EP1753951A1 - Regelsystem für eine mobile verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Regelsystem für eine mobile verbrennungskraftmaschine

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Publication number
EP1753951A1
EP1753951A1 EP05755958A EP05755958A EP1753951A1 EP 1753951 A1 EP1753951 A1 EP 1753951A1 EP 05755958 A EP05755958 A EP 05755958A EP 05755958 A EP05755958 A EP 05755958A EP 1753951 A1 EP1753951 A1 EP 1753951A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
control probe
exhaust gas
catalyst
probe
catalytic converter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05755958A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rolf BRÜCK
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Original Assignee
Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH filed Critical Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Publication of EP1753951A1 publication Critical patent/EP1753951A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
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    • Y02A50/20—Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters

Definitions

  • the invention relates to a method for regulating a fuel mixture with a control probe in the exhaust system of a mobile internal combustion engine. Furthermore, an exhaust system comprising a mobile internal combustion engine is proposed. The preferred area of application for such exhaust systems and processes is in the automotive sector.
  • an oxygen sensor connected to an electronic control unit.
  • the sensor has an oxygen-sensitive area for measuring the oxygen partial pressure in the exhaust gas.
  • the control unit uses this measurement variable to determine the aging condition of the catalytic converter, since the oxygen loading of the catalytic converter can be used as a parameter for its functionality (so-called onboard diagnosis).
  • oxygen sensors are used to control the lambda engine when the internal combustion engine has warmed up or after a predefined exhaust gas temperature has been reached.
  • the so-called air ratio "lambda” ( ⁇ ) describes the ratio of the current air-fuel ratio to the stoichiometric air-fuel ratio and is often used as a characteristic parameter for the combustion processes.
  • a first, upstream of a catalytic converter is used.
  • ter oxygen sensor as a control probe and a second oxygen sensor downstream of the exhaust gas catalytic converter as a trim probe.
  • a lambda oscillation with a specific amplitude and frequency is determined, which result from the combustion processes in the internal combustion engine. This is detected by means of the first oxygen sensor positioned in front of the catalytic converter.
  • the procedure is familiar to the person skilled in the art and requires no further discussion here.
  • the lambda vibration of the exhaust gas composition on the inlet side of the catalytic converter is increasingly smoothed out as it passes through the catalytic converter due to its oxygen storage capacity.
  • the result is a decrease in the amplitude of the lambda vibrations along the catalytic converter. If the oxygen storage capacity is high, for example, almost no lambda vibration can be detected on the output side of the catalytic converter.
  • the amplitude of the still detectable lambda oscillation after the exhaust gas has passed through a partial section or the entire catalytic converter is therefore a measure of the oxygen storage capacity of the catalytic converter section or the entire catalytic converter.
  • the lambda value generally settles to the constant mean value of the lambda oscillation in front of the catalytic converter.
  • This mean value is recorded by the second sensor downstream of the catalytic converter, the so-called trim probe.
  • the trim probe is now used to set an average value of lambda which cannot be exactly determined or set on the basis of the oxygen or control sensor upstream (the catalytic converter).
  • Reasons for this are, for example, a so-called "poisoning", that is to say negative influences due to the high concentration of pollutants, or other influences of the untreated exhaust gas on this upstream control sensor.
  • the upstream control sensor thus changes its measuring behavior so that the dynamic vibration behavior is still well recorded, however, without the trim probe for a longer period of use of the upstream control sensor, no exact statements about the (average) lambda value itself are possible.
  • the lambda value results directly from the oxygen partial pressure. Therefore, the lambda value and thus also the oxygen storage capacity of the catalyst can be determined by measuring the oxygen partial pressure with the second oxygen sensor (trim probe) arranged downstream of the catalyst.
  • a "slow" correction routine can now be installed, which compensates for the aging / poisoning of the upstream control sensor.
  • the course of the oxygen partial pressures determined with the oxygen sensors or other parameters that describe the exhaust gas composition also provides information about the effectiveness or the extent of the combustion
  • the values generated in this way can thus also be used to control the lambda of the internal combustion engine, for example influencing the composition of a fuel-air mixture, the ignition point, the pressures prevailing during combustion, etc.
  • a control probe is provided in the exhaust system, the exhaust system comprising at least one catalytic converter in an exhaust pipe.
  • the method is characterized in that the control is carried out with a single control probe inside the at least one catalyst.
  • the invention says goodbye to the idea of the professional world of having the fuel mixture of the curbing fuel mechanism regulated by means of a plurality of control probes (one for dynamic lambda oscillation and one for slow trimming).
  • This allows the implementation Realize the rank of the method with lower costs and electronics, automatically reducing the susceptibility to malfunction of the system for controlling the fuel mixture.
  • a control probe is placed inside the at least one catalytic converter. This means in particular that parts of the control probe extend into inner regions of the catalytic converter. It is clear that the control probe has to be led out of the exhaust system or the exhaust gas line so that the control probe is not completely arranged inside the catalytic converter.
  • the catalytic converter itself represents a type of attenuator for the temperatures, pollutant concentrations, etc. In particular, it is a thermal mass, so that the thermal behavior is somewhat slower. In this respect, the fluctuations in the exhaust gas temperature as a result of different operating states of the internal combustion engine do not have the same effect on the control probe as would be the case with a control probe that projects freely into the exhaust gas line.
  • the control probe is preferably an oxygen sensor or a so-called lambda probe.
  • control probe types are advantageously used in such a configuration
  • jump probes eg zirconium dioxide probe with a sudden change in the output signal with a lambda value of approximately 1
  • linear probes should preferably be used.
  • nitrogen oxide sensors can be connected downstream of the catalyst, which determine the nitrogen oxide concentration in the exhaust gas after contact with the catalyst.
  • the measurement values obtained in this way are not used for lambda control of the internal combustion engine.
  • the control probe is heated after the start-up of the internal combustion engine in such a way that it has a temperature of at least 70 ° C. [degrees Celsius] before the at least one catalyst has reached 95 ° C.
  • the control probe can be heated passively (essentially only by the temperature of the exhaust gas coming into contact with it) and / or actively (for example by a heating element, an electrical heater, etc.).
  • control probes of this type usually have a particular sensitivity to water. It is now proposed here that the control probe has a temperature of at least 70 ° C (at which the phenomenon of condensation no longer takes place to a substantial extent due to the arrangement proposed here in the catalytic converter) before the catalytic converter has reached 95 ° C.
  • the catalyst also provides a large surface that can be used for the accumulation of water or water vapor. In other words, this means that the catalyst or in particular its coating acts like a sponge for water and binds it for a relatively long time.
  • the exhaust gas flowing through the catalyst heats the catalyst carrier body and the coating gradually.
  • a temperature profile is formed in the catalytic converter in the flow direction of the exhaust gas, so that the exhaust gas inlet side initially has the highest temperatures and then decreases in the flow direction.
  • the control probe already has a temperature of at least 70 ° C., in particular at least 90 ° C. [degrees Celsius], before the catalytic converter or the catalytic converter carrier body is in one plane parallel to the exhaust gas inlet side with a Distance of 10 mm has reached a temperature of 95 ° C.
  • control probe determine at least one of the following components of the exhaust gas: hydrocarbon, carbon monoxide, oxygen.
  • this control probe it is also possible to use this control probe to record a partial pressure, a temperature or other physical measured variables.
  • the control probe is a lambda probe, which is used at the same time to check the convertibility of the at least one catalytic converter.
  • the lambda vibrations are often reduced or smoothed by more than 50%, sometimes even by more than 90%.
  • the use of such a broadband lambda probe still allows a high level of measurement accuracy, and its position in the catalytic converter results in an extremely low tendency to poisoning, so that an average lambda value can also be determined precisely and over a long period of time.
  • the oxygen content determined with the lambda probe can also be used as a measure of the convertibility of the catalytic converter.
  • onboard diagnosis can be carried out easily. This specifies a method which is particularly simple and at the same time enables lambda control of the internal combustion engine and onboard diagnosis.
  • the exhaust gas generated by the combustion engine is mixed in the exhaust line before it reaches the control probe. Due to the position or position of the control probe in the exhaust pipe, only certain edge flows of the exhaust gas would always be recorded and evaluated. To ensure that a result that is representative of the entire exhaust gas flow is obtained, the exhaust gas flow is mixed before it reaches the control probe. It can then be assumed that the position of the individual control probe with respect to the exhaust pipe does not have a significant negative impact on the result of the measurement.
  • Separate flow mixers static or dynamic
  • special configurations of the catalysts and / or other exhaust gas treatment devices can be provided for mixing the exhaust gas.
