Lambdaregelung von Otto-Motoren. Entwicklung und aktueller Stand der Technik

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Formelverzeichnis

1. Einleitung

2. Gemischbildung bei Otto-Motoren
2.1. Reaktionspartner
2.2. Mischungsverhältnis
2.3. Luftverhältnis λ

3. Abgasanlage

4. Schadstoffminderung beim Otto-Motor
4.1. Abgasbestandteile
4.1.1. Kohlenmonoxid CO
4.1.2. Unverbrannte Kohlenwasserstoffe HC
4.1.3. Stickoxide NOx
4.1.4. Feststoffe
4.2. Ermittlung der Abgaswerte
4.3. Maßnahmen zur Schadstoffreduzierung

5. Wirkungsweise des Katalysators
5.1. Aufbau
5.2. Funktionsweise
5.3. Betriebssituation
5.4. Abweichungen bei Benzin-Direkteinspritzern

6. Entwicklung der Lambdaregelung
6.1. Grundprinzip
6.2. Sondentypen
6.3. Zweisonden-Regelung
6.4. Dreisonden-Regelung
6.5. Benzin-Direkteinspritzung

7. Funktionsweise der Lambdaregelung
7.1. Grundprinzip
7.2. Zweipunkt-λ-Regelung
7.3. Stetige λ-Regelung
7.4. Zweisonden-Regelung
7.5. Dreisonden-Regelung
7.6. λ-Regelung bei Benzin-Direkteinspritzung

8. Funktionsweise der Lambdasonde
8.1. Grundprinzip
8.2. Zweipunkt-λ-Sonden
8.2.1. Funktionsweise
8.2.2. Aufbau
8.2.3. Belastungen in der Praxis
8.2.4. Elektrische Schaltung
8.2.5. Varianten
8.3. Breitband-λ-Sonden
8.3.1. Verwendung
8.3.2. Aufbau und Funktionsweise
8.3.2.1. Einzeller
8.3.2.2. Zweizeller

9. Aktueller Stand der Technik

10. Zusammenfassung

Bildquellenverzeichnis

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

[1] Mischungsverhältnisse, Luftverhältnisse für Benzin

[2] Schadstoffe im Abgas bei verschiedenen Luftverhältnissen

[3] Abgastrakt eines Motors mit Benzin-Direkteinspritzung

[4] Funktionsschema der λ-Regelung

[5] Stellgrößenverlauf mit gesteuerter λ-Verschiebung

[6] Einbauorte der λ-Sonde

[7] Nernstzelle

[8] Kennlinie einer Zweipunkt-λ-Sonde bei verschiedenen Temperaturen des Sensorelementes

[9] Explosionszeichnung einer planaren Zweipunkt-λ-Sonde

[10] Sensorelement der Zweipunkt-λ-Sonde im Gehäuse

[11] Zweipunkt-λ-Sonde mit keramischem Fingerelement

[12] Einzeller-λ-Sonde

[13] Zweizeller-λ-Sonde

[14] Explosionszeichnung einer Zweizeller-Breitband-λ-Sonde

[15] Flache und gewellte Folien mit PE-Löchern (links) und Blick in einen PE- Katalysator (rechts)

[16] Vorgelochte Fläche und gewellte Folien (links) und der λ-Sonden-Einbauraum nach dem Wicklungsprozess (rechts)

Formelverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Einheiten sind die speziell bei der λ-Regelung gebräuchlichsten Einheiten. Grundeinheiten sind in eckigen Klammern dargestellt.

1. Einleitung

Die Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs dient unter anderem dazu, den Geräuschpegel der Abgase beim Austritt aus dem Motor zu dämpfen und die Abgase zu reinigen, bevor Schadstoffe in die Umwelt gelangen können. Bei heutigen Kraftfahrzeugen übernimmt diese Reinigungsfunktion ein moderner Drei-Wege- Katalysator. Um die Effizienz des Katalysators steigern zu können, wurde die Lambdaregelung eingeführt. Dabei überwacht eine Sonde die Qualität des Abgases und leitet die Signale an die Motorsteuerung weiter, um so eine höhere Konvertierungsrate von Schadstoffen im Katalysator erreichen zu können (vgl.[1], S. 336, 342).

