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DE10100613C1 - Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine

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DE10100613C1 DE10100613A DE10100613A DE10100613C1 DE 10100613 C1 DE10100613 C1 DE 10100613C1 DE 10100613 A DE10100613 A DE 10100613A DE 10100613 A DE10100613 A DE 10100613A DE 10100613 C1 DE10100613 C1 DE 10100613C1
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Abstract

Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine (1), mit einer Motorsteuerung (16) zur Einstellung der Gemischzusammensetzung der Brennkraftmaschine (1), einer im Abgasstrom der Brennkraftmaschine (1) angeordneten ersten Abgassonde (3), einem im Abgasstrom der Brennkraftmaschine (1) stromabwärts nach der ersten Abgassonde angeordneten ersten Abgasreinigungselement (2), einer eingangsseitig mit der ersten Abgassonde (3) und ausgangsseitig mit der Motorsteuerung (16) verbundenen Regeleinheit (10) zur Regelung der Gemischzusammensetzung der Brennkraftmaschine (1) in Abhängigkeit von der gemessenen Abgaszusammensetzung, wobei im Abgasstrom der Brennkraftmaschine (1) stromabwärts nach dem ersten Abgasreinigungselement (2) eine zweite Abgassonde (5) angeordnet ist, die ausgangsseitig mit der Regeleinheit (10) verbunden ist, um die lokale Bilanzierung der Sauerstoffkonzentration in dem Abgasreinigungselement (2) zu modifizieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei Personenkraftwagen mit einer Brennkraftmaschine wird zur Reinigung des Abgasstroms üblicherweise ein Katalysator ver­ wendet. Zur Erreichung einer optimalen Reinigungswirkung muss die Sauerstoffkonzentration im Katalysator innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite liegen. Dies ist wichtig, da die Schadstoffe HC, CO und NOx nur bei der vorgegebenen Sauer­ stoffkonzentration im Katalysator optimal konvertiert werden. Die Einstellung der gewünschten Gemischzusammensetzung der Brennkraftmaschine erfolgt durch die elektronische Motorsteu­ erung, die beispielsweise die Einspritzdauer, den Einspritz­ zeitpunkt oder die Drosselklappenstellung entsprechend fest­ legt.
Es ist weiterhin bekannt, die Gemischzusammensetzung der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der Abgaszusammenset­ zung der Brennkraftmaschine zu regeln, um nach einer Störung wie beispielsweise einer vorübergehenden Schubabschaltung möglichst schnell wieder die optimale Sauerstoffkonzentration in dem Katalysator einzustellen. Hierzu ist im Abgasstrom zwischen der Brennkraftmaschine und dem Katalysator eine Lambda-Sonde angeordnet, welche die Abgaszusammensetzung misst und ausgangsseitig über eine Regeleinheit mit mindes­ tens einem doppelten I-Anteil mit der elektronischen Mo­ torsteuerung verbunden ist. Der doppelte I-Anteil der Regel­ einheit ermöglicht vorteilhaft eine Wiederherstellung der Sauerstoffkonzentration im Katalysator nach Störungen, welche die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators nicht über­ steigen. Es erfolgt also eine lokale Bilanzierung der Sauer­ stoffkonzentration in dem Katalysator, wobei die Regelung die Aufgabe hat, die Sauerstoffkonzentration in dem Katalysator innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite zu halten.
Falls die durch die Störung verursachte Änderung der Sauer­ stoffkonzentration das Speichervermögen des Katalysators je­ doch überschreitet, treten Fehler bei der Ausregelung der Störung auf. Diese führen dazu, dass zusätzlich zu den durch die Störung hervorgerufenen Emissionen auch bedingt durch die fehlerhafte lokale Bilanzierung infolge einer Überkompensati­ on zusätzliche Emissionen verursacht werden. Bei der vorste­ hend beschriebenen bekannten Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine besteht also der Nachteil, dass größere Störungen fehlerhaft ausgeregelt werden, was mit zusätzlichen Emissionen verbunden ist.
