DE19645577A1

DE19645577A1 - Abgasreinigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE19645577A1
Application number: DE19645577A
Authority: DE
Inventors: Hiroki Matuoka; Masaaki Tanaka; Shigemitu Iisaka; Michio Furuhashi; Toshinari Nagai; Tadayuki Nagai; Takashi Kawai; Kenji Harima; Yuuichi Gotou
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1995-11-06
Filing date: 1996-11-05
Publication date: 1997-05-15
Anticipated expiration: 2016-11-06
Also published as: DE19645577C2; JPH09125943A; JP3322098B2; US5904902A

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, und insbesondere eine Abgasreinigungsvorrichtung, bei der ein Katalysator mittels einer elektrischen Heizeinrichtung in Abhängigkeit von einer Verschlechterung im Verlauf der Zeit und von Herstellungstoleranzen in der Heizeinrichtung aufgeheizt wird.

In Abgasanlagen (Abgassystemen) von Brennkraftmaschinen werden Katalysatoren in einem Abgasrohr verwendet zur Entfernung giftiger Substanzen wie Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx) aus dem Abgas. Der Katalysator reinigt das Abgas lediglich nach einem Aufheizen auf seine Betriebstemperatur. Zur Aufheizung des Katalysators werden üblicherweise die heißen Abgase der Brennkraftmaschine verwendet. Wird die Brennkraftmaschine im kalten Zustand gestartet, erfordert es eine Zeitdauer, bis der Katalysator auf seine Betriebstemperatur aufgeheizt wird, da die Temperatur des Abgases zuerst niedrig ist. Bis zur Aktivierung des Katalysators wird daher das Abgas nur unzureichend gereinigt.

Zur Lösung dieses Problems wurde ein elektrisch beheizter Katalysator (electrically heated catalyst EHC) vorgeschlagen. Der elektrisch beheizte Katalysator umfaßt einen Katalysator und einen Metallträger, dem ein Strom beim Starten der Maschine zur schnellen Aufheizung des Katalysators auf seine Betriebstemperatur zugeführt wird. Ein Beispiel eines elektrisch beheizte Katalysators ist in der japanischen Offenlegungsschrift NR. 5-179 939 offenbart. Der elektrisch beheizte Katalysator nimmt jedoch eine große Leistung auf, so daß während des Leerlaufs ein Spannungseinbruch an einer Batterie auftritt.

Zur Verhinderung eines solchen Spannungseinbruchs wird gemäß der japanischen Offenlegungsschrift NR. 6-101 459 ein Leerlaufzustand und ein Betrieb der Heizeinrichtung überprüft.

Wird die Heizeinrichtung während des Leerlaufzustands der Maschine betrieben, dann wird gemäß der Offenbarung die Ansaugluftmenge durch entsprechendes Steuern eines elektronischen Drosselventils oder einer Leerlaufdrehzahl-Steuerungseinrichtung, die im Ansaugsystem der Maschine vorgesehen sind, vergrößert. Mit der Vergrößerung der Ansaugluftmenge wird auch die Brennstoffeinspritzmenge zur Vergrößerung des Drehmoments und der Leerlaufdrehzahl der Maschine vergrößert. Dies führt zu einer Vergrößerung der erzeugten Leistung des Generators zu Kompensation des Spannungseinspruchs der Batterie.

Bei dieser Offenbarung wird eine Zeitdauer für den Betrieb der Heizeinrichtung gemäß der Temperatur des Kühlwassers der Brennkraftmaschine ohne Berücksichtigung einer Verschlechterung des Widerstands der Heizeinrichtung im Verlauf der Zeit und der Fertigungstoleranzen der Heizeinrichtung bestimmt. In der Folge kann die Zeitdauer zum Betrieb der Heizeinrichtung zu lange oder zu kurz für den Katalysator gewählt werden. Im Ergebnis wird der Katalysator mittels der Heizeinrichtung und der Wärme des Abgases entweder sehr stark oder nur ungenügend aufgeheizt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Abgasreinigungsvorrichtung für Brennkraftmaschinen der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß eine gute Aufheizung des Katalysators mittels einer elektrischen Heizeinrichtung unter Berücksichtigung einer Verschlechterung der Heizeinrichtung im Verlauf der Zeit und der Fertigungstoleranzen gewährleistet ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im Patentanspruch I angegebenen Mitteln gelöst.

Die Abgasreinigungsvorrichtung für Brennkraftmaschinen gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt einen in einem Abgasrohr angeordneten Katalysator, eine elektrische Heizeinrichtung zum erzwungenen Aufheizen des Katalysators und eine Leistungsquelle zur Zuführung von Leistung zur Heizeinrichtung. Die Abgasreinigungsvorrichtung ist gekennzeichnet durch eine Schätzeinheit zum Schätzen einer Temperatur, die der Katalysator erreichen wird, einen Komparator zur Bereitstellung einer Differenz zwischen der geschätzten Temperatur und einer Solltemperatur, und eine Betriebssteuerungseinrichtung zur Steuerung der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden ebenfalls die an der Heizeinrichtung anliegende Spannung und der Strom durch die Heizeinrichtung gemessen, woraus der Widerstand der Heizeinrichtung in Abhängigkeit von der Spannung und dem Strom berechnet wird, und es wird die Temperatur geschätzt, die der Katalysator in Verbindung mit dem Widerstand erreichen wird.

Gemäß der Erfindung werden die Spannung und der Strom der Heizeinrichtung gemessen, wird die aufgenommene Leistung in Abhängigkeit von der Spannung und dem Strom berechnet und wird die Temperatur, die der Katalysator erreichen wird, in Abhängigkeit von der Leistung geschätzt.

