DE19731739C1 - Vorrichtung und Verfahren zur Abgasbehandlung bei einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abgasbehandlung bei einer Brennkraftmaschine gemäß den Merk­ malen der Patentansprüche 1 und 4.

Die Schadstoffemission einer Brennkraftmaschine läßt sich durch katalytische Nachbehandlung mit Hilfe eines Dreiwegeka­ talysators in Verbindung mit einer Lambdaregelungseinrichtung wirksam verringern. Eine wichtige Voraussetzung hierfür ist jedoch, daß neben der Lambdasonde der Regelungseinrichtung auch der Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat. Während die Lambdasonde nach dem Start üblicherweise sehr schnell mittels einer elektrischen Heizeinrichtung auf ihre Betriebstemperatur aufgeheizt werden kann, ist die Aufheiz­ zeit des Abgaskatalysators bedingt durch seine relativ große Masse relativ lang. Um während der an die Startphase an­ schließenden Warmlaufphase den Katalysator möglichst schnell auf seine Betriebstemperatur zu bringen und damit die optima­ len Konvertierungsraten zu nutzen, ist es bekannt, den Kata­ lysator durch Sekundärlufteinblasung in den Abgastrakt der Brennkraftmaschine aufzuheizen. Dabei wird über eine Sekun­ därluftpumpe während des Warmlaufs Sekundärluft hinter die Auslaßventile geblasen. Durch das Betreiben des Katalysators mit Sauerstoffüberschuß aufgrund der in das Abgas eingeblase­ nen Sekundärluft wirkt er oxidierend, d. h. die chemische Re­ aktion ist exotherm, wodurch seine eigene Aufheizung be­ schleunigt wird.

Die Förderrate der zugeführten Sekundärluft kann aber nicht beliebig erhöht werden, da ab einer bestimmten Menge an ein­ geblasener Sekundärluft eine Abkühlung bewirkt wird, die der Aufheizung entgegenwirkt und diese dadurch verzögert.

Aus der EP 0 469 170 A1 ist ein Verfahren zum Aufheizen einer Brennkraftmaschine während des Warmlaufes bekannt, bei der die Menge der eingeblasenen Sekundärluft je nach Betriebszu­ stand schnellstmöglich angepaßt wird, so daß sich ein stöchiometrisches Verhältnis ergibt. Hierzu wird die Förder­ menge der Sekundärluftpumpe gesteuert, entsprechend dem An­ reicherungsfaktor und der angesaugten Luftmasse der Brenn­ kraftmaschine oder die Fördermenge der Sekundärluftpumpe wird gemäß der Last der Brennkraftmaschine verbunden mit einer Temperaturkorrektur eingestellt, wobei dieser Vorsteuerung der Fördermenge der Sekundärluftpumpe eine Regelung überla­ gert ist. Diese Regelung dient dazu, eine eventuell im Laufe der Zeit fehlangepaßte Vorsteuerung der Fördermenge zu korri­ gieren. Als Istwertgröße für diese Regelung dient das Aus­ gangssignal einer im Abgastrakt angeordneten Lambdasonde.

Verzichtet man auf eine solche kosten- und apparateaufwendige Regelung, so wird bei Kraftfahrzeugen mit Sekundärluftsyste­ men die Leistung der Sekundärluftpumpe als Kompromiß bei un­ terschiedlich auftretenden Abgasgegendrücken ausgelegt. Ins­ besondere im Leerlauf, also bei einem Betriebszustand mit niedrigem Abgasgegendruck wird im Allgemeinen zu viel Sekun­ därluft durch die Sekundärluftpumpe zur Verfügung gestellt und damit das Aufheizen des Katalysators eher aufgehalten. Bei Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine hingegen muß ein hoher Sekundärluftdurchsatz gewährleistet sein.

Aus der DE 44 34 835 A1 ist eine Abgasanlage für eine Brenn­ kraftmaschine bekannt, bei dem als Abgasreiniger ein Dreiwe­ gekatalysator und eine Absorptionseinrichtung in Reihe ge­ schaltet sind. Jeweils stromauf dieser Abgasreiniger münden in die Abgasleitung Zuführleitungen für die Sekundärluft ein. Diese Zuführleitungen sind gesondert schaltbar, so daß indi­ viduell an jedem Abgasreiniger vorgegebene Luftmengen ein­ stellbar sind. Eine Ventileinrichtung in Form eines Umschalt­ ventiles erlaubt es, wahlweise über eine oder mehrere Zuführ­ leitungen die Hauptkatalysator und die Absorptionseinrichtung gesondert oder gemeinsam mit Sekundärluft zu beaufschlagen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abgasbehandlung bei einer Brennkraftma­ schine anzugeben, mit der bzw. mit dem auf einfache Weise der Aufheizvorgang eines Abgaskatalysators beschleunigt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 4 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Un­ teransprüchen angegeben.

