DE19755871C2 - Verfahren zum Aufheizen eines Abgaskatalysators für eine Brennkraftmaschine mittels Sekundärluft - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen eines Ab­ gaskatalysators für eine Brennkraftmaschine mittels Sekundär­ luft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die Schadstoffemission einer Brennkraftmaschine läßt sich durch katalytische Nachbehandlung mit Hilfe eines Dreiwege- Katalysators in Verbindung mit einer Lambda-Regelungseinrich­ tung wirksam verringern. Eine wichtige Voraussetzung hierfür ist jedoch, daß neben der Lambda-Sonde der Regelungseinrich­ tung, auch der Katalysator seine Anspringtemperatur (Light- Off-Temperatur) erreicht hat. Unterhalb dieser Temperatur, bei den typischen Kraftfahrzeug-Katalysatoren ca. 300°C, ist der Katalysator wenig wirksam bis unwirksam und die Reaktion findet nur mit ungenügend kleinen Konvertierungsraten («10%) statt. Um ein schnelles Erreichen der Light-Off-Temperatur sicherzustellen und damit den Schadstoffausstoß während der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine, bei der innerhalb der ersten 10-20 Sekunden ca. 70 bis 90% der gesamten Schadstoffe von HC und CO ausgestoßen werden, dennoch zu verringern, sind verschiedene Warmlaufstrategien bekannt.

Eine schnelle Erwärmung des Katalysators kann außer durch Spätverstellung des Zündwinkels, Anhebung der Leerlaufdreh­ zahl, Gemischabmagerung, Gemischanfettung in Verbindung mit Sekundärlufteinblasung in den Abgastrakt der Brennkraftma­ schine erfolgen. Dabei wird über eine Sekundärluftpumpe wäh­ rend des Warmlaufs Sekundärluft stromabwärts der Auslaßventi­ le geblasen. Durch die Reaktion der eingeblasenen Luft mit den in den heißen Auspuffgasen enthaltenen Abgasbestandteilen und die weitere Oxidation im Katalysator wird dieser schnel­ ler aufgeheizt.

In der DE 44 41 164 A1 ist eine Vorrichtung zur Steuerung des Ladeluftstromes für eine aufgeladene Brennkraftmaschine be­ schrieben, bei der die Sekundärluft nicht mittels einer sepa­ raten Sekundärluftpumpe gefördert, sondern vom zur Förderung der Ladeluft ohnehin vorhandenen Lader bereitgestellt wird. Die Ladeluft wird über eine Ladeluftleitung zur Brennkraftma­ schine gefördert, wobei in dieser Ladeluftleitung eine Dros­ selklappe angeordnet ist. Stromaufwärts der Drosselklappe und stromabwärts des Laders zweigt eine Umluftleitung zur Saug­ seite des Laders ab. In der Umluftleitung ist ein Umluftstel­ ler angeordnet. Eine Verbindungsleitung führt von der Druck­ seite des Laders zu einer Abgasleitung der Brennkraftmaschi­ ne, wobei in dieser Verbindungsleitung ein mit einem Motor­ steuergerät verbundenes Regelventil angeordnet ist. Um in ei­ nem breiten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine eine opti­ male Zugabe von Sekundärluft zum Erreichen von bestmöglichen Abgaswerten zu realisieren, wird vorgeschlagen, daß die Ab­ zweigung der Verbindungsleitung in der Ladeluftleitung strom­ auf der Abzweigung der Umluftleitung angeordnet ist, wobei der Umluftsteller mit dem Motorsteuergerät verbunden ist und eine sehr kurze Verstellzeit besitzt.