Ferner wird ebenfalls die Ansaugluftmenge und die Zündzeit in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen der geschätzten und der Solltemperatur angepaßt.

Eine Vergrößerung der Ansaugluftmenge führt zu einer Vergrößerung der Brennstoffeinspritzmenge, da das Luft- Brennstoff-Verhältnis der Brennkraftmaschine in der Weise gesteuert wird, daß keine Änderung auftritt. Dies führt zu einer Vergrößerung der Maschinendrehzahl und der Temperatur des Abgases zur schnellen Aufheizung des Katalysators auf seine Betriebstemperatur. Eine Verzögerung der Zündzeitpunkte der Brennkraftmaschine verzögert den Beginn der Verbrennung in jedem Zylinder und führt zu einer schnelleren Öffnung jedes Auslaßventils. Dabei wird ebenfalls die Temperatur des Abgases zur schnellen Aufheizung des Katalysators auf seine Betriebstemperatur vergrößert.

Erfindungsgemäß werden des weiteren die Zündzeitpunkte (Zündverstellung) der Brennkraftmaschine und sodann die Ansaugluftmenge zur Aufrechterhaltung der Maschinendrehzahl angepaßt.

Eine Verzögerung der Zündzeitpunkte der Brennkraftmaschine verzögert den Beginn der Verbrennung in jedem Zylinder und beschleunigt die Öffnung jedes Auslaßventils, wobei sich die Temperatur des Abgases erhöht. Das Abgas heizt und aktiviert dadurch den Katalysator schnell. Dies führt jedoch zu einer Verminderung des Drehmoments und der Drehzahl der Maschine. Zur Aufrechterhaltung einer vorgegebenen Maschinendrehzahl wird daher die Ansaugluftmenge vergrößert.

Tritt ein abnormaler Zustand auf, bei dem der Heizeinrichtung keine Leistung zugeführt wird, dann werden die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine zur Vergrößerung der Temperatur des Abgases bei der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung ebenfalls angepaßt.

Die Leistungszufuhr zur Heizeinrichtung wird beendet, wenn beispielsweise die Spannung der Leistungsquelle zu niedrig wird, oder in der Heizeinrichtung ein Fehler auftritt. In diesem Fall wird erfindungsgemäß die Ansaugluftmenge vergrößert und es werden die Zündzeitpunkte verzögert zur Vergrößerung der Temperatur des Abgases.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Abgasreinigungsvorrichtung mit einem elektrisch beheizten Katalysator und einer Heizeinrichtung zur Aufheizung des Katalysators gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine Leerlaufdrehzahl-Steuerungseinrichtung (ISC),

Fig. 3 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Programms zur Steuerung der Heizeinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 eine graphische Darstellung eines Kennfelds zur Verwendung bei der Abschätzung der Temperatur des Katalysators in Abhängigkeit vom Widerstand der Heizeinrichtung,

Fig. 5 eine graphische Darstellung eines Kennfelds zur Verwendung bei der Abschätzung der Temperatur des Katalysators gemäß der Leistungsaufnahme der Heizeinrichtung,

Fig. 6 ein graphische Darstellung eines Kennfelds zur Verwendung bei der Berechnung der Ansaugluftmenge gemäß der Differenz zwischen einer Solltemperatur und einer geschätzten Temperatur der Heizeinrichtung,

Fig. 7 eine graphische Darstellung eines Kennfelds zur Verwendung bei der Berechnung von Zündzeitpunkten gemäß der Differenz zwischen der Solltemperatur und der geschätzten Temperatur der Heizeinrichtung,

Fig. 8 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Programms zur Steuerung der Heizeinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 9 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Programms zur Steuerung der Heizeinrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, und

Fig. 10 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Programms zur Steuerung der Heizeinrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.

Fig. 1 zeigt eine Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Abgasreinigungsvorrichtung umfaßt einen mittels einer nachstehend vereinfacht als Maschine bezeichneten Brennkraftmaschine 1 angetriebenen Wechselstromgenerator 2, eine in einem Ansaugsystem der Maschine 1 angeordnete Ansaugsteuerungseinrichtung 3 zur Steuerung der Ansaugluftmenge, und einen in einem Abgassystem der Maschine 1 angeordneten elektrisch beheizten Katalysator (electrically heated catalyst EHC) 4. Der elektrisch beheizte Katalysator 4 umfaßt ein elektrisches Heizgerät zur Aufheizung. Ein Dreiwege-Katalysator 4a ist im Abgassystem stromab des elektrisch beheizten Katalysators 4 angeordnet. Der Dreiwege-Katalysator weist keine Heizeinrichtung auf und wird mittels der Wärme des Abgases aufgeheizt. Die Ansaugsteuerungseinrichtung 3 kann in Form eines elektronischen Drosselventils vorgesehen sein, das auf ein Beschleunigungspedal oder eine elektronische Steuerungseinheit 5 anspricht, zur Ansteuerung eines Schrittmotors in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung zur Vergrößerung oder Verminderung der Ansaugluftmenge. Die Ansaugsteuerungseinrichtung 3 umfaßt ferner eine Leerlaufdrehzahl-Steuerungseinrichtung (idling speed controller ISC), die nachstehend noch beschrieben wird. Die elektronische Steuerungseinheit 5 umfaßt einen Mikrocomputer mit einer Zentraleinheit CPU, einen Nur-Lese-Speicher ROM (Festwertspeicher), einen Schreib-Lese-Speicher, eine Eingangsschnittstelle, eine Ausgangsschnittstelle und einen Datenbus zur Verbindung der jeweiligen Komponenten. Die elektronische Steuerungseinheit 5 steuert die Brennstoffeinspritzung, die Zündzeitpunkte und die Leistungszufuhr zur Heizeinrichtung.

