DE4309854A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der Sekundärluftzufuhr für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Anpas­ sung der Menge der Sekundärluft an die Menge der von einer Brenn­ kraftmaschine ausgestoßenen Abgase. Ferner betrifft sie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung der Sekundärluftzufuhr.

Stand der Technik

Es ist bereits bekannt, dem Abgas einer Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart bei noch nicht betriebsbereiter Lambdaregelung Sekundärluft zuzuführen. Die exotherme Reaktion der zwischen den Auslaßventilen der Brennkraftmaschine und einem Katalysator eingeblasenen Sekundär­ luft mit den heißen Abgasen und die weitere Oxidation im Katalysator führt zu einer beschleunigten Aufheizung des Katalysators und damit zu einer verbesserten Schadstoffkonvertierung in der Warmlaufphase nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine. Ein solches System wird bspw. in der Zeitschrift MTZ 50 von 1989, Ausgabe 6, Seite 249 be­ schrieben. Gesetzgeberische Forderungen sehen darüber hinaus eine Überwachung der Sekundärluftzufuhr vor. So bezeichnet die kaliforni­ sche Umweltbehörde CARB die Sekundärluftmenge als kritische Größe für die Minimierung der Schadstoffemissionen im Kaltstartfall. Zur Über­ wachung der Funktion wird dort vorgeschlagen, die Sekundärluftzufuhr kurz zu aktivieren und die Reaktion der Lambdaregelung auszuwerten. Um eine mögliche Verschlechterung der Schadstoffkonvertierung mög­ lichst gering zu halten, soll die Zufuhr von Sekundärluft während der Diagnose verringert werden. Für den Fall elektrisch angetriebener Sekundärluftpumpen wird dazu eine Verringerung der Drehzahl der Sekundärluftpumpe vorgeschlagen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines einfachen Ver­ fahrens und einer einfachen Vorrichtung zur Ansteuerung einer elek­ trischen Sekundärluftpumpe mit günstigem Abgasverhalten, gutem Ge­ räuschkomfort und guter Überwachbarkeit.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen eine zumindest grobe Anpassung der Sekundärluftmenge an die Abgasmenge, wodurch sich folgende Vorteile einstellen: Zunächst wird eine Beeinträchtigung der Schadstoffkonvertierung durch eine zu große Sekundärluftmenge im Diagnosefall vermieden. Darüber hinaus wird eine zu starke Abkühlung des Katalysators, verursacht durch zu großen Sekundärluftstrom im Leerlauf, vermieden. Gleichzeitig kann in ande­ ren Lastbereichen eine Mindestmenge an Sekundärluft zugeführt werden, wie sie zur beschleunigten Aufheizung des Katalysators nötig ist. Im Leerlauf der Brennkraftmaschine, in dem das Pumpengeräusch unter Um­ ständen nicht durch das Motorgeräusch überdeckt wird, wird das Pum­ pengeräusch wirkungsvoll verringert. Dieser Vorteil kommt insbesonde­ re dann zum Tragen, wenn die Diagnose bei warmem Motor im Leerlauf, bspw. bei einem Ampelstop, durchgeführt wird.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens und der ent­ sprechenden Vorrichtung finden sich in den Zeichnungen und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine mit einer Sekundärluftpumpe, ei­ nem Steuergerät sowie weiteren Komponenten und stellt damit das tech­ nische Umfeld dar, in dem die Erfindung zur Anwendung kommt.

Fig. 2 verdeutlicht den Aufbau und Funktionsweise des Steuergerätes.

Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Steuerung und Diagnose der Sekundärluftzufuhr.

Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, das gegenüber dem er­ sten Ausführungsbeispiel eine differenziertere Diagnose ermöglicht.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel.

Fig. 6 zeigt Flußdiagramme des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie es bspw. im Rahmen eines vom Steuergerät ausgeführten Programms durchge­ führt werden kann.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1, ein Ansaugrohr 2, ein Kraft­ stoffzumeßmittel 3, ein Abgasrohr 4 mit einem Katalysator 5 und einer Abgassonde 6, Sensoren 7 und 8 zur Erfassung der Drehzahl n bzw. der Temperatur T der Brennkraftmaschine, ein Steuergerät 8, Leitungen 9 für die Zufuhr von Sekundärluft in das Abgasrohr, eine Sekundärluft­ pumpe 10, ein Rückschlagventil 11, eine Drosselklappe 12 mit einem Leerlaufkontakt 13, ein Mittel 14 zum Erfassen der von der Brenn­ kraftmaschine angesaugten Luftmenge Q, ein Mittel 15 zur Anzeige oder Speicherung eines Signals, das einen Fehler in der Funktion der Se­ kundärluftzufuhr anzeigt sowie einen Funktionsblock 16, der die er­ findungsgemäße Vorrichtung enthält.

