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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anlage
und ein Verfahren zur Reinigung von Kraftfahrzeugemissionen, und
insbesondere auf eine solche Anlage bzw. ein Verfahren, die/das
gleichzeitig eine Katalyse und eine Rückführung des
Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zur Maximierung der Reinigung einsetzt.
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Zur Verbesserung des Umwandlungswirkungsgrades in einem
Katalysatorsystem beschreitet die herkömmliche Technik im
wesentlichen zwei Wege: (i) Veränderung der chemischen oder
physikalischen Auslegung der Katalysatorelemente innerhalb der
Wandlerkammer, oder (ii) Veränderung der an die Wandlerkammer
abgegebenen Gasemissionen. In bezug auf die Änderung der
Katalysatorelemente ist aus dem bisherigen Stand der Technik ein
Dreiwegekatalysator hervorgegangen (der HC, CO und NOx umwandelt), und
zwar durch Einsatz einer Kombination aus Edelmetallen, die als
Beschichtung auf ein stabilisiertes Aluminiumoxid-Substrat
aufgetragen
werden, das wiederum von einem monolithischen Keramik-
Wabenkern getragen wird. Der Kern ist so konstruiert, daß die
Gasemissionen mit veränderlicher Raumgeschwindigkeit in einem
geradlinigen, ununterbrochenen Axialstrom durch ihn
hindurchfließen. Durch eine derartige Katalysatorkonstruktion allein
können die auf unregelmäßigen und statistisch nicht
vorhersehbaren Sauerstoffpegelschwankungen (chemisches "Rauschen") sowie
auf statistisch vorhersehbaren Abweichungen des Sauerstoffpegels
(Übergangs-Abweichungen) beruhenden Mängel in der Umwandlung
nicht behoben werden, die insbesondere beim Warmlauf und beim
Kaltstart des Motors auftreten können. Chemisches "Rauschen" im
Abgas entsteht durch die Vermischung von turbulenten fetten und
mageren Wirbelströmen, die sich jeweils aus veränderlichen
Zylinderabgasen und unvollständiger Verbrennung in den Zylindern
ergeben. Die explosionsartige Verbrennung schwankt naturgemäß von
einem Zylinder zum anderen aufgrund unterschiedlicher
Verbrennungsgeschwindigkeiten und unterschiedlichen Impulswellen. Zu
diesen Schwankungen addieren sich die unterschiedlichen Längen
der Auslaßkanäle bis zur Mischung der Abgase zu einem gemeinsamen
Strom. Die Abweichungen beim chemischen "Rauschen" sind nicht
voraussagbar und mache eine ideale Regelung des Sauerstoffpegels
unmöglich. Übergangs-Abweichungen bezeichnen eine zeitweilige
reelle Abweichung von einem Durchschnitts-Sauerstoffpegel
aufgrund unvollständiger Verbrennung, und sollten zwecks
Kompensierung präzis gemessen werden. Übergangs-Abweichungen werden
nicht als unregelmäßig angesehen und sind voraussagbar.
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Bezüglich der Änderungen in den zugeführten Abgasen hat
sich beim bisherigen Stand der Technik gezeigt, daß das Volumen
an der Katalysatorkammer zur Umwandlung zugeführten Schadstoffen
(HC, CO, NOx) um so niedriger ist, je enger das Luft-Kraftstoff-
Verhältnis (A/F) im Motor an dem stöchiometrischen Verhältnis
liegt. Obwohl A/F-Rückführungssysteme zum Einsatz gebracht
wurden, bestehen weiterhin vorübergehende und unregelmäßige
Verbrennungseffekte, die verhindern, daß die Katalysatoren die
gewünschten hohen Umwandlungswerte erreichen, die zur Einhaltung
der zu erwartenden staatlichen Emissionsschutzvorschriften so
notwendig sind. Selbst geringfügige Ungenauigkeiten der A/F-
Messung oder geringfügiger Verzug zwischen der Messung am Geber
und der Rückmeldung können zum Pendeln der
Luft-Kraftstoff-Regelung führen und zu deren Unfähigkeit, die für 1994 zu erwartenden
staatlichen Emissionsschutzvorschriften einzuhalten, und zwar (in
gm/mi bei einem Zählerstand des Fahrzeuges von ca. 75.000 bis
100.000 Meilen) von 0,25-0,31 HC, 3,4-4,2 CO, 0,4 NOx und 0,29-
0,36 THC (Kohlenwasserstoff-Gesamtanteil). Außerdem werden solche
unregelmäßigen Effekte durch das Altern des Katalysators und des
Rückmeldesystems im Laufe der Zeit allmählich verstärkt, so daß
die Anlage die zu erwartenden bundesgesetzlichen
Langzeitanforderungen, die ab dem Jahr 2002 und darüber hinaus wirksam werden
(bei 100.000 Meilen), und welche im wesentlichen auf die Hälfte
der für 1994 zu erwartenden Vorschriften reduziert sind, nicht
mehr einhalten kann.
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Bei der vorliegenden Erfindung wurde eine ganz
erhebliche Verbesserung festgestellt, wenn ein dicht beschickter
Filterkatalysator mit geringer Masse stromoberhalb eines linearen
Breitband-Universal-Abgas-Sauerstoffsensors (UEGO) in einer
Rückkopplungsschleife mit einer Verstellvorrichtung des
Luft-Kraftstoff-Verhältnisses kombiniert wird; bei einer solchen
Kombination werden die Abgase vor ihrem Eintritt in einen
Haupt-Wandlerkatalysator verarbeitet. Der Anmelderin ist keine Vorrichtung
nach dem bisherigen Stand der Technik bekannt, die (a) den
Einsatz von Filterkatalysatoren in Betracht zieht (welche
unregelmäßige Verbrennungseffekte und chemisches "Rauschen"
herausfiltern können), wobei diese in der Regel nur einen geringen
Anteil der Schadstoffemissionen eines fahrenden Fahrzeuges
umwandeIn; (b) einen einzelnen, dem Hauptkatalysator vorgeschalteten
und dem Filterkatalysator nachgeschalteten
"UEGO"-Sauerstoffsensor verwendet; und (c) einen automatischen Ausgleich des
Leistungsabfalls des Katalysators oder der Ansprechzeit des Sensors
gewährleistet.
