DE2223585A1

DE2223585A1 - Anordnung zum steuern der abgaszusammensetzung von verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE2223585A1
Application number: DE19722223585
Authority: DE
Inventors: Guenther Dipl-Phys Dr Heimke
Original assignee: Friedrichsfeld GmbH Steinzeug und Kunststoffwerke
Current assignee: Friatec AG
Priority date: 1972-05-15
Filing date: 1972-05-15
Publication date: 1974-01-10

Description

DEUTSCHE STEIKZEUG- UND KUNSTSTOFFWARENFABRIK 6 8OC MANNHEIM - FRIEDRICHSFELD

ANORDNUNG ZUM STEUERN DER ABGASZUSAMMENSETZUNG VON VERBRENNUNGSMOTOREN

Die Erfindung betrifft Anordnungen zum Steuern der Abgaszusammensetzung von Verbrennungsmotoren. Diese Anordnungen bestehen im wesentlichen aus jeweils einem Sensor, der mittels festkörperelektrolytischer Sonden den Sauerstoffpartialdruck im Abgas bestimmt, einem elektronischen Gerät, das eine dem Sauerstoffpartialdruck zuzuordnende elektrische Spannung mit einem Sollwert vergleicht und daraus eine Regelspannung ableitet, mit deren Hilfe die Gemischzusammensetzung, die dem Motor zugeführt wird, geregelt wird, Die Erfindung betrifft ferner einige zusätzliche Maßnahmen, die für die Realisierung des Erfindungsgedankens besonders vorteilhaft sind.

Für die Steuerung der Abgaszusammensetzung von Verbrennungsmotoren werden bisher im wesentlichen * zwei Wege beschritten :
einmal wird versucht, durch die Steuerung

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des Gemisches, das dem Motor zugeführt wird, eine möglichst vollständige Verbrennung zu erreichen und damit den Bestandteil an uuverbrannten oder unvollständig verbrannten Kraftstoffresten im Abgas klein zu halten. Eine derartige Steuerung des dem Motor zugeführten Brennstoffluftgemisches wird auch bereits in Abhängigkeit von der Drehzahl und von anderen, den Belastungszustand des Motors charakterisierenden Größen durchgeführt. Zum anderen ist bekannt, die Abgaszusammensetzungen von Verbrennungsmotoren durch eine Nachverbrennung zu beeinflussen. Für diese Art; der Abgaszusammensetzungsänderung sind bereits viele Anordnungen und Katalysatoren beschrieben worden.

Der Nachteil der Abgaszusammensetzungsbeeinflussung durch Einstellung des zu verbrennenden Gemisches besteht darin, daß Änderungen in den Verbrennungsverhältnissen im Motor schlecht berücksichtigt werden können. Die katalytische Nachverbrennung hat mit sehr vielen Schwierigkeiten zu kämpfen, insbesondere mit Fragen der Vergiftung der Katylysatoren durch gewisse Beimengungen in den Kraftstoffen. Außerdem sind die meisten Katalysatoren erst bei höherer Temperatur voll wirksam, so daß gerade im Anfahrbereich und nach dem Kaltstart ihre Wirksamkeit herabgesetzt ist, bei Betriebszuständen also, bei denen gerade besondere Abweichungen vom vollständigen Verbrennungsverhalten der Motoren auftreten.

Erfindungsgemäß werden diese Nachteile vermieden, wenn man die Abgaszusammensetzung zum Steuern des dem Motor zugeführten Brennstoffluftgemisches benutzt. Dies kann erfindungsgemäß dadurch erreicht

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werden, daß man in die Abgasleitung einen festkörperelektrolytischen Sensor einfügt, der eine dem Sauerstoff partialdruck im Abgas entsprechende elektrische Spannung liefert.

Derartige Sensoren sind an sich bekannt und bestehen im allgemeinen aus einer festkörperelektrolytischen Sonde, die meist aus stabilisiertem Zirkondioxid besteht. Sie ist meist rohrförmig ausgeführt und trägt an ihrer Außen- und an ihrer Innenseite Elektroden, z.B. aus in die Keramikoberfläche eingebranntem Platin. Befindet sich an der Außenseite dieses Rohres Luft, und wird dieses Rohr innen von einem Gas durchströmt, das einen Sauerstoffpartialdruck aufweist, der von dem der Luft abweicht, so kann zwischen den Elektroden an der Innen- und an der Außenseite eine elektrische Spännung gemessen werden, für die die Nernst-Gleichung gilt : U = (RT/4 F) In (P^/P*^ )