Durch Aufteilen der Sekundärluftleitung in mindestens zwei Pfade mit unterschiedlichen Innendurchmessern, wobei die Lei­ tung mit dem größeren Innendurchmesser mittels eines Absperr­ ventils bei Betriebszuständen mit niedrigem Abgasgegendruck geschlossen wird, ergibt sich eine Querschnittsvariation und es ist auf einfache und kostengünstige Weise möglich, die Se­ kundärluftmasse in mindestens zwei Stufen zu regulieren.

Eine solche Vorrichtung hat insbesondere den Vorteil, daß sie in Anlagen mit bereits bestehendem Sekundärluftssystem ohne großen Aufwand nachrüstbar ist.

Die Erfindung wird anhand der einzigen Figur näher erläutert.

Bei dem in der Figur in vereinfachter Form dargestellten Blockschaltbild sind nur diejenigen Teile gezeichnet, die für das Verständnis der Erfindung notwendig sind.

Mit dem Bezugszeichen 10 ist eine Brennkraftmaschine mit ei­ nem daran angeschlossenen Ansaugtrakt 11 und einem Abgastrakt 12 bezeichnet. Im Ansaugtrakt 11 ist in Strömungsrichtung der angesaugten Luft gesehen nacheinander ein Luftmassenmesser 13, eine Drosselklappe 14, ein Einspritzventil 15 und ein Einlaßventil 16 angeordnet. Der Luftmassenmesser 13 mißt die von der Brennkraftmaschine 10 angesaugte Luftmasse und die Drosselklappe 14 dient zur Füllungssteuerung. Das Abgas ge­ langt über ein Auslaßventil 17 in den Abgastrakt 12, in des­ sen weiterem Verlauf eine Lambda-Sonde 18 und ein zum Konver­ tieren der im Abgas der Brennkraftmaschine 10 enthaltenen Be­ standteile HC, CO und NO_x dienender Dreiwege-Katalysator 19 eingefügt ist. Die Lambdasonde gibt in Abhängigkeit vom Restsauerstoffgehalt im Abgas ein Ausgangssignal an eine elektronische Steuerungseinrichtung 20 der Brennkraftmaschine 10 ab und dient in herkömmlicher Weise als Regelglied für ei­ ne Lambda-Regelung des Kraftstoff-Luftgemisches der Brenn­ kraftmaschine.

Ferner sind an geeigneten Stellen der Brennkraftmaschine 10 Sensoren zum Erfassen von Betriebsparametern der Brennkraft­ maschine vorgesehen, insbesondere ein Drehzahlsensor 21 zum Erfassen der Maschinendrehzahl N. Die Ausgänge der Sensoren sind über Schnittstellen mit entsprechenden Eingängen der elektronischen Steuerungseinrichtung 20 verbunden. Solche elektronischen Steuerungseinrichtungen für Brennkraftmaschi­ nen, die neben der Kraftstoffeinspritzung und der Zündung auch noch eine Vielzahl weiterer Aufgaben, u. a. auch die Steuerung von Abgasnachbehandlungssystemen übernehmen können, sind an sich bekannt, so daß im folgenden nur auf den im Zu­ sammenhang mit der vorliegenden Erfindung stehenden Aufbau und dessen Wirkungsweise eingegangen wird.

Kernstück der elektronischen Steuerungseinrichtung 20 ist ein Mikrocomputer, der nach einem festgelegten Programm die er­ forderlichen Funktionen steuert. Bei einer sogenannten luft­ massengeführten Motorsteuerung wird mit Hilfe der von den Sensoren (Luftmassenmesser 13 und Drehzahlsensor 21) gelie­ ferten und in entsprechenden Schaltungen aufbereiteten Signa­ le Luftmasse und Drehzahl eine Grundeinspritzzeit oder Basi­ seinspritzzeit berechnet und abhängig von weiteren Betrieb­ sparametern (z. B. Druck und Temperatur der Ansaugluft, Tempe­ ratur des Kühlmittels, Batteriespannung usw.) Korrekturen dieser Basiseinspritzzeit derart durchgeführt, daß im Regel­ fall durch Einsatz der Lambdaregelung ein Kraftstoff- Luftgemisch erzielt wird, das dem stöchiometrischen Verhält­ nis (λ = 1,00) entspricht. Der Kraftstoff für die Brenn­ kraftmaschine 10 wird dann während der so berechneten Zeit­ spanne mit Hilfe eines oder mehrerer Einspritzventile 15 in den Ansaugtrakt 11 oder alternativ hierzu direkt in den Brennraum der Zylinder eingespritzt.