In dieser Studienarbeit soll zuerst auf die Gemischbildung und Abgasanlage im Allgemeinen eingegangen werden, um die Zusammenhänge bei der Schadstoffminderung verstehen zu können. Anschließend soll ein kurzer Überblick über die Schadstoffminderung beim Otto-Motor gegeben und schließlich das Prinzip des Katalysators erläutert werden. Danach wird auf die Entwicklung der Lambdaregelung eingegangen. Schließlich soll die Funktionsweise der Regelung und speziell auch der Sonde sowie der aktuelle Stand der Technik erläutert werden.

2. Gemischbildung bei Otto-Motoren

Dieses Kapitel geht auf das Mischungsverhältnis eines Kraftstoff-Luft-Gemisches ein und erklärt das Luftverhältnis λ.

2.1. Reaktionspartner

Otto-Motoren werden mit einem Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben. Dieses wird von einem Gemischbildungssystem bereitgestellt und sollte genau so dosiert sein, dass es möglichst vollständig verbrannt wird. Dies bedeutet, dass alle Kohlenstoffatome sowie alle Wasserstoffatome, die im Kraftstoff enthalten sind, mit dem Sauerstoff aus der Luft reagieren. Dabei entsteht unter Abgabe von Reaktionswärme Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O) (vgl.[1], S. 275).

2.2. Mischungsverhältnis

Um eine vollständige Verbrennung zu gewährleisten, benötigt die Reaktion eine spezifische Menge an Sauerstoff. Steht zu viel oder zu wenig Sauerstoff zur Verfügung, wird entweder nicht die volle Menge an Kraftstoff verbrannt oder es findet gar keine Reaktion mehr statt. Dieser Zusammenhang beim Kraftstoff-Luft-Gemisch wird als Mischungsverhältnis definiert (vgl.[1], S. 275).

Das Theoretische Mischungsverhältnis „gibt an wie viel [Kilogramm] Luft zur vollständigen Verbrennung von [einem Kilogramm] Kraftstoff benötigt werden“ ([1], S. 275). Dabei kommen auf ein Kilogramm Benzin in etwa 14,8 Kilogramm Luft (vgl.[1], S. 275).

Das Praktische Mischungsverhältnis dagegen differiert je nach Betriebszustand des Motors. Bei Luftmangel liegt ein fettes Gemisch vor, wie dies beispielsweise bei einem Verhältnis von 1:13 der Fall ist. Dagegen nennt man bei Luftüberschuss, wie bei einem Verhältnis von 1:16, das Gemisch mager (vgl.[1], S. 275).

2.3. Luftverhältnis λ

Wenn der Motor genau so viel Luft bekommt, dass der Kraftstoff komplett verbrennen kann, dann liegt das theoretische Mischungsverhältnis von 1:14,8 vor. Dieser Zustand bedeutet, dass das Luftverhältnis λ=1 vorliegt. Das Luftverhältnis ist demnach der Quotient aus zugeführter Luftmasse und theoretischem Luftbedarf (vgl. [1], S. 276).

Das Luftverhältnis bestimmt für jeden Betriebszustand des Motors den Verbrauch, die Leistung und das Abgasverhalten. Dabei wird das Luftverhältnis reguliert, um so den verschiedenen Betriebssituationen gerecht zu werden. Für möglichst gute Abgaswerte ist ein Luftverhältnis von λ=1 mit einem engen Toleranzfeld einzuhalten. Allerdings wird beispielsweise für den Kaltstart des Motors ein sehr fettes Gemisch benötigt. Dies resultiert daraus, dass bei einem kalten Motor die Wände von Saugrohr und Zylinder noch so kalt sind, dass der überwiegende Teil des Kraftstoffs an ihnen kondensiert. Damit das Gemisch trotzdem zündfähig ist, muss deutlich mehr Kraftstoff eingespritzt werden. Bis der Motor seine Betriebstemperatur erreicht, wird die eingespritzte Menge an Kraftstoff langsam reduziert und somit das Gemisch weniger angefettet. Bei Höchstleistung des Motors wird das Gemisch in einem Bereich von λ=0,85…0,95 gehalten. Bei Schubbetrieb dagegen, also wenn der Fahrer den Fuß vom Gas nimmt, wird zunächst überhaupt kein Kraftstoff eingespritzt (vgl.[1], S. 277).