Das Steuergerät 8 empfängt wenigstens Signale Q über die Menge der angesaugten Luft, der Drehzahl n, der Temperatur T der Brennkraftma­ schine, der Stellung der Drosselklappe (LL), der augenblicklichen Kraftstoff/Luft-Gemisch-Zusammensetzung Lambda sowie bei einem Aus­ führungsbeispiel der Erfindung noch ein Meßsignal U aus dem Funk­ tionsblock 16. Es bildet aus einem Teil dieser Signale ein Kraft­ stoffzumeßsignal, bspw. eine Einspritzzeit ti zur Ansteuerung des Kraftstoffzumeßmittels 3. Das im Ansaugrohr 2 gebildete Kraft­ stoff/Luft-Gemisch wird in der Brennkraftmaschine 1 verbrannt. Der Restsauerstoffanteil (L) der Abgase dieses Verbrennungsprozesses wird durch die Abgassonde 6 erfaßt, im Abgas vorhandene Schadstoffe werden im Katalysator 5 konvertiert. In bestimmten Betriebszuständen wird dem Abgas der Brennkraftmaschine Sekundärluft durch die Sekundärluft­ pumpe 10 zugeführt. Die Ansteuerung der Sekundärluftpumpe erfolgt über den weiter unten erläuterten Funktionsblock 16 durch das Steuergerät 8, bspw. abhängig vom Signal LL über die Stellung der Drosselklappe, und weiteren Signalen über Last, Drehzahl und Tempera­ tur der Brennkraftmaschine. Wenn bei der Durchführung des Diagnose­ verfahrens ein Fehler in der Sekundärluftzufuhr festgestellt wird, gibt das Steuergerät ein entsprechendes Signal F an das Mittel 15, das den Fehler anzeigt oder das Auftreten des Fehlers für spätere Ab­ fragen speichert. Das Rückschlagventil 11 verhindert, daß Abgas über die Sekundärluftpumpe ins Freie gelangt.

Die Fig. 2 stellt ein an sich bekanntes Steuergerät 8 in Form von Funktionsblöcken dar. Einem Eingabeblock 17 werden die Signale der Sensoren aus der Fig. 1 (Q,T, L, LL, n) sowie das bei einem Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung auftretende Signal U zugeführt. Ein Aus­ gabeblock 18 gibt bspw. ein Kraftstoffzumeßsignal ti, Signale SSi, (i=1, . . . , n) zur Ansteuerung der Sekundärluftpumpe sowie ggf. das Feh­ lersignal F heraus. Zwischen den beiden Blöcken vermittelt eine Recheneinheit 19 nach einem Programm, das im Speicher 20 abgelegt sein kann. Der Speicher 20 kann daneben Daten enthalten, die für den Betrieb der Brennkraftmaschine verwendet werden, bspw. Kennfelder für Einspritzzeiten.

Die Fig. 3 stellt als erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung den Aufbau des gestrichelt gezeichneten Funktions­ blocks 16 zusammen mit dem Steuergerät 8, der Sekundärluftpumpe 10 und dem Mittel 15. Der Funktionsblock 16 enthält einen Widerstand 19 sowie Schaltmittel 17 und 18, die alternativ zueinander vom Steuergerät über Signale SS1 und SS2 betätigt werden. Die Bildung der Signale SSi geschieht dabei in Abhängigkeit zu wenigstens einem der in der Fig. 1 dargestellten Eingangssignale des Steuergeräts 8.

Je nachdem, welches der beiden Signale vom Steuergerät ausgegeben wird, liegt eine andere Spannung an der Sekundärluftpumpe an. Im hier dargestellten Beispiel wurde das Schaltsignal SS2 ausgegeben, so daß bei geschlossenem Schalter 18 und geöffnetem Schalter 17 die volle Versorgungsspannung an der Sekundärluftpumpe anliegt. Dementsprechend wird dem Abgas der Brennkraftmaschine in dieser Schaltstellung eine vergleichsweise hohe Sekundärluftmenge zugeführt, wie es bei ver­ gleichsweise hohen Last- und Drehzahlwerten angebracht ist. Das Schaltsignal SS1 wird dagegen bei vergleichsweise kleinen Last- und Drehzahlwerten oder bei geschlossener Drosselklappe, d. h. im Leerlauf der Brennkraftmaschine, ausgegeben. In diesem Fall erfolgt die Strom­ versorgung der Sekundärluftpumpe über den geschlossenen Schalter 17 und den Vorwiderstand 19. Die über diesen Vorwiderstand reduzierte Versorgungsspannung führt zu einer verringerten Förderleistung der Sekundärluftpumpe 9.

