DE3732301C1

DE3732301C1 - Emission control device for an internal combustion engine

Info

Publication number: DE3732301C1
Application number: DE3732301A
Authority: DE
Inventors: Vogelsang Friedrich Wilhelm
Original assignee: COMUNA METALL VORRICHTUNGS und
Current assignee: COMUNA METALL VORRICHTUNGS und
Priority date: 1987-09-25
Filing date: 1987-09-25
Publication date: 1989-05-18

Abstract

An emission control device for an internal combustion engine has a catalytic converter which has a regulated three-way catalyst and an oxidation catalyst arranged downstream of the latter and having extraneous-air addition in the exhaust duct of the engine. Feedback control is used to influence the composition of the fuel/air mixture fed to the engine. The intention is now to provide a device of the type stated at the outset in which reliable acquisition of a state variable representative of the catalytic action is possible for the purpose of setting optimum operating points of both catalysts. For this purpose, the temperature increase in the oxidation catalyst due to the catalytic afterburning is measured directly or indirectly and the measured value is used to form an actual value proportional to the operating points of the catalysts for feedback control.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Entgif tung des Abgases einer Brennkraftmaschine der im Gattungs begriff des Patentanspruchs 1 näher bezeichneten Art.The invention relates to a device for detoxification tion of the exhaust gas of an internal combustion engine in the genus Concept of claim 1 specified art.

Eine derartige Vorrichtung zur Abgasentgiftung einer Brenn kraftmaschine ist in der DE-OS 24 03 719 beschrieben.Such a device for exhaust gas detoxification of a burner Engine is described in DE-OS 24 03 719.

Bei solchen Vorrichtungen ist es bekannt, die Umwandlungs fähigkeit des katalytischen Konverters dadurch zu erhöhen, daß dem geregeltem Dreiwegekatalysator ein Oxydationskata lysator stromabwärts im Auspuffkanal der Maschine nach geschaltet wird. Zwar katalysiert der Dreiwegekatalysator sowohl die Reduktion von NOx als auch die Oxydation von CO und HC, wobei jedoch hinsichtlich der restlichen Schadstoff emission zwischen den nicht umgewandelten Stickoxyden und dem unverbrannten Kohlenmonoxyd sowie den unverbrannten Kohlenwasserstoffen ein Kompromiß gefunden werden muß. Denn innerhalb des sogenannten Lambda-Fensters erfolgt die höchstmögliche Umwandlung der Stickoxyde im fetten und des Kohlenmonoxyds im mageren Lambda-Bereich, so daß letztlich eine maximale Reduzierung beider Schadstoffgruppen gleich zeitig im geregelten Dreiwegekatalysator nicht erzielt werden kann. In such devices, it is known to convert ability to increase the catalytic converter that the regulated three-way catalyst has an oxidation catalytic converter lysator downstream in the exhaust duct of the machine is switched. The three-way catalytic converter catalyzes both the reduction of NOx and the oxidation of CO and HC, however, with regard to the remaining pollutant emission between the unconverted nitrogen oxides and the unburned carbon monoxide and the unburned A compromise must be found in hydrocarbons. Because this takes place within the so-called lambda window highest possible conversion of nitrogen oxides in the fat and the Carbon monoxides in the lean lambda range, so ultimately a maximum reduction of both pollutant groups the same not achieved early in the regulated three-way catalytic converter can be.

Die Nachschaltung des Oxydationskatalysators mit Fremdluft zumischung gibt die Möglichkeit, den Dreiwegekatalysator bei einem Arbeitspunkt zu betreiben, bei dem die bestmögliche Umwandlung von NOx stattfindet. Die dadurch aufgrund der vorgeschilderten Abhängigkeit erhöhten Werte von CO und HC können nahezu rückstandsfrei im nachgeschalteten Oxydations katalysator umgewandelt werden. Optimiert man die Arbeits punkte beider Katalysatoren, kommt man mit einer geringeren Katalysatoroberfläche insgesamt aus und erreicht trotzdem eine wesentlich höhere Umwandlung von NOx CO und HC als sie mit einem einfachen Dreiwegekatalysator erreicht werden kann.The connection of the oxidation catalytic converter with external air admixing gives the possibility of adding the three-way catalytic converter to operate at a working point at which the best possible Conversion of NOx takes place. The due to the depicted dependence increased values of CO and HC can be almost completely residue-free in the downstream oxidation catalyst to be converted. If you optimize the work points of both catalysts, one comes with a lower one Total catalyst surface and still reached a much higher conversion of NOx CO and HC than them can be achieved with a simple three-way catalyst can.

