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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators
im Abgas eines mit direkter Einspritzung von Kraftstoff in seine
Brennräume
arbeitenden Verbrennungsmotors nach einem Start im Leerlauf, wobei
der Verbrennungsmotor mit suboptimalem Zündwinkelwirkungsgrad und einer
Aufteilung einer vor einem Beginn einer Verbrennung einzuspritzenden
Kraftstoffmenge auf wenigstens zwei Teileinspritzungen betrieben
wird, und wobei eine Drehmomenteinbuße, die aus dem suboptimalen
Zündwinkelwirkungsgrad
und/oder der Aufteilung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge resultiert,
durch eine vergrößerte Füllung der
Brennräume
kompensiert wird, wobei Kraftstoffmenge und Füllung so aufeinander abgestimmt
sind, dass die Luftzahl Lambda der Brennraumfüllungen größer als 1 ist.
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Ein
solches Verfahren und ein solches Steuergerät wird bereits heute bei Verbrennungsmotoren mit
Benzindirekteinspritzung in Serie verwendet. Mit dem bekannten Verfahren
wird die Strategie verfolgt, in einer Nachstartphase des Verbrennungsmotors eine
möglichst
große
Wärmemenge
im Abgas zu erzeugen, ohne die im Leerlauf des Verbrennungsmotors
aufgebrachte Leistung und die in der Nachstartphase angehobene Leerlaufdrehzahl
von etwa 1.200 min–1 zu verändern. Dies
wird bei dem bekannten Verfahren dadurch erreicht, dass ein erster
Teil der Kraftstoffmenge im Ansaugtakt und ein zweiter Teil der
Kraftstoffmenge im Verdichtungstakt eingespritzt wird. Als Folge
ergibt sich eine geschichtete Kraftstoffverteilung im Brennraum
mit einer aus der Einspritzung des zweiten Teils resultierenden
Zone mit vergleichsweise fettem und daher gut zündfähigem Kraftstoff-Luft-Gemisch
in der Nähe
der Zündkerze. Dieser
Betrieb des Verbrennungsmotors wird auch als Homogen-Split-Betrieb
bezeichnet, wobei sich „split" auf die Aufteilung
der Einspritzung bezieht.
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Diese
Ladungsschichtung ermöglicht
einen sehr späten
Zündzeitpunkt
im Bereich von 10–30° Kurbelwellenwinkel
nach dem Zündungs-OT
(OT = oberer Totpunkt) bei stabilem Drehzahlverhalten und beherrschbaren
Rohemissionen. Der späte
Zündzeitpunkt
führt zu
einem vergleichsweise schlechten Zündwinkelwirkungsgrad, unter
dem hier das Verhältnis
der Drehmomente bei dem späten
Zündzeitpunkt
und einem optimalen Zündzeitpunkt
verstanden wird. Die aus dem schlechten Zündwinkelwirkungsgrad resultierende
Drehmomenteinbuße
wird durch eine Vergrößerung der
Brennraumfüllungen des
Verbrennungsmotors kompensiert. Bei den angegebenen Zündwinkelwerten
ergeben sich Vergrößerungen
der Brennraumfüllungen
bis zu Werten, die etwa 75% der unter Normbedingungen möglichen maximalen
Füllung
betragen. In der Summe ergibt sich damit eine vergleichsweise große Abgasmenge, deren
Temperatur wegen des schlechten Zündwinkelwirkungsgrades vergleichsweise
hoch ist, so dass sich ein maximaler Wärmestrom (Enthalpiestrom) in der
Abgasanlage einstellt.
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Bei
einer Aufheizung mit dieser Maximierung der Abgasenthalpie muss
die Abgasanlage vom Auslassventil an bis zum Katalysator komplett
erwärmt werden.
Die Wärmekapazität dieser
Bauteile führt insbesondere
bei Verbrennungsmotoren mit Abgasturboladern zu hohen Wärmeverlusten
vor dem Katalysator, die eine effektive Aufheizung des Katalysators
erschweren. Bei Motoren mit Abgasturboladern ist zusätzlich problematisch,
dass der im Strömungsweg
der Abgase vor dem Turbolader liegende Abgaskrümmer bei der Maximierung der
Abgasenthalpie sehr schnell auf Temperaturen aufgeheizt wird, bei denen
eine weitere Aufheizung zu seiner Zerstörung führen kann. Dies beschränkt die
zur Katalysatoraufheizung gewünschte
Maximierung der Abgasenthalpie.
