DE3822415A1 - Verfahren und vorrichtung zur regelung des verbrennungsluftverhaeltnisses bei verbrennungsmaschinen - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur regelung des verbrennungsluftverhaeltnisses bei verbrennungsmaschinenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses
bei einer mit einem Katalysator versehenen Verbrennungsma
schine mittels eines Reglers, auch Lambda-Regler genannt,
und einer Lambda-Sonde (λ-Sonde), die in der Abgasleitung
der Verbrennungsmaschine angeordnet ist, und wobei der
λ-Regler ebenfalls Signale mindestens eines Abgastemperatur
fühlers registriert und zum Beeinflussen des Regelsollwertes
verarbeitet.
Es ist eine Einrichtung dieser Art aus der DE-OS 34 10 930
bekannt, bei der die Kraftstoffzufuhr einem Mischer mittels
eines g-Reglers in Abhängigkeit der Signale einer λ-Sonde
gesteuert wird. Mit der λ-Sonde wird das tatsächliche Ver
brennungsluftverhältnis (im folgenden λ-Wert genannt) erfaßt,
indem beispielsweise die O2-Partialdruckdifferenz zwischen
Motorabgas und Umgebung in ein Spannungssignal umgesetzt
wird. Es ist bekannt, daß die Kennlinie von derartigen
Sonden von der Temperatur des Abgases, dem die Sonde
ausgesetzt ist, abhängig ist. Dieser Effekt wird bei der
bekannten Vorrichtung dadurch berücksichtigt, daß der Regler
die Signale eines im Abgaskanal angeordneten Temperatur
fühlers aufnimmt und zur Temperaturkompensation der
g-Regelung verarbeitet. Es hat sich jedoch gezeigt, daß
das Gesamtsystem noch anderen Einflüssen unterliegt. Altern
beispielsweise λ-Sonde und/oder Katalysator, so muß für
schadstoffoptimalen Betrieb der Sollwert des λ-Reglers nach
justiert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zu schaffen, bei dem eine möglichst allgemeine Kompensation
der den Regelprozeß beeinflussenden Faktoren in möglichst
einfacher Weise erreicht wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem gattungsgemäßen
Verfahren mit den im Anspruch 1 gekennzeichneten Maßnahmen
gelöst.
Der Regelsollwert, der dem Spannungswert der λ-Sonde bei
dem gewünschten λ-Wert entspricht, richtet sich nach der
Kennlinie der verwendeten λ-Sonde. Mit der Erfindung wird
der Regelsollwert lediglich durch Messen und Auswerten
einer Abgastemperatur bzw. Katalysatortemperatur an
veränderte Systemverhältnisse angepaßt, ohne die neue Kenn
linie der Sonde zu kennen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Temperatur
erhöhung am Katalysator genutzt, die durch die exothermen
Umsetzungsvorgänge verursacht wird. Es wurde nämlich durch
Messungen festgestellt, daß ein fester Zusammenhang zwischen
der Schadstoffumsetzung und dem Temperaturverlauf im Kata
lysator besteht.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Tempe
raturverlauf am Katalysator aufgetragen über die λ-Werte
eine markante Steigerungsänderung aufweist, deren Knick
punkt im Bereich der größten Schadstoffumsetzungsrate des
Katalysators liegt. Über diesen Temperaturknickpunkt läßt
sich die magere Grenze des einzuregelnden λ-Fensters
genau genug erkennen und damit ein Regelsollwert festlegen,
der einen Betrieb mit guter Umsetzung der Schadstoffe zur
Folge hat.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere
für Verbrennungsmaschinen-Anlagen, die mit einer konstanten
Last arbeiten, wie z. B. stationäre Anlagen zur Stromer
zeugung und dergleichen. Hier kann ein Kalibrieren des Soll
wertes beliebig zu jeder Zeit vorgenommen werden, ohne den
Betriebszustand der Verbrennungsmaschine ändern zu müssen.