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Die erste Grundkonstruktion eines nicht-umschaltenden
(stetigen) Abgassensors, der für die vorliegende Erfindung
erforderlich ist, stammt aus dem Jahre 1981, mit der Ausgabe der US-
Patentschrift Nr. 4,272,329 von Hetrick (erteilt an die Ford
Motor company). Diese Patentschrift beschreibt einen Mehrzellen-
Sauerstoffsensor, der sich besser für die Einhaltung engerer
Emissionsschutznormen eignet. Ein Geber nach diesem Patent
liefert ein linearisiertes Ausgangssignal, das mit größerer
Genauigkeit ein breiteres Band des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses mißt,
während es im wesentlichen temperaturunempfindlich ist, so daß
temperaturbedingte Ungenauigkeiten vermieden werden. Zwischen
1986 und 1988 veröffentlichte Aufsätze zeugen von der Anerkennung
solcher "UEGO"-Sensoren in technischen Kreisen, wenn die Sensoren
bei großen Bandbreiten von Luft-Kraftstoff-Verhältnissen unter
Einsatz eines geschlossenen Rückkopplungssystems angewendet
werden (wobei geschlossene Rückkopplung hierin bedeutet, daß eine
kontrollierte gemessene Menge mit einem die gewünschte Leistung
darstellenden Sollwert verglichen wird). Zu solchen Aufsätzen
zählen: (1) I.Murase, A.Moriyama und M.Nakai, "A Portable Fast
Response Air-Fuel Ratio Meter Using An Extended Range oxygen
Sensor" (Tragbares Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Meßgerät mit einem
Breitband-Sauerstoffsensor), SAE Aufsatz Nr. 880559, 29.Feb.
1988; (2) J.Ishii, M.Amano, T.Yamauchi und N.Kurihara, "Wide-
Range Air-Fuel Ratio Control Systems" (Breitband-Luft-Kraftstoff-
Verhältnis-Steuersysteme), SAE Aufsatz Nr. 880134, 29.Feb. 1988;
(3) S. Ueno, N.Ichikawa, S.Suzuki und K.Terakado, "Wide-Range
Air-Fuel Ratio Sensor" (Breitband-Luft-Kraftstoff-Verhältnis-
Sensor), SAE Aufsatz Nr. 860409, 1986; und (4) S.Suzuki,
T.Sasayama, M.Miki, M.Ohsuga und S.Tanaka, Air-Fuel Ratio Sensor for
Rich, Stoichioietric and Lean Ranges"
(Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor für fette, stöchiometrische und magere Bereiche), SAE
Aufsatz 860408, 1986.
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Was die konstruktive Weiterentwicklung von
"UEGO"-Sensoren nicht beschreibt, ist die Art und Weise, wie diese in einem
System so eingesetzt werden, daß deren potentielle Präzision
genutzt werden kann. Bei Anwendungsfällen von einfacheren
Abgassensoren
(Zweipunktsensoren) nach dem Stand der Technik kommen (a)
einzelne Zweipunktsensoren mit einem oder zwei Katalysatorkörpern
oder (b) doppelte Zweipunktsensoren mit einem oder zwei
Katalysatorkörpern zum Einsatz. Zweipunktsonden (unstetige Sensoren)
weisen eine sehr steile Signaländerung bei oder im Bereich der
Stöchiometrie auf.
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Ein einzelner Abgassensor der unstetigen Art, der
stromoberhalb in bezug auf den Katalysatorkörper angeordnet ist,
wurde in der US-PS 4,000,614 (1977) verwendet. Der Sensor wurde
in einer Rückkopplungsschleife angeordnet und konnte nur eine
Meßgenauigkeit des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses von ± 1-2 % um
den Bereich der Stöchiometrie erzielen. Dieser schlechte
Toleranzbereich des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist
charakteristisch für übermäßiges Pendeln und Überkorrektur durch die
Sauerstoffsonde, was teilweise durch deren Anordnung und teilweise
durch den Einsatz einer Zweipunkt-Sonde bedingt ist, wie es für
die in den 70er Jahren verwendeten Sonden charakteristisch ist.
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Mit der US-PS 3,961,477 (1976) wurde ein Versuch
unternommen, eine Abgassonde zwischen zwei Katalysatorkörpern
anzuordnen, wobei der stromaufwärtige Körper ein Oxydationskatalysator
ist, und der stromabwärtige KörPer ein Reduktionskatalysator ist.
Dieses Patent ist auch ein frühes Beispiel für eine
Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelung im geschlossenen Regelkreis, und ist
stellvertretend für eines der wirksamsten Konzepte der 70er
Jahre. Die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Toleranz ist gering,
teilweise aufgrund des Einsatzes eines Abgassensors mit
Zweipunktcharakteristik, und aufgrund der Lufteinspritzung unmittelbar
stromoberhalb des Sensors, welche dessen Fähigkeit, den
Sauerstoffgehalt der Abgase genau zu messen, beeinträchtigt. Dieses
Referenzdokument beschreibt den Katalysator nicht in bezug auf
seine Füllung oder seinen Wirkungsgrad.
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Der Einsatz von mehr als einem Abgassensor ist in den
US-Patentschriften 3,939,654, 4,251,990 und 4,761,950
beschrieben. In der US-A-3,939,654, werden unstetige Sauerstoffsonden
(Zweipunkt-Sensoren) jeweils stromoberhalb und stromunterhalb von
einem Katalysatorkörper angeordnet, während ein
Rückführungssystem in geschlossenem Regelkreis zu einer
Kraftstoffeinspritzvorrichtung geführt wird. Dieses Patent weist auf Probleme mit
der Ansprechzeit und der Genauigkeit der Sauerstoffsensoren hin
und führt einige der Probleme auf den Katalysator selbst zurück,
unabhängig dabvon, welcher Art er ist. Zur Steuerung der
Rückkopplungsschleife des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses werden ein
Komparator und ein Integrator eingesetzt. Wenn auch damit die
Langzeit-Präzision um ein gewisses Maß gegenüber einem einzelnen
Zweipunkt-Sensor erhöht wird, so kann damit doch keine
Verbesserung der Genauigkeit auf unter ± 1 % erzielt werden.
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In der US-A-4,251,990 werden Doppelsensoren verwendet;
eine Abgassensor ist stromoberhalb von zwei in Reihe geschalteten
Katalysatoren angeordnet. Auch hier werden wieder
Zweipunktsensoren verwendet, die Ungenauigkeiten in Übergangssituationen der
Luft-Kraftstoff-Verhältnisregelung und Ansprechverzögerung
gegenüber den zu vergleichenden Signalen mit sich bringen, was zur
dauerndem Pendeln und schlechten Ansprechverhalten führt.
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Die US-A-4,761,950 verwendet ein Programm (siehe
Rücklauf-Steueralgorithmus in Figur 4D), bei welchem die
Informationnen des stromabwärtigen Gebers dazu eingesetzt werden, einen
stromoberhalb in der Nähe eines einzelnen Katalysatorkörpers
angeordneten Sensor zu verändern, worauf die Informationen zu
Steuerzwecken verglichen werden. Auch hier handelt es sich wieder
um Zweipunktsensoren, und das System leidet an der ungenauen
Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und an der Verzögerung
des Komparators.
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US-A-4,251,990 offenbart den Einsatz einer zwischen
einem Start- und einem Hauptkatalysator angeordneten Lambda-
Sonde.
