DE2802429C2

DE2802429C2 - Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2802429C2
Application number: DE2802429A
Authority: DE
Inventors: Tadashi Okazaki Hattori; Kenji Aichi Kondo; Junichiro Toyokawa Naito; Takamichi Gamagori Nakase
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1977-01-28
Filing date: 1978-01-20
Publication date: 1982-04-08
Also published as: DE2802429A1; US4216653A; JPS5393219A; JPS5924247B2

Description

erzielen, um hierdurch unter voller Ausnutzung der Sauerstoffspeichereigenschaft des Dreifach-Katalysators den Reinigungswirkungsgrad sowohl der N O_x- Reinigung als auch der CO- und HC-Reini^ang in einem breiteren Bereich von Luft/Brennstoff-Verhältniswerten als bisher zu steigern.

Diese Aufgabe wird mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Mitteln gelöst

Erfindungsgemäß wird die Zumessung der Zusatzluft somit in Abhängigkeit von sowohl dem Ausgangssignal des C>2-Melifühlers als auch einem betriebsparameterabhängig abgeleiteten Verzögerungszeitsignal derart geregelt, daß das gebildete Stellsignal für das Magnetventil bezüglich seiner Frequenz von der betriebsabhängigen, d.h. belas*ungs- und drehzahlabhängigen, Verzögerungszeit der Regelstrecke abhängt, während sein Tastverhältnis in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des O2-Meßfühlers allmählich erhöht oder verringert wird. Hierdurch wird verhindert, daß die jeweiligen Änderungsbeträge des Luft/Brennstoff-Verhältniswertes starke Abweichungen aufgrund von Belastungs- und Drehzahlschwankungen der Brennkraftmaschine erfahren, so daß das angestrebte Überschwingen unabhängig von den hierbei auftretenden betriebsabhängigen und damit unterschiedlichen Verzögerungszeiten der Regelstrecke innerhalb vorgegebener Werte gehalten werden kann. Somit läßt sich ein definiertes Überschwingen des Luft/Brennstoff-Verhältniswertes der Abgase abwechselnd im überstöchiometrischen und im unterstöchiometrischen Bereich hervorrufen und dadurch der Bereich vergrößern, in dem mit hohen Abgasreinigungsprozentsätzen gearbeitet werden kann. In einer Oxidationsatmosphäre bei überstöchiometrischem Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase wird nämlich in dem Dreifach-Katalysator dann Sauerstoff (O2) gespeichert und dadurch der Reinigungswirkungsgrad bei dem Schadstoff NOi erhöht, während in einer Reduktionsatmosphäre bei unterstöchiometrischem Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase der Reinigungswirkungsgrad bei den Schadstoffen CO und HC durch Herbeiführung einer Oxidationsreaktion zwischen dem gespeicherten Sauerstoff (O2) und den Anteilen CO und HC gesteigert wird.

In den Unteransprüchen sind verteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung nähe- beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 Reinigungskennlinien eines üblichen Dreifach-Katalysators,

F i g. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Abgasreinigungsanlage,

Fig.3 die Abhängigkeit der Verzögerungszeit der Regelstrecke von der Drehzahl der Brennkraftmaschine,

F i g. 4 ein Schaltbild der elektronischen Regeleinrichtung gemäß F i g. 2,

Fig.5 einen Signalplan zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der elektronischen Regeleinrichtung gemäß F i g. 4,

Fig.6 zeitabhängige Änderungen des Luft/Brennstoff-Verhältnisses der Abgase,

Fig.7 Reinigungskennlinien eines Dreifach-Katalysators im Rahmen der Abgasreinigungsanlage gemäß Fig.2,

Fig.8 und 9 Steuerkennlinien des Zusatzluft-Regelventils gemäß F i g. 2,

F i g. 10 eine schematische Darstellung des Hauptteils eines weiteren AusfünrungEbeispiels der Abgasreinigungsanlage und

F i g. 11 Steuerkennlinien gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Abgasreinigungsanlage.

Es wird zunächst auf F i g. 2 eingegangen, in der der allgemeine Aufbau eines Ausführungsbeispiels der Abgasreinigungsanlage dargestellt ist, wobei die mit der Bezugszahl 1 bezeichnete Brennkraftmaschine eine übliche Viertakt-Kolbenmaschine ist, der über eine Ansaugleitung 3 ein in einem Vergaser 2 gebildetes Luft/Brennstoff-Gemisch zugeführt wird. Die sich bei der Verbrennung dieses Luft/Brennstoff-Gemisches ergebenden Abgase werden in eine Auslaßleitung 4 und ein Abgasrohr 5 ausgestoßen, wonach sie in die Atmosphäre abgeleitet werden, nachdem Schadstoffe wie NO_x, CO und HC durch einen Dreifach-Katalysator, der ein sauerstoffspeicherndes Material wie zum Beispiel Ceroxyd (C₂O) enthält, beseitigt worden sind.

