DE102021112909A1 - Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors mit Sekundärluftsystem - Google Patents

Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors mit Sekundärluftsystem Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors (10) mit einem Luftversorgungssystem (20) und einer Abgasanlage (30). Der Verbrennungsmotor (10) umfasst ein Sekundärluftsystem (50), mit welchem dem Abgasstrom stromabwärts des Verbrennungsmotors (10) und stromaufwärts eines in der Abgasanlage (30) angeordneten Katalysators (40, 42) Sekundärluft zugeführt werden kann. Dabei werden ein Verbrennungsluftverhältnis in den Brennräumen (12) des Verbrennungsmotors (10), eine Temperatur des Katalysators (40, 42), ein Luftdurchsatz durch die Brennräume (12) sowie eine Lastanforderung an den Verbrennungsmotor (10) ermittelt. Bei einer hochdynamischen Laständerung wird eine Änderung des Luftdurchsatzes durch die Brennräume (12) begrenzt, um eine entsprechende Änderung des Sekundärluftstroms an die Änderung des Luftdurchsatzes durch die Brennräume (12) anzupassen und die Regelgenauigkeit des Verbrennungsluftverhältnisses vor Eintritt in den Katalysator (40, 42) zu erhöhen.Die Erfindung betrifft ferner einen Verbrennungsmotor (10) mit einem Sekundärluftsystem (50) zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors mit einem Sekundärluftsystem sowie einen Verbrennungsmotor mit einem Sekundärluftsystem zur Durchführung eines solchen Verfahrens gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
  • Die Nutzung eines Sekundärluftsystems, mit welchem Frischluft stromaufwärts eines Katalysators in die Abgasanlage eines Verbrennungsmotors eingeblasen wird, ist seit langem bekannt. Um nach einem Start des Verbrennungsmotors den Katalysator zeitnahe auf eine zur Konvertierung der Schadstoffe notwendige Mindesttemperatur zu bringen, wird der Verbrennungsmotor mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben. Der unverbrannte, überschüssige Kraftstoff wird im Abgastrakt, insbesondere im Abgaskrümmer, dann mittels der dort eingeblasenen Sekundärluft nachverbrannt.
  • Die Sekundärluft wird in der Regel über ein elektrisch angetriebenes Gebläse in den Abgastrakt gefördert. In einer kostengünstigen Ausführungsform wird das Gebläse durch einen ungeregelten Gleichstrommotor angetrieben und so dimensioniert, dass sich bei eingeschaltetem Gebläse ein Luftüberschuss im Abgaskanal einstellt.
  • Die Sekundärlufteinblasung wird primär dazu verwendet, um einen in der Abgasanlage stromabwärts einer Einleitstelle des Sekundärluftsystems angeordneten Katalysator auf seine Betriebstemperatur zu bringen. Zu Beginn des Heizvorgangs ist durch den Katalysator noch keine Konvertierungsfunktion gegeben. Das Verfahren funktioniert, weil durch das deutlich unterstöchiometrische Verbrennungsluftgemisch in den Brennräumen wenig Stickoxide entstehen und die zum Aufheizen des Katalysators benötigten unverbrannten Kohlenwasserstoffe und das Kohlenmonoxid mit der Sekundärluft im Abgaskrümmer nachverbrannt werden.
  • Bei hohen Motorlasten kann es notwendig sein, dass das Sekundärlufteinblasen unterbrochen werden muss, da das Sekundärluftgebläse aufgrund des hohen Abgasgegendrucks dann nicht mehr genügend Frischluft in die Abgasanlage fördern kann.
  • Aus der DE 102 51 363 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug bekannt, welche eine korrekte Füllungssteuerung bei Verwendung eines Sekundärluftladers sowie eine Diagnose des Sekundärluftladers ermöglichen. Dabei wird mittels des Sekundärluftladers Sekundärluft in einen Abgasstrang des Verbrennungsmotors eingeblasen. Der Sekundärluftlader wird durch ein Druckgefälle über einem Stellelement zur Einstellung einer Luftzufuhr zum Verbrennungsmotor angetrieben. Das Stellelement wird zur Einstellung einer abhängig von einem eine Turbine des Sekundärluftladers antreibenden Luftmassenstrom korrigierten Luftzufuhr zum Verbrennungsmotor angesteuert.