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Keine der bisherigen patentierten Vorrichtungen
verbessert die Ansprechzykluszeit der Geber innerhalb oder unabhängig
von einem System.
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Erfindungsgemäß wird eine Anlage zur Reinigung der bei
der Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in den Zylindern
einer Brennkraftmaschine erzeugten Abgasstromes geschaffen,
welche Anlage einen ersten im Abgasstrom angeordneten
Dreiwegekatalysator aufweist, einen stromunterhalb des besagten ersten
Katalysators angeordneten zweiten Dreiwege-Hauptkatalysator zur
Reduzierung der verbleibenden Schadstoffemissionen auf den
gewünschten Pegel, eine zwischen den besagten Katalysatoren in besagtem
Gasstrom angeordnete Abgas-Sauerstoffsonde zur Anzeige des
Sauerstoffgehalts in dem aus dem ersten Katalysator austretenden
Gasstrom, und Steuermittel zur Einstellung, im geschlossenen
Regelkreis, des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des besagten Gemisches,
dadurch gekennzeichnet, daß der besagte erste Katalysator ein
Dreiwege-Filter-Katalysator mit geringer Masse ist, der unter
Nicht-Leerlauf-Bedingungen des Motors 40 bis 60 % der
Schadstoffemissionen aus besagtem Gasstrom herausfiltert und unter
Leerlauf-Bedingungen des Motors bis zu 80 bis 85 % der
Schadstoffemissionen aus besagtem Gasstrom herausfiltert, daß die besagte
Sonde eine Sonde für kontinuierlichen Betrieb mit einer
Ansprechzeit von weniger als 60 Millisekunden ist, und daß besagte
Steuermittel Proportionalsteuermittel sind, die das
Luft-Kraftstoff-Verhältnis in besagtem Gemisch im geschlossen Regelkreis
durch interaktives Ansprechen auf eine Abweichung des gemessenen
Sauerstoffgehaltes von einem Sauerstoff-Sollgehalt einstellen.
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Das die Erfindung verkörpernde System regelt
unerwünschte Emissionen auf einen bisher noch nicht erreichten
niedrigen Wert, indem eine geschlossene Luft-Kraftstoff-Verhältnis-
Rückkopplungsschleife zwischen einem Motor und einem Katalysator
verbessert wird. Das System bietet eine höhere Rückmeldegüte bei
Frequenzen von 3-6 Hz für den Regelkreis, und einen Geber, der
innerhalb eines Zeitraumes anspricht, der unter 60 Millisekunden
liegt, und es bietet eine Reglerauf lösung zur Einhaltung des
Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einem Bereich von ± 0,01-0,02%
um die Stöchiometrie, unabhängig von unregelmäßigen
Verbrennungseffekten, Schwankungen in der Kraftstoffeinspritzung,
Schwankungen des Einlaßluftanteils, Schwankungen der Bedingungen von einem
Zylinder zum anderen und Schwankungen der Abgasturbulenzen.
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Der "UEGO"-Sensor ist interaktiv mit dem
Filterkatalysator verbunden, so daß chemisches "Rauschen" ausgeschaltet
werden kann und der Verstärkungsfaktor der
Luft-Kraftstoff-Rückmeldeschleife zur Kompensation der Alterungserscheinungen
verändert werden können. Diese Interaktion wird dadurch erreicht,
daß der "UEGO"-Sensor stromunterhalb des Filterkatalysators
angeordnet wird, daß der Umwandlungswirkungsgrad des
Filterkatalysators begrenzt wird, und daß die Interaktionsbeziehung zwischen
Sensor und dem die Kraftstoffeinspritzung und damit den
Filterkatalysator beeinflussenden Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regler so
ausgelegt wird, daß dessen Ansprechvermögen erheblich verbessert
wird. Durch eine derartige Interaktion wird gewährleistet, daß
der Sensor komplementär und in dem Empfindlichkeitsverlauf des
Filterkatalysators entgegengesetzter Richtung arbeitet, um so
chemisches "Rauschen" auszuschalten.
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Geringe Masse bedeutet vorzugsweise eine Masse von
weniger als 500 Gramm, und geringes Volumen bedeutet vorzugsweise
ein Volumen von weniger als 328 cm³ (20 in³); hohe Masse bedeutet
eine Masse von mehr als 1000 Gramm, und hohes Volumen bedeutet
ein Volumen von mehr als 656 cm³ (40 in³). Der Filterkatalysator
hat eine vorbestimmte begrenzte Umwandlungswirkung von 40-60 %
bei Nicht-Leerlaufbedingungen, und von 80-85 % bei
Leerlaufbedingungen, wenn der Motor eine Leerlauf-Raumgeschwindigkeit von
20 K/h aufweist. Der Filterkatalysator ist vorzugsweise dicht mit
Edelmetall gefüllt (d.h. im Bereich von 1430 bis 2145 Gramm pro
m³ (40 bis 60 Gramm pro Kubikfuß)) und weist eine Länge von 5-10
cm (2-4 Zoll) und ein Volumen von 262-328 cm³ (16-20 in³) auf.
Der Filterkatalysator ist vorzugsweise in einem Abstand von 1-4
Zoll von der Quelle eines ganzheitlichen Abgasstromes angeordnet
und stellt etwa 10-20 % der gesamten Katalysatorkapazität.
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In bezug auf die UEGO-Sonde bedeutet stromabwärtige
Anordnung, daß sie in Strömungsrichtung unten angeordnet ist,
Breitbandsonde bedeutet, daß sie universell zur präzisen Messung
des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses unter fetten, mageren und etwa
stöchiometrischen Bedingungen geeignet ist.
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Die Sonde ist vorteilhaft so konstruiert, daß sie zwei
oder mehrere Zellen (d.h. Pump- und Referenzzellen) aufweist, um
so eine kontinuierliche lineare Ausgangscharakteristik und (über
bzw. unter Stöchiometrie) eine symmetrische Ansprechzeit zu
erreichen. Eine derartige Sonde besitzt in der Regel eine von den
Elektroden entfernte Spinellschicht und eine
Dünnwand-Diffusionsstrecke, die durch eine poröse Beschichtung des
Diffusionshohlraumes gebildet wird. Die Sonde besitzt Geberelemente mit
geringer Masse von weniger als fünf Gramm und bringt vorzugsweise vier
gekapselte Elektroden zum Einsatz, wobei die Sonde eine
Ansprechzeit von weniger als 60 Millisekunden hat. Eine solche
linearisierte Sonde zeichnet sich durch eine Genauigkeit von ± 3 % (in
bezug auf den Betriebspunkt) aus, bei Lambdawerten von 0,7 und
1,4, wobei die Präzision zu Lambda 1 hin zunimmt, wo ihre
Streuung nicht mehr als ± 0 07 % beträgt; Lambda bedeutet hier das
Verhältnis von tatsächlichem Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu
stöchiometrischem Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
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Der Hauptkatalysator ist vorzugsweise etwa vier Zoll
von dem stromoberhalb befindlichen Filterkatalysator entfernt
angeordnet und ist so beschickt, daß er bis zu 90 % der Emissionen
bei einer Raumgeschwindigkeit von 400 K/h bei hoher
Motorbelastung umwandelt.
