DE102012204395A1 - Method for operating internal combustion engine used in car, involves controlling delivery rate of secondary air pump in dependence of air mass flow and injected amount of fuel for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Computerprogramm und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach den nebengeordneten Patentansprüchen.The invention relates to a method according to the preamble of
Beim Kaltstart einer Brennkraftmaschine haben sowohl die eigentliche Brennkraftmaschine als auch das Abgasrohr und die darin angeordneten Katalysatoren in etwa Umgebungstemperatur. Da die herkömmlichen Katalysatoren eine Mindestbetriebstemperatur benötigen, um die in den Abgasen vorhandenen Schadstoffe umzuwandeln, arbeiten die Katalysatoren unmittelbar nach einem Kaltstart nicht zufriedenstellend.When cold starting an internal combustion engine, both the actual internal combustion engine and the exhaust pipe and the catalysts arranged therein have approximately ambient temperature. Since the conventional catalysts require a minimum operating temperature to convert the pollutants present in the exhaust gases, the catalysts do not work satisfactorily immediately after a cold start.
Damit möglichst wenig Emissionen aus dem Abgasrohr in die Umgebung gelangen, ist man daher bestrebt, die Aufheizzeit der Katalysatoren so kurz wie möglich zu gestalten. Dies kann einerseits durch eine entsprechende Ansteuerung der Brennkraftmaschine (Verstellung des Zündzeitpunkts in Richtung spät, Einspritzung von zusätzlichem Kraftstoff, so dass sich ein Kraftstoffluftgemisch λ < 1 einstellt) und eine Sekundärlufteinblasung erfolgen.In order to minimize emissions from the exhaust pipe into the environment, it is therefore desirable to make the heating of the catalysts as short as possible. This can be done on the one hand by a corresponding control of the internal combustion engine (adjustment of the ignition timing in the late direction, injection of additional fuel, so that sets a fuel mixture λ <1) and a secondary air injection.
Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Sekundärlufteinblasung wird unmittelbar nach dem Zylinderkopf Luft mit Hilfe eines Gebläses in das Abgas eingeblasen, um dadurch die im Abgas vorhandenen unverbrannten Bestandteile des Kraftstoffs zu verbrennen. Durch diese Nachverbrennung steigt die Temperatur der Abgase im Abgasrohr, so dass die stromabwärts der Sekundärlufteinblasung angeordneten Katalysatoren rasch aufgeheizt werden.In the secondary air injection known from the prior art, air is blown into the exhaust gas immediately after the cylinder head with the aid of a blower, in order thereby to burn the unburned constituents of the fuel present in the exhaust gas. As a result of this afterburning, the temperature of the exhaust gases in the exhaust pipe increases, so that the catalysts arranged downstream of the secondary air injection are heated up rapidly.
Aus der
Auch bei dieser Sekundärlufteinblasung ist das Emissionsverhalten von Brennkraftmaschinen in der Kaltstartphase, insbesondere wenn ein Testzyklus gemäß den gesetzlichen Vorschriften durchfahren werden muss, noch nicht zu allen Zeitpunkten optimal.Even with this secondary air injection, the emission behavior of internal combustion engines in the cold start phase, especially when a test cycle must be traversed in accordance with statutory requirements, not optimal at all times.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch ein Computerprogramm und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird. The problem underlying the invention is achieved by a method according to
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Sekundärlufteinblasung, wobei die Sekundärlufteinblasung eine Sekundärluftpumpe mit steuerbarer Förderleistung aufweist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Förderleistung der Sekundärluftpumpe in Abhängigkeit des durch die Brennkraftmaschine strömenden Luftmassenstroms, des verwendeten Kraftstoffs und der Motor-Starttemperatur zu steuern. Dadurch ist es möglich, unabhängig von den Signalen einer Lambdasonde, zu jedem Zeitpunkt unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine die benötigte beziehungsweise die optimale Sekundärluftmasse in das Abgasrohr einzublasen. Dadurch kann der Lambdawert der im Abgasrohr entstehenden Abgase auf einen Wertebereich zwischen λ = 1,1 und λ = 1,3 eingestellt werden, so dass die Emissionen der Brennkraftmaschine minimiert und die gesetzlichen Anforderungen bestmöglich erfüllt werden. In the method according to the invention for operating an internal combustion engine with a secondary air injection, the secondary air injection having a secondary air pump with controllable delivery rate, the invention provides for controlling the delivery rate of the secondary air pump as a function of the air mass flow flowing through the internal combustion engine, the fuel used and the engine start temperature. This makes it possible, regardless of the signals of a lambda probe, at any time immediately after the start of the internal combustion engine to blow the required or the optimal secondary air mass into the exhaust pipe. As a result, the lambda value of the exhaust gases produced in the exhaust pipe can be adjusted to a value range between λ = 1.1 and λ = 1.3, so that the emissions of the internal combustion engine are minimized and the legal requirements are met in the best possible way.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat darüber hinaus den Vorteil, dass es die bei bekannten Sekundärlufteinblasungen vorhandene Technik nutzen kann, weil viele der bereits am Markt befindlichen Sekundärlufteinblasungen eine elektrisch angetriebene Sekundärluftpumpe haben. Wenn also diese ohnehin vorhandene elektrisch angetriebene Sekundärluftpumpe mit beispielsweise einem pulsweitenmodulierten Ansteuersignal angesteuert wird, dann ist die Steuerung der Förderleistung der Sekundärluftpumpe einfach, kostengünstig und mit ausreichender Präzision möglich. The inventive method also has the advantage that it can use existing in known secondary air injections technology, because many of the already on the market secondary air injections have an electrically driven secondary air pump. So if this already existing electrically driven secondary air pump is controlled with, for example, a pulse width modulated drive signal, then the control of the delivery of the secondary air pump is simple, inexpensive and possible with sufficient precision.