Ein (nicht gezeigter) Durchflußmesser ist in einem Ansaugrohr vorgesehen zur Bildung eines Spannungssignals proportional zur Ansaugluftmenge. Ein (nicht gezeigter) Wassertemperatursensor ist an einem (nicht gezeigten) Kühlwassermantel der Maschine 1 angeordnet zur Bildung eines Spannungssignals proportional zur Temperatur des Kühlwassers der Maschine 1. Ein (nicht gezeigtes) Voltmeter ist parallel zu einer Batterie 6 vorgesehen zur Bildung eines Signals zur Angabe der Klemmenspannung der Batterie 6. Diese Signale werden der Eingangsschnittstelle der elektronischen Steuerungseinheit 5 zugeführt. Eine Klemmenspannung der Heizeinrichtung ist gleich der Klemmenspannung der Batterie 6 und wird der Eingangsschnittstelle der elektronischen Steuerungseinheit 5 zugeführt. Ein Strom durch die Heizeinrichtung wird als Klemmenspannung eines in Reihe mit der Heizeinrichtung geschalteten Widerstandes erfaßt und wird der Eingangsschnittstelle der elektronischen Steuerungseinheit 5 zugeführt. Ein (nicht gezeigter) Kurbelwinkelsensor ist an einem (nicht gezeigten) Verteiler der Maschine 1 angeordnet und stellt ein Signal zur Angabe eines Kurbelwinkels (Kurbelwellenwinkel) bereit. Dieses Signal wird ebenfalls der Eingangsschnittstelle der elektronischen Steuerungseinheit 5 zugeführt und wird zur Berechnung der Maschinendrehzahl verwendet.

Die Ausgangsschnittstelle der elektronischen Steuerungseinheit 5 führt der Ansaugsteuerungseinrichtung 3 ein Signal zur Änderung der Ansaugluftmenge zu, führt einem Regler 7 ein Signal zur Änderung des Erregerstroms (Feldstroms) des Wechselstromgenerators 2 zu, führt einem Schalter 8 ein Steuerungssignal zum Ein- und Ausschalten der Heizeinrichtung zu, und führt einer Zündanlage 9, die mit einer Zündkerze verbunden ist, ein Zündsignal für jeden Zylinder zu.

Die Heizeinrichtung ist einstückig (integral) mit dem elektrisch beheizten Katalysator 4 gebildet und mit einer Leistungsquelle verbunden. Die Leistungsquelle besteht aus dem Wechselstromgenerator 2 und der Batterie 6, die zueinander parallel geschaltet sind. Eine mittels des Wassertemperatursensors ermittelte Temperatur und eine gemäß dem Ausgangssignal des Kurbelwinkelsensors berechnete Maschinendrehzahl NE werden zur Bestimmung verwendet, ob der elektrisch beheizte Katalysator 4 aktiviert ist. Der Regler 7 ändert das Magnetfeld des Wechselstromgenerators 2 zur Änderung der erzeugten Leistung. Der Schalter 8 ist in Form eines Steuerungsrelais ausgeführt, das die Leistungsquelle mit dem elektrisch beheizten Katalysator 4 verbindet, wenn dieser nicht aktiviert ist.

Die Batterie 6 erhält ständig Leistung vom Wechselstromgenerator 2 und gibt Leistung an den elektrisch beheizten Katalysator 4, die elektronische Steuerungseinheit 5, den Regler 7 und weitere Teile ab. Der Regler 7 vergrößert den Erregerstrom des Wechselstromgenerators, falls die Spannung der Batterie 6 in Folge einer Belastung abfällt. Der Erregerstrom des Wechselstromgenerators wird durch eine Steuerung des Lastfaktors geändert. Der Schalter 8 umfaßt einen (nicht gezeigten) Widerstand, der in Reihe mit der Heizeinrichtung des elektrisch beheizten Katalysators 4 geschaltet ist zur Erfassung eines Stroms von der Leistungsquelle zur Heizeinrichtung. Der Widerstand ist elektrisch mit der elektronischen Steuerungseinheit 5 verbunden, die in Abhängigkeit von der an dem Widerstand anliegenden Klemmenspannung den Strom durch die Heizeinrichtung berechnet. Die Batterie 6 ist elektrisch mit der elektronischen Steuerungseinheit 5 verbunden, die den Widerstand und die Leistungsaufnahme der Heizeinrichtung in Abhängigkeit von einer Klemmenspannung der Batterie 6 und dem in Abhängigkeit von der Klemmenspannung des Widerstands berechneten Strom durch die Heizeinrichtung berechnet. Alternativ kann der Strom durch die Heizeinrichtung unter Verwendung eines Stromtransformators CT berechnet werden.

Nachstehend wird das Öffnen und Schließen des Schalters 8 beschrieben.

Bestimmt die elektronische Steuerungseinheit, daß der elektrisch beheizte Katalysator 4 nicht aktiviert ist, dann wird der Schalter 8 zur Zuführung einer Leistung von der Leistungsquelle zum elektrisch beheizten Katalysator 4 eingeschaltet (geschlossen) . Da der Wechselstromgenerator 2 der Batterie 6 Leistung zuführt, steuert die elektronische Steuerungseinheit 5 den Regler 7 zur Steuerung des Erregerstroms des Wechselstromgenerators 2, so daß die Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators 2 etwa 14 V oder niedriger ist. Ist der elektrisch beheizte Katalysator 4 aktiviert, öffnet die elektronische Steuerungseinheit 5 den Schalter 8 zum Abschalten des elektrisch beheizten Katalysator 4 von der Leistungsquelle.