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Das Verfahren zur Kompensation der chemischen Alterung
einer die vorliegende Erfindung verkörpernden Katalysatoranlage
aus zwei in Reihe geschalteten Katalysatoren und einer den beiden
Katalysatoren zwischengeschalteten linearisierten UEGO-Sonde,
wobei der stromaufwärtige Katalysator so beschickt ist, daß er eine
begrenzte Umwandlung der Schadstoffemissionen ausführt und die
unregelmäßigen Verbrennungseffekte der Emissionen herausfiltert,
und wobei Spannungsschwankungen der Sonde zur Regelung des
Luft-Kraftstoffgemisches in einem bestimmten Bereich bzw. um diesen
Bereich herum eingesetzt werden, beinhaltet die folgenden
Schritte: (a) empirische Bestimmung der chemischen Abnutzung des
stromaufwärtigen Katalysators bei einer vorbestimmten Verwendungsart,
die den Umwandlungswirkungsgrad allmählich reduziert und einen
größeren Anteil an Schadstoffgasemissionen durchläßt; (b)
empirische Bestimmung der Abnutzungsrate der Sonde bei normalem
Einsatz, der eine allmähliche Verzögerung der AnsPrechzeit und
Verminderung des Verstärkungsfaktors der Sonde herbeiführt; (c)
Erstellen einer ursprünglichen Verstärkungscharakteristik für die
Rückkopplungsschleife, ausgehend von der empirisch bestimmten
Abnutzungsrate, so daß mit zunehmender Alterung der Sonde deren
Verlust an Verstärkungscharakteristik den aufgrund der Abnutzung
erhöhten Durchsatz an Schadstoffgasen durch den stromaufwärtigen
Katalysator kompensiert, wodurch ein gleichbleibendes
Ansprechverhalten des Regelkreises und ein gleichbleibendes
Umwandlungsniveau der Gasemissionen im stromabwärtigen Katalysator
gewährleistet wird.
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Der Verstärkungsfaktor der besagten
Rückkopplungsschleife wird vorzugsweise 20 % unter dein Wert angesetzt, der für
den normalen Meßbetrieb nötig ist. Die Konstruktion der Sonde
sollte die Fähigkeit einer höheren Ansprechfrequenz als
derjenigen gewährleisten, die für den maximalen Wirkungsgrad eines
gealterten Katalysators erforderlich ist.
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Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die
beiliegenden Zeichnungen beispielartig näher erläutert, dabei
zeigen:
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Figur 1: eine Kombinationsansicht eines Motors im
Stirnschnitt sowie einer perspektivischen Darstellung des
Abgaskrümmers und der Katalysatorkörper und interaktiven Steuere
inrichtungen für die vorliegende Erfindung;
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Figur 2: eine schematische Ansicht einer herkömmlichen
Zweipunkt-Sauerstoff sonde (bisheriger Stand der Technik);
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Figur 3: eine Kurve der Ausgangsspannung als Funktion
des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses für die
Zweipunkt-Sauerstoffsonde der Figur 2;
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Figur 4: eine schematische Darstellung einer
Universal-Abgas-Sauerstoffsonde für den Einsatz in der Anlage und in dem
Verfahren nach der vorliegenden Erfindung;
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Figur 5: eine Kurve des Luft-Kraftstoff-Ausgangssignals
als Funktion des Luftüberschusses für die Sonde nach Figur 4;
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Figur 6: ein schematisches Steuerdiagramm des
erfindungsgemäßen Systems; und
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Figur 7: eine Reihe von graphischen Darstellungen von
Daten, welche den Betrieb in einer geschlossenen
Rückkopplungsschleife nach der vorliegenden Erfindung illustrieren.
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Ein die Erfindung verkörperndes interaktives
Rückführungssystem zwischen Katalysator und
Kraftstoffeinspritzvorrichtung erzielt eine bisher noch nicht erreichte Feinheit der
Regelung des mittleren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Echt zeit
mit einem Auflösungsvermögen von ± 0 01-0,02 % um die
Stöchiometrie, d.h. innerhalb einer Ansprechzeit von weniger als 60
Millisekunden, und gleicht die Alterung des Katalysatorkörpers
oder des Kraftstoffsteuersystems im Laufe der Zeit aus, wobei das
System eine solche hohe Auf lösung und kurze Ansprechzeit trotz
solcher Änderungen der Motorkennwerte und der Abnutzung des
Katalysatorkörpers oder des Kraftstoffsystems über der Zeit
gewährleistet, die eine solche hohe Auflösung und kurze Ansprechzeit
sonst beeinträchtigen. Dies wird hierbei durch eine einzigartige
Kombination eines Filterkatalysators mit geringer Masse und einer
linearen Breitband-Mehrzellen-Abgassauerstoffsonde mit geringer
Masse erreicht, die gegen Verschmutzung und Umgebungstemperatur
geschützt ist, wobei diese Kombination stromoberhalb eines
herkömmlichen Dreiwegekatalysators angeordnet ist.
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Wie Figur 1 zeigt, umfassen die Elemente einer Anlage
zur Reinigung der bei der Verbrennung in einer Brennkraftmaschine
erzeugten Gasemissionen: einen Motor 10 mit einem Brennraum 11
und einer Luft-Kraftstoff-Versorgung 12 mit einem Lufteinlaß 15,
einer Luftdrosselklappe 17, einem Luft-Kraftstoff-Messer 16 und
einer Einpunkt-Kraftstoffeinspritzdüse 13; in bestimmten Fällen
kann ein Ultraschall-Kraftstoffzerstäuber 14 eingesetzt werden.
Von jedem Verbrennungszylinder bzw. Brennraum 11 her
zusammengeführte Abgaskanäle 18 vereinigen sich zu einem gemeinsamen
Abgasstrom 19. In diesen Abgasstrom 19 ist nahe der Stelle, an
welcher die Abgaskanäle zu einem gemeinsamen Abgasstrom
zusammengeführt
werden, ein Filterkatalysator 20 mit geringer Masse
eingesetzt. Eine Breitband-Universal-Abgassauerstoffsonde (UEGO) 21
ist unmittelbar unterhalb des Filterkatalysators angeordnet, und
ein Hauptkatalysator 22 ist unterhalb der Sonde 21 angeordnet.
Eine interaktive Steuerung 23 ist teilweise in die
Abgassondenkonstruktion integriert und verbindet die Sonde 21 zum Teil mit
der Kraftstoffeinspritzdüse 13 und mit anderen Motorparametern
in einer geschlossenen Rückkopplungsschleife.
