DE3614535A1 - Abgasgereinigte brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine abgasgereinigte Brennkraftmaschine der im Gattungsbegriff des Patent­ anspruchs 1 näher bezeichneten Art.

Bei Abgasreinigung von Brennkraftmaschinen durch ge­ regelte Dreiwegekatalysatoren hängt der Wirkungsgrad einerseits sowie die Lebensdauer der Katalysatoren anderer­ seits stark von der exakten Einhaltung des Lambda-Fensters ab. Schon ein kurzzeitiges Verlassen des Lambda­ Fensters führt bei häufiger Wiederholung zur Schädigung des Katalysators.

Die insbesondere bei gasbetriebenen Verbrennungsmotoren vorkommenden Veränderungen des Lambda-Verhältnisses, die durch Brennwertänderungen des Treibgases versorgungs­ bedingt sein können oder durch Luftdruck-, Luftfeuchtig­ keits- und Temperaturänderungen auftreten, gehen so lang­ sam vor sich, daß sie ohne weiteres von dem Lambda-Regel­ kreis kompensiert werden können. Dagegen führen schon kleinere Defekte an der Brennkraftmaschine selbst, wie etwa die Leistungsminderung einer Zündkerze oder ungleich eingestellte Ventile, zu einem nicht mehr kompensier­ baren Verlassen des Lambda-Fensters. Gleichermaßen ist es während des Startvorganges nur sehr schwer oder gar nicht möglich, das Lambda-Fenster einzuhalten, weil die Lambda-Sondenspannung noch ungenaue Werte hat und sich die Betriebsbedingungen bis zum Erreichen der optimalen Betriebstemperatur ständig schnell ändern.

Auch nach Erreichen der optimalen Betriebstemperatur wird die Bestimmung des Lambda-Fensters durch die Alterung und die damit verbundene Änderung der Kenn­ linie der Lambda-Sonde bestimmt. Es sind Schaltungs­ anordnungen bekannt, bei denen mit Hilfe von elektronisch abgespeicherten Kennlinien der Alterungszustand der Sonde erkannt und entsprechend kompensiert werden kann. Solche Maßnahmen sind jedoch mit einem hohen Aufwand verbunden und erreichen außerdem keine hohe Genauigkeit.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Katalysator im Abgasstrang aus der Abgasführung immer dann auszukoppeln, wenn das Lambda-Fenster von der Lambda-Regelung beim Anfahren der Brennkraftmaschine noch nicht oder während des Dauerbetriebes aufgrund von Störfällen nicht mehr eingehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer abgasgereinigten Brenn­ kraftmaschine der gattungsgemäßen Art nach der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der besondere Vorteil einer abgasgereinigten Brennkraft­ maschine liegt darin, daß durch Umgehung des Katalysators während der Startvorgänge eine wesentlich erhöhte Katalysatorlebensdauer erzielt wird. Zwar wird dann während der Startphase ungereinigtes Abgas in die Atmosphäre abgegeben, dies kann jedoch, insbesondere bei stationär betriebenen Verbrennungsmotoren, bei denen die Startvorgänge gegenüber den Betriebszeiten eine unbe­ deutende Rolle spielen, ohne weiteres in Kauf genommen werden. Die längere Lebensdauer des Katalysators und damit die erhöhte Funktionssicherheit der Abgasreini­ gung wiegen die Luftverunreinigungen bei den Startphasen bei weitem auf. Bei Stromerzeugungsaggregaten zur Spitzenlastabsenkung und für Notstromaufgaben, für die aus dem öffentlichen Gasnetz betriebene Verbrennungs­ motoren zum Einsatz kommen, steht die Notwendigkeit eines ununterbrochenen, störungsfreien Betriebes im Vordergrund. Hier führt ein Verlassen des Lambda-Fensters infolge von geringfügigen Mängeln an dem Antriebs­ aggregat, die an sich dessen Dauerbetrieb nicht be­ einträchtigen, nicht zu einer Schädigung des Katalysators.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht es der Bypass zur Umgehung des Katalysators, darin eine zweite Lambda-Sonde anzuordnen, die als Referenzsonde zur ersten Lambda-Sonde vor dem Umschaltventil fungiert. Insoweit kann mit der Erfindung ferner die Aufgabe gelöst werden, die Kennlinienveränderung der Hauptsonde infolge Alterung mit Hilfe der Referenzsonde im Bypass automatisch nach jedem Startvorgang zu kompensieren. Dazu wird das von der Referenzsonde im Bypassbetrieb gelieferte Meßsignal mit dem der Hauptsonde verglichen und aus der Differenz ein Korrektursignal gebildet, um das das Stellsignal für den Katalysatorbetrieb bis zum nächstfolgenden Bypassbetrieb dauernd korrigiert werden kann. Da sich die Referenzsonde nach der Zu­ schaltung des Katalysators, die nach dem Erreichen der erforderlichen Betriebstemperatur in der Regel erfolgt, nicht mehr im Abgasstrom befindet, kann sie auskühlen. Dadurch behält sie ihre anfängliche Kennlinie wesentlich länger bei als die sowohl im Katalysator- als auch im Bypass­ betrieb dauernd vom Abgasstrom beaufschlagte Hauptsonde.