  • the at least one is used
  • Catalyst for treating at least one of the following components of the exhaust gas hydrocarbon, carbon monoxide, nitrogen oxide, particles.
  • it is a metallic catalyst carrier body or a ceramic honeycomb structure which is provided with a coating which acts catalytically on at least one of the above-mentioned components and contributes to their implementation.
  • the catalyst can also have adsorbing and / or filtering and / or other functions, for example.
  • the coating is advantageously neutral to oxygen so as not to negatively influence the measurement result.
  • an exhaust gas system comprising a mobile internal combustion engine with at least one exhaust gas line, in which at least one catalytic converter is provided, as well as a control probe and an associated control unit for controlling the fuel mixture for the internal combustion engine are proposed.
  • the exhaust system here has only a single control probe inside the at least one catalytic converter.
  • the measurement results of the control probe are evaluated by the control unit and, depending on the target specifications stored there, the composition of the fuel mixture, but possibly also the ignition timing, the injection pressures, etc. is varied.
  • the system of an upstream control probe and a downstream trim probe is thus again dispensed with and replaced by a system comprising a single control probe which projects into the inner regions of the at least one catalytic converter. This significantly reduces the susceptibility to faults, the technical effort and the costs.
  • the control probe is arranged at a distance of 10 mm to 80 mm from an exhaust gas inlet side of the at least one catalytic converter.
  • the distance specified here is sufficient to ensure that when the internal combustion engine is cold started and the control probe is electrically heated at the same time, the control probe has a temperature above 70 ° C. before it starts from that described above Water vapor front is reached.
  • the control probe is advantageously positioned at a distance of 25 mm to 60 mm from the exhaust gas inlet side. It is also proposed that the control probe is a heatable lambda probe.
  • the lambda probe can be heated, in particular by means of an electrical heating conductor structure which is integrated in the lambda probe , When the internal combustion engine starts, current is applied to this heating conductor structure, so that the subcomponents of the lambda probe that protrude into the exhaust pipe and come into contact with the exhaust gas are quickly brought to temperatures above 70 ° C.
  • At least one area of the at least one catalytic converter is designed between an exhaust gas inlet side and the control probe with channels and at least one of the following features: channel density from 600 to 1200 cpsi [cells per square inch]; Openings in channel walls of the channels; Mischers Titanium; porous surface of the channels; Coating with a storage capacity for at least water or water vapor; metallic channel walls with a thickness in the range from 40 ⁇ m to 110 ⁇ m (micrometer).
  • a catalyst with channels is known. These are preferably so-called honeycomb bodies which have a multiplicity of channels arranged essentially parallel to one another. Basically, the channels can be formed by metallic or ceramic channel walls.
  • a “channel density” is understood to mean the number of channels per unit cross-sectional area of the catalytic converter or honeycomb structure.
  • “Cpsi” refers to the “cells per square inch” unit commonly used in this technical field. 1 cpsi corresponds to in The range from 600 cpsi to 1200 cpsi is relatively high and represents a very large surface area as well as a relatively high thermal mass in this area, which on the one hand creates a large contact area for water or water vapor and on the other hand, at the same time, a relatively high heat capacity is provided, so that here, especially in the cold start phase of the combustion engine, the water or water vapor is well bound or stopped.
  • the provision of openings in the channel walls means that partial exhaust gas streams flowing through the individual channels can be mixed. This results in a temperature or concentration compensation of the exhaust gas over the cross section of the catalytic converter, so that the control probe enables a characteristic measured value for the entire exhaust gas flow regardless of its position in the exhaust system.
  • mixer structures be provided in the at least one area.
  • Mixer structures are to be understood in particular as elevations, guide surfaces, etc., which at least partially protrude into inner areas of the channels or onto others Wise differences in flow or flow deflections. They force the partial exhaust gas flows to neighboring channels, so that sufficient mixing of the partial exhaust gas flows is ensured.
  • a porous surface of the channels offers sufficient attachment or storage options for water or water vapor. Porous surfaces or materials of the channel walls themselves are meant in particular, for example also of the catalyst support body or the honeycomb structure.
  • the channels or their surface can be provided with a coating which has a storage capacity for at least water or water vapor. That means, for example, that you are hygroscopic. This delays the spread of the water vapor front, so that the control probe is provided with the time it needs to reach the appropriate temperatures. It may be advantageous if the storage capacity in the upstream area is greater than in a section downstream of the control probe.
  • the catalyst it is also possible for the catalyst to be constructed with a metallic catalyst carrier body.
  • metallic channel walls with a thickness in the range from 40 ⁇ m to 110 ⁇ m (micrometers) are preferred. These, in turn, provide the favorable high heat capacity, which hinders the rapid evaporation of accumulated or stored water.
  • the control probe has a coating with at least one storage capacity for at least water or water vapor or a catalytic activity towards at least one component of the exhaust gas.
  • the coating has both capabilities. come on.
  • the storage capacity is preferably up to a temperature at which the catalytic activity starts.
  • the exhaust system as described above according to the invention, be included in a vehicle.
  • vehicle is meant in particular a passenger car, a truck, a motorcycle, a motor boat, a motor plane, etc.
  • a sensor in particular the lambda sensor, can be provided with a protective cap, which advantageously protects the sensor against water hammer.
  • Water hammer is the impact of drops of water on the sensor or the condensation of water vapor on it.
  • the function, in particular of lambda sensors, is at least impaired by water hammer, the probe can even become completely unusable by water hammer.
  • the water hammer can be prevented in an advantageous manner if the protective cap heats up faster than the honeycomb structure or the honeycomb body in which the sensor is inserted.
  • the protective cap preferably has such a temperature as quickly as possible that condensation of water vapor on the surface of the sensor is reliably avoided. This is achieved, for example, by the protective cap being formed from a material which has a significantly lower heat capacity, in particular specific heat capacity, than the material from which the honeycomb body is made.
  • a substance with such a specific heat capacity is preferably selected that, in the normal operating state, it is ensured that when the honeycomb body has a temperature above the boiling point of water in the direction of flow in front of the sensor, the protective cap also has a temperature above the boiling point of water and This is true even if the honeycomb body still has a temperature below the boiling point immediately adjacent to the sensor in the flow direction upstream.
  • the heat capacity, in particular specific heat capacity, of the protective cap is selected such that it has such a temperature that the dew point of water under normal operating conditions on the sensor or the protective cap is reliably avoided and thus condensation of the water on the sensor or the protective cap is effectively avoided.
  • Another possibility of forming a corresponding protective cap is to change the heat transfer coefficient of the protective cap. By adapting this heat transfer coefficient, it can also be achieved that the measuring sensor or the protective cap quickly reach such a temperature that the condensation of water vapor, which arises from evaporation within the honeycomb body, is effectively prevented.
  • the protective cap can be formed as a separate component or also integrally on the sensor.
  • the protective cap can also be combined with the control probes according to the invention.
  • FIG. 1 schematically shows a vehicle with an exhaust system
  • Fig. 3 shows schematically a catalyst in cross section
  • FIG. 4 schematically shows a further embodiment of a catalytic converter
  • FIG. 5 shows a detailed view of the catalytic converter from FIG. 4;
  • Fig. 7 schematically shows the structure of a control probe.
  • FIG. 1 shows schematically and in perspective a vehicle 17 with an internal combustion engine 3 and an associated exhaust system 2.
  • diesel and gasoline engines can be provided as the internal combustion engine 3.
  • the exhaust gas generated by the engine 3 is emitted to the environment via the exhaust line 5.
  • the exhaust gas is brought into contact with exhaust gas treatment devices such as, for example, catalysts, adsorbers, particle traps, etc., pollutants in the exhaust gas being at least partially converted into at least less harmful components.
  • the exhaust gas first flows through a mixer 20 before it is fed to a catalytic converter 4.
  • the catalytic converter 4 is equipped with a control probe 1 for regulating the fuel mixture or for onboard diagnosis of the catalytic converter 4, which protrudes into the inner areas of the catalytic converter 4.
  • the control probe 1 is connected to a control unit 6, in particular the engine control.
  • the control unit 6 now varies the composition of the fuel mixture depending on the parameters detected by the control probe 1 and the specifications stored there.
  • FIG. 2 schematically shows a catalytic converter 4 with a control probe 1.
  • the control probe 1 is introduced through the exhaust pipe 5 into inner areas of the catalytic converter 4.
  • the catalytic converter 4 is designed here with a housing 18 in which a honeycomb structure through which the exhaust gas can flow is provided.
