DE4141946A1 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung des betriebs einer sekundaerluftpumpe - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein System zur Zufuhr von Sekundärluft zum Abgas einer Brennkraftmaschine, die mit einer Lambdaregelung und ei­ nem Katalysator ausgerüstet ist.

Der Einsatz von Sekundärluftpumpen in Verbindung mit Lambdarege­ lungsverfahren und katalytischer Abgasreinigung ist bspw. aus der DE PS 26 57 608 bekannt. Im Gegensatz zu heute üblichen Lambdarege­ lungssystemen erfolgt der Regelungseingriff bei dem dort vorgeschla­ genen Verfahren nicht auf das Kraftstoffzumeßsignal, sondern auf die Luftmenge. Dies geschieht durch eine wahlweise ansaugseitige Zufuhr von Sekundärluft zum leicht fett vorgesteuerten Betriebsgemisch oder durch die Zufuhr der Sekundärluft zu den Verbrennungsprodukten die­ ses leicht fett voreingestellten Gemisches auf der Abgasseite. In beiden Fällen soll damit eine dem Lambdawert von 1 entsprechende Sauerstoffkonzentration im Abgas erreicht werden, wie sie zur opti­ malen Schadstoffkonvertierung im nachgeschalteten Drei-Wege-Kata­ lysator wünschenswert ist. Dazu ist es notwendig, die Zufuhr von Se­ kundärluft in zumindest großen Teilen der Betriebsphasen der Brenn­ kraftmaschine aufrechtzuerhalten. Dieser Dauerbetrieb ist jedoch aus Gründen des Geräuschkomforts und der Lebensdauer der Sekundärluft­ pumpe nicht wünschenswert.

Bei moderneren, mit Sekundärluftpumpen ausgerüsteten Systemen greift die Lambdaregelung hauptsächlich auf das Kraftstoffzumeßsignal ein. Die Sekundärluftpumpe arbeitet dort nur in dem relativ kleinen Zeit­ intervall der Warmlaufphase nach einem Kaltstart bei noch nicht be­ triebsbereiter Lambdaregelung. Die exotherme Reaktion der zwischen Auslaßventilen der Brennkraftmaschine und Katalysator eingeblasenen Luft mit den heißen Abgasen und die weitere Oxidation im Katalysator führt zu einer beschleunigten Aufheizung des Katalysators. Mit Ein­ setzen der Lambdaregelung wird die Sekundärluftpumpe abgeschaltet. Ein solches System wird bspw. in der Zeitschrift MTZ 50 (1989) 6, Seite 249 beschrieben.

Die nach dem zuletzt beschriebenen Verfahren arbeitenden Systeme weisen jedoch noch Nachteile auf. So kann es insbesondere beim Neu­ start einer noch betriebswarmen Brennkraftmaschine zu erhöhten Ab­ gasemissionen kommen, da die Temperatur des Katalysators in einer Unterbrechung des Brennkraftmaschinenbetriebs vergleichsweise schnell unter seine Betriebstemperatur absinken kann. Auf der ande­ ren Seite besteht bei warmer Brennkraftmaschine die Gefahr, daß ein Betrieb der Sekundärluftpumpe schnell zu einer Überhitzung und damit zu einer Schädigung des Katalysators führt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahrens und einer Vorrichtung, mit denen sich die Emission unerwünschter Abgas­ bestandteile beim Start einer noch betriebswarmen Brennkraftmaschine verringern läßt.

