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DE10252144B4 - Verfahren zum Betrieb einer gasbetriebenen Verbrennungskraftmaschine mit Abgasreinigung - Google Patents

Verfahren zum Betrieb einer gasbetriebenen Verbrennungskraftmaschine mit Abgasreinigung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine gasbetriebene Verbrennungskraftmaschine mit Abgasreinigung.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen insbesondere erdgasbetriebenen Ottomotor mit nachgeschaltetem Drei-Wege-Katalysator zur Reinigung der Abgase der Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, mit dem unter Berücksichtigung einer laufzeitbedingten Verkleinerung und Verschiebung des Bereiches der optimalen Methanumsetzung am Katalysator ein über den Betriebszeitraum dauerhafter schadstoffarmer Betrieb bei Einhaltung der Abgasgrenzwerte erreicht wird.
Zur Einstellung einer optimalen Methankonvertierung am Drei-Wege-Katalysator 2 wird erfindungsgemäß in einem Motorsteuergerät 3 aus der erfassten Methankonzentration im Abgastrakt nach dem Drei-Wege-Katalysator 2 ein Korrekturwert ermittelt, mit dem unter Berücksichtigung der mittels Lambda-Sonde 6 vor dem Katalysator ermittelten Abgaswerte das der Verbrennungskraftmaschine 1 zugeführte Luft-Kraftstoff-Gemisch eingestellt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer gasbetriebenen Verbrennungskraftmaschine mit Abgasreinigung mit den im Oberbegriff des Patenanspruches 1 genannten Merkmalen.
  • Mit Gas betriebene Kraftfahrzeugmotoren stellen einen alternativen Antrieb zu den üblichen mit Benzin oder Diesel betriebenen Motoren, insbesondere hinsichtlich ihrer Kraftstoffkosten, dar. Derartige mit Gas betriebene Brennkraftmaschinen sind allgemein bekannt. ( DE 38 42 430 A1 ; DE 196 35 248 C2 ). Die Reinigung der Abgase erfolgt in der Regel mittels eines Drei-Wege-Katalysators, mit dem im wesentlichen die im Abgas enthaltenen drei Schadstoffkomponenten HC, CO und NOx konvertiert werden. Bei der Abgasreinigung von Brennkraftmaschinen durch geregelte Drei-Wege-Katalysatoren hängt der Wirkungsgrad sowie die Lebensdauer der Katalysatoren von der exakten Einhaltung des Lambda-Wertes ab. Schon ein kurzfristiges Verlassen des Lambda-Bereiches führt bei häufiger Wiederholung zur Schädigung des Katalysators. ( DE 36 14 535 C2 ). Bei erdgasbetriebenen Ottomotoren ist eine optimale Konvertierung der Schadstoffkomponente Methan bei stöchiometrischem Betrieb nur in einem sehr kleinen Bereich sichergestellt, wobei die maximale Konversionsrate einer arbeitspunktabhängigen und laufzeitbedingten Verkleinerung/Verschiebung unterliegt. Zur Zeit besteht keine Möglichkeit, bei Erdgasbetrieb die laufzeitbedingte Verkleinerung und Verschiebung des Bereiches der maximalen Methanumsetzung am Abgaskatalysator zu berücksichtigen.
  • Aus der DE 36 14 535 C2 ist ein gasbetriebener Verbrennungsmotor mit einem geregelten Abgaskatalysator im Abgasstrang zur Reinigung der Verbrennungsabgase und einem Lambda-Regelkreis zur Einstellung des dem Verbrennungsmotor zugeführten Luft/Kraftstoff-Gemisches vorbekannt, bei dem zur Erhöhung der Lebensdauer des Katalysators beim Überschreiten eines vorgegebenen Lambda-Sollwertes die Abgase mittels einer Umgehungsleitung am Katalysator vorbeigeleitet werden.
  • Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass billigend eine Abgabe des ungereinigten Abgases in die Atmosphäre, beim Nichteinhalten eines Lambda-Bereiches, in dem eine störungsfreie Reinigung der Abgase erfolgt, in Kauf genommen wird. Bei den zur Zeit bestehenden Vorschriften zur Einhaltung der Abgasnormen ist eine derartige Vorgehensweise nicht akzeptierbar.