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Bekannt
ist ferner, eine im Verdichtungstakt erfolgende Einspritzung zur
Erzeugung einer geschichteten, insgesamt mageren Brennraumfüllung und
eine zweite Einspritzung als Nacheinspritzung nach erfolgter Zündung der
Brennraumfüllung
zur Aufheizung des Katalysators zu verwenden. Dieses sogenannte
Schicht-Kat-Heizen hat jedoch den Nachteil, dass das Brennverfahren
diesen geschichteten Magerbetrieb erlauben muss. Nachteilig ist auch
die niedrige Abgastemperatur und starke Verdünnung des Abgases, weil dies
eine Aufbereitung, insbesondere eine Verdampfung, der mit der Nacheinspritzung
eingespritzten Kraftstoffmenge stark erschwert. In der Praxis führt dies
dazu, dass Kraftstoff in Form flüssiger
Tröpfchen
mit dem Abgasstrom bis in den Katalysator transportiert wird. Dort,
wo die Tröpfchen
auftreffen, steht eine vergleichsweise hohe Energiedichte zur Verfügung, die
zu lokalen Überhitzungen
des Katalysatormaterials und damit zu einem starken Verschleiss
des Katalysators führt.
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Die
als Homogen-Split-Betrieb bekannte Strategie wird in einer Nachstartphase
mit einem konstanten Timing der Einspritzzeitpunkte und Zündzeitpunkte
gefahren. Bei herkömmlichen
Motorsteuerungen beginnt die Nachstartphase nach einer Starterbetätigung dann,
wenn die Drehzahl des Verbrennungsmotors einen zwischen der Starterdrehzahl und
der Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors liegenden Schwellenwert überschreitet
und dauert dann über
einen vorbestimmten Zeitraum von üblicherweise 20 bis 30 Sekunden
an. Innerhalb dieses Zeitraums erreicht ein nahe am Verbrennungsmotor angeordneter
Vorkatalysator in der Regel seine Betriebstemperatur (Light-off
temperature), bei der die Schadstoffkonvertierung, insbesondere
die Konvertierung von Kohlenwasserstoffen spürbar einsetzt. Nach einer üblichen
Definition entspricht die Light-off Temperatur derjenigen Temperatur,
bei der 50% der vor dem Katalysator auftretenden unerwünschten Abgasbestandteile
wie Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC) in unschädliche Abgasbestandteile
wie Wasser und Kohlendioxid konvertiert werden.
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In
der Realität
steigt der Prozentsatz der Schadstoffkonvertierung nicht schlagartig
auf 50% und/oder größere Werte
an, sondern steigt vielmehr allmählich
an. Nach dem Beginn der Schadstoffkonvertierung im Vorkatalysator
sinkt die hinter dem Vorkatalysator messbare Konzentration an Kohlenwasserstoffen
schnell auf Werte nahe bei null ab. Wie sich bei Versuchen gezeigt
hat, korreliert das Absinken der Kohlenwasserstoff-Konzentration
hinter dem Vorkatalysator mit dem Erreichen der Light-off temperature
in einem zentralen Bereich des Vorkatalysators. Die Menge der nach
einem Kaltstart des Verbrennungsmotors in die Umgebung emittierten
Kohlenwasserstoffe ist daher stark von der Zeitspanne abhängig, die
zum Erreichen der Betriebstemperatur in dem zentralen Bereich des
Katalysators notwendig ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor
diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe
eines Verfahrens und eines Steuergeräts, mit dem diese Zeitspanne
verkürzt werden
kann, ohne dass lokale Überhitzungen
des Katalysatormaterials wie beim Schicht-Kat-Heizen auftreten und
das auch bei Verbrennungsmotoren mit Abgasturboladern zu einer schnellen
Aufheizung des Katalysators verwendet werden kann, ohne dabei den
Krümmer
zu überhitzen.
