DE4019573A1 - Verfahren zur erkennung von verbrennungsaussetzern und/oder ungleichmaessiger einspritzung bei brennkraftmaschinen mit innerer verbrennung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern und/oder ungleichmäßiger Einspritzung bei Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung, insbesondere zur Er­ kennung der Gefährdung oder Schädigung von Katalysatoren oder ka­ talytischen Beschichtungen.

Verfahren zur Erkennung von sauerstoffhaltigen oxidationsfähigen Gemischen sind von besonderer Bedeutung bei Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung, deren Abgase durch Katalysatoren behan­ delt werden, da Motorzyklen, bei denen brennbares Gemisch nicht gezündet wurde, also Verbrennungsaussetzer ("Misfiring"), vermie­ den werden müssen, weil diese eine Schädigung des Katalysators durch Überhitzung bewirken können.

Als "Verbrennungsaussetzer" bezeichnete Störungen des Betriebes von Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung haben im wesent­ lichen zwei Erscheinungsformen:
Wenn Kraftstoff-Luftgemisch nicht gezündet wurde, befinden sich eine große Menge unverbrannter Kohlenwasserstoffe sowie freier Sauerstoff im Abgasstrom, die im Katalysator unter Freisetzung von Energie reagiert. Hierdurch kann es schon nach wenigen Motor­ zyklen zur Überhitzung und somit zur Zerstörung des Katalysators kommen.

Wenn andererseits bei Einspritzbrennkraftmaschinen, beispiels­ weise bei einem der Zylinder, keine Einspritzung erfolgt, so kommt es im Abgas zu einem Sauerstoffüberschuß. Durch die Lamb­ daregelung bewirkt dieser Sauerstoffüberschuß eine vermehrte Kraftstoffeinspritzung in den anderen Zylindern. Die Sauerstoff­ masse desjenigen Zylinders, in dem keine Einspritzung erfolgte, reagiert dann mit der vermehrten Kraftstoffmenge aus den übrigen Zylindern, und auch dieser Vorgang kann zu einer Überhitzung und somit zur Zerstörung des Katalysators führen.

In der Literatur sind verschiedene Verfahren beschrieben, die aus der Auswertung des Signals einer Lambda-Sonde oder aus einer Un­ gleichförmigkeit der Drehbewegung des Motors Rückschlüsse auf Verbrennungsaussetzer eines Zylinders zulassen. Diese Verfahren haben jedoch den Nachteil, daß sie nicht alle Zyklen mit Verbren­ nungsaussetzern sicher erkennen können, insbesondere bei kleinen Lasten oder größeren Zylinderzahlen.

Ein weiteres Problem stellt eine ungleiche Verteilung der Kraft­ stoffzufuhr dar, die beispielsweise bedingt sein kann durch die Alterung von Einspritzdüsen. Eine solche Ungleichverteilung kann bewirken, daß unerwünscht fette Gemische auftreten, was zu unnö­ tig hohen Schadstoffemissionen führt. Bei stark ungleichmäßig einspritzenden Düsen kann je nach Art der Lambda-Detektion sogar eine Überhitzung des Katalysators auftreten, weil unverbrannte Kohlenwasserstoffe aus Zylindern, die mit zu fettem Gemisch ge­ speist werden, mit überschüssigem Sauerstoff aus zu mager ge­ speisten Zylindern reagieren.

Gemeinsames Kennzeichen von Ungleichverteilung und Verbrennungs­ aussetzern ist das Vorhandensein einer erhöhten Menge reaktions­ fähigen Gemisches im Abgas.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein sicheres Verfahren zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern und/oder ungleichmäßiger Einspritzung bei Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung zu schaffen, insbesondere zur Erkennung der Gefährdung oder Schädi­ gung von Katalysatoren oder katalytischen Beschichtungen, um sau­ erstoffhaltige oxidationsfähige Gemische und/oder Alterung und/oder Vergiftungserscheinungen von Katalysatoren oder kataly­ tischen Beschichtungen festzustellen. Dabei soll auch erreicht werden, daß alle oder jedenfalls fast alle Verbrennungsaussetzer mit Sicherheit erkannt werden, und zwar auch bei kleinen Lasten oder größeren Zylinderzahlen.