Die Einhaltung des Arbeitspunktes im Bereich des Lambda-Fen sters des geregelten Dreiwegekatalysators wird in der Regel mit Hilfe einer Sauerstoffsonde, der Lambda-Sonde, die stromaufwärts vor dem Dreiwegekatalysator im Auspuffkanal der Brennkraftmaschine angeordnet wird, überwacht. Über die Rückkopplungsregelung erfolgt anhand der erfaßten Sauer stoffkonzentration im Abgas der Rückgriff auf die Zusammen setzung des der Brennkraftmaschine zugeführten Brennstoff- Luft-Gemisches, nicht erfaßt wird dagegen das Ergebnis der katalytischen Umwandlung und damit die tatsächliche Schad stoffimmission. Für die Regelungs-Rückkopplung bedeutet dies, daß keine Rückmeldung des Regelergebnisses erfolgt. Somit ist die Rückkopplungsregelung nur so gut, wie die Spannung der Lambda-Sonde Aufschlüsse über das optimale Lambda-Verhältnis zuläßt. Inwieweit ein bestimmter Lambda- Wert tatsächlich das richtige Lambda-Verhältnis mit einer optimalen Schadstoffreduzierung darstellt, läßt sich zwar mit aufwendigen Meßgeräten von Zeit zu Zeit kontrollieren, die Schadstoffwerte selbst haben jedoch keinen Einfluß auf das Lambda-Verhältnis.Compliance with the operating point in the area of the lambda fen sters of the regulated three-way catalyst is usually with the help of an oxygen probe, the lambda probe, the upstream of the three-way catalytic converter in the exhaust duct the internal combustion engine is arranged, monitored. About the Feedback control takes place on the basis of the detected acid substance concentration in the exhaust gas the recourse to the combination setting of the fuel supplied to the internal combustion engine Air mixture, however, is not recorded the result of the catalytic conversion and thus the actual harm substance immission. For the control feedback means this means that there is no confirmation of the rule result. So the feedback control is only as good as that Voltage of the lambda probe reveals the optimal Allows lambda ratio. To what extent a certain lambda Actually worth the right lambda ratio with a represents optimal pollutant reduction check from time to time with complex measuring devices, however, the pollutant values themselves have no influence the lambda ratio.

Im Prinzip treffen die gleichen Nachteile auch für einen Oxydationskatalysator zu, für den man schon besonders ge staltete, sauerstoffempfindliche Sensoren zur Abtastung des Luftbrennstoff-Verhältnisses im Auspuffkanal der Brennkraft maschine entwickelt hat, siehe DE-A1- 30 23 429. Die Rück kopplungsregelung wirft hier wegen der notwendigen Sekundär lufteinspeisung in den Oxydationskatalysator besondere Pro bleme auf, weil die sauerstoffempfindlichen Abtastvorrich tungen nur dann den für die katalytische Umwandlung reprä sentiven Meßwert liefern können, wenn sich das Luft-Brenn stoff-Verhältnis innerhalb des stöchiometrischen Bereichs befindet.In principle, the same disadvantages also apply to you Oxidation catalyst for which one is particularly ge designed, oxygen-sensitive sensors for scanning the Air-fuel ratio in the exhaust duct of the internal combustion engine has developed machine, see DE-A1- 30 23 429. The back Coupling control poses here because of the necessary secondary air feed into the oxidation catalytic converter special pro blemish because of the oxygen sensitive scanning device only then the representative for the catalytic conversion sentive measured value, if the air burning substance ratio within the stoichiometric range located.

Bei der gattungsbildenden Vorrichtung zur Abgasentgiftung einer Brennkraftmaschine ist es bekannt, mittels eines Meß fühlers die Temperatur zumindest des Oxydationskatalysators zu überwachen, um Schädigungen daran zu vermeiden. In Abhän gigkeit von diesem Temperatursignal kann ein den Katalysator umgehender Bypass geöffnet werden. Mit der Erfassung einer für die katalytische Wirkung repräsentative Zustandsgröße hat dies nichts zu tun.In the generic device for exhaust gas detoxification an internal combustion engine is known, by means of a measurement feel the temperature of at least the oxidation catalyst monitor to avoid damage to it. Depending This catalytic converter can act on this temperature signal immediate bypass can be opened. With the capture of a state variable representative of the catalytic effect this has nothing to do.

