DE3614535C2 - - Google Patents

Description

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

Eine solche Brennkraftmaschine mit Abgasreinigung ist aus der DE-OS 30 23 429 bekannt. Der dortige Regelkreis umfaßt eine Vorrichtung zur Rückkopplungsregelung des Luft-Brennstoffverhältnisses, wozu im Abgasstrang zwei Sonden mit von vornherein unterschiedlichen Kennlinien angeordnet sind, wobei die zweite Sonde das Rückkopp­ lungssignal liefert, um eine Korrektur von Abweichungen des Luft-Brennstoffverhältnisses von einem vorgegebenen Wert zu ermöglichen. Ein Bypass im Abgasstrang der Brennkraftmaschine zur Umgehung des Katalysators ist bei dieser bekannten Vorrichtung nicht vorgesehen.

Die EP-Al-01 29 172 beschreibt ein Verfahren zum Be­ treiben einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, die einen katalytischen Konverter im Abgasstrang hat. Der Abgasstrang weist einen Bypass zur Umgehung des Konver­ ters auf, der dem Schutz des Konverters dient, sofern die Brennkraftmaschine mit bleihaltigem Kraftstoff be­ trieben wird. Die Umschaltung auf den Bypass zur Umge­ hung des Katalysators erfolgt hierbei in Abhängigkeit von einer Sonde, die auf den Bleigehalt des Kraftstoffs anspricht. Besondere Maßnahmen zur Schonung der Sonde bei Katalysatorbetrieb ergeben sich aus dieser Druck­ schrift nicht. Das gleiche gilt auch bezüglich der An­ lage zum Erkennen von bleifreiem oder bleihaltigem Kraftstoff und Umlenkung des Abgasstromes über konven­ tionelle Abgasanlagen oder über Abgasanlagen mit Kata­ lysator, wie sie in der DE-OS 34 32 715 erörtert ist.

Bei der Abgasreinigung von Brennkraftmaschinen durch geregelte Dreiwegekatalysatoren hängt der Wirkungsgrad einerseits sowie die Lebensdauer der Katalysatoren an­ dererseits 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 Gas betriebenen Verbrennungsmo­ toren vorkommenden Veränderungen des Lambda-Verhält­ nisses, die durch Brennwertänderungen des Treibgases versorgungsbedingt sein können oder durch Luftdruck-, Luftfeuchtigkeits- und Temperaturänderungen auftreten, gehen so langsam vor sich, daß sie ohne weiteres von dem Lambda-Regelkreis kompensiert werden können. Dage­ gen führen schon kleinere Defekte an der Brennkraftma­ schine selbst, wie etwa die Leistungsminderung einer Zündkerze oder ungleich eingestellte Ventile, zu einem nicht mehr kompensierbaren Verlassen des Lambda-Fen­ sters. Gleichermaßen ist es während des Startvorganges nur sehr schwer oder gar nicht möglich, das Lambda-Fen­ ster einzuhalten, weil die Lambda-Sondenspannung noch ungenaue Werte liefert 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 Alte­ rung und die damit verbundene Änderung der Kennlinie der Lambda-Sonde bestimmt. Es sind zwar Schaltungsan­ ordnungen 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 Genauig­ keit.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, zum einen den Katalysator im Abgasstrang aus der Abgasfüh­ rung immer dann auszukoppeln, wenn das Lambda-Fenster von der Lambda-Regelung beim Anfahren der Brennkraftma­ schine noch nicht oder während des Dauerbetriebs auf­ grund von Störfällen nicht mehr eingehalten werden kann, und zum anderen die Kennlinienveränderung der Sonde infolge Alterung automatisch nach jedem Startvor­ gang zu kompensieren.

Diese Aufgabe wird bei einer abgasgereinigten Brenn­ kraftmaschine der gattungsgemäßen Art nach der Erfin­ dung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentan­ spruchs 1 gelöst.

Ein erster wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt da­ rin, daß durch Umgehung des Katalysators während der Startvorgänge eine wesentlich erhöhte Katalysator-Le­ bensdauer erzielt wird. Zwar wird dann während der Startphase ungereinigtes Abgas in die Atmosphäre abge­ geben, dies kann jedoch, insbesondere bei stationär be­ triebenen Verbrennungsmotoren, bei denen die Startvor­ gänge gegenüber den Betriebszeiten eine unbedeutende Rolle spielen, ohne weiteres in Kauf genommen werden. Die längere Lebensdauer des Katalysators und damit die erhöhte Funktionssicherheit der Abgasreinigung wiegen die Luftverunreinigungen bei den Startphasen bei weitem auf. Bei Stromerzeugungsaggregaten zur Spitzenlastab­ senkung und für Notstromaufgaben, für die aus dem öf­ fentlichen Gasnetz betriebene Verbrennungsmotoren zum Einsatz kommen, steht die Notwendigkeit eines ununter­ brochenen, störungsfreien Betriebes im Vordergrund. Hier führt ein Verlassen des Lambda-Fensters infolge von geringfügigen Mängeln an dem Antriebsaggregat, die an sich dessen Dauerbetrieb nicht beeinträchtigen, nicht zu einer Schädigung des Katalysators.

Der zweite wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die zweite Lambda-Sonde als Referenzsonde zur ersten Lambda-Sonde vor dem Umschaltventil fun­ giert. Da sich die Referenzsonde nach der Zuschaltung des Katalysators, die nach jedem Start nach dem Errei­ chen der erforderlichen Betriebstemperatur in der Regel erfolgt, nicht mehr im Abgasstrom befindet, kann sie auskühlen. Sie behält dadurch ihre anfängliche Kennli­ nie wesentlich länger bei als die sowohl im Katalysa­ tor- als auch im Bypass-Betrieb dauernd vom Abgasstrom beaufschlagte Hauptsonde.