Eine Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den Merkmalen der unabhängi­ gen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Als Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich eine Reduk­ tion der Schadstoffemissionen nach einem Start einer noch warmen Brennkraftmaschine. Die Verfahrensmodifikationen nach den abhängigen Ansprüchen bringen weitere Vorteile mit sich. So kann eine thermi­ sche Überlastung des Katalysators durch rechtzeitige Abschaltung der Sekundärluftpumpe verhindert werden. Durch die verzögerte Einschal­ tung der Sekundärluftpumpe setzt das Pumpengeräusch erst bei laufen­ dem Motor ein und bei einer elektrisch angetriebenen Sekundärluft­ pumpe muß der für den Betrieb der Pumpe benötigte Strom nicht vor oder während des Startvorgangs bereitgestellt werden. Neben der Ver­ wendung einer elektrisch angetriebenen Pumpe ist auch die Verwendung einer mechanisch angetriebenen Pumpe denkbar. Die Begriffe Ein- bzw. Ausschalten bezeichnen in diesem Fall bspw. das Schalten einer Kupp­ lung zwischen Sekundärluftpumpe und deren Antrieb.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der zugehörigen Beschreibung erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Fig. 2, 3 und 5 zeigen als Flußdiagramme dargestellte Verfah­ rensabläufe, wie sie zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens geeignet sind. Fig. 4 stellt ein im Rahmen eines bevorzugten Ausführungsbeispiels verwendetes Kennfeld dar.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Mit der Ziffer 1 in der Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine bezeich­ net, die aus einem Ansaugrohr 2 in Verbindung mit einer Kraftstoff­ zumeßeinrichtung 3 mit Luft/Kraftstoffgemisch versorgt wird. Die bei der Verbrennung entstehenden Abgase sammeln sich in einem Abgasrohr 4 und werden in einem Katalysator 5 gereinigt. Ein Steuergerät 6 er­ hält Signale einer Lambdasonde 7 sowie Signale weiterer Sensoren, bspw. Signale von einem Sensor 8 für die Temperatur des Kühlmittels der Brennkraftmaschine, eines Sensors 9, der den Lastzustand der Brennkraftmaschine anzeigt, eines Sensors 10 für die Temperatur der Ansaugluft und eines Sensors 11 für die Temperatur des Katalysators. Neben diesen Sensoren, die in ihren Funktionen teilweise untereinan­ der austauschbar sind und die daher bei der Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens teilweise alternativ zueinander verwendbar sind oder entfallen können, erhält das Steuergerät noch weitere Signale von nicht näher dargestellten Sensoren, bspw. über die Dreh­ zahl der Brennkraftmaschine.

Über einen Ausgang des Steuergerätes 6 wird die Zufuhr von Sekundär­ luft zum Abgas der Brennkraftmaschine durch ein Leitungssystem 15 gesteuert. Ein weiterer Ausgang dient zur Ansteuerung des Kraft­ stoffzumeßmittels 3, bspw. durch ein Einspritzimpulsbreitensignal ti. In dem Leitungssystem befindet sich mindestens eine Sekundär­ luftpumpe 12, weiterhin kann ein Absperrventil 13 und ein Rück­ schlagventil 14 in das Leitungssystem 15 integriert sein. Die Steue­ rung der Sekundärluftmenge kann bspw. durch eine Beeinflussung der Drehzahl der Sekundärluftpumpe 12, durch eine Beeinflussung des Öff­ nungsquerschnitts des Absperrventils 13, oder durch eine Kombination der beiden Maßnahmen erfolgen.

Die Verknüpfung der Eingangssignale im Steuergerät 6 zu dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren läßt sich anhand des Flußdiagramms der Fig. 2 erläutern. An den Start der Brennkraftmaschine (Schritt S1), der bspw. durch Überschreiten eines Schwellwertes für die Brennkraftma­ schinendrehzahl erkannt wird, schließt sich nach Passieren einer Marke A ein Abfrageschritt S2 an, in dem geprüft wird, ob seit dem Start der Brennkraftmaschine eine vorbestimmte Zeitspanne tev ver­ strichen ist. Erst wenn diese Bedingung erfüllt ist, schließt sich nach der Marke B ein Schritt S3 an, der das Einschalten der Sekun­ därluftpumpe symbolisiert.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung folgt nach der Marke c ein Vergleich eines Zählerstands z mit einem Maximalwert zmax innerhalb eines Vergleichsschritts S4. Solange z den Wert zmax nicht ereicht hat, erfolgt in einem Schritt S5 eine Erhöhung dieses Zählerstandes um den Wert x. Bei z=zmax in S4 schließt sich nach Passieren der Marke D das Ausschalten der Sekundärluftpumpe in dem Schritt S6 und ein Übergang zum Normalbetrieb ohne Sekundärluftzu­ fuhr zum Abgas an.

