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DE3520226A1 - Abgasreinigungsverfahren und -vorrichtung fuer verbrennungsmotoren - Google Patents

Abgasreinigungsverfahren und -vorrichtung fuer verbrennungsmotoren

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Publication number
DE3520226A1
DE3520226A1 DE19853520226 DE3520226A DE3520226A1 DE 3520226 A1 DE3520226 A1 DE 3520226A1 DE 19853520226 DE19853520226 DE 19853520226 DE 3520226 A DE3520226 A DE 3520226A DE 3520226 A1 DE3520226 A1 DE 3520226A1
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DE
Germany
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fuel ratio
air
catalyst
electrical signal
exhaust gas
Prior art date
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Application number
DE19853520226
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English (en)
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Yoshiyasu Fujitani
Shinichi Matsunaga
Hideaki Muraki
Hideo Sobukawa
Koji Yokota
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Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Central R&D Labs Inc
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Publication date
Application filed by Toyota Central R&D Labs Inc filed Critical Toyota Central R&D Labs Inc
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Application granted granted Critical
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
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    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
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    • F02D41/1474—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the regulation method by detecting the commutation time of the sensor
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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • F02B1/04—Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition with fuel-air mixture admission into cylinder

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  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Exhaust Gas After Treatment (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
  • Exhaust Gas Treatment By Means Of Catalyst (AREA)

Description

Abgasreinigungsverfahren und -vorrichtung für Verbrennungsmotoren
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reinigen von Abgas, das aus Verbrennungsmotoren ausgestossen wird, und betrifft insbesondere ein Abgasreinigungsverfahren und eine -vorrichtung, mit der"Eignung* schädliche Bestandteile, d.h. Stickstoffoxide, Kohlenstoffmonoxide und Kohlenwasserstoffe, die im Abgas enthalten sind, mit hoher Effizienz zu verringern.
Bisher sind bereits verschiedenartige Verfahren zur Verrin-10 gerung schädlicher Bestandteile, d. h. Stickstoffoxide, Kohlenstoffmonoxide und Kohlenwasserstoffe, die im Abgas von Verbrennungsmotoren enthalten sind, vorgeschlagen worden. Als eines der Verfahren, das in der Praxis bei Verbrennungsmotoren für Fahrzeuge, etc. verwendet wird, kann eine Rück-
kopplungs-
Steuerung genannt werden, die einen Sauerstoffsensor benutzt. Gemäß diesem Verfahren wird der Sauerstoffgehalt des aus einem Verbrennungsmotor ausgestossenen Abgases durch den Sauerstoffsensor ermittelt, um zu bewerten, ob ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F bezüglich des theoretischen Verhältnisses A/F auf der mageren oder fetten Seite liegt, und ein Signal wird auf eine Steuereinheit, wie beispielsweise einen Computer, in Abhängigkeit von der Bewertung gegeben, um die Kraftstoffmenge so zu erhöhen oder zu verringern, daß das tatsächliche Verhältnis A/F innerhalb eines engen Bereichs um das theoretische Verhältnis A/F geregelt wird.
Ein Abgasreinigungskatalysator besitzt jedoch eine variable Reinigungscharakteristik, die von den Arten der katalytisehen Metalle und den Reaktionstemperaturen der katalytischen Metalle abhängt. Beispielsweise war es deshalb bei einem katalytischen System, das eine Charakteristik aufweist, die ein hohes Reinigungsvermögen bietet, wenn Abweichungen des Verhältnisses A/F bei einer sich auf niedrigeren Temperaturen bewegenden katalytischen Schicht grosser und bei Temperaturanstieg kleiner eingestellt werden, unmöglich, eine ausreichende Wirksamkeit eines Abgasreinigungskatalysators aus dem Bereich niedrigerer Temperaturen unter Anwendung der üblichen Systeme zu erreichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abgasreinigungsverfahren für Verbrennungsmotoren und eine Vorrichtung zur Verwirklichung des Verfahrens zu schaffen, das bzw. die eine ausreichende Wirksamkeit eines in einem Abgassystem des Verbrennungsmotors angeordneten Abgasreinigungskatalysators aus dem Bereich niedrigerer Temperaturen zu erreichen vermag und das bzw. die nicht den Betriebswirkungsgrad insbesondere den Kraftstoffverbrauch, beeinträchtigen.
Das Abgasreinigungsverfahren für Verbrennungsmotoren gemäß der Erfindung umfaßt: Ermitteln der Temperatur eines Abgas-
- ar -
reinigungskatalysators, der in einem Abgassystem des Verbrennungsmotors angeordnet ist, mittels eines T.emperatursensors; Umformen eines Signals von dem Temperatursensor in ein elektrisches Signal mittels eines Signalumformers; Inschwingungversetzen eines elektrischen Signals, das eine Frequenz und eine Amplitude aufweist, die abhängig von der Art des Katalysator voreingestellt sind und entsprechend dem elektrischen Signal von dem Signalumformer eingestellt werden, mittels eines Oszillators; und Ändern des tatsächlichen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Richtung auf die höhere Luft-Kraftstoff-Verhältnisseite und die niedrigere Luft-Kraftstoff-Verhältnisseite bezogen auf das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis in Abhängigkeit von dem elektrischen Signal aus dem oszillator.