Zur beschleunigten Aufheizung des Katalysators werden beide Schalt­ mittel betriebspunktabhängig für eine Zeitspanne nach Motorstart be­ tätigt, so daß sich eine zweistufige Anpassung der Sekundärluftmenge an die Abgasmenge einstellt.

Zur Diagnose der Sekundärluftzufuhr wird der betriebswarmen Brenn­ kraftmaschine zunächst fettes Gemisch zugeführt. Im Anschluß daran wird der Schalter 19 im Leerlauf für kurze Zeit geschlossen. Bei korrekter Funktion bewirkt die Einblasung von Sekundärluft eine Ver­ größerung des Sauerstoffanteils im Abgas. Die Abgassonde 6 zeigt dem­ entsprechend magere Gemischzusammensetzung an. Ein Ausbleiben dieses Magersignals ist gleichbedeutend mit einem Fehler im Bereich der Se­ kundärlufteinblasung, eine entsprechende Fehlermeldung wird entweder abgespeichert oder angezeigt (Mittel 15).

Ein Nachteil dieses einfachen Ausführungsbeispiels liegt darin, daß nicht zwischen Fehlern im elektrischen oder pneumatischen Teil der Sekundärluftzufuhr unterschieden werden kann. Weiterhin ist es mög­ lich, das Fehler in der zweiten Stufe, bspw. ein Ausbleiben des Signales SS2 oder ein defekter Schalter 18, unbemerkt bleiben. Diese Nachteile lassen sich beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 vermeiden. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Funktionsblock 16 nach Fig. 3 durch einen weiteren Widerstand 20 und ein Mittel 21, das den Span­ nungsabfall am Widerstand 20 erfaßt, ergänzt. Dieser Widerstand be­ findet sich im gemeinsamen Teil der beiden Versorgungsstromkreise für die Sekundärluftpumpe. Mit der Messung des Spannungsabfalls U an die­ sem Widerstand kann während des regulären Betriebs der Sekundärluft­ pumpe sowohl die korrekte Ansteuerung durch die Signale SSi als auch die Funktion der einzelnen Stromkreise überwacht werden. Die Überwa­ chung des pneumatischen Teils, d. h. der tatsächlichen Einblasung in den Abgasstrom, erfolgt dann wie oben im Leerlauf über die Reaktion des Lambdareglers.

Die Fig. 5 zeigt gewissermaßen eine Ausdehnung auf eine n-stufige An­ steuerung der Sekundärluftpumpe mit Widerständen R1-Rn, die, wie im Zusammenhang mit der zweistufigen Ausführungsform nach der Fig. 3 er­ läutert, betriebspunktabhängig vom Steuergerät 8 über Schaltsignale SSi in die Stromversorgung der Brennkraftmaschine eingeschaltet wer­ den können.

Die Fig. 6 zeigt als Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens ein Flußdiagramm mit Verfahrensschritten zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Nach einem Start der Brennkraftmaschine in einem Schritt S1 wird in einem Schritt S2 geprüft, ob gewisse Be­ dingungen für das Einschalten der Sekundärluftpumpe erfüllt sind. Es kann bspw. sinnvoll sein, die Sekundärluftpumpe nur unterhalb einer bestimmtem Ansauglufttemperatur und/oder unterhalb einer bestimmten Temperatur des Kühlwassers einzuschalten. Werden diese Werte über­ schritten, wird die Anfrage im Schritt S2 verneint, und es schließt sich über den Schritt S8 ein Normalbetrieb der Brennkraftmaschine ohne die Zufuhr von Sekundärluft zum Abgas an. Sind die genannten Be­ triebsbedingungen dagegen erfüllt, wird in einem Schritt S4 die Last­ größe Q der Brennkraftmaschine mit einem Schwellwert Q0 ver­ glichen. Wird der Schwellwert nicht überschritten, wie es bspw. für die erste Abfrage nach dem Start zu erwarten ist, wird in einem Schritt S5 das Signal SS1 ausgegeben. Wie in Fig. 3 dargestellt, schließt das Signal SS1 den Schalter 17 im Stromkreis mit dem Vor­ widerstand 19. Dementsprechend liegt an der Sekundärluftpumpe eine vergleichsweise geringe Spannung an, was zu einer entsprechend geringen Zufuhr von Sekundärluft zum Abgas führt. Ein Überschreiten des Schwellwertes im Schritt S4 führt dagegen über einen Schritt S6 zur Ausgabe des Signals SS2, d. h. zum Betrieb der Sekundärluftpumpe ohne Vorwiderstand und damit zu der Zufuhr einer vergleichsweise hohen Menge von Sekundärluft zum Abgas. In einem Schritt S7 wird geprüft, ob die Sekundärluftpumpe weiter eingeschaltet bleiben soll. Bspw. kann die Sekundärluftpumpe nach Erreichen einer Zeitschwelle oder dann, wenn die Brennkraftmaschinentemperatur einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt, abgeschaltet werden.