Das gleiche trifft auch für die Einrichtung zur Verminderung von schädlichen Anteilen der Abgasemission von Brennkraft maschinen zu, die aus der DE-OS 23 30 258 bekannt ist. Dort wird bei unzulässiger Erwärmung des Katalysators die Absper rung der Kraftstoffzufuhr zu dem die Temperaturerhöhung ver ursachenden Zylinder der Brennkraftmaschine ausgelöst, damit eine Nachverbrennung des Kraftstoffs im Katalysator unter bunden wird. Dazu ist jedem Zylinder der Brennkraftmaschine ein die Abgastemperatur dieses Zylinders ermittelnder Meß fühler zugeordnet, dessen Istwertsignal in einer Schaltungs anordnung mit einem Sollwertsignal für die Abgastemperatur verglichen wird.The same applies to the reduction facility harmful components of exhaust gas emissions from internal combustion engines machines to that is known from DE-OS 23 30 258. There if the catalyst is heated unacceptably, the shut-off the fuel supply to which the temperature increase ver causing cylinder of the internal combustion engine so triggered afterburning of the fuel in the catalytic converter is bound. For this purpose, each cylinder of the internal combustion engine a measurement determining the exhaust gas temperature of this cylinder sensor assigned, its actual value signal in a circuit arrangement with a setpoint signal for the exhaust gas temperature is compared.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich tung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der zur Einstellung optimaler Arbeitspunkte beider Katalysatoren eine für die katalytische Wirkung repräsentative Zustands größe einwandfrei erfaßt werden kann.The invention is based on the object, a Vorrich tion of the type mentioned at the outset Setting the optimal operating points of both catalysts a state representative of the catalytic effect size can be detected correctly.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung bei einer gattungsbil denden Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is according to the invention in a genus denden device by the characterizing features of Claim 1 solved.

Es wurde nämlich gefunden, daß die Temperaturerhöhung in dem dem Dreiwegekatalysator nachgeschalteten Oxydationskataly sator in direkter Abhängigkeit zum Restgehalt von CO + HC im Abgasstrom des Dreiwegekatalysators steht und wesentlich leichter als beispielsweise eine Sauerstoffkonzentration mittels einer Sauerstoffsonde gemessen werden kann. Letzt lich ist die augenblicklich im Oxydationskatalysator frei werdende Wärmeenergie eine Referenzgröße für den Istwert des Anteils des den Dreiwegekatalysator verlassenden, unver brannten Kohlenmonoxyds und der unverbrannten Kohlenwasser stoffe, der leicht auf einen Sollwert geregelt oder diesem angenähert werden kann, bei dem im Dreiwegekatalysator eine optimale NOx-Umwandlung erfolgt, während im Oxydationskata lysator die noch unverbrannten Kohlenstoffanteile restlos oxydiert werden können. Folglich geht in die Rückkopp lungsregelung das rückgemeldete Regelergebnis ein.It was found that the temperature increase in the the three-way catalytic converter sator in direct dependence on the residual content of CO + HC in Exhaust gas flow of the three-way catalytic converter stands and is essential lighter than, for example, an oxygen concentration can be measured using an oxygen probe. Last one Lich is currently free in the oxidation catalyst heat energy a reference value for the actual value of the Proportion of the non-leaving the three-way catalyst burned carbon monoxide and unburned hydrocarbon substances that are easily regulated to a setpoint or this can be approximated in which in the three-way catalyst optimal NOx conversion takes place while in the Oxidationkata analyzer completely remains the unburned carbon portions can be oxidized. Consequently goes into the feedback control regulation, the reported control result.

Für die Temperaturerfassung des Abgasstromes vor und hinter der katalytischen Nachverbrennung gibt es geeignete Meßson den und -geräte, die direkt oder indirekt arbeiten. Ent scheidend ist, in Richtung des Abgasstromes vor und hinter den aktiven Teilen des Oxydationskatalysators optimale Meß punkte festzulegen, um für die tatsächliche Temperaturer höhung im Oxydationskatalysator repräsentative Meßsignale zu erhalten, aus deren Differenz der Istwert zur Darstellung der Arbeitspunkte beider Katalysatoren gebildet wird.For temperature measurement of the exhaust gas flow in front and behind There are suitable measuring sensors for catalytic afterburning the devices and devices that work directly or indirectly. Ent is outgoing, in the direction of the exhaust gas flow in front and behind the active parts of the oxidation catalyst optimal measurement points to set for the actual temperature representative measurement signals to increase in the oxidation catalyst received, from the difference of which the actual value for display the operating points of both catalysts is formed.