Darüber hinaus kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis weiter unter Berücksichtigung der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas .ausgeglichen werden. Die Vorrichtung zur Realisierung des obigen Verfahrens gemäß der Erfindung umfaßt: Einen Abgasreinigungskatalysator, der in einem Abgassystem angeordnet ist; einen Temperatursensor, der an dem Katalysator angebracht ist; einen Signalumformer zum Umformen eines Signals von dem Temperatursensor in ein elektrisches Signal; einen Oszillator für das Oszillieren eines elektrischen Signals mit einer Frequenz und einer Amplitude, die in Abhängigkeit von der Art des Katalysators voreingestellt sind und die entsprechend dem elektrischen Signal von dem Signalumformer eingestellt werden; und einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis -Kompensator zur Lieferung eines elektrischen Signals, durch das ,das Gewichtsverhältnis der zu dem Verbrennungsmotor gelieferten Luft zum Kraftstoff entsprechend dem elektrischen Signal von dem Oszillator veränderbar ist. Zu der Vorrichtung kann weiterhin eine Rückkopplungseinrichtung gehören, die einen Sauerstoffsensor, eine Magergemischerfassung, eine Fettgemischerfassung und eine arithmetische Einheit zum weiteren Ausgleichen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses aufweist.
■ 'a.
Als Katalysatoren sind bei der Erfindung beispielsweise Platin, Rhodium, Palladium etc. verwendbar, die üblicherweise als Katalysatormetalle für das Reinigen von Abgasen gebräuchlich sind. Selbstverständlich kann die Erfindung auch bei den Katalysatoren angewendet werden, die mit Grundmetallen, wie beispielsweise Cer, Lanthan, Eisen, Nickel, etc. zur Vergrößerung der Aktivität der obigen katalytischen Metalle gemischt sind.
Der Abgasreinigungskatalysator wird beispielsweise derart gebildet, daß Aluminium auf der Oberfläche eines Trägers, wie beispielsweise Cordierit, in Form von Waben, beschich-
.... j j · ι 4_ -ι I · t. rr .auf das Aluminium tet wird, und die katalytischen Komponenten werden/aufgebracht. Um die Temperatur des Katalysators zu messen, ist ein Temperatursensor an einer Stelle angebracht, die zur Ermittlung der Durchschnittstemperatur geeignet ist, z. B. innerhalb des Katalysatorsträgers oder nahe dem Auslaß für Abgas, das durch den Katalysator getreten ist.
Ein Temperatursensor kann unter Verwendung eines Thermoelements, eines Platinwiderstands etc. hergestellt werden, die üblicherweise in der Technik verwendet werden. Dann wird unter Verwendung eines Signalumformers das von dem Temperatursensor abhängig von der Temperatur des Katalysators abgegebene Signal verstärkt und nach Bedarf einer Spannungs/Strom-Umformung unterworfen, wenn es sich um ein elektrisches Signal handelt oder in ein elektrisches Signal umgewandelt, falls ein anderes Signal vorliegt.
Bei Empfang des elektrischen Signals überträgt ein Oszillator ein anderes elektrisches Signal, dessen Frequenz und Amplitude abhängig von der Art des verwendeten Katalysators vorgegeben sind und entsprechend dem elektrischen Signal aus dem Signalumformer so eingestellt werden, daß die optimale Kennlinie des Abgasreinigungsvermögens erreicht werden kann. Für Abgasreinigungskatalysatoren wird
die Frequenz in einem Bereich von 0,1 - 10 Hz, vorzugsweise 0,5 - 5 Hz, eingestellt. Die Signalwellenform kann aus einer Sinuswelle, einer Rechteckwelle, einer Sägezahnwelle und einer Kombination aus diesen ausgewählt sein. Vorzugsweise wird bei üblichen Abgasreinigungskatalysatoren, die Platin, Rhodium, Palladium oder dgl. als katalytischen Komponenten enthalten, mit dem Kehrwert der Temperatur der katalystischen Schicht die Amplitude des Verhältnis signals A/F kleiner, jedoch dessen Frequenz größer. -jO Da ferner die übermäßige Amplitude des Verhältnissignals A/F dazu führt, daß der Betrieb des Verbrennungsmotors instabil wird, wird dessen obere Grenze etwa in dem Bereich von 8 %, vorzugsweise 1 - 6 %, bezüglich des theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eingestellt.
Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Ausgleicher verändert, basierend auf dem elektrischen Signal von dem Oszillator das Verhältnis A/F. Bei einer elektronischen Kraftstoffeinspritzung wird beispielsweise die Erregerzeit eines Einspritzventils verändert. Auch bei einem Vergaser kann das Verhältnis A/F in ähnlicher Weise variiert werden.
Durch Variation des Verhältnisses A/F in Übereinstimmung mit einer Kennlinie des Abgasreinigungskatalysators/wie zuvor erwähnt, wird es möglich, eine ausreichende Aktivität des Katalysators aus einem Bereich niedrigerer Temperaturen zu erreichen. Ein günstigeres Reinigungsverhalten kann jedoch durch Kombination des zuvor genannten Reglers mit einer Rückführeinrichtung unter Verwendung eines Sauerstoffgehaltsensors erzielt werden.
Genauer gesagt wird das elektrische Signal, das von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Ausgleicher gemäß dem oben erwähten Verfahren und der oben erwähnten Vorrichtung abgegeben wird, vorzugsweise weiterhin durch ;eine Rückkopplungsrichtung korrigiert, bestehend aus einem Sauerstoffsensor,
der an dem Auslaß des Abgases eines Verbrennungsmotors angebracht ist, einer Magergemisch- und einer Fettgemischerfassungseinrichtung zur Messung einer Zeitdauer, in der das tatsächliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis jeweils auf der höheren und der niedrigeren Luft-Kraftstoff-Verhältnisseite bezüglich des theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, basierend auf einem elektrischen Signal von dem Sauerstoffsensor liegt, und aus einer arithmetischen Einheit zur Berechnung eines Luft-Kraftstoff-Verhaltnis-Korrekturfaktors, basierend auf den elektrischen Signalen von der Magergemisch- und der Fettgemischerfassungseinrichtung.