Aus der DE 198 56 367 C1 ist ein Verfahren zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine mit einem lambda-geregelten Drei-Wege-Katalysator und einer Trimmregelung bekannt. Strom­ aufwärts des Drei-Wege-Katalysators ist eine Lambdasonde vor­ gesehen, deren Signal an ein Betriebssteuergerät geführt ist. Stromabwärts des Katalysators ist eine Nachkat- Lambdasonde angeordnet, deren Messsignal an einen Trimmregler geleitet wird. Der bei der Rohsignalaufbereitung der strom­ aufwärts des Katalysators angeordneten Lambdasonde mit steti­ ger Kennlinien-Charakteristik entstehende Messsignalfehler wird bestimmt und zur gegensinnigen Veränderung des Stellwer­ tes der Trimmregelung verwendet, da die Trimmregelung auch einen bei der Rohsignalaufbereitung entstehenden, Lambda- Sonden-unabhängigen Fehler adaptiv ausgleicht.
Aus der DE 198 52 294 A1 ist eine Abgasanlage einer Mehrzy­ linder-Brennkraftmaschine mit zumindest einem Anlageteil, bei dem die Brennkraftmaschinen-Abgase oder Teile davon zunächst durch zumindest zwei auf Zylindergruppen aufgeteilte Teillei­ tungsstränge geführt sind. In den Teilleitungssträngen ist jeweils ein Startkatalysator eingesetzt und die Teilleitungs­ stränge vereinigen sich zu einem gemeinsamen Hauptrohr, in dem ein Hauptkatalysator eingesetzt ist. Vor jedem Startkata­ lysator ist eine Lambdasonde angeordnet und zumindest in ei­ nem Teilleitungsstrang nach dem Startkatalysator eine zusätz­ liche Lambdasonde. Dadurch ist ein genaueres Einregeln des Luft-/Kraftstoffgemisches ermöglicht.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, bei der vor­ stehend beschriebenen bekannten Abgasreinigungsanlage für ei­ ne Brennkraftmaschine das Regelverhalten für die Sauerstoff­ konzentration des Katalysators so zu verbessern, dass auch größere Störungen sauber ausgeregelt werden.
Die Aufgabe wird, ausgehend von der eingangs beschriebenen bekannten Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, durch die kennzeich­ nenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, zur Regelung der Sauerstoffkonzentration in dem Katalysator zwei voneinander unabhängige Regelkreise vorzusehen. Der erste Re­ gelkreis weist hierbei vorzugsweise mindestens zwei hinter­ einander angeordnete I-Regler auf, wohingegen der zweite Re­ gelkreis vorzugsweise das Regelverhalten und/oder die Trim­ mung des ersten I-Reglers beeinflusst, um eine Überkompensa­ tion bei einer größeren Störung zu vermeiden. Als Eingangs­ größe erhält der zweite Regelkreis vorzugsweise das Ausgangs­ signal einer im Abgasstrom der Brennkraftmaschine stromabwärts nach dem Katalysator angeordneten Abgassonde, die vor­ zugsweise als binäre Lambda-Sonde ausgeführt ist.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen (Ansprüche 2 bis 7) gekennzeichnet. Die Erfindung wird nachstehend zusam­ men mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Figur näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 die erfindungsgemäße Abgasreinigungsanlage als Blockschaltbild sowie
Fig. 2 die Regeleinheit der Abgasreinigungsanlage aus Fig. 1.
