DE10003597A1 - Verfahren zum Einstellen eines gewünschten Luftverhältnisses eines Abgasmassenstroms einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen eines gewünschten Luftverhältnisses eines Abgasmassenstroms einer Brennkraftmaschine, wobei sich der Abgasmassenstrom aus zumindest einem zugeführten Sekundärluftmassenstrom und einem Motorluftmassenstrom mischt, und wobei der zugeführte Sekundärluftmassenstrom ermittelt wird. DOLLAR A Es wird vorgesehen, daß der benötigte Motorluftmassenstrom DOLLAR F1 für das gewünschte Luftverhältnis (lambda¶ges¶) berechnet wird und daß der berechnete Motorluftmassenstrom DOLLAR F2 durch Verstellung des Zündwinkels (alpha) Brennkraftmaschine eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen eines gewünschten Luftverhältnisses eines Abgasmassenstroms einer Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Liegt bei einer Brennkraftmaschine ein Kaltstart vor und/oder befindet sich die Brenn­ kraftmaschine im Leerlauf, ist es bekannt, durch eine Nachverbrennung im Abgaskanal der Brennkraftmaschine die im Abgaskanal angeordnete Abgasreinigungsvorrichtung zu beheizen, um diese auf die vorgesehene Betriebstemperatur zu bringen oder auf einem gewünschten Temperaturniveau zu halten. Dabei ist vorgesehen, daß die Brennkraftma­ schine mit einem fetten Kraftstoff-Luft-Gemisch derart gefüllt wird, daß noch unverbrann­ ter Kraftstoff in den Abgaskanal gelangt. Durch eine Sekundärluftzuführung im Abgaska­ nal wird dann wiederum ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch gebildet, welches sich dann im Abgaskanal entzündet.

Aus der DE 197 53 842 ist es bekannt, den Sekundärluftstrom mittels einer Sekundärluft­ pumpe in den Abgaskanal zuzuführen. Um eine bestimmte Sekundärluftmasse bereit­ stellen zu können, ist ein Luftmassensensor und ein Ventil vorgesehen, das der Pumpe nachgeordnet ist. Es wird somit ein vorgegebener Sekundärluftmassenstrom in Abhän­ gigkeit des Luftverhältnisses in das Abgas zugeführt. Dies ist insofern nachteilig, als das durch die Pumpe und das Ventil, welches den von der Pumpe geförderten Sekundärluft­ massenstrom beeinflußt, relativ hohe Kosten entstehen.

Aus der DE 41 18 848 A1 ist es bekannt, das Luftverhältnis im Abgasmassenstrom durch ein fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch auf einen festen Wert einzustellen, der beispielsweise bei λ = 0,8 liegt. In den Abgaskanal wird ein Sekundärluftmassenstrom eingebracht, so daß durch Nachverbrennung ein stöchiometrisches Gleichgewicht von λ = 1,0 im Abgas entstehen soll. Bei diesem bekannten Verfahren ist jedoch nachteilig, daß diese λ-Werte lediglich angenommen sind. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei bestimmten Motorkon­ zepten eine starke Abhängigkeit der Effektivität der Nachverbrennung vom Luftverhältnis im Abgas besteht. Bei diesem bekannten Verfahren ist es also möglich, daß das Luftver­ hältnis im Abgas derart schwanken kann, daß die Heizmaßnahmen für die Abgasreini­ gungsvorrichtung nicht in allen Fällen erreicht werden können.

Aus der DE 692 00 852 T2 ist es ebenfalls bekannt, die dem Abgas zugeführte Sekun­ därluftmenge zu steuern.