Besondere Vorteile bietet die Erfindung bei Anlagen mit
Dreiwegekatalysatoren, bei denen eine gute Schadstoffumset
zung nur innerhalb eines schmalen λ-Bereiches bzw.
λ-Fensters gewährleistet ist. Durch periodisches Kalibrie
ren des Regelsollwertes kann ein schadstoffarmer Betrieb
der Anlage aufrechterhalten werden.
Bei Anlagen, die mit sich verändernder Last betrieben werden,
wird für den Kalibrierprozeß ein vorbestimmter Betrieb
eingestellt werden müssen, der, wie nachfolgend beschrieben,
über die Abgastemperatur überwacht werden kann.
Der Kalibriervorgang erfolgt vorzugsweise durch schrittweises
Verändern des Regelsollwertes mit anschließender Messung der
Temperatur am Katalysator. Durch Vergleich der Temperatur
mit den vorangegangenen Messungen läßt sich der Temperatur
knick in Verbindung mit dem zugehörigen Regelsollwert fest
stellen. Dieser Regelsollwert würde bei einem Dreiwegekata
lysator der mageren Grenze des λ-Fensters entsprechen.
Als neuer Regelsollwert wird zweckmäßigerweise dieser Soll
wert, der um einen festen Betrag verändert wird, genommen.
Für den Kalibriervorgang kann eine Referenztemperatur heran
gezogen werden, wie z. B. die Abgastemperatur vor dem
Katalysator. Damit werden etwaige Unregelmäßigkeiten, die
einen Einfluß auf die gesamte Temperaturlage haben können,
miterfaßt und berücksichtigt. Der Kalibriervorgang kann
auf diese Weise ausgesetzt werden, wenn eine Unregelmäßig
keit in der Referenztemperatur, die sich auf die Tempera
turdifferenz zwischen der am Katalysator gemessenen
Temperatur und der Referenztemperatur auswirkt, registriert
wird. Damit werden unkorrekte Neubestimmungen des Regel
sollwertes, die durch veränderte allgemeine Betriebsbedin
gungen verursacht werden, ausgeschaltet.
Die Durchführung des Kalibriervorganges anhand der vorge
nannten Temperaturdifferenz hat den weiteren Vorteil, daß
die erfaßte Temperaturdifferenz gleichzeitig für weitere
Kontrollfunktionen, nämlich für den Zustand des Katalysa
tors, genutzt werden kann. Diese Temperaturdifferenz wird
von der Umsetzung im Katalysator beeinflußt, nämlich derart,
daß bei Alterung des Katalysators die Temperaturdifferenz
abnimmt.
Die Erfindung erstreckt sich auf eine Vorrichtung zur Durch
führung des Verfahrens, die die im Anspruch 11 gekennzeich
neten Merkmale enthält.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung
schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher er
läutert. Es zeigt
Fig. 1 Diagramme von Abgastemperaturen vor und nach einem
Katalysator sowie Diagramme der Schadstoffemission
nach einem Katalysator in Abhängigkeit des Ver
brennungsluftverhältnisses,
Fig. 2 ein Diagramm, in dem die Sondenspannung in Abhängig
keit des Verbrennungsluftverhältnisses aufgetragen
ist,
Fig. 3 Diagramm über das Alterungsverhalten eines Dreiwege
katalysators,
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und
Fig. 5 der Ablauf der Funktionsweise eines Sollwertgebers.
Das Ziel einer λ-Regelung ist, das Kraftstoff-Luftver
hältnis einer Verbrennungsmaschine so zu steuern, daß unter
Verwendung eines Katalysators eine geringstmögliche Schad
stoffemission erfolgt. Die Emission von NO x und CO nach einem
Katalysator ist in Fig. 1, unten, über das Luftverhältnis g
aufgetragen. Durch den gegensätzlichen Verlauf der beiden
Kurven wird vorgesehen, die Emission beider Schadstoffe
unterhalb vorbestimmter Grenzwerte A, B zu halten, indem der
Betriebsbereich des Motors innerhalb eines von den Grenz
werten A, B vorgegebenen, sogenannten λ-Fensters 13 gehalten
wird. In diesem λ-Fenster gibt es einen Betriebspunkt, bei
dem beide Schadstoffkomponenten CO und NO x zugleich niedrige
Werte erreichen. Dieser Punkt wird Crossoverpoint genannt und
dient in der Katalysatortechnik zur Beurteilung verschiede
ner Katalysatoren.