  • the honeycomb structure is formed by a multiplicity of channel walls 12, which provide channels 10 through which the exhaust gas can flow.
  • the exhaust gas flows in flow direction 19 and hits the exhaust gas inlet side 8.
  • a region 9 is provided between the exhaust gas inlet side 8 and the control probe 1, which area is used to prevent the speed of propagation from occurring when the internal combustion engine is (re) started.
  • the catalyst 4 has reproductive water vapor front.
  • control probe 1 To ensure that after a cold start, control probe 1 has reached temperatures above 70 ° C before this water vapor front has reached control probe 1, control probe 1 is positioned at a distance 7 of 10 to 80 mm. It should be pointed out here that the distance 7 shown here is shown schematically, that is to say nothing about the ratio of the total length of the catalyst 4 in the direction of the flow direction 19.
  • FIG 3 shows a further embodiment of a catalytic converter 4 in cross section.
  • the catalytic converter 4 in turn has a housing 18 and an area 9 which extends over a distance 7 from the exhaust gas inlet side 8.
  • the catalyst 4 has a metallic catalyst carrier body, so that the channel walls 12 are of metallic origin.
  • the channels 10 are delimited by channel walls 12 which have a greater thickness 16 than other areas of the catalytic converter.
  • openings 11 and mixer structures 13 are provided which enable adjacent partial exhaust gas flows to be mixed. This can ensure that the control probe 1 to be inserted into the recess 23 can deliver qualified results with regard to the exhaust gas composition there.
  • the channels Downstream of the area 9, the channels are delimited by thinner channel walls 12, it being possible for the surface 14 to also have a coating 15, for example.
  • the channel walls 12 are also provided with openings 11 in the downstream region.
  • the different areas 9 of the catalytic converter 4 can if also formed by different, separate honeycomb structures or carrier bodies (possibly spaced apart with a gap).
  • the catalytic converter 4 here in turn has a housing 18, the internal honeycomb structure being formed by smooth foils 21 and corrugated foils 22 which are involute-shaped and intertwined with one another are soldered (especially high temperature soldered). From the front view it can be seen that the smooth foils 21 and the corrugated foils 22 each form layers 24, it being possible for the adjacent channels 10 to also be mixed within these layers 24. In the detailed view (FIG. 5) it can be seen that the smooth foils 21 and the corrugated foils 22 are positioned alternately to one another and thus form channels 10. A catalytically active coating 15 is provided on the surface 14 of the channels 10.
  • the abscissa shows, for example, the distance 7 of the control probe 1 from the exhaust gas inlet side 8 in millimeters.
  • the ordinate shows an example of the reduction in the lambda control oscillation in percent. The result of this is that after just a few millimeters, for example 10 mm, there is already a significant reduction in the lambda vibration, in particular by at least 50%. For example, there may be reductions of more than 80% at a distance of 40 mm or even 95% at a distance of 60 mm.
  • the curve 25 shown is schematic and is intended to illustrate the course.
  • a limit value 26 was drawn in, which can be regarded as a measure of the sensitivity of the control probe.
  • the area marked with "I” is intended to characterize the area of application for a jump probe, the area marked with "II” is intended to characterize that of a broadband linear probe. This shows that e.g. up to a distance of about 20 mm (in other cases also up to 40 mm) a jump probe is advantageous (low cost, sufficiently precise) and at a distance above it the broadband linear probe should be used for control.
  • Fig. 7 shows schematically the structure of a control probe 1 in an installed position, the control probe 1 described below being a particularly preferred embodiment, which may also be used as the sole control probe 1 e.g. can be used behind a catalyst 4. It has a nut 27 and a threaded section 28 for fixing to the housing 18. The sensitive area 29 now protrudes into a recess 23 in the catalytic converter 4, the channel walls 12 forming the channels 10.
  • the control probe 1 can be exposed directly to the exhaust gas flow, and the protective cap normally used can therefore be dispensed with ,
  • the protective cap 30 for reasons of protection of the sensitive area 29 during storage, transportation, assembly, etc., it may be necessary to provide a cap 30.
  • this is designed so that it has a particularly low heat absorption capacity, in particular less than 1 J / K [joule per Kelvin] or even less than 0.8 J / K.
  • This cap 30 is preferably made of a steel material and is produced in particular by means of a forming manufacturing process (eg deep drawing).
  • guide surfaces 31 can be provided, which allow a suitable flow of the exhaust gas to the sensitive area 29 and possibly also result in a longer residence time of the exhaust gas in the interior of the cap 30. In the event that the cap 30 is at least partially coated, this refers to the above parameter on the cap 30 including the coating.
  • Such an embodiment of the control probe 1 can also advantageously be used independently of the control method described here, in particular with an exhaust gas system in which this control probe 1 is arranged downstream of a catalytic converter 4.

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Abstract

Verfahren zur Regelung eines Kraftstoffgemisches mit einer Regelsonde (1) im Abgassystem (2) einer mobilen Verbrennungskraftmaschine (3), wobei das Abgassystem (2) mindestens einen Katalysator (4) in einer Abgasleitung (5) umfasst, und die Regelung mit einer einzelnen Regelsonde (1) im Inneren des mindestens einen Katalysators (4) durchgeführt wird. Weiterhin wird eine hierfür geeignetes Abgassystem (2) vorgeschlagen.

Description

Regelsystem für eine mobile Verbrer ungskrafmiaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Kraftstoffgemischs mit einer Regelsonde im Abgassystem einer mobilen Verbrennungskrafuriaschine. Weiterhin wird ein Abgassystem umfassend eine mobile Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen. Der bevorzugte Einsatzbereich derartiger Abgassysteme bzw. Verfahren liegt im Automobil-Sektor.
Es ist bekannt, in Abgassystemen mobiler Verbrennungskraftaiaschinen Sensoren und/oder Sonden einzusetzen, um detaillierte Auskunft über Betriebszustände der Verbrermungskraftmaschinen bzw. von Abgasbehandlungseinrichtungen, die im Abgassystem integriert sind, zu erhalten.
So ist es beispielsweise bekannt, mit Hilfe eines an ein elektronisches Steuergerät angeschlossenen Sauerstoffsensors den Alterungszustand eines Abgaskatalysators zu bestimmen. Der Sensor weist einen sauerstoffsensitiven Bereich zur Messung des Sauerstoffpartialdrucks im Abgas auf. Mittels dieser Messgröße wird vom Steuergerät der Alterungszustand des Katalysators ermittelt, da die Sauerstoffbeladung des Katalysators als Kenngröße für seine Funktionsfähigkeit herangezogen werden kann (so genannte Onboard-Diagnose).
Weiterhin ist es auch bekannt, mindestens einen Bestandteil des Abgases im Ab- gassystem zu überwachen und damit die Kraftstoffzuführung zur Verbrennungskraftmaschine zu beeinflussen. So werden bei warmgelaufenen Verbrennungskraftmaschinen oder nach Erreichen einer vorgebbaren Abgastemperatur Sauer- stoffsensoren zur Lambda-Regelung der Verbrermungskrafrmaschine eingesetzt. Die so genannte Luftzahl „Lambda" (λ) beschreibt das Verhältnis des aktuellen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zum stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis und wird vielfach als charakteristischer Kennwert für die Verbrennungsvorgänge verwendet. Hierbei dient ein erster, stromaufwärts eines Katalysators angeordne- ter Sauerstoffsensor als Regelsonde und ein zweiter, dem Abgaskatalysator nachgeschalteter Sauerstoffsensor als Trimmsonde. Mit Hilfe des ersten Sauerstoffsensors wird eine Lambda-Schwingung mit einer bestimmten Amplitude und Frequenz ermittelt, die aus den Verbrennungsvorgängen in der Verbrennungskraft- maschine resultieren. Diese wird mittels dem vor dem Katalysator positionierten ersten Sauerstoffsensor erfasst. Die Vorgehensweise ist dabei dem Fachmann geläufig und bedarf hier keiner weiteren Erörterung.
Die eingangsseitig des Katalysators vorhandene Lambda-Schwingung der Abgas- Zusammensetzung wird beim Durchgang durch den Katalysator aufgrund seiner Sauerstoffspeicherfähigkeit zunehmend geglättet. Ergebnis ist eine Amplitudenabnahme der Lambda-Schwingungen längs des Katalysators. Bei hoher Sauer- stoffspeicherfähigkeit ist beispielsweise ausgangsseitig des Katalysators fast keine Lambda-Schwingung mehr nachweisbar. Die Amplitude der noch nachweisbaren Lambda-Schwingung nach Durchlaufen des Abgases durch einen Teilabschnitt oder den gesamten Katalysator ist daher ein Maß für die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysatorabschnitts oder des gesamten Katalysators.