  • Die DE 103 27 298 A1 beschreibt ein Verfahren für das rasche Erhitzen einer Abgasreinigungsvorrichtung in einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors. Dazu wird über eine Lufteinleitungsvorrichtung Sekundärluft in die Abgasanlage eingeblasen. Nach einem Motorkaltstart wird der Verbrennungsmotor so betrieben, dass die Abgaskrümmertemperatur auf einen ersten vorbestimmten Wert erhöht wird, indem der Verbrennungsmotor mit einem mageren Luft-/Kraftstoffverhältnis und einem nach spät verstellten Zündzeitpunkt betrieben wird. Wenn der Abgaskrümmer den vorbestimmten Temperaturwert erreicht, wird der Verbrennungsmotor so umgestellt, dass er fett arbeitet, und zusätzliche Luft wird über die Lufteinleitungsvorrichtung eingeleitet. Diese zusätzlich eingeleitete Luft und das fette Abgas verbrennen im Abgastrakt, wodurch Hitze erzeugt und die Katalysatortemperatur sogar noch schneller erhöht wird. Der fette Betrieb und das Einblasen der Sekundärluft werden fortgesetzt, bis entweder der Motorluftdurchsatz über einen vorgewählten Wert hinaus zunimmt oder die Abgasreinigungsvorrichtung einen gewünschten Temperaturwert erreicht. Nachdem die Abgasreinigungsvorrichtung die gewünschte Temperatur erreicht hat, wird der Verbrennungsmotor im Wesentlichen um das stöchiometrische Verhältnis herum betrieben.
  • Nachteilig an den bekannten Lösungen ist jedoch, dass bei einer spontanen Lastanforderung an den Verbrennungsmotor die zugeführte Sekundärluftmenge nicht oder nicht hinreichend schnell korrigiert werden kann, um bei einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis in den Brennräumen weiterhin einen Luftüberschuss in der Abgasanlage stromaufwärts des Katalysators sicherzustellen. Um einen Anstieg der Endrohremissionen, insbesondere einen Anstieg der Kohlenstoffmonoxidemissionen (CO) oder der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) zu vermeiden, muss das Verbrennungsluftverhältnis in diesem Fall weniger stark unterstöchiometrisch gesteuert werden. Damit entstehen aber nennenswerte Stickoxidemissionen, die durch den Luftüberschuss stromabwärts des Einleitstelle des Sekundärluftgebläses nicht reduziert werden können, selbst wenn der Katalysator zumindest abschnittsweise bereits seine Light-Off-Temperatur erreicht hat. Zudem muss bei hohen Motorlasten das Einblasen von Sekundärluft unterbrochen werden, da das Sekundärluftgebläse aufgrund des hohen Abgasgegendrucks in diesem Betriebszustand nicht mehr hinreichend viel Luft in die Abgasanlage fördern kann.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Abgasemissionen bei einem Verbrennungsmotor mit Sekundärluftsystem weiter zu verringern und die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors mit mindestens einem Brennraum, wobei der Verbrennungsmotor mit seinem Einlass mit einem Luftversorgungssystem und mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist, wobei der Verbrennungsmotor ein Sekundärluftsystem umfasst, mit welchem einem Abgasstrom des Verbrennungsmotors stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors und stromaufwärts eines in der Abgasanlage angeordneten Katalysators Sekundärluft zuführbar ist, gelöst.
  • Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
    • - Ermitteln eines Verbrennungsluftverhältnisses in dem mindestens einen Brennraum des Verbrennungsmotors;
    • - Ermitteln eines Luftdurchsatzes durch den mindestens einen Brennraum;
    • - Ermittlung einer Lastanforderung an den Verbrennungsmotor,
    • - Ermitteln einer Katalysatortemperatur des Katalysators ,
    • - Betreiben des Verbrennungsmotors mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis und gleichzeitiges Einblasen von Sekundärluft, wenn die Katalysatortemperatur unterhalb einer Schwellentemperatur liegt, wobei
    • - eine Änderung des Luftdurchsatzes durch den mindestens einen Brennraum oder der maximale Luftdurchsatz durch den mindestens einen Brennraum bei einem gleichzeitigen Einblasen von Sekundärluft begrenzt werden, wenn eine gewünschte Änderung einer Leistungsanforderung einen definierten Schwellenwert überschreitet.