Weil das erfindungsgemäße Verfahren eine Steuerung der Förderleistung der Sekundärluftpumpe vornimmt, kann das erfindungsgemäße Verfahren, entsprechend den gesetzlichen Vorschriften, aber auch in Abhängigkeit des Betriebsverhaltens verschiedener Brennkraftmaschinen, durch eine Anpassung der Ansteuerung der Sekundärluftpumpe an verschiedene Brennkraftmaschinen, aber auch verschiedene gesetzliche Anforderungen, verhältnismäßig einfach adaptiert werden. Diese Adaption erfordert keine Änderungen in der Hardware, sondern lediglich in der Software.Because the inventive method performs a control of the delivery rate of the secondary air pump, the inventive method, according to the legal requirements, but also depending on the performance of various internal combustion engines, by adapting the control of the secondary air pump to various internal combustion engines, but also various legal requirements, relatively easy be adapted. This adaptation requires no changes in the hardware, but only in the software.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird die Förderleistung der Sekundärluftpumpe in Abhängigkeit der seit dem Start der Brennkraftmaschine durch die Brennkraftmaschine geströmten Luftmasse gesteuert. Diese Luftmasse ist gewissermaßen das Integral des Luftmassenstroms seit Beginn der Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine. Dieses Integral ist ein Maß dafür, wie viel Energie bereits seit dem Start der Brennkraftmaschine umgesetzt wurde und damit auch für die Temperatur der Abgase und des Abgasrohres sowie des Katalysators. Weil diese Luftmasse durch das Aufintegrieren des ohnehin erfassten Luftmassenstroms ermittelt werden kann, ist kein zusätzlicher Sensor erforderlich und somit ist die Berücksichtigung der Luftmasse bei der Ansteuerung der erfindungsgemäßen Ansteuerung der Sekundärluftpumpe ohne große zusätzlichen Kosten realisierbar. In a further advantageous embodiment of the invention, the delivery rate of the secondary air pump is controlled in dependence of the air mass flowed through the internal combustion engine since the start of the internal combustion engine. This air mass is effectively the integral of the air mass flow since the start of the commissioning of the internal combustion engine. This integral is a measure of how much energy has been implemented since the start of the internal combustion engine and thus also for the temperature of the exhaust gases and the exhaust pipe and the catalyst. Because this air mass can be determined by integrating the already detected mass air flow, no additional sensor is required and thus the consideration of the air mass in the control of the control of the secondary air pump according to the invention can be realized without much additional cost.
