DE3822415C2

DE3822415C2 -

Info

Publication number: DE3822415C2
Application number: DE3822415A
Authority: DE
Inventors: Karl Ing.(Grad.) 8066 Bergkirchen De Moetz; Markus Dipl.-Ing. Diehl (Fh), 8037 Olching, De
Original assignee: MAN Technologie AG
Current assignee: MT Decentralized Energy Systems GmbH
Priority date: 1987-11-12
Filing date: 1988-07-02
Publication date: 1990-12-20
Also published as: US4953351A; JPH01151743A; NL8802761A; DE3822415A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Luft-Kraftstoff-Gemisches, das einer einen Abgas katalysator enthaltenden Brennkraftmaschine zugeführt wird, bei dem ein Ist-Wert für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Abgasleitung mittels einer Lambda-Sonde gemessen wird, eine Abgastemperatur in der Abgasleitung gemessen wird und zur Kompensation der Alterung der Lambda-Sonde ein Sollwert für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis kalibriert wird.

Es ist eine Einrichtung dieser Art aus der DE-OS 34 10 930 bekannt, bei der das Luft-Kraftstoff-Gemisch mittels eines λ-Reglers in Abhängigkeit der Signale einer λ-Sonde geregelt wird. Mit der λ-Sonde wird das tatsächliche Luft- Kraftstoff-Verhältnis (im folgenden λ-Istwert genannt) erfaßt, indem beispielsweise die O₂-Partialdruckdifferenz zwischen Brennkraftmaschinen-Abgas 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 berück sichtigt, daß der Regler die Signale eines im Abgaskanal angeordneten Temperaturfühlers aufnimmt und zur Temperatur kompensation der λ-Regelung verarbeitet. Es hat sich auch gezeigt, daß das Gesamtsystem noch anderen Einflüssen unterliegt, z. B. Alterung der λ-Sonde und/oder des Katalysators. Für die Alterung der λ-Sonde sieht das bekannte Verfahren vor, die Alterung der λ-Sonde durch Nachstellen des Sollwertes für das Luft-Kraftstoff-Ver hältnis zu berücksichtigen, jedoch ohne Angabe eines Durch führungsweges.

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 Sollwert für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, 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 Sollwert für das Luft- Kraftstoff-Verhältnis lediglich durch Messen und Auswerten einer Abgastemperatur bzw. Katalysatortemperatur an veränderte Systemverhältnisse angepaßt, ohne die neue Kenn linie der Sonde zu kennen.

Bei 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 am Kata lysator besteht.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Tempe raturverlauf am Katalysator aufgetragen über die λ-Istwerte eine markante Steigerungsänderung aufweist, deren Knick punkt im Bereich der größten Schadstoffumsetzungsrate des in der Abgasleitung vorgesehenen Katalysators liegt. Über diesen Temperaturknickpunkt läßt sich die magere Grenze des einzuregelnden λ-Fensters genau genug erkennen und damit ein Sollwert festlegen, der einen Betrieb mit guter Umsetzung der Schadstoffe zur Folge hat.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für Brennkraftmaschinen, die mit einer konstanten Last arbeiten, wie z. B. stationäre Anlagen zur Stromerzeugung und dergleichen. Hier kann ein Kalibrieren des Sollwertes beliebig zu jeder Zeit vorgenommen werden, ohne den Betriebszustand der Brennkraftmaschine 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 Sollwertes für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis kann ein schadstoffarmer Betrieb der Anlage aufrechterhalten werden.

Bei Anlagen, die mit sich verändernder Last betrieben werden, wird für den Kalibriervorgang ein vorbestimmter Betrieb eingestellt werden müssen, der, wie nachfolgend beschrieben, über die Abgastemperatur überwacht werden kann.

Der Kalibriervorgang erfolgt vorzugsweise durch schrittweises Verändern des Sollwertes 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 Sollwert fest stellen. Dieser Sollwert würde bei einem Dreiwegekata lysator der mageren Grenze des λ-Fensters entsprechen.