Die in Fig. 1 dargestellte Abgasreinigungsanlage ermöglicht die Reinigung des Abgasstroms einer Brennkraftmaschine 1. Hierzu ist in dem Abgasstrom der Brennkraftmaschine 1 zu­ nächst ein Vor-Katalysator 2 angeordnet, wobei zwischen der Brennkraftmaschine 1 und dem Vor-Katalysator 2 eine Lambda- Sonde 3 angeordnet ist, welche die Zusammensetzung des Abgas­ stroms vor dem Vor-Katalysator 2 misst und ein entsprechendes Ausgangssignal λMESS1 ausgibt. Ausgangsseitig ist der Vor- Katalysator 2 mit einem Haupt-Katalysator 4 verbunden, der die vollständige Reinigung des Abgasstroms bewirkt, wobei zwischen dem Vor-Katalysator 2 und dem Haupt-Katalysator 4 eine zweite Lambda-Sonde 5 angeordnet ist, welche die Zusam­ mensetzung des Abgasstroms vor dem Haupt-Katalysator 4 und ein entsprechendes Ausgangssignal λMESS2 ausgibt. Bei der Lambda-Sonde 5 handelt es sich um eine binäre Lambda-Sonde, die bei einem Mager-Fett-Durchgang der Abgaszusammensetzung ein entsprechendes Signal abgibt.
Wichtig für die optimale Konvertierung der in dem Abgasstrom enthaltenen Schadstoffe HC, CO und NOx in dem Vor-Katalysator 2 und in dem Haupt-Katalysator 4 ist die Einhaltung einer vorgegebenen Sauerstoffkonzentration in dem Vor-Katalysator 2 und dem Haupt-Katalysator 4, wobei die Sauerstoffkonzentrati­ on innerhalb einer geringen Bandbreite schwanken kann, ohne die Reinigungswirkung wesentlich zu verschlechtern. Zur Ein­ stellung der gewünschten Sauerstoffkonzentration in dem Vor- Katalysator 2 bzw. in dem Haupt-Katalysator 4 sind zwei von­ einander unabhängige Regelkreise vorgesehen, die im folgenden beschrieben werden.
Der erste Regelkreis ist eingangsseitig mit der Lambda-Sonde 3 verbunden und erfasst somit die Abgaszusammensetzung vor dem Vor-Katalysator 2. Ausgangsseitig ist die Lambda-Sonde 3 mit einem Addierer 7 verbunden, der zu dem Messwert λMESS1 ei­ nen Offset-Wert λOFFSET addiert, der von einer Steuereinheit 8 in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal λMESS2 der binären Lambda-Sonde 5 berechnet wird.
Ausgangsseitig ist der Addierer 7 mit einem Subtrahierer 9 verbunden, der die Regelabweichung Δλ zur Ansteuerung einer Regeleinheit 10 berechnet. Hierzu erhält die Abgasreinigungs­ anlage als Vorgabe einen Sollwert λSOLL für die Abgaszusammen­ setzung vor dem Vor-Katalysator 2. Der Sollwert λSOLL wird ei­ ner Kompensationseinheit 11 zugeführt, die das Messverhalten der Lambda-Sonde 3 sowie die Signallaufzeiten kompensiert und einen kompensierten Sollwert λSK erzeugt, der dem Subtrahie­ rer 9 zugeführt wird.
Darüber hinaus ist die Regeleinheit 10 im Rahmen eines zwei­ ten Regelkreises mit der Lambda-Sonde 5 verbunden, um das Re­ gelverhalten bei einem Durchschlagen des Vor-Katalysators 2 ändern zu können, also in solchen Fällen, in denen sich die Abgaszusammensetzung stromab des Vor-Katalysators 2 ändert.
Die Regeleinheit 10 bestimmt in Abhängigkeit von der Regelab­ weichung Δλ ein Regelsignal ΔλREGEL, das über einen Begrenzer 12 einem Addierer 13 zugeführt wird. Der andere Eingang des Addierers 13 erfasst über einen Teiler 14 den vorgegebenen Sollwert λSOLL für die Abgaszusammensetzung.
Ausgangsseitig ist der Addierer 13 mit einem Multiplizierer 15 verbunden, der das Produkt aus einer vorgegebenen Kraft­ stoffmasse (Basic Fuel Mass) und dem Ausgangssignal des Ad­ dierers 13 bildet und an eine Motorsteuerung 16 weiterleitet, die dann die Gemischzusammensetzung der Brennkraftmaschine 1 entsprechend einstellt.
