DE102021119349A1

DE102021119349A1 - Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors mit Sekundärluftsystem

Info

Publication number: DE102021119349A1
Application number: DE102021119349.4A
Authority: DE
Inventors: Martin Williges; Lars Stratmann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-07-27
Filing date: 2021-07-27
Publication date: 2023-02-02
Anticipated expiration: 2041-07-28
Also published as: DE102021119349B4

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. Dabei wird ein Ziel-Verbrennungsluftverhältnis für den mindestens einen Brennraum (12) definiert. Bei einer hochdynamischen Laständerung erfolgt eine Änderung der Einspritzmenge an Kraftstoff in die Brennräume (12) des Verbrennungsmotors und eine gleichzeitige Anpassung der Sekundärluftmenge, derart, dass sich in der Abgasanlage (30) stromaufwärts des Katalysators (40,42) ein stöchiometrisches Abgas einstellt.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.
Aus der US 2007/0017213 A1 ist ein Regelsystem zur Regelung eines Verbrennungsluft-Kraftstoff-Verhältnis eines Verbrennungsmotors mit einem Katalysator bekannt. Wenn eine Erwärmung des Katalysators angefordert wird, bestimmt das Regelsystem, ob die Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren, die das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis vor dem Katalysator am Abgaskanal erfassen, aktiv sind oder nicht. Sind diese Sensoren inaktiv, stellt das Regelsystem das Verbrennungsluft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein primäres Verbrennungsluft-Kraftstoff-Verhältnis ein, welches zwischen dem theoretischen Verhältnis und dem Verbrennungsgrenz-Luft-Kraftstoff-Verhältnis liegt, das fetter als das theoretische Verhältnis ist. Somit wird eine stabile Verbrennung des Kraftstoffs unter Verwendung einer offenen Regelung ermöglicht. Sind die Sensoren aktiv, stellt das Regelsystem das Verbrennungsluft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein sekundäres Verbrennungsluft-Kraftstoff-Verhältnis ein, das fetter als das primäre Verbrennungsluft-Kraftstoff-Verhältnis ist und in der Nähe des Verbrennungsgrenz-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses unter Verwendung einer Rückkopplungsregelung liegt.
Aus der DE 10 2016 218 818 A1 ist ein Verfahren zum Regeln einer Brennkraftmaschine mit einer Sekundärluftpumpe, einem Abgassystem und einer Lambdaregeleinheit zum Regeln eines Brennraumlambdas mindestens eines Zylinders der Brennkraftmaschine bekannt, bei dem eine mittels der Sekundärluftpumpe in das Abgassystem der Brennkraftmaschine eingebrachte Sekundärluftmenge ermittelt und an die Lambdaregeleinheit übertragen wird. Dabei wird das Brennraumlambda durch die Lambdaregeleinheit in Abhängigkeit der ermittelten Sekundärluftmenge derart eingestellt, dass sich in dem Abgassystem ein vorgegebenes Abgaslambda einstellt.
Aus der DE 10 2004 001 831 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung einer Sekundärlufteinblasvorrichtung und eines Katalysatorwirkungsgrads in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors bekannt. Das Verfahren umfasst das Betreiben eines Verbrennungsmotors in einem fetten Zustand nach Erfassen eines stationären Motorzustands. Die Sekundärlufteinblasvorrichtung bläst Luft in einen Abgasstrom, um einen mageren Motorzustand zu simulieren. Das Einblasen der Luft in den Abgasstrom wird beendet, nachdem sowohl der Einlass- als auch der Auslasssensor den mageren Zustand erfasst haben. Nach Beenden der Lufteinblasung wird eine Verzögerungszeit zwischen dem Einlasssensor, der den fetten Zustand erfasst, und dem Auslasssensor, der den fetten Betriebszustand erfasst, bestimmt. Basierend auf der Verzögerungszeit wird eine Sauerstoffspeicherkapazität des katalytischen Konverters berechnet. Ein Katalysatorwirkungsgrad wird als Funktion der Speicherkapazität bestimmt. Zusätzlich wird die Funktion der Sekundärlufteinblasvorrichtung überwacht. Wenn der Einlasssensor, nachdem die Sekundärlufteinblasvorrichtung aktiv ist, den mageren Zustand nicht erfasst, wird ein Fehler signalisiert.
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 ,
- Definieren eines Ziel-Verbrennungsluft-Verhältnisses für den Brennraum des Verbrennungsmotors,
- Betreiben des Verbrennungsmotors mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis und gleichzeitiges Einblasen von Sekundärluft, wenn die Katalysatortemperatur unterhalb einer Schwellentemperatur liegt, wobei
- eine Änderung der Einspritzmenge an Kraftstoff in den mindestens einen Brennraum und eine gleichzeitige Anpassung der Sekundärluftmenge erfolgt, derart, dass sich in der Abgasanlage stromaufwärts des Katalysators ein stöchiometrisches Abgas einstellt.