Der Vergaser 2 stellt eine übliche Ausführungsform mit einem Venturiabschnitt 7 und einer Drosselklappe 8 dar und ist derart eingestellt, daß er ein Ansauggemisch mit unterstöchiometrischem Luft/Brennstoff-Verhältnis bildet

Ein stromab des Dreifach-Katalysators 6 in dem Abgasrohr 5 angebrachter O₂-Meßfühler 10 gibt ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von dem zum Sauerstoffgehalt in enger Beziehung stehenden Luft/ Brennstoff-Verhältnis der Abgase ab, wozu ein Meßelement verwendet wird, das als Hauptbestandteil einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten wie etwa Zirkondioxyd (ZrO₂) oder ein Halbleiter-Metalloxyd wie etwa Titandioxyd (T1O2) aufweist. Wenn z. B. Zirkondioxyd Verwendung findet, gibt das Meßelement eine EMK im Bereich von 1000 bis 800 mV ab, wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase unterstöchiometrisch ist, während eine EMK von 200 bis 0 mV abgegeben wird, wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase überstöchiometrisch ist.

Ein Drehzahlmeßfühler 11 erzeugt ein elek'risches Signal in Abhängigkeit von der Kurbelwellendrehzahl der Brennkraftmaschine 1. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht der Drehzahlmeßfühler 11 aus dem Zündverteiler, der ein Impulssignal mit einer drehzahlproportionalen Impulsfolgefrequenz erzeugt. Zwischen der Drehzahl der Brennkraftmaschine und der Verzögerungszeit der Regelstrecke besteht eine Funktionsbeziehung, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, wobei der Drehzahlmeßfühler 11 den Meßfühler zur Ermittlung der Leistungswerte der Brennkraftmaschine 1 bildet.

Eine Zusatzluft-Zufuhreinrichtung 12 umfaßt eine Luftpumpe 13, Zuleitungsrohre 14 und 15, ein Zusatzluft-Regelventil 16, ein Rückschlagventil 17, eine Zusatzluft-Strahldüse 18, eine Saugunterdruck-Impulsleitung 19 und ein Magnetventil 20. Die Luftpumpe 13 ist eine Flügelradpumpe oder Membranpumpe und wird von der Brennkraftmaschine 1 über einen Keilriemen angetrieben. Von der Luftpumpe 13 wird die Zusatzluft unter Druck über einen Luftfilter, die Zuleitungsrohre 14 und 15, das Zusatzluft-Regelventil 16 und das Rückschlagventil 17 der Strahldüse 18 zugeführt, die die Zusatzluft in das Abgasrohr 5 einbläst.

Das Zusatzluft-Regelventil 16 ist ein übliches Membranventil, das in Abhängigkeit von dem Saugunterdruck derart betätigbar ist, daß bei Einführung des Saugunterdrucks über die Saugunterdruck-Impulsleitung 19 in eine Druckkammer 16a eine Ventilnadel 166 entsprechend dem Betrag des Saugunterdrucks verstellt wird und die Zusatzluft zur Atmosphäre hin entweicht.

Wenn der Luftdruck in die Druckkammer 16a gelangt, bewegt sich die Ventilnadel 160 und die Zusatzluft wird der Strahldüse 18 zugeführt. Das Magnetventil 20 ist mit der Saugunterdruck-Impulsleitung 19 zur Steuerung des der Druckkammer 16a zugeführten Saugunterdrucks derart verbunden, daß im geschlossenen Zustand des Magnetventils 20 der Saugunterdruck in die Druckkammer 16a gelangt, während bei geöffnetem Magnetven·.;¹ 20 zur Atmosphäre hin Verbindung besteht. Auf diese Weise wird die Zusatzluft im geöffneten Zustand des Magnetventils 20 den Abgasen in Abhängigkeit von dem Saugunterdruck oder der Ansaugluftmenge zugeführt, während die Zufuhr der Zusatzluft im geschlossenen Zustand des Magnetventils 20 praktisch unterbrochen ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Zufuhrrate der Zusatzluft derart voreingestellt, daß das Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase in Abhängigkeit von der Zuführung an Zusatzluft abwechselnd größer und kleiner als ein bestimmter Bezugswert wird.

Eine elektronische Regeleinrichtung 22 erhält als Eingangssignale die Ausgangssignale des O2-Meßfühlers 10 und des Drehzahlmeßfühlers U und erzeugt in Abhängigkeit von diesen Eingangssignalen ein Ausgangssignal mit variablem Tastverhältnis und variabler Frequenz, das dem Magnetventil 20 zur Regelung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses der Abgase zugeführt wird, so daß die EIN-AUS-Zustände des Magnetventils 20 und damit der Durchschnittswert des Luft/Brennstoff-Verhältnisses der Abgase zur Einregelung des dem optimalen Abgas-Reinigungszustand entsprechenden stöchiometrischen Verhältnisses gesteuert werden. Die elektronische Regeleinrichtung 22 ist mit einer Gleichstromquelle 24, wie z. B. der Starterbatterie, über einen Zündschalter 23 der Brennkraftmaschine 1 verbunden.