Die verschiedenen Betriebszustände und die zugehörigen Luftverhältnisse sind im nachfolgenden Diagramm noch einmal übersichtlich dargestellt.

3. Abgasanlage

Nachfolgend wird der Aufbau einer Abgasanlage beschrieben.

Die Abgasanlage besteht aus einem Auspuffkrümmer, einem Katalysator, mehreren Schalldämpfern und Verbindungsrohren. Dabei übernehmen die Bauteile jeweils spezielle Aufgaben (vgl.[1], S. 336).

Der Abgaskrümmer bündelt die Abgase aus den Zylindern und führt sie der Anlage zu (vgl.[1], S. 336).

Der Katalysator hat die Aufgabe, Schadstoffe in ungefährliche Stoffe umzuwandeln und damit die Emissionen auf die gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte zu reduzieren (vgl.[1], S. 336).

Die Schalldämpfer sind dafür zuständig, dass die ruckartig aus dem Zylinder austretenden Abgase abgebremst und auf ein höheres Volumen entspannt werden, sodass die gesetzlich festgelegten Lärmemissionen eingehalten werden können. Gleichzeitig sollen sie aber nicht leistungsmindernd auf den Motor wirken. Oft sind sie zudem für das Klangbild des Fahrzeugs zuständig und erzeugen ein ihm entsprechendes Klangbild (vgl.[1], S. 336).

Dabei ist die Abgasanlage hohen Beanspruchungen, wie großen Temperaturen und deutlichen Temperaturschwankungen sowie Korrosion und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Deshalb werden die Anlagen aus den verschiedensten Materialien, wie Edelstahl, unlegiertem Stahl, Aluminium und Kombinationen davon hergestellt (vgl.[1], S. 336).

4. Schadstoffminderung beim Otto-Motor

In diesem Kapitel geht es um die Zusammensetzung des Abgases, die Ermittlung des Schadstoffausstoßes und dessen Reduzierung.

4.1. Abgasbestandteile

Wenn der Kraftstoff im Motor vollständig verbrennt, werden die KohlenwasserstoffVerbindungen des Treibstoffs in

- Kohlendioxid CO2,
- Stickstoff N2,
- Wasserdampf H2O und - Edelgase umgewandelt.
Da er aber nie vollständig verbrennt, werden zusätzlich auch noch - Kohlenmonoxid CO,
- Stickoxide NOx,
- unverbrannte Kohlenwasserstoffe HC und - Feststoffe freigesetzt (vgl.[1], S. 339). Wie hoch der prozentuale Anteil der einzelnen Schadstoffe im Abgas ist, hängt stark vom Luftverhältnis λ ab. Bei einem fetten Gemisch, wenn also ein Luftmangel von 5-10% vorliegt, ist der Otto-Motor am leistungsstärksten. Dabei wird der Kraftstoff jedoch nicht vollständig verbrannt, was zur Folge hat, dass der spezifische Verbrauch und der Ausstoß von Schadstoffen, wie Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen, erhöht sind. Wird dem Motor ein höhere Spitzentemperatur des Motors. Dies kann dadurch begründet werden, dass die kühlende Wirkung von verdampfendem Kraftstoff entfällt. Weiterhin ergibt sich ein hoher Anteil von Stickoxiden im Abgas (vgl.[1], S. 339).