Eine Sekundärluftpumpe 22 saugt Frischluft über eine nicht näher bezeichnete, vorzugsweise einen Luftfilter 23 aufwei­ sende Luftleitung an und fördert diese Sekundärluft bei Be­ darf über eine Sekundärluftleitung 24 zu einer Stelle im Ab­ gastrakt 12, die unmittelbar hinter den Auslaßventilen 17 liegt.

Als Sekundärluftpumpe 22 ist eine elektrisch angetriebene Pumpe vorgesehen, die hinsichtlich ihrer Fördermenge nicht steuerbar ist, also eine feste Fördermenge an Sekundärluft liefert. Die elektrische Ansteuerung der Sekundärluftpumpe 22 erfolgt über Signale der Steuerungseinrichtung 20. Es ist aber auch möglich, daß die Sekundärluftpumpe 22 von der Brennkraftmaschine selbst, beispielsweise unter Zwischen­ schaltung eines Getriebes mechanisch angetrieben wird.

Im weiteren Verlauf der Sekundärluftleitung 24 ist in bekann­ ter Weise ein erstes, als elektrisch ansteuerbares EIN/AUS- Ventil wirkendes Sekundärluftventil 25 mit einem integrierten Rückschlagventil angeordnet. Es ist aber auch möglich, an­ stelle eines elektrisch ansteuerbaren Sekundärluftventils ein Ventil einzusetzen, das vom Saugrohrunterdruck betätigt wird.

Zusätzlich zu dem ersten Sekundärluftventil 25 ist in die Se­ kundärluftleitung 24 ein weiteres Absperrventil 26 ebenfalls in Form eines elektrisch ansteuerbaren EIN/AUS-Ventiles ein­ geschaltet.

Eine, bezüglich des Innendurchmessers der Sekundärluftleitung 24 geringer dimensionierte Bypassleitung 27 überbrückt das Absperrventil 26, so daß bei geschlossenem Absperrventil 26 und geöffnetem Sekundärluftventil 25 eine bestimmte, in Bezug auf die Verhältnisse bei geöffnetem Absperrventil 26 geringe­ re Sekundärluftmenge dem Abgastrakt 12 zugeführt werden kann.

Im folgenden wird die Funktion der Vorrichtung erläutert.

Bei einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine mit niedri­ gem Abgasgegendruck, wie es beim Leerlauf der Brennkraftma­ schine der Fall ist, besteht die Gefahr, daß aufgrund der konstanten Leistung der Sekundärluftpumpe zuviel Sekundärluft in den Abgastrakt 12 gelangt und dies der Katalysatoraufhei­ zung entgegenwirkt. Deshalb wird in diesem Betriebszustand über elektrische Signale von der Steuerungseinrichtung 20 das Sekundärluftventil 25 geöffnet, das Absperrventil 26 bleibt im geschlossenen Zustand. Die Sekundärluft strömt nur über die Bypassleitung 27, so daß eine relativ geringe Masse an Se­ kundärluft in den Abgastrakt 12 gelangt. Der Weg des Sekun­ därluftmassenstromes ist in der Figur mit Weg1 bezeichnet.

Wird der Betriebszustand Leerlauf verlassen und die Brenn­ kraftmaschine gelangt in den Teillastbetrieb, also einem Be­ triebszustand mit höherem Abgasgegendruck, so wird über elek­ trische Signale von der Steuerungseinrichtung 20 zusätzlich zu dem bereits offenem Sekundärluftventil 25 auch das Ab­ sperrventil 26 geöffnet. Die Sekundärluft strömt nun über beide Wege Weg1 und Weg2, so daß eine hohe Sekundärluftmasse in den Abgastrakt 12 gelangt und dadurch der Katalysator mög­ lichst schnell seine Light-off-Temperatur und damit seine op­ timale Konvertierbarkeit erreicht.