  • Um auch unter höherer Motorlast die Schadstoffemissionen gering zu halten, wird angestrebt, das Verbrennungsluftgemisch vor dem Eintritt in den Katalysator möglichst stöchiometrisch zu halten. Auf diese Art und Weise können die entstehenden Schadstoffe, insbesondere unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Stickoxide, miteinander reagieren. Dabei wirkt ein im vorderen Bereich auf Betriebstemperatur erwärmter Katalysator unterstützend. Schnelle Lastwechsel können jedoch in den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen jedoch dazu führen, dass es zu stärkeren Abweichungen von einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis vor Eintritt in den Katalysator und damit verbunden zu erhöhten Endrohremissionen kommt.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren ermöglicht es, die Regelgenauigkeit der Lambdaregelung zu verbessern. Durch die Begrenzung der maximalen Änderung des Luftdurchsatzes durch die Brennräume und/oder des maximalen Luftdurchsatzes können Betriebszustände verhindert werden, bei denen die Sekundärluftmenge bei konstantem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis in den Brennräumen des Verbrennungsmotors zu gering ist, um die unverbrannten Abgaskomponenten im Abgaskrümmer zu oxidieren. Somit können die Anforderungen an die Dynamik des Sekundärluftsystem reduziert werden. Begrenzt man nicht die Änderung des maximalen Luftdurchsatzes (also die Dynamik), sondern den maximalen Luftdurchsatz (also den Massenstrom), so führt diese Betriebssituation des Verbrennungsmotors zwar aufgrund der Trägheit des Sekundärluftsystems zu kurzen, temporären Überschwingern in der Lambdaregelung, diese wären jedoch zeitlich sehr begrenzt und würden somit nur zu einer unwesentlichen Erhöhung der Endrohremissionen führen.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterentwicklungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruchs genannten Verfahrens möglich.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei einer gewünschten Leistungserhöhung oberhalb des definierten Schwellenwertes ein Zündwinkel des Verbrennungsmotors in Richtung „früh“ verstellt wird, um das Drehmoment zu erhöhen und den Anstieg des Luftdurchsatzes durch den mindestens einen Brennraum zu begrenzen. Durch eine Verstellung des Zündwinkels in Richtung „früh“ kann das Drehmoment des Verbrennungsmotors bei gleichem Luftdurchsatz erhöht werden. Da eine Sekundärlufteinblasung in der Regel bei einer Verbrennung mit spätem Zündwinkel erfolgt, um möglichst viel Wärme in die Abgasanlage einzutragen und somit den Katalysator möglichst effektiv zu heizen, kann eine Verstellung des Zündwinkels in Richtung „früh“ dazu genutzt werden, um die Auswirkung der verringerten Luftdurchsatzänderung für den Fahrer zu reduzieren. Somit kann der Anstieg des Luftdurchsatzes durch die Brennräume verzögert werden, damit eine Anpassung der Sekundärluft zu der erhöhten Leistungsanforderung erfolgen kann.
