DE19644139A1 - Abgasreinigungssystem und Verfahren zur Abgasreinigung - Google Patents

Abgasreinigungssystem und Verfahren zur Abgasreinigung

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DE19644139A1
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Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasreinigungssystem und ein Verfahren für eine Brennkraftmaschine zur schnellen Aktivierung eines katalytischen Umsetzers unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine im Rahmen eines Kaltstarts, wobei die Abgasreinigung verbessert wird.
Zur frühen Aktivierung eines katalytischen Umsetzers unmittelbar nach dem Kaltstart einer Brennkraftmaschine zur Erhaltung der Abgasreinigung ist es denkbar, den katalytischen Umsetzer in der Nähe des Abgaskrümmers vorzusehen, der unmittelbar stromab des Abgasauslasses der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Übersteigt dabei die Temperatur des in den katalytischen Umsetzer strömenden Abgases die allgemeine Wärmewiderstands­ temperatur von 850 bis 900°C des Katalysators in einem Hochgeschwindigkeits- oder Hochlastzustand, dann kann der Katalysator infolge einer Überhitzung thermisch zerstört werden.
Zur Lösung dieses Problems wurden in den japanischen Offenlegungsschriften Nr. 202613/1991 und 88870/1985 zwei Systeme vorgeschlagen. In einem ersten System wird ein in seinen Abmessungen kleiner katalytischer Umsetzer mit kleiner Wärmekapazität, der in hervorragender Weise früh die aktive Temperatur erreicht, an einer relativ weit entfernten Stelle vom Ausgang des Abgaskrümmers angeordnet, und ein katalytischer Hauptumsetzer mit großer Kapazität wird stromab des ersten katalytischen Umsetzers zur Vermeidung einer Überhitzung des katalytischen Umsetzers und zur Erhaltung der Abgasreinigung während des Betriebs der kalten Maschine angeordnet. In einem zweiten System wird demgegenüber die Abgastemperatur während der Betriebszeit der kalten Maschine durch eine bekannte Zündwinkel-Verzögerungs­ steuerung und eine Leerlaufgeschwindigkeit-Vergrößerungs­ steuerung erhöht, so daß ein frühzeitiger Betrieb des katalytischen Umsetzers möglich ist.
Bei den vorstehend beschriebenen Systemen kann die Abgastemperatur niedriger als die Aktivierungstemperatur des Katalysators werden, wenn ein Betriebszustand mit niedriger Geschwindigkeit oder niedriger Belastung andauert, auch wenn der katalytische Umsetzer nach dem Maschinenstart aktiviert ist. In diesem Fall wird der katalytische Umsetzer mit kleiner Wärmekapazität, der an der am weitesten stromauf gelegenen Stelle angeordnet ist, der Abgastemperatur infolge seiner kleinen Wärmekapazität feinfühlig folgen, so daß er seinen aktivierten Zustand nicht beibehalten kann. Wird ferner während des Betriebs der Maschine der Zündwinkel verzögert, dann vermindert sich das Ausgangsdrehmoment der Maschine und verschlechtert die Ausgangsleistung der Maschine, so daß die Anwendung eines derartigen Systems nachteilig ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Abgasreinigung mittels eines Abgaskatalysators bezüglich eines Abgasreinigungssystems und eines Verfahrens derart auszugestalten, daß die Reinigung des Abgases durch ein frühes Aktivieren des katalytischen Umsetzers unmittelbar nach dem Kaltstart einer Brennkraftmaschine gewährleistet ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bezüglich eines Abgasreinigungssystems mit den im Patentanspruch 1 und bezüglich eines Abgasreinigungsverfahrens mit den im Patentanspruch 6 angegebenen Mitteln gelöst.
Gemäß dem Abgasreinigungssystem und dem Verfahren zur Abgasreinigung bei einer Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Brennkraftmaschine eine Brennstoffeinspritzrate zugeführt, die auf der Basis des Betriebszustands der Brennkraftmaschine in Form von verschiedenen Parametern der Brennkraftmaschine bestimmt wird. Befindet sich während des Betriebs der Brennkraft­ maschine der etwa im mittleren Bereich einer Abgasanlage angeordnete katalytische Umsetzer nicht in einem vorbestimmten aktiven Bereich einer vorbestimmten Temperatur-/Reinigungskennlinie, dann wird die berechnete Brennstoffeinspritzrate im Sinne einer Vergrößerung korrigiert und es wird die dem katalytischen Umsetzer zugeführte Sekundärluft gesteuert. Im Ergebnis wird auch unmittelbar nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine die Brennstoffeinspritzrate bezüglich des stöchio­ metrischen Luft/Brennstoffgemischs gleichzeitig ver­ größert, wenn ein Teil des katalytischen Umsetzers seine Aktivierungstemperatur (Betriebstemperatur) erreicht, und die Sekundärluft wird zugeführt, so daß der katalytische Umsetzer und die Abgastemperatur über der Aktivierungs­ temperatur durch die Abwärme der Reaktion der vergrößerten Brennstoffmenge im Katalysator gehalten wird.
Vorzugsweise wird dabei das Luft/Brennstoffverhältnis des dem katalytischen Umsetzer zugeführten Abgases in der Nähe des stöchiometrischen Werts eingestellt, d. h. der Luftüberschußfaktor wird einem Bereich von 1.0 bis 1.1 gehalten. Im Ergebnis wird die dem katalytischen Umsetzer zugeführte Sekundärluft im Hinblick auf die Vergrößerung der einzuspritzenden Brennstoffmenge zur schnellen Aktivierung des katalytischen Umsetzers und Verbesserung der Abgasreinigung optimiert.