mit U, der elektrischen Spannung, R, der Gaskonstanten, T, der absoluten Temperatur, F, der Faradaykonstanten, ρ /p^^ den Sauerstoffpartialdrücken im Inneren des Rohres und im Außenraum bzw. an Luft. Durch Einbau eines Thermoelementes in die festkörperelektrolytische Sonde läßt sich die Temperatur T messen und mit elektronischen Hilfsmitteln in einer Recheneinheit der Quotient aus der elektrischen Spannung U und der Temperatur bilden. Damit kann der Sauerstoffpartialdruck des Gases, das im Innern der rohrförmigen Sonde vorhanden ist, eindeutig bestimmt werden.

Die Mindesttemperatur, die festkörperelektrolytische Sonden auf der Basis von stabilisiertem Zirkondioxid benötigen, um reproduzierbar die gewünschten elektrischen Spannungen zu erzeugen, liegt bei etwa 300 C. Da die Festigkeit

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der Zirkondioxidkeramik mit steigender Temperatur nachläßt und insbesondere bei Annäherung an etwa 1000 C geringer wird, steht also für die festkörperelektrolytische Messung im Abgas der Temperaturbereich von 300 bis 900 C zur Verfugung, Im allgemeinen wird man einen Temperaturbereich von 400 bis 700 C wählen, wobei die genaue Temperatureinstellung von der Art der Stabilisierung des Zirkondioxids stark beeinflußt wird. Erfindungsgemäß muß die festkörperelektrolytische Sonde beheizt werden durch eine elektrische Stromquelle, die z.B. aus der Autobatterie gespeist wird. Für diese Heizvorrichtung kann eine elektronische Regelung, z.B. gemäß unserer Anmeldung Nr. P 2160 074.8 vorgesehen werden,die die Temperatur der Sonde auf einen vorgewählten Wert einregelt und konstant hält. Um auch beim Kaltstart sogleich die richtige und volle Wirksamkeit der Steuerung der Abgaszusammensetzung zu gewährleisten, ist erfindungsgemäß vorgesehen, die festkörperelektrolytische Sonde vor dem Einschalten des Motors auf die Betriebstemperatur aufzuheizen, d.h. auf 300 bis 900°C, vorzugsweise auf 400 bis 700°C. Durch eine Hilfseinrichtung läßt sich auch erreichen, daß das Anlassen des Motors erst und nur ermöglicht wird, wenn sich der festkörperelektrolytische Sensor auf seiner Betriebstemperatur befindet.

Über die Wirkungsweise des festkörperelektrolytischen Sensors und die damit gegebenen Steuerungsmöglichkeiten sei noch folgendes erwähnt : wählt man als Betriebstemperatur des festkörperelektrolytischen Bauelementes einen Wert in der Größenordnung von 700 C, entsprechend etwa 1000 K, so kann man der oben wiedergegebenen NeriEt-Gleichung nach Umschreibung auf Zehner-Logarithmen entnehmen,

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daß für jede Änderung des Sauerstoffpartialdruckes um eine Größenordnung etwa 50 mV Spannungsänderung zu erwarten sind. Bei dieser Temperatur der Sonde und des ihr benachbarten Gasraumes reagieren eventuell im Abgas vorhandene reduzierende Bestandteile jedoch weitgehend mit dem anwesenden Sauerstoff. Sind diese reduzierenden Bestandteile noch im Überschuß vorhanden, so wird aller anwesender Saue rstoff soweit verbraucht werden, wie es dem thermodynamischen Reaktionsgleichgewicht zwischen dem anwesenden Sauerstoff und den jeweiligen reduzierenden Bestandteilen entspricht. Für die hauptsächlich vorkommenden reduzierenden Bestandteile, nämlich das CO und Wasserstoff bzw. in Wasserstoff aufspaltende Kohlenwasserstoffe liegt der Sauerstoffpartialdruck im Gleichgewichtszustand bei der Temperatur von etwa 700 C in der Größen-