Als Sauerstoffsensor kann ein Sauerstoffsensor verwendet werden, der ein Element besitzt, das beispielsweise aus einem Sauerstoffion-übertragenden festen Elektrolyt besteht, wie z. B. Zirkon. Durch Kombination der Rückkopplungssteuerung unter Verwendung eines Sauerstoffsensors mit der vorgenannten Programmsteuerung unter Verwendung eines Temperatursensors wird es möglich, eine ausreichende Aktivität des Abgasreinigungskatalysators über einen Bereich von niedrigeren Temperaturen bis zu höheren Temperaturen bei promptem Ansprechen auf Schwankungen bei den Fahrbedingungen etc. eines Fahrzeugs, wie beispielsweise eines Autos, zu erreichen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Berücksichtigung der in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Verbrennungsmotors und einer Regeleinrichtung, die eine Ausbildungsform eines Abgasreinigungsverfahrens für Verbrennungsmotoren gemäß der Erfindung darstellt; Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Verbrennungsmotors und einer Regeleinrichtung, die eine weitere Ausbildungsform der Erfindung darstellt;
Fig. 3 eine Gruppe von graphischen Darstellungen, die den Vorgang zeigen, bei dem der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Korrekturfaktor, der zur Prozeßsteuerung verwendet wird, auf der Basis eines Signals von einem Sauerstoffsensor bei dem Verfahren gemäß
der Erfindung berechnet wird;
Fig. 4 eine Gruppe von graphischen Darstellungen, die den Vorgang zeigen, bei dem der Kraftstoff-Luft-Verhältnis-Korrekturfaktor in Sägezahn-Wellenform, der für die PI-Regelung verwendet wird, aus dem in der Fig. 3 dargestellten, für die Ein-Aus-Regelung verwendeten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Korrekturfaktor in Rechteckwellenform berechnet wird; Fig. 5 eine perspektivische Ansicht, die eine Ausbildungsform eines Abgasreinigungskatalysators darstellt; Fig. 6 eine graphische Darstellung, die ein Änderungsverhalten des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bezüglich der vorgegebenen Katalysatorschichttemperaturen bei einem Palladium-Abgasreinigungskatalysator zeigt; Fig. 7 eine Gruppe von graphischen Darstellungen, die den Vorgang zeigen, bei dem der für die Prozeßsteuerung verwendete Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Korrekturfaktor, basierend auf dem Signal von dem Sauerstoffsensor bei dem üblichen Regelverfahren berechnet wird;
Fig. 8 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen Katalysatorschichttemperaturen und Stickstoffoxidreinigungsverhältnissen darstellt, die nach dem erfindungsgemäßen und nach dem üblichen Verfahren bei der Verwendung^ des Palladium-Abgasreinigungskatalysators erreicht wird;
Fig. 9 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen Katalysatorschichttemperaturen und Kohlenstoffmonoxidreinigungsverhältnissen darstellt, die durch Änderung der Abweichungsfrequenzen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei dem Verfahren gemäß der Erfindung bei Verwendung des Pallad ium-Katalysators erreicht wird;
Fig. 10 eine graphische Darstellung, die ein Änderungsverhalten des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bezüglich der vorgegebenen Katalysatorschichttemperaturen für einen Rhodium-Abgasreinigungskatalysator darstellen;
Fig. 11 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen Katalysatorschichttemperaturen und Kohlenwasserstoff-Reinigungsverhältnissen , die durch das erfindungsgemäße Verfahren und das übliehe Verfahren erreicht werden, für den Fall der Verwendung eines Rhodium-Abgasreinigungskatalysators zeigt;
Fig. 12 eine graphische· Darstellung, die ein Änderungsverhalten des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bezüglich der vorgegebenen Katalysatorschichttemperaturen bei einem Platin-Abgasreinigungskatalysator zeigt; und
Fig. 13 eine graphische Darstellung, die die Beziehung
zwischen Katalysatorschichttemperaturen und Stickstoffoxidreinigungsverhältnissen, die durch das erfindungsgemäße und das übliche Verfahren erzielt wird, für den Fall der Verwendung des Platinkatalysators zeigt.
Ausführungsbeispiel 1: Regelung über einen Temperatursensor
Fig. 1 zeigt ein Beispiel für eine Regelung, die mittels eines Temperatürsensors 2 vorgenommen wird, der an einem Abgasreinigungskatalysator 1 angebracht ist.