Vorzugsweise wird die korrigierte Vergrößerung der Brennstoffeinspritzmenge (Brennstoffeinspritzrate) ent­ weder auf der Basis des Betriebszustands der Brennkraftmaschine oder aus einem vorbestimmten Kennfeldwert berechnet. Andererseits ist die Sekundärluft ein geschätzter Wert, der entweder sequentiell auf der Basis des Betriebszustands der Brennkraftmaschine gesteuert oder entsprechend einem vorbestimmten Kennfeldwert berechnet wird. Somit werden die Brennstoffeinspritzmengenvergrößerung und die zugehörige Sekundärluftströmung (Menge) zur Verbesserung der Abgasreinigung durch entweder den sequentiell berechneten Wert entsprechend dem Betriebszustand der Brennkraft­ maschine oder dem Kennfeldwert genau eingestellt.
Bevorzugt wird dabei ein Edelmetall aus der Palladiumgruppe, Platin oder ein Edelmetall aus der Rhodiumgruppe, oder deren Gemisch oder Verbindung als Katalysatorkomponente auf der Trägeroberfläche des katalystischen Umsetzers verwendet. Ein katalytischer Umsetzer aus derartigen katalytischen Komponenten kann schnell aktiviert werden zur effektiven Reinigung des Abgases von schädlichen Inhaltsstoffen.
Im einzelnen ist der katalytische Umsetzer vorzugsweise mit kleinen Abmessungen ausgeführt zur Erzielung einer kleinen Wärmekapazität, wobei ein katalytischer Umsetzer mit großer Wärmekapazität stromab des ersten katalytischen Umsetzers angeordnet ist. Im Ergebnis wird dabei der stromauf angeordnete katalytische Umsetzer auch bei einem Kaltstart schnell aktiviert zur Aufrecht­ erhaltung des katalytischen Umsetzers und der Abgastemperatur bei der Aktivierungstemperatur des Katalysators, so daß die schädlichen Komponenten im Abgas der Brennkraftmaschine in optimaler Weise durch den stromab angeordneten katalytischen Umsetzer gereinigt werden.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Abgasreinigungssystems einer Brennkraftmaschine,
Fig. 2A bis 2C grafische Darstellungen zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Befestigungsposition eines katalytischen Umsetzers und einer Abgastemperatur im Abgasreinigungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Fig. 3A und 3B eine grafische Darstellung eines Zustandsdiagramms einer Abgastemperatur unmittelbar nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine in einem Zustand vor Anwendung des Abgasreinigungssystems,
Fig. 4 eine Kennlinie des in dem Abgas­ reinigungssystem verwendeten katalytischen Umsetzers zur Angabe eines Kohlenwasserstoff-Reinigungsfaktors im Vergleich zur Abgastemperatur,
Fig. 5 eine Kennlinie zur Darstellung der Abgas­ temperatur gegenüber der Vergrößerung der Brennstoff­ einspritzmenge in Verbindung mit dem Abgasreinigungs­ system,
Fig. 6 eine Kennlinie zur Veranschaulichung des Kohlenwasserstoff-Reinigungsfaktors in Bezug auf eine Vergrößerung der Brennstoffeinspritzmenge, wie sie im Abgasreinigungssystem verwendet wird,
Fig. 7 eine Kennlinie zur Veranschaulichung einer Kohlenwasserstoffkonzentration eines Einlaßgases gegen­ über einer Vergrößerung der Brennstoffeinspritzmenge, wie sie bei dem Abgasreinigungssystem verwendet wird,
Fig. 8 eine Kennlinie zur Veranschaulichung eines Kohlenwasserstoff-Emissionsverhältnisses gegenüber einer Vergrößerung der Brennstoffeinspritzmenge, wie sie im Abgasreinigungssystem verwendet wird,
Fig. 9A und 9B grafische Darstellungen von Zustandsdiagrammen zur Veranschaulichung einer Abgas­ temperatur und einer Kohlenwasserstoffkonzentration bei Durchführung einer Steuerung der Vergrößerung der Brennstoffeinspritzmenge in Verbindung mit dem Abgasreinigungssystem, und
Fig. 10 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Steuerungsablaufs, der mittels einer im Abgasreinigungssystem enthaltenen elektronischen Steuerungseinheit ECU durchgeführt wird.
Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Abgasreinigungssystems für eine Brennkraftmaschine 1, bei der an einer Abgas­ auslaßöffnung 1a gemäß Fig. 1 ein Abgaskrümmer 2 und ein Abgasrohr 3 angeordnet sind. Stromab dieser Bauteile ist ein kleiner katalytischer Umsetzer 4 mit kleiner Wärmekapazität angeordnet, auf den unmittelbar ein katalytischer Umsetzer 5 mit großer Wärmekapazität folgt. Im Abgaskrümmer 2 ist ein Sauerstoffsensor 6 (O₂-Sensor) zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration im Abgas vorgesehen. In der Nähe der Austrittsöffnung des Abgasrohrs 3 ist ein Abgastemperatursensor 7 zur Erfassung der Temperatur des Abgases angeordnet. In der Nähe des Abgaskrümmers 2 ist ferner eine mittels eines Elektromotors 8 angetriebene elektrische Luftpumpe 9 vorgesehen, mittels der Sekundärluft über eine Sekundärluft-Zuführungsöffnung 10 in das Abgas im Abgaskrümmer 2 eingeleitet wird.