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.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung des Verbrennungsmotors ermöglicht es durch ein variables Verbrennungsluftverhältnis in dem Brennraum des Verbrennungsmotors einen zusätzlichen Freiheitsgrad bei der Lambdaregelung zu nutzen. Dieser zusätzliche Freiheitsgrad kann dazu genutzt werden, die Anforderungen an die Dynamik des Sekundärluftverdichters abzusenken und/oder die Regelgenauigkeit der Lambdaregelung in einem dynamischen Betrieb des Verbrennungsmotors zu erhöhen.
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 die Einspritzmenge an Kraftstoff in den Brennraum derart gesteuert wird, daß die Änderungsgeschwindigkeit des im Krümmer mit Hilfe der Sekundärluft umgesetzten Restkraftstoffmenge durch ein Filter in seiner Dynamik begrenzt wird. Dadurch kann sichergestellt werden, dass auch im Fall von Motordynamik das angestrebte Verbrennungsluftverhältnis gut eingeregelt wird. Dabei bewirkt eine obere und untere Begrenzungen des Brennraumlambdas, daß das Gemisch im Zylinder innerhalb der Zündgrenzen des Verbrennungsluftgemischs liegt und Fehlzündungen vermieden werden .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Ziel-Verbrennungsluft-Verhältnis für den Brennraum des Verbrennungsmotors durch eine Lambdasonde in der Abgasanlage stromaufwärts des Katalysators vorgesteuert wird. Dadurch kann die Lambdaregelung des Verbrennungsmotors weiter verbessert werden und die Dynamik der Regelung erhöht werden.
Gemäß einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Sekundärluftsystem einen Luftmassenstromsensor umfasst, wobei die durch den Sekundärluftverdichter der Abgasanlage zugeführte Sekundärluftmenge durch den Luftmassenstromsensor eingeregelt wird. Dadurch kann die Sekundärluftmenge entsprechend eingeregelt werden. Dies erhöht die Genauigkeit bei der Lambdaregelung, auch wenn die benötigte Sekundärluftmenge nur abgeschätzt werden kann und somit leichte Abweichungen von einem stöchiometrischen Abgas möglich sind.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Ziel-Verbrennungsluft-Verhältnis im Bereich von 0,8 < λ_E < 1,0 liegt. In diesem Bereich wird ein unterstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis sichergestellt, welches durch ein weiteres Anfetten oder durch ein Abmagern entsprechend dynamisch verändert werden kann, so dass die Dynamikanforderungen an den Sekundärluftverdichter reduziert werden können und trotzdem ein stöchiometrisches Abgas vor Eintritt in den Katalysator sichergestellt werden kann.
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;
3 eine Simulation eines Lastsprung eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors sowie die Änderungen des Luftdurchsatzes, der Sekundärluftmenge, der Kraftstoffmenge, des Kraftstoffumsatzes im Abgaskrümmer sowie der Verbrennungsluftverhältnisse im Brennraum und im Abgaskrümmer.
4 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 einen 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. 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 eine Speichereinheit 62 und eine Recheneinheit 64 umfasst. In der Speichereinheit 62 ist ein Programmcode 66 abgelegt, welcher ein im 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 m_fA, eine Umgebungstemperatur T_U, einen Umgebungsdruck p_U, einen Druck an der Einleitstelle 48 p_K 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 mf_F3, welcher dem Massenstrom mf_F1 an Kraftstoff für die Einspritzung in die Brennräume 12 additiv aufgeschlagen wird und somit zur tatsächlichen Einspritzung einer Kraftstoffmenge mf_F3 führt, welche höher als eine für eine stöchiometrische Verbrennung in den Brennräumen 12 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 T_KAT 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 in einem Verfahrensschritt <140> ein Ziel-Verbrennungsluft-Verhältnis für den Brennraum 12 des Verbrennungsmotors 10 definiert. In einem Verfahrensschritt <150> wird aus dem Brennraum-Luftdurchsatz und dem Ziel-Verbrennungsluft-Verhältnis ein Gesamtkraftstoffdurchsatz berechnet. Dabei teilt sich der Gesamtkraftstoffdurchsatz auf den im Brennraum umgesetzten Kraftstoff und den im Abgaskrümmer umgesetzten Kraftstoff auf. In einem Verfahrensschritt <160> wird die Änderung des im Abgaskrümmer umgesetzt Anteil des Kraftstoffs begrenzt, um die Förderleistung des Sekundärluftverdichters 52 schnell genug an die Änderung der Kraftstoffmenge anpassen zu können. In einem Verfahrensschritt <170> wird die Änderung der Kraftstoffmenge in dem Brennraum 12 begrenzt, um die Brenngrenzen im Brennraum nicht zu überschreiten und die Grenzen der Änderung der Sekundärluftmenge einhalten zu können. In einem Verfahrensschritt <180> wird ein zum Kraftstoffmassenstrom passender Luftmassenstrom berechnet, welcher der Berechnung eines Soll-Verbrennungsluftverhältnisses dient. In einem Verfahrensschritt <190>, welcher parallel zu dem Verfahrensschritt <180> ausgeführt werden kann. Wird aus dem momentanen Verbrennungsluftverhältnis in dem Brennraum 12 und weiteren Motordaten des Verbrennungsmotors 10 der einzustellende Luftmassenstrom für eine Verdichterregelung des Sekundärluftverdichters 52 berechnet. Auch dieser Luftmassenstrom kann begrenzt werden, um die dynamischen Grenzen des Sekundärluftverdichters 52 nicht zu überschreiten.