  • In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei einer Leistungsabsenkung oberhalb des definierten Schwellenwertes ein Zündwinkel des Verbrennungsmotors in Richtung „spät“ verstellt wird, um das Drehmoment abzusenken und das Absenken des Luftdurchsatzes zu verlangsamen. Erfolgt eine plötzliche Lastwegnahme kann der Zündwinkel in Richtung „spät“ verstellt werden, um das Drehmoment zu reduzieren. Auf diese Art und Weise muss der Luftdurchsatz durch die Brennräume nicht ganz so schnell oder stark verringert werden und die gewünschte Leistungsanpassung kann gemäß Fahrerwunsch erfolgen.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Leistungsänderung des Verbrennungsmotors begrenzt wird, wenn der Verbrennungsmotor in einem Betriebszustand betrieben wird, in welchem Sekundärluft durch das Sekundärluftsystem in die Abgasanlage eingeblasen wird. Durch eine Begrenzung der Leistungsänderung des Verbrennungsmotors kann die Veränderung des Luftdurchsatzes durch die Brennräume des Verbrennungsmotors entsprechend verlangsamt werden, um eine hinreichend schnelle Anpassung der Sekundärluft zu erreichen und ein im Wesentlichen stöchiometrisches Abgas zu erhalten.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Verbrennungsluftverhältnis in Richtung eines stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses verändert wird, wenn eine Leistungsanforderung an den Verbrennungsmotor oder eine Änderung einer Leistungsanforderung einen Schwellenwert überschreitet. Um bei einer hohen Leistungsanforderung, insbesondere bei einer Volllastbeschleunigung, die benötigte Sekundärluftmenge zu reduzieren, kann das Verbrennungsluftverhältnis von einem stark unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis, z.B. λE < 0,9 in Richtung eines stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses 0,9 < λE < 0,99 verschoben werden, sodass die zur Herstellung eines stöchiometrischen Abgases benötigte Sekundärluftmenge reduziert werden kann. In diesem Fall reicht auch eine vergleichsweise langsame Dynamik des Sekundärluftverdichters aus, um die benötigte Sekundärluftmenge bereitzustellen.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens steht der Verbrennungsmotor mit einem elektrischen Antriebsmotor in Wirkverbindung, wobei die Laständerung des Verbrennungsmotors begrenzt wird und eine dynamische Lastanforderung im Wesentlichen durch den elektrischen Antriebsmotor realisiert wird. Hybridantriebe mit einem elektrischen Antriebsmotor und einem Verbrennungsmotor haben durch den elektrischen Fahrbetrieb eine tendenziell kältere Abgasanlage, da in Phasen mit elektrischer Unterstützung oder bei reinem Elektrobetrieb das Abgas kälter ist als bei einer gleichen Leistungsanforderung, welche ausschließlich durch den Verbrennungsmotor erfüllt wird. Daher ist es insbesondere bei Hybridfahrzeugen im Fahrbetrieb häufiger notwendig, den Katalysator aufzuwärmen und Sekundärluft in die Abgasanlage einzublasen. Um die Dynamik des Sekundärluftverdichters gering zu halten und das Abgas bei einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis in den Brennräumen auf ein stöchiometrisches Abgas einzuregeln, ist es vorteilhaft, wenn bei einer dynamischen Lastanforderung diese großteilig und bei gleichzeitigem Heizen des Katalysators durch Sekundärlufteinblasung diese dynamische Lastanforderung großteilig oder vollständig durch den elektrisch Antriebsmotor des Hybridantriebs erledigt wird.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Sekundärluftmassenstrom des Sekundärluftverdichters in Abhängigkeit von einem gewünschten Soll-Lambda in der Abgasanlage stromaufwärts des Katalysators, einem Verbrennungsluftverhältnis in dem mindestens einen Brennraum des Verbrennungsmotors und einem Luftdurchsatz durch den mindestens einen Brennraum des Verbrennungsmotors geregelt wird. Das Soll-Lambda in der Abgasanlage stromaufwärts des Katalysators, welches durch eine Lambdasonde, insbesondere eine Breitbandsonde, qualitativ bestimmt werden kann, ist eine besonders einfach zu bestimmende Führungsgröße für die Regelung des Luftdurchsatzes durch die Brennräume. Somit kann die Sekundärluftmenge einfach und genau auf den Luftdurchsatz durch die Brennräume angepasst werden.
  • Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Brennraum, wobei der Verbrennungsmotor mit seinem Einlass mit einem Luftversorgungssystem und mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist, wobei der Verbrennungsmotor ein Sekundärluftsystem umfasst, mit welchem einem Abgasstrom des Verbrennungsmotors stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors und stromaufwärts eines in der Abgasanlage angeordneten Katalysators Sekundärluft zuführbar ist, sowie mit einem Steuergerät, umfassend eine Speichereinheit und eine Recheneinheit, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen, wenn ein in der Speichereinheit abgelegter Programmcode durch die Recheneinheit ausgeführt wird.