Eine elektronische Steuerungseinheit ECU 12 wird als arithmetische Logikschaltung verwendet und besteht bekanntermaßen aus einer Zentraleinheit CPU, einem Festwertspeicher ROM (Nur-Lese-Speicher) zur Speicherung eines Steuerungsprogramms, einem Schreib-/Lesespeicher RAM zur Speicherung unterschiedlicher Daten, einer Eingabe-/Ausgabeschaltung und einem Datenbus zur Verbindung der vorstehend angegebenen Bauelemente. Verschiedene Daten 11, die vom Sauerstoffsensor 6, dem Temperatursensor 7 und weiteren, nicht gezeigten Sensoren stammen, werden eingelesen und in der elektronischen Steuerungseinheit ECU 12 verarbeitet, so daß verschiedene Signale 13 an die Einspritzeinrichtung 14 und weitere, nicht gezeigte Betätigungsglieder ausgegeben werden zur Steuerung des Betriebs der Brennkraftmaschine 1. Die Berechnung der Brennstoffeinspritzrate (Brennstoff­ einspritzmenge) in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine mittels der elektronischen Steuerungseinheit ECU 12, sowie die Luft/Brennstoff­ verhältnis-Rückkopplungsregelung in Abhängigkeit eines vom Sauerstoffsensor 6 bereitgestellten Sauerstoff­ konzentrationssignals zur Angabe der Sauerstoff­ konzentration im Abgas sind aus dem Stand der Technik bekannt, so daß zur Vermeidung von Wiederholungen eine ausführliche Beschreibung weggelassen ist.
Die Fig. 2A bis 2C zeigen Verhältnisse zwischen einer Entfernung L [mm] vom Ausgang des Abgaskrümmers 2 der Brennkraftmaschine 1 zum vorderen Ende des katalytischen Umsetzers 4 im Abgasreinigungssystem und von Abgas­ temperaturen.
In einem Betriebszustand mit großer Geschwindigkeit oder großer Belastung, wie er mit der durchgezogenen Linie "a" in Fig. 2B dargestellt ist, ist die Wärmeabgabe durch das Abgasrohr 3 vergrößert, so daß die Abgastemperatur umso stärker vermindert wird, je größer die Entfernung zum Ausgang des Abgaskrümmers 2 wird. Bezüglich der Entfernung L des katalytischen Umsetzers 4 vom Ausgang des Abgaskrümmers 2, bei der der katalytische Umsetzer 4 angeordnet ist zur Verhinderung eines erheblichen Temperaturanstiegs und jeder thermischen Zerstörung ist eine Anordnung des katalytischen Umsetzers stromab mit einer Entfernung größer als L = 600 [mm] wünschenswert, wobei hier die Abgastemperatur kleiner als die Wärmewiderstands-Grenztemperatur von 850 bis 900°C des katalytischen Umsetzers 4 im Betriebszustand mit hoher Temperatur oder hoher Belastung ist.
Unmittelbar nach dem Kaltstart in einem Betriebszustand mit niedriger Geschwindigkeit oder niedriger Belastung wird demgegenüber die Abgastemperatur durch die Wärmekapazität des Abgasrohrs 3 weiter erniedrigt, wenn sich die Entfernung L zum Ausgang des Abgaskrümmers 2 vergrößert. Bei der Entfernung L = 600 [mm], wie es in Fig. 2C mit der durchgezogenen Linie "b" dargestellt ist, erreicht auch zehn Sekunden nach dem Kaltstart die Abgastemperatur keinen Anstieg auf über 250°C oder die Aktivierungstemperatur des katalytischen Umsetzers 4, so daß eine frühe Aktivierung unmittelbar nach dem Start sehr schwierig ist. Es wurde daher ein System vorgeschlagen, bei welchem der katalytische Umsetzer 4 durch Erhöhen der Abgastemperatur, wie es mittels der durchgezogenen Linie "c" dargestellt ist, im Leerlauf­ zustand unmittelbar nach dem Starten der Brennkraft­ maschine durch Verzögern des Zündwinkels und durch Vergrößern der Leerlaufdrehzahl früher aktiviert wird.
Werden jedoch eine Verzögerung des Zündwinkels und ein Anstieg der Leerlaufdrehzahl unmittelbar nach dem Kaltstart in einem Betriebszustand mit niedriger Geschwindigkeit oder niedriger Belastung eingeleitet, dann steigt die Temperatur des in den katalytischen Umsetzer 4 einströmenden Abgases an, wobei jedoch die Konzentration der Reaktionskomponente im Abgas wie Kohlenwasserstoffe oder Kohlenmonoxid absinkt, so daß die Reaktion im katalytischen Umsetzer 4 nach Erreichen der Katalysationstemperatur zurück geht. Im Ergebnis ist eine lange Zeitdauer erforderlich, bis der katalytische Umsetzer 4 in seiner Gesamtheit aktiviert ist, so daß der Effekt zur Verbesserung der Abgasreinigung halbiert ist. Wird eine Verzögerung des Zündwinkels in einem Betriebsbereich mit niedriger Drehzahl eingestellt, dann kann ferner die Leistungsfähigkeit der Brennkraftmaschine infolge eines Absinkens des Drehmoments vermindert werden.
Aktuelle Meßwerte des Abgastemperaturverhaltens stromauf und stromab des katalytischen Umsetzers 4 unmittelbar nach dem Kaltstart, wenn noch keine Steuerung der Brennstoffeinspritzmengenvergößerung (Brennstoffanreiche­ rung) durchgeführt wird, werden gemäß den Fig. 3A und 3B im Abgasreinigungssystem verarbeitet.