Da das Verbrennungsluftverhältnis in dem Brennraum 12 des Verbrennungsmotors 10 innerhalb der motorischen Zündgrenzen variabel sein darf, ergibt sich ein weiterer Freiheitsgrad bei der Sekundärluftförderung. Dieser zusätzliche Freiheitsgrad kann dazu genutzt werden, die Anforderungen an die Dynamik des Sekundärluftverdichters 52 abzusenken. In Folge nimmt die Regelgenauigkeit des Verbrennungsluftverhältnisses in der Abgasanlage 30 stromaufwärts des Katalysators 40, 42 zu.
Bei der Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Ziel-Verbrennungsluftverhältnis angestrebt, welches etwas oberhalb der Brenngrenze des Verbrennungsmotors liegt, sodass das Gemisch im Brennraum bei Bedarf noch etwas fetter, kann aber auch deutlich magerer werden.
Aus dem Ziel-Verbrennungsluft-Verhältnis im Brennraum 12 und dem momentanen Luftdurchsatz des Verbrennungsmotors 10 sowie einer möglichen Berücksichtigung von Wandeffekten ergibt sich ein Ziel-Kraftstoffmassenstrom, der im Abgaskrümmer 46 umgesetzt werden soll. Die Änderungsgeschwindigkeit dieses Kraftstoffmassenstroms kann erfindungsgemäß auf einen Maximalwert begrenzt werden. Dies kann beispielsweise durch einen Rampenfilter geschehen, dessen maximale Steilheit einstellbar ist. Der nun in seiner Dynamik begrenzte Kraftstoffmassenstrom im Abgaskrümmer 46 muss noch so weit begrenzt werden, dass das Verbrennungsluftverhältnis im Brennraum 12 innerhalb der Zündgrenzen des Kraftstoff-Luft-Gemischs bleibt und der zugehörige Durchsatz an Sekundärluft von dem Sekundärluftverdichter 52 auch umgesetzt werden kann.
Solange sich das System des Verbrennungsmotors aus Kraftstoffeinspritzung und Sekundärluftförderung innerhalb der physikalischen Brenngrenzen bewegt, ergibt sich eine begrenzte Dynamik bei der Förderung des Sekundärluftverdichters. Somit kann mit erhöhter Präzision ein stöchiometrisches Abgas vor Eintritt in den Katalysator eingeregelt werden.
3 zeigt die Simulation eines Lastsprungs des Verbrennungsmotors 10 sowie die damit verbundenen Änderungen des Luftdurchsatzes durch den Brennraum 12, die Änderung der Sekundärluftmenge, die Änderung des Kraftstoffdurchsatzes durch den Brennraum 12, den Kraftstoffumsatz im Abgaskrümmer 46 sowie die Veränderung des Verbrennungsluftverhältnisses im Brennraum 12 sowie im Abgaskrümmer 46. Es sind dabei drei verschiedene Begrenzungen der Änderungsgeschwindigkeit der im Krümmer nachzuverbrennenden Kraftstoffmasse simuliert: In Blau (durchgezogen) ist eine nahezu unbegrenzte Änderungsgeschwindigkeit zu sehen (Brennraumlambda nahezu konstant); in Rot (gestrichelt) ist eine sinnvolle Begrenzung der Änderungsgeschwindigkeit dargestellt; in Grün (punktiert) ist die Änderung sehr stark begrenzt.
Dabei ist in der obersten Zeile I des Diagramms der Luftdurchsatz durch den Brennraum 12 des Verbrennungsmotors 10 und durch den Sekundärluftverdichter 52 zu sehen. In der zweiten Zeile II ist der Kraftstoffdurchsatz durch den Brennraum 12 des Verbrennungsmotors 10 zu sehen. In der dritten Zeile III des Diagramms ist der im Abgaskrümmer 46 umgesetzte Kraftstoffmassenstrom dargestellt. Dabei ist zu erkennen, wie bei der durchgezogenen Linie die Änderung des Kraftstoffmassenstroms der Änderung des Luftmassenstroms folgt, während bei den anderen Simulationen der Kraftstoffmassenstrom deutlich langsamer als der Luftmassenstrom ansteigt. In der vierten Zeile des Diagramms ist das Verbrennungsluftverhältnis in der Abgasanlage stromaufwärts des Katalysators zu sehen. Für eine effiziente Konvertierung der Schadstoffe im Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 sollte das Verbrennungsluftverhältnis in der Abgasanlage 30 vor Eintritt in den Katalysator 40, 42 möglichst konstant stöchiometrisch sein. In dieser Zeile ist zu erkennen, wie durch eine Begrenzung der Änderungsgeschwindigkeit des Kraftstoffdurchsatzes auf die Dynamik des Sekundärluftgebläses eine deutlich gesteigerte Genauigkeit der Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses erzielt wird und damit ein lambdageregelter Betrieb während des Aufheizens des Kataylsators 40, 42 ermöglicht wird. Durch eine Begrenzung der Änderungsgeschwindigkeit verändert sich das Verbrennungsluftverhältnis in dem Brennraum 12 bei einem Lastsprung. Daher wird das Verbrennunngsluftverhältnis während und nach dem Lastsprung magerer, um danach wieder das Ziel-Verbrennungsluft-Verhältnis während des Katalysatorheizens zu erreichen. Dies ist in Zeile fünf zu sehen. Eine sprunghafte Lastwegnahme würde umgekehrt zu einem temporären Anfetten des Brennraumgemisches führen.
In 4 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

