöcken des Katalysators angeordnet ist.

Aufgabe der Erfindung ist, eine Abgasreinigungsanlage der ein­ gangs genannten Art mit hoher Wirksamkeit bereitzustellen, bei der die Wirksamkeit des Abgasreinigungsprozesses mit relativ ge­ ringem Aufwand überwacht werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Abgasreinigungsanlage gelöst, bei der zwei seriell hintereinandergeschaltete Dreiwege-Katalysato­ ren vorgesehen sind und die in Abgasströmungsrichtung erste Lambda-Sonde zwischen den beiden Dreiwege-Katalysatoren angeord­ net ist. Auf diese Weise wird eine Abgasreinigungsanlage mit sehr guter Reinigungswirkung geschaffen, in der darüber hinaus unter Verwendung einer einfachen und damit billigen Abgassonde eine Katalysator-Diagnose im laufenden Betrieb möglich ist.

Grundgedanke ist hierbei, durch die Lambda-Messung stromabwärts des ersten, stromaufwärtigen Katalysators das Luftverhältnis für diesen direkter zu regeln, als dies mit einer vorgeschalteten Lambda-Sonde möglich ist. Während der Totzeit zwischen dem Rege­ lungseingriff und der Auswirkung auf die Abgaszusammensetzung an der Austrittsseite des ersten Katalysators gleicht der zweite, stromabwärtige Katalysator die temporäre Lambda-Regelabweichung aus, indem er gespeicherten Sauerstoff abgibt bzw. überschüssi­ gen Sauerstoff einspeichert, so daß zumindest im hinteren Be­ reich des zweiten Katalysators stets eine stöchiometrische Abgaszusammensetzung vorliegt. Dabei kann davon ausgegangen werden, daß das Alterungsverhalten des zweiten Kata­ lysators gleichen Funktionstyps demjenigen des ersten, vorge­ schalteten Katalysators ähnelt und daher nicht separat überwacht werden braucht. Zudem ist ohnehin der vordere Dreiwege-Katalysa­ tor hinsichtlich Schädigung z. B. durch Motoraussetzer stärker gefährdet als der hintere, so daß auch insoweit die alleinige direkte Überwachung des stromaufwärtigen Dreiwege-Katalysators ausreichend ist.

In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 ist die Lambda- Sonde in kostengünstiger Bauart ohne Edelmetallbeschichtung aus­ gebildet. Weil die Lambda-Sonde nach dem ersten Dreiwege-Kataly­ sator angeordnet ist, muß an den Sondenkontakten nicht unbedingt eine Umsetzung von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid erfol­ gen, so daß auf die diesbezüglich wirksame Edelmetallbeschich­ tung verzichtet werden kann.

In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 besitzt der zwei­ te, nachgeschaltete Dreiwege-Katalysator ein mindestens so hohes Sauerstoffspeichervermögen wie der erste Dreiwege-Katalysator. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß der zweite Dreiwege-Ka­ talysator die temporären Lambda-Regelabweichungen, die in dem aus dem ersten Dreiwege-Katalysator austretenden Abgas auftreten können, vollständig kompensieren kann.

In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4 umfassen die Ver­ brennungseinstellmittel eine modellbasierte Steuerung zur Vor­ steuerung der Zusammensetzung des in der Verbrennungseinrichtung verbrannten Luft-Kraftstoff-Gemisches und insbesondere der ein­ zuspritzenden Kraftstoffmasse entsprechend einem abgelegten Mo­ dell für den Luft- und Kraftstoffpfad. Das Signal der Lambda- Sonde kann zur Anpassung des der Vorsteuerung zugrundeliegenden Modells dienen. Auf diese Weise wird eine recht präzise Vor­ steuerung der in der Verbrennungseinrichtung verbrannten Ge­ mischzusammensetzung geschaffen, in der die Laufzeit von Gas­ strömungen berücksichtigt wird.

Ein besonders geringer Bau- und Regelungsaufwand ergibt sich für eine nach Anspruch 5 weitergebildete Abgasreinigungsanlage da­ durch, daß sie mit einer einzigen Lambda-Sonde auskommt, eben derjenigen zwischen den beiden Dreiwege-Katalysatoren. Wie schon oben erwähnt, reicht die dadurch mögliche direkte Überwachung des stromaufwärtigen Dreiwege-Katalysators wegen der Funktions­ identität und der geringeren Belastung des stromabwärtigen Drei­ wege-Katalysators aus.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind in der einzigen Figur dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.

Die einzige Figur zeigt eine Abgasreinigungsanlage mit zwei hin­ tereinandergeschalteten Dreiwege-Katalysatoren.