Gemäß der Erfindung ist bei einem Verfahren zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern und/oder ungleichmäßiger Einspritzung bei Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung vorgesehen, daß freier Sauerstoff im Abgas der Brennkraftmaschine detektiert wird und der Anteil oder Partialdruck des Sauerstoffs im Abgas zur Feststellung von Verbrennungsaussetzern und/oder ungleichmäßiger Einspritzung ausgewertet wird.

Vorzugsweise wird dabei eine Sauerstoffsonde im Abgasstrom angeordnet und der Bereich des Nulldurchgangs ihrer Ausgangsspan­ nung zur Feststellung von Verbrennungsaussetzern und/oder un­ gleichmäßiger Einspritzung ausgewertet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird dabei eine Sauerstoffsonde im Abgasstrom angeordnet und auf ihrer Referenz­ seite der Sauerstoffpartialdruck so eingestellt, daß das Vorzei­ chen der Ausgangsspannung für ordnungsgemäßen Betrieb der Brenn­ kraftmaschine sich von dem Vorzeichen der Ausgangsspannung bei Auftreten von Verbrennungsaussetzern und/oder ungleichmäßiger Einspritzung unterscheidet.

Zur Detektierung des freien Sauerstoffs im Abgas kann in vorteil­ hafter Weise eine Sauerstoffsonde im Abgasstrom angeordnet und ihre Referenz während des Betriebes der Brennkraftmaschine einge­ stellt werden.

Auch kann es vorteilhaft sein, daß der als Referenz verwendete Sauerstoffpartialdruck durch eine Mischung von sauerstoffarmem und sauerstoffreichem Gas gebildet wird, oder daß der als Refe­ renz verwendete Sauerstoffpartialdruck durch eine Mischung von Abgas und Umgebungsluft gebildet wird. Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit ist, daß der als Referenz verwendete Sauerstoffparti­ aldruck mit Hilfe einer Sauerstoffpumpvorrichtung eingestellt wird.

Im Normalfall liegt der Sauerstoffpartialdruck bei Brennkraftma­ schinen mit innerer Verbrennung im Abgas bei Werten in der Größen­ ordnung von 1 mbar. Bei nicht erfolgter Verbrennung oder falsch eingestellter Einspritzmenge aufgrund ungleichmäßiger Einspritz­ mengenverteilung liegt der Sauerstoffpartialdruck im Abgas wesent­ lich höher (z. B. höher als 10 mbar bei Verbrennungsaussetzern). Detektiert man nun den Sauerstoffpartialdruck, so läßt sich daraus auf einen fehlerhaften Betrieb rückschließen.

Besondere Vorteile sind erreichbar, wenn nur das Überschreiten einer bestimmten Schwelle des 02-Partialdruckes detektiert wird. Wird beispielsweise als Referenz-02-Partialdruck ein Wert ein­ gestellt, der bei normalem Betrieb gerade sicher nicht erreicht wird, so kann man den Vorzeichenwechsel der Ausgangsspannung des Sensors als Kriterium für eine Fehlfunktion des Motores verwen­ den.

Dieser Effekt ist weitgehend unabhängig von Material-, Tempera­ tur- und Alterungseffekten. Da die Ausgangsspannung U des Sensors

U = K _* T _* log(02′/02′′)

ist, so ergibt sich bei Gleichheit der Partialdrücke 02′ und 02′′ gerade der Nulldurchgang. Für die Lage des Nulldurchganges spielt die Abhängigkeit von der Temperatur T und der vom Material abhän­ gigen Konstanten K keine Rolle.

Der Referenzpartialdruck kann besonders vorteilhaft durch eine Mischung von Abgas und Umgebungsluft gewonnen werden. Diese Mischung kann wahlweise durch Strömungsmischung (Turbulenzen) oder durch Diffusion oder durch eine Kombination von beidem er­ zielt werden.

