DE3511997A1

DE3511997A1 - Anordnung fuer fahrzeuge, insbesondere personenkraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE3511997A1
Application number: DE19853511997
Authority: DE
Inventors: Istvan Dipl.-Ing. 3300 Braunschweig Geiger; Uwe Dr.-Ing. 3174 Meine Waschatz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1985-04-02
Filing date: 1985-04-02
Publication date: 1986-10-09

Description

VOLKS V/ A G Γ K¹ W E R Y

3180 Wolfsburg

K 3739/1770-we-sch

Anordnung für Fahrzeuge, insbesondere Personenkraftfahrzeuge

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung für Fahrzeuge, insbesondere Personenkraftfahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Um optimale Abgaswerte bei Fahrzeugen mit gemischverdichtenden Brennkraftmaschinen (Otto-Motoren) zu erzielen, sind Anlagen bekannt, bei denen ein im Abgassystem angeordneter Selektiv- oder Multifunktionskatalysator mit einem geregelten Gemischbildungssystem kombiniert wird, wobei als Regelgröße für den Gemischbildner die Meßwerte einer den Sauerstoffgehalt des Abgases erfassenden Lambda-Sonde herangezogen werden. Ein derartiges System bedeutet jedoch einen erheblichen Aufwand und läßt sich insbesondere nicht ohne weiteres bei bereits in Betrieb befindlichen Fahrzeugen nachträglich einsetzen.

Als Nachrüstlösung für solche bereits in Betrieb befindlichen Fahrzeuge ist dagegen eine Ausführung bekannt geworden, bei der unter Verzicht auf die Lambda-Sonde und ein von dieser Lambda-Sonde geregeltes Gemischbildungssystem die mit einem herkömmlichen Gemischbildungssystem versehene Brennkraftmaschine lediglich mit einem Multifunktionskatalysator im Abgassystem ausgerüstet wird. Diese Katalysatoren, die üblicherweise aus einem mit einer Edelmetallbeschichtung versehenen Trägerkörper bestehen, setzen jedoch nur in einem sehr engen Bereich um das stöchiometrische Kraftstoff-Luft-Verhältnis von λ = 1 die drei aus Luftreinerhaltungsgrunden limitierten Abgasschadstoffe, nämlich Kohlenmonoxid CO, Kohlenwasserstoffe HC und Stickoxide NO , simultan um.

Bei Verbrennungsabgasen aus fettem Gemisch (>t < 1) können sie dagegen im wesentlichen nur die Stickoxide und bei den Abgasen aus magerem Gemisch ( Α.- > 1) nur Kohlenmonoxide und Kohlenwasserstoffe verringern.

Wenn nun eine mit einem ungeregelten Gemischbildungssystem ausgerüstete Brennkraftmaschine in ihrem Abgassystem mit einem solchen Multifunktionskatalysator "versehen wird, ist das Luftverhältnis und damit auch die Konversionsrate für die einzelnen Abgasbestandteile eine Funktion der zufälligen Betriebsweise des Fahrzeugs. Da die herkömmlichen Gemischbildungssysteme im allgemeinen eine verbrauchsoptimale Abstimmung bei leichtem Luftüberschuß im größten Teil des Kennfeldes der Brennkraftmaschine aufweisen, wobei fette Kraftstoff-Luft-Gemische lediglich bei Leerlauf, Vollast, in Beschleunigungsund Schubphasen sowie bei kaltem Motor auftreten, ist bei derartigen Anordnungen eine Konversionsrate für die Abgasschadstoffe im Bereich zwischen lediglich 30 und 50 % zu erwarten.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine Anordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs genannten Art zu schaffen, die eine Verbesserung der Schadstoffemissionen ermöglicht und auch als Nachrüstlösung bei bereits in Betrieb befindlichen Kraftfahrzeugen eingesetzt werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1. Danach schlägt die Erfindung vor, zusätzlich zu dem Multifunktionskatalysator die an sich bekannte Lambda-Sonde vorzusehen und allein in Abhängigkeit von deren Signalen eine zusätzliche Vorrichtung zu steuern, die das der Brennkraftmaschine zugeführte Kraftstoff-Luft-Gemisch in Richtung auf ein stöchiometrisches Gemisch verändert. Der wesentliche Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß das herkömmliche, in dem Fahrzeug bereits vorhandene, im allgemeinen mager abgestimmte Gemischbildungssystem beibehalten werden kann und die zur Erreichung eines stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemisches erforderliche Gemischanfettung durch eine besondere Vorrichtung erreicht wird, die von den Signalen der Lambda-Sonde über ein Steuergerät gesteuert wird. Dabei kann diese Kraftstoffanreicherungsvorrichtung durch ein in der Ansaugleitung angeordnetes Kraftstoffeinspritzventil, das vorzugsweise als Niederdruckeinspritzventil geführt wird, gebildet sein.

