DE102010007072A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Sekundärluftpumpe - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Abgastrakt, in dem wenigstens ein Katalysator angeordnet ist, und mit einer Sekundärluftpumpe, welche einen Sekundärluftmassenstrom stromauf des Katalysators in den Abgastrakt fördert, wobei zum Ändern des Sekundärluftmassenstromes eine der Sekundärluftpumpe zugeführte Versorgungsspannung verändert wird. Hierbei wird während einer Betriebsphase der Brennkraftmaschine, bei der der Katalysator aufgeheizt wird, die Versorgungsspannung in Abhängigkeit von einer Gemischzusammensetzung an einer vorbestimmten Stelle im Abgastrakt derart verändert, dass ein vorbestimmter Sollwert für die Gemischzusammensetzung stromab der Einleitstelle für Sekundärluft im Abgastrakt erzielt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Abgastrakt, in dem wenigstens ein Katalysator angeordnet ist, und mit einer Sekundärluftpumpe, welche einen Sekundärluftmassenstrom stromauf des Katalysators in den Abgastrakt fördert, wobei zum Ändern des Sekundärluftmassenstromes eine der Sekundärluftpumpe zugeführte Versorgungsspannung verändert wird, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Bei Verbrennungskraftmaschinen muss zur Erfüllung von Abgasgrenzwerten zum Aufheizen des Katalysators Sekundärluft in den Abgastrakt eingeleitet werden. Um im Abgastrakt optimale Reaktionsbedingungen und damit möglichst geringe Emissionen zu erreichen, muss die Sekundärluft möglichst genau zugemessen werden.
  • Aus der DE 102 05 966 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines eine Sekundärluftpumpe umfassenden Sekundärluftsystems einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage bekannt. Hierbei wird die Steuerung des eingeblasenen Sekundärluftstromes bei der Verwendung einer getaktet betriebenen Pumpe durch das Verändern des Ansteuertastverhältnisses (Taktverhältnis) durchgeführt. Das Ansteuertastverhältnisses wird in Abhängigkeit von einer Versorgungsspannung, einem Signal für den Gegendruck in der Abgasanlage oder einem Signal für den Umgebungsluftdruck eingestellt. Das Taktverhältnis ändert jedoch nicht eine elektrische Ansteuerspannung für die Sekundärluftpumpe und auch nicht einen während des Betriebs der Sekundärluftpumpe durch diese aufgenommenen elektrischen Strom. Es wird lediglich durch entsprechende kurzzeitige Unterbrechung der Spannungs- bzw. Stromversorgung für die Sekundärluftpumpe in einem vorgegebenen Zeitintervall eine von dieser insgesamt abgegebene Leistung reduziert. Eine Erhöhung der Leistung der Sekundärluftpumpe über den Betrieb mit kontinuierlich zugeführter Bordspannung hinaus (Taktverhältnis gleich 1) ist nicht möglich.
  • Aus der DE 103 38 935 A1 ist ein Verfahren zum Aufheizen eines in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors angeordneten Katalysatorsystems während der Warmlaufphase mit einer Sekundärluftpumpe zum Einbringen von Sekundärluft in die Abgasanlage stromab des Verbrennungsmotors bekannt, wobei eine von der Sekundärluftpumpe eingebrachte Sekundärluftmasse aus einem Förderkennfeld in Abhängigkeit von zumindest einem der folgenden Förderparameter bestimmt wird: Versorgungsspannung der Sekundärluftpumpe, Umgebungsluftdruck, Umgebungslufttemperatur oder Abgasgegendruck. Eine Veränderung der Förderleistung der Sekundärluftpumpe ist jedoch nicht vorgesehen. Statt dessen wird in Abhängigkeit von dem zuvor bestimmten Sekundärluftmassenstrom und einem Motorluftmassenstrom eine Motorkraftstoffmasse bestimmt.
  • Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der DE 10 2004 041 457 A1 bekannt. Um eine ausreichende Luftmenge variabel durch die Sekundärluftpumpe zu fördern, wird eine die Sekundärluftpumpe antreibende elektrische Spannung entsprechend eingestellt. Dies erfolgt in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter, welcher anzeigt, ob eine exotherme Reaktion im Katalysator stattfindet oder nicht. Es wird eine Bordspannung solange erhöht, solange der wenigstens eine vorbestimmte Parameter anzeigt, dass die exotherme Reaktion im Katalysator nicht abläuft.
  • Aus der DE 43 09 854 C2 ist ein Verfahren zur Steuerung der Sekundärluftzufuhr für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei dem bei warmer Brennkraftmaschine zur Überwachung der Funktion der Sekundärluftpumpe diese kurzzeitig aktiviert und eine Reaktion der Lambdaregelung ausgewertet wird. Um hierbei eine Verschlechterung der Schadstoffkonzentration möglichst gering zu halten, wird eine Drehzahl der Sekundärluftpumpe verringert.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der o. g. Art derart zu verbessern, dass die Bereitstellung und Zumessung der benötigten Sekundärluftmasse verbessert ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
  • Dazu ist es bei einem Verfahren der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass während einer Betriebsphase der Brennkraftmaschine, bei der der Katalysator aufgeheizt wird, die Versorgungsspannung in Abhängigkeit von einer Gemischzusammensetzung an einer vorbestimmten Stelle im Abgastrakt derart verändert wird, dass ein vorbestimmter Sollwert für die Gemischzusammensetzung stromab der Einleitstelle für Sekundärluft im Abgastrakt erzielt wird.
  • Dies hat den Vorteil, dass eine optimierte Katalysator-Heizstrategie erzielt wird. Dies ermöglicht eine Adaption an Serienstreuungen am Abgasturbolader hinsichtlich des Abgasgegendruckes sowie eine Anpassung der Abgastemperatur derart, dass die Brennkraftmaschine immer in einem Katalysator-Heizfenster betrieben wird. Weiterhin wird eine Adaption an typischerweise auftretende Versottung in beteiligten Rohrleitungen erzielt.
  • Um Bauteiltoleranzen und Alterungseffekte des Sekundärluftsystems auszugleichen, wird die Versorgungsspannung zusätzlich in Abhängigkeit von einem Istwert-Signal einer Lambdasonde derart verändert, dass ein vorbestimmtes Sollwert-Signal dieser Lambdasonde erzielt wird.
  • Einen einfachen Eingriff in die Versorgungsspannung erzielt man dadurch, dass die Versorgungsspannung mit einem separaten Spannungsregler oder einem DC/DC-Wandler verändert wird.
  • Eine weitere Verbesserung der Genauigkeit der zugeführten Sekundärluftmenge erzielt man dadurch, dass die Versorgungsspannung zusätzlich in Abhängigkeit von einem Istwert eines Abgasgegendruckes an einer ersten vorbestimmten Stelle im Abgastrakt und/oder in Abhängigkeit von einem Istwert einer Abgastemperatur an einer zweiten vorbestimmten Stelle im Abgastrakt derart verändert wird, dass ein vorbestimmter Sollwert für den Abgasgegendruck an einer dritten vorbestimmten Stelle und/oder ein vorbestimmter Sollwert für die Abgastemperatur an einer vierten vorbestimmen Stelle erzielt wird.
  • Eine besonders einfache Regelung erzielt man dadurch, dass die erste vorbestimmte Stelle und die dritte vorbestimmte Stelle bzw. die zweite vorbestimmte Stelle und die vierte vorbestimmte Stelle identisch sind.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
  • 1 eine beispielhafte Ausführungsform einer Brennkraftmaschine zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
  • 2 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit des von einer Sekundärluftpumpe geförderten Sekundärluftmassenstromes von einem Abgasgegendruck und einer Versorgungsspannung für die Sekundärluftpumpe.