Aus der DE 195 39 937 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung des Abgasverhältnisses von Kraftstoff zu Sauerstoff im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei über eine vorgesteu­ erte Sekundärluftpumpe Sekundärluft vor dem Katalysator in den Abgastrakt eingeblasen wird. In der Warmlaufphase wird das Abgasverhältnis von Kraftstoff zu Sauerstoff vor dem Ka­ talysator in Abhängigkeit von der Temperatur des Katalysators eingestellt. Die Kraftstoffmenge wird über die Einspritzzeit gemessen. Die Einspritzzeit berechnet sich aus einer Basi­ seinspritzzeit, die mit einem Wichtungsfaktor gewichtet wird. Der Wichtungsfaktor hängt von der Sekundärluftmasse, die in den Abgastrakt eingeblasen wird und einem vorgegebenen Soll­ wert für das Abgasverhältnis vor dem Katalysator ab. Die Se­ kundärluftmasse wird abhängig von der angesaugten Motorluft vorgesteuert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem der Katalysator mi­ tels Sekundärluft möglichst schnell auf seine Betriebstempe­ ratur aufgeheizt werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des unab­ hängigen Anspruches 1 gelöst.

Das Verfahren beruht auf dem Gedanken, daß abhängig vom Hauptluftmassenstrom im Ansaugtrakt und einem Vorsteuer­ lambdawert ein optimaler Sekundärluftmassenstrom als Sollwert ermittelt und dieser über die Stellung einer Stelleinrich­ tung, beispielsweise einer Umluftklappe, auch eingestellt wird. Daran anschließend wird die Einspritzung entsprechend dem tatsächlich vorliegendem Sekundärluftmassenstrom korri­ giert.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhän­ gigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher er­ läutert; es zeigen:

Fig. 1 schematisch den Aufbau eines Sekundärluftsystems für eine aufgeladene Brennkraftmaschine und

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm zur Einstellung der Sekundär­ luftmasse und zur Korrektur der Einspritzzeit

Bei der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung zur Aufheizung des Abgaskatalysators mittels Sekundärlufteinblasung sind nur diejenigen Teile dargestellt, die zum Verständnis der Erfin­ dung notwendig sind. Insbesondere sind der Kraftstoffkreis­ lauf und die Zündeinrichtung aus Gründen der Übersichtlich­ keit weggelassen. Die Brennkraftmaschine 10 weist eine Ein­ spritzanlage 11 auf und ist an einen Ansaugtrakt 12 und einen Abgastrakt 13 angeschlossen.

Im Ansaugtrakt 12 ist in Strömungsrichtung der angesaugten Luft (Pfeilsymbol) nacheinander ein Luftfilter 14, ein Lader 15, ein erster Luftmassenmesser 16 und eine Drosselklappe 17 angeordnet. Als Lader 15 kann dabei beispielsweise ein Ab­ gasturbolader oder ein mittels Signalen einer elektrischen Steuerungseinrichtung 18 gesteuerter, elektrischer Lader Ver­ wendung finden. Stromaufwärts des ersten Luftmassenmessers 16 führt von der Druckseite des Laders 15 eine Umluftleitung 19 zurück zur Saugseite des Laders 15. In der Umluftleitung 19 ist ein Umluftsteller 20 angeordnet, mit dessen Hilfe die Menge der rückgeführten Luft durch Steuersignale der Steue­ rungseinrichtung 18 eingestellt werden kann.

Stromabwärts des ersten Luftmassenmessers 16 zweigt eine Se­ kundärluftleitung 21 ab, die an einer Stelle nahe den Auslaß­ ventilen der Brennkraftmaschine in den Abgastrakt 13 mündet. In der Sekundärluftleitung 21 ist ein mittels Signalen der Steuerungseinrichtung 18 ansteuerbares Sekundärluftventil 22 und ein zweiter Luftmassenmesser 23 zum Messen der Sekundär­ luft angeordnet. Die Ausgangssignale der beiden Luftmassen­ messer 16 und 23 werden ebenfalls der Steuerungseinrichtung 18 zur weiteren Verarbeitung zugeführt.