Mit Hilfe einer derartigen Nachrüstlösung wird es nun möglich, im Prinzip

die gleichen Abgaswerte wie bei solchen Brennkraftmaschinen zu erzielen,

die serienmäßig, d.h. von vornherein, mit einem Katalysator und einem von

der Lambda-Sonde geregelten Gemischbildungssystem ausgerüstet sind.

In der Zeichnung ist anhand eines schematischen Schaltbildes eine Antriebsanordnung für ein Personenkraftfahrzeug ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das im folgenden näher erläutert wird. Dabei ist mit 1 eine gemischverdichtende Brennkraftmaschine (Otto-Motor) bezeichnet, die den Antriebsmotor für das Personenkraftfahrzeug bildet und in ihrer Ansaugleitung 2 einen herkömmlichen, ungeregelten Gemischbildner 3 aufweist. Dieser Gemischbildner kann dabei als Vergaser, aber auch als mechanische oder elektrische Einspritzeinrichtung ausgeführt sein, wobei, wie dies bei heutigen Gemischbildungssystemen ohne Katalysator üblich ist, eine verbrauchsoptimale Abstimmung bei leichtem Luftüberschuß im größten Teil des Kennfeldes mit fetten Anteilen lediglich bei Vollast, in Beschleunigungs- und Schubphasen sowie bei kaltem Motor vorgesehen ist. In der Ansaugleitung 2 ist in Strömungsrichtung gesehen vor der Gemischbildungseinrichtung 3 eine von einem hier nicht gezeigten Fahrpedal willkürlich betätigbare Hauptdrosselklappe 4 sowie vor dieser ein Luftfilter 5 angeordnet.

Zur Beseitigung der in den Abgasen der Brennkraftmaschine 1 enthaltenen Schadstoffe ist in der Abgasleitung 6 ein Selektiv- oder Multifunktionskatalysator 7 vorgesehen, der üblicherweise aus einem mit einer Edelmetallbeschichtung auf einer Zwischenträgerschicht versehenen Trägerkörper besteht, der beispielsweise aus einem keramischen Wabenkörper mit in Längsrichtung durchgehenden Strömungskanälen gebildet ist. Dieser Katalysator 7 setzt bei stöchiometrischem Kraftstoff-Luft-Verhältnis ( % = 1) alle drei limitierten Abgasschadstoffe simultan um, während er aus den Abgasen eines fetten Verbrennungsgemisches ( % < 1) im wesentlichen nur die Stickoxide und aus den Abgasen eines mageren Verbrennungsgemischs ( X, > 1) nur die Kohlenmonoxide und die Kohlenwasserstoffe aumsetzen würde.

Um nun einen optimalen Umsetzungsgrad des Katalysators 7 zu gewährleisten, muß eine besondere Maßnahme getroffen werden, um das von der GemischbMdungseinrichtung 3 gelieferte Kraftstoff-Luft-Gemisch in den während des

Betriebs des Fahrzeuges überwiegenden Betriebsbereichen relativ mager ist, auf das stöchiometrische Verhältnis anzufetten. Dazu ist ein besonderes Kraftstoff- Einspritzventil 10 vorgesehen, das beispielsweise über eine Zweigleitung von einer die Gemischbildungseinrichtung 3 beaufschlagenden Hauptkraftstoffleitung aus mitversorgt werden kann und das zusätzlich Kraftstoff 'in die Ansaugleitung 2 der Brennkraftmaschine zumißt. Um dabei Rückwirkungen auf die Kraftstoffzumessung des Einspritzventils durch in der Ansaugleitung 2 herrschenden Unterdruck zu vermeiden, ist dieses Einspritzventil in Strömungsrichtung vor der Hauptdrosselklappe 4 hinter dem Luftfilter

5 angeordnet. Gleichzeitig ermöglicht diese Anordnung die Verwendung eines relativ einfachen Niederdruckeinspritzventils. Dieses beispielsweise durch Impulsbreitenmodulation gesteuerte Kraftstoffeinspritzventil 10 erhält seine Steuersignale von einem besonderen Steuergerät 9, das über eine Signalleitung mit einer in Strömungsrichtung vor dem Katalysator 7 in der Abgasleitung

6 der Brennkraftmaschine 1 angeordneten Lambda-Sonde 8, die den Sauerstoffgehalt der durch die Abgasleitung 6 zum Katalysator 7 strömenden Abgase erfaßt, verbunden ist. Das Steuergerät 9 weist Schaltungselemente zur Aufbereitung der Meßsignale der Lambda-Sonde 8, einen Regler und eine Endstufe zur Ansteuerung des Kraftstoffeinspritzventils 10 auf.