Das Istwertsignal kann sowohl direkt als auch indirekt in den Lambda-Regelkreis eingreifen. Bei der indirekten Verwen dung eignet sich das Istwert-Signal insbesondere zur Bestim mung der Referenzspannung in einem Rückkopplungs-Regelkreis mit Lambda-Sonde. Der damit verbundene Vorteil ist, daß die Lambda-Sonde äußerst schnell auf Veränderungen des Lambda- Verhältnisses anspricht. Die Korrektur der Referenzspannung hingegen braucht nur sehr langsam zu erfolgen.The actual value signal can either directly or indirectly in intervene in the lambda control loop. With indirect use The actual value signal is particularly suitable for determination measurement of the reference voltage in a feedback control loop with lambda probe. The associated advantage is that the Lambda probe extremely quickly on changes in lambda Ratio appeals. The correction of the reference voltage however, it only needs to be done very slowly.

Bei der direkten Beeinflussung des Lambda-Regelkreises durch das Meßwertsignal wählt man zweckmäßig folgenden Aufbau:When directly influencing the lambda control loop the measured value signal is expediently chosen as follows:

Das aus der Temperaturdifferenz von zwei Temperatursonden gelieferte Signal wird mit einer Referenz (Sollwert) ver glichen. Die sich daraus ergebende Fehlerspannung wird be wertet und entsprechend ihrer Größe nichtlinear verstärkt. Über einen Leistungsverstärker wird ein Stellmotor betätigt, der in den Brennstoff-Luft-Mischvorgang eingreift und so in den Regelkreis fließt.That from the temperature difference of two temperature probes delivered signal is ver with a reference (setpoint) like. The resulting error voltage will be evaluates and amplifies nonlinearly according to their size. A servomotor is operated via a power amplifier, which intervenes in the fuel-air mixing process and so in the control loop flows.

Bei indirekter Beeinflussung des Lambda-Regelkreises wird zu nächst in üblicher Weise von einer stromaufwärts vor dem ge regelten Dreiwegekatalysator angeordneten Lambda-Sonde ein erstes Signal geliefert, daß durch lineare Filterung und Verstärkung aufbereitet und mit einer Referenz verglichen wird. Diese Referenz wird aus dem aus der Temperaturdiffe renz am Oxydationskatalysator abgeleiteten Istwert-Signal und einem dafür vorgegebenen Sollwert gebildet. Dieser Soll wert kann manuell eingestellt und bei Bedarf korrigiert wer den. Folglich dient bei dieser Regelschaltung die Lambda- Sonde nicht unmittelbar zur Bestimmung des Lambda-Wertes sondern nur als Hilfsmittel um bei rasch ändernden Betriebs bedingungen den Regelvorgang zu beschleunigen. Aufgrund der ständigen Korrektursignale der Differenztemperaturmessung, mit der die Referenz für das Signal der Lambda-Sonde ständig neu gebildet wird, ist die Regelung unempfindlich gegenüber der Alterung der Lambda-Sonde und/oder anderer verfälschen der Meßwerteinflüsse.If the lambda control loop is indirectly influenced, next in the usual way from an upstream before the ge regulated three-way catalytic converter arranged lambda probe first signal delivered that by linear filtering and Reinforcement processed and compared with a reference becomes. This reference is made from the temperature difference actual value signal derived from the oxidation catalytic converter and a setpoint specified for it. This should value can be set manually and corrected if necessary the. Consequently, the lambda Probe not immediately for determining the lambda value but only as a tool to help with rapidly changing operations conditions to accelerate the control process. Due to the constant correction signals of the differential temperature measurement, with which the reference for the signal of the lambda probe constantly is newly formed, the regulation is insensitive to falsify the aging of the lambda probe and / or others the measured value influences.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel noch kurz erläutert. Die Zeichnung zeigt in schematischer Ansicht einen katalytischen Konverter im Auspuffkanal einer Brennkraftmaschine.The invention is based on the drawing on a Embodiment explained briefly. The drawing shows in a schematic view of a catalytic converter Exhaust duct of an internal combustion engine.

Der katalytische Konverter umfaßt in Strömungsrichtung als erstes einen geregelten Dreiwegekatalysator 1 in dessen Ein laß 2 für das Abgas der Brennkraftmaschine eine Lambda-Sonde 3 eingefügt ist.The catalytic converter comprises in the flow direction first a regulated three-way catalyst 1 in whose A let 2 for the exhaust gas of the internal combustion engine, a lambda probe 3 is inserted.