Der Lambdawert pendelt sich in diesem Fall in der Regel auf den konstanten Mit- telwert der vor dem Katalysator vorhandenen Lambda-Schwingung ein. Dieser Mittelwert wird durch den zweiten Sensor stromabwärts des Katalysators erfasst, die so genannte Trimmsonde. Mit der Trimmsonde wird nun ein Mittelwert von Lambda eingestellt, der sich anhand des (dem Katalysator) vorgelagerten Sauerstoff- bzw. Regelsensors nicht exakt bestimmen bzw. einstellen lässt. Ursachen Merfür sind beispielsweise eine so genannte „Vergiftung", das heißt negative Beeinflussung durch die hohe Schadstoffkonzentration, oder andere Einflüsse des unbehandelten Abgases auf diesen vorgelagerte Regelsensor. Damit verändert der vorgelagerte Regelsensor sein Messverhalten, so dass zwar das dynamische Schwingungsverhalten weiterhin gut erfasst wird, jedoch ohne die Trimmsonde auf eine längere Einsatzzeit des vorgelagerten Regelsensors hin keine exakten Aussagen zum (mittleren) Lambda-Wert selbst möglich sind. Im chemischen Gleichgewicht geht der Lambdawert direkt aus dem Sauerstoffpar- tialdruck hervor. Daher kann über die Messung des Sauerstoffpartialdrucks mit dem zweiten, stromabwärts des Katalysators angeordneten, Sauerstoffsensor (Trimmsonde) der Lambdawert und damit auch die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators ermittelt werden. So lässt sich nun eine „langsame" Korrekturroutine installieren, der die Alterung/Vergiftung des vorgelagerten Regelsensors kompensiert. Der mit den Sauerstoffsensoren bestimmte Verlauf der Sauerstoffpartialdrücke oder anderer Parameter, die die Abgaszusammensetzung beschreiben, gibt ebenfalls Aufschluss über die Effektivität bzw. den Umfang der Verbrennung in den einzelnen Brennkammern der Verbrennungskraftmaschine. Die damit generierten Werte können somit auch zur Lambdaregelung der Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden, wobei beispielsweise Einfmss auf die Zusammensetzung eines Kraftstoff-Luftgemisches, den Zündzeitpunkt, die bei der Verbrennung herrschenden Drücke, etc. eingewirkt wird.
Problematisch beim Einsatz derartiger Sauerstoffsensoren oder auch anderer Re- gelsonden ist auch deren Empfindlichkeit gegen Wasser. Kommt der sensitive Bereich der Regelsonde mit Wasser in Kontakt, ist in der Regel die Funktionsfä- higkeit der Regelsonde nicht mehr gewährleistet. Aus diesem Grund sind bereits eine Vielzahl unterschiedlicher Ausgestaltungen von Regelsonden bzw. Lambda- sonden vorgeschlagen worden, die einen Kontakt des sensitiven Bereiches mit Wasser verhindern sollen. Üblicherweise werden derartige Sauerstoffsensoren bzw. Lambdasonden mittels einer elektrischen Heizleiterstraktur auf Betriebstemperatur gebracht. Weiter ist bekannt, spezielle Abschirmungen, Gitter oder Beschichtungen vorzusehen, die als Widerstand gegen Wasser fungieren. Aufgrund der Tatsache, dass diese Sonden bzw. Sensoren mit der Abgasleitung in Kontakt sind bzw. durch sie hmdurchgeführt sind, haben sie in der Regel eine tiefere Temperatur als das Abgas. Weiter ist zu berücksichtigen, dass die Temperatur des Ab- gases aufgrund der unterschiedlichen Betriebszustände der Verbrennungskraftmaschine stark variiert. Somit besteht immer wieder die Gefahr, dass der Sensor bzw. das den Sensor umgebende Gehäuse Temperaturen erreicht, die eine Kondensierung von Wasser aus dem Abgas zur Folge haben können.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein vereinfachtes Verfahren zur Regelung eines Kraftstoffgemisches mit einer Regelsonde im Abgassystem einer mobilen Verbrennungskraftmaschine anzugeben. Insbesondere sollen die mit Bezug auf den Stand der Technik beschriebenen Probleme zumindest teilweise ge- mindert werden. Außerdem soll ein kostengünstig und einfach aufgebautes Abgassystem vorgeschlagen werden.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Verfahren zur Regelung eines Kraft- stoffgemischs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einem Abgassys- tem mit den Merkmalen des unabhängig formulierten Vorrichtungsanspruchs. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen beschrieben. Ergänzend sei daraufhingewiesen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestal- tungen der Erfindung aufzeigen.
Zur Regelung eines Kraftstoffgemischs einer mobilen Verbrennungskraftmaschine wird eine Regelsonde im Abgassystem vorgesehen, wobei das Abgassystem mindestens einen Katalysator in einer Abgasleitung umfasst. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Regelung mit einer einzelnen Regelsonde im Inneren des mindestens einen Katalysators durchgeführt wird.
Zunächst einmal verabschiedet sich die Erfindung von der Vorstellung der Fachwelt, eine Regelung des Kraftstoffgemischs der Verbrermungskrafrmaschme mit einer Mehrzahl von Regelsonden (eine für die dynamische Lambda-Schwingung und eine für die träge Trimmung) zu veranlassen. Damit lässt sich die Durchfüh- rang des Verfahrens bereits mit geringerem Kostenaufwand und Elektronikaufwand realisieren, wobei automatisch auch die Störanfälligkeit des Systems zur Regelung des Kraftstoffgemischs verringert wird. Zum Schutz vor Kondenswas- ser, den aggressiven Umgebungsbedingungen durch das unbehandelte Abgas und die hohen Temperaturschwankungen wird diese eine Regelsonde im Inneren des mindestens einen Katalysators angeordnet. Damit ist insbesondere gemeint, dass sich Teile der Regelsonde in innere Bereiche des Katalysators hinein erstrecken. Klar ist, dass die Regelsonde aus dem Abgassystem bzw. der Abgasleitung hinausgeführt werden muss, so dass die Regelsonde nicht vollständig im Inneren des Katalysators angeordnet ist. Der Katalysator selbst stellt eine Art Dämpfungsglied für die Temperaturen, Schadstoffkonzentrationen, etc dar. Insbesondere ist er eine thermische Masse, so dass hier ein etwas trägeres thermisches Verhalten vorliegt. Insofern wirken sich die Schwankungen der Abgastemperatur in Folge unterschiedlicher Betriebszustände der Verbrennungskraftmaschine nicht in dem Maße auf die Regelsonde aus wie dies bei einer Regelsonde der Fall wäre, die frei in die Abgasleitung hineinragt. Die Regelsonde ist bevorzugt ein Sauerstoffsensor bzw. eine sogenannte Lambdasonde.
Untersuchungen haben dabei gezeigt, dass die Integration der einzelnen Regel- sonde im Katalysator überraschend exakte Ergebnisse über eine lange Betriebszeit gewährleistet. Es wurde festgestellt, das die Einflüsse des Abgases (z.B. Temperaturschwankungen, Druckschwankungen, etc.) über die ersten Millimeter des Katalysators bereits erheblich abnehmen, so dass hiermit ein signifikanter „Alterungsbzw. Vergiftungsschutz" der Regelsonde realisiert wurde. Hierzu werden im fol- genden noch detailliertere Informationen angegeben. Gleichzeitig liegt noch eine ausreichende Lambda-Schwingung vor, die zur Lambda-Regelung der Verbren- nungskraflmaschine herangezogen werden kann. Bei einer solchen Ausgestaltung sind vorteilhafterweise entsprechende Regelsondenarten einzusetzen. So können beispielsweise in einem Bereich bis zu einer 50%-Reduzierung der beim Kataly- sator „ankommenden" Lambda-Schwingung noch so genannte Sprungsonden (z.B. Zirkon-Dioxid-Sonde mit einer sprunghaften Veränderung des Ausgangs- signal bei einem Lambda-Wert von etwa 1) eingesetzt werden, da diese besonders preiswert und noch ausreichend empfindlich sind. Bei einer weiteren Reduktion der Lambda-Schwingungs-Amplituden, z.B. bis auf 5%, sind bevorzugt so genannte Linearsonden einzusetzen.