Im Leerlaufbetriebszustand unmittelbar nach dem Starten der Brennkraftmaschine wird der katalytische Umsetzer 4 während etwas mehr als zehn Sekunden durch eine Zündwinkelverzögerung und eine Vergrößerung der Leerlaufdrehzahl aktiviert, so daß die Abgastemperatur beim Ausströmen aus dem katalytischen Umsetzer 4 die Abgastemperatur beim Einströmen übersteigt. Danach wird die Einströmungs-Abgastemperatur im Betriebszustand mit niedriger Geschwindigkeit oder niedriger Belastung nach dem Aufheben der Verzögerung im Zündwinkel und der Vergrößerung der Leerlaufdrehzahl abgesenkt, so daß der katalytische Umsetzer 4 seinen aktivierten Zustand nicht beibehalten kann.
Im Hinblick auf diese Situation wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel auch in einem Betriebszustand mit niedriger Geschwindigkeit oder niedriger Belastung, bei dem die Abgastemperatur unter der Aktivierungstemperatur des Katalysators liegt, die Reaktion im katalytischen Umsetzer 4 zur Aufrecht­ erhaltung des aktivierten Zustands unterstützt durch Steuerung der Vergrößerung der Brennstoffeinspritzmenge (Brennstoffanreicherung) und der Zuführungsrate der Sekundärluft in das Innere des Abgaskrümmers 2 in der Nähe der Abgasaustrittsöffnung 1a der Brennkraftmaschine 1 oder der Abgasanlage stromauf des katalytischen Umsetzers 4.
Zur Aufrechterhaltung des aktivierten Zustands des katalytischen Umsetzers 4 wird die Reaktionsabwärme, die bei der Oxidation der im Abgas enthaltenen Kohlen­ wasserstoffe und des Kohlenmonoxids im katalytischen Umsetzer 4 erzeugt wird, im positiven Sinne verwendet. Nachstehend ist mittels einer Gleichung (1) ein Beispiel einer Reaktion von Kohlenwasserstoffen, die im katalytischen Umsetzer 4 einer Oxidation unterworfen sind, angegeben:
CnHm + (n+m/4)O₂ → (m/2)H₂O + nCO₂ + q [J/mol] (1),
wobei mit q die Anzahl der Kalorien bezeichnet ist, die mit 1 Mol von Kohlenwasserstoffen CnHm erzeugt wird. Dabei wird angenommen, daß die Abgasströmungsrate zum Zeitpunkt des Durchlaufens des katalytischen Umsetzers 4 mit f bezeichnet ist (Durchflußmenge, Durchflußrate); die spezifische Wärme des Abgases ist mit c bezeichnet; die Einströmungs-Abgastemperatur ist mit T0 bezeichnet; die Ausströmungs-Abgastemperatur ist mit T1 bezeichnet und der Reinigungsfaktor der Kohlenwasserstoffe des katalytischen Umsetzers 4 zu diesem Zeitpunkt ist mit η bezeichnet. Wird ferner die Ausströmungs-Abgastemperatur von T0 auf T1 durch die Reaktionswärmemenge Q von N Molen der im Abgas enthaltenen Kohlenwasserstoffe CnHm erwärmt, dann ist die folgende Gleichung (2) gültig:
Q = ηNq = cf(T1-T0) [J] (2).
Somit ist die Anzahl der Mole der Kohlenwasserstoffe CnHm, die erforderlich sind zur Anhebung der Abgastemperatur um ΔT = (T1-T0) zum Zeitpunkt des Durchlaufens des katalytischen Umsetzers 4 gemäß der nachfolgenden Gleichung (3) zu berechnen:
N = cfΔT/(ηq) [mol] (3).
Die Abgastemperatur wird von T0 auf T1 angehoben, wenn sie gemäß der vorstehenden Beschreibung den katalytischen Umsetzer 4 durchläuft. Im einzelnen sind zur Aufrecht­ erhaltung des katalytischen Umsetzers 4 in seinem aktiven Zustand N Mole von Kohlenwasserstoffen CnHm gemäß der Berechnung nach Gleichung (3) erforderlich. Dieses Erfordernis wird erfüllt durch zusätzliches Zuführen der vergrößerten, in die Brennkammer als unverbranntes Gas einzuspritzenden Brennstoffmenge in den katalytischen Umsetzer 4 und durch Zuführen von für die Reaktion erforderlichem Sauerstoff in Form der Sekundärluft.
Im einzelnen wird hier die Optimierung der Vergrößerung der Brennstoffeinspritzrate in Verbindung mit den Kennlinien der Fig. 4 bis 8 des Abgasreinigungssystem gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben.
Liegt die Einströmungs-Abgastemperatur T0 in den katalytischen Umsetzer 4 bei 200°C oder niedriger als die Aktivierungstemperatur des Katalysators, dann entspricht die Beziehung zwischen der Vergrößerung Δτ in der Brennstoffeinspritzrate für das stöchiometrische Luft/Brennstoffgemisch und der Ausströmungs-Abgas­ temperatur T1 der Darstellung in Fig. 5 in Verbindung mit der vorstehend angegebenen Gleichung (3) und der Temperaturreinigungskennlinie von Fig. 4.