Im Abgastrakt 13 ist ein zur Konvertierung schädlicher Abgas­ bestandteile dienender Abgaskatalysator 24, vorzugsweise ein Dreiwegekatalysator vorgesehen. Ein Temperatursensor 30 erfasst die Temperatur des Abgaskatalysators 24. In Strömungsrichtung des Abgases gesehen vor dem Abgaskatalysator 24 ist eine breitban­ dige Lambdasonde 25 angeordnet. Breitbandig bedeutet in diesem Zusammenhang, daß das Ausgangssignal der Lambdasonde abhängig vom Restsauerstoffgehalt im Abgas in einem Bereich um Lambda = 1 einen stetigen, vorzugsweise linearen Verlauf aufweist. Sie dient in bekannter Weise als Regelsonde für eine Lambda­ regelung, mit deren Hilfe das Kraftstoff-/Luftgemisch einge­ stellt wird. Hierzu wird das Ausgangssignal der Lambdasonde 25 der Steuerungseinrichtung 18 zugeführt.

An der Brennkraftmaschine 10 sind an entsprechenden Stellen u. a. ein Temperatursensor 26 zur Erfassung der Temperatur der Brennkraftmaschine 10, bzw. einer der Brennkraftmaschinentem­ peratur proportionalen Temperatur (z. B. Kühlmitteltemperatur) und ein Drehzahlsensor 27 zur Erfassung der Drehzahl der Brennkraftmaschine 10 angeordnet.

Zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 10 ist die Steuerungseinrichtung 18 über eine nur schematisch darge­ stellte Daten - und Steuerleitung 28 noch mit weiteren Senso­ ren und Aktoren verbunden. Die Steuerungseinrichtung 18 wer­ tet die Sensorsignale aus und steuert unter anderem die Zün­ dung und die Einspritzung, in der Fig. 1 schematisch als Block "Einspritzberechnung" dargestellt, sowie die Zufuhr der Sekundärluft in den Abgastrakt 13. Als wesentlicher Teil der Steuerungseinrichtung 18 ist ferner noch ein Block "Lambdaregelung" dargestellt, der das Signal der Lambdasonde 25 im Sinne einer Korrektur der Einspritzzeit auswertet.

Die elektronische Steuerungseinrichtung 18 weist in bekannter Weise einen Mikrocomputer, entsprechende Schnittstellen für Signalaufbereitungsschaltungen, sowie eine Ein- und Ausgabe­ einheit auf. Der Mikrocomputer umfaßt eine Zentraleinheit (CPU), welche die arithmetischen und logischen Operationen mit den eingespeisten Daten durchführt. Die dazu notwendigen Programme und Solldaten liefert ein Festwertspeicher (ROM), in dem alle Programmroutinen und alle Kenndaten, Kennlinien, Sollwerte usw. unverlierbar gespeichert sind. Insbesondere ist die Steuerungseinrichtung mit einem Speicher 29 verbun­ den, in dem u. a. eine Mehrzahl von Kennlinien bzw. Kennfel­ dern und Schwellenwerten gespeichert sind, deren Bedeutung anhand des Ablaufdiagrammes nach Fig. 2 noch näher erläutert wird. Ein Betriebsdatenspeicher (RAM) dient u. a. dazu, die von den Sensoren gelieferten Daten zu speichern, bis sie vom Mikrocomputer abgerufen oder durch aktuellere Daten ersetzt, d. h. überschrieben werden. Über einen Bus werden alle genann­ ten Einheiten mit Daten, Speicheradressen und Kontrollsigna­ len versorgt.

Anhand des Ablaufdiagrammes nach Fig. 2 wird nun erläutert, wie zur schnellen Katalysatoraufheizung der Sekundärluft­ massenstrom über die Ansteuerung des Umluftstellers voreinge­ stellt und abhängig von dem dann vorhandenen Sekundärluft­ massenstrom eine Korrektur der Einspritzzeit vorgenommen wird. Damit ist gewährleistet, daß eine Regelung des Sekun­ därluftmassenstromes nicht mit der Einspritzzeitberechnung ge­ koppelt ist und ein Schwingen des Umluftstellers, der in der Regel eine Umluftklappe umfaßt, vermieden werden kann.