In der gezeigten Abgasreinigungsanlage sind ein erster Dreiwege- Katalysator 1 und ein zweiter Dreiwege-Katalysator 2 seriell hintereinander in einem Abgastrakt bzw. -kanal 3 angeordnet. Diesem Abgaskanal 3 werden über ein Abgaskrümmersystem 4 Ver­ brennungsabgase aus einer schematisch dargestellten Brennkraft­ maschine 5, z. B. einem Otto-Motor eines Kraftfahrzeuges, zuge­ führt. Der Brennkraftmaschine 5 ist eine Motorsteuerung 6 zuge­ ordnet, mittels der die Zusammensetzung eines in der Brennkraft­ maschine 5 verbrannten Luft-Kraftstoff-Gemisches geregelt wird. Die Motorsteuerung 6 ist mit einer Lambda-Sonde 7 verbunden, welche die Abgaszusammensetzung zwischen dem ersten Dreiwege- Katalysator 1 und dem zweiten Dreiwege-Katalysator 2 erfaßt. Die beiden Dreiwege-Katalysatoren 1 und 2 sind weitgehend baugleich ausgebildet und auf ein hohes Sauerstoff-Speichervermögen ausge­ legt. Aufgrund der baugleichen Ausführung zeigen sie ein im we­ sentlichen gleiches Alterungsverhalten. Weiter wird so erreicht, daß der zweite Dreiwege-Katalysator 2 ein gleich großes Sauer­ stoffspeichervermögen wie der erste Dreiwege-Katalysator 1 hat. Alternativ kann der stromabwärtige Dreiwege-Katalysator 2 auf ein gegenüber demjenigen des stromaufwärtigen Dreiwege-Kataly­ sators 1 höheres Sauerstoffspeichervermögen ausgelegt sein. Die Abgase der Brennkraftmaschine 5 werden dann vom zweiten Dreiwe­ ge-Katalysator 2 über einen Mittelschalldämpfer 8 und einen End­ schalldämpfer 9 abgeführt.

Die Lambda-Sonde 7 ist als binäre Sonde bzw. Sprungsonde ausge­ führt und enthält nur optional eine Edelmetallbeschichtung. Die Ausführung der Sonde ohne Edelmetallbeschichtung ermöglicht Ko­ steneinsparungen beim Sonden-Herstellungsprozeß. Eine Edelme­ tallbeschichtung ist deshalb nicht zwingend erforderlich, weil die Lambda-Sonde 7 ausgangsseitig des ersten Dreiwege-Katalysa­ tors 1 angeordnet und daher einer Abgasatmosphäre ohne größere Anteile von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid ausgesetzt ist, zu deren Umsetzung an den Sondenkontakten eine Edelmetall­ beschichtung ansonsten dient. Alternativ zur binären Sonde kann eine als Breitband-Sonde ausgebildete Lambda-Sonde eingesetzt werden.

Die Motorsteuerung 6 enthält eine modellbasierte Vorsteuerung, um das in der Brennkraftmaschine verbrannte Luft-Kraftstoff- Gemisch und insbesondere die einzuspritzende Kraftstoffmasse entsprechend einem abgelegten Modell für den Luft- und Kraft­ stoffpfad in der Brennkraftmaschine einzustellen. Mittels dieser Vorsteuerung wird die Luftzahl λ des in der Brennkraftmaschine verbrannten Luft-Kraftstoff-Gemisches auf einem Wert in der Nähe von λ = 1 gehalten. Das Signal der Lambda-Sonde 7 dient als Feinre­ gelgröße für die Motorsteuerung 6, d. h. zum Ausgleichen von Ab­ weichungen infolge Ungenauigkeiten der modellbasierten Vorsteue­ rung. Zusätzlich kann das Signal der Lambda-Sonde 7 zur Adaption des der Vorsteuerung zugrundeliegenden Modells verwendet werden. Aufgrund einer solchen fortlaufenden Modellanpassung kann die Vorsteuerung optimiert werden.

Wird eine Abweichung vom stöchiometrischen Wert λ = 1 mittels der Lambda-Sonde 7 nach dem ersten Dreiwege-Katalysator 1 erfaßt, beispielsweise in Richtung fett, d. h. λ < 1, so bewirkt die Motor­ steuerung ein Abmagern des in der Brennkraftmaschine verbrannten Luft-Kraftstoff-Gemisches. Während der Totzeit des Regeleingrif­ fes oxidiert der zweite Dreiwege-Katalysator das ihm zugeführte, noch fette Abgasgemisch mit Hilfe des in ihm eingelagerten Sau­ erstoffs in einem vorderen Bereich, so daß sich in einem hinte­ ren Bereich desselben der stöchiometrische Wert λ = 1 einstellt, bei dem er seine übrigen Abgasreinigungsfunktionen sehr effektiv auszuführen vermag, um Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide in Kohlendioxid, Wasser und Stickstoff umzusetzen. Liegt umgekehrt eine zu magere Zusammensetzung des Abgases am Ausgang des ersten Dreiwege-Katalysators 1 vor, d. h. λ < 1, so wird während der Totzeit des nun anfettenden Regeleingriffs beim Durchtritt des Abgases durch den zweiten Dreiwege-Katalysator 2 in diesen temporär Sauerstoff eingelagert. Wiederum liegt dann mindestens im hinteren Bereich des zweiten Katalysators 2 die optimale stöchiometrische Abgaszusammensetzung vor. Aufgrund ih­ res Sauerstoffspeichervermögens wirken die Dreiwege-Katalysato­ ren 1 und 2 folglich als Puffer, welche die Abweichungen von λ = 1 für das durch sie hindurchgeleitete Abgas ausgleichen. Somit gibt die Abgasreinigungsanlage stets bei λ = 1 von den Dreiwege- Katalysatoren 1, 2 optimal gereinigtes Abgas an die Umwelt ab. Die Totzeit der Regelstrecke für die Feinregelung wird dabei durch das Sauerstoffspeichervermögen insbesondere des zweiten Dreiwege-Katalysators kompensiert.