Somit wird die in Fig. 6 gezeigte Kennlinie erhalten, wenn die Beziehung zwischen der Brennstoffanreicherung Δν und dem Kohlenwasserstoff-Reinigungsfaktor η durch Eliminieren der Ausströmungs-Abgastemperatur T1 von den Fig. 4 und 5 hergeleitet wird. Aus Fig. 6 ist erkennbar, daß der Kohlenwasserstoff-Reinigungsfaktor η des katalytischen Umsetzers 4 durch ηmax (der maximale Kohlenwasserstoff-Reinigungsfaktor) oder etwa 65% gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel durch Einstellen der Brennstoffeinspritzanreicherung Δτ gegeben ist und daß die Ausströmungs-Abgastemperatur T1 zu diesem Zeitpunkt gemäß der Darstellung in Fig. 5 etwa 380°C beträgt, wobei die Aktivierungstemperatur des Katalysators überschritten ist.
Es wird nun die Wahrscheinlichkeit beschrieben, mit der der katalytische Umsetzer 4 im aktivierten Zustand gehalten wird durch die Brennstoffeinspritzanreicherung Δτ, wobei diese Brennstoffeinspritzanreicherung Δτ ihrerseits wieder eine Vergrößerung der Emission von Kohlenwasserstoffen oder weiteren schädlichen Bestand­ teilen bewirkt.
Gemäß Fig. 7, die die Beziehung zwischen der Brennstoffeinspritzanreicherung Δτ und der Kohlenwasser­ stoffkonzentration des in den katalytischen Umsetzer 4 strömenden Abgases zeigt, muß die Beziehung (der Vergrößerung der Kohlenwasserstoffkonzentration infolge der Brennstoffeinspritzanreicherung Δτ) = (der Ver­ minderung der Kohlenwasserstoffemission infolge einer Verbesserung des Kohlenwasserstoff-Reinigungsfaktors η des katalytischen Umsetzers 4) erfüllt sein, so daß mittels einer Vergrößerungssteuerung der Brennstoff­ einspritzrate die Kohlenwasserstoffemission vermindert werden kann. Die Beziehung zwischen der Kohlen­ wasserstoffkonzentration HCein des einströmenden Abgases und, der Kohlenwasserstoffkonzentration HCaus des ausströmenden Abgases zum Zeitpunkt des Durchlaufens des katalytischen Umsetzers 4 wird gemäß der nachstehenden Gleichung (4) ausgedrückt:
[HC]ein (1-η) = [HC]aus (4).
Werden die Beziehung gemäß Fig. 6 zwischen der Brennstoffeinspritzanreicherung Δτ und dem Kohlen­ wasserstoff-Reinigungsfaktor ν, und die Beziehung gemäß Fig. 7 zwischen der Brennstoffeinspritzanreicherung Δτ und der Kohlenwasserstoffkonzentration HCein des einströmenden Gases bei dem Kohlenwasserstoff-Reinigungsfaktor η und der Kohlenwasserstoffkonzentration HCein des einströmenden Abgases in der vorstehenden Gleichung (4) verwendet, dann kann die Kohlenwasser­ stoffkonzentration HCaus des ausströmenden Abgases lediglich gemäß der Darstellung in Fig. 8 durch die Brennstoffeinspritzanreicherung Δτ ausgedrückt werden. In Fig. 8 wird ein dimensionsloser Wert als Kohlenwasser­ stoffemissionsverhältnis (HCaus/HCaus0) verwendet, d. h. für das Verhältnis der ausströmenden Kohlenwasser­ stoffkonzentration HCaus für die Brennstoff­ einspritzanreicherung Δτ < 0 (bei einer Brennstoff­ einspritzanreicherung) zur ausströmenden Kohlenwasser­ stoffkonzentration HCaus0 für eine Brennstoff­ einspritzanreicherung Δτ = 0 (bei fehlender Brennstoff­ einspritzanreicherung). Aus Fig. 8 ist somit erkennbar, daß das Kohlenwasserstoffemissionsverhältnis bei einer Brennstoffeinspritzanreicherung Δτ von etwa 13% ein Minimum annimmt, das etwa 40% niedriger ist als die Kohlenwasserstoffemissionsrate ohne Brennstoffeinspritz­ anreicherung (Δτ = 0).
Durch Optimieren der Brennstoffeinspritzanreicherung Δτ zur Aktivierung des katalytischen Umsetzers 4 mit positiver Wirkung durch die Reaktionsabwärme kann gemäß der vorstehenden Beschreibung die Kohlenwasser­ stoffemission insgesamt vermindert werden. Die Optimierung der Kohlenwasserstoffemission im Abgas wurde in Verbindung mit dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben, wobei jedoch eine gleichartige Optimierung bezüglich der Kohlenmonoxidemission (CO-Emission) erreicht werden kann.
Die Fig. 9A und 9B zeigen Übergangszustände infolge von Optimierungsbestätigungstests durch Anwenden der Steuerung der Brennstoffeinspritzanreicherung im Abgas­ reinigungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer Brennkraftmaschine. Es ist aus den Fig. 9A und 9B erkennbar, daß die Ausströmungs-Abgastemperatur bei fehlender Brennstoffeinspritzanreicherung absinkt, wenn sie einmal die Aktivierungstemperatur des Katalysators überschritten hat, wobei jedoch der aktivierte Zustand etwa neunzehn Sekunden nach dem Start der teilweisen Aktivierung des katalystischen Umsetzers 4 in einem nachfolgenden Betriebszustand mit niedriger Geschwindigkeit oder niedriger Belastung aufrecht erhalten werden kann. Es ist ferner erkennbar, daß die Kohlenwasserstoffkonzentration des aus strömenden Abgases während einer Brennstoffeinspritzanreicherungszeit erheblich niedriger als diejenige bei fehlender Brennstoffeinspritzanreicherung ist, so daß eine befriedigende Abgasreinigung erzielt werden kann.