Nach dem Start der Brennkraftmaschine wird in einem ersten Verfahrensschritt S1 abgefragt, ob gewisse Bedingungen für die Aktivierung der Sekundärluftfunktion erfüllt sind. Insbe­ sondere wird überprüft, ob

• - der Wert für die Kühlmitteltemperatur unterhalb eines vor­ gegebenen Grenzwertes liegt,
• - der Wert der Batteriespannung oberhalb eines vorgegebenen Grenzwertes liegt,
• - ein vorgegebener Drehzahllastpunkt nicht überschritten ist und
• - kein Wiederholstart vorliegt.

Sind die Bedingungen für die Aktivierung der Sekundärluft­ funktion nicht erfüllt, so werden die oben genannten Abfragen wiederholt, anderseits wird mit dem Verfahrensschritt S2 fortgefahren.

Es werden die Werte für den Luftmassenstrom MAF_CYL im An­ saugtrakt 12 mittels des ersten Luftmassenmessers 16 und die Temperatur des Katalysators 24 mittels des Sensors 30 erfasst und abgespeichert. Die Temperatur des Katalysators 24 kann alternativ hierzu auch über ein an sich bekanntes Temperatur­ modell, das insbesondere die Zeitspanne nach Abschalten der Brennkraftmaschine berücksichtigt, berechnet werden.

Die beiden Werte sind Eingangsgrößen eines Kennfeldes KF1 des Speichers 29 der Steuerungseinrichtung 18. Abhängig von die­ sen beiden Größen wird aus dem Kennfeld KF1 ein einzustellen­ der Lambdawert (Wunschlambda) LAM_KAT ausgelesen. Das Kenn­ feld wird auf dem Prüfstand appliziert.

Im Verfahrensschritt S3 wird abhängig von dem Luftmassenstrom MAF_CYL im Ansaugtrakt und dem einzustellenden Lambdawert LAM_KAT ein Sollwert für den Sekundärluftmassenstrom SAF_SOLL berechnet nach folgender Beziehung:

SAF_SOLL = MAF_CYL × LAM_KAT - MAF_CYL

Im Verfahrensschritt S4 wird zur Aufheizung des Abgaskataly­ sators der Umluftsteller 20 gemäß dem berechneten Sollwert für den Sekundärluftmassenstrom SAF_SOLL eingestellt. Hierzu sind in einem Kennfeld KF2 in Abhängigkeit von dem Luft­ massenstrom MAF_CYL im Ansaugtrakt und dem Sekundärluft­ massenstrom SAF_SOLL Werte für die Auslenkung des Umluftstel­ lers 20 aus einer Ruhelage, beispielsweise angegeben in Win­ kelgraden α, abgespeichert.

Dieser Grobeinstellung des Sekundärluftmassenstromes zum Auf­ heizen des Abgaskatalysators mit Hilfe des Umluftstellers folgt im Verfahrensschritt S5 eine Feineinstellung durch eine Einspritzzeitkorrekturberechnung mittels des in der Sekundär­ luftleitung tatsächlich vorhandenen Sekundärluftmassenstro­ mes.

Hierzu wird aus den Werten für den Luftmassenstrom im Ansaug­ trakt MAF_CYL und für den Luftmassenstrom in der Sekundär­ luftleitung SAF, sowie dem einzustellenden Lambdawert LAM_KAT und einem Lambdawert LAM_ST, den man beim Start der Brenn­ kraftmaschine einstellen würde, wenn keine Sekundärluftfunk­ tion aktiv wäre (Verbrennungslambda), ein Einspritzkorrektur­ faktor FAC_SA nach folgender Beziehung berechnet:

FAC_SA = [(MAF_CYL + SAF)/(LAM_KAT × MAF_CYL)] × (1/LAM_ST)