Solange die Abschaltbedingung noch nicht erfüllt ist, wird die Schleife aus den Schritten S4 bis S7 wiederholt durchlaufen, wobei die Sekundärluftmenge durch die Schritte S4 bis S6 an den jeweils aktuellen Lastwert Q der Brennkraftmaschine angepaßt wird.

Sind die Abschaltbedingungen dagegen erfüllt, wird die beschriebene Schleife im Schritt S7 verlassen und im Schritt S8 zum Normalbetrieb der Brennkraftmaschine ohne Zufuhr von Sekundärluft zum Abgas ver­ zweigt. Dieser Normalbetrieb wird durch wiederholtes Durchlaufen der Schritte S8 und S9 so lange beibehalten, bis in dem Schritt S9 festge­ stellt wird, daß bestimmte Testbedingungen erfüllt sind. Eine sinn­ volle Randbedingung zur Durchführung des Tests ist bspw. ein bereits einige Sekunden andauernder Leerlaufzustand bei betriebswarmer Brenn­ kraftmaschine. Man geht davon aus, daß dieser Zustand dann noch für eine zur Testdurchführung ausreichende Zeitdauer andauern wird. Ein typisches Beispiel für eine solche Situation ist die Wartezeit, in der ein Fahrzeug an einer Ampel steht. Um den Test nicht bei jedem Ampelstop und damit unnötig häufig auszuführen, ist es darüber hinaus sinnvoll, nur einen Test pro Fahrzyklus auszuführen. Sind diese Test­ bedingungen erfüllt, wird in einem Schritt S10 fettes Gemisch (Lambda<1) eingestellt. Wenn sich die fette Gemischeinstellung dann an der Abgassonde bemerkbar macht, wird in einem Schritt S11 kurzzei­ tig das Signal S1 ausgegeben und die Sekundärluftpumpe damit über den Vorwiderstand mit reduzierter Förderleistung eingeschaltet. Bei ord­ nungsgemäßer Funktion der Sekundärluftzufuhr muß die Abgassonde auf den zusätzlich eingebrachten Sauerstoff mit einem Signalwechsel rea­ gieren und ein Lambda-Ist-Signal entsprechend einer mageren Gemisch­ zusammensetzung (Lambda<1) abgeben. Wird dieser Signalwechsel in dem Schritt S12 festgestellt, gelten die an der Sekundärluftzufuhr betei­ ligten Komponenten als funktionsfähig. Nach dem Ausschalten der Se­ kundärluftpumpe in dem Schritt S14 schließt sich in diesem Fall mit dem Schritt S15 die Rückkehr zum Normalbetrieb an. Tritt der gefor­ derte Signalwechsel dagegen nicht auf, wird die Abfrage in dem Schritt S12 verneint und in dem Schritt S13 ein Fehlersignal ausgege­ ben, bevor die Sekundärluftpumpe im Schritt S14 ausgeschaltet und im Schritt S15 zum Normalbetrieb zurückgekehrt wird.