Weiter kann man vorteilhaft bei einem notwendig werdenden Wechsel der Hauptsonde diese gegen die wenig gealterte Sonde im Bypass austauschen und lediglich die Bypass-Sonde durch eine neue Sonde ersetzen.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel noch näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines gasbetriebenen Verbrennungsmotors mit Abgasreinigung und

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Lambda-Regel­ kreises für die Abgasreinigung des Ver­ brennungsmotors nach Fig. 1.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 auf der Frischgasseite des Verbrennungsmotors, der mittels Erdgas betrieben wird, einen Gaseintritt a und einen Lufteintritt b, die zu einem Mischer 2 im Frischgasstrang führen. Die Zusammensetzung des Frischgases, also des vom Mischer 2 aufbereiteten Brennstoff-Luft-Gemisches, wird über eine Luftklappe 3 beeinflußt, die von einem Stellglied 1 betätigt wird.

Auf der Abgasseite besitzt der Verbrennungsmotor ein Abgassammelrohr 4, an das sich ein Umschaltventil 5 anschließt. In die Leitung zwischen dem Umschalt­ ventil 5 und dem Abgassammelrohr 4 ist eine erste Lambda-Sonde 6 eingefügt. Ab dem Umschaltventil 5 verzweigt sich der Abgasstrang in eine Leitung, in die ein Katalysator 9 eingefügt ist, und in einen den Katalysator 9 umgehenden Bypass 8. Die Katalysator­ leitung und der Bypass 8 münden in einen gemeinsamen Abgasaustritt c.

In den Bypass 8 ist eine zweite Lambda-Sonde 7 eingefügt, die im Gegensatz zur ersten Lambda-Sonde 6 nicht ständig vom Abgasstrom bestrichen wird. Denn im Regelfall wird die Abgasanlage im Katalysatorbe­ trieb gefahren, dazu gibt das Umschaltventil 5 die durch den Katalysator 9 hindurchführende Abgasleitung frei und sperrt den Bypass 8, während im Störfalle der Durchgang durch den Katalysator 9 abgesperrt und der Bypass 8 vom Umschaltventil 5 freigegeben wird.

Die wesentlichen Steuerungs- und Regelelemente für die Ansteuerung des Stellgliedes 1 und des Umschalt­ ventils 5 veranschaulicht das Blockschaltbild nach Fig. 2.

Die erste Lambda-Sonde 6 liefert ein Istwert-Signal 11, das über eine Signalaufbereitung 12 auf einen Summationspunkt 13 gegeben wird. Dort wird die Differenz des Istwert-Signals mit einem Referenz- oder Sollwertsignal gebildet, das von einer Speicher­ einheit 14 geliefert wird. Das Differenz- oder Fehler­ signal wird einem nicht linearen Fehlerverstärker 15 zugeführt, der ein Stellsignal an einen Leistungs­ verstärker 17 weitergibt, über den ein das Stell­ glied 1 antreibender Stellmotor 18 gesteuert wird. Damit schließt sich der Lambda-Regelkreis, um in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Ist-Sollwert-Ver­ gleichs in den Brennstoff-Luft-Mischvorgang der Brennkraftmaschine einzugreifen.

Die Steuerung des Umschaltventils 5 wird durch einen Vergleicher 19 veranlaßt, dem das aufbereitete Ist­ wertsignal 11 der ersten Lambda-Sonde 6 zugeführt wird. Der Vergleicher 19 hat ferner zwei Eingänge 20 und 21, um einen oberen Grenzwert und einen unteren Grenzwert für das Istwertsignal der Lambda-Sonde 6 eingeben zu können. Damit wird das Lambda-Verhältnis bzw. das Lambda-Fenster festgelegt, und sobald der obere Grenzwert nach oben überschritten oder der untere Grenzwert nach unten überschritten wird, er­ zeugt der Vergleicher 19 ein Steuersignal, das auf ein das Umschaltventil 5 steuerndes Steuerglied 22 gegeben wird. So wird bei Grenzwertüberschreitung bzw. -unterschreitung, also beim Verlassen des Lambda­ Fensters, über das Umschaltventil 5 der Bypass 8 ge­ öffnet und die Strecke, in der der Katalysator 9 liegt, gesperrt.