Bei einer entsprechend gewählten geringen Strömungs- oder Diffu­ sionsgeschwindigkeit dieser Referenzgase kann eine automatische Einstellung des Referenzpartialdruckes erfolgen. Bei entsprechen­ der Wahl von Durchströmquerschnitten oder semipermeablen Membra­ nen kann ein Referenzpartialdruck eingestellt werden, der etwas oberhalb des normalen Sauerstoffpartialdruckes des Abgases liegt. Erfolgt dann bei einem Zyklus keine Verbrennung, liegt an der Meßseite ein deutlich höherer Sauerstoffpartialdruck an als auf der Referenzseite. Hierdurch erfolgt ein Vorzeichenwechsel im Ausgangssignal, und dies ist ein sicheres Zeichen für einen Sau­ erstoffüberschuß im Abgas und somit für einen Verbrennungsausset­ zer.

Bei entsprechender Wahl des sich einstellenden Referenzpartial­ druckes kann auch auf ungleichmäßige Einspritzung geschlossen werden, da sich hierbei bedingt durch eine vorhandene Lambdare­ gelung ein größerer Anteil an freiem Sauerstoff im Abgas befin­ det.

Die Zeichnung zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Meß­ einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.

Eine Sauerstoffsonde 1 (ohne katalytische Beschichtung) wird von einer Seite 2 mit reinem Abgas entsprechend Pfeil 3 beaufschlagt. Auf der anderen Seite 4 wird ein Gemisch aus Abgas und Umgebungs­ luft eingestellt. Dies wird bei dem dargestellten Ausführungs­ beispiel erreicht durch Verbindungen über teildurchlässige Bereiche 5 und 6, wobei Bereich 5 sich auf der Seite des Abgases befindet und Bereich 6 eine Verbindung durch eine Trennwand 7 zur Außenluft 8 herstellt.

Über das Verhalten der teildurchlässigen Bereiche 5 und 6 kann sowohl der gewünschte Referenz-Sauerstoffpartialdruck als auch die Einstellgeschwindigkeit dieses Partialdruckes beeinflußt wer­ den. Um die Einstellgeschwindigkeit zu erhöhen, kann an eine Öff­ nung 9 eine Unterdruckquelle angelegt werden. Im Normalfall wird diese Öffnung aber verschlossen bleiben.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. So kann beispielsweise die Sauer­ stoffkonzentration der Referenzzelle über eine Sauerstoffpump­ vorrichtung eingestellt werden, wie sie im wesentlichen aus DE 37 14 543.6 bekannt ist.

Claims (7)

1. Verfahren zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern und/oder ungleichmäßiger Einspritzung bei Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung, dadurch gekennzeichnet, daß freier Sauerstoff im Ab­ gas der Brennkraftmaschine detektiert wird und der Anteil oder Partialdruck des Sauerstoffs im Abgas zur Feststellung von Ver­ brennungsaussetzern und/oder ungleichmäßiger Einspritzung ausge­ wertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sauerstoffsonde im Abgasstrom angeordnet und der Bereich des Nulldurchgangs ihrer Ausgangsspannung zur Feststellung von Ver­ brennungsaussetzern und/oder ungleichmäßiger Einspritzung ausge­ wertet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sauerstoffsonde im Abgasstrom angeordnet und auf ihrer Referenz­ seite der Sauerstoffpartialdruck so eingestellt wird, daß das Vorzeichen der Ausgangsspannung für ordnungsgemäßen Betrieb der Brennkraftmaschine sich von dem Vorzeichen der Ausgangsspannung bei Auftreten von Verbrennungsaussetzern und/oder ungleichmäßi­ ger Einspritzung unterscheidet.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur De­ tektierung des freien Sauerstoffs im Abgas eine Sauerstoffsonde im Abgasstrom angeordnet und ihre Referenz während des Betriebes der Brennkraftmaschine eingestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Detektierung des freien Sauerstoffs im Abgas eine Sauerstoffson­ de im Abgasstrom angeordnet wird und der als Referenz verwendete Sauerstoffpartialdruck durch eine Mischung von sauerstoffarmem und sauerstoffreichem Gas gebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur De­ tektierung des freien Sauerstoffs im Abgas eine Sauerstoffsonde im Abgasstrom angeordnet wird und der als Referenz verwendete Sauerstoffpartialdruck durch eine Mischung von Abgas und Umge­ bungsluft gebildet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Detektierung des freien Sauerstoffs im Abgas eine Sauerstoffson­ de im Abgasstrom angeordnet wird und der als Referenz verwendete Sauerstoffpartialdruck mit Hilfe einer Sauerstoffpumpvorrichtung eingestellt wird.