Nachstehend wird die elektronische Regeleinrichtung 22 unter Bezugnahme auf Fig. 4 im einzelnen beschrieben. Die elektronische Regeleinrichtung 22 umfaßt eine Vergleichsschaltung 22a, eine erste Integrationsschaltung 22b. eine Umsetzerschaltung 22c, eine zweite Integrationsschaltung 22Gf, eine Impulsbreiten-Modulationsschaltung 22e und eine Konstantspannungsschaltung 22 f.

Die Vergleichsschaltung 22a vergleicht das Ausgangssignal des (VMeßfühlers 10 mit einem vorgegebenen Wert und stellt fest, ob das Ausgangssignal größer als der vorgegebene Wert ist. Hierzu weist die Vergleichsschaltung 22a einen Eingangswiderstand 101, Spannungsteilerwiderstände 102 und 103 zur Bildung einer dem vorgegebenen Wert entsprechenden Spannung sowie einen Vergleicher 104 auf. Wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase fetter (kleiner) als ein vorgegebenes Luft/Brennstoff-Verhältnis ist nimmt somit das Ausgangssignal an einem Ausgang A den Wert »1« an, während es auf den Wert »0« übergeht, wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase magerer (größer) als das vorgegebene Luft/ Brennstoff-Verhältnis ist

Die erste Integrationsschaltung 22ö erhält und integriert das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 22a zur Bildung eines Integrationssignals mit einer festen Zeitkonstanten und umfaßt einen Inverter 105, Widerstände 106, 107 und einen Kondensator 112 zur Voreinstellung der Zeitkonstanten des Integrationssignals, Analogschalter 108 und 109 zur jeweiligen Durchschaltung oder Unterbrechung der Verbindung der Widerstände 106 und 107, einen Operationsverstärker 113 und Spannungsteilerwiderstände 110 und 111 zur Bestimmung eines zentralen Arbeitspunktes des Integrationssignals. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Widerstandswerte derart gewählt, daß der Widerstand 106 dem Widerstand 107 und der Widerstand 110 dem Widerstand 111 äquivalent sind. Wenn das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 22a den Wert »1« annimmt, wird der Analogschalter 108 durchgeschaltet, während der Analogschalter 109 abgeschaltet wird, was zur Folge hat, daß der

ίο Operationsverstärker 113 mit der von dem Widerstand 106 und dem Kondensator 112 vorgegebenen Zeitkonstanten in Betrieb genommen wird und das Ausgangssignal an einem Ausgang B abfällt.
Wenn dagegen das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 22a von dem Wert »1« auf den Wert »0« übergeht, wie dies in F i g. 5 durch die Signalverläufe A\ oder Ä2 dargestellt ist, wird der Analogschalter 1OS durchgeschaltet und der Analogschalter 108 gesperrt, was dazu führt, daß der Operationsverstärker 113 mit der von dem Widerstand 107 und dem Kondensator 112 vorgegebenen Zeitkonstanten in Betrieb genommen wird und das Ausgangssignal am Ausgang B ansteigt. Das Ausgangssignal am Ausgang B weist somit einen Sägezahnverlauf auf, wie dies in F i g. 5 durch die Signalverläufe Si oder Bi dargestellt ist.

Die Umsetzerschaltung 22c erhält das Impulssignal des Drehzahlmeßfühlers U und erzeugt ein Impulssignal mit einer dem Eingangsimpulssignal entsprechenden Frequenz. Die Umsetzerschaltung 22c umfaßt eine Widerstände 114,115 und 119, Kondensatoren 116 und 117 sowie einen Transistor 118 aufweisende Signalformerschaltung sowie eine einen Binärzähler aufweisende Frequenzteilerschaltung 120. Das Signal des Drehzahlmeßfühlers 11 wird von der Signalformerschaltung in ein Rechteckimpulssignal umgeformt, das zur Gewinnung einer gewünschten Frequenz von der Frequenzteilerschaltung 120 geteilt wird, wobei die Frequenzteilerschaltung 120 auch das Tastverhältnis auf 50% einstellt

Die zweite Integrationsschaltung 22c/ ist der ersten Integrationsschaltung 22Zj ähnlich, d. h., sie erhält und integriert das Ausgangssignal der Umsetzerschaltung 22c zur Bildung eines integrationssignals mit einer festen Zeitkonstanten und umfaßt einen Inverter 121, Widerstände 122, 123 und einen Kondensator 128 zur Voreinstellung der Zeitkonstanten des Integrationssignals, Analogschalter 124 und 125 zur jeweiligen Durchschaltung oder Unterbrechung der Verbindung der Widerstände 122 und 123, einen Operationsverstärker 129 und Widerstände 126 und 127 zur Bestimmung des zentralen Arbeitspunktes des Integrationssignals. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Widerstandswerte derart voreingestellt, daß der Widerstand 122 dem Widerstand 123 und der Widerstand 126 dem Widerstand 127 äquivalent sind. Wenn das Ausgangssignal der Umsetzerschaltung 22cden Wert »1« annimmt, wird der Analogschalter 124 durchgeschaltet während der Analogschalter 125 gesperrt wird, was dazu führt, daß der Operationsverstärker 129 mit der von dem