4.1.1. Kohlenmonoxid CO

Kohlenmonoxid CO kann sich bei höherer Konzentration und längerer Einwirkdauer tödlich für den Menschen auswirken. Es entsteht, wenn aufgrund von Luftmangel der Kraftstoff nicht vollständig verbrennt. Je größer der Luftmangel ist, desto mehr Kohlenmonoxid entsteht bei der Reaktion. Gibt es im Verbrennungsraum Bereiche, in denen Kraftstoff und Luft nicht homogen miteinander vermengt sind, so kann sich trotz Luftüberschuss CO bilden, da hier neben dem mageren auch ein fettes Gemisch vorliegen kann (vgl.[1], S. 339).

4.1.2. Unverbrannte Kohlenwasserstoffe HC

Unverbrannte Kohlenwasserstoffe HC gelten als krebserregend und bilden mit bestimmten Reaktionspartnern das umweltschädliche, bodennahe Ozon. Sie entstehen, wenn aufgrund von einem Kraftstoff-Luft-Gemisch mit λ<1 oder λ>1,2 der Kraftstoff nicht komplett verbrennt. Außerdem bilden sich unverbrannte Kohlenwasserstoffe in Bereichen des Verbrennungsraumes, die von der Explosionsflamme nicht ausgefüllt werden (vgl.[1], S. 340).

4.1.3. Stickoxide NOx

Stickoxide NOx führen in größerer Konzentration zu einer erheblichen Schädigung des Lungengewebes sowie zur Zerstörung der Umwelt durch bodennahes Ozon und sauren Regen. Sie entstehen durch eine hohe Spitzentemperatur im Brennraum (vgl. [1], S. 340).

4.1.4. Feststoffe

Feststoffe gelten als krebserregend, wenn sich HC-Verbindungen daran angelagert haben. Deshalb ist ihr Ausstoß seit Kurzem bei neuen Fahrzeugen gesetzlich beschränkt. Feststoffe werden durch eine nicht vollständige Verbrennung frei (vgl. [1], S. 340).

4.2. Ermittlung der Abgaswerte

Der maximale Schadstoffausstoß ist durch Gesetze geregelt. Kraftfahrzeuge, die zugelassen werden sollen, müssen diese Grenzwerte einhalten. Dies wird auch im 6 weiteren Lebenszyklus der Fahrzeuge überprüft. Zur Ermittlung der Abgaswerte werden die Fahrzeuge auf einem Prüfstand durch einen festgelegten Prüfzyklus gefahren. Diesen nennt man Europa-Test (Europäischer Fahrzyklus). Während das Programm durchlaufen wird, werden die Abgase gesammelt und anschließend ausgewertet (vgl.[1], S. 340). Dabei sind die Benutzung eines Referenzkraftstoffes, der Kaltstart, die Geschwindigkeit und Gangwahl vorgeschrieben (vgl.[2], S. 158). Danach wird die Klassifizierung in Abhängigkeit vom Hubraum vorgenommen. In festgelegten zeitlichen Abständen erfolgt dann die Abgasuntersuchung. Diese wird bei gestartetem Motor im Stand durchgeführt und unter Einfluss verschiedener Parameter werden die CO-Werte ermittelt. Schließlich gibt es noch die On-Board- Diagnose zur Ermittlung der Abgaswerte. Hierbei werden alle Bauteile, die für die Abgasregelung zuständig sind, überwacht. Fehler im System müssen im Steuergerät gespeichert und dem Fahrer über eine Kontrollleuchte angezeigt werden, damit sie schnellstmöglich behoben werden können (vgl.[1], S. 340).

4.3. Maßnahmen zur Schadstoffreduzierung

Durch bestimmte Maßnahmen kann der Anteil an Schadstoffen im Abgas verringert werden. Dies können entweder Vorgänge sein, die am Motor durchgeführt werden oder solche, die in der Abgasanlage erfolgen (vgl.[1], S. 341).