Nachstehend wird nun ein Steuerungsablauf des Brennstoffeinspritzraten-Vergrößerungsablaufs in der elektronischen Steuerungseinheit ECU 12 zur Verwendung in dem Abgasreinigungssystem für die Brennkraftmaschine gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm von Fig. 10 beschrieben.
Zuerst wird dabei der Betriebszustand der Brenn­ kraftmaschine 1 in Schritt S101 auf der Basis der eingelesenen Signale einschließlich der Maschinendrehzahl NE, einer Ansaugluftmenge QA, einem Ansaugdruck PM, einer Drosselöffnung TA, einer Kühlwassertemperatur THW oder weiteren Signalen der Brennkraftmaschine 1 ermittelt. Der Steuerungsablauf geht sodann zu Schritt S102 über, in welchem entschieden wird, ob die Kühlwassertemperatur THW niedriger als eine vorbestimmte Temperatur Ts entsprechend einem Kaltstart der Brennkraftmaschine ist. Lautet das Entscheidungsergebnis in Schritt S102 NEIN oder liegt kein Kaltstart vor, dann ist der vorliegende Steuerungsablauf (Programm) beendet. Zeigt jedoch die in Schritt S102 angegebene Entscheidung mit JA einen Kaltstart an, dann geht das Programm sodann zu Schritt S103 über, in welchem bestimmt wird, ob eine Startmarke XSTA zur Anzeige eines Maschinenstarts gleich 0 ist. Ergibt die Bestimmung in Schritt S103 die Antwort NEIN zur Angabe des Startzustands, dann wird der Steuerungsablauf beendet.
Ist das Ergebnis der Bestimmung in Schritt S103 JA zur Angabe, daß das Starten (Anlaufen) der Maschine beendet ist, dann geht sodann der Steuerungsablauf zu Schritt S104 über, in welchem auf der Basis des ermittelten Signals des Abgastemperatursensors 7 bestimmt wird, ob die Abgastemperatur Te niedriger als eine vorbestimmte Temperatur Ts1 liegt oder nicht, die zur Aufrechterhaltung des aktivierten Zustands des katalytischen Umsetzers 4 ausreichend ist. Zeigt die Bestimmung in Schritt S104 mit der Antwort NEIN an, daß die Abgastemperatur Te die vorbestimmte Temperatur Ts1 überschreitet, dann wird der Steuerungsablauf beendet.
Ergibt die Bestimmung in Schritt S104 die Antwort JA zur Angabe, daß die Abgastemperatur Te niedriger ist als eine vorbestimmte Temperatur Ts1, dann geht sodann der Steuerungsablauf zu Schritt S105 über, in welchem bestimmt wird, ob eine Leerlaufmarke XIDL zur Angabe des Leerlaufzustands der Brennkraftmaschine 1 gleich 1 ist (XIDL = 1). Ergibt die Bestimmung in Schritt S105 die Antwort JA, dann geht der Steuerungsablauf zu Schritt S106 über, in welchem bestimmt wird, ob eine Fahrzeuggeschwindigkeit SPD kleiner ist als eine vorbestimmte Geschwindigkeit Vs (beispielsweise Vs = 2 Km/h) zur Bestimmung, ob sich das Fahrzeug in einem stehenden Zustand befindet. Ist die Bestimmung in Schritt S106 erfüllt, dann geht der Steuerungsablauf zu Schritt S107 über, in welchem bestimmt wird, ob ein Zeitzähler CSTA zur Zählung einer Startfolgezeit einen Zählwert kleiner als ein vorbestimmter Wert T1 (beispielsweise t1 = 15 sec) annimmt zur Bestimmung, ob eine vorbestimmte Zeitdauer zur teilweisen Aktivierung des katalytischen Umsetzers 4 nach der Vollendung des Maschinenstarts abgelaufen ist.
Ergibt die Bestimmung in Schritt S107 die Antwort JA, die beispielsweise dem Leerlauf zustand der Brennkraftmaschine 1, dem Stoppzustand des Fahrzeugs und dem nicht aktivierten Zustand des katalytischen Umsetzers 4 entspricht, dann geht der Steuerungsablauf zu Schritt S108 über, in welchem die Zündwinkel-Verzögerungs­ steuerung und die Leerlaufdrehzahl-Anhebungssteuerung zur Bewirkung einer frühen Aufwärmungssteuerung des katalytischen Umsetzers 4 durchgeführt werden. Danach geht der Steuerungsablauf zu Schritt S109 über, in welchem bestimmt wird, ob die Abgastemperatur Te über eine vorbestimmte Temperatur Ts2 (Ts2 < Ts1) angestiegen ist, bei der der Einfluß der Kühlung durch die Zufuhr von Sekundärluft vernachlässigt werden kann. Ergibt die Bestimmung in Schritt S109 die Antwort JA, dann geht der Steuerungsablauf zu Schritt S110 über, in welchem die mittels des Elektromotors 8 angetriebene Luftpumpe 9 zur Zuführung der Sekundärluft über die Sekundärluft-Zuführungsöffnung 10 ins Innere des Abgaskrümmers 2 aktiviert wird, worauf der Steuerungsablauf beendet ist. Ist hierbei die Bestimmung im Schritt S109 NEIN, dann wird Schritt S110 im Ablauf übersprungen.