Widerstand 122 und dem Kondensator 128 bestimmten Zeitkonstanten in Betrieb genommen wird und das Ausgangssignal an einem Ausgang C abfällt Wenn dagegen das Ausgangssignal der Umsetzerschaltung 22c von dem Wert »1« auf den Wert »0« übergeht wird der Analogschalter 125 durchgeschaltet während der Analogschalter 124 gesperrt wird, was dazu führt, daß -der Operationsverstärker 129 mit der von dem Widerstand 123 und dem Kondensator 128 bestimmten

Zeitkonstanten in Betrieb genommen wird und das Ausgangssignal am Ausgang Cansteigt. Auf diese Weise nimmt das Ausgangssignal am Ausgang C die Form eines Sägezahnsignals mit einer kurzen Periode an, wie dies in Fig.5 durch den Signalverlauf Ci oder C₂ dargestellt ist. Am Ausgang C wird somit ein Sägezahnsignal abgegeben, dessen Frequenz und Amplitude in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine als einer der Leistungswerte der Brennkraftmaschine 1 geändert werden.

In der Impulsbreiten-Modulationsschaltung 22e werden die Ausgangssignale der ersten Integrationsschaltung 226 und der zweiten Integrationsschaltung 22c/ einer Impulsmodulation unterworfen, wobei die EIN-AUS-Zustände des Magnetventils 20 von dem sich ergebenden modulierten Signal gesteuert werden. Hierzu weist die Irnpuisbreiten-Modulationsschaltung 22e Eingangswiderstände 130 und 131, einen Vergleicher 132, Dioden 133,134 und 136, einen Widerstand 135 sowie einen Transistor 137 auf. Das Ausgangssignal der ersten Integrationsschaltung 226 wird dem invertierenden Eingang des Vergleichers 132 zugeführt, dessen nicht-invertierender Eingang das Ausgangssignal der zweiten Integrationsschaltung 22c/ erhält. Das Ausgangssignal des Vergleichers 132 an seinem Ausgang D weist einen Verlauf auf, wie er in F i g. 5 durch den Signalverlauf D\ oder D₂ dargestellt ist, so daß, wenn das Ausgangssignal auf den Wert »1« übergeht, der Transistor 137 durchgeschaltet und das Magnetventil 20 geöffnet werden, während, wenn das Ausgangssignal auf den Wert »0« übergeht, der Transistor sperrt und das Magnetventil 20 geschlossen wird.

Die Konstantspannungsschaltung 22/ weist einen Spannungsregler 138 sowie Kondensatoren 139 und 140 auf und steuert die von der Gleichstromquelle 24 abgegebene Spannung auf einen konstanten Spannungswert, der den einzelnen Schaltungsanordnungen zugeführt wird.

Im Rahmen dieses Aufbaus führt der Vergaser 2 der Brennkraftmaschine 1 ein Ansauggemisch mit einem unterslöchiometrischen Lufl/Brennstoff-Verhältnis zu, während die Brennkraftmaschine 1 Abgase mit einem niedrigen Sauerstoffgehalt ausstößt. Dieser Sauerstoffgehalt wird von dem in dem Abgasrohr 5 angebrachten O₂-Meßfühler 10 erfaßt und die Vergleichsschaltung 22a der elektronischen Regeleinrichtung 22 gibt dementsprechend ein Signal des Wertes »1« ab. Das Ausgangssignal des Vergleichers 132 der Impulsbreiten-Modulationsschaltung 22e nimmt die Form eines Signals (Stellimpulse) an, dessen Tastverhältnis allmählich ansteigt, wie dies durch den Signalverlauf D₁ oder Di in F i g. 5 dargestellt ist, so daß mit der Zeit die Öffnungsdauer des Magnetventils 20 vergrößert wird. Dies hat zur Folge, daß das Zusatzluft-Regelventil 16 in Schließrichtung betätigt wird, so daß die entweichende Zusatzluftmenge verringert und die Einspeisung von Zusatzluft in das Abgasrohr 5 erhöht werden, wodurch sich wiederum das Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase vergrößert.