Eine Reduzierung der Schadstoffe im Abgas kann erreicht werden, indem der Motor das Kraftstoff-Luft-Gemisch weitestgehend komplett verbrennt und so der Verbrauch gesenkt wird. Dies lässt sich folgendermaßen realisieren:

- Optimierung des Motors in Bezug auf Brennraum, Verdichtungsverhältnis, Saugrohre, Ventilsteuerung und Ansaugvorgang
- Beeinflussung der Gemischbildung zu einem möglichst homogenen Gemisch
- Direkte Abgasrückführung durch zeitweise Öffnung des Auslassventils bei der Ansaugung oder durch ein Abgasrückführungssystem
- Motorsteuerung und -regelung in Bezug auf Zündung, Einspritzung, Schubabschaltung, Ladedruck und Zylinderabschaltung
- Ladeluftkühlung bei Turboladern zur Verringerung der Spitzentemperatur im Brennraum und damit verbundener Reduzierung der Entstehung von Stickoxiden (vgl.[1], S. 341)

Die äußere Abgasrückführung bewirkt, dass Abgas nach dem Krümmer partiell abgeleitet und dem frischen Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Ansaugung wieder zugeführt wird. Dadurch steht im Verbrennungsraum weniger frisches Gemisch zur Verfügung, welches zur Verbrennung beitragen kann. Dies wiederum bewirkt eine Herabsetzung der Verbrennungstemperatur und damit einhergehend eine Verringerung der Stickoxide um bis zu 40%. Nachteilig sind jedoch der steigende Anteil an HC-Verbindungen im Abgas und der höhere Kraftstoffbedarf durch eine hochgesetzte Abgasrückführungsrate. Zudem läuft der Motor dadurch unruhiger. Deshalb wird in der Praxis eine maximale Rate von 20% verwendet und das System nur bei warmem Motor und einem Luftverhältnis von ungefähr λ=1 angewandt. Das System wird von einem Abgasrückführventil in Abhängigkeit von Temperatur des Motors, Drehzahl und Last gesteuert, welches in der Abgasrückführleitung zwischen Auspuffkrümmer und Ansaugrohr sitzt. Bei der Verbrennung eines fetten Gemisches entsteht ohnehin wenig NOx, wie beispielsweise beim Kaltstart, Warmlauf, Beschleunigen und unter Volllast. Deshalb wird hier, ebenso wie im Leerlauf, die Rückführung unterbunden (vgl.[1], S. 341).

5. Wirkungsweise des Katalysators

Hier wird auf den Aufbau, die Funktionsweise und den Betrieb von Katalysatoren eingegangen. Ebenso werden die Abweichungen bei Benzin-Direkteinspritzern beachtet.

5.1. Aufbau

Ein Katalysator ist für die Nachbehandlung der Abgase zuständig. Das heißt, er befindet sich im Anschluss an den Verbrennungsraum, um dort die Schadstoffe in ungefährlichere Stoffe umzuwandeln. Dabei führt er eine chemische Reaktion aus, bei der er sich jedoch selbst nicht verbraucht. Der Katalysator besteht aus einem Metall- oder Keramikträger, einer Zwischenschicht, genannt wash-coat, und einer katalytisch aktiven Schicht. Er ist aus mehreren tausend sehr kleinen Kanälen zusammengesetzt, durch die das Abgas hindurchströmt. Diese Kanäle aus dem Trägermaterial sind mit der porösen Zwischenschicht versehen, welche die Aufgabe hat, die Oberfläche des Katalysators auf das 7000-fache zu vergrößern. Auf die Zwischenschicht wird eine speziell für den Motortyp angepasste, katalytisch wirksame Schicht aufgetragen. Sie variiert je nach Gemisch beziehungsweise Luftverhältnis (vgl.[1], S. 341).