Filterkatalysator
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Der Filterkatalysator 20 muß mit großer Sorgfalt im
Abgasstrom angeordnet werden und muß so strukturiert sein, daß er
bei geringer Volumenmasse eine derartige Dreiwegekapazität
aufweist, daß er die unregelmäßigen Verbrennungseffekte aus dem
Abgasstrom herausfiltern kann. Unregelmäßige Verbrennungseffekte
treten dann auf, wenn turbulente fette und magere Wirbelströme,
die aus den sich verändernden Verbrennungsbedingungen in den
einzelnen Verbrennungszylindern entstehen, aufeinander treffen;
diese Wirbelströme stellen ein Gemisch aus normalen vollständig
verbrannten Zylinderabgasen und unvollständigen
Verbrennungsprodukten der Zylinder dar. Die Wirbelströme sind unregelmäßig. Um als
Filter und Vorkatalysator zu arbeiten, sollte der Katalysator 20
eine geringe Masse von etwa 300 bis 500 Gramm und ein geringes
Volumen von etwa 246-328 cm³ (15-20 in³) aufweisen, die
zusammengenommen vorzugsweise Frequenzen über 10 Hz herausfiltern. Der
Filterkatalysator sollte bei rundem Querschnitt nur eine relativ
kurze Länge von etwa 2-4 Zoll aufweisen. Der Filterkatalysator
sollte so ausgelegt sein, daß eine hohe Raumgeschwindigkeit
entsteht (d.h. wenigstens 50 K/h bei Motorleerlauf und wenigstens
350 K/h bei voll geöffneter Drosselk1appe). Der Filterkatalysator
stellt nur 10-20 % des gesamten Katalysatorvolumens für das
Systemganze dar (Filter plus Hauptkatalysator). Ein solcher
Katalysator kann von einer Monolithstruktur mit einer Porendichte von
31-62 Zellen pro cm² (200-400 Zellen pro Quadratzoll) getragen
werden, oder von einem Drahtnetz.
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Der keramische Zellen-Monolithträger kann in
unmittelbarer Nähe zu dem Auspuffkrümmer arbeiten; eine herkömmliche
Washcoat-Glasur kann zur Stabilisierung des Monoliths für den
Einsatz bei hohen Temperaturen an einer solchen Stelle verwendet
werden. Der Filterkatalysator sollte vorzugsweise möglichst nahe
an der Quelle des Abgasstromes angeordnet werden, ohne dabei die
Wirkung des Filterkatalysators zu beeinträchtigen. In einer
bevorzugten Ausführungsform ist er in einem Abstand von 3-4 Zoll
von der Quelle des Emissionsstromes 19 angeordnet (dort, wo die
Abgasströme der Zylinder zu einem gemeinsamen Strom
zusammentreffen).
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Der Filterkatalysator muß eine dichte Edelmetallfüllung
aufweisen, insbesondere eine Edelmetallfüllung im Bereich von
1430-2145 Gramm pro m³ (40-60 g/ft³). Das Edelmetall kann Platin,
Palladium oder Rhodium sein, in Kombination oder getrennt
vorliegend, um sowohl die Oxydation als auch die Reduktion der
Schadstoffe in dem Abgasstrom zu gewährleisten, wie es allgemein
bekannt ist. Dabei kommt es darauf an, daß ein solcher
Filterkatalysator 40-60 % der Schadstoffelemente bei hoher Motorlast
umwandeln kann, und bis zu 80-85 % bei Leerlaufbedingungen; dies
wird durch entsprechende Berechnung der Masse, der
Edelmetallfüllung, der Größe und der Raumgeschwindigkeit des
Filterkatalysators erreicht.
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Ein solcher Filterkatalysator muß chemisches "Rauschen"
(Störeinflüsse) ausschalten können, da solches "Rauschen" eine
recht hohe Frequenz genau im Filterbereich eines solchen
gealterten oder nicht gealterten Katalysators mit kleiner Volumenmasse
aufweist. Die niedrigste zu erwartende Frequenz des chemischen
Rauschens, die von dem Verbrennungszylinder ausgesendet wird,
liegt bei ca. 10 Hz; dies liegt genau in der Filterkapazität
eines solchen Katalysators. Das Umwandlungsvermögen eines
derartigen neuen Filterkatalysators geht etwas über das
Herausfiltern von chemisches Rauschen erzeugenden unregelmäßigen
Verbrennungseffekten hinaus, da die Katalysatorkonstruktion auch die
unvermeidliche Alterung des Katalysators berücksichtigen muß.
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Würde der Filterkatalysator so ausgelegt, daß anfangs
eine höhere Umwandlungswirkung erzielt wird, als hier
beschrieben, so würde dadurch die Ansprechzeit des
Rückführungs-Steuersystems und der Sonde im ganzen nachteilig beeinflußt, da die
Regelschleife damit gedämpft würde; eine stärker gedämpfte und
langsamere Regelfrequenz (Grenzzyklusfrequenz) würde jedoch
größere Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Schwankungen zulassen, mit
entsprechendem Wirkungsverlust des Katalysators. Die
Grenzzyklusfrequenz ist der Kehrwert der Zeit, die nötig ist, um einen
Umschwung des Steuerzyklus von fett nach mager und wieder zurück
nach fett auszuführen. Die Grenzzyklusfrequenz wird durch die
Summe der Reaktionszeiten in dem Regelkreis bestimmt und
beinhaltet die Ansprechzeit der Sonde, die Gastransportzeit,
Verzögerungen der Emissionsregelelektronik und Durchlauf zeiten der
Programmalgorithmen.
Sonde
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Die für das Zusammenwirken der Sonde in Verbindung mit
der vorliegenden Erfindung erforderlichen wesentlichen
Eigenschaften der Sonde beinhalten wenigstens die Grundform der
Nernst'schen elektrochemischen Zelle, oft auch als
Zweipunkt-Sauerstoffsonde bezeichnet. Wenn dieser Grundbaustein auch
wichtig für die Sonde ist, so kommt es doch darauf an, daß die
komplette Sonde nicht zweipunktartig bzw. stufenweise arbeitet,
sondern die hier beschriebenen Verfeinerungen beinhaltet.
