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DE10002483A1 - Verfahren zum schnellen Aufheizen von Abgaskomponenten - Google Patents

Verfahren zum schnellen Aufheizen von Abgaskomponenten

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DE10002483A1
DE10002483A1 DE10002483A DE10002483A DE10002483A1 DE 10002483 A1 DE10002483 A1 DE 10002483A1 DE 10002483 A DE10002483 A DE 10002483A DE 10002483 A DE10002483 A DE 10002483A DE 10002483 A1 DE10002483 A1 DE 10002483A1
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Murat Serifsoy
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Audi AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum schnellen Aufheizen von Abgaskomponenten an einer Brennkraftmaschine mit Ventilsteuerung mit zumindest einem Auslassventil, insbesondere für Kraftfahrzeuge, bei dem in der Kompressionsphase der Brennkraftmaschine die Auslassventile zur Einsteuerung von Sekundärluft oder von einem Brennstoff-Luftgemisch zur Nachverbrennung kurzzeitig geöffnet werden. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist eine vollvariable hydraulische, pneumatische und/oder elektrische Ventilsteuerung mit einer entsprechenden Ansteuerung über ein elektronisches Steuergerät auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum schnellen Auf­ heizen von Abgaskomponenten an einer Brennkraftmaschine mit Ventilsteu­ erung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruches 1.
Zur effektiven Abgasentgiftung an Brennkraftmaschinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, ist es unter anderem wichtig, die insbesondere der Abgas­ entgiftung dienenden Abgaskomponenten, z. B. Katalysatoren, möglichst schnell auf ihre Reaktionstemperatur zu bringen. Dazu sind bereits zahlrei­ che Maßnahmen vorgeschlagen worden, z. B. das Ausblenden von Zündun­ gen bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, die Nacheinspritzung von Kraftstoff in den Auslasstrakt, Sekundärluftzuführung, Verstellung des Zündsystems in Richtung spät, etc. Durch die DE 35 06 107 A1 ist es ferner bekannt, zu dem beschriebenen Zweck die Auslassventile der Brennkraftma­ schine zeitlich früher zu öffnen, um eine Art Nachbrenneffekt im Auslasstrakt der Brennkraftmaschine zu bewirken.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzu­ schlagen, mit dem unter bestimmten Voraussetzungen an der Brennkraftma­ schine sowohl beim Kaltstart als auch im späteren Motorbetrieb eine exakte Aufheizung der Abgaskomponenten bzw. eine effektive Regelung der Ab­ gastemperatur ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 und hinsichtlich der Vorrichtung mit den kennzeich­ nenden Merkmalen des Patentanspruches 8 gelöst.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, in der Kompressionsphase der Brennkraftmaschine das zumindest eine Auslassventil kurzzeitig zu öffnen. Durch diese Maßnahme kann entweder vor Einbringung des Brennstoffes in den Brennraum der Brennkraftmaschine Sekundärluft und nach dem Ein­ bringen des Brennstoffes ein nachverbrennbares Brennstoffluftgemisch den Abgaskomponenten zugeführt werden. Die Zuführung kann dabei variabel entsprechend sowohl den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine als auch der benötigten Heizenergie (Nachheizung oder schnelle Aufheizung bei einem Kaltstart) gesteuert werden.
Dabei können alternierend einige Auslassventile oder alle Auslassventile in der Kompressionsphase kurzzeitig geöffnet werden. Die Öffnungszeit kann variabel gesteuert abhängig von der Last der Brennkraftmaschine und/oder von der Temperatur der relevanten Abgaskomponenten verändert werden.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens an einer Brennkraftma­ schine weist eine vollvariable hydraulische, pneumatische und/oder elektri­ sche Ventilsteuerung auf, mit einer entsprechenden Ansteuerung über ein elektronisches Steuergerät zum kurzzeitigen Öffnen des zumindest einen Auslassventiles in der Kompressionsphase bei erforderlicher Aufheizung der Abgaskomponenten. Die vollvariable Ventilsteuerung kann beispielsweise eine elektrische Ventilsteuerung ohne Nockenwellen sein, bei der die Aus­ lassventile elektromagnetisch vollvariabel hinsichtlich der Steuerzeiten betä­ tigt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgendem näher beschrieben. Die schematische Zeichnung zeigt einen Querschnitt durch eine fremdge­ zündete, vierzylindrige Viertakt-Brennkraftmaschine mit elektromagnetischer, vollvariabler Ventilsteuerung und Abgaskomponenten mit einem Katalysator.
Eine fremdgezündete, vierzylindrige Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine 2 weist einen Zylinderblock 4 und einen Zylinderkopf 6 auf. Im Zylinderkopf 6 sind ein Einlassventil 8 und ein Auslassventil 10 für den Gaswechsel ange­ ordnet. Die Ventile 8, 10 werden über elektromagnetische Stelleinrichtungen 12, 14 betätigt, wobei diese vollvariable Ventilsteuerung über ein elektroni­ sches Steuergerät 16 gesteuert wird. Im elektronischen Steuergerät 16 sind in bekannter Weise Kennfelder mit den Betriebsdaten der Brennkraftma­ schine 6 zugrundeliegenden Parametern abgelegt.
An die von den Auslassventilen 10 gesteuerten Abgaskanäle 20 im Zylinder­ kopf 6 ist über einen nicht dargestellten Abgassammler ein Abgasvorrohr 22, ein Katalysator 24 (z. B. ein Dreiwege-Katalysator oder ein NOx-Adsorber), ein daran anschließendes Abgasrohr 26 und ein Schalldämpfer 28 mit einem Endrohr 30 angeschlossen. Der Katalysator 24, der auch ein Startkatalysator mit einem dahinter angeordneten weiteren Katalysator sein kann, ist mög­ lichst nahe an der Brennkraftmaschine 2 angeordnet. Der Katalysator 24 ist mit einem Temperatursensor 32 ausgestattet, der über eine elektrische Lei­ tung 34 mit dem Steuergerät 16 verbunden ist.
Die Brennkraftmaschine 2, die in ein Kraftfahrzeug eingebaut ist, wird über ein Leistungssteuerglied bzw. ein Gaspedal 38 und ein nicht näher darge­ stelltes Betätigungsgestänge 40 leistungsgesteuert. Im Bereich des Gestän­ ges 40 ist ein Geber 42 vorgesehen, der die Lastanforderung α an die Brennkraftmaschine 2 über eine elektrische Leitung 44 dem Steuergerät 16 angibt.
Neben der üblichen Steuerung der Ventile 8, 10 zum Gaswechsel der Brenn­ kraftmaschine 2 im bekannten Viertakt-Prinzip wird in der Kompressions­ phase die elektromagnetische Stelleinrichtung 12 für die Auslassventile 10 kurzzeitig angesteuert und es werden die Auslassventile 10 entsprechend geöffnet. Dabei sind in dem Steuergerät 16 Kennfelder abgelegt, mittels de­ rer dieses kurzzeitige Öffnen abhängig von der Drehzahl, der Last α, der Temperatur T des Katalysators 24, und noch anderer Parameter gesteuert wird.
Durch die vollvariable, elektromagnetische Ventilsteuerung kann die Öffnung der Auslassventile 10 vor der Einführung von Brennstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine 2 (= Sekundärluftzufuhr) oder wahlweise später nach der Brennstoffzufuhr erfolgen (= gezielte Nachverbrennung eines Brennstoff-Luftgemisches).
Die Brennstoffzufuhr kann in bekannter Weise über nicht dargestellte Ein­ spritzventile entweder in die Ansaugkanäle 18 oder direkt in die Brennräume der Brennkraftmaschine 2 durchgeführt werden.
Die Auslassventile 10 können über das Steuergerät 16 auch alternierend so geöffnet werden, dass deren Öffnungsphase mit der jeweiligen Ausstoß­ phase eines anderen Zylinders der Brennkraftmaschine zusammenfällt. Es können auch alternierend "Sekundärluft" oder "Nachverbrennung" gesteuert werden, um je nach den vorliegenden Betriebsbedingungen eine vorteilhafte Nachreaktion im Katalysator 24 zu steuern.
Ferner kann die Öffnungsdauer der Auslassventile bis gegen Null verkürzt werden, abhängig von der Lastanforderung an der Brennkraftmaschine 2 und/oder von den Temperaturen des Katalysators 24. Liegt der Katalysator 24 weit unter seiner Betriebstemperatur (von z. B. 650 K), so wird bei länge­ rer Öffnungsdauer vermehrt Sekundärluft und/oder Brennstoff-Luftgemisch in den Abgastrakt geleitet.
Ein besonderer Vorteil des kurzzeitigen Öffnens der Auslassventile 10 in der Kompressionsphase der Brennkraftmaschine 2 liegt darin, dass die Nachre­ aktion der Sekundärluft bzw. des Brennstoff-Luftgemisches mit dem Abgas unmittelbar im Katalysator 24 erfolgt und somit besonders wirkungsvoll zur schnellen, gezielten Aufheizung ist. Ferner werden durch diese Maßnahme immer alle Zylinder in Betrieb gehalten und gezündet, so dass eine gut fahr­ bare Regelung der Abgastemperaturen möglich ist.
Die beschriebene Aufheizung kann zusätzlich mit einer separaten Sekundärluftzuführung, z. B. kurz vor dem Katalysator oder dem NOx Adsorber, kombiniert sein. Sie kann auch zur Desulfatierung durch Temperaturerhöhung bei NOx Speicherkatalysatoren eingesetzt werden.
Bei einer nockengesteuerten Ventilbetätigung (mechanisch) kann ggf. ein separater, zuschaltbarer Nocken auf der Nockenwelle der Brennkraftmaschine vorgesehen sein.