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Diese
Aufgabe wird jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die
Erfindung zeichnet sich demnach sowohl in ihren Verfahrensaspekten
als auch in ihren Vorrichtungsaspekten dadurch aus, dass ein Maß für eine Temperatur
am Eingang des Katalysators ermittelt wird und eine weitere Einspritzung
nach dem Beginn der Verbrennung erfolgt, wenn die Temperatur einen
vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
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Es
hat sich gezeigt, dass sich die Zeit bis zum Erreichen der Light-off
Temperatur und damit die Menge der in die Umgebung emittierten Kohlenwasserstoffe
durch diese Maßnahmen
verringern lässt. Dieser
vorteilhafte Effekt ergibt sich daraus, dass erste katalytisch beschichtete
Flächenelemente
am Eingang des Vorkatalysators dann, wenn die Temperatur am Eingang
des Katalysators den vorbestimmten Schwellenwert überschreitet,
bereits zu konvertieren beginnen, obwohl die Temperatur im zentralen
Bereich des Katalysators noch wesentlich niedriger ist und noch
weit unterhalb der Betriebstemperaturschwelle des Katalysators liegt.
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Durch
das erhöhte
Angebot reduzierender Abgasbestandteile in Verbindung mit einem
Sauerstoffangebot, das sich aus der Luftzahl Lambda der Brennraumfüllungen
mit einem Wert größer als
eins ergibt, ergeben sich bereits exotherme Reaktionen an diesen
Flächenelementen,
die zu einer direkten, unmittelbaren und damit beschleunigten Aufheizung des
Katalysators beitragen. Mit der dann kontinuierlich erfolgenden
Erhöhung
der Menge reduzierender Abgasbestandteile erfolgt eine kontinuierliche
Zunahme der im Katalysator freigesetzten Wärme. Die dadurch beschleunigte
Aufheizung der ersten Zentimeter des Katalysators ist wesentlich
effektiver als die Aufheizung durch einen konstanten Enthalpiestrom
aus der intermotorischen Verbrennung, wie er beim Stand der Technik
(und bei der Erfindung vor der Überschreitung
des Temperaturschwellenwertes) genutzt wird. Dies liegt unter anderem
daran, dass der Enthalpiestrom, bevor er in den Katalysator eintritt,
Verluste durch die Erwärmung
anderer Bauteile erfährt.
Beispiele solcher anderer Bauteile sind Abgaskrümmer, Turbolader etc.
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Neben
der schnelleren Aufheizung des Katalysators und der damit verbundenen
Verringerung von Emissionen unverbrannter reduzierender Abgasbestandteile
in die Umgebung ergibt sich als weiterer Vorteil auch eine Verringerung
der Stickoxid-Emissionen, die bei weiterer Optimierung der aus dem Stand
der Technik bekannten Strategien mit konstantem Timing der Einspritzzeitpunkte
und der Zündzeitpunkte
und mit Luftzahlen Lambda größer als
eins in der Nachstartphase vorgegebene Grenzwerte überschreiten
könnten.
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Durch
die Maximierung der Abgasenthalpie wird die Aufbereitung und Verdampfung
der mit den weiteren Einspritzungen dosierten Kraftstoffmenge wesentlich
verbessert, so dass die Wahrscheinlichkeit, dass Kraftstoff in Tröpfchenform
in den Katalysator gelangt, verringert wird. Die durch späte Zündungen
und vergrößerte Brennraumfüllungen
vergrößerte Abgasenthalpie
wird zwar durch die Verdampfung der zusätzlich dosierten Kraftstoffmenge
wieder verringert. Mit Blick auf die erwünschte Aufheizung des Katalysators
wird diese Verringerung jedoch durch die effektivere Aufheizung
des Katalysators durch die exothermen Reaktionen mehr als kompensiert.