Der Wert für den Luftmassenstrom im Ansaugtrakt MAF_CYL wird mittels des ersten Luftmassenmessers 16, der Wert für den Se­ kundärluftmassenstrom in der Sekundärluftleitung SAF wird mittels des zweiten Luftmassenmessers 23 gemessen. Der einzu­ stellende Lambdawert LAM_KAT wird aus dem Kennfeld KF1, der Lambdawert LAM_ST wird aus einem Kennfeld KF3 ausgelesen, das über der Luftmasse im Ansaugtrakt MAF_CYL und der Kühlmittel­ temperatur der Brennkraftmaschine aufgespannt ist.

Im Verfahrensschritt S6 wird überprüft, ob der berechnete Einspritzkorrekturfaktor FAC_SA innerhalb eines, von einem unteren Schwellenwert FAC_SA_MIN und einem oberen Schwellen­ wert FAC_SA_MAX begrenzten Bereiches liegt. Typische Werte für den Einspritzkorrekturfaktor FAC_SA liegen im Bereich zwischen 0,8 und 1,3. Der untere Schwellenwert FAC_SA_MIN ist durch die maximal zulässigen Emissionen festgelegt, der obere Schwellenwert FAC_SA_MAX ist durch die Magerlaufgrenze der Brennkraftmaschine bestimmt.

Ist der berechnete Einspritzkorrekturfaktor FAC_SA größer als der obere Schwellenwert FAC_SA_MAX oder kleiner als der unte­ re Schwellenwert FAC_SA_MIN, so wird er im Verfahrensschritt S7 auf den jeweiligen Schwellenwert begrenzt. Die beiden Schwellenwerte werden auf dem Prüfstand für eine bestimmte Brennkraftmaschine durch Versuche ermittelt und sind in dem Speicher 29 abgelegt.

Im Verfahrensschritt S8 wird der durch die Berechnung im Ver­ fahrensschritt S6 erhaltene bzw. der im Verfahrensschritt S7 auf einen Schwellenwert begrenzte Einspritzkorrekturfaktor FAC_SA bei einer an sich bekannten Gesamtformel für die Ein­ spritzzeitberechnung als ein Faktor, der die Katalysatorauf­ heizung durch Sekundärlufteinblasung berücksichtigt, mitein­ gerechnet.

Anschließend wird im Verfahrensschritt S9 überprüft, ob die Sekundärluftfunktion beendet ist. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn eine in erster Linie abhängig von der Kühlmittel­ temperatur gewisse Zeitspanne seit Start der Brennkraftma­ schine abgelaufen ist oder eine andere Abbruchbedingung er­ füllt ist. Hierzu kann auch die Temperatur des Abgaskatalysa­ tors herangezogen werden.

Ist die Sekundärluftfunktion noch nicht beendet, so wird zum Verfahrensschritt S1 verzweigt und die Verfahrensschritte S1 bis S9 wiederholt ausgeführt. Ist eine der Abbruchbedingungen erfüllt, so wird das Sekundärluftventil 22 geschlossen und das Verfahren ist zu Ende.

Das Verfahren wurde an einem Ausführungsbeispiel erläutert, bei dem die Sekundärluft mittels eines Laders gefördert wird und die Grobeinstellung des Sekundärluftmassenstromes mittels der Umluftklappe eingestellt wird. Es läßt sich aber auch bei einem herkömmlichen Sekundärluftsystem mit einer Sekundär­ luftpumpe, einem Sekundärluftventil und einem Sekundärluft­ massenmesser einsetzen, bei dem der Sekundärluftmassenstrom voreingestellt werden kann, beispielsweise durch eine regel­ bare Sekundärluftpumpe, einstellbares Sekundärluftventil, ei­ nen Bypass oder Klappen in der Sekundärluftleitung.