Die durch den Schritt S2 bedingte Zeitverzögerung stellt sicher, daß das mit dem Betrieb der Sekundärluftpumpe verbundene Geräusch erst bei laufender Brennkraftmaschine einsetzt und daß bei einer elek­ trisch angetriebenen Sekundärluftpumpe keine Zusatzbelastung der Stromversorgung beim Start der Brennkraftmaschine anfällt.

Alternativ zu der Zeitschwelle kann auch die Verwendung einer Last- oder einer Drehzahlschwelle zur Einschaltverzögerung sinnvoll sein. Beispielhaft für beide Alternativen ist in der Fig. 3 eine Warteschleife dargestellt, in der zwischen den Marken A und B die Brennkraftmaschinendrehzahl n so lange abgefragt wird, bis n den Schwellwert nev erreicht.

Durch den zwischen den Marken C und D der Fig. 2 liegenden Programm­ teil soll sichergestellt werden, daß die Sekundärluftpumpe nur so­ lange in Betrieb bleibt, wie es zur beschleunigten Aufheizung des Katalysators nötig ist, da eine zu große Einschaltdauer die Gefahr einer dauerhaften Schädigung des Katalysators durch Überhitzung mit sich bringt. Wegen der mit steigender Abgasmenge pro Zeiteinheit, also mit steigender Last und steigender Drehzahl steigenden Aufheiz­ geschwindigkeit ist es vorteilhaft, die Einschaltdauer abhängig vom Last- und Drehzahlverlauf während dieser Zeitspanne zu variieren. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gelingt dies durch eine variable, von Last und Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängige Schrittweite x in Schritt S4 der Fig. 2. Wie in Fig. 4 dargestellt, kann dazu bspw. ein Kennfeld verwendet werden, in dem, adressierbar über Last und Drehzahl verschiedene Schrittweiten abge­ legt sind, wobei die Werte der Schrittweiten von links unten nach rechts oben ansteigen. Der Betrag der Zählerschrittweite wird dabei vorteilhafterweise proportional zur eingespritzten Kraftstoffmenge, die beispielsweise durch die Einspritzimpulsdauer ti gegeben sein kann, gewählt. Weiterhin ist es sinnvoll, die Erhöhung des Zähler­ standes z synchron zur Drehzahl der Brennkraftmaschine vorzunehmen, bspw. jeweils nach einer Umdrehung. Es kann vorteilhaft sein, für einen oder mehrere Betriebszustände, bei denen die Gefahr einer Ka­ talysatorüberhitzung besonders groß ist, den Wert zmax abzulegen. In diesem Fall ist die im Schritt S4 der Fig. 2 geprüfte Bedingung z<zmax nicht erfüllt mit der Folge, daß sich im Schritt S6 ein so­ fortiges Ausschalten der Sekundärluftpumpe anschließt. Bspw. gewähr­ leistet die Konfiguration der Fig. 4 eine sofortige Abschaltung der Sekundärluftpumpe bei einer Kombination von Vollast und hoher Dreh­ zahl.