Bei Verbrennungsmotoren mit Abgasturboladern ergibt sich der zusätzliche
Vorteil eines Schutzes des Krümmers
vor einer Überhitzung,
die bei der Maximierung der Abgasenthalpie ohne Dosierung zusätzlichen Kraftstoffs
auftreten kann. Die zusätzliche,
an eine Mindesttemperatur vor dem Katalysator geknüpfte zusätzliche
Einspritzung entfaltet hier den doppelten Nutzen, dass die Temperatur
vor dem Turbolader sinkt, was den Krümmer schützt, und trotzdem mehr Energie
zum Aufheizen des Katalysators bereitgestellt wird als ohne die
weitere Einspritzung.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus den Gegenständen der abhängigen Ansprüche, der
Beschreibung und den beigefügten
Figuren.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
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1 einen
Verbrennungsmotor mit Benzindirekteinspritzung und einem Steuergerät;
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2 zeitlich korrelierte Verläufe von
Drehzahlen, Temperaturen und Kohlenwasserstoffkonzentrationen im
Abgas wie sie sich bei der bekannten Strategie und dem Gegenstand
der Erfindung einstellen;
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3 verschiedene Einspritzmuster, und
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4 ein
Flussdiagramm als Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsform(en)
der Erfindung
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Im
Einzelnen zeigt die 1 einen Verbrennungsmotor 10 mit
wenigstens einem Brennraum 12, der von einem Kolben 14 beweglich
abgedichtet wird. Füllungen
des Brennraums 12 mit einem Gemisch aus Kraftstoff und
Luft werden von einer Zündkerze 16 gezündet und
anschließend
verbrannt. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Verbrennungsmotor 10 für ein strahlgeführtes Brennverfahren
optimiert. Als Brennverfahren bezeichnet man die Art und Weise der
Gemischbildung und Energieumsetzung im Brennraum. Das strahlgeführte Brennverfahren
zeichnet sich dadurch aus, dass der Kraftstoff in unmittelbarer
Umgebung der Zündkerze
eingespritzt wird und dort verdampft. Das erfordert eine exakte Positionierung
von Zündkerze 16 und
Kraftstoff-Injektor und eine präzise
Strahlausrichtung, um das Gemisch zum richtigen Zeitpunkt entzünden zu
können. Ein
Wechsel der Füllung
des Brennraums 12 wird mit Gaswechselventilen 18 und 20 gesteuert,
die phasensynchron zur Bewegung des Kolbens 14 geöffnet und
geschlossen werden. Die verschiedenen Möglichkeiten zur Betätigung der
Gaswechselventile 18 und 20 sind dem Fachmann
vertraut und sind aus Gründen
der Übersichtlichkeit
in der 1 nicht im Detail dargestellt. Bei geöffnetem
Einlassventil 18 und abwärts laufendem Kolben 14,
also im Ansaugtakt, strömt
Luft aus einem Ansaugsystem 22 in den Brennraum 12. Über einen
Injektor 24 wird Kraftstoff zu der Luft im Brennraum 12 dosiert.
Aus einer Verbrennung der Brennraumfüllungen resultierendes Abgas
wird bei geöffnetem
Auslassventil 20 in ein Abgassystem 26 ausgestoßen, das
wenigstens einen 3-Wege-Katalysator 28 aufweist.
Im Allgemeinen wird das Abgassystem 26 mehrere Katalysatoren enthalten,
zum Beispiel einen motornah eingebauten Vorkatalysator 28 und
einen motorferner eingebauten Hauptkatalysator 30, der
ein 3-Wege-Katalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator sein kann.
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In
der Ausgestaltung der 1 weist der Verbrennungsmotor 10 einen
Turbolader 29 auf, der zwischen einem Krummer 31 und
dem Vorkatalysator 28 im Strömungsweg der Abgase angeordnet
ist. Wie bereits erwähnt
wurde, ergeben sich bei einen solchen Verbrennungsmotor besondere
Vorteile durch die Verbindung eines Schutzes des Krümmers mit
der beschleunigten Aufheizung des Vorkatalysators. Es versteht sich
aber, dass die Erfindung nicht auf eine Verwendung bei Verbrennungsmotoren
mit Turboladern beschränkt
ist, da sich der Vorteil der beschleunigten Aufheizung des Vorkatalysators
auch bei Verbrennungsmotoren ohne Abgasturbolader einstellt.
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Der
Verbrennungsmotor 10 wird von einem Steuergerät 32 gesteuert,
das dazu Signale verschiedener Sensoren verarbeitet, in denen sich
Betriebsparameter des Verbrennungsmotors 10 abbilden. In der
nicht abschließenden
Darstellung der 1 sind dies ein Drehwinkelsensor 34,
der eine Winkelposition °KW
einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 10 und damit eine
Stellung des Kolbens 14 erfasst, ein Luftmassenmesser 36,
der eine in den Verbrennungsmotor 10 strömende Luftmasse
mL erfasst, und, optional, ein oder mehrere Abgassensoren 38, 40,
die eine Konzentration eines Abgasbestandteils und/oder eine Temperatur
des Abgases erfassen.