In der oberen Hälfte der Fig. 1 ist mit der oberen Kurve
die Tempratur T 2 am Katalysator (Exotherme) ebenfalls über
das Luftverhältnis λ aufgetragen. Diese Temperatur T 2
erfährt eine deutliche Änderung mit einem Knickpunkt 41 an
der mageren Grenze des λ-Fensters 13. Dies wird erfindungs
gemäß genutzt, um die magere Grenze des λ-Fensters 13 zu
finden und zur Nachkalibrierung eines λ-Reglers zu verwen
den. Eine Nachkalibrierung ist aufgrund des Alterungsverhal
tens von λ-Sonden, die als Istwertsensoren für die Luftver
hältnisregelung von Verbrennungsmaschinen verwendet werden,
notwendig. Die zweite Kurve stellt die Abgastemperatur T 1
vor dem Katalysator dar, diese ist bei konstanter Last
annähernd unabhängig von dem Luftverhältnis λ.
In Fig. 2 sind die Signalspannungen einer λ-Sonde im
neuen Zustand (Kurve 11) und nach einer Betriebszeit von
9000 Stunden (Kurve 12) über λ aufgetragen. Aufgrund
dieses Alterungsverhaltens einer λ-Sonde wird die Regel
größe λ so beeinflußt, daß der Betriebspunkt 10 zur
mageren Grenze (Betriebspunkt 10′) des λ-Fensters 13
hin verschoben wird. Dieses kann zur Über
schreitung des NO x -Schadstoffgrenzwertes B führen.
Ein weiterer, die Schadstoffreduktion des Gesamtsystems be
einflussender Faktor ist die Alterung des Katalysators.
Anhand der Fig. 3 wird gezeigt, wie das λ-Fenster 13 und
der Crossoverpoint eines Dreiwegekatalysators über der
Betriebslaufzeit bei konstanten Betriebsbedingungen sich
verändert. Mit zunehmender Laufzeit verringert sich die
Breite des λ-Fensters 13, wobei die stärksten Veränderungen
an der mageren Grenze des λ-Fensters auftreten, indem sich
eine Verschiebung in Richtung fett zeigt. Gleichermaßen
verschiebt sich der Crossoverpoint. Dieses führt bei kon
stanter Regler-Sollwerteinstellung, in ähnlicher Weise wie
bei der λ-Sondenveralterung, unter Umständen zur Überschrei
tung des NO x -Schadstoffgrenzwertes B.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungs
gemäßen Vorrichtung soll diesen Änderungen des Gesamtsystems
Rechnung getragen werden. Ein Ausführungsbeispiel ist in
Fig. 4 dargestellt.
Eine Verbrennungsmaschine, beispielsweise ein Gas-Otto-
Motor 20 erhält über einen Gas-Luft-Mischer 33 das brenn
bare Gemisch. Das Volumenverhältnis Luft/Gas wird über ein
Drosselventil 30 in der Gasleitung 31 von einem λ-Reg
ler 25 beeinflußt. In der Abgasleitung 22 des Motors 20
ist ein Dreiwegekatalysator 21 angeordnet, der innerhalb
eines bestimmten Betriebsbereiches 13 des Luftverhältnis
ses λ Schadstoffe NO x und CO in den Abgasen soweit ver
mindert, daß erwünschte oder gesetzlich vorgeschriebene
Schadstoffgrenzwerte A, B eingehalten werden können. Die
Einhaltung dieses Betriebsbereiches geschieht mit Hilfe
einer λ-Sonde 23, die im Abgassystem 22 des Motors 20
installiert ist, und eines λ-Reglers 25. Die λ-Sonde
liefert ein vom Luftverhältnis abhängiges elektrisches
Signal 24 (nachfolgend Sondenspannung genannt) an den
g-Regler 25, der von einem Sollwertgeber 47 einen aktuellen
Sollwert 28 erhält. Nach einem Soll/Istvergleich 26 gibt
der λ-Regler 25 entsprechende Stellbefehle 29 an das
Drosselventil 30 in der Gasleitung 31. Die λ-Sonde 23 und
der λ-Regler 25 können konventioneller Bauart sein.