Als neuer Sollwert für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis 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 Abgas 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 auch eine Vorrichtung zur Durch führung des Verfahrens, die die Merkmale der Ansprüche 11 und 12 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 Luft-Kraftstoff-Verhältnisses,

Fig. 2 ein Diagramm, in dem die λ-Sondenspannung in Abhängig keit des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses 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 Luft-Kraftstoff-Verhält nis einer Brennkraftmaschine so zu steuern, daß unter Ver wendung eines Katalysators eine geringstmögliche Schadstoff emission erfolgt. Die Emission von NO_x und CO nach einem Katalysator ist in Fig. 1, unten, über das Luft-Kraftstoff- Verhältnis aufgetragen. Durch den gegensätzlichen Verlauf der beiden Kurven wird vorgesehen, die Emission beider Schadstoffe unterhalb vorbestimmter Grenzwerte A, B zu halten, indem der Betriebsbereich der Maschine 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 Abgastemperatur T₂ am Katalysator (Exotherme) ebenfalls über λ aufgetragen. Der Verlauf der Abgastemperatur T₂ erfährt eine deutliche Änderung (im folgenden Knickpunkt 41 genannt) an der mageren Grenze des λ-Fensters 13. Dies wird erfindungsgemäß genutzt, um die magere Grenze des λ-Fensters 13 zu finden und zur Nachkali brierung eines λ-Reglers zu verwenden. Eine Nachkalibrierung ist aufgrund des Alterungsverhaltens von λ-Sonden, die als Istwertsensoren für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis von Brennkraftmaschinen verwendet werden, notwendig. Die zweite Kurve stellt die Abgastemperatur T₁ vor dem Katalysator dar, diese ist bei konstanter Last annähernd unabhängig von 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 sich bei konstanten Betriebsbedingungen 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 durch eine Alterung der λ-Sonde, unter Umständen zur Überschreitung 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 Brennkraftmaschine, beispielsweise eine Gas-Otto- Maschine 20 erhält über einen Luft-Gas-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 der Maschine 20 ist ein Dreiwegekatalysator 21 angeordnet, der innerhalb eines bestimmten Betriebsbereiches 13 des Luft-Kraftstoff- Verhältnisses λ-Schadstoffe NO_x und CO in den Abgasen soweit vermindert, daß erwünschte oder gesetzlich vorge schriebene Schadstoffgrenzwerte A, B eingehalten werden können. Die Einhaltung dieses Betriebsbereiches geschieht mit Hilfe einer λ-Sonde 23, die in einer Abgasleitung 22 der Maschine 20 installiert ist, und des λ-Reglers 25. Die λ-Sonde liefert ein vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis abhängiges elektrisches Ist-Signal 24 (nachfolgend Sondenspannung genannt) an den λ-Regler 25, der von einem Sollwertgeber 47 einen aktuellen Sollwert 28 erhält. Nach einem Soll-Ist vergleich 26 gibt der λ-Regler 25 entsprechende Stell befehle 29 an das Drosselventil 30 in der Gasleitung 31. Die λ-Sonde 23 und der λ-Regler 25 können konventioneller Bauart sein.

In der Abgasleitung 22 ist vor und am Katalysator 21 je ein Temperaturfühler 50 bzw. 45 angebracht, deren Abgastempera tursignale T₁ bzw. T₂ an den Sollwertgeber 47 abgegeben werden, der die Abgastemperaturen T₁ und T₂ 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 Abgas temperaturen T₁ und T₂ vor bzw. am oder im Katalysator 21 eingelesen, während für den ganzen Kalibriervorgang die Abgastemperatur T₁ vor dem Katalysator 21 auf Konstanz überwacht wird. Der Kalibriervorgang soll bei konstanter Belastung der Maschine 20 erfolgen, um Fehlkalibrierungen zu vermeiden.

Aus den beiden Abgastemperaturen T₁ und T₂ 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 λ-Wert wird eine Zeitspanne, d. h. bis die Temperaturen sich im neuen Betriebszustand eingestellt haben, abgewertet.