Eine Erregungszeit ti ("see) der Einspritzdüsen 5.w.ird sowohl, basierend auf der Einlaßluftmenge Q (g/min), gemessen durch einen Strömungsmesser 3, und durch die Zahl der Umdrehungen des Motors N (U/min)', erfaßt durch einen Zündungsprimärsignaldetektor 4, bestimmt. Genauer gesagt, ergibt sich eine benötigte Kraftstoffeinspritzmenge f(g) unter der Annahme, daß eine Einlaßluftmenge q pro Umdrehung eines Motors 6 gleich Q/N (g) ist und daß das Luft-
Kraftstoff-Verhältnis eines Verbrennungsgemischs λ(A/F) beträgt, wie folgt
£ ■ -f- ■ -r ■ -8- «5> <»
Da andererseits eine Kraftstoffeinspritzmenge f pro Umdrehung der Maschine proportional der Erregungszeit ti (see) der Einspritzdüsen ist, erhält man die folgende Gleichung aus f = B-ti mit der Proportionalitätskonstanten B (g/sec):
ti - J - τ Q
B - Β-λ Ν (2)
In der Zwischenzeit wird die Temperatur des Abgasreinigungskatalysators 1 mittels des Temperatursensors 2 gemessen und dann in ein Spannungssignal T(v) mittels eines Signalumformers (Verstärkers) 7 umgeformt. Danach wird ein Oszillator 8 zur übertragung eines elektrischen Signals veranlaßt, das die Frequenz F' (Hz) und die Amplitude A1 aufweist, die abhängig . von der Art des Katalysators vorgegeben sind und bezüglich des Spannungssignals T(v) eingestellt werden (A1, F1 sind Funktionen von T). Darauffolgend moduliert ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Ausgleicher 9, basierend auf dem elektrischen Signal von dem Oszillator^, seinen Ausgang (Luft-Kraftstoff-Verhältnis) λ gemäß Gleichung (3), beispielsweise unter Verwendung einer Sinuswelle als Signalwelle, wobei der Bezugsausgang als \o angenommen wird:
λ = λο + A1 sin.2TfF11 (3)
Durch Substitution der Gleichung (3) in die Gleichung (2) ergibt sich die Erregungszeit ti der Einspritzdüsen durch die Gleichung (4):
1 O
4-i -!V Λ
Β(λο + Alsin27rFlt) N
-/IS*
Die Gleichung (3) bedeutet,daß sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases um λο mit der vorgegebenen Frequenz F1 und Amplitude A1 in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur ändert. Das Produkt A1 · F1 aus A1 und F1 bedeutet eine Störgröße bei dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Es können daher verschiedene Verfahren der Gleichung (3) verwendet werden ,indem beispielsweise A1 konstant gehalten und nur F1 geändert wird oder umgekehrt oder indem das Produkt A1-F1 konstant eingestellt wird. Aus der Sicht der Katalysatorwirksamkeit wird bevorzugt bei steigender Katalysatortemperatur F1 erhöht und A1 verringert.
Ausführungsbeispiel 2: Regelung (1) mittels Temperatursensor und Sauerstoffsensor
Fig. 2 zeigt ein Beispiel der Regelung , die durch Verwendung eines an dem Katalysator angebrachten Temperatursensors 2 und eines in einem Kanal des Abgases angebrachten Sauerstoffsensors 10 durchgeführt wird. Ein elektrisches Signal aus dem Sauerstoffsensor 10 besitzt eine derartige Charakteristik, daß es sich rasch auf beiden Seiten des theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ändert. Wie in Fig. 3 dargestellt, ist die Bezugsspannung (geschnittener Pegel : Vs) nahe des Mittelpunktes derartiger SpannungsSchwankungen eingestellt, um die laufende Spannung V mit Vs zu vergleichen. Der Bereich von V > Vs stellt den Fall dar, in dem das tatsächliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis geringer als das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, und, wie in Fig. ,3 dargestellt, eine Fettgemischzähl- bzw. -erfassungseinrichtungi 1 in Fig. 2 das Ausgangssignal entsprechend einer Zeitdauer liefert, in der der Zustand V > Vs festgestellt wird. Wie sich aus der Figur ergibt, läuft auf diese Weise das Ausgangssignal weiter, bis der nächste Zustand von V > Vs beendet ist. Demgegenüber stellt der Bereich von V < Vs den Fall dar, indem das tatsächliche Luft-Kraftstoff-Verhält-
nis höher als das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, und eine Magergemischzähl-bzw. -erfassungseinrichtung 12 in Fig.2 liefert den Ausgang entsprechend einer Zeitdauer, in der der Zustand von V < Vs festgestellt wird. Danach wird die Differenz zwischen einer Magergemischzeit und einer Fettgemischzeit bestimmt, und eine arithmetische Einheit 13 in Fig. 2 berechnet dann einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Korrekturfaktor Kλ aus der folgenden Gleichung (5):
Κλ = ( - 0,5) · C , (5)
wobei tL die Magergemischzeit, tR die Fettgemischzeit und C eine Konstante ist.
Danach wird λο in der Gleichung (4), das in ähnlicher Weise wie beim Ausführungsbeispiel 1 erhalten wurde, durch Κλ korrigiert, woraus sich die Gleichung (6) ergibt:
1 Q
t!i = Β{λο·(1 +K1X) + A'sin^F't} " "T" (6)
Dabei ist K1X ein Wert, der jedesmal integriert wird, wenn
die Magergemischzeit oder die Fettgemischzeit neu gemessen wird^nd der der Beziehung der folgenden Gleichung (7) gehorcht:
25
K1X = Σ KX (7)
Durch öffnen eines Ventils in jeder Einspritzdüse 5 über eine Zeitdauer ti, die durch die Gleichung (6) gegeben ist, schwankt das tatsächliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis periodisch um das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit der Frequenz F1 und der Amplitude A1, während seine Abweichung von dem theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis automatisch korrigiert wird. Demzufolge unterliegt die Zusammensetzung des Abgases, das in den Katalysator strömt, ebenfalls den optimalen Schwankungen (höhere Wirksamkeit) bezüglich der Katalysatortemperatur, so daß Stickstoffoxide
(NOx), Kohlenmonoxide (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC) in dem Abgas wirkungsvoll entfernt werden können. Dieses Ausführungsbeispiel ist insbesondere gegenüber dem Ausführungsbeispiel 1 bei dem Entfernen von NOx überlegen.