An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass hiermit nicht gemeint ist, dass überhaupt keine weiteren Sensoren im Abgassystem vorgesehen sein dürfen. So können beispielsweise Stickoxid-Sensoren dem Katalysator nachgeschaltet sein, die die Stickoxid-Konzentration im Abgas nach dem Kontakt mit dem Katalysator bestimmen. Die hiermit erlangten Messwerte werden jedoch nicht zur Lambda- Regelung der Verbrennungskraftmaschine eingesetzt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die Regelsonde nach einem Start der Verbrermungskrafmaschine so geheizt, dass er eine Temperatur von mindestens 70°C [Grad Celsius] aufweist, bevor der mindestens eine Katalysator 95°C erreicht hat. Das Heizen der Regelsonde kann dabei passiv (im wesentlichen nur durch die Temperatur des mit ihr in Kontakt tretenden Abgases) und/oder aktiv (beispielsweise durch ein Heizelement, eine elektrische Heizung, etc.) erfolgen. Wie bereits eingangs ausgeführt, weisen derartige Regelsonden üblicherweise eine besondere Sensibilität hinsichtlich Wasser auf. Hier wird nun vorgeschlagen, dass die Regelsonde eine Temperatur von mindestens 70°C aufweist (bei der das Phänomen der Kondensation infolge der hier vorgeschlagenen Anordnung im Katalysator nicht mehr in einem wesentlichen Umfang stattfindet), bevor der Katalysator 95°C erreicht hat. Der Katalysator stellt neben einer thermi- sehen Masse zudem auch eine große Oberfläche bereit, die zur Anlagerung von Wasser bzw. Wasserdampf herangezogen werden kann. Das heißt mit anderen Worten, dass der Katalysator bzw. insbesondere auch seine Beschichtung, wie ein Schwamm für Wasser wirkt und dieses relativ lange bindet.
Beim (Wieder-)Start der Verbrennungskraftmaschine heizt nun das den Katalysator durchströmende Abgas den Katalysator-Trägerkörper und die Beschichtung graduell auf. Dabei bildet sich ein Temperaturprofil in Strömungsrichtung des Abgases im Katalysator aus, so dass der Abgaseintrittseite zunächst die höchsten Temperaturen vorliegen und diese dann in Strömungsrichtung abnehmen. Hier wird nun insbesondere vorgeschlagen, dass die Regelsonde bereits eine Tempera- tur von mindestens 70°C, insbesondere von mindestens 90°C [Grad Celsius], aufweist, bevor der Katalysator bzw. der Katalysator-Trägerkörper in einer Ebene parallel zur Abgaseintrittseite mit einem Abstand von 10 mm eine Temperatur von 95°C erreicht hat. In einem Bereich oberhalb von gemittelten 95°C verdampft das eingelagerte Wasser zunehmend und pflanzt sich in Strömungsrichtung des Katalysators fort, wobei es wieder kondensiert, wenn es auf kältere Bereiche stößt. Somit wird eine Art „Wasserdampffront" durch den Katalysator hindurch generiert. Durch die Gewährleistung einer gewissen Temperatur der Regelsonde wird sichergestellt, dass die Regelsonde bei dem Kontakt mit der Wasserdampffront nicht eine solche Wärmesenke darstellt, dass es hier zur Kondensation von Wasser kommt. Damit ist die Funktionalität der einzelnen Regelsonde gewährleistet.
Insbesondere wird vorgeschlagen, dass die Regelsonde zumindest einen der folgenden Bestandteile des Abgases bestimmt: Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid, Sauerstoff. Darüber hinaus ist es auch möglich, mittels dieser Regelsonde einen Partialdruck, eine Temperatur oder andere physikalische Messgrößen zu erfassen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist die Regelsonde eine Lamb- dasonde, wobei diese gleichzeitig zur Überprüfung der Konvertierungsfähigkeit des mindestens einen Katalysators herangezogen wird. Insbesondere handelt es sich dabei um eine sogenannte Breitband-Lambdasonde (Lambdasonde), welche in Abhängigkeit des Sauerstoffgehalts im Abgas im Bereich um Lambda = 1 (z.B. mit einer Toleranz von +/- 0,005) ein stetiges, z. B. lineares, Ausgangssignal abgibt. Mit diesem Signal wird das Gemisch entsprechend den Sollwertvorgaben geregelt. Bei der hier vorgeschlagenen Ausgestaltung der Regelsonde ist es möglich, diese relativ weit hinten im Katalysator zu platzieren, insbesondere mit ei- nem Abstand von 25 mm bis 60 mm. In diesem Bereich werden die Lambda- Schwingungen häufig bereits um mehr als 50% reduziert bzw. geglättet, teilweise sogar um mehr als 90%. Gleichwohl erlaubt der Einsatz einer solchen Breitband- Lambdasonde immer noch eine hohe Messgenauigkeit, und durch deren Position im Katalysator ist eine extrem geringe Vergiftungsneigung festzustellen, so dass auch ein Lambda-Mittelwert exakt und über einen langen Zeitraum feststellbar ist. Der mit der Lambdasonde bestimmte Sauerstoffgehalt kann zudem auch als Maß für die Konvertierungsfähigkeit des Katalysators herangezogen werden. Hinsichtlich dieses Prozesses sei auf die eingangs angeführten Erläuterungen verwiesen. Mit einer solchen Lambdasonde lässt sich eine Onboard-Diagnose einfach bewerkstelligen. Damit ist ein Verfahren angegeben, welches besonders einfach aufgebaut ist und gleichzeitig eine Lambda-Regelung der Verbrennungskraftmaschine und einer Onboard-Diagnose ermöglicht.
Weiter wird auch vorgeschlagen, dass das von der Verbrermungskrafτmaschine erzeugte Abgas in der Abgasleitung gemischt wird, bevor es die Regelsonde erreicht. Aufgrund der Lage bzw. Position der Regelsonde in der Abgasleitung würden immer nur bestimmte Randströmungen des Abgases erfasst und ausgewertet werden. Um zu gewährleisten, dass man ein für den gesamten Abgasstrom reprä- sentatives Ergebnis erhält, wird der Abgasstrom gemischt, bevor er die Regelsonde erreicht. Dann kann davon ausgegangen werden, dass die Position der einzelnen Regelsonde mit Bezug auf die Abgasleitung keinen wesentlichen negativen Einfluss auf das Ergebnis der Messung hat. Zur Mischung des Abgases können separate Strömungsmischer (statisch oder dynamisch) und/oder auch besondere Ausgestaltungen der Katalysatoren und/oder anderer Abgasbehandlungseinrichtungen vorgesehen sein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens dient der mindestens eine
Katalysator zur Behandlung wenigstens einer der folgenden Komponenten des Abgases: Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid, Stickoxid, Partikel. Insbesondere handelt es sich dabei um einen metallischen Katalysator-Trägerkörper oder eine keramische Wabenstruktur, die mit einer Beschichtung versehen ist, die kataly- tisch auf zxtmindest eine der vorstehend genannten Komponenten wirkt und zu deren Umsetzung beiträgt. Neben der katalytischen Funktion kann der Katalysator beispielsweise auch adsorbierende und/oder filternde und/oder weitere Funktionen aufweisen. Dabei ist die Beschichtung vorteilhafterweise neutral gegenüber Sauerstoff, um das Messergebnis nicht negativ zu beeinflussen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Abgassystem umfassend eine mobile Verbrennungskraftmaschine mit zumindest einer Abgasleitung vorge- schlagen, in der mindestens ein Katalysator vorgesehen ist, sowie eine Regelsonde und eine damit verbundene Regeleinheit zur Regelung des Kraftstoffgemischs für die Verbrennvmgskraftmaschine. Das Abgassystem weist hierbei nur eine einzelne Regelsonde im Inneren des mindestens einen Katalysators auf. Die Messergebnisse der Regelsonde werden über die Regeleinheit ausgewertet und entsprechend dort abgelegten Sollvorgaben wird primär die Zusammensetzung des Kraftstoffgemisches, ggf. aber auch der Zündzeitpunkt, die Einspritzdrücke, etc. variiert. Somit wird wiederum auf das System einer vorgelagerten Regelsonde und einer nachgeschalteten Trimmsonde verzichtet und durch ein System umfassend eine einzelne Regelsonde, die in innere Bereiche des mindestens einen Katalysators hineinragt, ersetzt. Dadurch werden die Störanfälligkeit, der technische Aufwand und die Kosten deutlich reduziert.