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Ordnung von 10 bis 10 atm. Sobald in dem Abgas ein geringer SauerstoffÜberschuß vorhanden ist, wird der oben genannte Gleichgewichtssauerstoffpartialdruck nicht mehr erreicht, sondern der jeweils vorhandene SauerstoffÜberschuß direkt gemessen. Liegt der entsprechende Sauerstoffpartialdruck, was normalerweise der Fall ist, dann in der Größenordnung von etwa 0,1 bis 0,01 atm., so beträgt der Unterschied im Sauerstof fpartialdruck gegenüber dem vorstehend genannten Zustand des Überwiegens der reduzierenden Bestandteile etwa 20 Größenordnungen des Sauerstoffpartialdruckes. Da, wie oben erwähnt, je Größenordnung der Änderung des Sauerstoffpartialdruckes eine Spannung von 50 mV zur Verfügung steht, steht also beim Umschlag der Abgaszusammensetzung vom reduzierenden zum oxidierenden Zustand eine Spannungsänderung von etwa 1 V zur Verfügung,

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Die vom festkörperelektrolytischen Sensor gelieferte Spannung, die dem Sauerstpffpartialdruck im Abgas entspricht, wird erfindungsgemäß einem elektrischen bzw. elektronischen Gerät zugeführt. Dieses elektronische Gerät kann auch die zur Einstellung der Temperatur des festkörperelektrolytischen Sensors benötigte elektrische Schaltung enthalten. Außerdem kann diesem elektrischen bzw. elektronischen Gerät eine der Temperatur des festkörperelektrd-ytischen Sensors entsprechende elektrische Spannung, z.B. die Spannung eines Thermoelementes,zugeführt werden. Aus diesen elektrischen Meßgrößen wird erfindungsgemäß in dem elektrischen bzw, elektronischen Gerät eine elektrische Spannung erzeugt, die für die Steuerung der Gemischzufuhr zum Motor zur Verfügung steht. Diese Spannung kann auch mit an sich bekannten elektronischen Methoden mit einer Sollspannung verglichen werden. Diese Sollspannung kann entsprechend der jeweils gewünschten Abgaszusammensetzung eingestellt oder gegebenenfalls geregelt werden.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird der festkörperelektrolytische Sensor in der Abgasleitung des Motors angebracht. Zur Erhöhung der Regelgeschwindigkeit und der Regelempfindlichkeit wird er möglischst dicht hinter dem Motor anzubringen sein. Eine entsprechende Anordnung zeigt die Figur 1,Darin bedeutet 1 die Einrichtung zur Herstellung des dem Motor zuzuführenden Luftbrennstoffgemisches, z.B. den Vergaser. 2 bedeutet die Brennstoffzufuhr, z.B. die Benzinzuleitung, 3 bedeutet die Luftzufuhr mit

dem Luftfilter. 4 stellt den Verbrennungsmotor

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dar, 5 seine Abgasleitung, in die der festkörperelektrolytische Sensor 6 eingebaut ist. Die von ihm kommenden elektrischen Signale werden dem elektrischen Gerät bzw. dem elektronischen Gerät 7 zugeleitet, von wo aus die Steuerspannung dem Bauelement zugeführt wird, wo sie für die Einstellung der Gemischzusammensetzung verwendet wird.

Um den festkörperelektrolytischen Sensor (z.B. 6 in Figur 1) vor den Erschütterungen durch den Motor ( 4 in Figur 1) zu schützen, kann erfindungsgemäß zusätzlich ein mechanisches Dämpfungselement zwischen dem festkörperelektrolytischen Sensor und dem Motor angebracht werden. Die Anordnung eines solchen zusätzlichen Dämpfungselementes ist in Figur schematisch dargestellt : hieran bedeutet 1 wieder die Einrichtung zur Herstellung des Luftkraftstoffgemisches, 2 wieder die Kraftstoffzufuhr, 3 das Luftfilter mit Luftzufuhr. 4 stellt den Motor dar, 5 repräsentiert die Abgasleitung. Außerdem zeigt Figur 2 eine weitere Ausgestaltung der Erfindung durch Einfügen des Abzweiges 8 in die Abgasleitung und Anbringen des festkörperelektrolytischen Sensors 6 in den Nebenzweig der Abgasleitung. Außerdem ist hier zusätzlich das Bauelement 10 eingefügt, das als mechanisches Dämpfungsglied den Festkörperelektrolyt vor den Erschütterungen des Motors schützen soll.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist in Figur dargestellt : in die Abgasleitung 5 ist ein Bauelement eingefügt, das Blendenanordnungen enthält, die derart gesteuert sind, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in dem Seitenkanal, in dem der festkörperelektroly-

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tische Sensor 6 angeordnet ist, stets konstant gehalten wird.