Der wesentliche Vorteil der hier gezeigten Anordnung besteht darin, daß auch bereits in Betrieb befindliche Kraftfahrzeuge auf Katalysatorbetrieb mit optimalen Schadstoffreduzierungen umgerüstet werden können, indem unter Beibehaltung des vorhandenen, im allgemeinen zur Bildung eines kraftstoffarmen Kraftstoff-Luft-Gemisches eingestellten Gemischbildungssystems in der Abgasleitung ein herkömmlicher Multifunktionskatalysator zusammen mit einer vorgeschalteten Lambda-Sonde eingefügt wird und zusätzlich noch ein die Meßsignale der Lambda-Sonde verarbeitendes Steuergerät zur Ansteuerung einer besonderen, eine Kraftstoffanfettung besorgenden Anreicherungsvorrichtung vorgesehen wird. Diese Kraftstoffanreicherungsvorrichtung besteht bevorzugterweise aus einem einfachen, von dem Steuergerät 9 angesteuerten Niederdruckeinspritzventil, das die zur Erreichung des stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemisches erforderliche zusätzliche Kraftstoffzugabe während derjenigen Betriebszustände bewirkt, in denen das Gemischbildungssystem ein kraftstoffarmes Gemisch liefert. Für die Regelung wird dabei keine Last- oder Drehzahlinformation, sondern allein die Information über den Sauerstoffgeh alt im Abgas von der Lambda-Sonde benötigt. Die Anreicherung des Gemisches erfolgt

in Abhängigkeit vom Reglerausgang entweder durch Veränderung der Ventilöffnungszeit bei konstanter Einspritzfrequenz oder durch Verändern der Einspritzfrequenz bei konstant gehaltener Einspritzdauer. Nur in den Betriebszuständen, in denen diese Gemischbildungseinrichtung bereits von sich aus ein fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch liefert, wie zum Beispiel bei Vollast oder auch bei Beschleunigungszuständen und im Warmlauf,bleibt das Kraftstoff einspritzventil geschlossen.

Um im Leerlauf der Brennkraftmaschine einen Sauerstoffüberschuß im Abgas einzuhalten und so mit Hilfe des Katalysators 7 auch die in diesem Betriebszustand relativ starken Kohlenwasserstoffemissionen zu reduzieren, ist es zweckmäßig, die Leerlaufeinstellung der Gemischbildungseinrichtung 3 so vorzunehmen, daß der Sauerstoffgehalt im Abgas wenigstens etwa 0,6 % bei einer Drehzahl von wenigstens 900 U/min beträgt. Falls entsprechende Sauerstoff meßgeräte nicht vorhanden sind, kann die Leerlaufgrundeinstellung der Gemischbildungseinrichtung auch so vorgenommen werden, daß der CO-Gehalt höchstens 0,8 % beträgt.

Zweckmäßig wäre es weiterhin, wenn die Zündanlage mit einer elektronischen Leerlaufdrehzahlstabilisierung ausgerüstet wird und die Grundeinstellung des Zündverteilers dem Oktanzahlbedarf der Brennkraftmaschine entsprechend angepaßt wird.

Bei Berücksichtigung aller dieser Maßnahmen werden mit der erfindungsgemäßen Anordnung Abgaswerte auch bei bereits in Betrieb befindlichen Kraftfahrzeugen erreicht, die sich nicht von denjenigen unterscheiden, die von vornherein mit Katalysatoren und mit durch Lambda-Sonden gesteuerten Gemischbildungssytemen ausgerüstet sind.

Claims

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3180 Wolfsburg

K 3739' /1770-we-sch

ANSPRÜCHE

j IJ Anordnung für Fahrzeuge, insbesondere Personenkraftfahrzeuge, mit einer gemischverdichtenden Brennkraftmaschine, einer in einer Ansaugleitung der Brennkraftmaschine angeordneten, ungeregelten Gemischbildungseinrichtung, die in den überwiegenden Lastbereichen der Brennkraftmaschine zur Abgabe eines im wesentlichen kraftstoffarmen Kraftstoff-Luft-Gemisches ausgebildet ist, und mit einem in einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeordneten Multifunktions-Katalysator, dadurch gekennzeichnet, daß dem Katalysator (7) in an sich bekannter Weise eine den Gehalt an freiem Sauerstoff im Abgas erfassende Lambda-Sonde (8) vorgeschaltet ist und daß eine zusätzliche, von den Signalen der Lambda-Sonde im Sinne der Erzeugung eines stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemisches steuerbare Vorrichtung zur Kraftstoffanreicherung des der Brennkraftmaschine (1) zugeführten Gemisches vorgesehen ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Kraftstoffanreicherungsvorrichtung ein von den Signalen der Lambda-Sonde ^f8) beaufschlagbares Steuergerät (9) vorgesehen ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffanreicherungsvorrichtung durch ein in der Ansaugleitung (2) der Brennkraftmaschine (1) angeordnetes Kraftstoffeinspritzventil (10) gebildet ist.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftstoffeinspritzventil (10) als den Kraftstoff in Strömungsrichtung vor einer in der Ansaugleitung (2) angeordneten Hauptdrosselklappe (4) einspritzendes Niederdruckeinspritzventil ausgebildet ist.