Im folgenden wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 2 der Aufbau der Regeleinheit 10 beschrieben.
Die Regeleinheit 10 weist einen P-Regler 17 und einen D- Regler 18 auf, die eingangsseitig die Regelabweichung Δλ er­ fassen und ausgangsseitig über jeweils einen Begrenzer 19, 20 mit einem Addierer 21 verbunden sind.
Weiterhin weist die Regeleinheit 10 einen I-Regler 22 und ei­ nen I2-Regler 23 auf, die eingangsseitig die Regelabweichung Δλ erfassen und ausgangsseitig über einen Addierer 24 und ei­ nen Begrenzer 25 mit dem Addierer 21 verbunden sind.
Darüber hinaus ist der I2-Regler mit der Lambda-Sonde 5 ver­ bunden und ändert sein Regelverhalten in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal λMESS2 der Lambda-Sonde 5, indem der Funktions­ wert des ersten Integrators des I2-Reglers 23 betragsmäßig verringert wird, wenn die Lambda-Sonde 5 ein Durchschlagen des Vor-Katalysators 2 signalisiert. Dadurch wird der Vorgang der lokalen Bilanzierung derart modifiziert, dass die Sauer­ stoffspeicherfähigkeit des Vor-Katalysators 2 berücksichtigt wird.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Aus­ führungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die von dem Erfindungsge­ danken Gebrauch machen und deshalb ebenfalls in den Schutzbe­ reich fallen.

Claims (7)

1. Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine (1), mit
einer Motorsteuerung (16) zur Einstellung der Gemischzusam­ mensetzung der Brennkraftmaschine (1),
einer im Abgasstrom der Brennkraftmaschine (1) angeordneten ersten Abgassonde (3),
einem im Abgasstrom der Brennkraftmaschine (1) stromabwärts nach der ersten Abgassonde (3) angeordneten ersten Abgasrei­ nigungselement (2),
einer eingangsseitig mit der ersten Abgassonde (3) und aus­ gangsseitig mit der Motorsteuerung (16) verbunden Regelein­ heit (10) zur Regelung der Gemischzusammensetzung der Brenn­ kraftmaschine (1) in Abhängigkeit von der durch die erste Ab­ gassonde (3) gemessenen Abgaszusammensetzung,
einer im Abgasstrom der Brennkraftmaschine (1) stromabwärts nach dem ersten Abgasreinigungselement (2) angeordneten zwei­ ten Abgassonde (5),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Regeleinheit (10) einen Steuereingang aufweist, um das Regelverhalten der Regeleinheit (10) beeinflussen zu kön­ nen und die lokale Bilanzierung der Sauerstoffkonzentration in dem Abgasreinigungselement (2) zu modifizieren, wobei der Steuereingang der Regeleinheit (10) mit der zweiten Abgasson­ de (5) verbunden ist.
2. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (10) zwei hintereinander geschaltete I- Regler aufweist, wobei die zweite Abgassonde (5) mit einem der beiden I-Regler verbunden ist, um das Regelverhalten die­ ses I-Reglers in Abhängigkeit von der durch die zweite Abgas­ sonde (5) gemessenen Abgaszusammensetzung zu beeinflussen.
3. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrom der Brennkraftmaschine (1) stromabwärts nach der zweiten Abgassonde (5) ein zweites Abgasreinigungs­ element (4) angeordnet ist.
4. Abgasreinigungsanlage nach mindestens einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Abgasreinigungselement (2) und/oder das zweite Abgasreinigungselement (4) einen Katalysator aufweist.
5. Abgasreinigungsanlage nach mindestens einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abgassonde (3) und/oder die zweite Abgassonde (5) eine Lambda-Sonde ist.
6. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lambda-Sonde eine binäre Lambda-Sonde ist.
7. Abgasreinigungsanlage nach mindestens einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinheit (10) einen P-Regler (17), einen I-Regler (22), einen D-Regler (18) und/oder einen I2-Regler (23) auf­ weist.
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