Sind einige der Bestimmungen in den Schritten S105, S106 und S107 nicht erfüllt, dann geht der Steuerungsablauf zu Schritt S111 über, in welchem bestimmt wird, ob der Startfolgezähler CSTA mit seinem Zählwert über einem vorbestimmten Wert t2 (beispielsweise t2 = 80 sec) liegt, der einer vorbestimmten Zeitdauer des katalytischen Umsetzers 5 mit großer Wärmekapazität zur gesamten Aktivierung desselben nach Vollendung des Starts der Brennkraftmaschine 1 entspricht. Ist die Antwort bei der Bestimmung in Schritt S111 JA, dann wird angenommen, daß der katalytische Umsetzer 5 mit großer Wärmekapazität als bereits in seinem gesamten Bereich aktiviert angesehen wird, und der vorliegende Steuerungsablauf ohne eine Maßnahme beendet wird durch die Entscheidung, daß das Absinken der Abgasreinigung, die andererseits durch eine Kühlung mit Abgas bei niedriger Temperatur verursacht werden kann, auch in einem nachfolgenden Betriebszustand mit niedriger Geschwindigkeit oder niedriger Belastung klein ist.
Ist die Bestimmung in Schritt S111 NEIN zur Angabe, daß der katalytische Umsetzer 4 teilweise oder vollständig aktiviert ist, während der katalytische Umsetzer 5 noch nicht ausreichen aktiviert ist, dann geht der Steuerungsablauf zu Schritt S112 über, in welchem eine Brennstoffeinspritzraten-Anreicherungssteuerung gemäß der Betriebsart des vorliegenden Ausführungsbeispiels durchgeführt wird. Der optimale Wert für die Brennstoffeinspritzanreicherung Δτ zu diesem Zeitpunkt kann entweder sequentiell durch die elektronische Steuerungseinheit ECU 12 und Lesen der verschiedenen Signale einschließlich des Erfassungssignals des Temperatursensors 7 und des erfaßten Betriebszustands der Brennkraftmaschine 1 berechnet werden oder kann in Abhängigkeit von einem Kennfeldwert berechnet werden, der entsprechend den verschiedenen Betriebsbedingungen vorliegt. Sodann geht der Steuerungsablauf zu Schritt S110 über, in welchem die Sekundärluft wie vorstehend angegeben, zugeführt wird, worauf der Steuerungsablauf beendet ist.
Somit wird unmittelbar nach dem Kaltstart der Brennkraftmaschine 1 die Brennstoffeinspritzrate ver­ größert, so daß eine Brennstoffanreicherung größer als das stöchiometrische Luft/Brennstoffverhältnis erreicht wird und gleichzeitig die Sekundärluft zugeführt wird, wenn ein Teil des katalytischen Umsetzers 4 die Aktivierungstemperatur erreicht, so daß die Temperaturen des katalytischen Umsetzers 4 und die Abgastemperatur über der Aktivierungstemperatur infolge der Reaktions­ abwärme der vergrößerten Brennstoffmenge im Katalysator 4 aufrecht erhalten werden kann.
Ferner wird der stromauf angeordnete katalytische Umsetzer 4 mit kleinen Abmessungen und kleiner Wärmekapazität auch bei einem Kaltstart der Brennkraft­ maschine 1 schnell aktiviert, so daß er in Verbindung mit der Abgastemperatur bei der Aktivierungstemperatur des Katalysators gehalten werden kann, wobei der stromab angeordnete katalytische Umsetzer 5 mit großer Wärmekapazität in verläßlicher Weise die schädlichen Komponenten in dem aus der Brennkraftmaschine 1 austretenden Abgas reinigen kann.
Obwohl gemäß dem vorliegenden. Ausführungsbeispiel der Temperatursensor 7 in der Nähe der Austrittsöffnung des Abgasrohrs 3 angeordnet ist, kann der Temperatursensor 7 auch in Form einer Vielzahl von Sensoren zur Erfassung des Betriebszustands der Brennkraftmaschine 1 vorgesehen sein zur Bestimmung der Abgastemperatur aus der Information verschiedener Sensoren.
Ist bei einer Brennkraftmaschine 1 ein katalytischer Umsetzer 4 nicht in seinem aktivierten Bereich, dann wird eine Brennstoffeinspritzrate im Hinblick auf eine Vergrößerung korrigiert und es wird Sekundärluft über eine Sekundärluft-Zuführungsöffnung 10 in den katalytischen Umsetzer 4 eingeleitet. Die Brennstoff­ einspritzrate wird auch unmittelbar nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 1 auf einen Wert größer als das stöchiometrische Luft/Brennstoffverhältnis angereichert und die Sekundärluft wird gleichzeitig zugeführt, so daß die Temperaturen des katalytischen Umsetzers 4 und des Abgases über der Aktivierungstemperatur gehalten werden können durch die Reaktionsabwärme der vergrößerten Brennstoffmenge im katalytischen Umsetzer 4, wodurch eine verbesserte Reinigung des Abgases erzielt wird.