Ausführungsbeispiel 3: Regelung (2) mittels Temperatursensor und Sauerstoffsensor
Da der durch die Gleichung (5) erhaltene Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Korrekturfaktor Κλ sich in Form einer Rechteckwelle ändert, unterliegt das Ausführungsbeispiel 2 einer Ein-Aus-Regelung« Als stabileres Regelverfahren gibt es beispielsweise eine PI-Regelung (proportionale Integration). Bei dieser Regelung wird beispielsweise der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Korrekturfaktor K„ in sägezahnförmigen Wellen,wie in Fig. 4 gezeigt, in Abhängigkeit von den Änderungen von Κλ des Ausführungsbeispiels 2 variiert.
Ausführungsbeispiel 4: Abgasreinigung durch Temperatursensorregelung unter Verwendung eines Palladium-(Pd)-Katalysators
ö-Aluminiüm mit einer spezifischen Oberflächegröße von von 5O.m*/g wurde auf einem wabenänlichen Träger aus Cordierit (Volumen 1,3 1) übertragen, und dann wurde Palladium mit 2,0 g/l darauf aufgetragenem einen dreidimensionalen Abgasreinigungskatalysator herzustellen (Fig. 5). Dieser Katalysator wurde auf Raumtemperatur abgekühlt und an einem Konverter angebracht, der mit dem Abgassystem eines Sechszylinder-Benzinmotors mit.2.000 cc (2 1) in Verbindung stand, der ausreichend auf Betriebstemperatur gebracht worden war. Danach wurde der Motor erneut angelassen. Als der Motor unmittelbar nach dem Hochlaufen auf die Betriebsbedingungen von 1600 U/min und den Ladedruck von -440 mm Hg eingestellt worden war, wurde die Temperatur der Katalysatorschicht mittels des Temperatursensors ermittelt und das Luft-Kraftstoff-
Verhältnis entsprechend dem Bild in Ficj . 6 variiert. In diesem Fall wurde das mittlere Luft-Kraftstoff-Verhältnis nur über die Einlaßluftmenge geregelt.
r Vergleich 1: Abgasreinigung unter Verwendung eines
Pd-Katalysators
Abgas wurde in gleicher Weise wie beim Ausführungsbeispiel 4 mit der Ausnahme der Änderungen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wie in Fig. 6 gereinigt.
Ausführungsbeispiel 5: Abgasreinigung mittels Temperatursensor- und Sauerstoffsensorregelung unter Verwendung eines Pd-Katalysators
Mit demselben Katalysator und denselben Motorbetriebsbedingungen wie beim Ausführungsbeispiel 4 wurde das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit der Ausnahme variiert, daß das mittlere Luft-Kraftstoff-Verhältnis nicht nur auf Grund der Einlaßluftmenge, sondern auch auf Grund des Signals aus dem Sauerstoffsensor geregelt wurde. Die Regelbedingungen stimmten mit den Gleichungen (5), (6) und (7) des Ausführungsbeispxel 2 überein. Die Konstante C wurde auf 0,3 eingestellt.
Vergleich 2: Abgasreinigung mittels Sauerstoffsensor-
regelung unter Verwendung eines Pd-Katalysators
Derselbe Katalysator und dieselben Motorbetriebsbedingungen wie beim Vergleich 1 wurden mit der-Ausnahme verwendet, daß das mittlere Luft-Kraftstoff-Verhältnis unter Verwendung der üblichen praktischen Regelverfahren geregelt wurde.
Nachfolgend werden praktische Regelverfahren beschrieben.
BAD ORiGlNAL
Obgleich verschiedenartige Arten von Regelverfahren vorgenommen worden sind, besteht das Verfahren bei den Vergleichsversuchen darin, die Kraftstoffeinspritzbezugsmenge aus der Einlaßluftmenge und der Drehzahl unter Verwendung der folgenden Gleichung (8) zu bestimmen:
Kraftstoffein- = Einlaßluftmenge (Koeffizient) (8) sprxtzbezugsmenge Drehzahl
und die resultierende Kraftstoffeinspritzbezugsmenge unter Verwendung eines Rückführsignals von dem Sauerstoff sensor zu korrigieren. Fig. 7 zeigt Signalsausgangswellenformen des Sauerstoffsensors, Signalausgänge eines Vergleichers für den Vergleich dieses Ausgangs mit der Bezugsspannung zur Erzeugung eines Magergemischsignals und eines Fettgemischsignals, ein Ausgangssignal einer integrierten Schaltung zur integrierten Regelung, und ein Ausgangssignal des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Korrekturfaktors (PI-Regelung).
Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen den Temperatur der Katalysatorschicht und den Rexnigungsverhältnxssen von Stickstoffoxiden für die Ausführungsbeispiele 4, 5 und die Vergleichsversuche 1, 2. Wie sich anhand des Vergleichs des Ausführungsbeispiels 4 mit dem Vergleichsversuch 1 und des Ausführungsbeispiels 5 mit dem Vergleichsversuch 2 ergibt, ermöglicht eine Programmsteuerung, die auf dem elektrischen Signal aus dem an der Katalysatorschicht angebrachten Temperatursensor basiert, daß der Katalysator eine höhere Reinigungswirkung aus einem Bereich niedrigerer Temperaturen (etwa 100 0C) als die übliche Regelung zeigt. Durch Vergleich des Ausführungsbeispiels 4 mit dem Ausführungsbeispiel 5 ergibt sich ferner, daß eine Kombination aus Programmsteuerung, die auf dem elektrischen Signal von dem Temperatursensor basiert, mit der Rückkopplungssteuerung, die auf dem elektrischen Signal von dem Sauerstoffsensor basiert,
2ο-
eine noch höhere Reinigungswirkung liefert, insbesondere wenn die Temperatur der Katalysatorschicht hoch ist.
