DE2204292B2

DE2204292B2 - Verfahren und vorrichtung zur verminderung von schaedlichen anteilen der abgasemission von brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2204292B2
Application number: DE19722204292
Authority: DE
Inventors: Dieter 7141 Hochberg; Remmele Walter 7000 Stuttgart; Rosenzopf Günter 7140 Ludwigsburg Eichler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1972-01-29
Filing date: 1972-01-29
Publication date: 1978-02-02
Also published as: NL7301151A; DE2204292A1; FR2169407B1; GB1423733A; IT990517B; AT322294B; JPS5024624A; SE388666B; JPS5543107B2; FR2169407A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung von schädlichen Anteilen der Abgasemission während der Warmlaufphase von Brennkraftmaschinen und der entsprechenden Anwärmphase des zu der Brennkraftmaschine gehörenden, wenigstens einen katalytischen Reaktor aufweisenden Auspuffsystems.

Bei einer Abgasentgiftungsanlage, deren optimaler Arbeitspunkt bei einem stöchiometrischen Gemisch (/ = 1) liegt und deren λ-Wert über eine Regel-

einrichtung exakt auf dem genannten Wert gehalten wird, sind die Bedingungen für einen Abbau der Motoremissionen mittels Katalysatoren nur dann erfüllt, wenn diese Katalysatoren ihre Betriebstemperatur erreicht haben.

Beim Betrieb der Brennkraftmaschine unterhalb der Betriebstemperatur des entsprechenden Katalysators, also während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine und der entsprechenden Anwärmphase des Auspuffsystenis, ist es nachteilig, wenn das Kraftstoff-Luft-Gemisch auf λ = 1 eingeregelt wird, da dann sehr hohe Emissionen an Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxyd und insbesondere an Stickoxyden auftreten, die im Katalysatorsystem nicht reduziert bzw. oxydiert werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem auch während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine und der entsprechenden Anwärmphase des der Brennkraftmaschine zugeordneten Auspuffsystems eine Reduzierung der schädlichen Anteile des Abgases möglich ist.

Diese Ajfgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine und der entsprechenden Anwärmphase des Auspuffsystems der Brennkraftmaschine ein relativ mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch zugeführt wird und daß die Kaltstartanreicherung des zugeführten Kraftstoffes nach Beendigung des Anlaßvorganges der Brennkraftmaschine in an sich bekannter Weise zunächst zeitabhängig und dann in Abhängigkeit von der Temperatur der Brennkraftmaschine reduziert wird und daß bei Erreichen der Betriebstemperatur des katalytischen Reaktors im Auspuffsystem der Brennkraftmaschine eine Regeleinrichtung zur Regelung der Luftzahl λ des Kraftstoff-Luft-Gemisches eingeschaltet

hs wird.

Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens zu schaffen, die preisgünstig sein soll und

zuverlässig arbeitet.

Diese Aufgabe wird in weiterer Ausbildung des Erfindungsgedankens des Hauptanspruches dadurch gelöst, daß eine Steuerung zur zeitabhängigen Abregelung der Kaltstartmehrmenge und eine Steuerung zur temperaturabhängigen Abregelung der Kaltstartanreicherung vorgesehen sind und daß ein temperaturabhängiger, wenigstens eine Schaltschwelle aufweisender Schalter zur Einschaltung der Α-Regelung bei Erreichen einer bestimmten Temperatur des Auspuffsystems, insbesondere des katalytischen Reaktors des Auspuffsystems, vorgesehen ist. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den Unteransprüchen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfiihrungsbeispielen und aus den zugehörigen Zeichnungen. Es zeigt

F i g. 1 ein Diagramm, in dem die Anteile der Abgasemission über der Luftzahl λ aufgetragen sind,

F i g. 2 das gleiche Diagramm bei Verwendung eines Katalysators im Auspuffsystem einer Brennkraftmaschine,

F i g. 3 ein Diagramm, in dem die Luftzahl λ über der Zeit taufgetragen ist,

F i g. 4 einen Temperaturschalter und

F i g. 5 ein anderes Ausführungsbeispiel eines Temperaturschalters.