Im Abgassystem 22 ist vor und am Katalysator 21 je ein
Temperaturfühler 50 bzw. 45 angebracht, deren Temperatur
signale T 1 bzw. T 2 an den Sollwertgeber 47 abgegeben werden,
der die Temperaturen T 1 und T 2 zur Bildung des auf den
aktuellen Systemzustand (beispielsweise der λ-Sonde,
des Katalysators etc.) kalibrierten Sollwertes 28 auswertet.
Die Verfahrensweise des Sollwertgebers 47 wird nachfolgend
anhand der Fig. 5 beschrieben, die das Verfahrensschema
des Sollwertes 47 darstellt.
Nach Einleitung des Kalibriervorganges werden die Tempera
turen T 1 und T 2 vor bzw. am oder im Katalysator 21 einge
lesen, während für den ganzen Kalibriervorgang die Abgas
temperatur T 1 vor dem Katalysator 21 auf Konstanz über
wacht wird. Der Kalibriervorgang soll bei konstanter Be
lastung der Maschine 20 erfolgen, um Fehlkalibrierungen
zu vermeiden.
Aus den beiden Temperaturen T 1 und T 2 wird die Temperatur
differenz gebildet. Anhand der Veränderung dieser
Temperaturdifferenz bei Veränderung des λ-Wertes soll
der Knickpunkt 41 ermittelt werden. Hierzu wird vom Soll
wertgeber 47 der Sollwert 28 stufenweise in Richtung fett
verändert, mit jeweils anschließender Auswertung der
Temperaturdifferenz.
Zwischen der Einlesung der Temperaturen und dem zuvor einge
stellten Luftverhältnis wird eine Zeitspanne, d. h. bis
die Temperaturen sich um neuen Betriebszustand eingestellt
haben, abgewartet.
Mit der Temperaturdifferenz bestimmt der Sollwertgeber 47
zunächst die relative Lage des alten Sollwertes 28 zur
mageren Grenze des λ-Fensters 13. Sinkt die Temperatur
differenz ab, dann lag der alte Sollwert im fetteren Be
reich. Erkennt der Sollwertgeber 47 diesen Zustand, so
leitet er direkt die zweite Phase des Kalibriervorganges
ein. Steigt dagegen die Temperaturdifferenz, so lag der
alte Sollwert im mageren Bereich, d. h. nach Fig. 1, rechts
vom Knickpunkt 41. In diesem Fall wird ein Sollwertsprung
in Richtung fett vorgenommen, so daß in jedem Fall die
zweite Phase mit einem im fetteren Bereich liegenden Soll
wert beginnt. In der zweiten Phase werden ebenfalls die
Temperaturen T 1 und T 2 vor bzw. am Katalysator 21 eingelesen
und deren Differenz gebildet und ausgewertet. Solange die
Temperaturdifferenz ansteigt, wird der Sollwert stufenweise
in Richtung mager verändert, und zwar solange, bis eine
deutliche Abnahme der Temperaturdifferenz registriert wird.
Dieser Sollwert ist der mageren Grenze des λ-Fensters 13
zuzuordnen. Ausgehend von diesem Sollwert wird durch einen
Sollwertsprung in Richtung fett (Erfahrungswert) der neue
Sollwert 28 generiert.
Mit dem neuen Sollwert 28 wird der normale Betrieb der
Verbrennungsmaschine 20 fortgesetzt, bis ein neuer Kali
briervorgang eingeleitet wird. Dieses kann automatisch nach
entsprechenden Betriebsstunden geschehen. Selbstverständ
lich ist es auch möglich, einen Kalibriervorgang per Hand
bei Bedarf einzuleiten.