  • Aus der DE 199 53 601 C2 ist ein Verfahren zum Überprüfen der Konvertierungsfähigkeit eines im Abgaskanal der Brennkraftmaschine angeordneten Abgaskatalysators vorbekannt. Dabei wird mit Hilfe einer Lambda-Regeleinrichtung, welche eine stromaufwärts des Abgaskatalysators angeordnete Breitband-Lambdasonde aufweist und das Luft/Kraftstoffverhältnis auf einen vorgebbaren Sollwert regelt, im stationären Betrieb bei betriebswarmer Brennkraftmaschine durch einen Regeleingriff der Lambda-Regeleinrichtung die Sauerstoffbeladung des Katalysators während der Diagnosezeit bis zu einem vorgegebenen Wert erhöht. Während der Diagnosezeit wird dann die NOx-Konzentration im Abgaskanal stromabwärts des Drei Wege-Katalysators mittels des NOx-Sensors erfasst und aus den Werten der NOx-Konzentration während mindestens einer Lambdaschwingung ein stationärer Diagnosewert ermittelt. Der Diagnosewert wird mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen und bei Überschreiten des Schwellenwertes auf einen gealterten Abgaskatalysator geschlossen.
  • Mit diesem Verfahren werden lediglich Rückschlüsse auf einen gealterten Katalysator diagnostiziert. Eine geregelte Beeinflussung zur Einstellung einer optimalen Schadstoffkonvertierung erfolgt mit diesem Verfahren nicht.
  • Aus der DE 197 58 154 C2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung der Leistung eines in einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators vorbekannt. In der zum Katalysator führenden Abgasleitung ist ein Abgassauerstoff-Sensor angeordnet, über den die Regelung des der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoffverhältnis erfolgt. Nach dem Katalysator ist im Abgasstrom ein Kohlenwasserstoff-Sensor angeordnet, der die Kohlenwasserstoff-Konzentration im Abgas nach dem Katalysator ermittelt. Aus dem Vergleich zwischen einem ersten Signal der Kohlenwasserstoff-Konzentration vor Erreichen der Betriebstemperatur des Katalysators und einem zweiten Signal nach Erreichen der Betriebstemperatur wird der Katalysatorwirkungsgrad ermittelt.
  • Auch dieses Verfahren dient lediglich zur Ermittlung des Katalysatorwirkungsgrades und zur Ermittlung und Anzeige, ob das verwendete Katalysatormaterial noch akzeptabel ist oder ob der Katalysator ausgewechselt werden muss. Eine Regelung des Katalysatorwirkungsgrades während des Betriebes erfolgt nicht.
  • Aus der DE 198 52 244 C1 ist ein Verfahren zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine mit einem im Abgastrakt angeordneten NOx-reduzierenden oder -speichernden Drei Wege-Katalysator vorbekannt. Dabei ist im Abgasstrom vor dem Katalysator eine Lambda-Sonde angeordnet, mit deren Werte über ein Betriebssteuergerät ein Einstellen des der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoff-Gemisches erfolgt. Zur Einhaltung eines optimalen Lambda-Bereiches ist eine Trimmregelung vorgesehen, bei der im Abgasstrom nach dem Katalysator eine Sonde zur Erfassung der im Abgas befindlichen NOx-Konzentration angeordnet ist. Zwischen der NOx-Konzentration und dem Lambda-Wert ist ein Zusammenhang gegeben, der zur Korrektur des zugeordneten Signalpegels der stromauf des Katalysators gelegenen Sonde verwendet wird. Durch den Trimmregler wird eine alterungsbedingte Verschiebung des Signalpegels der Lambda-Sonde erkannt und durch Regelung des der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoff-Gemisches ausgeglichen.
  • Bei diesem Verfahren geht es insbesondere darum, dass mit dem NOx-Messaufnehmer ein im Abgasstrang angeordneter NOx-reduzierender oder -speichernder Katalysator hinsichtlich seiner NOx-Speicherfähigkeit geregelt wird. Die oben genannten Probleme bei einem erdgasbetriebenen Ottomotor hinsichtlich der laufzeitbedingten Verkleinerung und die arbeitspunktabhängige Verschiebung des Arbeitspunktes der Methankonvertierung im Abgaskatalysator können mit diesem Verfahren nicht beseltigt werden.