Claims (8)

1. Verfahren zum Aufheizen eines Abgaskatalysators für eine Brennkraftmaschine auf Betriebstemperatur während des Warm­ laufs durch Zuführen von Sekundärluft in den Abgastrakt an einer Stelle nach den Auslaßventilen und stromaufwärts des Abgaskatalysators mit

• 1. einer die Sekundärluftmasse einstellenden Stelleinrichtung (20) zum gezielten Ableiten von Luft aus dem Ansaugtrakt (12) und
• 2. einer Einrichtung (31) zum Berechnen einer Einspritzzeit auf der Grundlage verschiedener Betriebsparameter der Brennkraft­ maschine einschließlich des Luftverhältnisses, während der Kraftstoff mittels einer Einspritzanlage (7) der Brennkraft­ maschine (10) zugeführt wird,
  dadurch gekennzeichnet, daß
• 3. die Sekundärluft stromabwärts eines im Ansaugtrakt (12) der Brennkraftmaschine angeordneten, den dort vorliegenden Luft­ massenstrom (MAF_CYL) erfassenden Luftmassenmessers (16) ab­ gezweigt wird,
• 4. abhängig von dem im Ansaugtrakt (12) der Brennkraftmaschine (10) vorliegenden Luftmassenstrom (MAF_CYL) und der Temperatur des Abgaskatalysators 24 ein Vorsteuer­ wert für das Luftverhältnis (LAM_KAT) und daraus ein Sollwert für den Sekundärluftmassenstrom (SAF_SOLL) ermittelt wird,
• 5. der Sollwert für den Sekundärluftmassenstrom (SAF_SOLL) mit­ tels der Stelleinrichtung (20) eingestellt wird,
• 6. der dem Abgastrakt (13) tatsächlich zugeführte Sekundärluft­ massenstrom (SAF) ermittelt wird und
• 7. abhängig von diesem Sekundärluftmassenstrom (SAF), dem Luft­ massenstrom im Ansaugtrakt (MAF_CYL) sowie dem einzustellen­ den Lambdawert (LAM_KAT) und einem Lambdawert (LAM_ST), den man beim Start der Brennkraftmaschine (10) einstellen würde, wenn keine Sekundärluftfunktion aktiv wäre, eine Korrektur der Einspritzzeit vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluft mittels eines die Ansaugluft der Brennkraftma­ schine (10) verdichtenden Laders (15) zugeführt wird und als Stelleinrichtung (20) der Umluftsteller in einer Umluftlei­ tung (19) des Laders (15) herangezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert für den Sekundärluftmassenstrom (SAF_SOLL) berechnet wird nach folgender Beziehung:
SAF_SOLL = MAF_CYL × LAM_KAT - MAF_CYL

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte für das einzustellende Luftverhältnis (LAM_KAT) in ei­ nem, in Abhängigkeit der Temperatur des Abgaskatalysators (24) und dem Luftmassenstrom (MAF_CYL) im Ansaugtrakt (12) aufgespannten Kennfeld (KF1) eines Speichers (29) abgelegt sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzkorrekturfaktor (FAC_SA) nach folgender Beziehung berechnet wird:
FAC_SA = [(MAF_CYL + SAF)/(LAM_KAT × MAF_CYL)] × (1/LAM_ST)

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert für den Luftmassenstrom im Ansaugtrakt (MAF_CYL) mittels eines ersten Luftmassenmessers (16), der Wert für den Sekun­ därluftmassenstrom in der Sekundärluftleitung (SAF) mittels eines zweiten Luftmassenmessers (23) gemessen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lambdawert (LAM_ST) aus einem, über dem Luftmassenstrom im Ansaugtrakt (MAF_CYL) und der Kühlmitteltemperatur der Brenn­ kraftmaschine (10) aufgespannten Kennfeld (KF3) ausgelesen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzkorrekturfaktor (FAC_SA) auf vorgegebene Schwellen­ werte (FAC_SA_MIN, FAC_SA_MAX) begrenzt wird.