Die Tabellen 1 und 2 zeigen Zeitabschnitte, die erforderlich sind, um besondere Reinigungsverhältnisse von
Stickstoffoxiden (NOx) und Kohlenstoffmonoxiden (CO) für die Ausführungsbeispiele 4, 5 und die Vergleichsversuche 1,2 zu erreichen.
Tabelle 1
Vergleich der erforderlichen Zeiten zum Erreichen der besonderen Reinigungsverhältnisse
Erforderliche Zeit zur Erreichung des Reinigungsverhältnisses von NOx (sec)
Erforderliche Zeit zum Erreichen der Reinigungsverhältnis von CO (see)
Reini
gung s-
verhält-
nisse		 Ausfüh
rungsbei
spiel 4		 Vergleichs
versuch 1		 Ausfüh
rungsbei
spiel 4		 Vergleichs
versuch 1
50 % 4,0 22,8 7,5 19,5
70 % 19,0 28,8 13,8 29,4
90 % - - 29,8 46,0
Tabelle 2
Vergleich der erforderlichen Zeiten zum Erreichen der besonderen Reinigungsverhältnisse
Erforderliche Zeit zur Erreichung des Reinigungsverhältnis-
Erforderliche Zeit zum Erreichen der Reinigungsverhältnis, von CO (see)
ses von NOx (see) Ausfüh
rungsbei
spiel 5		 Vergleichs
versuch 2
Reini
gung s-
verhält-
nisse		 Ausfüh
rungsbei
spiel 5		 Vergleichs
versuch 2		 14,2
29,8		 16,4
22,4
36,0
50 %
70 %
90 %		 4,0
18,0
35,5		 18,8
27,6
45,6
Wie sich aus den Tabellen 1 und 2 ergibt, ermöglicht das Verfahren gemäß der Erfindung, daß der Katalysator eine ausreichende Aktivität zu einem früheren Zeitpunkt als übliche Verfahren zeigt. Dies bedeutet, daß selbst dann, wenn die Temperatur der Katalysatorschicht nicht so hoch .liegt, z. B. beim Anlassen des Motors, das Abgas zu einem früheren Zeitpunkt als bei üblichen Verfahren gereinigt werden kann, und das dargestellte Verfahren ist vom Gesichtspunkt der Vermeidung von Luftverschmutzung günstiger.
Fig. 9 zeigt weiterhin die Beziehung zwischen den Temperaturen der Katalysatorschicht und dem Reinigungsverhältnis von Kohlenstoffmonoxid für den Fall der Verwendung desselben Katalysators wie bei dem Ausführungsbeispiel 4 und für die Änderung der Abweichungsfrequenz von A/F. Es ergibt sich, daß das Reinigungsverhältnis von Kohlenstoffmonoxid durch Erhöhen der Frequenz bei ansteigender Temperatur der Katalysatorschicht größer wird. Stickstoffoxide und Kohlenwasserstoffe haben ebenfalls eine ähnliche Tendenz. Vorzugsweise wird daher die Variationsfrequenz von A/F erhöht, wenn die Temperatur der Katalysatorschicht ansteigt. Das zunehmende Bild der Frequenzvariationen kann schrittföriciigr rechteckig t wie in Fig. 6 gezeigt,oder gekrümmt sein. Sie wird optimal entsprechend einer Kennlinie des Katalysators ausgewählt. Das Bild der Änderungen der Variationsbreite wird auch optimal entsprechend einer Kennlinie des Katalysators in gleicher Weise ausgewählt.
Ausführungsbeispiel 6: Laufversuch mittels Temperatursensor- und Sauerstoffsensor-Regelung unter Verwendung eines Pd-Katalysators
Ein mit demselben Katalysator und demselben Motor wie
•AL.
im Ausführungsbeispiel 4 versehenes Automobil wurde 10-Betriebsarten mit demselben Regelungsverfahren wie beim Ausführungsbaispiel 5 unterzogen, um die Abgasmengen von NOx, CO und HC sowie den Kraftstoffverbrauch zu messen.
Vergleichsversuch 3: Laufversuch mittels eines üblichen
praktischen Regelverfahren unter Verwendung eines Pd-Katalysators
Ähnlich dem Ausführungsbeispiel 6 wurde ein Lauf mit 10 tariebsarten ausgenommen die Verwendung des praktischen Rege lungsverfahrens, das im Vergleichsversuch 2 beschrieben worden ist, durchgeführt, um dadurch die Abgasmengen von NOx, CO und HC sowie den Kraftstoffverbrauch zu messen.
Die Ergebnisse des Ausführungsbeispiels 6 und des Vergleichsversuchs 3 sind in Tabelle 3 zusammengestellt.
Tabelle 3
LaufVergleichsversuch
Prüfart ^—. Versuch Ausführungs-
beispiel 6		 Vergleichs
versuch .3 ..."
Abgasmenge NOx 0,15
0,96		 0,27
1,52
arten HC-gesamt 0,10 0,15
V ti S- I ?J ι GL Ll w α i>
bei 10 Be
triebsarten
Wie sich aus dieser Tabelle ergibt, erlaubt das Verfahren gemäß der Erfindung die Verringerung der Abgasmengen an entsprechenden schädlichen Bestandteilen und beeinträchtigt nicht den Kraftstoffverbrauch im Vergleich mit dem üblichen Verfahren.