Die Zündanlage (Zündschaltung) 9 ist mit der (nicht gezeigten) Zündkerze jedes (nicht gezeigten) Zylinders der Maschine 1 verbunden. Die elektronische Steuerungseinheit 5 steuert die Zündanlage 9 zur Zündung jeder Zündkerze zu einem Zeitpunkt, der in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Kurbelwinkelsensors bestimmt wird.

Nachstehend wird nun ein Beispiel der Leerlaufdrehzahl-Steuerungseinrichtung unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben, die als Ansaugsteuerungseinrichtung 3 dient.

Die Leerlaufdrehzahl-Steuerungseinrichtung umfaßt eine Maschine 21, einen Ansaugkanal 22, ein Drosselventil 23, einen Luftdurchflußmesser 24 und einen Druckausgleichsbehälter 25. Ein Umgehungsweg (Bypass) 26 umgeht das Drosselventil 23 zur Verbindung eines Teils des Ansaugkanals 22 zwischen dem Drosselventil 23 und dem Luftdurchflußmesser 24 mit dem Druckausgleichsbehälter 25. Ein Leerlaufdrehzahl-Steuerungsventil 28 ist im Umgehungsweg 26 vorgesehen und wird mittels eines Betätigungsglieds 27, wie beispielsweise einem Schrittmotor, angetrieben. Das Betätigungsglied 27 ist beispielsweise mit der Ausgangsschnittstelle der elektronischen Steuerungseinheit 5 gemäß Fig. 1 verbunden, so daß die elektronische Steuerungseinheit 5 das Öffnen des Leerlaufdrehzahl-Steuerungsventils 28 über das Betätigungsglied 27 steuert zur Steuerung der Ansaugluftmenge unabhängig vom Drosselventil 23.

Programme zur Steuerung der Heizeinrichtung gemäß den Ausführungsbeispielen werden nachstehend unter Bezugnahme auf die jeweiligen Figuren beschrieben.

Fig. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Programms zur Steuerung der Heizeinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Das nachstehend beschriebene Programm wird jeweils in Intervallen von 100 ms durchgeführt (verarbeitet) Schritt 301 bestimmt, ob die Bedingungen zur Aktivierung der Heizeinrichtung erfüllt sind. Sind die Bedingungen erfüllt, wird Schritt 302 ausgeführt, und sind die Bedingungen nicht erfüllt, wird Schritt 303 ausgeführt. Die Aktivierungsbedingungen der Heizeinrichtung, die sämtlich erfüllt sein müssen, sind wie folgt: -10°C < THW < 35°C, wobei THW die Kühlwassertemperatur der Maschine 1 ist, NE < 500 1/min, wobei NE die Maschinendrehzahl ist, BAT < 10 V, wobei BAT die Spannung der Batterie 6 ist, und eine Heizeinrichtungs-Störungsmarke zur Anzeige einer Störung oder einer Unterbrechung der Heizeinrichtung muß ausgeschaltet sein. In Schritt 302 wird eine Heizeinrichtungsmarke überprüft zur Erfassung, ob die Heizeinrichtung eingeschaltet ist. Ist die Heizeinrichtung eingeschaltet, endet das Programm, und ist sie nicht eingeschaltet, wird Schritt 304 durchgeführt. Schritt 303 setzt die Heizgerätemarke zurück (AUS), da die Aktivierungsbedingungen für die Heizeinrichtung nicht vollständig erfüllt sind. Schritt 304 schaltet die Heizeinrichtung über den Schalter 8 ein und berechnet eine Heizeinrichtungs-Einschaltdauer entsprechend der Maschinendrehzahl NE und der Kühlwassertemperatur THW auf der Basis eines (nicht gezeigten) Kennfelds. Schritt 304 stellt einen Zeitgeber für die Heizeinrichtungs-Einschaltdauer ein. Schritt 305 liest eine Klemmenspannung der Heizeinrichtung und einen Strom durch die Heizeinrichtung und berechnet daraus in entsprechender Weise den Widerstand der Heizeinrichtung. Der Widerstand oder die Leistungsaufnahme der Heizeinrichtung werden verwendet zur Bestimmung eines Kennfelds zum Abschätzen einer Temperatur, die der elektrisch beheizte Katalysator 4 nach der Heizeinrichtungs-Einschaltdauer erreichen wird. Vor einer Beschreibung des Schritts 306 wird das Kennfeld beschrieben.

Fig. 4 zeigt das Kennfeld zur Verwendung bei der Abschätzung einer Temperatur, die der elektrisch beheizte Katalysator 4 am Ende der Heizeinrichtungs-Einschaltdauer in Abhängigkeit vom Widerstand der Heizeinrichtung erreichen wird, und Fig. 5 zeigt das Kennfeld zur Durchführung der gleichen Abschätzung in Abhängigkeit von der Leistungsaufnahme der Heizeinrichtung. Diese Kennfelder und Schritt 305 entsprechen der Schätzeinrichtung. Das Kennfeld gemäß Fig. 4 wird bestimmt durch Versorgen der Heizeinrichtung mit Leistung, wobei die Heizeinrichtung unterschiedliche Widerstandswerte von einem Kaltstart an aufweist und durch Messen der Temperatur des elektrisch beheizten Katalysators 4 für jede Heizeinrichtung nach etwa 20 Sekunden der Leistungszufuhr. Das Kennfeld ist im Festwertspeicher ROM gespeichert. Das Kennfeld gemäß Fig. 5 wird durch Versorgen der Heizeinrichtungen mit Energie bestimmt, wobei die Heizeinrichtungen unterschiedliche Leistungsaufnahmepegel von einem Kaltstart an aufweisen, und durch Messen der Temperatur des elektrisch beheizten Katalysators 4 jede Heizeinrichtung etwa 20 Sekunden nach der Leistungszufuhr. Das Kennfeld ist im Festwertspeicher ROM gespeichert.