Alternativ zu diesem Verfahrensablauf kann der zwischen den Marken C und D liegende Programmteil (Fig. 2) auch durch die in der Fig. 5 dar­ gestellten Ausführungsbeispiele ersetzt werden. Nach Fig. 5a soll ei­ ne Abschaltung der Sekundärluftpumpe bei Überschreiten einer vorbe­ stimmten Maximaldrehzahl nmax erfolgen. Fig. 5b stellt die Möglich­ keit dar, eine Abschaltung der Sekundärluftpumpe nach Ablauf einer Zeitschwelle tmax vorzusehen, wobei die wiederholt abzufragende Variable t1 zu Beginn des Sekundärluftpumpenbetriebs den Wert Null besitzt. Fig. 5c zeigt eine Schleife mit einem Temperaturvergleich. Die Variable ν kann sowohl Werte der Motortemperatur (Sensor 8 in Fig. 1) als auch Werte der Katalysatortemperatur (Sensor 11 in Fig. 1) bezeichnen. Fig. 5e sieht einen vorbestimmten Lastschwellwert Qmax vor, dessen Überschreitung durch die Lastvariable Q (Sensor 9) zur Abschaltung der Sekundärluftpumpe führt. Bei Systemen, die über ei­ nen Vollastschalter verfügen, kann die Abschaltung der Sekundärluft­ pumpe auch über diesen Schalter erfolgen.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 5e wird die Laufzeit der Sekundärluftpumpe ähnlich wie in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 vom zeitlichen Verlauf von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine abhängig gestaltet. Dazu wird in einem Schritt S4a der Wert Ti mit einem Maximalwert Ti-max verglichen. Ti kann bspw. proportional zur gesamten seit dem Start der Sekundärluftpumpe oder der Brennkraftma­ schine eingespritzten Kraftstoffmenge sein. Die Summe aller Einzel­ einspritzimpulse ti liefert bspw. die gewünschte Proportionalität. Solange der Schwellwert Ti-max nicht überschritten wird, schließt sich an den Ti-Vergleich ein Schritt S5a an, in dem vorzugsweise drehzahlsynchron der aktuelle Einspritzwert ti zum bisherigen Wert der Summe Ti hinzuaddiert wird. Um sicherzustellen, daß der Kataly­ sator keine Überhitzung durch Vollastbetrieb erleidet, ist ein wei­ terer Vergleichsschritt S5b vorgesehen, der eine Abschaltung der Se­ kundärluftpumpe vorsieht, sobald der aktuelle Einspritzwert ti einen für hohe Lastzustände charakteristischen vorbestimmten Schwellwert tio überschreitet. Die Abschaltung wird auch dann ausgelöst, wenn der Summenwert Ti bei der Abfrage in dem Schritt S4a seinen Maximal­ wert Ti-max überschreitet. Ähnlich wie in dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 2 wird auch in diesem Ausführungsbeispiel ein Zählvor­ gang mit Zählschritten variabler Schrittweite durchgeführt, wobei der Zählschritt vorzugsweise bei synchron zur Brennkraftmaschinen­ drehzahl erfolgt und wobei die Zählerschrittweite vorzugsweise pro­ portional zur jeweils eingespritzten Kraftstoffmenge ist.

Die in den Ausführungsbeispielen genannten vorbestimmten Maximalwer­ te für Drehzahl, Zeit, Temperatur und Last können auch von den Be­ dingungen zum Zeltpunkt des Starts der Brennkraftmaschine abhängig sein. Dies gilt im übrigen auch für die im Rahmen des bevorzugten Ausführungsbeispiels verwendeten Start und Endwerte für den Zählvor­ gang. So ist bspw. bei einem Start mit vergleichsweise kalter Brenn­ kraftmaschine ein höherer zmax-Wert (tmax-Wert) sinnvoll als bei vergleichsweise warmer Brennkraftmaschine, um die Laufzeit der Sekundärluftpumpe dem Wärmebedarf des Katalysators anzupassen. Bei vergleichsweise hoher Ansauglufttemperatur (Sensor 10) ist eine Ver­ kürzung der Einschaltdauer günstig. Exemplarisch für diese Möglich­ keiten enthält die Fig. 5a einen gestrichelt gezeichneten Block, in den im Anschluß an die Marke c der Wert nmax abhängig von der An­ sauglufttemperatur ν Luft beim Start bestimmt wird.