  • Gemäß der US 5 329 764 A ist ein System zur Regelung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine vorbekannt, bei dem stromab eines Drei-Wege-Katalysators Sensoren zur Messung der Schadstoffbestandteile HC, CO und NOx angeordnet sind, so dass ohne den Einsatz einer strom- auf des Drei-Wege-Katalysators angeordneten Lambdasonde, d. h. allen in Abhängigkeit der gemessenen Schadstoffbestandteile stromab des Drei-Wege-Katalysators eine Einstellung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses erfolgen kann.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb einer gasbetriebenen Verbrennungskraftmaschine mit einem Drei-Wege-Katalysator zu schaffen, mit dem unter Berücksichtigung einer laufzeitbedingten Verkleinerung und Verschiebung des Bereiches der optimalen Methanumsetzung am Katalysator ein über den Betriebszeitraum dauerhafter schadstoffarmer Betrieb bei Einhaltung der Abgasgrenzwerte erreicht wird.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
  • Zur Einstellung einer optimalen Methankonvertierung am Drei-Wege-Katalysator wird erfindungsgemäß in einem Motorsteuergerät aus der erfassten Methankonzentration im Abgastrakt nach dem Drei-Wege-Katalysator ein Korrekturwert ermittelt, mit dem unter Berücksichtigung der mittels Lambda-Sonde vor dem Katalysator ermittelten Abgaswerte das der Verbrennungskraftmaschine zugeführte Luft-/Kraftstoff-Gemisch eingestellt wird.
  • Durch die Berücksichtigung der jeweils vorherrschenden Methankonzentration im Abgas nach dem Katalysator bei der Einstellung des der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Luft-/Kraftstoff-Gemisches wird der arbeitspunktabhängigen und der laufzeitbedingten Verkleinerung/Verschiebung der optimalen Methanumsetzung im Abgaskatalysator Rechnung getragen, so dass ein über den Betriebszeitraum dauerhafter schadstoffarmer Betrieb bei Einhaltung der Abgasgrenzwerte erreicht wird. Durch das regelbare Verstellen des Luft/Kraftstoff-Gemisches werden die Verhältnisse im Katalysator so eingestellt, dass eine optimale Methankonvertierung am Katalysator erreicht wird.
  • Anhand einer Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:
  • 1: die schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit nachgeschaltetem Katalysator,
  • 2; eine graphische Darstellung der Methankonvertierung in Abhängigkeit von dem Verbrennungsluftverhältnis.
  • Der in 1 dargestellten erdgasbetriebenen Verbrennungskraftmaschine 1 ist ein an sich bekannter Drei-Wege-Katalysator 2 zur Reinigung der bei der Verbrennung entstehenden Abgase nachgeschaltet. Die Regelung des Arbeitsmodus der Verbrennungsmaschine 1 erfolgt bekanntermaßen über ein Motorsteuergerät 3. Dabei werden die Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 1, wie zum Beispiel Motordrehzahl, Motortemperatur, Drosselklappenstellung, Zündwinkeleinstellung, anliegende Last, Verhältnis des der Verbrennungskraftmaschine 1 zugeführten Luft/Kraftstoff-Gemisches, Einspritzzeit usw., mittels Sensoren erfasst und dem Motorsteuergerät 3 zugeführt, beziehungsweise im Motorsteuergerät 3 ermittelt.
  • In dem Abgastrakt zwischen Verbrennungskraftmaschine 1 und Drei-Wege-Katalysator 2 ist eine Lambda-Sonde 6, vorzugsweise eine Breitband-Lambda-Sonde, angeordnet, mit der der Sauerstoffgehalt im Motorabgas ermittelt und über die nicht näher bezeichnete Leitung an das Motorsteuergerät 3 weitergeleitet wird. Im Abgastrakt stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 2 ist ein Sensor 5, vorzugsweise ein Kohlenwasserstoffsensor, zum Erfassen der Methankonzentration im Abgas angeordnet. Die über den Sensor 5 ermittelten Werte werden ebenfalls über eine nicht näher bezeichnete Leitung dem Motorsteuergerät 3 zugeführt und dort abgelegt.
  • Anhand des erfassten Wertes der Methankonzentration wird ein laufzeitbedingter und arbeitspunktabhängiger Korrekturwert zur Erreichung einer maximalen Methankonvertierung des Drei-Wege-Katalysators 2 ermittelt und im Speicher des Motorsteuergerätes 3 abgelegt. Dazu wird die Verbrennungskraftmaschine 1 in festgelegten Kennfeldbereichen, vorzugsweise bei betriebswarmem Motor/Konstantfahrt, betrieben. Es werden in Folge mindestens drei Messungen der Methankonzentration im Abgas mit jeweils vom Lambda-Basis-Sollwert ausgehend erhöhtem und erniedrigtem Lambda-Sollwert durchgeführt. Aus diesen Probebewegungen bzw. den daraus gewonnenen Messwerten kann nun das Vorzeichen und die Größe einer Korrektur des Lambda-Sollwertes ermittelt werden. Diese Adaptionswerte werden dauerhaft in einem Speicher abgelegt bzw. stets aktualisiert. Der sowohl arbeitpunkt- als auch laufzeitbedingte Korrekturwert wird nun bei der Lambda-Sollwertvorgabe berücksichtigt.