  • Die in 1 dargestellte, beispielhafte Ausführungsform einer Brennkraftmaschine umfasst einen Frischlufttrakt 10, einen Abgastrakt 12 und einen Abgasturbolader 14. Im Frischlufttrakt 10 ist ein Luftfilter 16, ein Verdichter 18 des Abgasturboladers 14, eine Drosselklappe 20, ein Saugrohr 22 mit integriertem Ladeluftkühler 24 und eine Bypassleitung 26 mit Umluftventil 28 zum wahlweise Überbrücken des Verdichters 18 angeordnet. Der Frischlufttrakt 10 führt Verbrennungsluft an Arbeitszylinder 30 der Brennkraftmaschine zu. Im Abgastrakt 12 ist eine Turbine 32 des Abgasturboladers 14, ein Vorkatalysator 34, ein Hauptkatalysator 36 und eine Bypassleitung 38 mit Wastegate 40 zum wahlweise Überbrücken der Turbine 32 angeordnet. Der Abgastrakt 12 dient zum Abführen von Abgas von den Arbeitszylindern 30.
  • Eine Sekundärluftanlage 42 mit einem Luftfilter 44, einer Sekundärluftpumpe 46 und einem Sekundärluftventil 48 dient zum fördern eines Sekundärluftmassenstromes in den Abgastrakt 12 stromauf der Katalysatoren 34, 36, um im Abgastrakt 12 für eine Abgasnachbehandlung durch die Katalysatoren 34, 36 optimale Reaktionsbedingungen und damit möglichst geringe Emissionen zu erreichen. Eine Hochdruckpumpe 50 dient zum Fördern von Kraftstoff 52 an die Arbeitszylinder 30.
  • Die Sekundärluftpumpe 46 wird während einer Betriebsphase der Brennkraftmaschine, bei der mindestens einer der Katalysatoren 34, 36 aufgeheizt wird, in Abhängigkeit von einer Abgaszusammensetzung (Lambda-Wert), von einem Abgasgegendruck an einer vorbestimmten ersten Stelle beispielsweise stromauf der Turbine 32 und/oder in Abhängigkeit von einer Abgastemperatur an einer vorbestimmten zweiten Stelle beispielsweise stromauf der Katalysatoren 34, 36 mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen derart betrieben, dass dem Abgastrakt 12 unterschiedliche Sekundärluftmassenströme zugeführt werden. Auf diese Weise wird eine gewünschte Abgaszusammensetzung bzw. Lambdawert, ein gewünschter Abgasgegendruck und/oder eine gewünschte Abgastemperatur stromab der Einleitstelle für Sekundärluft erzielt.
  • In 2 ist die Leistungsabhängigkeit der Sekundärluftpumpe 46 von der angelegten Versorgungsspannung dargestellt. Auf einer horizontalen Achse 54 ist ein Abgasgegendruck in [mbar] stromauf der Turbine 32 und auf einer vertikalen Achse 56 ist ein Sekundärluftmassenstrom msSekundärluft in [kg/h] aufgetragen. Eine erste Pumpenkennlinie 58 bei einer Versorgungsspannung für die Sekundärluftpumpe 46 von USLP = 13,5 V veranschaulicht die Abhängigkeit des Sekundärluftmassenstromes 56 vom Abgasgegendruck 54 bei einer Versorgungsspannung, welche im Wesentlichen einer Bordspannung beispielsweise eines Kraftfahrzeugs entspricht. Eine zweite Pumpenkennlinie 60 bei einer Versorgungsspannung für die Sekundärluftpumpe 46 von USLP = 12,5 V veranschaulicht die Abhängigkeit des Sekundärluftmassenstromes 56 vom Abgasgegendruck 54 bei im Vergleich zur Bordspannung reduzierter Versorgungsspannung. Beide Pumpenkennlinien 58, 60 haben eine Differenz der Versorgungsspannung 62 ΔUSLP = 1 V. Wie sich unmittelbar aus 2 ergibt, verändert sich der Sekundärluftmassenstrom 56 und damit das Abgaslambda, wenn bei gleichem Motorbetriebspunkt die Versorgungsspannung an der Sekundärluftpumpe 46 verändert wird. Dieser Effekt wird erfindungsgemäß dazu ausgenutzt, beispielsweise für das Katalysatorheizen oder zum Einstellen einer gewünschten Abgastemperatur und/oder eines gewünschten Abgasgegendruckes stromauf der Turbine 32 an jedem Motorbetriebspunkt die genau richtige Menge Sekundärluft zuzumessen bzw. genau den richten Sekundärluftmassenstrom in den Abgastrakt 12 zu fördern. Die Parameter des durch die Sekundärluft unterstützten Katalysatorheizens werden hierdurch optimal an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine angepasst.