In Fig. 1 ist die Zusammensetzung der Abgase der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der Luftzahl λ angegeben. Die Kurven 10, Il und 12 geben in dieser Reihenfolge den Gehalt der Abgase an Stickoxyden, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxyd wieder. Aus dieser F i g. 1 ist zu erkennen, daß es keine Luftzahl λ gibt, bei der alle drei schädlichen Komponenten der Abgase gleichzeitig einen Minimalwert annehmen. Es besteht jedoch die Möglichkeit, das Kraftstoff-Luft-Gemisch auf eine Luftzahl λ einzuregeln, die sehr nahe bei 1,0 liegt, weil bei dieser Luftzahl sowohl der Kohlenmonoxydgehalt als auch der Gehalt an unverbrannten Kohlenwasserstoffen ziemlich herab- <to gesetzt ist. Gleichzeitig tritt jedoch ein Maximum der Stickoxydemission auf, so daß es erforderlich ist, an das Auspuffrohr der Brennkraftmaschine einen katalytischen Reaktor zur Umsetzung der Stickoxyde anzuschließen.

F i g. 2 zeigt die Zusammensetzung der Motorabgase in Abhängigkeit von der Luftzahl λ, wobei die Kurven die Anteile der schädlichen Teile des Abgases bei einem betriebswarmen Katalysator im Auspuffsystem der Brennkraftmaschine wiedergeben. Die Kurve 13 zeigt den Anteil der Stickoxyde, die Kurve 14 den Anteil der Kohlenwasserstoffe und die Kurve 15 den Anteil des Kohlenmonoxyds. Aus dieser Figur ist zu erkennen, daß bei einer Luftzahl λ ungefähr gleich 1 die Kurven 13,14, 15 ein Minimum aufweisen.

Da aber beim Betrieb der Brennkraftmaschine unterhalb der Betriebstemperatur, also in der Anwärmphase des Katalysators, hohe Stickoxydemissionen auftreten, ist es zweckmäßig, wenn in dieser Warmlaufphase der Brennkraftmaschine und der entsprechenden t>o Anwärmphase des Auspuffsystems mit einem magereren Gemisch gefahren als dies üblicherweise der Fall ist. Erst nach Erreichen der Betriebstemperatur des katalytischen Reaktors wird dann auf eine A-Regelung umgeschaltet. In F i g. 3 ist über der Zeit / die Luftzahl λ ιν> aufgetragen. Die mit unterbrochenen Linien angedeutete Kurve 16 zeigt den Verlauf der Luftzahl über der Zeit t, wobei diese Zeit < in verschiedenen Phasen unterteilt ist. Die Phase 17 bedeutet die sogenannte Kaltphase. In dieser Phase, die die ersten 20 bis 30 see nach dem Anlassen der Brennkraftmaschine ausmacht, kommt es zu einer an sich bekannten zeitabhängig gesteuerten Anreicherung des Kraftstoff-Lufi-Gemisches. Die Phase 18 wird als sogenannte Anwärmphase bezeichnet, in der als Führungsgröße für den Anreicherungsfaktor des Kraftstoff-Luft-Gemisches die Motortemperatur oder Kühlwassertemperatur oder Zyliriderkopftemperatur verwendet werden kann. Der Anreicherungsfaktor des Kraftstoff-Luft-Gemischs wird mit steigender Temperatur kontinuierlich abgeregelt und erreicht bei einer festgelegten Temperatur einen bestimmten Wert. Auf diesem Wert wird die Kraftstoffanreicherung zunächst konstant bleiben, wobei die Phase 19 als betriebswarme Phase der Brennkraftmaschine betrachtet werden kann. In der Phase 20 ist dann das Auspuffsystem der Brennkraftmaschine so weit angewärmt, daß der in dem Auspuffsystem der Brennkraftmaschine angeordnete katalytische Reaktor seine Betriebstemperatur erreicht hat. Wie aus dem Kurvenzug bei 21 hervorgeht, wird nun die normalerweise erfolgende Kaltstartanreicherung, die durch die Kurve 16 wiedergegeben wird, herabgesetzt, so daß der Brennkraftmaschine ein magereres Gemisch zugeführt wird. Bei Erreichen der Phase 20, d. h. bei Erreichen der Betriebstemperatur des katalytischen Reaktors im Auspuffsystem der Brennkraftmaschine, wird durch einen Temperaturfühler mit einer sich an diesen Temperaturfühler anschließenden Schalteinrichtung ein Schaltsignal abgegeben, das eine Einrichtung zur Regelung der Luftzahl λ einschaltet, wobei diese Einrichtung die Luftzahl λ auf etwa λ = 1 einregelt, so daß eine Zusammensetzung des Abgases eintritt, die in F i g. 2 dargestellt ist.