Claims (8)

1. Abgasreinigungssystem für eine Brennkraftmaschine (1), gekennzeichnet durch
eine Betriebszustands-Erfassungseinrichtung (6, 7, 12, S101) zur Erfassung des Betriebszustands der Brennkraftmaschine (1) auf der Basis verschiedener Parameter (11) der Brennkraftmaschine (1),
eine Brennstoffeinspritzraten-Berechnungseinrichtung (12) zur Berechnung einer Brennstoffeinspritzrate auf der Basis des erfaßten Betriebszustands der Brennkraft­ maschine (1),
eine Brennstoffzuführeinrichtung (14) zum Zuführen von Brennstoff zur Brennkraftmaschine (1) auf der Basis der mittels der Brennstoffeinspritzraten-Berechnungs­ einrichtung (12) berechneten Brennstoffeinspritzrate,
einen in der Mitte einer Abgasanlage (2, 3) der Brennkraftmaschine (1) angeordneten katalytischen Umsetzer (4, 5) zur Reinigung des Abgases der Brennkraftmaschine (1),
eine Sollreinigungsfaktor-Einstelleinrichtung (12) zur Einstellung eines vorbestimmten Kennlinienbereichs in der Temperatur-/Reinigungskennlinie des katalytischen Umsetzers (4, 5),
eine Brennstoffeinspritzraten-Korrektureinrichtung (12, S112) zur Korrektur der mittels der Brennstoff­ einspritzraten-Berechnungseinrichtung (12) berechneten Brennstoffeinspritzrate im Sinne einer Vergrößerung, falls sich der katalytische Umsetzer (4, 5) außerhalb eines vorbestimmten Aktivierungsbereichs befindet, der mittels der Sollreinigungsfaktor-Einsteileinrichtung (12) in Abhängigkeit von dem erfaßten Betriebszustand eingestellt wird,
eine Sekundärluft-Zuführeinrichtung (9) zum Zuführen von Sekundärluft in die Abgasanlage stromauf des katalytischen Umsetzers (4, 5), und
eine Sekundärluftströmungs-Steuerungseinrichtung (12, S110) zur Steuerung der Zufuhr der Sekundärluft­ strömung durch die Sekundärluft-Zuführeinrichtung (9) auf der Basis des erfaßten Betriebszustands der Brenn­ kraftmaschine (1).
2. Abgasreinigungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Luft/Brennstoffverhältnis des in den katalytischen Umsetzer (4, 5) einströmenden Abgases in der Nähe des stöchiometrischen Werts mit einem Luftüberschußfaktor innerhalb eines Bereichs von 1.0 bis 1.1 gehalten wird.
3. Abgasreinigungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Korrektur der Vergrößerung der Brennstoff­ einspritzrate durchgeführt wird auf der Basis von zumindest einer Berechnung durch die Brennstoff­ einspritzraten-Berechnungseinrichtung und der Brennstoff­ einspritzraten-Korrektureinrichtung und einer Berechnung mittels eines vorbestimmten Kennfeldwerts in Abhängigkeit vom erfaßten Betriebszustand der Brennkraftmaschine (1), und
die Sekundärluftströmung gesteuert wird durch zumindest eine sequentielle Steuerung durch die Sekundärluftströmungs-Steuerungseinrichtung und eine Abschätzung entsprechend einem vorbestimmten Kennfeldwert in Abhängigkeit vom erfaßten Betriebszustand der Brennkraftmaschine (1).
4. Abgasreinigungssystem nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß der katalytische Umsetzer (4, 5) als Katalysatorkomponente auf einer Trägeroberfläche zumindest eines der Edelmetalle der Palladium-Gruppe, Platin und ein Edelmetall der Rhodium-Gruppe, oder ein Gemisch oder eine Verbindung derselben trägt.
5. Abgasreinigungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der katalytische Umsetzer (4, 5) einen katalytischen Umsetzer (4) mit kleinen Abmessungen und kleiner Wärmekapazität sowie einen katalytischen Umsetzer (5) mit großer Kapazität umfaßt, wobei der katalytische Umsetzer (5) stromab des kleinen katalytischen Umsetzers (4) angeordnet ist.
6. Abgasreinigungsverfahren für eine Brennkraftmaschine mit einer Brennstoffeinspritzeinrichtung (14), einer in einer Abgasanlage (2, 3) angeordneten Katalysator­ einrichtung (4, 5) und einer Sekundärluft-Zuführungs­ einrichtung (8, 9) für die Abgasanlage, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte:
Erfassen (S101 bis S107) einer Maschinen­ kaltstartbedingung aus den Betriebsbedingungen der Maschine,
Steuern (S108 bis S110) zumindest der Zündung und der Leerlaufdrehzahl der Maschine während einer Erfassung der Maschinenkaltstartbedingung bei dem Erfassungs­ schritt, zur Anhebung der Temperatur des Katalysators,
Vergrößern (S111, S112) einer Brennstoff­ einspritzrate nach der Maschinenkaltstartbedingung durch die Brennstoffeinspritzeinrichtung zum Zuführen eines gegenüber dem stöchiometrischen Gemischverhältnis angereicherten Gemischs zur Maschine, und
Zuführen (S110) von Sekundärluft in die Abgasanlage in Beziehung zu einer vergrößerten Brennstoff­ einspritzrate entsprechend dem Vergrößerungsschritt, wodurch die Sekundärluft mit der vergrößerten Brennstoffeinspritzrate in der Katalysatoreinrichtung reagiert.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kaltstart der Maschine definiert ist als ein inaktiver Zustand der Katalysatoreinrichtung und zumindest mittels der Abgastemperatur und einer Zeitdauer des Maschinenstarts ermittelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, ferner gekennzeichnet durch den Schritt:
Begrenzen (S111) der Brennstoffanreicherung und der Sekundärluftzufuhr auf eine Zeitdauer, die ausreichend ist zur Aufrechterhaltung eines aktivierten Zustands der Katalysatoreinrichtung.
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