  • Ein solcher Verbrennungsmotor ermöglicht eine besonders einfache und genaue Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses vor Eintritt in den Katalysator, wodurch eine besonders effiziente Abgasnachbehandlung mit minimalen Endrohremissionen möglich ist.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verbrennungsmotor ist vorgesehen, dass das Sekundärluftsystem einen Sekundärluftverdichter, insbesondere ein Sekundärluftgebläse, und ein Sekundärluftventil umfasst, welche durch eine Sekundärluftleitung miteinander verbunden sind. Durch einen Sekundärluftverdichter, vorzugsweise einen elektrisch angetriebenen Sekundärluftverdichter, kann die Sekundärluftmenge unabhängig von der aktuellen Betriebssituation des Verbrennungsmotors gesteuert werden. Dadurch ist gegenüber Systemen, bei denen die Sekundärluft aus dem Luftversorgungssystem stromabwärts eines Verdichters eines Abgasturboladers abgezapft wird, eine bessere Regelbarkeit des Sekundärluftmassenstroms möglich.
  • Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Hybrid-Antriebsanordnung umfassend mindestens einen elektrischen Antriebsmotor und einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor. Hybridantriebe mit einem elektrischen Antriebsmotor und einem Verbrennungsmotor haben durch den elektrischen Fahrbetrieb eine tendenziell kältere Abgasanlage, da in Phasen mit elektrischer Unterstützung oder bei reinem Elektrobetrieb das Abgas kälter ist als bei einer gleichen Leistungsanforderung, welche ausschließlich durch den Verbrennungsmotor erfüllt wird. Daher ist es insbesondere bei Hybridfahrzeugen im Fahrbetrieb häufiger notwendig, den Katalysator aufzuwärmen und Sekundärluft in die Abgasanlage einzublasen. Um die Dynamik des Sekundärluftverdichters gering zu halten und das Abgas bei einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis in den Brennräumen auf ein stöchiometrisches Abgas einzuregeln, ist es vorteilhaft, wenn bei einer dynamischen Lastanforderung diese großteilig und gleichzeitigem Heizen des Katalysators durch Sekundärlufteinblasung diese dynamische Lastanforderung großteilig oder vollständig durch den elektrischen Antriebsmotor des Hybridantriebs erledigt wird.
  • Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit einem Sekundärluftsystem;
    • 2 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Verbrennungsmotors mit einem Sekundärluftsystem; und
    • 3 ein Kraftfahrzeug mit einem Hybrid-Antrieb mit einem elektrischen Antriebsmotor und einem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor.
  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 10 mit einem Sekundärluftsystem 50. Der Verbrennungsmotor 10 ist vorzugsweise als fremdgezündeter Verbrennungsmotor 10 nach dem Ottoprinzip ausgeführt und weist mindestens einen Brennraum 12, vorzugsweise wie in 1 dargestellt mehrere Brennräume 12, auf. An den Brennräumen 12 sind jeweils ein Kraftstoffinjektor 14 zur Einspritzung eines Kraftstoffes in den jeweiligen Brennraum 12 und eine Zündkerze 16 zur Entzündung eines zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemischs in dem jeweiligen Brennraum 12 angeordnet. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Einlass 17 mit einem Luftversorgungssystem 20 und mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 30 verbunden. An den Brennräumen 12 sind Einlassventile und Auslassventile angeordnet, mit welchen eine fluidische Verbindung vom Luftversorgungssystem 20 zu den Brennräumen 12 oder von den Brennräumen 12 zur Abgasanlage 30 geöffnet oder verschlossen werden kann.
  • Das Luftversorgungssystem 20 umfasst einen Ansaugkanal 22, in welchem in Strömungsrichtung von Frischluft durch den Ansaugkanal 22 ein Luftfilter 24, stromabwärts des Luftfilters 24 ein Luftmassenmesser 28, insbesondere ein Heißfilmluftmassenmesser, stromabwärts des Luftmassenmessers 28 ein Verdichter 38 eines Abgasturboladers 34 und stromabwärts des Verdichters 38 eine Drosselklappe 26 angeordnet sind. Zusätzlich kann stromabwärts der Drosselklappe 26 und stromaufwärts des Einlasses 17 des Verbrennungsmotors 10 ein Ladeluftkühler angeordnet sein.