Ein Keramikträger hat gegenüber einem Trägermaterial aus Metall zwei signifikante Vorteile. Zum einen bleibt die Betriebstemperatur immer konstant und zum anderen ist die Beschichtung mit Edelmetall deutlich einfacher zu recyceln. Als größter Nachteil ist jedoch die Stoß- und Erschütterungsempfindlichkeit zu nennen, weshalb der Träger in ein temperaturbeständiges Drahtgeflecht eingebettet wird. Normale Katalysatoren besitzen eine niedrigere Zelldichte. Darum benötigen sie eine längere Aufheizphase und es entsteht ein höherer Gegendruck in der Abgasanlage. Dies hat zur Folge, dass direkt nach dem Motorstart die Leistung gemindert und die Konvertierungsrate des Abgases gesenkt ist. Allerdings können diese Nachteile durch den Einsatz von sogenannten Ultradünnwandsubstraten mit einer wesentlich höheren Zelldichte kompensiert werden (vgl.[1], S. 342).

5.2. Funktionsweise

Die katalytisch aktive Schicht besteht beim Katalysator aus Platin, Rhodium und Palladium. Diese drei Elemente können zur gleichen Zeit drei chemische Reaktionen ablaufen lassen, weshalb diese Katalysatoren auch Einbett-Dreiwege-Katalysatoren genannt werden. Bei der Umwandlung entsteht aus NOx Stickstoff, CO wird zu CO2 und die HC-Verbindungen reagieren zu CO2 und H2O. Dies läuft abhängig von der Betriebstemperatur des Katalysators im Lambdafenster von λ=0,995…1,005 ab. Dabei kann der Katalysator eine Konvertierungsrate von bis zu 98% erreichen. Dies gilt allerdings nur für den Fall λ≈1, da der bei der NOx-Reduktion freiwerdende Sauerstoff genau ausreicht, um die anderen Reaktionen komplett ablaufen zu lassen. Ein Gemisch mit λ<0,995 bewirkt einen Anstieg von CO und HC im Abgas, wohingegen ein Gemisch mit λ>1,005 den Anteil von NOx vergrößert (vgl.[1], S. 342).

5.3. Betriebssituation

Ein Katalysator arbeitet erst oberhalb einer Temperatur von 300 °C mit einer Konvertierungsrate von mehr als 50%. Um diese Temperatur möglichst schnell zu erreichen, ist es empfehlenswert, ihn motornah einzubauen. Weiterhin kann eine Katalysatorheizung oder ein luftspaltisolierter Abgaskrümmer behilflich sein (vgl.[1], S. 343). Bei diesem befindet sich um den eigentlichen Krümmer noch ein zusätzliches Gehäuse mit wenigen Millimetern Abstand, das mit Luft gefüllt ist und somit eine Isolierwirkung hat (vgl.[3] ). Zudem kann eine Verzögerung des Zündzeitpunktes oder die Förderung von Umgebungsluft in das Abgassystem zur sogenannten „thermischen Nachverbrennung“ für eine schnellere Aufheizung des Katalysators nützlich sein ([4] ; vgl.[1], S. 343). Optimal arbeitet der Katalysator in einem Temperaturfenster von 400 °C…800 °C (vgl.[1], S. 343). Darüber verkleinert sich die Oberfläche des Trägermaterials Keramik durch Sinterung im Gehäuseinneren (vgl.[5] ). Oberhalb von 1000 °C schmilzt der Katalysator. Zusätzlich verringert sich der Wirkungsgrad des Katalysators durch Ablagerungen auf der katalytisch aktiven Schicht. Diese entstehen durch Blei und Schwefel im Kraftstoff sowie durch Rückstände, die bei der Verbrennung von Motoröl entstehen (vgl.[1], S. 343).

5.4. Abweichungen bei Benzin-Direkteinspritzern

Moderne Motoren werden häufig mit einem Magergemisch betrieben, um den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Dies bedeutet einen Luftüberschuss bei einem λ- Wert >1. Dadurch reagieren Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe mit dem hohen Anteil an Restsauerstoff im Abgas und können nicht mehr zur Umwandlung der Stickoxide beitragen. Deshalb setzt man einen NOx-Speicherkatalysator ein, der die Stickoxide einspeichert und sie dann während kurzzeitigem Durchströmen mit fettem Abgas regeneriert (vgl.[6], S. 198-200). Ein solches System ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

[3] Abgastrakt eines Motors mit Benzin-Direkteinspritzung

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