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Die in der Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
im Motorenbau im Laufe der 70er und 80er Jahre verwendeten Sonden
waren im wesentlichen Zweipunkt-Sonden. Diese galvanischen
Zweistufen-ZrO&sub2;-Sonden haben eine weit verbreitete Anwendung gefunden
[auch als Sauerstoffsonde, EGO-Sonde (exhaust gas oxygen), HEGO-
Sonde (heated exhaust gas oxygen), elektrochemische Zelle,
Lambda-Sonde und Kraftstoffzelle bezeichnet]. Diese Sonden messen
typischerweise den Sauerstoff-Partialdruck in von einem Motor
erzeugten Abgas; die Sauerstoffkonzentration am Motorausgang wird
dabei zu dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Motors in Beziehung
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gesetzt. Wenn die Sauerstoffkonzentration am Motorausgang mit
einem Gasanalysator gemessen wird, besteht keine eindeutige
Beziehung zwischen Sauerstoffkonzentration und
Luft-Kraftstoffverhältnis, insbesondere bei Luft-Kraftstoff-Verhältnissen in der
Nähe des stöchiometrischen Bereiches. Der Einsatz von
katalytischen Werkstoffen in dem Sensor fördert eine ausgeglichene
Sauerstoffmessung. Allerdings ist die Raumgeschwindigkeit an einer
kleinen Sensorelektrode so groß, daß bei tatsächlichem
Motorbetrieb nur ein geringer Ausgleich stattfindet. Diese Sonden
schalten bei Stöchiometrie, wie die Nernst'sche Gleichung
voraussagt, nur bei voll ausgeglichenem, stabilisiertem Betrieb bei
hohen Temperaturen um. Leider liegen diese Bedingungen nie oder
nur selten bei echtem Motorbetrieb vor, wie zahlreiche
SAE-Aufsätze und Patentschriften andeuten.
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Die Grenzen von Zweipunkt-Sauerstoffsensoren sind: (a)
ihre Unfähigkeit, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit einer
Präzision von mehr als 1 % genau zu bestimmen, sowie unerwünscht lange
Sensor-Ansprechzeit und Umschaltzeit; und (b) die Tatsache, daß
sie Übergangsschwankungen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in
der Nähe des stöchiometrischen Bereiches nicht messen können, wie
sie aus solchen Umständen wie Drosselklappenbewegungen oder
Getriebeschaltungen entstehen, ohne daß dabei Erhöhung der
Emissionen am Auspuf frohr eintritt. Die Ansprechzeit der Sonde ist die
Zeit, welche die Sonde braucht, um
Abgas-Gleichgewichtsbedingungen an der Elektroden-Elektrolyt-Grenzschicht herzustellen,
nachdem eine Übergangszone des Gases die Sonde passiert hat. Die
Schaltzeit ist diejenige Zeit, die der Sensor braucht, um eine
Änderung der Spannung zu erreichen, nachdem die
Gasgleichgewichtsbedingungen an der besagten Grenzschicht geschaffen wurden.
Diese beiden Ansprechzeiten werden häufig addiert und als die
Sensoransprechzeit beschrieben. Das Ansprechverhalten der
Zweipunkt-Sonde ist komplex und ruft Nachstellungen hervor, die über
das Ziel hinausschießen. Die Abgabespannung einer solchen Sonde
schlägt bei jeder chemischen Änderung, wie sie in jeder Sekunde
mehrfach eintritt, pendelartig stark aus. Diese großen Ausschläge
werden gewöhnlich von dem Programm im Mikroprozessor bis auf
einen oder zwei Ausschläge pro Sekunde gefiltert. Der
Mikroprozessor gibt dann ein Signal weiter an die
Kraftstoffeinpritzvorrichtung, das bei jedem Ausschlag abgestuft, aber in der
gleichen Richtung wie die Spannungsabweichung verläuft. Daraus ergibt
sich eine Änderung des Abgasstromes, die die chemische Änderung
mit einer leichten Abschwächung der Spannungsspitzen kombiniert.
Einige der Unzulänglichkeiten werden in den US-Patentschriften
Nr. 4,251,990 und 4,272,329 näher besprochen.
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Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurden in der
Technik verschiedene Anordnungen vorgeschlagen, wie z.B.
zahlreiche Kombinationen von Zellenanordnungen, stromaufwärtige oder
stromabwärtige Anbringung der Sonden, oder Zwangsalgorithmen. Die
Anordnung alleine konnte keine Abhilfe für das Schwimmen der
Zweipunkt-Sonde bringen. Solche Versuche können keine "Echtzeit"-
Rückführung schaffen und komplizieren dafür das Regelsystem bei
nur sehr geringem Gewinn in bezug auf die Kontrolle der
alterungsbedingten Abweichungen.
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Die Nernst'sche elektrochemische Zelle beinhaltet (wie
in Figur 2 dargestellt) einen Feststoffelektrolyten 30, der im
allgemeinen aus teilweise stabilisiertem Zirkonoxid besteht, das
Sauerstoffionen zwischen jeweils an seinen gegenüberliegenden
Seiten angeordneten (in der Regel aus Platin bestehenden)
Elektroden 31, 32 leitet, wobei die Elektrode 31 an der Luft liegt
und Elektrode 32 dem Abgasstrom ausgesetzt ist. Die Elektroden
sind mit Spinell-Schutzschichten überzogen, und diese Schichten
tragen zu der langen Ansprechzeit und Komplexität der Sonde bei.
Eine elektromotorische Kraft (emf) entsteht aufgrund der
Differenz des Sauerstoff-Partialdruckes jeweils an der Luft und in dem
Abgas. Die Austrittsspannung V ändert sich sprungartig bei
stöchiometrischen Pegeln (einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von
14,7), wie es Figur 3 zeigt. Derartige Zweipunkt-Abgassonden
können nur anzeigen, wann Stöchiometrie erreicht ist, jedoch
nicht, wie mager oder fett das Luft-Kraftstoff-Verhältnis an
einem beliebigen Punkt ist. Daher würde, auch wenn ein solcher
Geber linearisiert würde, dessen Grundfunktion verhindern, daß
mit diesem Geber die in der Systemkontrolle erforderlichen
Verbesserungen erzielt werden.
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Um diese Zweipunkt-Charakteristik auszuschalten, umfaßt
die für die vorliegende Erfindung nötige Sonde (wie in Figur 4
dargestellt) noch die folgenden zusätzlichen Elemente: (a)
Doppelzellen 40, 41 (wobei 41 die herkömmliche Nernst'sche Meßzelle
ist, und 40 eine Pumpenzelle mit einem zum
Luft-Kraftstoff-Verhältnis proportionalen Pumpenstrom ist); (b) eine (vorzugsweise
von einem Stopfen getragene) Diffusionsschicht 43, die den beiden
Zellen zwischengeschaltet ist, bildet eine Öffnung zur
Regulierung der Menge an Sauerstoffmolekülen, die in dem Hohlraum
zwischen den Zellen ankommen, die Elektroden 42 ohne Überzug bzw.