  • Die Abgasanlage 30 umfasst eine Abgaskrümmer 46, welcher die Abgase aus dem mindestens einen Brennraum 12 aufnimmt und einem Abgaskanal 32 zuführt. In dem Abgaskanal 32 ist eine Turbine 36 des Abgasturboladers 34 angeordnet, welche den Verdichter 38 über eine Welle antreibt. Stromabwärts der Turbine 36 des Abgasturboladers ist mindestens ein Katalysator 40, insbesondere ein Drei-Wege-Katalysator 42, angeordnet ist. Stromabwärts der Turbine 36 des Abgasturboladers 34 und stromaufwärts des Katalysators 40 ist eine Lambdasonde 44, insbesondere eine Breitbandsonde, angeordnet, um das Verbrennungsluftverhältnis in der Abgasanlage 30 vor Eintritt in den Katalysator 40 zu ermitteln.
  • Der Verbrennungsmotor 10 ist mit einem Sekundärluftsystem 50 verbunden, welche einen Sekundärluftverdichter 52, insbesondere ein Sekundärluftgebläse 54, eine Sekundärluftleitung 58 und ein Sekundärluftventil 56 umfasst. Dabei verbindet die Sekundärluftleitung 58 den Sekundärluftverdichter 52 mit einer Einleitstelle 48 zur Einleitung von Sekundärluft in die Abgasanlage 30. Die Einleitstelle 48 ist vorzugsweise am Abgaskrümmer 46 ausgebildet. Alternativ kann die Einleitstelle 48 auch an einer anderen Position stromabwärts des Auslasses 18 und stromaufwärts des Katalysators 40, vorzugsweise stromabwärts des Auslasses 18 und stromaufwärts der Turbine 36 des Abgasturboladers 34 ausgebildet sein.
  • Der Verbrennungsmotor 10 steht mit einem Steuergerät 60 in Wirkverbindung, welches eines Speichereinheit 62 und eine Recheneinheit 64 umfasst. In der Speichereinheit 62 ist ein Programmcode 66 abgelegt, welcher ein um Anschluss dargestelltes Verfahrens ausführt, wenn der Programmcode 66 durch die Recheneinheit 64 des Steuergeräts 60 ausgeführt wird.
  • Das Steuergerät 60 zur Steuerung des Sekundärluftsystems 50 erhält mehrere Eingangsgrößen, insbesondere einen dem Verbrennungsmotor zugeführten Luftmassenstrom mfA, eine Umgebungstemperatur TU, einen Umgebungsdruck pU, einen Druck an der Einleitstelle 48 pK sowie das Verbrennungsluftverhältnis in der Abgasanlage 30 stromaufwärts des Katalysators 40 und steuert den Sekundärluftverdichter 52 sowie das Sekundärluftventil 56. Ferner ergänzt die Sekundärluftregelung die Kraftstoffregelung für die Einspritzung des Kraftstoffs durch die Injektoren 14 in die Brennräume 12 des Verbrennungsmotors 10 um einen Korrekturfaktor mfF3, welcher dem Massenstrom mfF1 an Kraftstoff für die Einspritzung in die Brennräume 12 additiv aufgeschlagen wird und somit zur tatsächlichen Einspritzung einer Kraftstoffmenge mfF3 führt, welche höher als eine für eine stöchiometrische Verbrennung in den Brennräumen notwendige Kraftstoffmenge ist.
  • In 2 ist ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Verbrennungsmotors 10 mit Sekundärluftsystem 50 dargestellt. In einem Verfahrensschritt <100> wird ein Verbrennungsluftverhältnis in dem mindestens einen Brennraum 12 des Verbrennungsmotor 10 ermittelt. Ferner wird in einem Verfahrensschritt <110> ein Luftdurchsatz durch den mindestens einen Brennraum 12 des Verbrennungsmotors 10 ermittelt. In einem Verfahrensschritt <120> wird eine Lastanforderung an den Verbrennungsmotor 10 ermittelt. Ferner wird in einem Verfahrensschritt <130> eine Katalysatortemperatur TKAT des Katalysators 40 ermittelt. Dabei können die Verfahrensschritte <100> bis <130> in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden. Liegt eine Betriebssituation vor, in welcher das Aufheizen des Katalysators 40 erwünscht ist, so wird der Verbrennungsmotor 10 in einem Verfahrensschritt <140> mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λE < 1 betrieben und gleichzeitig durch das Sekundärluftsystem 50 Sekundärluft in die Abgasanlage 30 eingeblasen wird. In einem Verfahrensschritt <150> wird eine Änderung des Luftdurchsatzes ΔmL oder ein maximaler Luftdurchsatz mLmax durch den mindestens einen Brennraum 12 begrenzt, wenn eine gewünschte Änderung der Lastanforderung ΔP einen definierten Schwellenwert ΔPS überschreitet.