Der Hauptvorteil" der erfindungsgemäßen Anordnung zum Steuern der Abgaszusammensetzung von Verbrennungsmotoren im Vergleich zu den eingangs genannten bekannten Verfahren besteht darin, daß es sich mit ihr erreichen läßt, daß das Abgas mit Sicherheit einen Sauerstoffüberschuß enthält und daß gleichzeitig dieser Sauerstoffüberschuß nur die Größe hat, die unbedingt notwendig ist, um das Auftreten schädlicher Bestandteile im Abgas zu vermeiden. Durch die große Änderung des elektrischen Signals beim Übergang von der reduzierenden zur oxidierenden Zusammensetzung des Abgases steht einmal für die Vermeidung des reduzierenden Zusammensetzungszustandes des Gases eine hinreichend große Steuerspannung zur Verfügung. Zum anderen läßt sich aber auch die Abgaszusammensetzung innerhalb des oxidierenden Bereiches so fein regeln, daß ein unnötig hoher SauerstoffÜberschuß vermieden werden kann. Ein unnötig hoher Sauerstoff Überschuß würde einen unnötig hohen Luftzusatz und damit Luftdurchsatz durch den Motor bedingen, wodurch die Motorleistung drastisch herabgesetzt werden würde. Da jedoch, wie oben erwähnt, nach der angeführten Nernst-Gleichung bei etwa 700 C als Sensortemperatur etwa 50 mV je Größenordnung Sauerstoffpartialdruck zur Verfügung stehen, und elektronische Regelanlagen, die auf weniger als 0,5 mV gut und betriebssicher reagieren, bekannt sind, läßt sich mit der erfindungsgemäßen Anordnung ein SauerstoffÜberschuß mit Sicherheit einstellen, der weniger als 0,01 atm. Sauerstoffpartialdruck entspricht. Die erfindungsgemäße Anordnung gestattet daher Verbrennungsmotor in der Abgaszusammensetzung so

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zu fahren, daß alle Abgasbestandteile in den höchsten Oxidationszustand gebracht werden, daß aber andererseits die Leistung des Motors nicht durch einen Sauerstoff Überschuß und damit Luftüberschuß beeinträchtigt wi r d.

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Claims

ANSPRÜCHE Anordnung zum Steuern der Abgaszusammensetzung von Verbrennungsmotoren, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Elemente

1) einem in die Abgasleitung eingefügten festkörperelektrolytischen Sensor, der eine dem Sauerstoffpartialdruck im Abgas entsprechende elektrische Spannung liefert,

2) einem elektrischen Gerät, das diese elektrische Spannung verarbeitet und ggf. mit einem Sollwert vergleicht und eine der Abweichung vom Sauerstoffpartialdruck für die günstigste Abgaszueanunensetzung entsprechende elektrische Steuerspannung liefert,

3) einem elektro-mechanischen Bauelement, das aufgrund der elektrischen Steuerspannung die Gemischzufuhr für den Motor regelt, so daß der der günstigsten Abgaszusammensetzung entsprechende Sauerstoffpartialdruck erreicht wird.

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2.) Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der festkörperelektrolytische Sensor beim Einschalten des Motors von einer elektrischen Heizvorrichtung auf 300 C bis 900 C, vorzugsweise 400° bis 700⁰C erwärmt wird.

3.) Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der festkörperelektrolytische Sensor vor dem Einschalten des Motors von einer elektrischen Heizvorrichtung auf 300 C bis 900 C, vorzugsweise 400° - 700°C erwärmt wird.

4.) Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hilfseinrichtung vorgesehen ist, die das Anlassen des Motors erst und nur ermöglicht, wenn sich der festkörperelektrolytische Sensor auf seiner Betriebstemperatur befindet,

5,) Anordnung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der festkörperelektrolytische Sensor in einem Abzweig von der Abgasleitung eingebaut ist,

6,) Anordnung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Motor und dem festkörperelektrolytischen Sensorn ein mechanisches Dämpfungselement eingebaut ist.

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7,) Anordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß in die Abgasleitung eine Vorrichtung eingebaut ist, mit deren Hilfe die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases durch den festkörperelektrolytischen Sensor unabhängig vom Belastungszustand des Motors konstant gehalten wird.

8.) Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert, mit dem die in dem elektrischen Gerät verarbeitete Spannung ggf. verglichen wird, entsprechend der gewünschten Abgaszusammensetzung eingestellt oder geregelt wird.

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