Der vom Speicher 14 gelieferte Referenz- oder Sollwert wird zum einen in Abhängigkeit von der Abgastempe­ ratur verändert. Des weiteren wird er über eine Ver­ gleichsschaltung zwischen der ersten Lambda-Sonde 6, der alternden Hauptsonde, und der zweiten Lambda-Sonde 7, die aufgrund der wesentlich geringeren Abgasbeauf­ schlagung weit weniger schnell als die Hauptsonde altert, im Bypassbetrieb ständig neu abgeglichen.

Dazu wird das von der zweiten Lambda-Sonde 7 im Bypass­ betrieb gelieferte Istwertsignal 23 über eine Signal­ aufbereitung 24 einem Vergleicher 25 zugeführt, auf den auch das aufbereitete Istwertsignal 11 der ersten Lambda-Sonde 6 aufgeschaltet ist. In Abhängigkeit von dem daraus gebildeten Differenzsignal wird der Referenz- oder Sollwert im Speicher 14 verändert, so­ lange durch den Vergleicher 19 dem Speicher 14 der Bypassbetrieb angezeigt wird. Dieser Abgleichvorgang findet also während jedes Startvorganges bis zum Er­ reichen der optimalen Abgastemperatur sowie der fehlerfreien Ausregelung des Lambda-Verhältnisses statt.

In die Ansteuerung des Stellmotors 18 ist noch ein von einem Zeitglied 26 angesteuerter Schalter 16 einge­ fügt, um mit der Inbetriebnahme der gesamten Anlage die Lambda-Regelung zeitverzögert zuzuschalten.

• Fig. II: 11 Istwert alt
  12 Signalaufbereitung
  13 Summationspunkt
  14 Speichereinheit Referenz
  15 nichtlinearer Fehlerverstärker
  16 Relais
  17 Leistungsverstärker
  18 Stellmotor
  19 Vergleicher
  20 Eingang unterer Grenzwert
  21 Eingang oberer Grenzwert
  22 Steuerglied
  23 Istwertsignal, neu
  24 Signalaufbereitung
  25 Vergleicher altes/neues Signal
  26 Zeitglied abfallverzögertFig. I1 Stellglied
  2 Mischer
  3 Luftklappe
  4 Abgassammelrohr
  5 Abgasschaltventil
  6 Lambda-Sonde I
  7 Lambda-Sonde II
  8 Bypassrohrleitung
  9 Katalysator
  a Gaseintritt
  b Lufteintritt
  c Abgasaustritt

Claims (4)

1. Abgasgereinigte Brennkraftmaschine, insbesondere gasbetriebener Verbrennungsmotor, mit einem geregel­ ten Katalysator im Abgasstrang und mit einem Lambda-Regelkreis, der eine dem Katalysator im Ab­ gasstrang vorgeschaltete Lambda-Sonde umfaßt und über eine Vergleichsschaltung sowie Stellglieder in Abhängigkeit vom Signal der Lambda-Sonde in den Brennstoff-Luft-Mischvorgang im Frischgasstrang zur Einhaltung des Lambda-Fensters eingreift, dadurch gekennzeichnet, daß dem Katalysator (9) ein Bypass (8) parallelgeschaltet ist, der über ein der Lambda-Sonde (6) in Strömungsrichtung des Abgases nachgeordnetes Umschaltventil (5) unter Um­ gehung des Katalysators (9) dann beaufschlagt wird, wenn der Lambda-Regelkreis das Verlassen des Lambda­ Fensters anzeigt.

2. Abgasgereinigte Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lambda-Regelkreis einen Vergleicher (19) aufweist, der den Istwert des Meßsignals der Lambda-Sonde (6) mit einem oberen und einem unteren Grenzwert vergleicht und bei Überschrei­ ten eines dieser Grenzwerte ein Fehlersignal erzeugt, welches das Umschaltventil (5) auf Sperrung des Katalysators (9) und Freigabe des Bypass (8) steuert.

3. Abgasgereinigte Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bypass (8) eine zweite Lambda-Sonde (7) angeordnet ist, deren Meßsignal bei Bypassbetrieb in einem zweiten Vergleicher (25) mit dem der ersten Lambda-Sonde (6) verglichen und aus der Differenz ein Korrektursignal gebildet wird, um welches das aus dem Signal der ersten Lambda-Sonde (6) abgeleitete Stellsignal für den Katalysatorbetrieb bis zum nächstfolgenden Bypass­ betrieb dauernd korrigiert wird.

4. Abgasgereinigte Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellsignal für den Katalysatorbetrieb aus dem Istwertsignal der ersten Lambda-Sonde (6) im Vergleich mit einem Referenz­ wert gebildet wird, wobei im Bypassbetrieb der Referenzwert entsprechend dem Korrektursignal ver­ ändert und der geänderte Referenzwert für den je­ weils nachfolgenden Katalysatorbetrieb beibehalten wird.