Claims (8)

1. Verfahren zum schnellen Aufheizen von Abgaskomponenten an einer Brennkraftmaschine mit Ventilsteuerung mit zumindest einem Auslass­ ventil, insbesondere für Kraftfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kompressionsphase der Brennkraftmaschine (2) das Auslassventil (10) kurzzeitig geöffnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine (2) mit zumindest einem Auslass­ ventil (10) je Zylinder ein oder mehrere Auslassventile (10) geöffnet wer­ den.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslass­ ventile (10) alternierend so geöffnet werden, dass sie mit der Ausstoß­ phase eines anderen Zylinders zeitlich zusammenfallen.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungszeit der Auslassventile (10) mit zu­ nehmender Temperatur (T) der Brennkraftmaschine (2) und/oder der Ab­ gaskomponenten (24) verkürzt wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungszeit der Auslassventile (10) mit zunehmender Drehzahl und/oder Last (α) der Brennkraftmaschine verkürzt wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Öffnung des zumindest einen Auslassven­ tiles (10) Brennstoff dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenn­ stoff über das herkömmliche Brennstoff-Einspritzventil in den Ansaugka­ nal (18) oder in den Brennraum eingebracht wird.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, an einer Brennkraftmaschine (2) mit ei­ ner vollvariablen hydraulischen, pneumatischen und/oder elektrischen Ventilsteuerung (12, 14) mit einer Ansteuerung über ein elektronisches Steuergerät (16) zum kurzzeitigen Öffnen des zumindest einen Auslass­ ventiles (10) in der Kompressionsphase der Brennkraftmaschine (2) bei erforderlicher Aufheizung der Abgaskomponenten (20, 22, 24).
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