Bezüglich des Ablaufdiagramms gemäß Fig. entsprechen die Schritte 306 und 307 der Differenzbildungseinrichtung.

Schritt 306 bestimmt, ob die geschätzte Temperatur der Heizeinrichtung, wie sie aus dem in Fig. 4 gezeigten Kennfeld auf der Basis des in Schritt 305 berechneten Widerstands der Heizeinrichtung gefunden wurde, über einer Solltemperatur liegt oder nicht. Liegt die Schätzung über dem Sollwert, wird Schritt 309 durchgeführt, und trifft dies nicht zu, wird Schritt 307 ausgeführt. Die Solltemperatur ist gleich der Aktivierungstemperatur des elektrisch beheizten Katalysators 4, die üblicherweise bei 400°C liegt. Schritt 307 bestimmt, ob die geschätzte Temperatur unterhalb der Solltemperatur liegt oder nicht. Liegt die Schätzung unterhalb des Sollwerts, wird Schritt 308 durchgeführt, trifft dies nicht zu, d. h. ist die Abschätzung gleich dem Sollwert, wird Schritt 310 durchgeführt. Die Schritte 308 und 309 entsprechen der Steuerungseinrichtung zur Anpassung der Ansaugluftmenge und der Zündzeitpunkte in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der geschätzten Temperatur und der Solltemperatur.

In Schritt 308 ist die Solltemperatur abzüglich der geschätzten Temperatur positiv, so daß der elektrisch beheizte Katalysator 4 schneller als üblich aufgeheizt werden muß. In Schritt 308 wird daher eine Vergrößerung der Ansaugluftmenge entsprechend der Differenz zwischen der Solltemperatur und der geschätzten Temperatur aus dem in Fig. 6 gezeigten Kennfeld bestimmt, und die Ansaugsteuerungseinrichtung 3 vergrößert die Ansaugluftmenge in entsprechender Weise. Gleichzeitig wird die Brennstoffeinspritzmenge ebenfalls vergrößert, da die Regelung eine unveränderte Aufrechterhaltung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses der Maschine bewirkt. Folglich wird die Maschinendrehzahl vergrößert zur Vergrößerung der Temperatur des Abgases zur schnelleren Aufheizung als üblich des elektrisch beheizten Katalysators 4 auf seine Betriebstemperatur. Ferner werden in Schritt 308 Zündzeitpunkte aus dem Kennfeld gemäß Fig. 7 in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Solltemperatur und der geschätzten Temperatur bestimmt. Die ausgewählten Zündzeitpunkte liegen auf der Verzögerungsseite (Nacheilung) bezüglich des oberen Totpunkts TDC im Vergleich zu den üblichen Werten und entspricht beispielsweise einem Kurbelwinkel von 50° und Voreilung gegenüber dem oberen Totpunkt. Dies bewirkt eine Verzögerung des Beginns der Verbrennung in jedem Zylinder und eine Beschleunigung der Öffnung jedes Auslaßventils, so daß eine Vergrößerung der Temperatur des Abgases zur schnelleren Aufheizung des elektrisch beheizten Katalysators 4 auf seine Betriebstemperatur gewährleistet ist.

Ist in Schritt 309 die Solltemperatur abzüglich der geschätzten Temperatur negativ, ist es nicht erforderlich, den elektrisch beheizten Katalysators 4 schnell aufzuheizen. Schritt 309 berechnet eine Verminderung der Ansaugluftmenge unter Berücksichtigung des Kennfelds gemäß Fig. 6 in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Solltemperatur und der geschätzten Temperatur. Ferner berechnet Schritt 309 normale Zündzeitpunkte unter Berücksichtigung des Kennfelds gemäß Fig. 7 in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Solltemperatur und der geschätzten Temperatur. Die Zündzeitpunkte entsprechen beispielsweise einem Kurbelwinkel von 100 Voreilung gegenüber dem oberen Totpunkt. Im Ergebnis vermindert die Ansaugsteuerungseinrichtung 3 die Ansaugluftmenge. Gleichzeitig wird die Brennstoffeinspritzmenge vermindert, da das Luft- Brennstoff-Verhältnis der Maschine 1 derart gesteuert wird, daß keine Änderung auftritt. Sodann vermindert sich die Maschinendrehzahl zur Verminderung der Temperatur des Abgases, so daß der elektrisch beheizte Katalysator 4 langsam auf seine Betriebstemperatur aufgeheizt wird. In Schritt 310 wird die Heizeinrichtungsmarke auf EIN gesetzt. Im nachfolgenden Zyklus des Programms bestimmt Schritt 301, daß sämtliche Aktivierungsbedingungen erfüllt sind, und Schritt 302 bestimmt, daß die Heizeinrichtungsmarke gesetzt ist. Die Schritte 304 bis 310 werden einmalig durchgeführt. Schritt 311 bestimmt, ob der Zeitgeber in Schritt 304 die Heizeinrichtungs-Einschaltdauer gezählt hat oder nicht. Ist die Heizeinrichtungs-Einschaltdauer abgelaufen, wird Schritt 312 durchgeführt, und ist sie noch nicht abgelaufen, wird erneut Schritt 301 durchgeführt. In Schritt 312 wird die Heizeinrichtung abgeschaltet und das Programm beendet.