  • Die Versorgungsspannung wird in Abhängigkeit von der Abgaszusammensetzung, der Abgastemperatur und/oder dem Abgasgegenruck verändert, um entsprechende gewünschte Sollwerte für Abgaszusammensetzung, Abgastemperatur und/oder Abgasgegenruck zu erzielen. Optional wird die Versorgungsspannung in Abhängigkeit von einem Zeitverlauf, einem Motorbetriebspunkt und/oder einem Signal einer Lambdasonde variiert.
  • Über das Lambdasondensignal können weiterhin Bauteil- und Alterungstoleranzen vom Sekundärluftsystem 42 (Sekundärluftpumpe 46, Sekundärluftventil 48 und Sekundärluft-Luftführung), Abgasturbolader (Gegendruck) und Abgasnachbehandlungssystem ausgeglichen und adaptiert werden. Durch die Adaption kann auch der Betriebspunkt vor Regelbereitschaft der Lambdasonde korrigiert werden.
  • Beispielsweise wird mittels einer Breitbandlambdasonde vor dem oder den Abgaskonvertern (Katalysator 34, 36) ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis (Lambdawert) ermittelt und anschließend die Versorgungsspannung an der Sekundärluftpumpe 46 angepasst und variiert. Dadurch ist auch eine Vorsteuerung und Regelung des Sekundärluftmassenstroms 56 möglich.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10205966 A1 [0003]
    • DE 10338935 A1 [0004]
    • DE 102004041457 A1 [0005]
    • DE 4309854 C2 [0006]

Claims (6)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Abgastrakt, in dem wenigstens ein Katalysator angeordnet ist, und mit einer Sekundärluftpumpe, welche einen Sekundärluftmassenstrom stromauf des Katalysators in den Abgastrakt fördert, wobei zum Ändern des Sekundärluftmassenstromes eine der Sekundärluftpumpe zugeführte Versorgungsspannung verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Betriebsphase der Brennkraftmaschine, bei der der Katalysator aufgeheizt wird, die Versorgungsspannung in Abhängigkeit von einer Gemischzusammensetzung an einer vorbestimmten Stelle im Abgastrakt derart verändert wird, dass ein vorbestimmter Sollwert für die Gemischzusammensetzung stromab der Einleitstelle für Sekundärluft im Abgastrakt erzielt wird.
  2. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsspannung in Abhängigkeit von einem Istwert-Signal einer Lambdasonde derart verändert wird, dass ein vorbestimmtes Sollwert-Signal dieser Lambdasonde erzielt wird.
  3. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsspannung mit einem separaten Spannungsregler oder einem DC/DC-Wandler verändert wird.
  4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsspannung zusätzlich in Abhängigkeit von einem Istwert eines Abgasgegendruckes an einer ersten vorbestimmten Stelle im Abgastrakt und/oder in Abhängigkeit von einem Istwert einer Abgastemperatur an einer zweiten vorbestimmten Stelle im Abgastrakt derart verändert wird, dass ein vorbestimmter Sollwert für den Abgasgegendruck an einer dritten vorbestimmten Stelle und/oder ein vorbestimmter Sollwert für die Abgastemperatur an einer vierten vorbestimmen Stelle erzielt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste vorbestimmte Stelle und die dritte vorbestimmte Stelle identisch sind.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite vorbestimmte Stelle und die vierte vorbestimmte Stelle identisch sind.
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