Beschichtung lassend [die Öffnung in dieser Diffusionsschicht
kann durch eine spezielle poröse Diffusionsschicht verschlossen
werden, um so wieder die gleichmäßige Ankunft von von
Kontaminationseffekten freien Sauerstoffmolekülen zu kontrollieren]; (c)
ein Umkehrkreis 44 zum Einpumpen von Sauerstoff in ein begrenztes
Volumen zwischen den beiden Zellen bei fetten Abgaszuständen,
sowie zum Abpumpen von Sauerstoff aus einem solchen begrenzten
Volumen bei mageren Abgaszuständen. Dieser Umkehrkreis neigt dazu,
in dem begrenzten Volumen ein stöchiometrisches Gemisch zu
erhalten. Auf diese Weise werden Schwankungen in der Ansprechzeit
vermieden. Schwankungen aufgrund der Temperaturbedingungen der
Luft bzw. der Abgase werden dadurch ausgeschaltet, daß
eingegossene Heizelemente 45, 46 in Keramikelementen verwendet werden,
die im Abstand und außerhalb der beiden Zellen 40, 41 wie in
Figur 4 angedeutet angeordnet sind. Temperatureinflüsse werden
durch die Doppelzellenanordnung minimiert. Die Platinelektroden
sind vorzugsweise unbeschichtet und frei von Spinellschichten,
um das Ansprechverhalten der Sonde zu verbessern. Die
Ausgangsspannung einer solchen Universal- oder Breitband-Abgassonde
entspricht derjenigen in Figur 5. Ist der Luftüberschuß ganzzahlig
(Lambda = 1), ist der Pumpenstrom gleich Null. Der Bereich des
gemessenen Luftüberschusses kann konstruktionsmäßig in der
externen Elektronik definiert werden. Eine solche
Sensorkonstruktion ist mehrzellig, deckt ein breites Band ab, ist linearisiert
und hat eine Ansprechzeit von weniger als 60 Millisekunden (die
Ansprechzeit beträgt 63 % der Gesamt-Ansprechzeit der
Luft-Kraftstoff-Änderung). Diese Konstruktion gewährleistet eine
verbesserte Messung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Motors, und
damit der Emissionen, indem sie die folgenden spezifischen
Fähigkeiten bietet, die mit den gegenwärtigen Zweipunkt-Sonden nicht
erreicht werden: (a) Messung aller im Motorbetrieb angetroffener
Luft-Kraftstoff-Verhältnisse; (b) sehr präzise Messung des Luft-
Kraftstoff-Verhältnisses im Bereich der Stöchiometrie; (c)
schnelleres Ansprechen auf Luft-Kraftstoff-Verhältnisänderungen;
(d) stabileres und symmetrischeres Ansprechverhalten auf Luft-
Kraftstoff-Verhältnisänderungen vom Fetten ins Magere und vom
Mageren ins Fette; (e) größere Unempfindlichkeit gegen
Abgastemperaturunterschiede; und (f) größere Flexibilität bei
Konstruktionsänderungen in der gewünschten
Ansprechzeit-Charakteristik.
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Die Meßzellen haben eine geringe Masse von weniger als
fünf Gramm, und die Sonde bietet eine Genauigkeit von ± 3 % (ab
Betriebspunkt) bei Lambda-Werten von 0,7 und 1,4, wobei die
Genauigkeit gegen Lambda 1 hin zunimmt, wo die Streuung nicht mehr
als ± 0,07 % beträgt.
Interaktive Steuerung
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Der Filterkatalysator, die Sonde und die
Kraftstoffeinspritzeinrichtung müssen so aufeinander abgestimmt werden, daß
durch entsprechende Wahl des Verstärkungswertes der Regelschleife
(d.h. des Faktors, mit dem das Sensorsignal multipliziert wird,
um eine Nachstellkraft an der Luft-Kraftstoff-Regeleinrichtung
oder der Kraftstoffeinspritzvorrichtung anzulegen) eine kurze
Ansprechzeit und hohe eine Grenzzyklusfrequenz erreicht wird. Die
Grenzzyklusfrequenz der Rückführungs-Regelschleife sollte 3 Hz
oder mehr betragen, und der Verstärkungsfaktor sollte auf 20 %
unter dem Normalpegel eingestellt werden, um die Schwankungen in
der Ausstattung und der Alterung des Edelmetalls kompensieren zu
können. Schwankungen sind hier die Unterschiede in der
Kraftstoffeinspritzanlage von einem Motor zum anderen, Abweichungen
der Sonde von einem System zum anderen, Schwankungen in dem
Lufteinlaß von einem Zylinder zum anderen in ein und demselben Motor
und Schwankungen der Verbrennung in einem einzelnen Zylinder des
Motors. Alterung bedeutet hierin die Vergiftung bzw. Versinterung
des Edelmetalls im Katalysator im Laufe der Zeit. Der
Verstärkungsfaktor und die Phasenverschiebung sind so ausgelegt (z.B.
durch Manipulation der Kapazität und des Diffusionskoeffizienten
der UEGO-Sonde), daß die Sonde in Zusammenwirkung mit dem
Filterkatalysator arbeitet.
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Die einfachste Interaktion besteht darin, die Sonde mit
der Kraftstoffeinspritzanlage in einer direkten Proportional-
Rückkopplungsschleife zu verbinden, und gleichzeitig
sicherzustellen, daß der Filterkatalysator so bemessen und abgestimmt
ist, daß er der Ansprechcharakteristik der Sonde entspricht und
nur als Filter tätig ist (chemisches "Rauschen" ausschaltet) und
nur einen geringen Anteil der Schadstof fe in den Abgasen
umwandelt. Proportional bedeutet hier eine kontinuierliche lineare
Relation zwischen Ausgang und Eingang.
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Es ist jedoch wünschenswert, daß die
Primär-Rückkopplungsschleife eine Proportional-Integral-Regelcharakteristik (PI)
bietet, ähnlich einem Teil der in der technischen
SAE-Veröffentlichung von J.Ishii, M.Amano, T.Yamauchi und N.Kurihara mit dem
Titel "wide-Range Air-Fuel Ratio Control Systems" (Breitband-
Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuersysteme)," beschriebenen
Regeleinrichtung, veröffentlicht am 29. Feb. 1988 (SAE
Veröffentlichung Nr. 880134), unter der US-PS 3,939,654.