-43·
Ausführungsbeispiel 7: Abgasreinigung mittels Temperatursensor- und Sauerstoffsensor-Regelung unter Verwendung eines Rhodium-(Rh)-Katalysators 5
Ein Abgasreinigungskatalysator wurde unter Verwendung desselben Trägers und desselben Verfahrens wie bei dem Ausführungsbeispiel 4 mit der Ausnahme hergestellt, daß anstelle von Palladium Rhodium mit 0,2 g/l auf den Träger aufgetragen wurde. Der Versuch wurde bei Regelung mittels des Sauerstoffgehaltsensors in derselben Weise wie beim Ausführungsbeispiel 5 gemäß der Gleichung (6), die in dem Ausführungsbeispiel 5 beschrie ban ist, mit der Ausnahme durchgeführt, daß das Variationsbild des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses mit Fig. 10 übereinstimmte.
Vergleichsversuch 4: Abgasreinigung mittels Sauerstoff-
sensorregelung unter Verwendung eines Rh-Katalysators
Der Versuch wurde unter Verwendung desselben Katalysators und desselben Verfahren wie bei dem Ausführungsbeispiel 7 mit der Ausnahme durchgeführt, daß das beim Vergleichsversuch 2 beschriebene praktische Regelungsverfahren als Regelungsverfahren verwendet wurde.
Fig. 11 zeigt die Beziehung zwischen den Temperaturen der Katalysatorschicht und dem Reinigungsverhältnis von Kohlenwasserstoff für das Ausführungs baispiel 7 und den Vergleichsversuch 4. Es ist aus dieser Figur zu entnehmen, daß das Verfahren gemäß der Erfindung es dem Katalysator ermöglicht, seine Reinigungswirkung aus einem Bereich niedriger Temperatur als bei üblichen Verfahren zu zeigen.
Ausführungsbeispiel 8: Abgasreinigung mittels Temperatursensor- und Sauerstoffsensor-Regelung unter Verwendung eines rint in- (Pt) -Katalysator;·..
Ein Abgasreinigungskatalysator wurde unter Verwendung des-
■ty,
selben Trägers und Verfahrens wie beim Ausführungs heispiel 4 mit der Ausnahme hergestellt, daß anstelle des Palladium Platin mit 2,0 g/l auf den Träger übertragen wurde. Der Versuch wurde dann in Übereinstimmung mit dem Variationsbild des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses von Fig. 12 durchgeführt.
Vergleichsversuch 5: Abgasreinigung mittels Sauerstoffsensor-Regelung unter Verwendung eines Pt-Katalysators
Der Versuch wurde unter Verwendung desselben Katalysators und Verfahrens wie beim Ausführungsbeispiel 8 mit der Ausnahme durchgeführt, daß als Regelverfahren das beim Vergleichsversuch 2 beschriebene praktische Regelverfahren verwendet wurde.
Fig. 13 zeigt die Beziehung zwischen den Katalysatorschichttemperaturen und den Reinigungsverhältnissen an Stickstoffoxiden für das Ausführungsbeispiel 8 und den Vergleichsversuch 5. Aus der Figur ergibt sich, daß das Verfahren gemäß der Erfindung es dem Katalysator ermöglicht, seine Reinigungswirkung aus einem Temperaturbereich heraus zu zeigen, der etwa 100 0C niedriger als
beim üblichen Verfahren liegt. :
Wie zuvor beschrieben, wird gemäß dem Abgasreinigungsverfahren und der Vorrichtung der Erfindung das tatsächliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis einer Programmsteuerung unterworfen, um bezüglich des theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, basierend auf einem Signal von dem Temperatursensor zur Ermittlung der Temperatur des Abgasreinigungskatalysators, in Richtung auf die höhere Kraftstoff-Luft-Verhältnisseite und die niedrigere Luft-Kraftstoff-Verhältnisseite in Übereinstimmung mit der abhängig von der Art des Katalysators vorgegebenen Kurve derart variiert zu werden, daß der Katalysator bei ent-
sprechenden unterschiedlichen Temperaturen seine optimale Wirksamkeit zeigt, und bei Bedarf wird das tatsächliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis weiterhin durch eine Rückkopplungssteuerung korrigiert, die auf einem Signal von dem Sauerstoffsensor basiert, der an dem Abgasauslaß eines Verbrennungsmotors angebracht ist, wodurch verschiedenartige Katalysatortypen dazu gebracht werden können, ihr Reinigungsvermögen im Vergleich mit dem üblichen Verfahren zu vergrößern und insbesondere die ausreichende Wirksamkeit aus einem Bereich niedrigerer Temperaturen heraus zu zeigen. Insbesondere bei Verwendung eines Palladium-Katalysators kann weiterhin ein wertvollerer Effekt erreicht werden. Da nämlich die ausreichende Reinigungseigenschaft in einem Bereich niedrigerer Temperatur als beim Stand der Technik vorliegt, wird es möglich, Palladium anstelle von Rhodium oder Platin zu verwenden, die teuerer und seltenere Werkstoffe darstellen, wodurch sich auch Vorteile hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit und der Betriebsmittel ergeben.
Da überdies die Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung nicht den Kraftstoffverbrauch von Automobilen beeinträchtigen, kann eine hervorragende Abgasreinigungswirkung über alle Fahrphasen vom Anlassen eines Motors bis zum normalen Reisebetrieb eines Automobils ohne wirtschatliche Nachteile erreicht werden, was zu einem weiteren wertvollen Effekt bei der Vermeidung van Luftverschmutzung führt.