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 T₁ und T₂ 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 Brennkraftmaschine 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 T₂ am oder nach dem Katalysator 21 alleine vornehmen. Dabei entfällt die gleichzeitige Überwachung der Konstanz des Betriebes.

Claims

1. Verfahren zum Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Luft-Kraftstoff-Gemisches, das einer einen Abgas katalysator enthaltenden Brennkraftmaschine zugeführt wird, bei dem

- ein Istwert für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Abgasleitung mittels einer Lambda-Sonde gemessen wird,
- eine Abgastemperatur in der Abgasleitung gemessen wird und
- zur Kompensation der Alterung der Lambda-Sonde ein Sollwert für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis kali briert wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Abgastemperatur (T₂) in der Abgasleitung (22) am oder nach dem Katalysator (21) gemessen und in Abhängigkeit vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis erfaßt wird und
- ein vorbestimmter Verlauf der erfaßten Abgastempe ratur (T₂) zur Kalibrierung des Sollwertes für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kalibriervorgang in Zeitabständen eingeleitet und nur bei einem Betrieb der Maschine mit konstanter Last durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrieb mit konstanter Last durch Überwachung des Verlaufs einer vor dem Katalysator (21) gemessenen Abgastemperatur (T₁) festgestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß der Kalibriervorgang in vorbestimmten Zeitabständen oder nach vorbestimmten Maschinenbetriebs zeiten automatisch eingeleitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für den Kalibriervorgang das Luft-Kraftstoff-Verhältnis stufenweise verändert, die entsprechende Veränderung der Abgastemperatur (T₂) am oder nach dem Kataly sator (21) erfaßt, der Bereich der höchsten Abgas temperatur erfaßt und als neuer Sollwert (28) derjenige Wert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses genommen wird, bei dem der höchste Temperaturbereich erfaßt wurde.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die stufenweise Veränderung des Luft-Kraftstoff-Ver hältnisses für den Kalibriervorgang durch stufenweise Veränderung des Sollwertes (28) erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn zeichnet, daß nach jeder Veränderung des Sollwertes (28) der Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne abgewertet wird, bevor ein neuer Wert der Abgastemperatur (T₂) am oder nach dem Katalysator (21) erfaßt wird, und daß dieser neue Temperaturwert mit den vorhergehenden Temperaturwerten zur Bestimmung der Veränderung des Verlaufs der Abgastemperatur (T₂) in Abhängigkeit vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis verglichen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des neuen Sollwertes (28) von dem Sollwert ausgegangen wird, bei dem ein Knickpunkt (41) im Verlauf der Abgastemperatur (T₂) erfaßt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Verlauf der Abgas temperatur (T₂) die Differenz zwischen der Abgas temperatur (T₂) am oder nach dem Katalysator (21) und der Abgastemperatur (T₁) der Abgase vor dem Kataly sator (21) gebildet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der dem erfaßten höchsten Abgas temperaturbereich oder dem erfaßten Knickpunkt (41) entsprechende Sollwert um einen experimentell vor bestimmten Betrag in Richtung fetteres Luft-Kraftstoff- Gemisch verändert und für die weitere Regelung als neuer Sollwert (28) eingegeben wird.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einer λ-Sonde, einem λ-Regler zur Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhält nisses in Abhängigkeit der von der λ-Sonde abgegebenen Spannungssignale und mit einem Abgastemperaturfühler, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (25) mit einem Sollwertgeber (47) verbunden ist, dessen einem Eingang die Signale (T₂) des am oder nach dem Katalysator (21) angeordneten Abgastemperaturfühlers (45) zugeführt werden, und daß der Sollwertgeber so ausgelegt ist, daß er den Sollwert für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in Abhängigkeit von dem Verlauf der Abgastemperatur (T₂) als Funktion des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses kali briert.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Abgastemperaturfühler (50) vorgesehen ist, der in der Abgasleitung (22) vor dem Kataly sator (21) angeordnet ist und dessen Signale (T₁) eben falls dem Sollwertgeber (47) zugeführt werden.