Weil die beiden Dreiwege-Katalysatoren 1 und 2 weitgehend glei­ ches Alterungsverhalten haben, kann allein durch Überwachen des ersten Dreiwege-Katalysators 1 auf eine einwandfreie Funktions­ weise der gesamten Abgasreinigungsanlage geschlossen werden. Ei­ ne direkte Überwachung des Dreiwege-Katalysators 2 ist nicht er­ forderlich. Aufgrund seiner motorzugewandten Positionierung ist der erste Dreiwege-Katalysator 1 etwa durch Fehlzündungen des Motors ohnehin eher stärker belastet bzw. ausfallgefährdet als der zweite Dreiwege-Katalysator 2.

Mit der erfindungsgemäßen Positionierung der Lambda-Sonde 7 zwi­ schen den zwei seriell geschalteten Dreiwege-Katalysatoren 1, 2 kann eine direkte On-Bord-Diagnose des ersten Dreiwege-Katalysa­ tors 1 in einfacher Weise dadurch erfolgen, daß von der Motorre­ gelung 6 das Luftverhältnis des im Motor 5 verbrannten Gemischs definiert geändert wird, z. B. sprunghaft von fett nach mager oder umgekehrt. Der Zeitverzug, mit dem diese Luftverhältnisän­ derung von der stromabwärts des ersten Dreiwege-Katalysators 1 positionierten Lambda-Sonde 7 erfaßt wird, ist direkt abhängig von dessen aktuellem Sauerstoffspeichervermögen, das ein indi­ rektes Maß für die aktuelle Wirksamkeit des Katalysators 1 ist.

Ferner ist es auch möglich, eine On-Board-Diagnose des ersten Dreiwege-Katalysators 1 dergestalt durchzuführen, daß mittels der Motorsteuerung 6 definierte Oszillationen der Gemischzusam­ mensetzung erzeugt werden und die Amplitude des Signals der Lambda-Sonde 7 ausgewertet wird. Je höher die Wirksamkeit und damit das Sauerstoffspeichervermögen des ersten Dreiwege-Kata­ lysators 1 aktuell ist, um so mehr wird die Signalamplitude der Lambda-Sonde 7 durch die Pufferfunktion des ersten Dreiwege-Ka­ talysators 1 geglättet, d. h. um so weniger schlagen die für das zu verbrennende Gemisch eingestellten Luftverhältnisoszillatio­ nen auf die Signalamplitude der Lambda-Sonde 7 durch. Indem er­ faßt wird, in welchem Muß die Signalamplitude der Lambda-Sonde 7 den eingestellten Gemisch-Lamdawertoszillationen folgt, kann so­ mit auf die momentane Wirksamkeit des ersten Dreiwege-Katalysa­ tors 1 geschlossen werden.

Claims (5)

1. Abgasreinigungsanlage für eine Verbrennungseinrichtung, insbesondere eine Brennkraftmaschine, mit

• - Abgasreinigungsmitteln im Abgastrakt der Verbrennungseinrich­ tung und
• - Verbrennungsregelungsmitteln zur Einstellung der Zusammenset­ zung eines in der Verbrennungseinrichtung verbrannten Luft- Kraftstoff-Gemisches in Abhängigkeit vom Ausgangssignal einer oder mehrerer im Abgastrakt angeordneter Lambda-Sonden,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Abgasreinigungsmittel zwei seriell hintereinandergeschal­ tete Dreiwege-Katalysatoren (1, 2) beinhalten und
• - die in Abgasströmungsrichtung erste Lambda-Sonde (7) zwischen den beiden Dreiwege-Katalysatoren (1, 2) angeordnet ist.

2. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lambda-Sonde (7) von einer Bauart ohne Edelmetallbeschich­ tung ist.

3. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der stromabwärtige Dreiwege-Katalysator (2) ein mindestens eben­ so hohes Sauerstoffspeichervermögen aufweist wie der stromauf­ wärtige Dreiwege-Katalysator (1).

4. Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungseinstellmittel (6) eine modellbasierte Steuerung zur Vorsteuerung der Zusammensetzung des in der Verbrennungsein­ richtung (5) verbrannten Luft-Kraftstoff-Gemisches entsprechend einem abgelegten, durch das Signal der Lambda-Sonde (7) anpass­ baren Modell für den Luft- und Kraftstoffpfad umfassen.

5. Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den beiden Dreiwege-Katalysatoren (1, 2) angeordne­ te Lambda-Sonde (7) die einzige Lambda-Sonde der Abgasreini­ gungsanlage ist.