- Leerseite -

Claims (14)

  1. Patentansprüche
    Abgasreinigungsverfahren für einen Verbrennungsmotor, gekennzeichnet durch
    Ermitteln der Temperatur eines in einem Abgassystem des Verbrennungsmotors angeordneten Abgasreinigungskatalysators mittels eines Temperatürsensors;
    Umformen eines Signals von dem Temperatursensor in
    ein elektrisches Signal mittels eines Signalumformers; Erzeugen einer Schwingung eines elektrischen Signals mit einer Frequenz und einer Amplitude, die abhängig von der Art des Katalysators vorgegeben werden und
    entsprechend dem elektrischen Signal von dem Signalumformer eingestellt werden, mittels eines Oszillators ; und
    Variieren eines tatsächlichen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Richtung auf die höhere Luft-Kraftstoff-Verhältnisseite und die niedrigere Luft-Kraftstoff-Verhältnisseite bezüglich des theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, basierend auf dem elektrischen Signal von dem Oszillator.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch
    ο Ermitteln einer Sauerstoffkonzentration in dem Abgas mittels eines Sauerstoffsensors;
    Messen einer Zeitdauer, in der das tatsächliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis sich auf der höheren Luft-Kraftstoff-Verhältnisseite und der niedrigeren Luft-Kraftstoff-Verhältnisseite bezüglich des theoretischen Luft-Kraftstoff -Verhältnisses befindet, jeweils mittels einer Magergemischzähl- bzw.-Erfassungseinrichtung und einer Fettgemischzähl- bzw.-Erfassungseinrxchtung, basierend auf der ermittelten Sauerstoffkonzentration; un<ä
    Ausgleichen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Übereinstimmung mit dem elektrischen Signal von der Magergemischzähl- bzw.—Erfassungseinrichtung und der Fettgemischzähl- bzw.-Erfassungseinrichtung.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Katalysator verwendet wird, der wenigstens aus Platin, Rhodium oder Palladium besteht.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den Katalysator ein Träger mit wabenähnlicher Struktur verwendet wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenform des elektrischen Signals mit der Frequenz und der Amplitude aus einer Sinuswelle, einer
    3520228
    Rechteckwelle, einer Sägezahnwelle und einer Kombination derselben ausgewählt wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude und die Frequenz derart eingestellt werden, daß die Amplitude des Luft-Kraftstoff-Verhältnis- :signalsmit Zunahme der Temperatur des Katalysators kleiner und dessen Frequenz größer wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude und die Frequenz so eingestellt werden, daß eine Amplitude des Luft-Kraftstoff-Verhältnis signales . in dem Bereich von 1 bis 8 % bezüglich des theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnissignals liegt und dessen Frequenz in dem Bereich von 0,1 bis 10 Hz ist.
  8. 8. Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einem in einem Abgassystem angeordneten Abgasreinigungskatalysator, gekennzeichnet durch einen Temperatursensor (2), der an dem Katalysator (1) angebracht ist,
    ein Signalumformer (7) zum Umformen eines Signals aus dem Temperatursensor (2) in ein elektrisches Signal; einen Oszillator (8) für das Erzeugen der Schwingung eines elektrischen Signals mit einer Frequenz und einer Amplitude, die abhängig von der Art des Katalysators vorgegeben und entsprechend dem elektrischen Signal von dem Signalumformer (8) eingestellt werden; und
    einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Kompensator bzw. -ausgleicher (9) zur Abgabe eines elektrischen Signals, durch das das Gewichtsverhältnis der dem Verbrennungsmotor zugeführten Luft und des dem Verbrennungsmotor zugeführten Kraftstoffs entsprechend dem elektrischen Signal von dem Oszillator (8) änderbar ist.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, weiter gekennzeichnet
    durch eine Rückkopplungseinrichtung zum Ausgleich des elektrischen Signals, das von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Kompensator (9) abgegeben wird, wobei sich die Rückkopplungseinrichtung zusammensetzt aus:
    einem Sauerstoffsensor (10) zur Ermittlung der Sauerstoffkonzentration im Abgas des Verbrennungsmotors
    (6);
    einer Magergemischzähl- bzw.-Erfassungseinrichtung (12) und einer Fettgemischzähl- bzw.-Erfassungseinrichtung (11) zur Messung einer Zeitdauer,in der das tatsächliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis sich auf der höheren Luft-Kraftstoff-Verhältnisseite und der niedrigeren Luft-Kraftstoff-Verhältnisseite jeweils bezüglich des theoretisehen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses befindet, das auf einem elektrischen Signal von dem Sauerstoffsensor
    (10) beruht, und aus einer Recheneinheit (13) zur
    Berechnung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Korrekturfaktors (Κλ), basierend auf den elektrischen Signalen von der Magergemischzähl- bzw.-Erfassungseinrichtung
    „ (12) und der Fettgemischzähl- bzw.-Erfassungseinrich
    tung (11).
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator wenigstens Platin,
    Rhodium oder Palladium aufweist.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein für den Katalysator (1) verwendeter Träger einen wabenähnlichen Aufbau besitzt.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal mit der Frequenz und der Amplitude eine Wellenform aufweist, die aus
    einer Sinuswelle, einer Rechteckwelle, einer Sägezahnwelle und einer Kombination derselben ausgewählt ist.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude und die Frequenz so einstellbar sind, daß bei Zunahme der Temperatur des Katalysators (1) eine Amplitude des Luft-Kraftstoff-Verhältnis signals kleiner und dessen Frequenz größer wird.
  14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude und die Frequenz so einstellbar sind, daß eine Amplitude des Luft-Kraftstoff-Verhältnis signals in dem Bereich von 1 bis 8 % bezüglich des' theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnissignals liegt und daß dessen Frequenz sich in dem Bereich von 0,1 bis 10 Hz befindet.
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