Die Fig. 6b zeigt eine Erweiterung des beschriebenen Verfahrensab­ laufs, die in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 eine differenziertere Diagnose erlaubt. Danach wird beim Betrieb der Se­ kundärluftpumpe bspw. auch außerhalb der Testroutine (S9-S16), nach der Marke A geprüft, ob die Spannung U, die an dem Widerstand 21 in der Fig. 4 abfällt, einen Schwellwert U0 überschreitet (S16). Ist dies nicht der Fall, ist der Stromfluß in der Stromversorgung der Se­ kundärluftpumpe mit großer Wahrscheinlichkeit unterbrochen, bspw. durch defekte Schalter 17, 18 oder durch fehlende Signale SSi zum Schließen dieser Schalter. Auf diese Weise kann ein Fehler im elek­ trischen Teil der Sekundärluftzufuhr erkannt werden und im Schritt S17 kann ein entsprechend differenziertes Fehlersignal zum Mittel 15 ausgegeben werden. Unter diesen Umständen erübrigt sich die weitere Schrittfolge S7 bis S13 und es wird im Anschluß an einen Sprung zu der Marke C die Sekundärluftpumpe abgeschaltet (S14) und zum Normal­ betrieb zurückgekehrt (S15).

Überschreitet der Spannungsabfall U dagegen den Schwellwert U0 im Ab­ frageschritt 12, gilt der elektrische Teil der Sekundärluftzufuhr als funktionsfähig und die bereits beschriebene Schrittfolge S7 bis S15 wird durchgeführt. Tritt dabei kein Signalwechsel (S12) auf, wird im Schritt S13 ein Fehlersignal ausgegeben, das einen Fehler im pneuma­ tischen Teil der Sekundärluftzufuhr bezeichnet.

Das Ausführungsbeispiel nach der Fig. 4 erlaubt auf diese Weise eine zwischen Fehlern im elektrischen und pneumatischen Teil der Sekundär­ luftzufuhr differenzierende Fehlermeldung.

Claims (9)

1. Verfahren zur Steuerung der Zufuhr von Sekundärluft zum Abgas ei­ ner Brennkraftmaschine mit einer elektrisch angetriebenen Sekundär­ luftpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der Sekundär­ luftpumpe in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftma­ schine in mindestens zwei Stufen so erfolgt, daß die Zufuhr von Se­ kundärluft mit einer durch die Zahl der Stufen bestimmten Feinheit an den aktuellen Wert der von der Brennkraftmaschine gelieferten Abgas­ menge angepaßt werden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die minde­ stens zweistufige Ansteuerung durch ein Zwischenschalten von Wider­ ständen in die Stromversorgung der Sekundärluftpumpe erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Diagnose des pneumatischen Teils der Sekundärluftzufuhr nur bei war­ mer Brennkraftmaschine und nur in der Stufe erfolgt, mit der die Zu­ fuhr von Sekundärluft für vergleichsweise kleine Abgasmengen ge­ steuert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diagno­ se des pneumatischen Teils der Sekundärluftzufuhreinrichtung nur im Leerlauf der Brennkraftmaschine erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Diagnose des elektrischen Teils der Sekundärluftzufuhreinrichtung im Normalbetrieb der Sekundärluftpumpe, d. h. im Warmlauf nach einem Kaltstart durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß geprüft wird, ob bei eingeschalteter Sekundärluftpumpe ein Stromfluß in dem Versorgungsstromkreis für die Sekundärluftpumpe vorhanden ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei fehlen­ dem Stromfluß im Anschluß an einen Start der Brennkraftmaschine ein Signal ausgegeben wird, das allgemein einen Defekt in der Sekundär­ luftzufuhr oder aber spezieller einen Defekt im elektrischen Teil der Sekundärluftzufuhr anzeigt und daß bei fehlendem Stromfluß der Test des pneumatischen Teils der Sekundärluftzufuhr bei warmer Brennkraft­ maschine unterdrückt wird.

8. Vorrichtung zur Steuerung der Zufuhr von Sekundärluft zum Abgas einer Brennkraftmaschine mit einer elektrisch angetriebenen Sekundär­ luftpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Ansteuerung der Sekundärluftpumpe mindestens einen in Reihe mit der Sekundärluft­ pumpe geschalteten Vorwiderstand aufweist und daß die Schaltung neben Mitteln zur Unterscheidung von Betriebszuständen der Brennkraftma­ schine weitere Mittel aufweist, mit denen die Stromversorgung für die Sekundärluftpumpe entweder so geschaltet wird, daß sie ohne Vorwider­ stand erfolgt, oder daß sie über den genannten, in Reihe mit der Se­ kundärluftpumpe geschalteten Vorwiderstand, bzw. wenigstens einen der Vorwiderstände erfolgt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mit­ tel zur Überprüfung des Stromflusses im Versorgungsstromkreis für die Sekundärluftpumpe vorhanden ist.