Der Kalibriervorgang läßt sich auch anhand der Temperatur T 2
am oder nach dem Katalysator 21 alleine vornehmen. Dabei
entfällt die gleichzeitige Überwachung der Konstanz des
Betriebes.
Claims (11)
1. Verfahren zur Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses
bei einer mit einem Katalysator versehenen Verbrennungs
maschine in Abhängigkeit von Signalen einer Lambda-Sonde,
die in der Abgasleitung der Verbrennungsmaschine ange
ordnet ist, wobei mit dem Regler zusätzlich Abgastempe
raturen gemessen und zur Beeinflussung des Regelsoll
wertes verarbeitet werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Verlauf der Temperatur (T 2) am oder nach dem
Katalysator (21) in Abhängigkeit des Verbrennungsluft
verhältnisses erfaßt und zur Korrektur des Regelsoll
wertes (28) verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Kalibriervorgang in Zeitabständen eingeleitet wird,
der bei einem Betrieb der Verbrennungsmaschine mit
konstanter Last durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Betrieb mit konstanter Last durch den Verlauf der
Abgastemperatur vor dem Katalysator überwacht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kalibriervorgang in vorbestimmten Zeitabständen
bzw. Motorbetriebszeiten automatisch eingeleitet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
für den Kalibriervorgang des Sollwertes (28) das Luftver
hältnis stufenweise verändert und die entsprechende
Veränderung der Temperatur (T 2) am oder nach dem
Katalysator (21) registiert und der Bereich der
höchsten Temperatur erfaßt wird und daß als neuer Soll
wert (28) derjenige Wert des Luftverhältnisses genommen
wird, bei dem der höchste Temperaturbereich registriert
wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Veränderung des Luftverhältnisses für den Kalibrier
vorgang durch stufenweise Veränderung des Regelsoll
wertes (28) erfolgt und daß der Regelsollwert, bei dem
der Bereich der höchsten Temperatur am oder nach dem
Katalysator registriert wird, als neuer Sollwert ge
nommen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß nach jeder Sollwertverstellung der Ablauf
einer vorbestimmten Zeitspanne abgewartet wird, bevor
die Temperatur (T 2) am bzw. nach dem Katalysator (21)
aufgenommen wird, und daß dieser Temperaturwert mit
den vorhergehenden Temperaturwerten zur Bestimmung
des Temperaturverlaufes (T 2) in Abhängigkeit des
Verbrennungsluftverhältnisses verglichen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Bestimmung des neuen Regelsollwertes (28) von dem
Sollwert ausgegangen wird, bei dem ein Kurvenknick
punkt (41) im Temperaturverlauf registriert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen der
Temperatur (T 2) am bzw. nach dem Katalysator (21) und
der Temperatur (T 1) der Abgase vor dem Katalysator
gebildet wird und daß der Verlauf dieser Temperatur
differenz in Abhängigkeit des Verbrennungsluftverhält
nisses für die Korrektur des Regelsollwertes verwendet
wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der anhand des höchsten
Temperaturbereiches bzw. des Temperaturknick
punktes (41) am oder nach dem Katalysator ermittelte
Sollwert um einen experimentell vorbestimmten Betrag
verändert und für den weiteren Regelvorgang als neuer
Sollwert (28) eingegeben wird.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1, mit einer λ-Sonde und einem λ-Regler zur
Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses in Abhängig
keit der von der λ-Sonde abgegebenen Spannungssignale
und mit mindestens einem Abgastemperaturfühler, da
durch gekennzeichnet, daß der Regler (25) mit einem
Sollwertgeber (47) ausgerüstet ist, der einen Eingang
für die Signale (T 2) eines am oder nach dem Kataly
sator (21) angeordneten Temperaturfühlers (45) hat,
und daß der Sollwertgeber so ausgelegt ist, daß damit
die Temperatur (T 2) am bzw. nach dem Katalysator als
Funktion des Verbrennungsluftverhältnisses erfaßbar
und auswertbar ist.
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