Aus der DE 694 02 637 T2 ist eine Heizeinrichtung für eine Abgasreinigungsvorrichtung bekannt, der separat Kraftstoff zugeführt wird, der in der Heizvorrichtung verbrannt wird. Das Abgas der Brennkraftmaschine wird an dieser Heizvorrichtung vorbeigeführt, um dieses zu erwärmen, wodurch eine Erhöhung der Betriebstemperatur der Abgasreini­ gungsvorrichtung erreicht werden soll.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Einstellen eines gewünschten Luftver­ hältnisses eines Abgasmassenstroms einer Brennkraftmaschine anzugeben, das den vorstehend genannten Nachteil nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Einstellen eines gewünschten Luftverhält­ nisses eines Abgasmassenstroms einer Brennkraftmaschine gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Es ist vorgesehen, daß sich der Abgasmassenstrom durch Mischung eines zugeführten Sekundärluftmassenstroms mit einem Motorluftmassenstrom bildet, wobei der zugeführte Sekundärluftmassenstrom ermittelt wird. Beispielsweise kann vorgesehen sein, daß der Sekundärluftmassenstrom gemessen oder als ein aus Versu­ chen ermittelter Wert angenommen wird. Erfindungsgemäß zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, daß der benötigte Motorluftmassenstrom für das gewünschte Luftverhältnis im Abgas berechnet wird und daß der berechnete Motorluftmassenstrom durch Verstel­ lung des Zündwinkels der Brennkraftmaschine eingestellt wird. Das heißt, daß der Mo­ torluftmassenstrom auf den Wert eingestellt wird, der zuvor berechnet wurde. Somit kön­ nen Steuereinrichtungen beziehungsweise Ventile und Pumpen für den Sekundärluft­ massenstrom entfallen, da der Sekundärluftmassenstrom lediglich gemessen oder als bestimmter Wert angenommen wird, so daß dann auf das Vorhandensein des bekannten Sekundärluftmassenstroms der Motorluftmassenstrom so eingestellt wird, daß sich das gewünschte Luftverhältnis im Abgas ergibt, um eine optimale Nachverbrennung erreichen zu können. Insbesondere ist vorgesehen, daß das Luftverhältnis im Abgas auf einen ge­ eigneten Wert von λ ≈ 1 eingestellt wird.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß zum Beispiel die Verstellung des Zündwinkels lediglich innerhalb eines vorgebbaren Bereichs erfolgen kann. Würde also beispielsweise der berechnete Motorluftmassenstrom eine Verstellung des Zündwin­ kels erfordern, bei dem von einem optimalen Betrieb der Brennkraftmaschine nicht mehr ausgegangen werden kann, so wird lediglich die maximal mögliche Zündwinkelverstel­ lung durchgeführt.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß das Luftverhältnis im Abgasmassen­ strom detektiert wird und daß mittels des Detektionswerts des Luftverhältnisses ein Kor­ rekturfaktor ermittelt wird, mit dem der berechnete Motorluftmassenstrom durch Verän­ dern des Zündwinkels beeinflußt wird. Dadurch kann eine besonders genaue Einstellung des Luftverhältnisses im Abgas erfolgen, so daß das gewünschte Luftverhältnis noch genauer eingestellt beziehungsweise geregelt werden kann.

Um den Detektionswert des Luftverhältnisses im Abgasmassenstrom zu ermitteln, kann eine an sich bekannte λ-Sonde vorgesehen sein, die vorzugsweise breitbandig ausgebil­ det ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnung nä­ her erläutert. Die einzige Figur zeigt einen Verfahrensablauf, der mittels eines Flußdia­ gramms dargestellt ist.

Zunächst wird in einem ersten Verfahrensschritt 1 ein Sekundärluftmassenstrom _sl er­ mittelt. Hierzu kann vorgesehen sein, daß dieser Wert aus einem Speicher ausgelesen wird. Ändert sich der Sekundärluftmassenstrom beispielsweise in Abhängigkeit des Be­ triebspunktes einer Brennkraftmaschine, können in dem Speicher die den Betriebspunk­ ten zugeordneten Werte für den Sekundärluftmassenstrom abgelegt sein. Alternativ ist es in einem Verfahrensschritt 1a möglich, den aktuellen Sekundärluftmassenstrom zu messen. Der ermittelte Wert für diesen Sekundärluftmassenstrom _sl wird in einem nachfol­ genden Verfahrensschritt 2 verarbeitet.

Das Verfahren zum Einstellen eines gewünschten Luftverhältnisses λ_ges im Abgas der Brennkraftmaschine basiert auf den im folgenden als Formeln dargestellten Zusammen­ hängen:

In diesen Gleichungen bedeuten ml den Motorluftmassenstrom, _sl den Sekundärluft­ massenstrom, der dem Abgas zugeführt wird, _f den Kraftstoffmassenstrom, L_st die stöchiometrisch benötigte spezifische Luftmasse um eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffs zu erreichen und ϕ_mot den Äquivalenzbruch (Anfettungsfaktor).

Der für ein bestimmtes, vorgebbares Luftverhältnis benötigte Motorluftmassenstrom er­ gibt sich - sofern auch der Anfettungsfaktor ϕ_mot, vorgegeben ist - aus folgender Gleichung:

_l = (λ_gesϕ_mot-1)^-1 _sl (3)

Um also für Heizmaßnahmen der Abgasreinigungseinrichtung den erforderlichen Motor­ luftmassenstrom _l,soll berechnen zu können, wird von einem vorgegebenen Luftverhält­ nis λ_ges und einem vorgegebenen Anfettungsfaktor ϕ_mot ausgegangen. Ferner wird - wie erwähnt - der Sekundärluftmassenstrom _sl gemessen oder aufgrund von in Versuchen ermitteltem Mittelwerten beziehungsweise Annäherungswerten angenommen, die in dem Speicher abgelegt sein können.