Der Öffnungszeitpunkt des Absperrventils 26 kann vorzugsweise in Abhängigkeit der Maschinendrehzahl N erfolgen. Überschrei­ tet die Drehzahl der Brennkraftmaschine einen vorgebbaren Wert, so erfolgt die Ansteuerung des Absperrventils 26 in öffnende Richtung. Das Absperrventil kann aber auch in Abhän­ gigkeit vom Hauptluftmassenstrom im Ansaugtrakt geöffnet wer­ den. Hierzu wird entweder das Signal des Luftmassenmessers 13 und/oder die Stellung der Drosselklappe ausgewertet. Weiter­ hin ist möglich, das Absperrventil nach einer vorgebbaren Zeitspanne nach Start der Brennkraftmaschine zu öffnen.

Die Erfindung wurde an einem Beispiel erläutert, bei dem die Sekundärluftleitung in zwei Pfade (Weg1 und Weg2) mit unter­ schiedlichen Innendurchmessern aufgeteilt ist, wobei die Lei­ tung mit dem größeren Innendurchmesser (Weg2) mittels eines Absperrventils bei Betriebszuständen mit niedrigem Abgasge­ gendruck geschlossen wird.

Eine Einstellung der Sekundärluftmasse in mehreren Stufen ist erreichbar, wenn die Sekundärluftleitung 24 in eine größere Anzahl n Pfade (n<2) aufgeteilt wird und die Pfade unter­ schiedliche Querschnitte aufweisen. In diesem Fall sind dann eine Anzahl n-1 Absperrventile nötig.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Abgasbehandlung bei einer, ein Sekundär­ luftsystem aufweisenden Brennkraftmaschine (10) mit einer Se­ kundärluft fördernden Pumpe (22), einer Sekundärluftleitung (24), welche die Pumpe (22) mit dem Ansaugtrakt (12) der Brennkraftmaschine (10) verbindet und einem in der Sekundär­ luftleitung (24) angeordneten Sekundärluftventil (25), dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluftleitung (24) stromaufwärts des Sekundärluft­ ventils (25) in eine Anzahl (n, n≧2) Leitungspfade (Weg1, Weg2) mit jeweils unterschiedlichen Innendurchmessern aufge­ spalten ist und in einer Anzahl (n-1) Leitungspfade (Weg2) Absperrventile (26) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Leitungspfade (Weg1, Weg2) vorgesehen sind und das Ab­ sperrventil (26) in dem Leitungspfad mit dem größeren Innen­ querschnitt (Weg2) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Absperrventil (26) als ein elektrisch betätigba­ res EIN/AUS-Ventil ausgestaltet ist.

4. Verfahren zur Abgasnachbehandlung bei einer, ein Sekundär­ luftsystem aufweisenden Brennkraftmaschine (10), wobei mit­ tels einer Pumpe (22) Sekundärluft über eine Sekundärluftlei­ tung (24) in den Ansaugtrakt (12) der Brennkraftmaschine (10) zugeführt wird und die Sekundärluftleitung (24) durch ein Se­ kundärluftventil (25) absperrbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärluftmassenstrom stromaufwärts des Sekundärluft­ ventils (25) wahlweise auf eine Anzahl (n, n≧2) Leitungspfade (Weg1, Weg2) mit unterschiedlichen Innendurchmessern aufteil­ bar ist und eine Anzahl (n-1) der Leitungspfade (Weg1, Weg2) mittels Absperrventile (26) absperrbar sind, so daß die dem Abgastrakt (12) zugeführte Sekundärluftmasse eingestellt wer­ den kann.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilung der Leitungspfade (Weg1, Weg2) und damit die An­ steuerung der Absperrventile (26) in Abhängigkeit der Dreh­ zahl (N) der Brennkraftmaschine (10) erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilung der Leitungspfade (Weg1, Weg2) und damit die An­ steuerung der Absperrventile (26) in Abhängigkeit vom Haupt­ luftmassenstrom im Ansaugtrakt (11) der Brennkraftmaschine (10) erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilung des Sekundärluftmassenstromes auf zwei Leitungs­ pfade (Weg1, Weg2) erfolgt, der Leitungspfad mit dem größeren Innenquerschnitt (Weg2) bei Betriebszuständen der Brennkraft­ maschine (10) mit niedrigem Abgasgegendruck mittels des Ab­ sperrventiles (26) abgesperrt und bei Betriebszuständen der Brennkraftmaschine (10) mit hohem Abgasgegendruck mittels des Absperrventiles geöffnet wird.