Ein weiterer wichtiger Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass die Förderleistung der Sekundärluftpumpe in Abhängigkeit der Eigenschaften des eingespritzten Kraftstoffs gesteuert wird. So gibt es beispielsweise verschiedene Kraftstoffqualitäten für Ottomotoren, wie zum Beispiel Superbenzin, Normalbenzin und Kraftstoffe mit verschiedenen Beimischungen von Ethanol (E5, E10, E85, aber auch reines Ethanol). Diese Kraftstoffe unterscheiden sich hinsichtlich ihres Siedepunkts deutlich voneinander. Je höher der Siedepunkt ist, desto eher schlägt sich eingespritzter Kraftstoff im Zylinderkopf oder an den Zylinderwänden einer noch kalten Brennkraftmaschine nieder und steht somit für eine Energieumsetzung nicht unmittelbar zur Verfügung. Dieser Effekt wird erfindungsgemäß dadurch berücksichtigt, dass die Eigenschaften des eingespritzten Kraftstoffs bei der Ansteuerung der Sekundärluftpumpe berücksichtigt werden.Another important aspect of the method according to the invention is the fact that the delivery rate of the secondary air pump is controlled as a function of the properties of the injected fuel. For example, there are different fuel qualities for gasoline engines, such as premium gasoline, normal gasoline and fuels with different admixtures of ethanol (E5, E10, E85, but also pure ethanol). These fuels differ significantly in terms of their boiling point. The higher the boiling point, the sooner injected fuel impacts in the cylinder head or on the cylinder walls of a still cold internal combustion engine and is therefore not immediately available for energy conversion. This effect is inventively taken into account that the properties of the injected fuel are taken into account in the control of the secondary air pump.
Ein weiterer wichtiger Parameter zur optimalen Steuerung der Förderleistung der Sekundärluftpumpe ist die Temperatur der Brennkraftmaschine beim Start. Es ist nämlich so, dass es einen Unterschied macht, ob die Brennkraftmaschine bei der Inbetriebnahme eine Temperatur von beispielsweise –10°C hat oder ob sie bei +0°C gestartet wird. Grundsätzlich gilt: Je kälter die Brennkraftmaschine ist, desto eher schlägt sich Kraftstoff an den kalten Oberflächen der Brennkraftmaschine nieder und es muss entsprechend mehr Kraftstoff eingespritzt werden, um einen stabilen Motorlauf zu erreichen.Another important parameter for optimal control of the delivery rate of the secondary air pump is the temperature of the internal combustion engine at startup. It is such that it makes a difference whether the internal combustion engine at startup has a temperature of, for example, -10 ° C or whether it is started at + 0 ° C. Basically, the colder the engine is, the sooner fuel settles on the cold surfaces of the engine and it must be injected accordingly more fuel to achieve a stable engine operation.
Schließlich ist erfindungsgemäß auch vorgesehen, die Förderleistung der Sekundärluftpumpe in Abhängigkeit der dynamischen Änderungen der Last der Brennkraftmaschine zu steuern. Dadurch ist es möglich, auf schnelle Lastwechsel angemessen zu reagieren. Beispielsweise steigt mit zunehmender Last die angesaugte Luftmasse stark an, was sich im Gegenzug in einem Abfall des Lambdawertes auf Werte kleiner 1 (λ < 1) niederschlagen kann. Durch eine entsprechende Steuerung der Förderleistung der Sekundärluftpumpe kann dieser unerwünschte Effekt verhindert werden.Finally, the invention also provides to control the delivery rate of the secondary air pump in response to the dynamic changes in the load of the internal combustion engine. This makes it possible to react appropriately to fast load changes. For example, as the load increases, the intake air mass increases sharply, which in turn can be reflected in a decrease in the lambda value to values less than 1 (λ <1). By an appropriate control of the delivery rate of the secondary air pump, this undesirable effect can be prevented.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Sekundärluftpumpe einen elektrischen Antrieb aufweist, der mit einer Pulsweitenmodulation (PWM) angesteuert wird. Dieses etablierte und bewährte Verfahren ist auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren als besonders geeignet anzusehen.It has proven to be particularly advantageous if the secondary air pump has an electric drive, which is controlled by a pulse width modulation (PWM). This established and proven method is also to be regarded as particularly suitable in connection with the method according to the invention.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Förderleistung der Sekundärluftpumpe so zu steuern, dass sich ein Lambdawert zwischen 1,1 und 1,3 im Abgasrohr einstellt. Bei Lambdawerten innerhalb dieser Grenzen stellt sich ein Optimum bezüglich Emissionen, Kraftstoffverbrauch und einem raschen Aufheizen des Katalysators ein.It has proved to be advantageous to control the delivery rate of the secondary air pump so that a lambda value of between 1.1 and 1.3 is established in the exhaust pipe. At lambda values within these limits, there is an optimum in terms of emissions, fuel consumption and a rapid heating of the catalyst.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein. Further advantages and advantageous embodiments of the invention are the following drawings, the description and the claims removable. All of the features disclosed in the drawing, the description and the claims can be essential to the invention both individually and in any combination with one another.