Die Abregelung der Kaltstartmehrmenge nach dem Start erfolgt in an sich bekannter Weise mit einem elektronischen Steuergerät, das zur elektronischen Steuerung einer Einspritzanlage für Brennkraftmaschinen dient. Eine derartige Steuereinrichtung ist beispielsweise in der DT-OS 16 01 367 beschrieben.

Erst wenn der katalytische Reaktor im Auspuffsystem der Brennkraftmaschine seine Betriebstemperatur erreicht hat, wird eine Einrichtung zur Regelung der Luftzahl λ eingeschaltet. Dazu dient ein Temperaturschalter, der in F i g. 4 dargestellt ist. Dieser Temperaturschalter weist einen Schwellwertschalter auf, der als Operationsverstärker 22 ausgebildet ist, zwischen dessen Ausgang und einem ersten Eingang ein Rückkopplungswiderstand 23 vorgesehen ist. Durch diesen Rückkopplungswiderstand 23 verhält sich der Operationsverstärker 22 wie ein Schmitt-Trigger und wird deshalb bei Erreichen einer bestimmten Schaltschwelle umschalten. Die Schaltschwelle wird dann erreicht, wenn ein NTC-Widerstand 24, der zwischen eine Eingangsklemme 25 und eine mit einem gemeinsamen Bezugspotential verbundene Klemme 26 geschaltet ist und der beispielsweise im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine oder im Auspuffsystem der Brennkraftmaschine angeordnet sein kann, einen bestimmten Wert annimmt. Dadurch entsteht an dem Verbindungspunkt zweier Widerstände 27 und 28 eine bestimmte Spannung. Diese Spannung wird über eine hochohmige Eingingsstufe mit einem Transistor 29, die als Kollektorschaltung zur Impedanzwandlung dient, auf einen zweiten Eingang des Operationsverstärkers 22 gegeben. Bei einer eingestellten Temperaturschwelle wird der Operationsverstärker durchgeschaltet, und über eine Verstärkerstufe mit einem Transistor 10 kann

ein Relais 31 zum Abfall bzw. Anzug gebracht werden. Mit diesem Relais 31 wird dann die an sich bekannte Einrichtung zur Regelung der Luftzahl Λ in Betrieb genommen. Weiterhin können auch andere elektronische oder elektromechanische Baugruppen in Funktion gesetzt werden. Bei Temperaturrückgang und damit bei Änderung der Spannung über dem NTC-Widerstand 24 wird das Relais erst nach Durchlaufen einer einstellbaren Hysterese wieder in seine ursprüngliche Schaltlage zurückgehen, wodurch die Α-Regelung abgeschaltet wird. Die Schaltschwelle des Schmitt-Triggers 22 und die Hysterese lassen sich in bekannter Weise durch eine entsprechende Eingangs- und Rückkopplungsbeschaltung des Operationsverstärkers einstellen.

Ein zweites Ausführungsbeispiel für einen Temperaturschalter ist in F i g. 5 dargestellt. Das Ausführungsbeispiel nach Fig.5 weist einen als Schmitt-Trigger geschalteten ersten Operationsverstärker 32 und einen als Verstärker geschalteten zweiten Operationsverstärker 33 auf. An den ersten Eingang des zweiten Operationsverstärkers 33 ist eine konstante Spannung, die mit Hilfe eines Spannungsteilers aus Widerständen 34 und 35 erzeugt wird, angelegt. An den zweiten Eingang des zweiten Operationsverstärkers 33 ist über einen Feldeffekttransistor 36, der als hochohmige Eingangsstufe der Impedanzwandlung dient, ein temperaturabhängiges Bauelement, beispielsweise ein Thermoelement 37, angeschlossen. Gibt das Thermoelement bei Erwärmung eine bestimmte Spannung ab, so wird diese Spannung an den zweiten Eingang des zweiter Operationsverstärkers 33 angelegt und dort verstärk! Das verstärkte Ausgangssignal des zweiten Operations Verstärkers ist an einen ersten Eingang des erster 5 Operationsverstärkers 32 angelegt. Dieser Operations verstärker 32 arbeitet infolge eines Rückkopplungs Widerstandes 38 zwischen dem Verstärkerausgang unc seinem zweiten Eingang als Schmitt-Trigger. An der zweiten Eingang des Operationsverstärkers 32 is