Im in der Figur dargestellten Flußdiagramm ergibt sich somit der zweite Verfahrensschritt 2, in dem mittels Gleichung 3 der erforderliche Motorluftmassenstrom _l,soll ermittelt wird, um das gewünschte Luftverhältnis einstellen zu können. In einem dritten Verfahrens­ schritt, der im Flußdiagramm als Verzweigung 3 dargestellt ist, wird entschieden, ob le­ diglich eine Steuerung oder eine Regelung des Luftverhältnisses λ_ges durchgeführt wer­ den soll. Sofern lediglich eine Steuerung vorgesehen ist, wird direkt zum nächsten Ver­ zweigungspunkt 4 übergegangen. Ist eine Regelung des Luftverhältnisses λ_ges vorgese­ hen, wird in einem Verfahrensschritt 3a das tatsächlich vorliegende Luftverhältnis λ_mess im Abgasmassenstrom bestimmt. Hierzu kann beispielsweise eine λ-Sonde vorgesehen sein, die vorzugsweise breitbandig realisiert ist. In einem dem Verfahrensschritt 3a nach­ geordneten weiteren Verfahrensschritt 3b wird dann der Korrekturfaktor C_Korr für den ein­ zustellenden Motorluftmassenstrom _l,soll mittels folgender Gleichung ermittelt:

Gleichzeitig wird im Verfahrensschritt 3b der korrigierte Motorluftmassenstrom _l,Korr mit folgender Gleichung bestimmt:

_l,korr = C_{Korr l,soll} (6)

Nach dem Verfahrensschritt 3b in diesem Zweig erfolgt ebenfalls der Verfahrensschritt in der Verzweigung 4, in der ermittelt wird, ob der aktuelle, einem Betriebspunkt der Brenn­ kraftmaschine zugeordnete Motorluftmassenstrom _l dem im Verfahrensschritt 2 ermit­ telten Motorluftmassenstrom _l,soll oder dem im Verfahrensschritt 3b ermittelten _l,Korr entspricht. Ist der betriebspunktabhängige Motorluftmassenstrom _l größer als der im Verfahrensschritt 2 oder 3b ermittelte, wird im nächsten Verfahrensschritt 5a der neue Zündwinkel α_neu ermittelt, wobei der aktuelle Zündwinkel α_alt nach "früh" um einen Zündwinkel Da verstellt wird, wenn der aktuell vorliegende Motorluftmassenstrom _l größer als der berechnete Motorluftmassenstrom _l,soll ist, wobei gilt, daß der neue Zündwinkel α_neu ≦ einem maximalen Zündwinkel α_max ist.

Ist in der Verzweigung 4 ermittelt worden, daß der dem momentanen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine zugeordnet Motorluftmassenstrom _l < als _l,soll ist, wird im Verfah­ rensschritt 5b der neue Zündwinkel α_neu aus dem alten Zündwinkel α_alt ermittelt, von dem die Zündwinkeländerung Δα subtrahiert wird. Dabei gilt, daß der neue Zündwinkel α_neu ≧ einem minimalen Zündwinkel α_min ist.

Die Zündwinkeländerung Δα ist so zu wählen, daß die Regelung stabil ist. Eine zu große Zündwinkeländerung Δα kann zu einem stark veränderten Druck im Ansaugrohr der Brennkraftmaschine führen. Dieser Ansaugrohrdruck führt dann gegebenenfalls zu ver­ änderten Kraftstoffabdampfwerten und somit zu einer dynamischen Anfettung mit dem Anfettungsfaktor ϕ_mot. Dies kann unter Umständen zu einem unruhigen Motorlauf führen.