Zeichnungdrawing
Es zeigen:Show it:
Die
Nach der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Zylindern
In dem Ansaugtrakt
Zwischen dem Ansaugtrakt
Zwischen der Sekundärluftpumpe
Mit dem Bezugszeichen
Bei warmem Betriebszustand der Brennkraftmaschine ist die Konversionsrate so hoch, dass nahezu keine Schadstoffe mehr den Katalysator
Das Verbesserungspotential des erfindungsgemäßen Verfahrens hinsichtlich der Verminderung von Schadstoffen beim Kaltstart einer Brennkraftmaschine wird nachfolgend im Zusammenhang mit der
In diesem Diagramm ist auf der X-Achse die Zeit aufgetragen. Aus dieser Skalierung wird deutlich, dass das in Rede stehende Verfahren vor allem die ersten Sekunden, bis etwa die erste Minute, eines Kaltstarts einer Brennkraftmaschine betrifft. In this diagram, the time is plotted on the X-axis. From this scaling it becomes clear that the method in question mainly concerns the first few seconds, until about the first minute, of a cold start of an internal combustion engine.
Auf der linken Seite des Diagramms sind vier verschiedene Skalen aufgetragen. Die erste Skala VFZG gibt die Geschwindigkeit des Fahrzeugs in Kilometer pro Stunde an. Links daneben ist der Lambdawert als einheitenlose Größe in einem Bereich zwischen 0,7 und 1,6 aufgetragen. In der dritten Y-Achse ist der Luftmassenstrom mAIR in Kilogramm pro Stunde aufgetragen. Die vierte und am weitesten links aufgetragene Skala betrifft die Drehzahl Nmod der Brennkraftmaschine
Im unteren Teil des Diagramms ist eine erste Linie
Mit einer zweiten Linie
Eine dritte Linie
Eine vierte Linie
Wie beim Betrachten der vierten Linie
In der
Um den diesem Diagramm zugrundeliegenden Testzyklus und das daraus resultierende Verhalten der Brennkraftmaschine etwas näher zu erläutern, sind insgesamt drei Zeitintervalle, I, II und III, eingetragen. Das erste Zeitintervall I beginnt etwa bei t = 6 Sek. und endet bei t = 14 Sek.. Das zweite Zeitintervall II beginnt bei t = 14 Sek. und endet bei t = 19 Sek., während das dritte Zeitintervall III bei t = 30 Sek. beginnt und bei t = 51 Sek. endet.In order to explain in more detail the test cycle underlying this diagram and the resulting behavior of the internal combustion engine, a total of three time intervals, I, II and III, are entered. The first time interval I starts at around t = 6 sec and ends at t = 14 sec. The second time interval II starts at t = 14 sec and ends at t = 19 sec, while the third time interval III at t = 30 Sec begins and ends at t = 51 sec.
Das erste Zeitintervall I beginnt unmittelbar mit dem Start der Brennkraftmaschine. Anschließend läuft die Brennkraftmaschine im Leerlauf mit etwas erhöhter Drehzahl von etwa 1400/min. Abgesehen von zwei Peaks ist der Lambdawert (siehe die vierte Linie
In diesem Zustand ist das Abgas noch zu kalt, um mit der eingeblasenen Sekundärluft zu reagieren. Dies liegt auch daran, dass der Sekundärluftmassenstrom zu groß ist. In this condition, the exhaust gas is still too cold to react with the injected secondary air. This is also because the secondary air mass flow is too large.
In der zweiten Periode II läuft die Brennkraftmaschine
Weil bei einer ungeregelten Sekundärluftpumpe trotz der verringerten Drehzahl der Brennkraftmaschine
Am Ende der zweiten Periode beginnt das Kraftfahrzeug zu fahren und es fährt auf einen ersten Hügel. Nach dem Erklimmen dieses ersten Hügels beginnt zum Zeitpunkt t = 31 die dritte Periode III. In dieser dritten Periode läuft die Brennkraftmaschine wieder im Leerlauf, was an den der Leerlaufdrehzahl von etwa 900 pro Minute gut zu erkennen ist. Entsprechend sinkt auch der Massenstrom ab. Unmittelbar nach dem Beginn der Periode III steigt der Lambdawert (siehe die vierte Linie
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, die Förderleistung der Sekundärluftpumpe
Die
Selbstverständlich hängt der notwendige einzublasende Sekundärluftmassenstrom ṁAIR von verschiedenen Parametern ab. Beispielsweise ist die Temperatur der Brennkraftmaschine zum Zeitpunkt t = 9 Sek. ein wichtiger Parameter, weil die Temperatur der Brennkraftmaschine
Neben den bereits genannten Parametern sind die chemischen und thermodynamischen physikalischen Eigenschaften des im Tank befindlichen beziehungsweise des eingespritzten Kraftstoffs von großer Bedeutung. In addition to the parameters already mentioned, the chemical and thermodynamic physical properties of the fuel in the tank or of the injected fuel are of great importance.