Gemäß einer Weiterbildung des Abgassystems ist die Regelsonde mit einem Abstand von einer Abgaseintrittseite des mindestens einen Katalysators von 10 mm bis 80 mm entfernt angeordnet. Versuche haben gezeigt, dass in Abhängigkeit der Verbrennungskraftmaschine der hier angegebene Abstand ausreichend ist, um bei einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschüie und einer gleichzeitigen elektrischen Beheizung der Regelsonde zu gewährleisten, dass die Regelsonde eine Temperatur oberhalb von 70°C aufweist, bevor sie von der oben beschriebenen Wasserdampffront erreicht wird. Vorteilhafterweise wird die Regelsonde in einem Abstand von 25 mm bis 60 mm von der Abgaseintrittseite positioniert. Weiter wird auch vorgeschlagen, dass die Regelsonde eine beheizbare Lambdasonde ist. Während es grundsätzlich möglich ist, dass die Regelsonde allein durch das vorbeiströmende Abgas auf die erforderliche Temperatur nach dem Kaltstart gebracht wird, wird hier in vorteilhafter Weise vorgeschlagen, dass sich die Lambdasonde beheizen lässt, insbesondere mittels einer elektrischen Heizleiterstruktur, die in die Lambdasonde integriert ist. Mit dem Start der Verbrennungs- kraftmaschine wird diese Heizleiterstruktur mit Strom beaufschlagt, so dass die in die Abgasleitung hineinragenden und mit dem Abgas in Kontakt kommenden Teilkomponenten der Lambdasonde rasch auf Temperaturen oberhalb von 70°C gebracht werden.
Zudem wird auch vorgeschlagen, dass in zumindest einem Bereich des mindestens einen Katalysators zwischen einer Abgaseintrittseite und der Regelsonde Mit- tel zur Reduzierung einer Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wasser bzw. Wasserdampf vorgesehen sind. Damit ist insbesondere gemeint, dass sich das Wasser bzw. der Wasserdampf nicht mit der gleichen Geschwindigkeit durch den Bereich des Katalysators hindurchbewegen kann, wie das Abgas. Einige dieser Möglichkeiten zur Reduzierung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wasser bzw. Was- serdampf werden in dem nachfolgenden Absatz beschrieben.
Demnach ist zumindest ein Bereich des mindestens einen Katalysators zwischen einer Abgaseintrittseite und der Regelsonde mit Kanälen und wenigstens einem der folgenden Merkmale ausgeführt: - Kanaldichte von 600 bis 1200 cpsi [Zellen pro Quadratinch]; Öffnungen in Kanalwänden der Kanäle; Mischerstrakturen; poröse Oberfläche der Kanäle; Beschichtung mit einer Speicherfähigkeit für zumindest Wasser oder Was- serdampf; metallische Kanalwände mit einer Dicke im Bereich von 40 μm bis 110 μm (Mikrometer).
Die Ausgestaltung eines Katalysators mit Kanälen ist bekannt. Dabei handelt es sich bevorzugt um sogenannte Wabenkörper, die eine Vielzahl von im wesentlichen parallel zueinander angeordneten Kanälen aufweisen. Grundsätzlich können die Kanäle durch metallische oder keramische Kanalwände gebildet werden.
Unter einer „Kanaldichte" wird die Anzahl der Kanäle pro Einheitsquerschnitts- fläche des Katalysators bzw. der Wabenstruktur verstanden. Mit „cpsi" wird auf die in diesem technischen Gebiet üblicherweise verwendete Einheit „cells per Square inch" Bezug genommen. 1 cpsi entspricht dabei in etwa 6,4516 Kanäle pro Quadratzentimeter. Der hier angegebene Bereich von 600 cpsi bis 1200 cpsi ist relativ hoch und repräsentiert eine sehr große Oberfläche sowie auch eine relativ hohe thermische Masse in diesem Bereich. Damit werden einerseits eine große Kontaktfläche für Wasser bzw. Wasserdampf und andererseits gleichzeitig auch eine relativ hohe Wärmekapazität bereitgestellt, so dass gerade in der Kaltstartphase der Verbrermungskraftmaschine hier das Wasser bzw. der Wasserdampf gut gebunden bzw. aufgehalten wird.
Die Bereitstellung von Öffnungen in den Kanalwänden führt dazu, dass Durchmischungen von Teilabgasströmen, die durch die einzelnen Kanäle hindurchströmen, ermöglicht werden. Damit kommt es zu einer Temperatur- bzw. Konzentrationsausgleich des Abgases über dem Querschnitt des Katalysators, so dass mittels der Regelsonde ein charakteristischer Messwert für den gesamten Abgasstrom unabhängig von dessen Position in der Abgasanlage ermöglicht wird.
Zur Unterstützung dieses Durchmischungseffektes wird vorgeschlagen, dass Mischerstrukturen in dem mindestens einen Bereich vorgesehen sind. Unter Mi- scherstrukturen sind insbesondere Erhebungen, Leitflächen, etc. zu verstehen, die zumindest teilweise in innere Bereiche der Kanäle hineinragen oder auf andere Weise Drackunterschiede oder Strömungsumlenkungen bewirken. Sie forcieren die Teilabgasströme hin zu benachbarten Kanälen, so dass eine ausreichende Durchmischung der Teilabgasströme gewährleistet ist. Eine poröse Oberfläche der Kanäle bietet ausreichend Anlagerungs- bzw. Einlagerungsmöglichkeiten für Wasser oder Wasserdampf. Dabei sind insbesondere poröse Oberflächen bzw. Materialien der Kanalwände selbst gemeint, beispielsweise auch des Katalysatpr-Trägerkörpers bzw. der Wabenstruktur. Zudem können die Kanäle bzw. deren Oberfläche mit einer Beschichtung versehen sein, die eine Speicherfähigkeit für zumindest Wasser oder Wasserdampf aufweisen. Das bedeutet, dass Sie beispielsweise hygroskopisch sind. Damit wird die Ausbreitung der Wasserdampffront zeitlich verzögert, so dass wiederum der Regelsonde die Zeit bereitgestellt wird, die sie benötigt, um die entsprechenden Temperaturen selbst zu erreichen. Unter Umständen ist es vorteilhaft, wenn die Speicherfähigkeit im vorgelagerten Bereich größer ist, als in einem Teilabschnitt stromabwärts der Regelsonde.
Als weitere Maßnahme ist auch möglich, dass der Katalysator mit einem metalli- sehen Katalysator-Trägerkörper aufgebaut ist. In diesem Fall sind metallische Kanalwände mit einer Dicke im bereich von 40 μm bis 110 μm (Mikrometer) bevorzugt. Diese stellen wiederum die günstige hohe Wärmekapazität bereit, die ein schnelles Verdampfen von angelagerten bzw. eingelagerten Wasser behindert.
Grundsätzlich sei angemerkt, dass es vorteilhaft ist, mindestens zwei der oben genannten Merkmale miteinander zu kombinieren.
Nach einer Weiterbildung des Abgassystems hat die Regelsonde eine Beschichtung mit wenigstens einer Speicherfähigkeit für zumindest Wasser bzw. Wasser- dampf oder eine katalytische Aktivität gegenüber zumindest eines Bestandteils des Abgases. In vorteilhafter Ausgestaltung weist die Beschichtung beide Fähig- keiten auf. Bevorzugt liegt dabei eine Speicherfähigkeit bis zu einer Temperatur vor, bei der die katalytische Aktivität startet.
Zudem wird auch vorgeschlagen, dass das Abgassystem, wie es erfindungsgemäß zuvorstehend beschrieben ist, von einem Fahrzeug umfasst ist. Mit Fahrzeug ist insbesondere ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen, ein Motorrad, ein Motorboot, ein Motorflugzeug, etc. gemeint.
Unabhängig von den bisher beschriebenen Regelsonden kann ein Messfühler, insbesondere die Lambdasonde, mit einer Schutzkappe versehen werden, die den Messfühler in vorteilhafter Weise vor Wasserschlag schützt. Unter Wasserschlag versteht man das Auftreffen von Wassertropfen auf den Messfühler oder auch das Auskondensieren von Wasserdampf auf diesem. Die Funktion insbesondere von Lambdasonden wird durch Wasserschlag zumindest beeinträchtigt, die Sonde kann durch Wasserschlag sogar gänzlich unbrauchbar werden.