  • Anhand des so ermittelten neuen Lambda-Sollwertes erfolgt über einen Lambda-Regler 4 ein Einstellen des der Verbrennungskraftmaschine 1 zugeführten Luft/Kraftstoff-Gemisches.
  • Die Einstellung des Luft/Kraftstoff-Gemisches mit dem im Motorsteuergerät 3 ermittelten Lambda-Wert erfolgt in bekannter Weise durch Verstellen der Einspritzdauer oder dergleichen.
  • In der 2 ist die Konvertierung der Kohlenwasserstoffe, insbesondere des Methans, am Drei-Wege-Katalysator 2 bei entsprechenden Verbrennungsluftverhältnissen dargestellt. Dabei stellt die Kurve 7 die Konvertierung der Kohlenwasserstoffe an einem Drei-Wege-Katalysator 2 bei Verwendung eines Kraftstoffes für Ottomotoren dar. Die Kurve 8 zeigt die Kennlinie der Konvertierung von Methan an einem neuen Drei-Wege-Katalysator 2 für einen erdgasbetriebenen Ottomotor. Die Kurve 9 stellt die Kennlinie der Konvertierung von Methan an einem gealterten Drei-Wege-Katalysator 2 für einen erdgasbetriebenen Ottomotor dar. Der in der 2 dargestellte Kurvenverlauf 9 entsteht bei einem Drei-Wege-Katalysator 2 mit ca. 500 Betriebsstunden Laufzeit. Aus der Gegenüberstellung der Kurven 8 und 9 ist die laufzeitbedingte Verkleinerung und Verschiebung des Bereiches der optimalen Methanumsetzung am Abgaskatalysator bei erdgasbetriebenen Ottomotoren zu entnehmen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Verbrennungskraftmaschine
    2
    Drei-Wege-Katalysator
    3
    Motorsteuergerät
    4
    Lambda-Regler
    5
    Sensor
    6
    Lambda-Sonde
    7
    Konversionsrate des Katalysators bei einem Kraftstoff mit einer Aktanzahl von 95
    8
    Konversionsrate eines neuen Katalysators bei Erdgasbetrieb
    9
    Konversionsrate eines gealterten Katalysators bei Erdgasbetrieb

Claims (1)

  1. Verfahren zum Betrieb einer gasbetriebenen Verbrennungskraftmaschine mit einem Drei-Wege-Katalysator, wobei in dem Abgastrakt zwischen Verbrennungskraftmaschine und Drei Wege-Katalysator eine Breitband-Lambda-Sonde angeordnet ist, mit der der Sauerstoffgehalt im Motorabgas ermittelt wird, wobei im Abgastrakt stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators ein Kohlenwasserstoffsensor zum Erfassen der Methankonzentration im Abgas angeordnet ist, wobei die Verbrennungskraftmaschine in festgelegten Kennfeldbereichen betrieben wird und in Folge mindestens drei Messungen der Methankonzentration im Abgas mit jeweils vom Lambda-Basis-Sollwert ausgehend erhöhtem und erniedrigtem Lambda-Sollwert durchgeführt werden und das Vorzeichen und die Größe einer Korrektur des Lambda-Sollwertes ermittelt wird, wobei diese Adaptionswerte dauerhaft in einem Speicher abgelegt oder stets aktualisiert werden und aus den daraus gewonnenen Messwerten ein arbeitspunkt- und laufzeitbedingter Korrekturwert ermittelt und bei einer Lambda-Sollwertvorgabe berücksichtigt wird, wobei zum regelbaren Einstellen der Methanumsatzrate am Drei-Wege-Katalysator der Lambda-Sollwert ermittelt wird, bei dem eine optimale Methankonvertierung am Drei-Wege-Katalysator erfolgt, wobei anhand des so ermittelten neuen Lambda-Sollwertes über einen Lambda-Regler ein Einstellen des der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoff-Gemisches erfolgt.
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