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Unabhängige Algorithmen, ob proportional oder integral,
werden dann als Verstärkungsfaktoren in dem Regelkreis
angewendet. Die Algorithmen sind abhängig von dem Ausgangsverhalten der
Sonde. Ein proportionaler Regelalgorithmus wirkt direkt
entgegengesetzt und proportional zu dem von der UEGO-Sonde gemessenen
Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Ein integraler Regelalgorithmus
integriert
den Luft-Kraftstoff-Verhältniswert über einen bestimmten
Zeitraum und bewirkt eine Korrektur des mittleren
Luft-Kraftstoff-Wertes zur Berücksichtigung der Regelsystemlast, wie z.B.
des Dampfspülwertes. Durch die Kombination von proportionlem und
integralem Verfahren erzielt man so einen Ausgang, der einer
linearen Kombination von Eingabe und Zeitintegral der Eingabe
proportional ist. Ein typischer PI-Algorithmus wäre:
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wobei:
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b = proportionale Verstärkung / statische Verstärkung
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I = integrale Wirkungszahl
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P = proportionale Verstärkung
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S = komplexe Variable
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X = Eingabetransformation
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Y = Ausgabetransformation
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Das erfindungsgemäße Regelsystem erfordert nur eine P
oder PI-Regelung. Liegt das Abgas z.B. im fetten Bereich, erhöht
die Steuerlogik den Lambdawert, und befindet sich das Abgas im
mageren Bereich, wird Lambda reduziert. Bei der (in Figur 6
dargestellten) Regelschleifenanordnung wird die
Einspritzdüsenleistung über den durch den Einspritzdüsenkoeffizienten Ki
korrigierten Luftdurchsatz und Lambda beeinflußt. Eine
PI-Rückführungs-Regelung ist deshalb wichtig, weil, wenn sie in
Zusammenwirkung mit einer UEGO-Sonde mit linearem Ausgang verwendet wird,
der Steueralgorithmus erlaubt, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im
stöchiometrischen Bereich zu halten. Steueralgorithmen nach dem
bisherigen Stand der Technik erlauben dies nicht.
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Zur weiteren Erhöhung der Genauigkeit der
Luft-Kraftstoffregelung kann weiterhin zusätzlich zu der
Primär-Rückkopplungsschleife eine Anpassungsschleife mit integriert werden, die
an den Koeffizienten für die Einspritzvorrichtung und die
Optimalwertsonde Korrekturen zur Berücksichtigung verschiedener
Kombinationen von Luftdurchsatz- und Fließgeschwindigkeit vornimmt.
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Die Leistung der Einspritzvorrichtung wird im offenen
Regelkreis (Optimalwertsteuerung) in Abhängigkeit von
Informationen über die Temperatur, Motordrehzahl und Motorlast variiert.
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Zum Ausgleich der Alterung des Systems muß die
Verstärkungseinstellung der Rückkopplungsschleife so ausgelegt sein, daß
sie um etwa 15-25 % unter derjenigen liegt, die zur normalen
Verstärkung der zu erwartenden, von dem Filterkatalysator
ausgehenden Signale bestimmt ist, wobei die Konstruktionsmasse und die
Größe eines solchen Filterkatalysators berücksichtigt werden
müssen. So werden bei einem frischen Filterkatalysator die
Millisekunden-Amplitudenschwankungen des in den Filterkatalysator
eintretenden Luft-Kraftstoff-Gemisches beim Austritt aus dem
Filterkatalysator gedämpft, und zwar durch die Ausschaltung des
chemischen "Rauschens". Die Amplitude dieser Schwankungen, bevor sie
die Abgassonde passieren, wird bis auf die normalen Ausschläge
und Übergangssprünge gedämpft. Die Sonde sendet dann mit sehr
kurzer Ansprechzeit (0,060 Sekunden nach dem Phasensprung) ein
sehr genaues Spannungssignal, das der gemessenen Amplitude
entspricht, und der Mikroprozessor wandelt das Spannungssignal in
einen entgegengesetzten Wert um, der die Leistungsfunktion der
Kraftstoffeinspritzvorrichtung entsprechend ändert und bewirkt,
daß die Änderung des an den Filterkatalysator abgegebenen
Luft-Kraftstoffgemisches gedämpft wird. Damit erhöht sich die
Wirksamkeit des Haupt-Dreiwegekatalysators bei der Umwandlung der
verbleibenden Schadstof fe, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
relativ nahe am stöchiometrischen Bereich liegt, woraus sich eine
Gesamtschwankung ergibt, die einer nahezu geraden Linie folgt.
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Ist der Filterkatalysator wesentlich gealtert, wie es
z.B. der Fall ist, wenn das Fahrzeug über mehr als 50.000 Meilen
betrieben worden ist, pendelt die Amplitude des
Luft-Kraftstoffverhältnisses übermäßig hin und her, und zwar aufgrund der
Unfähigkeit des Filterkatalysators, solche Amplituden zu dämpfen und
einen Teil der chemischen Störeinflüsse ("Rauschen") in der
gleichen Weise wie bei einem frischen Katalysator auszuschalten. Die
größeren Ausschläge des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, die ab
einem bestimmten Alter des Filterkatalysators auftreten, wirken
sich verstärkend auf den Verstärkungsfaktor der
Rückführungsschleife und somit erhöhend auf die Empfindlichkeit aus. Außerdem
wird die Sonde in diesem Zeitraum ebenfalls eine gewisse
Abnutzung erfahren haben, was bedeutet, daß sie einen geringeren
Anteil der Luft-Kraftstoff-Verhältnisänderung feststellt. Die
Abnutzung der Sonde wirkt sich derart aus, daß der
Verstärkungsfaktor der Rückkopplungsschleife in geringerem Maße reduziert
wird. Insgesamt ergibt die kombinierte
Katalysator-Sensor-Zusammenwirkung eine Erhöhung des Verstärkungsfaktors der
Rückkopplungsschleife mit zunehmendem Alter, woraus sich eine schnellere
Korrektur der Luft-Kraftstoff-Verhältnisschwankungen ergibt. Ein
gealterter Katalysator erfordert eine höhere Frequenz und
geringeren Ausschlag der Luft-Kraftstoff-Verhältnisschwankungen, um
einen hohen Umwandlungs-Wirkungsgrad zu erreichen.
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Wie es Figur 7a zeigt, steigt der O&sub2;-Anteil über dem
stöchiometrischen Wert sehr schnell an, die beste
Umwandlungswirkung wird jedoch im stöchiometrischen Bereich erzielt (siehe
Figur 7b), wobei die Spitzenwerte für den Filterkatalysator bei
Vollast niedriger liegen als bei Leerlauf, die Spitzen für einen
älteren Katalysator im Vergleich zu einem frischen Katalysator
tiefer liegen, und die Spitzen für einen Filterkatalysator tiefer
liegen als für einen Hauptkatalysator. Je näher sie an der
Stöchiometrie liegen, desto geringer sind die Schwankungen des
gemessenen O&sub2;-Wertes (Figur 7c). Die Korrekturverstärkung für einen
gealterten Filterkatalysator ist größer als bei einem frischen
Katalysator (Figur 7d).
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Somit werden die Abgase, je näher sie der Stöchiometrie
kommen, um so vollständiger umgewandelt, und um so geringer
werden die Sauerstoffschwankungen; der Verstärkungsfaktor der
Rückkopplungsschleife im Mikroprozessor nimmt ab, je näher das Gas
der Stöchiometrie kommt, wird jedoch mit zunehmendem Alter
erhöht, aufgrund der Zunahme der Amplitude der ungefilterten
chemischen Bestandteile (Figur 7E).
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Durch den Einsatz der vorliegenden Erfindung können die
für das Jahr 2003 vorgesehenen staatlichen
Emissionsschutz-Vorschriften eingehalten oder angenähert werden.