Der Wasserschlag kann in vorteilhafter Weise verhindert werden, wenn sich die Schutzkappe schneller aufheizt als die Wabenstruktur bzw. der Wabenkörper, in den der Messfühler eingesetzt ist. Vorzugsweise hat die Schutzkappe möglichst schnell eine solche Temperatur, dass ein Auskondensieren von Wasserdampf auf der Oberfläche des Messfühlers sicher vermieden wird. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass die Schutzkappe aus einem Stoff ausgebildet wird, der eine deutlich niedrigere Wärmekapazität, insbesondere spezifische Wärmekapazität aufweist als das Material, aus dem der Wabenkörper ausgebildet ist. Bevorzugt wird ein Stoff mit einer solchen spezifische Wärmekapazität gewählt, dass bei normalem Betriebszustand gewährleistet ist, dass dann, wenn der Wabenkörper in Strömungsrichtung vor dem Messfühler eine Temperatur über der Siedetemperatur von Wasser aufweist, die Schutzkappe ebenfalls eine Temperatur oberhalb der Siedetemperatur von Wasser aufweist und zwar auch dann, wenn der Wabenkör- per in Strömungsrichtung stromaufwärts unmittelbar benachbart des Messfühlers noch eine Temperatur unterhalb der Siedetemperatur aufweist. Gleichermaßen ist es vorteilhaft, dass dann, wenn der Wäbenkörper in Strömungsrichtung vor dem Messfühler eine Temperatur oberhalb der Siedetemperatur von Wasser aufweist, die Wärmekapazität, insbesondere spezifische Wärmekapazität der Schutzkappe so gewählt wird, dass diese eine solche Temperatur aufweist, dass unter üblichen Betriebsbedingungen der Taupunkt von Wasser am Messfühler beziehungsweise der Schutzkappe sicher vermieden wird und somit ein Auskondensieren des Wassers auf dem Messfühler bzw. der Schutzkappe wirkungsvoll vermieden wird.
Eine weitere Möglichkeit, eine entsprechende Schutzkappe auszubilden, besteht in einer Veränderung des Wärmeübergangskoeffizienten der Schutzkappe. Durch Anpassung dieses Wärmeübergangskoeffizienten kann ebenfalls erreicht werden, dass der Messfühler beziehungsweise die Schutzkappe schnell eine solche Temperatur erreichen, dass das Auskondensieren von Wasserdampf, welcher durch Verdampfung innerhalb des Wäbenkörpers entsteht, wirkungsvoll verhin- dert wird. Die Schutzkappe kann als getrenntes Bauteil oder auch integral am Messfühler ausgebildet sein. Die Schutzkappe kann auch mit den erfindungsgemäßen Regelsonden kombiniert werden.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Dabei sei darauf hingewiesen, dass die Figuren z. T. besonders bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen, diese jedoch nicht darauf begrenzt ist. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch ein Fahrzeug mit einem Abgassystem;
Fig. 2 schematisch einen Katalysator mit einer Regelsonde;
Fig. 3 schematisch einen Katalysator im Querschnitt;
Fig. 4 schematisch eine weitere Ausgestaltung eines Katalysators; Fig. 5 eine Detailansicht des Katalysators aus Fig. 4;
Fig. 6 schematisch ein Diagramm betreffend die Messqualität der Regelsonde in Abhängigkeit der Position zum Katalysator; und
Fig. 7 schematisch den Aufbau einer Regelsonde.
Fig. 1 zeigt schematisch und perspektivisch ein Fahrzeug 17 mit einer Verbrennungskraftmaschine 3 und ein dazugehöriges Abgassystem 2. Als Verbrennungs- kraftmaschine 3 können insbesondere Diesel- und Ottomotoren vorgesehen sein. Das mittels der Verbrermr gskraftmaschine 3 generierte Abgas wird über die Abgasleitung 5 an die Umgebung abgegeben. Dazu wird das Abgas mit Abgasbehandlungseinrichtungen wie beispielsweise Katalysatoren, Adsorber, Partikelfallen etc. in Kontakt gebracht, wobei Schadstoffe des Abgases zumindest teilweise in zumindest weniger schädliche Komponenten umgewandelt werden.
In der Fig. 1 durchströmt das Abgas zunächst einen Mischer 20 bevor es einem Katalysator 4 zugeführt wird. Der Katalysator 4 ist mit einer Regelsonde 1 zur Regelung des Kraftstoffgemischs bzw. zur Onboard-Diagnose des Katalysators 4 ausgestattet, der in innere Bereiche des Katalysators 4 hineinragt. Die Regelsonde 1 ist mit einer Regelungseinheit 6, insbesondere der Motorsteuerung, verbunden. Die Regelungseinheit 6 variiert nun in Abhängigkeit der mittels der Regelsonde 1 erfassten Parameter sowie dort gespeicherten Vorgaben die Zusammensetzung des Kraftstoffgemisches.
Fig. 2 zeigt schematisch einen Katalysator 4 mit einer Regelsonde 1. Die Regelsonde 1 wird durch die Abgasleitung 5 hindurch in innere Bereiche des Katalysators 4 eingeführt. Der Katalysator 4 ist hier mit einem Gehäuse 18 ausgeführt, in dem eine für das Abgas durchströmbare Wabenslraktur vorgesehen ist. Die Wa- benstruktur wird durch eine Vielzahl von Kanalwänden 12 gebildet, die für das Abgas durchströmbare Kanäle 10 bereitstellen. Das Abgas strömt in Strömungs- richtung 19 und trifft auf die Abgaseintrittseite 8 auf. Zwischen der Abgaseintrittseite 8 und der Regelsonde 1 ist ein Bereich 9 vorgesehen, der Mittel zur Behinderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer sich beim (Wieder-)Start der Verbrennungskraftmaschine durch . den Katalysator 4 fortpflanzenden Wasser- dampffront aufweist. Zur Sicherstellung, dass nach einem Kaltstart die Regelsonde 1 Temperaturen oberhalb von 70°C erreicht hat, bevor diese Wasserdampffront die Regelsonde 1 erreicht hat, ist die Regelsonde 1 mit einem Abstand 7 von 10 bis 80 mm positioniert. Dabei sei darauf hingewiesen, dass der hier eingezeichnete Abstand 7 schematisch dargestellt ist, also nichts zum Verhältnis der Gesamt- länge des Katalysators 4 in Richtung der Strömungsrichtung 19 ausgesagt ist.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Katalysators 4 im Querschnitt. Der Katalysator 4 weist wiederum ein Gehäuse 18 auf sowie einen Bereich 9, der sich über einen Abstand 7 ausgehend von der Abgaseintrittseite 8 aus erstreckt. Der Katalysator 4 weist hierbei einen metallischen Katalysator-Trägerkörper auf, so dass die Kanalwände 12 hier also metallischen Ursprungs sind.
Innerhalb des Bereichs 9 werden die Kanäle 10 durch Kanalwände 12 begrenzt, die eine gegenüber anderen Bereichen des Katalysators größere Dicke 16 aufwei- sen. Gleichzeitig sind Öffnungen 11 sowie Mischerstrukturen 13 vorgesehen, die ein Durchmischen von benachbarten Teilabgasströmen ermöglichen. Damit kann gewährleistet werden, dass die in die Aussparung 23 einzusetzende Regelsonde 1 dort qualifizierte Ergebnisse hinsichtlich der Abgaszusammensetzung liefern kann.
Stromabwärts des Bereiches 9 sind die Kanäle durch dünnere Kanalwände 12 begrenzt, wobei die Oberfläche 14 beispielsweise auch mit einer Beschichtung 15 ausgeführt sein kann. Bei der hier dargestellten Ausführungsform sind die Kanalwände 12 in dem stromabwärts gelegenen Bereich ebenfalls mit Öffnungen 11 versehen. Die unterschiedlichen Bereiche 9 des Katalysators 4 können gegebenen- falls auch durch verschiedene, separate (ggf. mit einem Spalt beabstandete) Wabenstrukturen bzw. Trägerkörper gebildet sein.
Fig. 4 und 5 zeigen noch eine weitere Ausgestaltung eines Katalysators 4 mit ei- ner Regelsonde 1. Der Katalysator 4 weist hierbei wiederum ein Gehäuse 18 auf, wobei die innenliegende Wabenstruktur durch Glattfolien 21 und Wellfolien 22 gebildet ist, die evolventenformig miteinander verschlungen und miteinander verlötet sind (insbesondere hochtemperatur-verlötet). Aus der stirnseitigen Ansicht ist zu erkennen, dass die Glattfolien 21 und die Wellfolien 22 jeweils Lagen 24 bilden, wobei eine Durchmischung der benachbarten Kanäle 10 auch innerhalb dieser Lagen 24 möglich ist. In der Detailansicht (Fig. 5) ist zu erkennen, dass die Glattfolien 21 und die Wellfolien 22 abwechselnd zueinander positioniert sind und auf diese Weise Kanäle 10 bilden. Auf der Oberfläche 14 der Kanäle 10 ist eine katalytisch aktive Beschichtung 15 vorgesehen.