ίο weiterhin eine feste Vergleichsspannung angelegt, die mit Hilfe eines Spannungsteilers aus Widerständen 3? und 40 erzeugt wird. Erreicht das Eingangssignal an ersten Eingang des Operationsverstärkers 32 einer bestimmten Wert, dann wird der als Schmitt-Triggei geschaltete Operationsverstärker ein Signal abgeben das einen mit dem Ausgang des Operationsverstärker: 32 verbundenen Verstärkertransistor 41 in seiner leitenden Zustand steuert. Dadurch wird die Arbeits wicklung eines Relais 42 erregt, so daß mit Hilfe diese; Relais Schaltfunktionen ausgeführt werden können. Mi Hilfe des Relais 42 kann so die ^-Regeleinrichtung be Erreichen der Betriebstemperatur des katalytischer Reaktors im Auspuffsystem der Brennkraftmaschinf eingeschaltet werden.

Zur Erhöhung der Genauigkeit der Arbeitsweise sine bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel an siel bekannte Mittel 43 zur Spannungsstabilisierung dei Schaltanordnung vorgesehen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verminderung von schädlichen Anteilen der Abgasemission während der Warmlaufphase von Brennkraftmaschinen und der entsprechenden Anwärmphase des zu der Brennkraftmaschine gehörenden, wenigstens einen katalyti scher» Reaktor aufweisenden Auspuffsystems, d a durch gekennzeichnet, daß während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine und der entsprechenden Anwärmphase des Auspuffsystems der Brennkraftmaschine ein relativ mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch zugeführt wird und daß die Kaltstarianreicherung des zugeführten Kraftstoffes nach Beendigung des Anlaßvorganges der Brennkraftmaschine in an sich bekannter Weise zunächst zeitabhängig und dann in Abhängigkeit von der Temperatur der Brennkraftmaschine reduziert wird und daß bei Erreichen der Betriebstemperatur des katalytischen Reaktors im Auspuffsystem der Brennkraftmaschine eine Regeleinrichtung zur Regelung der Luftzahl λ des Kraftstoff-Luft-Gemisches eingeschaltet wird.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung zur zeitabhängigen Abregelung der Kaltstartmehrmenge und eine Steuerung zur temperaturabhängigen Abregelung der Kaltstartanreicherung vorgesehen sind und daß ein temperaturabhängiger, wenigstens eine Schaltschwelle aufweisender Schalter zur Einschaltung der λ-Regelung bei Erreichen einer bestimmten Temperatur des Auspuffsystems, insbesondere des katalytischen Reaktors des Auspuffsystems, vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungen zur zeitabhängigen und temperaturabhängigen Abregelung der KaItstartmehrmenge Bestandteil des an sich bekannten elektronischen Steuergerätes einer Benzin-Einspritzeinrichtung sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturschalter zur Einschaltung der Α-Regeleinrichtung einen Schwellwertschalter, insbesondere einen als Schmitt-Trigger arbeitenden Operationsverstärker (22 bzw. 32), aufweist, der über einen Impedanzwandler (29 bzw. 36) von einem temperaturabhängigen Bauelement (24 bzw. 37) ansteuerbar ist und der über eine Verstärkerstufe (30 bzw. 41) ein Schaltsignal zur Einschaltung der λ-Regelung abgibt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturabhängige Bauelement ein sog. NTC-Widerstand (24) ist, der im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angeordnet ist und ein der Temperatur im Auspuffsystem der Brennkraftmaschine etwa proportionales elektrisches Signal liefert.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturabhängige Bauelement ein Thermoelement (37) ist, das im bzw. in der Nähe des katalytischen Reaktors angeordnet ist und ein der Temperatur des katalytischen Reaktors etwa proportionales elektrisches Signal liefert.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2, 3, 5,6, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturschalter wenigstens einen Schwellwertschalter, insbesondere einen als Schmitt-Trigger geschalteten ersten Operationsverstärker (32), aufweist, der über einen

zweiten Operationsverstärker (33) ansteuerbar ist, wobei ein erster Eingang des zweiten Operationsverstärkers (33) über eine hochohmige Eingangsstufe (36) mit dem temperaturabhängigen Bauelement (37) verbunden ist und an einem zweiten Eingang eine Vergleichsspannung angelegt ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des Schwellwertschalters ein Verstärker (30 bzw. 41) angeschlossen ist, der ein Schaltsignal zur Betätigung der λ-Regelung abgibt.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgang des Operationsverstärkers (22 bzw. 32) weitere als Schwellwertschalter dienende Operationsverstärker zur Abgabe von Schaltsignalen verbunden sind.