  • Da bei einem Katalysatorheizen mittels unterstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis in den Brennräumen 12 des Verbrennungsmotors 10 und gleichzeitigen Einblasen von Sekundärluft durch das Sekundärluftsystem in der Regel mit spätem Zündwinkel gefahren wird, kann über die Variation des Zündwinkels das Drehmoment sowohl erhöht als auch verringert werden. Dazu wird in einem Verfahrensschritt <160> der Zündwinkel in Richtung „früh“ verstellt, um die Auswirkung einer Begrenzung der Änderung des Luftdurchsatzes oder einer Begrenzung des maximalen Luftdurchsatzes durch die Brennräume 12 des Verbrennungsmotors 10 zu verringern.
  • In 3 ist ein Kraftfahrzeug 100 mit einem Hybridantrieb mit einer Antriebsanordnung 70 mit mindestens einem elektrischen Antriebsmotor 72 und einem Verbrennungsmotor 10 dargestellt. Die Antriebsanordnung umfasst ferner einen mit dem Verbrennungsmotor 10 koppelbaren Generator 76 und eine Batterie 74, in welcher elektrischer Strom gespeichert werden kann. Der Generator 76 und der elektrische Antriebsmotor 72 sind vorzugsweise in einer Baugruppe zusammengefasst. Besonders bevorzugt kann der elektrische Antriebsmotor 72 selbst eine Generatorfunktion umfassen. Da insbesondere im teilelektrischen und vollelektrischen Betrieb eines Hybridfahrzeuges 100 die Abgasanlage schnell auskühlen kann, ist das vorgeschlagene Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators 40 mittels unterstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis in den Brennräumen 12 des Verbrennungsmotors 10 und gleichzeitigem Einblasen von Sekundärluft durch das Sekundärluftsystem 50 bei einem solchen Hybridfahrzeug 100 besonders sinnvoll, um die Abgasemissionen im Betrieb des Verbrennungsmotors 10 zu verringern.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Verbrennungsmotor
    12
    Brennraum
    14
    Kraftstoffinjektor
    16
    Zündkerze
    17
    Einlass
    18
    Auslass
    20
    Luftversorgungssystem
    22
    Ansaugkanal
    24
    Luftfilter
    26
    Drosselklappe
    28
    Luftmassenmesser
    30
    Abgasanlage
    32
    Abgaskanal
    34
    Abgasturbolader
    36
    Turbine
    38
    Verdichter
    40
    Katalysator
    42
    Drei-Wege-Katalysator
    44
    Lambdasonde
    46
    Abgaskrümmer
    48
    Einleitstelle
    50
    Sekundärluftsystem
    52
    Sekundärluftverdichter
    54
    Sekundärluftgebläse
    56
    Sekundärluftventil
    58
    Sekundärluftleitung
    60
    Steuergerät
    62
    Speichereinheit
    64
    Recheneinheit
    66
    Programmcode
    70
    Antriebsanordnung
    72
    elektrischer Antriebsmotor
    74
    Batterie
    76
    Generator
    100
    Kraftfahrzeug
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10251363 A1 [0006]
    • DE 10327298 A1 [0007]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors (10) mit mindestens einem Brennraum (12), wobei der Verbrennungsmotor (10) mit seinem Einlass (17) mit einem Luftversorgungssystem (20) und mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (30) verbunden ist und ein Sekundärluftsystem (50) umfasst, mit welchem einem Abgasstrom des Verbrennungsmotors (10) stromabwärts seines Auslasses (18) und stromaufwärts eines in der Abgasanlage (30) angeordneten Katalysators (40, 42) Sekundärluft zuführbar ist, umfassend folgende Schritte: Ermitteln eines Verbrennungsluftverhältnisses in dem mindestens einen Brennraum (12) des Verbrennungsmotors (10); Ermitteln eines Luftdurchsatzes durch den mindestens einen Brennraum (12); Ermittlung einer Lastanforderung an den Verbrennungsmotor (10), Ermitteln einer Katalysatortemperatur (TKAT) des Katalysators (40, 42), Betreiben des Verbrennungsmotors (10) mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (AE < 1) und gleichzeitiges