Somit wird gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Widerstand der Heizeinrichtung berechnet und eine Temperatur, die der elektrisch beheizte Katalysator 4 erreichen wird, wird berechnet unter Berücksichtigung des Kennfelds von Fig. 4 und entsprechend dem Widerstand. Ist die geschätzte Temperatur niedriger als die Solltemperatur, wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Ansaugluftmenge unter Berücksichtigung des Kennfelds gemäß Fig. 6 vergrößert zur Vergrößerung der Maschinendrehzahl NE und der Temperatur des Abgases. Gleichzeitig werden gemäß dem Ausführungsbeispiel die Zündzeitpunkt in Abhängigkeit von dem in Fig. 7 gezeigten Kennfeld verzögert zur Vergrößerung der Temperatur des Abgases. Dies führt zu einer Aufheizung des elektrisch beheizten Katalysators 4 auf seine Betriebstemperatur, die schneller als normal erfolgt. Ist die geschätzte Temperatur höher als die Solltemperatur, wird gemäß dem Ausführungsbeispiel die Ansaugluftmenge in Abhängigkeit von dem in Fig. 6 gezeigten Kennfeld vermindert und es werden normale Zündzeitpunkte entsprechend dem in Fig. 7 gezeigten Kennfelds ausgewählt zur Verminderung der Maschinendrehzahl und zur Verminderung der Temperatur des Abgases. Im Ergebnis erreicht der elektrisch beheizte Katalysator 4 langsam seine Betriebstemperatur.

Fig. 8 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Programms zur Steuerung der Heizeinrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Schritte 801 bis 812 von Fig. 8 sind die gleichen wie die Schritte 301 bis 312 von Fig. 3, mit Ausnahme der Schritte 805 bis 807, so daß lediglich diese Schritte 805 bis 807 nachfolgend im einzelnen beschrieben werden. Schritt 805 liest eine Klemmenspannung der Heizeinrichtung sowie einen Strom durch die Heizeinrichtung ein und berechnet die entsprechende Leistungsaufnahme der Heizeinrichtung. Die berechnete Leistungsaufnahme wird verwendet zur Abschätzung einer Temperatur, der elektrisch beheizte Katalysator 4 unter Berücksichtigung des Kennfelds gemäß Fig. 5 erreichen wird. In den Schritten 806 und 807 wird die geschätzte Temperatur verwendet.

Ist die geschätzte Temperatur niedriger als eine Solltemperatur, wird gemäß dem Ausführungsbeispiel die Ansaugluftmenge entsprechend dem in Fig. 6 gezeigten Kennfeld vergrößert zur Vergrößerung der Maschinendrehzahl und der Temperatur des Abgases. Gleichzeitig werden gemäß dem Ausführungsbeispiel die Zündzeitpunkte unter Berücksichtigung des in Fig. 7 gezeigten Kennfeldes verzögert zur Vergrößerung der Temperatur des Abgases. Im Ergebnis wird der elektrisch beheizte Katalysator 4 schneller als üblich auf seine Betriebstemperatur aufgeheizt. Ist die geschätzte Temperatur höher als die Solltemperatur, wird gemäß dem Ausführungsbeispiel die Ansaugluftmenge unter Berücksichtigung des in Fig. 6 gezeigten Kennfelds vermindert und es werden normale Zündzeitpunkte in Abhängigkeit von dem Kennfeld gemäß Fig. 7 ausgewählt zur Verminderung der Maschinendrehzahl und der Temperatur des Abgases. Im Ergebnis erreicht der elektrisch beheizte Katalysator 4 langsam seine Betriebstemperatur.

Fig. 9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Programms zur Steuerung der Heizeinrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel. Die Schritte der Fig. 3 und 9 entsprechen einander im wesentlichen. Es werden daher die speziellen Schritte gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel beschrieben. In den Schritten 908 und 909 werden lediglich die Zündzeitpunkte ohne Anpassung der Ansaugluftmenge eingestellt (angepaßt) . Die Schritte 911 und 912 sind zusätzlich vorgesehen, so daß jeweils die Schritte 913 und 914 den Schritten 311 und 312 entsprechen. In Schritt 911 wird eine Berechnung ΔNEi = NEi-1 - NEi durchgeführt, wobei NEi-1 eine Maschinendrehzahl im vorhergehenden Zyklus und NEi eine Maschinendrehzahl des gegenwärtigen Zyklusses darstellt. Schritt 912 steuert die Ansaugsteuerungseinrichtung 3 zur Vergrößerung der Ansaugluftmenge, falls ΔNEi positiv ist, und vermindert dieselbe, falls ΔNEi negativ ist. Schritt 913 bestimmt, ob der in Schritt 904 eingestellte Zeitgeber eine Heizeinrichtungs-Einschaltdauer gezählt hat. Ist die Heizeinrichtungs-Einschaltdauer abgelaufen, wird Schritt 914 durchgeführt, und ist sie noch nicht abgelaufen, wird Schritt 901 wiederholt. Schritt 914 schaltet die Heizeinrichtung aus und beendet das Programm. Auf diese Weise wird gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Widerstand der Heizeinrichtung berechnet und es wird eine Temperatur unter Berücksichtigung des in Fig. 5 gezeigten Kennfelds entsprechend dem Widerstand geschätzt, die der elektrisch beheizte Katalysator 4 erreichen wird. Ist die geschätzte Temperatur niedriger als eine Solltemperatur, werden gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel die Zündzeitpunkte unter Berücksichtigung des Kennfelds von Fig. 7 verzögert zur Vergrößerung der Temperatur des Abgases, so daß der elektrisch beheizte Katalysator 4 seine Betriebstemperatur schneller als normal erreicht. Ist die geschätzte Temperatur höher als die Solltemperatur, werden gemäß dem Ausführungsbeispiel normale Zündzeitpunkte unter Berücksichtigung des Kennfelds gemäß Fig. 7 ausgewählt zur Aufrechterhaltung des Verbrennungszustands der Maschine 1 und der Temperatur des Abgases. Im Ergebnis erreicht der elektrisch beheizte Katalysator 4 seine Betriebstemperatur in normaler Weise. Werden die Zündzeitpunkte verzögert, wird gemäß dem Ausführungsbeispiel die Ansaugluftmenge derart gesteuert, daß keine Änderung der Maschinendrehzahl NE auftritt. Insbesondere werden gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel lediglich die Zündzeitpunkte zur Vergrößerung der Temperatur des Abgases verzögert, und es erfolgt eine Korrektur der Ansaugluftmenge zur unveränderten Aufrechterhaltung der Maschinendrehzahl NE.