Wenn sich das Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase vergrößert wird dies von dem 02-Meßfühler 10 wieder erfaßt und nunmehr gibt die Vergleichsschaltung 22a der elektronischen Regeleinrichtung 22 ein Signal des "Wertes »0« ab. Hierdurch wird am Ausgang des Vergleichers 132 der Impulsbreiten-Modulationsschalrung 22e ein Signal (Stellimpulse) erzeugt, dessen Tastverhältnis allmählich abnimmt, wie dies im mittleren Teil des Signalverlaufes D\ in Fig.5 dargestellt ist wodurch sich die Schließdauer des Magnetventils 20 mit der Zeit erhöht.

Di".s hat zur Folge, daß Saugunterdruck in die Druckkammer 16a gelangt und das Zusatzluft-Regelventil 16 in Öffnungsrichtung betätigt wird, wodurch sich die entweichende Zusatzluftmenge vergrößert und dadurch die in das Abgasrohr 5 eingespeiste Zusatzluftmenge verkleinert.

Auf diese Weise fließen abwechselnd Abgase mit einem kleinen Luft/Brennstoff-Verhältnis und Abgase mit einem großen Luft/Brennstoff-Verhältnis in den Dreifach-Katalysator 6, d. h., es fließen Abgase in den Dreifach-Katalysator 6, deren Luft/Brennstoff-Verhältnis um den stöchiometrischen Verhältniswert um einen über ±0,5 liegenden Betrag mit einer bestimmten Frequenz pendelt.

In F i g. 6 sind die Änderungen des Abgas-Luft/Brennstoff-Verhältnisses jeweils bei einer Frequenz von 4 Hz und 7 Hz dargestellt, wobei in der Figur die durch ausgezogene Linien dargestellten Kurven die am Eingang des Dreifach-Katalysators 6 gemessenen Änderungen und die gestrichelt dargestellten Kurven die am Ausgang des Dreifach-Katalysators 6 gemessenen Änderungen bezeichnen. Gemäß diesem Schaubild bewirkt die Mischung in der Katalysatorschicht, daß sich das Ausmaß der Änderung des Abgas-Luft/Brennstoff-Verhältnisses am Eingang des Dreifach-Katalysators von demjenigen am Ausgang des Dreifach-Katalysators unterscheidet. In der Oxydationsatmosphäre mit einem großen Abgas-Luft/Brennstoff-Verhältnis wird Sauerstoff (O2) in dem Katalysator in mikroskopischer Relation adsorbiert, so daß auf der Katalysatoroberfläche eine Reduktionsatmosphäre gebildet und der Reinigungswirkungsgrad für NO, gesteigert wird. In der Reduktionsatmosphäre mit einem kleinen Abgas-Luft/ Brennstoff-Verhältnis tritt dagegen eine Oxydationsreaktion zwischen dem in dem Katalysator adsorbierten O₂ und den CO- und HC-Anteilen der Abgase auf, so daß der Reinigungswirkungsgrad für CO und HC verbessert wird. Dies ist in Fig. 7 dargestellt, bei der die durch ausgezogene Linien dargestellten Kurven die Reinigungsleistung des Dreifach-Katalysators bei der vorstehend beschriebenen A.bgasreinigungsanlage bezeichnen, während die gestrichelt dargestellten Kurven die Reinigungsleistung des Dreifach-Katalysators beim Stand der Technik angeben. Der Figur ist zu entnehmen, daß die Reinigungsprozentsätze der vorstehend beschriebenen Abgasreinigungsanlage im Bereich des stöchiometrischen Verhältniswertes im Vergleich zu denjenigen des Standes der Technik ein wenig geringer sind, jedoch gegenüber den Werten des Standes der Technik wesentlich größer sind, wenn das durchschnittliche Abgas-Luft/Brennstoff-Verhältnis über- oder unterstöchiometrisch ist so daß der Bereich, innerhalb dessen hohe Reinigungsprozentsätze aufrechterhalten werden können, und damit der Arbeitsbereich der Abgasreinigungsanlage wesentlich größer sind und es dadurch möglich ist den Dreifach-Katalysator 6 ständig im Bereich eines hohen Reinigungsprozentsatzes zu betreiben. Außerdem haben durchgeführte Experimente ergeben, daß es zur Erzielung einer zufriedenstellenden Sauerstoffadsorption zweckmäßig ist daß der Änderungsbetrag des Luft/Brennstoff-Verhältnisses auf jeder Seite des stöchiometrischen Verhältniswertes für Abgase mit kleineren und größeren Luft/Brennstoff-Verhältniswerten am Eingang des Dreifach-Katalysators 6 größer als ±0,5 ist Demzufolge ist es erforderlich, den Abstand von der Öffnung der Strahldüse 18 zum

Eingang des Dreifach-Katalysators 6 zu verringern, um einen Änderungsbetrag des Luft/Brennstoff-Verhältnisses aufgrund einer Vermischung zu verhindern, oder das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Ansauggemisches oder das Verhältnis der Zusatzluftmenge zur Ansaugluftmenge unter Berücksichtigung einer Verringerung der Änderung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses aufgrund dieser Vermischung vorzugeben bzw. voreinzustellen.