Weiter kann man vorteilhaft bei einem notwendig werden­ den Wechsel der Hauptsonde diese gegen die wenig geal­ terte Sonde im Bypass austauschen und lediglich die By­ pass-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 gasbe­ triebenen Verbrennungsmotors mit Abgasrei­ nigung und

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Lambda-Regelkreises für die Abgasreinigung des Verbrennungsmo­ tors 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 Zusam­ mensetzung des Frischgases, also des vom Mischer 2 auf­ bereiteten Brennstoff-Luft-Gemisches, wird über eine Luftklappe 3 beeinflußt, die von einem Stellglied 1 be­ tätigt wird.

Auf der Abgasseite besitzt der Verbrennungsmotor ein Abgassammelrohr 4, an das sich ein Umschaltventil 5 an­ schließt. In die Leitung zwischen dem Umschaltventil 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 umgehen­ den Bypass 8. Die Katalysatorleitung und der Bypass 8 münden in einen gemeinsamen Abgasaustritt C.

In den Bypass 8 ist eine zweite Lambda-Sonde 7 einge­ fügt, die im Gegensatz zur ersten Lambda-Sonde 6 nicht ständig vom Abgasstrom bestrichen wird. Denn im Regel­ fall wird die Abgasanlage im Katalysatorbetrieb gefah­ ren, dazu gibt das Umschaltventil 5 die durch den Kata­ lysator 9 hindurchführende Abgasleitung frei und sperrt den Bypass 8, während im Störfalle der Durchgang durch den Katalysator 9 abgesperrt und der Bypass 8 vom Um­ schaltventil 5 freigegeben wird.

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

Die erste Lambda-Sonde 6 liefert ein Istwert-Signal 11, das über eine Signalaufbereitung 12 auf einen Summa­ tionspunkt 13 gegeben wird. Dort wird die Differenz des Istwert-Signals mit einem Referenz- oder Sollwertsignal gebildet, das von einer Speichereinheit 14 geliefert wird. Das Differenz- oder Fehlersignal wird einem nicht linearen Fehlerverstärker 15 zugeführt, der ein Stell­ signal an einen Leistungsverstärker 17 weitergibt, über den ein das Stellglied 1 antreibender Stellmotor 18 ge­ steuert wird. Damit schließt sich der Lambda-Regel­ kreis, um in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Ist- Sollwert-Vergleichs 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 Grenz­ wert nach unten überschritten wird, erzeugt der Ver­ gleicher 19 ein Steuersignal, das auf ein das Umschalt­ ventil 5 steuerndes Steuerglied 22 gegeben wird. So wird bei Grenzwertüberschreitung bzw. -unterschreitung, also beim Verlassen des Lambda-Fensters, über das Um­ schaltventil 5 der Bypass 8 geöffnet 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 Abgastemperatur verändert. Des weiteren wird er über eine Vergleichs­ schaltung zwischen der ersten Lambda-Sonde 6, der al­ ternden Hauptsonde, und der zweiten Lambda-Sonde 7, die aufgrund der wesentlich geringeren Abgasbeaufschalgung weit weniger schnell als die Hauptsonde altert, im By­ passbetrieb 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 Refe­ renz- oder Sollwert im Speicher 14 verändert, solange durch den Vergleicher 19 dem Speicher 14 der Bypassbe­ trieb angezeigt wird. Dieser Abgleichvorgang findet al­ so während jedes Startvorganges bis zum Erreichen der optimalen Abgastemperatur sowie der fehlerfreien Ausre­ gelung des Lambda-Verhältnisses statt.

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

Claims (2)

1. Abgasgereinigte Brennkraftmaschine, insbesondere gasbetriebener Verbrennungsmotor, mit einem geregel­ ten Katalysator im Abgasstrang und mit einem Lambda­ Regelkreis, der eine dem Katalysator im Abgasstrang vorgeschaltete Lambda-Sonde umfaßt und über eine Vergleichsschaltung sowie Stellglieder in Abhängig­ keit 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) parallel ge­ schaltet ist, der über ein der Lambda-Sonde (6) in Strömungsrichtung des Abgases nachgeordnetes Um­ schaltventil (5) unter Umgehung des Katalysators (9) dann beaufschlagt wird, wenn der Lambda-Regelkreis das Verlassen des Lambda-Fensters anzeigt, wobei im Bypass (8) eine zweite Lambda-Sonde (7) angeordnet ist, deren Meßsignal bei Bypass-Betrieb in einem zweiten Vergleicher (25) mit dem der ersten Lambda­ Sonde (6) verglichen und aus der Differenz ein Kor­ rektursignal gebildet wird, um welches das aus dem Signal der ersten Lambda-Sonde (6) abgeleitete Stellsignal für den Katalysator-Betrieb bis zum nächstfolgenden Bypass-Betrieb dauernd korrigiert wird.

2. Abgasgereinigte Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellsignal für den Katalysatorbetrieb aus dem Istwertsignal der ersten Lambda-Sonde (6) im Vergleich mit einem Referenzwert gebildet wird, wo­ bei im Bypass-Betrieb der Referenzwert entsprechend dem Korrektursignal verändert und der geänderte Re­ ferenzwert für den jeweils nachfolgenden Katalysa­ torbetrieb beibehalten wird.