Fig. 10 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Programms zur Steuerung der Heizeinrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom dritten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 in den Schritten 1002, 1002a, 1002b und 1002c. Schritt 1002 bestimmt, ob sich die Batterie 6 im Normalzustand befindet, oder ob die Spannung BAT der Batterie 6 oberhalb von 11 V liegt. Befindet sich die Batterie 6 im Normalzustand, dann wird Schritt 1002a durchgeführt, und trifft dies nicht zu, dann wird Schritt 1002b durchgeführt. Schritt 1002a überprüft die Heizeinrichtungsmarke zur Bestimmung, ob die Heizeinrichtung eingeschaltet ist. Ist die Heizeinrichtung eingeschaltet, dann wird Schritt 1011 durchgeführt und ist sie nicht eingeschaltet, dann wird Schritt 1004 durchgeführt. Schritt 1002 schaltet die Heizeinrichtung über den Schalter 8 ab, da sich die Batterie 6 in einem abnormalen Zustand befindet. Schritt 1002c vergrößert die Ansaugluftmenge zur Vergrößerung der Maschinendrehzahl und der Temperatur des Abgases. Gleichzeitig werden in Schritt 1002c die Zündzeitpunkte zur Vergrößerung der Temperatur des Abgases verzögert. Im Ergebnis wird der elektrisch beheizte Katalysator 4 schneller als üblich auf seine Betriebstemperatur aufgeheizt.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung weist die Abgasreinigungsvorrichtung eine Schätzeinrichtung zum Schätzen der Temperatur auf, die der elektrisch beheizte Katalysator 4 erreichen wird, einen Komparator zur Bildung der Differenz zwischen der geschätzten Temperatur und der Solltemperatur, und eine Betriebssteuerungseinrichtung zur Steuerung der Betriebsbedingungen der Maschine 1 in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz. Mittels der Abgasreinigungsvorrichtung für Brennkraftmaschinen wird der Katalysator unter Berücksichtigung einer Verschlechterung im Laufe der Zeit oder von Fertigungstoleranzen bei der Heizeinrichtung in angemessener Weise aufgeheizt. Weist die Heizeinrichtung einen hohen Widerstand auf, dann wird der Katalysator nur unzureichend aufgeheizt. Die Abgasreinigungsvorrichtung gemäß den Ausführungsbeispielen steuert die Betriebsbedingungen der Maschine zur Vergrößerung der Temperatur des Abgases zur Unterstützung der Heizeinrichtung und zum guten und schnellen Aufheizen des Katalysators. Weist die Heizeinrichtung einen niedrigen Widerstand auf, dann wird der Katalysator sehr stark aufgeheizt. In entsprechender Weise steuert die Abgasreinigungvorrichtung die Betriebsbedingungen der Maschine zur Verminderung der Temperatur des Abgases zur Entlastung der Heizeinrichtung und guten Aufheizung des Katalysators. Somit werden eine unnötige Verwendung der Heizeinrichtung und der Batterie verhindert, so daß die Lebensdauer des Katalysators, der Heizeinrichtung und der Batterie verlängert wird. Bei der Abgasreinigungvorrichtung wird ebenfalls eine Temperatur geschätzt, die der Katalysator in Abhängigkeit vom Widerstand der Heizeinrichtung erreichen wird und es wird die gleiche Abschätzung durchgeführt in Abhängigkeit von der Leistungsaufnahme der Heizeinrichtung, worauf die Ansaugluftmenge und die Zündzeitpunkte zur guten Aufheizung angepaßt werden.

Bei der Abgasreinigungsvorrichtung werden ebenfalls die Zündzeitpunkte der Maschine verzögert und sodann die Ansaugluftmenge vergrößert zur Aufrechterhaltung einer vorbestimmten Maschinendrehzahl, so daß der Fahrer nicht irritiert wird.

Wird ein abnormaler Zustand, d. h. keine Leistungszufuhr zur Heizeinrichtung ermittelt, dann werden bei der Abgasreinigungsvorrichtung die Ansaugluftmenge vergrößert und die Zündzeitpunkte verzögert, so daß die Temperatur des Abgases ansteigt und den Katalysator schnell aufheizt.

Die Abgasreinigungsvorrichtung für Brennkraftmaschinen ist somit in der Lage, einen Katalysator unter Berücksichtigung einer Verschlechterung im Verlauf der Zeit und von Fertigungstoleranzen bei einer elektrischen Heizeinrichtung zur Aufheizung des Katalysators in befriedigender Weise aufzuheizen.