Insbesondere bei Kraftfahrzeugen, die mit verschiedenen Kraftstoffen betrieben werden können, beispielsweise mit reinem Ottokraftstoff oder mit einer Mischung von 85% Ethanol und 15% Ottokraftstoff oder sogar reinem Ethanol (E100) haben die Eigenschaften des eingespritzten Kraftstoffs erheblichen Einfluss auf die Abgaszusammensetzung beim Kaltstart und infolgedessen auch auf die einzublasende Sekundärluftmasse.In particular, in motor vehicles that can run on different fuels, for example, pure petrol or a mixture of 85% ethanol and 15% gasoline or even pure ethanol (E100), the properties of the injected fuel have a significant impact on the exhaust gas composition during cold start and, as a result also on the einzublasende secondary air mass.
Ein weiterer wichtiger Parameter ist die Menge der seit dem Start durch die Brennkraftmaschine geströmten Luftmasse. Man kann sich darunter das Integral des Luftmassenstroms beginnend mit dem Start der Brennkraftmaschine zum Zeitpunkt t = 5 Sek. vorstellen. Dieses Integral ist ein Maß für den Energieumsatz, der seit dem Start der Brennkraftmaschine bereits erfolgt ist, und infolgedessen auch ein Maß für die Aufheizung der Brennkraftmaschine, des Abgasrohrs
Schließlich ist auch noch eine dynamische Laständerung eine wichtige Steuergröße für den Sekundärluftmassenstrom. Finally, even a dynamic load change is an important control variable for the secondary air mass flow.
Wenn man sich beispielsweise das Zeitintervall beginnend bei t = 21 Sek. und endend bei t = 25 Sek. betrachtet, wird deutlich, dass die Drehzahl der Brennkraftmaschine von etwa 1100 Umdrehungen bis 1600 Umdrehungen ansteigt und danach wieder auf den Ursprungswert abfällt. Wenn die Sekundärluftpumpe
Wenn nun erfindungsgemäß bei dieser kurzen Laständerung entsprechend die Förderleistung der Sekundärluftpumpe
Selbstverständlich müssen in einem entsprechenden Kennfeld verschiedene Laständerungen abgelegt sein, so dass immer beim Auftreten einer Laständerung auf die Steuerwerte ähnlicher oder annähernd gleicher Laständerungen, die in einem entsprechenden Kennfeld hinterlegt sind, zurückgegriffen werden kann.Of course, various load changes must be stored in a corresponding map, so that whenever a load change occurs, the control values of similar or approximately identical load changes, which are stored in a corresponding map, can be used.
Im Ergebnis ist es mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, auch bei wechselnden Betriebsbedingungen, sei es Leerlauf, dem Fahren auf einen Hügel, ein Lastsprung vom Fahrbetrieb in den Leerlauf und so weiter, den Lambdawert in der ersten Minute des Betriebs der Brennkraftmaschine
In der
Beginnend mit dem Bezugszeichen
Dem Limiter
Die dynamische Kompensation ist in der
Als Eingangsgröße der dynamischen Kompensation ist ein Drehmomentwunsch des Fahrers bzw. eine Fahrpedalstellung dargestellt. Sie wird mit Hilfe einer Kennlinie oder eines Kennfelds
Der Eingangswert des zweiten Multiplikators
In den Eingangsgrößen des zweiten Kennfelds
Kurz gesagt, wird überwiegend die sogenannte statische Kompensation durchgeführt, bei der das erste Kennfeld
Wenn keine dynamische Kompensation erfolgt, dann wird der zweite Schalter
Anschließend findet die bereits beschriebene Kompensation der Batteriespannung statt und nach dem Passieren des Limiters
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 10348131 A1 [0005, 0005] DE 10348131 A1 [0005, 0005]
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DE102021114738A1 (en) | 2021-06-08 | 2022-12-08 | Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft | Method for carrying out an exhaust aftertreatment for an internal combustion engine of a vehicle |
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Citations (1)
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DE10348131A1 (en) | 2003-10-16 | 2005-05-12 | Daimler Chrysler Ag | Internal combustion engine with exhaust gas turbocharger and secondary air injection, as well as diagnosis and control of secondary air injection |
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2012
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