Es ist außerdem sinnvoll, eine Anpassung der Sekundärluftmenge an die Abgasmenge vorzusehen, um die Schadstoffemissionen weiter zu vermindern. Diese Anpassung kann sowohl vorgesteuert (Last, Dreh­ zahl) als auch, betriebsbereite Lambdaregelung vorausgesetzt, gere­ gelt erfolgen. Entsprechende Verfahrensschritte können bspw. im Steuergerät 6 erfolgen. Dieses Steuergerät kann sowohl als separates Bauteil als auch als bauliche Einheit mit einem übergeordneten Steuergerät verwirklicht werden, wobei das übergeordnete Steuergerät weitere Funktionen, bspw. die Regelung/Steuerung der Zusammensetzung des Kraftstoff/Luftgemisches übernimmt.

Claims (11)

1. Verfahren zur Steuerung der Zufuhr von Sekundärluft zum Abgas ei­ ner Brennkraftmaschine, die mit einer Sekundärluftpumpe, einer das Kraftstoffzumeßsignal modulierenden Lambdaregelung und einem Kataly­ sator ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluft­ pumpe bei wählbaren Bedingungen, die auch einen Warmstart der Brenn­ kraftmaschine einschließen, eingeschaltet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ein­ schalten der Sekundärluftpumpe gegenüber dem Start der Brennkraftma­ schine verzögert erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekun­ därluftpumpe erst nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne, die mit dem Start der Brennkraftmaschine beginnt, eingeschaltet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekun­ därluftpumpe erst nach dem erstmaligen Überschreiten eines Schwell­ wertes nev der Brennkraftmaschinendrehzahl n eingeschaltet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltdauer der Sekundärluftpumpe durch die Dauer eines Zählvorgangs zwischen einem vorbestimmten Startund einem vorbestimm­ ten Endwert bestimmt wird, wobei der Zählvorgang durch das Einschal­ ten der Sekundärluftpumpe ausgelöst wird und wobei die Schrittweite der Zählschritte von aktuellen Betriebsparametern der Brennkraftma­ schine abhängig ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrittweite jeweils von der Drehzahl, der Last oder auch von einer Kombination eines Drehzahlund eines Lastwertes abhängig ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrittweite der Zählschritte proportional zu der Kraftstoffmenge ist, die während einer Umdrehung der Brennkraftmaschine eingespritzt wird und daß die Zählschritte synchron zu den Umdrehungen der Brenn­ kraftmaschine ausgeführt werden.

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß entweder der Startwert oder der Endwert oder auch Start- und Endwert von der Temperatur der Brennkraftmaschine, der Temperatur des Katalysators oder der Temperatur der Ansaugluft oder einer Kombination dieser Temperaturen beim Start der Brennkraftma­ schine abhängig ist.

9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sekundärluftpumpe abhängig von der Erfüllung we­ nigstens einer vorgegebenen Bedingung für Einschaltzeitdauer, Brenn­ kraftmaschinen-Last, -Drehzahl, -Temperatur oder Katalysatortempera­ tur abgeschaltet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ge­ nannten vorgegebenen Bedingungen (Schwellwerte) von der Temperatur der Ansaugluft oder der Temperatur der Brennkraftmaschine beim Start der Brennkraftmaschine abhängig sind.

11. Vorrichtung zur Steuerung der Zufuhr von Sekundärluft zum Abgas einer Brennkraftmaschine, die mit einer Sekundärluftpumpe, einer das Kraftstoffzumeßsignal modulierenden Lambdaregelung und einem Kataly­ sator ausgerüstet ist und bei der die Sekundärluft den Abgasen der Brennkraftmaschine vor dem Katalysator zugeführt wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Mittel vorhanden sind, die die Sekundärluftpumpe bei wählbaren Bedingungen, die auch einen Warmstart der Brennkraftma­ schine einschließen, einschalten und daß ferner Mittel zum Überprüfen vorgegebener Ausschaltbedingungen vorhanden sind.