Die Abgasreinigungsvorrichtung umfaßt einen in einem Abgasrohr angeordneten Katalysator, eine Heizeinrichtung zum zwangsläufigen Aufheizen des Katalysators, eine Leistungsquelle zum Zuführen von Leistung zur Heizeinrichtung, eine Schätzeinrichtung zur Abschätzung der Temperatur, die der Katalysator erreichen wird, einen Komparator zur Bildung einer Differenz zwischen der geschätzten Temperatur und einer Solltemperatur und eine Betriebssteuerungseinrichtung zur Steuerung der Betriebsbedingungen der Maschine in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz. Die Schätzeinrichtung mißt die Spannung und den Strom der Heizeinrichtung, berechnet einen Widerstand oder eine Leistungsaufnahme der Heizeinrichtung in Abhängigkeit von der Spannung und dem Strom und schätzt die Temperatur. Die Betriebssteuerungseinrichtung paßt die Ansaugluftmenge und die Zündzeitpunkte an, oder paßt die Zündzeitpunkte an und danach die Ansaugluftmenge zur Aufrechterhaltung einer Maschinendrehzahl, oder, falls sich eine Batterie in einem abnormalen Zustand befindet, paßt die Ansaugluftmenge und die Zündzeitpunkte zur Vergrößerung der Temperatur des Abgases an.

Claims

1. Abgasreinigungsvorrichtung zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine (1), mit einem in einem Abgasrohr angeordneten Katalysator (4), einer Heizeinrichtung zum zwangsweisen Aufheizen des Katalysators (4) und einer Leistungsquelle (6) zum Zuführen von Leistung zur Heizeinrichtung, gekennzeichnet durch
eine Schätzeinrichtung (305) zum Abschätzen der Temperatur, die der Katalysator (4) erreichen wird,
einer Differenzbildungseinrichtung (306, 307) zur Bildung einer Differenz zwischen der geschätzten Temperatur und einer Solltemperatur, und
einer Betriebssteuerungseinrichtung zur Steuerung der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine (1) in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz.

2. Abgasvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schätzeinrichtung (305) die an der Heizeinrichtung anliegende Spannung und den durch die Heizeinrichtung fließende Strom mißt, den Widerstand der Heizeinrichtung in Abhängigkeit von der Spannung und dem Strom berechnet und die Temperatur abschätzt, die der Katalysator (4) in Abhängigkeit von dem Widerstand erreichen wird.

3. Abgasvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schätzeinrichtung (305) eine an der Heizeinrichtung anliegende Spannung und einen durch die Heizeinrichtung fließenden Strom mißt, die Leistungsaufnahme der Heizeinrichtung in Abhängigkeit von der Spannung und dem Strom berechnet und die Temperatur abschätzt, die der Katalysator (4) in Abhängigkeit von der Leistungsaufnahme erreichen wird.

4. Abgasvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebssteuerungseinrichtung die Ansaugluftmenge und die Zündzeitpunkte der Brennkraftmaschine (1) in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz anpaßt.

5. Abgasvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebssteuerungseinrichtung die Ansaugluftmenge und die Zündzeitpunkte der Brennkraftmaschine (1) in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz anpaßt.

6. Abgasvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebssteuerungseinrichtung die Zündzeitpunkte der Brennkraftmaschine (1) und sodann die Ansaugluftmenge anpaßt zur Aufrechterhaltung einer Maschinendrehzahl (NE).

7. Abgasvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebssteuerungseinrichtung die Zündzeitpunkte der Brennkraftmaschine (1) und sodann die Ansaugluftmenge anpaßt zur Aufrechterhaltung einer Maschinendrehzahl (NE).

8. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle eines abnormalen Zustands, bei dem keine Leistungszufuhr zur Heizeinrichtung erfolgt, die Betriebssteuerungseinrichtung die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine (1) zur erhöhten Vergrößerung der Temperatur des Abgases im Vergleich zu einem normalen Zustand, bei dem in normaler Weise eine Leistungszufuhr zur Heizeinrichtung erfolgt, anpaßt.

9. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle eines abnormalen Zustands, bei dem keine Leistungszufuhr zur Heizeinrichtung erfolgt, die Betriebssteuerungseinrichtung die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine (1) zur erhöhten Vergrößerung der Temperatur des Abgases im Vergleich zu einem normalen Zustand, bei dem in normaler Weise eine Leistungszufuhr zur Heizeinrichtung erfolgt, anpaßt.

10. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle eines abnormalen Zustands, bei dem keine Leistungszufuhr zur Heizeinrichtung erfolgt, die Betriebssteuerungseinrichtung die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine (1) zur erhöhten Vergrößerung der Temperatur des Abgases im Vergleich zu einem normalen Zustand, bei dem in normaler Weise eine Leistungszufuhr zur Heizeinrichtung erfolgt, anpaßt.

11. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle eines abnormalen Zustands, bei dem keine Leistungszufuhr zur Heizeinrichtung erfolgt, die Betriebssteuerungseinrichtung die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine (1) zur erhöhten Vergrößerung der Temperatur des Abgases im Vergleich zu einem normalen Zustand, bei dem in normaler Weise eine Leistungszufuhr zur Heizeinrichtung erfolgt, anpaßt.

12. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle eines abnormalen Zustands, bei dem keine Leistungszufuhr zur Heizeinrichtung erfolgt, die Betriebssteuerungseinrichtung die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine (1) zur erhöhten Vergrößerung der Temperatur des Abgas es im Vergleich zu einem normalen Zustand, bei dem in normaler Weise eine Leistungszufuhr zur Heizeinrichtung erfolgt, anpaßt.