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In
der Ausgestaltung der 1 ist der Abgassensor 38 ein
Lambdasensor, der eine Sauerstoffkonzentration im Abgas als Maß einer
Luftzahl L (L = Lambda) erfasst, während der Sensor 40 eine Abgastemperatur
T am Eingang des Vorkatalysators 28 erfasst. Die Luftzahl
Lambda ist bekanntlich als Quotient einer tatsächlich zur Verfügung stehenden Luftmasse
im Zähler
und einer für
eine stöchiometrische
Verbrennung einer bestimmten Kraftstoffmasse erforderlichen Luftmasse
im Nenner definiert. Luftzahlen Lambda größer eins repräsentieren
daher einen Luftüberschuss,
während
Luftzahlen Lambda kleiner eins einen Kraftstoffüberschuss repräsentieren.
Sofern das Abgassystem 26 einen Abgastemperatursensor 40 aufweist,
kann dieser auch an anderer Stelle des Abgassystems 26 angeordnet
sein, beispielsweise am Eingang des Hauptkatalysators 30. Dies
gilt insbesondere für
den Fall, dass der Hauptkatalysator 30 ein NOx-Speicherkatalysator
ist.
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Wesentlich
für die
Erfindung ist, dass das Steuergerät 32 die Temperatur
T am Eingang des Vorkatalysators 28 oder, allgemeiner,
am Eingang des ersten 3-Wege-Katalysators im Strömungsweg des Abgases hinter
dem Auslassventil 20, ermittelt. Die Ermittlung kann bei
einer Ausgestaltung, wie sie in der 1 dargestellt
ist, durch Messung mit dem Temperatursensor 40 erfolgen.
Alternativ oder ergänzend
kann die Abgastemperatur T am Eingang des Vorkatalysators 28 auch
aus Betriebsparametern des Verbrennungsmotors 10 durch
ein Rechenmodell im Steuergerät 32 unter
Verwendung auf im Steuergerät 32 abgelegte
Zusammenhänge
ermittelt werden. Wenn der Abgastemperatursensor 40 an
anderer Stelle im Abgassystem 26 angeordnet ist, kann die Abgastemperatur
am Eingang des Vorkatalysators 28 aus einem Rechenmodell
ermittelt werden, das an die an anderer Stelle im Abgassystem 26 gemessene Temperatur
adaptiert wird. Analog kann ein Rechenmodell auch dazu dienen, das
Signal eines Abgastemperatursensors 40, der am Eingang
des Vorkatalysators 28 angeordnet ist, zu korrigieren.
Diese Ausgestaltung ist insbesondere bei schnellen Abgastemperaturänderungen
sinnvoll, die wegen einer Trägheit
des Abgastemperatursensors 40 besser durch ein Rechenmodell
berücksichtigt
werden können.
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Aus
den Signalen dieser und gegebenenfalls weiterer Sensoren bildet
das Steuergerät 32 Stellsignale
zur Ansteuerung von Stellgliedern zur Steuerung des Verbrennungsmotors 10.
In der Ausgestaltung der 1 sind dies insbesondere ein
Stellsignal S_L zur Ansteuerung eines Drosselklappenstellers 42,
der die Winkelstellung einer Drosselklappe 44 im Ansaugsystem 22 verstellt,
ein Signal S_K, mit dem das Steuergerät 32 den Injektor 24 ansteuert
und ein Stellsignal S_Z, mit dem das Steuergerät 32 die Zündkerze 16 beziehungsweise
eine Zündvorrichtung 16 ansteuert,
die auch Spulen und/oder Kondensatoren zur Erzeugung der Zündspannung
aufweist. Analog zu der Darstellung der Sensoren gilt auch für die dargestellten
Stellglieder, dass die Darstellung in der 1 nicht
abschließend
gemeint ist und dass moderne Verbrennungsmotoren 10 weitere Stellglieder
wie Abgasrückführventile,
Tankentlüftungsventile,
Bypassventile für
Abgas-Turbolader, Stellglieder für
variable Steuerungen der Gaswechselventile 18, 20 etc.,
aufweisen können.