Wenn die Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 niedrig ist, ist auch die Frequenz des Ausgangsimpulssignals der Umsetzerschaltung 22c niedrig, so daß die dieses Impulssignal integrierende zweite Integrationsschaltung 22d ein Sägezahnsignal mit einer großen Amplitude und einer niedrigen Frequenz erzeugt, wie dies in F i g. 5 durch den Signalverlauf C₂ wiedergegeben wird. Außerdem ist in diesem Falle die Durchflußrate der Abgase verringert, während die Verzögerungszeit der Regelstrecke vergrößert ist, was dazu führt, daß sich die Änderungsperiode des Ausgangssignals des 02-Meßfühlers 10 vergrößert und die erste Integrationsschaltung 22b ein Sägezahnsignal erzeugt, wie es in Fig.5 durch den Signalverlauf B₂ wiedergegeben ist. Die Sägezahnsignale gemäß den Signalverläufen B₂ und C₂ werden der Impulsbreiten-Modulationsschaltung 22c zugeführt, die wiederum ein Impulssignal erzeugt, dessen Tastverhältnis sich langsam ändert, d. h., es wird das Impulssignal mit dem Signalverlauf D₂ erzeugt, das eine niedrige Änderungsrate des Tastverhältnisses aufweist.

Wenn die Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 ansteigt, erhöht sich die Frequenz des Ausgangsimpulssignals der Umsetzerschaltung 22c und die zweite Integrationsschaltung 22d erzeugt ein Sägezahnsignal, dessen Amplitude umgekehrt proportional zur Drehzahl der Brennkraftmaschine abnimmt, während seine Frequenz proportional zur Drehzahl der Brennkraftmaschine zunimmt, was durch den Signalverlauf Q gemäß F i g. 5 wiedergegeben ist In diesem Falle erhöht sich die Durchflußrate der Abgase, während die Verzögerungszeit der Regelstrecke abnimmt, was dazu führt, daß sich das Ausgangssignal des 02-Meßfühlers 10 mit einer kürzeren Periode ändert und die erste Integrationsschaltung 22b ein Sägezahnsignal mit dem in F i g. 5 durch B\ wiedergegebenen Verlauf erzeugt. Die Sägezahnsignale gemäß den Signal verlaufen ßi und C\ werden der Impulsbreiten-Modulationsschaltung 22e zugeführt, die wiederum ein Impulssignal erzeugt, dessen Tastverhältnis sich schnell ändert, d. h„ es wird ein Impulssignal gemäß dem Signalverlauf D\ erzeugt, das eine hohe Änderungsrate des Tastverhältnisses aufweist

Auf diese Weise vird die Änderungsrate bzw. Änderungsgeschwindigkeit des Tastverhältnisses der Stellimpulse zur Steuerung des Magnetventils 20 in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 kompensiert, d. h, eine niedrige Änderungsrate des Tastverhältnisses bedingt, daß die Änderungsgeschwindigkeit der Öffhungsdauer oder Schließdauer des Magnetventils 20 niedrig ist, während eine hohe Anderungsrate des Tastverhältnisses bedingt, daß die Änderungsgeschwindigkeit der Öffnungsdauer oder Schließdauer des Magnetventils hoch ist

Wenn der Saugunterdruck der Brennkraftmaschine 1 konstant und die Anderungsrate des Tastverhältnisses hoch ist, steigt auch die Änderungsgeschwindigkeit des Unterdrucksignals zur Steuerung des öffnens und Schließens des Zusatzluft-Regelventils 16 an, was einen Anstieg der Geschwindigkeit, mit der die Zufuhr von Zusatzluft kompensiert wird, zur Folge hat. Wenn dagegen die Anderungsrate des Tastverhältnisses niedrig ist, verringert sich die Kompensationsgeschwindigkeit der Zufuhr von Zusatzluft. Auch wenn sich die Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 verringert und die Verzögerungszeit der Regelstrecke erhöht, werden somit die Anderungsrate des Tastverhältnisses der Stellimpulse zur Steuerung des Magnetventils 20 und die Kompensationsgeschwindigkeit der Zufuhr von

Zusatzluft verringert, wodurch die Änderungen des Abgas-Luft/Brennstoff-Verhältnisses unabhängig von der Verzögerungszeit der Regelstrecke innerhalb eines vorgegebenen Bereiches gehalten werden.

Das Auftreten eines übermäßig großen Änderungsbeträges des Abgas-Luft/Brennstoff-Verhältnisses bei Betriebszuständen mit niedriger Belastung und geringer Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 kann somit verhindert werden, während bei Betriebszuständen mit hoher Belastung und hoher Drehzahl der Brennkraftma-

schine 1 verhindert wird, daß der Änderungsbetrag des Abgas-Luft/Brennstoff-Verhältnisses übermäßig klein wird, wodurch es dem Dreifach-Katalysator ermöglicht wird, eine effektive Sauerstoff-Adsorptionswirkung und -Abgabewirkung zu entfalten.