Fig. 6 zeigt schematisch ein Diagramm betreffend die Messqualität der Regelsonde in Abhängigkeit der Position zum Katalysator. Die Abszisse zeigt beispielhaft den Abstand 7 der Regelsonde 1 von der Abgaseintrittsseite 8 in Millimeter an. Die Ordinate zeigt beispielhaft die Reduzierung der Lambda-Regelschwingung in Prozent an. Hieraus ergibt sich nun, dass bereist nach wenigen Millimetern, z.B. 10 mm, bereits eine deutliche Reduzierung der Lambda-Schwingung vorliegt, insbesondere um mindestens 50 %. So können ggf. Reduzierungen von mehr als 80 % bereits bei einem Abstand von 40 mm vorliegen oder sogar von 95 % bei einem Abstand von 60 mm. Die dargestellte Kurve 25 ist schematisch und soll den Verlauf veranschaulichen. Um ein für die Lambda-Regelung ausreichend exaktes Messergebnis zu erhalten wird hier vorgeschlagen, unter Umständen je nach Position der Regelsonde unterschiedliche Ausführungsformen zu wählen. Hierzu wurde ein Grenzwert 26 eingezeichnet, der als Maß für die Empfindlichkeit der Regelsonde angesehen werden kann. Der mit „I" gekennzeichnete Bereich soll den Einsatzbereich für eine Sprungsonde charakterisieren, der mit „II" gekennzeichnete Bereich den einer Breitband-Linearsonde. Hieraus geht hervor, dass z.B. bis zu einem Abstand von etwa 20 mm (in anderen Fällen auch bis 40 mm) eine Sprungsonde vorteilhaft ist (geringe Kosten, ausreichend genau) und bei einem Abstand darüber die Breitband-Linearsonde zur Regelung eingesetzt werden sollte.
Fig. 7 zeigt schematisch den Aufbau einer Regelsonde 1 in einer eingebauten Position, wobei die nachfolgend beschriebene Regelsonde 1 eine besonders bevorzugte Ausführungsform darstellt, die ggf. auch als alleinige Regelsonde 1 z.B. hinter einem Katalysator 4 eingesetzt werden kann. Sie weist zur Fixierung an dem Gehäuse 18 eine Mutter 27 und ein Gewindeabschnitt 28 auf. Der sensitive Bereich 29 ragt nun in eine Aussparung 23 des Katalysators 4 hinein, die in die Kanäle 10 bildenden Kanalwände 12.
Aufgrund der vorstehend beschriebenen Schutzmaßnahmen des sensitiven Be- reichs 29 durch den Katalysator 4 als Dämpfungsglied (z.B. betreffend die Temperaturen, Schadstoffkonzentrationen, Druckschwankungen, Wassergehalt im Abgas) kann die Regelsonde 1 direkt dem Abgasstrom ausgesetzt werden, auf die üblicherweise eingesetzte Schutzkappe kann demnach verzichtet werden. Aus Gründen des Schutzes des sensitiven Bereiches 29 während der Lagerung, des Transportes, der Montage, etc. ist es jedoch unter Umständen erforderlich, trotzdem eine Kappe 30 vorzusehen. Diese ist jedoch so gestaltet, dass sie eine besonders geringe Aufnahmefähigkeit für Wärme aufweist, insbesondere kleiner 1 J/K [Joule pro Kelvin] oder sogar kleiner 0,8 J/K. Das kann beispielsweise durch eine besonders dünnwandige Kappe 30, eine poröse Kappe 30, eine viele Öffnungen 32 aufweisende Kappe 30, eine sehr kleine Kappe 30, etc. erreicht werden. Bevorzugt ist diese Kappe 30 aus einem Stahl- Werkstoff hergestellt und wird insbesondere mittels einem umformenden Fertigungsverfahren (z.B. Tiefziehen) hergestellt. Zudem können Leitflächen 31 vorgesehen sein, die eine geeignete Anströ- mung des Abgases hin zum sensitiven Bereich 29 ermöglichen und ggf. auch eine längere Verweilzeit des Abgases im Inneren der Kappe 30 zur Folge haben. Für den Fall, dass die Kappe 30 zumindest teilweise beschichtet ist, so bezieht sich der oben angegebene Parameter auf die Kappe 30 inklusive der Beschichtung. Eine solche Ausführungsform der Regelsonde 1 ist auch unabhängig von dem hier beschriebenen Regelverfahren vorteilhaft einsetzbar, insbesondere mit einem Abgassystem, bei dem diese Regelsonde 1 einem Katalysator 4 nachgeordnet ist.
Bezugszeichenliste
Regelsonde Abgassystem
Verbrennungskraftmaschine
Katalysator
Abgasleitung
Regelungseinheit
Abstand
Abgaseintrittsseite
Bereich
Kanal
Öffnung
Kanalwand
Mischerstruktur
Oberfläche
Beschichtung
Dicke
Fahrzeug
Gehäuse
Strömungsrichtung
Mischer
Glattfolie
Wellfolie
Aussparung
Lage
Kurve
Grenzwert
Mutter
Gewindeabschnitt
Bereich Kappe Leitfläche Öffnung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Regelung eines Kraftstoffgemisches mit einer Regelsonde (1) im Abgassystem (2) einer mobilen Verbrermungskrafmiaschine (3), wobei das Abgassystem (2) mindestens einen Katalysator (4) in einer Abgasleitung (5) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung mit einer einzelnen Regelsonde (1) im Inneren des mindestens einen Katalysators (4) durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelsonde (1) nach einem Start der Verbrennungskraftmaschine (3) so geheizt wird, dass sie eine Temperatur von mindestens 70° Celsius aufweist, bevor der mindestens eine Katalysator (4) 95° Celsius erreicht hat.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelsonde (1) zumindest einen der folgenden Bestandteile des Abgases bestimmt: Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid, Stickoxid, Sauerstoff.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelsonde (1) eine Lambdasonde ist, wobei diese gleichzeitig zur Überprüfung der Konvertierungsfälligkeit des mindestens einen Katalysators (4) herangezogen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Verbrennungskraftaiaschine (3) erzeugt Abgas in der Abgasleitung (5) gemischt wird, bevor es die Regelsonde (4) erreicht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Katalysator (4) zur Behandlung wenigstens einer der fol- genden Komponenten des Abgases dient: Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid, Stickoxid, Partikel.
7. Abgassystem (2) umfassend eine mobile Verbrennungskraftmaschine (3) mit zumindest einer Abgasleitung (5), in der mindestens ein Katalysator (4) vorgesehen ist, sowie eine Regelsonde (1) und eine damit verbundene Regeleinheit (6) zur Regelung des Kraftstoffgemisches für die Verbrennungskraftma- schine (3), dadurch gekennzeichnet, dass eine einzelne Regelsonde (1) im Inneren des mindestens einen Katalysators (4) angeordnet ist.
8. Abgassystem (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelsonde (1) mit einem Abstand (7) von einer Abgaseintrittsseite (8) des mindestens einen Katalysators (4) von 10 mm bis 80 mm [Millimeter] entfernt angeordnet ist.
9. Abgassystem (2) nach Ansprach 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelsonde (1) eine beheizbare Lambdasonde ist.
10. Abgassystem (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Bereich (9) des mindestens einen Katalysators (4) zwischen einer Abgaseintrittsseite (8) und der Regelsonde (1) Mittel zur Reduzierung einer Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wasser bzw. Wasserdämpf versehen sind.
11. Abgassystem (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Bereich (9) des mindestens einen Katalysators (4) zwischen einer Abgaseintrittsseite (8) und der Regelsonde (1) mit Kanälen (10) und wenigstens einem der folgenden Merkmale ausgeführt ist: - Kanaldichte von 600 bis 1200 cpsi [Zellen pro Quadratinch]; - Öffnungen (11) in Kanalwänden (12) der Kanäle (10); - Mischerstrukturen (13); - poröse Oberfläche (14) der Kanäle (10); - Beschichtung (15) mit einer Speicherfähigkeit für zumindest Wasser oder Wasserdampf; - metallische Kanalwände (12) mit einer Dicke (16) im Bereich von 40 μm bis 110 μm [Mikrometer].
12. Abgassystem (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelsonde (1) eine Beschichtung (15) mit wenigstens einer Speicherfähigkeit für zumindest Wasser bzw. Wasserdampf oder einer katalyti- sehen Aktivität gegenüber zumindest eines Bestandteils des Abgases hat.
13. Fahrzeug (17) umfassend ein Abgassystem (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 12.
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