Die Zündwinkeländerung Δα kann auch indirekt über das Drehmoment der Brennkraft­ maschine ermittelt werden. Bei momentengeführter Steuerung beziehungsweise Rege­ lung der Brennkraftmaschine wird der Zündwinkel α so eingestellt, daß ein gewünschtes Drehmoment von der Brennkraftmaschine abgegeben wird. Um nun Heizmaßnahmen für die Abgasreinigungseinrichtung einzuleiten, gibt die momentengeführte Steuerung bezie­ hungsweise Regelung ein Drehmoment für die Brennkraftmaschine vor, das um ein so­ genanntes Reservemoment verringert ist. Beispielsweise beträgt dieses Reservemoment 10%. Die Brennkraftmaschine wird nunmehr mit einem Drehmoment von 90% gefahren. Es wird also bewußt eine Wirkungsgradverschlechterung hingenommen, um die Heiz­ maßnahmen durchzuführen. Um das verringerte Drehmoment einzustellen, wird jedoch auch der Zündwinkel α verstellt und zwar so, daß sich dieses verringerte Drehmoment einstellt. Das Prinzip der Zündwinkelverstellung bleibt also auch bei momentengeführten Brennkraftmaschinen erhalten. Die hierfür zu erfassende Größe ist jedoch das Reserve­ moment beziehungsweise das Drehmoment. Die erforderliche Zündwinkelverstellung Δα kann also indirekt über den einem bestimmten Drehmoment beziehungsweise Reserve­ moment zugeordneten Zündwinkel, also in Abhängigkeit des Drehmoments beziehungs­ weise Reservedrehmoments erfolgen.

Ändert sich ein Betriebsparameter der Brennkraftmaschine wird anschließend in einem Verfahrensschritt 6 beispielsweise aus einem Kennlinienfeld der dem neuen Be­ triebspunkt zugeordnete Motorluftmassenstrom _l ermittelt. Im nachfolgenden Verfah­ rensschritt 1 wird wieder der dem neuen Betriebspunkt zugehörige Sekundärluftmassen­ strom _sl ermittelt. Daran schließen sich die eben beschrieben Verfahrensschritte 2 bis 6 an.

Bevorzugt wird das vorstehend beschriebene Verfahren verwendet, wenn die Abgasreini­ gungseinrichtung beheizt werden soll. Dies kann beispielsweise im Kaltstart und/oder im Leerlauf der Brennkraftmaschine notwendig sein. Aus dem vorgegebenen Sekundärluft­ massenstrom _sl wird dann der erforderliche Motorluftmassenstrom _l ermittelt, der notwendig ist, um ein gewünschtes beziehungsweise notwendiges Luftverhältnis λ_ges in dem Abgasmassenstrom der Brennkraftmaschine zu erreichen. Bevorzugt wird das Luft­ verhältnis λ_ges = 1 eingestellt.

Im Flußdiagramm gemäß Figur wird davon ausgegangen, daß eine Wahlmöglichkeit be­ steht, ob eine Regelung im Verfahrensschritt 3 durchgeführt werden soll, oder nicht. Selbstverständlich kann nach einer Ausführungsform auch vorgesehen sein, daß lediglich eine Steuerung vorgesehen ist, also die Verfahrensschritte 3a und 3b nicht durchgeführt werden. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann dann vorgesehen sein, daß die Regelung im Verfahrensschritt 3 immer ausgeführt wird.

Claims (8)

1. Verfahren zum Einstellen eines gewünschten Luftverhältnisses eines Abgas­ massenstroms einer Brennkraftmaschine, wobei sich der Abgasmassenstrom aus zumindest einem zugeführten Sekundärluftmassenstrom und einem Motorluft­ massenstrom mischt, und wobei der zugeführte Sekundärluftmassenstrom ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der benötigte Motorluftmassenstrom (_l,soll) für das gewünschte Luftverhältnis (λ_ges) berechnet wird und daß der berechnete Motorluftmassenstrom (_l,soll) durch Ver­ stellung des Zündwinkels (α) der Brennkraftmaschine eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärluftmassenstrom (_sl) gemessen oder durch einen angenäherten Wert festgelegt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung des Motorluftmassenstroms (_l) mit
_l = (λ_gesϕ_mot-1)^-1 _sl
erfolgt, wobei ϕ_mot den Anfettungsfaktor darstellt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündwinkelverstellung (Δα) innerhalb eines vorgegebenen Bereichs (α_min, α_max) erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Luftverhältnis (λ_ges) im Abgasmassenstrom detektiert wird und daß mittels des Detektionswerts des Luftverhältnisses (λ_mess) ein Korrekturfaktor (C_Korr) ermittelt wird, mit dem der berechnete Motorluftmassenstrom (_l,soll) durch Verändern des Zündwinkels (α) verändert wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturfaktor (C_Korr) mit
und der korrigierte Motorluftmassenstrom (_l,Korr) mit
_l,korr = C_{Korr l,soll}
ermittelt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektionswert des Luftverhältnisses (λ_mess) mittels einer, vorzugsweise breit­ bandigen, λ-Sonde bestimmt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung des Zündwinkels (α) in Abhängigkeit des Drehmoments bezie­ hungsweise Reservemoments der Brennkraftmaschine erfolgt.