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Im Übrigen ist
das Steuergerät 32 dazu
eingerichtet, insbesondere dazu programmiert, das hier vorgestellte
Verfahren und/oder eine seiner Ausgestaltungen durchzuführen und/oder
einen entsprechenden Verfahrensablauf zu steuern.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung rechnet das Steuergerät 32 Leistungsanforderungen
an den Verbrennungsmotor 10 in einen Soll-Wert für das vom
Verbrennungsmotor 10 insgesamt zu erzeugende Drehmoment
um und teilt dieses Drehmoment auf Drehmomentanteile auf, die durch
die Stellsignale S_L für
die Füllungssteuerung,
S_K für
die Kraftstoffzumessung und S_Z für die Zündungssteuerung beeinflusst
werden. Der Füllungsanteil
wird durch eine entsprechende Einstellung der Drosselklappe 42 mit dem
Stellsignal S_L eingestellt. Der Kraftstoffanteil wird mit der Stellgröße S_K im
Wesentlichen durch die eingespritzte Kraftstoffmasse und die Art
und Weise der Aufteilung der einzuspritzenden Kraftstoffmasse auf
eine oder mehrere Teileinspritzungen sowie die relative Lage der
Teileinspritzungen zueinander und zu der Bewegung des Kolbens 14,
also durch ein Einspritz-Timing, eingestellt. Das bei gegebener Luftfüllung maximal
mögliche
Drehmoment ergibt sich bei optimaler Luftzahl Lambda, optimalem
Einspritz-Timing und optimalem Zündwinkel.
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Vor
der weiter unten erfolgenden Vorstellung eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
wird zunächst
unter Bezug auf die 2 die Situation
bei dem bekannten Verfahren dargestellt. Im Einzelnen zeigt die 2a unter
anderem zeitlich korrelierte Verläufe 46, 48 und 50 der Drehzahl
n des Verbrennungsmotors 10 (Verlauf 46) der Abgastemperatur
T am Eingang des Vorkatalysators 28 (Verlauf 48)
und der Temperatur in einem zentralen Bereich des Vorkatalysators 28 (Verlauf 50) nach
einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 in einer Nachstartphase.
Dabei sind die in der 2a dargestellten zeitlichen
Verläufe 48, 50 bei
der Durchführung
des bekannten Verfahrens, das auf einer Vergrößerung des Wärmestroms
im Abgas basiert, aufgenommen worden.
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Zum
Zeitpunkt t0 beschleunigt ein Starter den Verbrennungsmotor auf
eine Starterdrehzahl von knapp über
200 min–1.
Mit einsetzenden Verbrennungen in den Brennräumen 12 steigt die
Drehzahl n des Verbrennungsmotors 10 weiter an und überschreitet zum
Zeitpunkt 11 einen Startende-Drehzahlschwellenwert von
ca. 400 min–1.
Anschließend
pendelt sie sich rasch auf eine erhöhte Leerlaufdrehzahl von ca. 1.200
min–1 ein.
Mit dem Überschreiten
des Startende-Drehzahlschwellenwerts
zum Zeitpunkt t1 beginnt die Nachstartphase. Um in dieser Nachstartphase
einen großen
Wärmestrom
im Abgas bereitzustellen, gibt das Steuergerät 30 über die
Stellgröße S_Z suboptimale
Zündwinkel
aus, die über
den damit verringerten Zündwinkelwirkungsgrad
zu einer Drehmomenteinbuße
führen,
die durch eine vergrößerte Füllung der
Brennräume 12 durch
Stellsignale S_L erzeugt wird, kompensiert wird. Durch ergänzende Beeinflussung
der Kraftstoff-Stellsignale S_K wird insgesamt eine Luftzahl Lambda
im überstöchiometrischen
Bereich, beispielsweise eine Luftzahl Lambda = 1,1 eingestellt.
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Dies
ist besonders in der ersten Phase nach einem Startende wichtig,
in der der Vorkatalysator 28 noch keine Kohlenwasserstoffe
reduzieren kann, so dass die einzige Möglichkeit zur Beschränkung der
in die Umgebung gelangenden Kohlenwasserstoffemissionen darin besteht,
die Roh-Emissionen des Verbrennungsmotors 10 zu beschränken. Diese
Beschränkung
ergibt sich als erwünschte
Folge des Betriebs mit einer Luftzahl Lambda größer als eins.
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Durch
die vergrößerte Füllung wird
eine hohe Abgasmenge erzeugt, die überdies wegen des suboptimalen
Zündwinkelwirkungsgrades
eine vergleichsweise hohe Temperatur besitzt und einen Sauerstoffüberschuss
aufweist. Insgesamt wird damit ein großer Wärme- oder Enthalpiestrom erzeugt. Dadurch
steigt die Abgastemperatur T vor dem Vorkatalysator 28 relativ
schnell an, was sich im vergleichsweise steilen Anstieg des Verlaufs 48 abbildet.