An den Auslaßsieben des Dreiwegekatalysators 1 schließt ein Oxydationskatalysator 4 mit seinem Einlaß 5 stromabwärts an, wobei in den Auslaß 7 des Dreiwegekatalysators 1 bzw. in den Einlaß 5 des Oxydationskatalysators 4 eine Vorrichtung 6 mün det, über die Fremd- bzw. Sekundärluft in den dem Oxyda tionskatalysator 4 zugeleiteten Abgasstrom eingeleitet werden kann.At the outlet sieves of the three-way catalyst 1 , an oxidation catalyst 4 connects with its inlet 5 downstream, a device 6 mün det in the outlet 7 of the three-way catalyst 1 or in the inlet 5 of the oxidation catalyst 4 , via the external or secondary air in the Oxyda tion catalyst 4 fed exhaust stream can be initiated.

In dem Bereich, der stromaufwärts vor dem Nachverbrennungs bereich im Oxydationskatalysator 4 liegt, beim Ausführungs beispiel im Bereich des Auslasses 8 des geregelten Dreiwege katalysators 1 liegt eine erste Temperaturmeßsonde 8. Eine zweite Temperaturmeßsonde 10 ist nahe dem Auslaß 9 des Oxy dationskatalysators 4 im Abgasstrom angeordnet, so daß die Temperatur des Abgasstroms stromaufwärts noch vor der Ein speisung der Sekundärluft und stromabwärts nach der kata lytischen Nachverbrennung gemessen werden kann. Aufgrund der bei der katalytischen Nachverbrennung frei werdenden Wärme energie mißt die zweite Temperaturmeßsonde 10 eine höhere Temperatur als die erste Temperaturmeßsonde 8. Aus dieser Temperaturdifferenz wird in einer geeigneten elektrischen Schaltung ein Meßwertsignal gebildet, daß dem Anteil der unverbrannt aus dem Dreiwegekatalysator 1 austretenden Koh lenstoffverbindungen proportional ist, die im Oxydations katalysator 4 oxydiert werden.In the area upstream of the afterburning area in the oxidation catalytic converter 4 , for example in the area of the outlet 8 of the regulated three-way catalytic converter 1, there is a first temperature measuring probe 8 . A second temperature measuring probe 10 is arranged near the outlet 9 of the oxy-dation catalyst 4 in the exhaust gas stream, so that the temperature of the exhaust gas stream can be measured upstream before the secondary air is fed in and downstream after the catalytic post-combustion. Because of the heat released in the catalytic afterburning energy, the second temperature probe 10 measures a higher temperature than the first temperature probe 8 . From this temperature difference, a measured value signal is formed in a suitable electrical circuit that the proportion of unburned from the three-way catalyst 1 emerging Koh lenstoffverbindungen is proportional, which are oxidized in the oxidation catalyst 4 .

Claims

1. Device for detoxifying the exhaust gas of an internal combustion engine with a catalytic converter, which has a regulated three-way catalytic converter and an oxidation catalytic converter connected downstream downstream thereof with admixture of external air in the exhaust duct of the machine, the composition of the fuel-air supply to the machine being supplied by means of a feedback control. mixture is influenced, characterized in that upstream a first temperature measuring probe (8) and downstream to a second temperature measuring probe (10) is arranged in or on the Oxydationskata lyst (4) before the oxidation catalyst (4), from the Sondenmeßwerten a temperature increase in the oxidation catalyst ( 4 ) proportional signal is formed, from which an actual value proportional to the operating points of both catalysts ( 1, 4 ) is formed for the feedback control.

2. Device according to claim 1, characterized in that the first temperature measuring probe ( 8 ) upstream of the introduction device ( 6 ) for the outside air is angeord net.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the second temperature measuring probe ( 10 ) is arranged at or near the outlet ( 9 ) of the oxidation catalyst ( 4 ).

4. Device according to one of claims 1-3, characterized in that the feedback control has a lambda probe ( 3 ) in the inlet ( 2 ) of the three-way catalyst ( 1 ) or upstream in the exhaust duct, the measurement signal in the control circuit with a reference is compared to form an actuating signal, this reference being formed from the comparison of the actual value of the operating points of the two catalysts ( 1, 4 ) and a target value specified therefor.