Einblasen von Sekundärluft, wenn die Katalysatortemperatur (TKAT) unterhalb einer Schwellentemperatur (TS) liegt, wobei eine Änderung des Luftdurchsatzes (ΔmL) durch den mindestens einen Brennraum (12) oder der maximale Luftdurchsatz (mLmax) durch den mindestens einen Brennraum (12) bei gleichzeitigem Einblasen von Sekundärluft begrenzt werden, wenn eine gewünschte Änderung einer Leistungsanforderung (ΔP) einen definierten Schwellenwert (ΔPS) überschreitet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer gewünschten Leistungserhöhung oberhalb des Schwellenwerts (ΔPS) ein Zündwinkel des Verbrennungsmotors (10) in Richtung „früh“ verstellt wird, um das Drehmoment zu erhöhen und den Anstieg des Luftdurchsatzes durch den mindestens einen Brennraum (12) zu begrenzen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Leistungsabsenkung oberhalb des Schwellenwerts (ΔPS) ein Zündwinkel des Verbrennungsmotors (10) in Richtung „spät“ verstellt wird, um das Drehmoment abzusenken und das Absenken des Luftdurchsatzes zu verlangsamen.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungsänderung (ΔP) des Verbrennungsmotors (10) begrenzt wird, wenn der Verbrennungsmotor (10) in einem Betriebszustand betrieben wird, in welchem Sekundärluft durch das Sekundärluftsystem (50) in die Abgasanlage (30) eingeblasen wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbrennungsluftverhältnis (λE) in Richtung eines stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses verändert wird, wenn eine Leistungsanforderung an den Verbrennungsmotor (10) oder eine Änderung einer Leistungsanforderung einen Schwellenwert (PmaxS,ΔPS) überschreitet.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) mit einem elektrischen Antriebsmotor (72) in Wirkverbindung steht, wobei die Laständerung des Verbrennungsmotors (10) begrenzt wird und eine dynamische Lastanforderung im Wesentlichen durch den elektrischen Antriebsmotor (72) realisiert wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sekundärluftmassenstrom des Sekundärluftverdichters (52) in Abhängigkeit von einem gewünschten Soll-Lambda stromaufwärts des Katalysators (30, 32), einem Verbrennungsluftverhältnis (λE) in dem mindesten einen Brennraum (12) des Verbrennungsmotors (10) und einem Luftdurchsatz durch den mindestens einen Brennraum (12) geregelt wird.
  8. Verbrennungsmotor (10) mit mindestens einem Brennraum (12), wobei der Verbrennungsmotor (10) mit seinem Einlass (17) mit einem Luftversorgungssystem (20) und mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (30) verbunden ist und ein Sekundärluftsystem (50) umfasst, mit welchem einem Abgasstrom des Verbrennungsmotors (10) stromabwärts seines Auslasses (18) und stromaufwärts eines in der Abgasanlage (30) angeordneten Katalysators (40, 42) Sekundärluft zuführbar ist, sowie mit einem Steuergerät (60), umfassend eine Speichereinheit (52) und eine Recheneinheit (54), wobei das Steuergerät (60) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, wenn ein in der Speichereinheit (52) abgelegter Programmcode (56) durch die Recheneinheit (54) ausgeführt wird.
  9. Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundärluftsystem (50) einen Sekundärluftverdichter (42) und ein Sekundärluftventil (46) umfasst, welche durch eine Sekundärluftleitung (48) miteinander verbunden sind.
  10. Kraftfahrzeug (100) mit einer Hybrid-Antriebsanordnung (70) umfassend einen elektrischen Antriebsmotor (72) und einen Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 8 oder 9.
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Title
Lambdasonde, Wikipedia, Version 09. Juli 2020, https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Lambdasonde&oldid=57389800 [abgerufen am 09. Dezember 2021]

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