Wenn hierbei der Ventilhub der Ventilnadel 16£> in bezug auf den in die Druckkammer 16a eingeleiteten Saugunterdruck in der in F i g. 8 dargestellten Weise voreingestellt ist, wird die Verstellgeschwindigkeit vom Saugunterdruck beeinträchtigt, so daß es unter dem

Gesichtspunkt einer gegenüber Änderungen der Drehzahl der Brennkraftmaschine und des Ansaugunterdrukkes erfolgenden Aufrechterhaltung des Abgas-Luft/ Brennstoff-Verhältnisses innerhalb eines vorgegebenen Bereiches vorteilhaft ist, die Form des der Ventilnadel 16Ö zugeordneten Ventilsitzes zu ändern und den sich ergebenden Öffnungsquerschnitt bzw. Öffnungsbereich gemäß Fig.9 derart vorzugeben, daß sich die Anderungsrate des Öffnungsbereiches bei einem hohen Saugunterdruck verringert und bei einem niedrigen Saugunterdruck erhöht.

Während bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel der dem Zusatzluft-Regelventil 16 zugeführte Saugunterdruck von dem Magnetventil 20 zur Regelung der Zuführung von Zusatzluft gesteuert wird, kann gemäß F i g. 10, in der der Hauptteil eines weiteren Ausführungsbeispiels der Abgasreinigungsanlage veranschaulicht ist, auch ein Magnetventil 20' in dem Zuleitungsrohr 15 angebracht werden, über das die Zusatzluft zur Atmosphäre hin entweichen kann und dadurch die Zufuhrrate der Zusatzluft geregelt werden.

Auch können anstelle des Drehzahlmeßfühlers 11 als

Meßfühler zur Feststellung der Leistungswerte der Brennkraftmaschine 1 in Relation zur Verzögerungszeit der Regeistrecke beliebige andere Meßfühler zur Feststellung von Betriebsbedingungen bzw. Betriebsparametern wie dem Saugunterdruck, der Öffnung der Drosselklappe, dem Ansaugluftdurchfluß, der Abgasdurchflußrate u. dgl. als Funktion der Verzögerungszeit beim Betrieb der Brennkraftmaschine Verwendung finden.

Anstelle der bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgenden Signalformung und Frequenzteilung des Zündsignals durch die Umsetzerschaltung 22c und der Zuführung des sich ergebenden geteilten Signals zu der zweiten Integrationsschaltung 22d ist lediglich eine Anpassung der Modulationsbeträge von Amplitude und Frequenz des Sägezahnsignals dahingehend erforderlich, daß sie der Verzögerungs-

Zeitcharakteristik einer Brennkraftmaschine entsprechen, so daß anstelle der Frequenzteilerschaltung eine Glättungsschaltung und eine Spannungs-Frequenz-Umsetzerschaltung verwendet und derart eingestellt werden können, daß jeder gewünschte Modulationsbe-

trag in bezug auf der Betrag der Modulation A des frequenzgeteilten Signals erhalten wird und das sich ergebende Ausgangssignal den durch die Gerade B in Fig. 11 veranschaulichten Verlauf aufweist, wodurch eine maximale Übereinstimmung gewährleistet wird.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: steuert wird, daß die Ausschlage größer als der Wert 0,5 sind.

1. Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine, mit einem im Abgasweg der Brennkraftmaschine angeordneten, ein sauerstoffspeicherndes Material enthaltenden Dreifach-Katalysator zur Entfernung von Schadstoffen aus den Abgasen der Brennkraftmaschine, einem im Abgasweg zur Ermittlung des Sauerstoffgehalts der mit Zusatzluft angereicherten Abgase angeordneten O₂-MeBfUhler, der ein ein überstöchiometrisches oder unterstöchiometrisches Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase bezeichnendes Ausgangssignal abgibt, einer auf das Ausgangssignal des O2-Meßfühlers zur Erzeugung von Stellimpulsen ansprechenden elektronischen Regeleinrichtung und einer Einrichtung zur Einspeisung von Zusatzluft in den Abgasweg der Brennkraftmaschine, die ein mit einer Saugunterdruck-Impulsleitung in Verbindung stehendes Zusatzluft-Regelventil und ein an diese Impulsleitung als Belüftungsventil angeschlossenes Magnetventil aufweist, über das die Beaufschlagung des Zusatzluft-Regelventils mit dem Saugunterdruck der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von den Stellimpulsen der Regeleinrichtung zur intermittierenden Einspeisung der Zusatzluft derart gesteuert wird, daß das Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase um den stöchiometrischen Wert pendelt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (Drehzahlmeßfühler 11) vorgesehen ist, die ein Verzögerungszeitsignal in Abhängigkeit von einem mit der betriebsabhängigen Verzögerungszeit der Regelstrecke in Funktionsbeziehung (Fig.3) stehenden Betriebsparameter der Brennkraftmaschine (1) erzeugt, und daß die elektronische Regeleinrichtung (22) durch Änderung der Frequenz der Stellimpulse (Du D₂) in Abhängigkeit von dieser Verzögerungszeit auf das Verzögerungszeitsignal cnspricht und das Tastverhältnis der Stellimpulse in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des O₂-Meßfühlers (10) allmählich vergrößert oder verkleinert.

2. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Regeleinrichtung (22) folgende Funktionsgruppen aufweist:

eine Vergleichsschaltung (22a), die das Ausgangssignal des 02-Meßfühlers (10) mit einem vorgegebenen Wert vergleicht und ein das Vergleichsergebnis bezeichnendes Ausgangssignal abgibt,
eine erste Integrationsschaltung (226,), die das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung (22a^ integriert,

eine Umsetzerschaltung (22c^, die auf das Verzögerungszeitsignal anspricht und ein Impulssignal erzeugt,

eine zweite Integrationsschaltung (22d), die das Ausgangssignal der Umsetzerschaltung (22c^ integriert,

und eine Impulsbreiten-Modulationsschaltung (22ς^, welche die Ausgangssignale der ersten und der zweiten Integrationsschaltung (226 und 224) impulsmoduliert und die Stellimpulse erzeugt.

3. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Pendeln des Luft/Brennstoff-Verhältnisses der Abgase von der elektronischen Regeleinrichtung (22) derart ge-Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bekanntermaßen besteht eine enge Beziehung zwischen dem von einem katalytischen Abgas-Umsetzer bei der Reinigung von Abgas-Schadstoffen erzielten Reinigungsprozentsatz und dem Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase. Findet z. B. ein Dreifach-Katalysator Verwendung, der die Abgas-Schadstoffe durch Oxidation von CO und HC sowie Reduktion von NO* katalytisch umsetzt, ergeben sich Reinigungskennlinien in Abhängigkeit vom Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase, wie sie in F i g. 1 der Zeichnung dargestellt sind. Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades, d. h. hohen Reinigungsprozentsatzes, bei einem Dreifach-Katalysator der vorstehend beschriebenen Art muß das Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase somit durch eine entsprechende Regelung innerhalb des in F i g. 1 durch Strichelung gekennzeichneten engen Nahbereichs des stöchiometrischen Verhältniswertes gehalten werden.

Aus der Zeitschrift »Krafthand« vom

6. Oktober 1973, Seite 1351, ist z.B. eine solche auf der Basis einer katalytischen Nachverbrennung mit geregelter Abgaszusammensetzung arbeitende Abgasreinigungsanlage der eingangs genannten Art für Brennkraftmaschinen bekannt, bei der die Zugabe von Zusatzluft zu den Abgasen in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl über ein Membran-Regelventil derart dosiert wird, daß ein im Abgasweg angeordneter Dreifach-Katalysator ein nahezu stöchiometrisches Luft/Brennstoff-Verhältnis (Luftverhältnis A=I) erhält. Die Veränderung des Steuerquerschnitts im Regelventil erfolgt hierbei durch Beaufschlagung mit Saugrohrunterdruck bzw. Abgasgegendruck, wobei ein O2-Meßfühler fortlaufend den Sauerstoffgehalt der Abgase vor dem Dreifach-Katalysator mißt und über einen Verstärker und ein elektromagnetisches Vorsteuerventil (Magnetventil) wechselsweise Steuerdrücke auf die Arbeitsmembran des Regelventil schaltet. Die Zumessung der Zusatzluft erfolgt somit im wesentlichen durch AUF/ZU-Steuerung des Regelventils in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen des O2-Meßfühlers. Hierdurch soll eine derartige Anpassung der eingeblasenen Zusatzluftmenge an die Abgaszusammensetzung erzielt werden, daß das Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase zur Gewährleistung einer zufriedenstellenden Wirkung des Dreifach-Katalysators in dem erforderlichen äußerst engen Bereich in der Nähe des stöchiometrischen Verhältniswertes gehalten werden kann.

Ferner ist es bereits bekannt, als Einflußgröße für die Zusatzluftregelung auch die Drehzahl einer Brennkraftmaschine heranzuziehen (DE-OS 22 19 073).

Bei der durch »Krafthand« bekannten Abgasregelung treten ungeachtet des damit verbundenen Aufwandes aufgrund der stark veränderlichen Betriebsbedingungen einer Brennkraftmaschine zwangsläufig nicht unerhebliche Regelschwankungen um den stöchiometrischen Verhältniswert herum auf, die den Wirkungsgrad der Abgasreinigung wesentlich herabsetzen können. Ausgehend von dieser, eingangs angeführten bekannten Abgasreinigungsanlage liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, beim Pendeln des Luft/Brennstoff-Verhältnisses der Abgase um den stöchiometrischen Verhältniswert ein definiertes Überschwingen zu