US 20070017213 A1 [0005]
DE 102016218818 A1 [0006]
DE 102004001831 A1 [0007]

Claims

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, wobei der Verbrennungsmotor (10) ein Sekundärluftsystem (50) umfasst, mit welchem einem Abgasstrom des Verbrennungsmotors (10) stromabwärts eines Auslasses (18) des Verbrennungsmotors (10) 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 (T_KAT) des Katalysators (40, 42), - Definieren eines Ziel-Verbrennungsluft-Verhältnisses für den Brennraum (12) des Verbrennungsmotors (10), - Betreiben des Verbrennungsmotors (10) mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ_E < 1) und gleichzeitiges Einblasen von Sekundärluft, wenn die Katalysatortemperatur (T_KAT) unterhalb einer Schwellentemperatur (Ts) liegt, wobei - eine Änderung der Einspritzmenge an Kraftstoff in den mindestens einen Brennraum (12) und eine gleichzeitige Anpassung der Sekundärluftmenge erfolgt, derart, dass sich in der Abgasanlage (30) stromaufwärts des Katalysators (40, 42) ein stöchiometrisches Abgas einstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzmenge an Kraftstoff in den Brennraum derart gesteuert wird, dass eine Änderungsgeschwindigkeit des in einem Abgaskrümmer (46) der Abgasanlage (30) mit Hilfe der Sekundärluft umgesetzten Restkraftstoffmenge durch einen Filter in ihrer Dynamik begrenzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ziel-Verbrennungsluft-Verhältnis für den Brennraum (12) durch eine Lambdasonde (44) in der Abgasanlage (30) stromaufwärts des Katalysators (40, 42) vorgesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundärluftsystem (50) einen Luftmassenstromsensor umfasst, wobei die durch den Sekundärluftverdichter (52) der Abgasanlage (30) zugeführte Sekundärluftmenge durch den Luftmassenstromsensor eingeregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ziel-Verbrennungsluft-Verhältnisses im Bereich von 0,8 < λ_E < 1,0 liegt.
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.
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 (λ_E) in dem mindesten einen Brennraum (12) des Verbrennungsmotors (10) und einem Luftdurchsatz durch den mindestens einen Brennraum (12) geregelt wird.
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, wobei der Verbrennungsmotor (10) ein Sekundärluftsystem (50) umfasst, mit welchem einem Abgasstrom des Verbrennungsmotors (10) stromabwärts eines Auslasses (18) des Verbrennungsmotors (10) 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.
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.
Kraftfahrzeug (100) mit einer Hybrid-Antriebsanordnung (70) umfassend einen elektrischen Antriebsmotor (72) und einen Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 8 oder 9.