Im Ergebnis wird bereits zum Zeitpunkt t2 eine Abgastemperatur von
etwa 400°Celsius
vor dem Vorkatalysator 28 erreicht. Bei Verbrennungsmotoren mit
einem Abgasturbolader 29 steigt die Temperatur im Krümmer 31 vor
der Turbine des Abgasturboladers 29 noch steiler und auf
höhere
Werte an, da die Turbine dem Abgas Energie entzieht und da der Turbolader
selbst eine gewisse Wärmekapazität besitzt. Die
Temperatur des zentralen Bereichs des Vorkatalysators 28,
die sich im Verlauf 50 abbildet, erreicht den Temperaturwert
von 400°Celsius
dagegen erst zu einem späteren
Zeitpunkt t3, was durch den wesentlichen flacheren Anstieg des Verlaufs 50 im
Vergleich zum Verlauf 48 bedingt ist. Der flachere Verlauf 50 ergibt
sich durch die Wärmekapazität der vor
dem zentralen Bereich des Katalysators liegenden Bereiche des Vorkatalysators 28,
die bei der Durchströmung
mit dem Abgas vor dem zentralen Bereich aufgeheizt werden und dem
Abgas Wärme
eniziehen. Ein typischer Zeitabstand zwischen t2 und t3 liegt in der
Größenordnung
von 10 Sekunden.
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2b zeigt
zeitlich korrelierende Verläufe der
Kohlenwasserstoffkonzentration vor und nach dem Vorkatalysator 28.
Der Verlauf 52 der Kohlenwasserstoffkonzentration vor dem
Vorkatalysator 28 weist anfangs ein scharfes Maximum 54 auf,
das unmittelbar mit dem Starten des Verbrennungsmotors 10 und
dem ersten Hochlaufen der Drehzahl n des Verbrennungsmotors 10 auf
den Wert der angehobenen Leerlaufdrehzahl (1.200 min–1)
zusammenhängt. Anschließend fällt die
Kohlenwasserstoffkonzentration vor dem Vorkatalysator 28 schnell
auf einen vergleichsweise konstanten Wert ab.
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In
dem Verlauf 56 der Kohlenwasserstoffkonzentration nach
dem Vorkatalysator 28 bildet sich das scharfe Maximum 54 des
Verlaufs 52 in gestauchter und zeitlich gestreckter Form
ab. Diese Stauchung und Streckung hängt weniger mit einer Konvertierung,
als vielmehr mit einer gewissen Speicherwirkung des Vorkatalysators 28 zusammen.
Anschließend
nimmt die Kohlenwasserstoffkonzentration hinter dem Vorkatalysator 28 zunächst ähnliche
Werte an, wie sie sich vor dem Vorkatalysator 28 einstellen, bevor
sie allmählich
mit einsetzender und allmählich zunehmender
Konvertierungsfähigkeit
des Vorkatalysators 28 auf einen Wert nahe bei null absinkt,
was etwa zum Zeitpunkt t4 kurz nach dem Zeitpunkt t3 der Fall ist.
Das heißt,
dass die nahezu konstanten Kohlenwasserstoff-Rohemissionen des Verbrennungsmotors 10 ab
dem Zeitpunkt t4 so gut wie vollständig durch den dann betriebsbereiten
Vorkatalysator 28 konvertiert werden.
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Die
Menge der in die Umgebung emittierten Kohlenwasserstoffe ist zum
Integral der Kohlenwasserstoffkonzentrationen nach dem Vorkatalysator 28 proportional.
Da nach dem Zeitpunkt t4 kaum noch Kohlenwasserstoffemissionen hinter
dem Vorkatalysator 28 auftreten, dominiert der Wert des
Integrals zum Zeitpunkt t4 auch Ergebnisse von Abgastests. Um die Ergebnisse
solcher Tests zu verbessern und damit die Emissionen von Kohlenwasserstoffen
in die Umgebung zu verringern, sieht die Erfindung vor, bereits
vor dem Zeitpunkt t3, zu dem der zentrale Bereich des Vorkatalysators 28 seine
Betriebstemperatur erreicht, die bereits am Eingang des Vorkatalysators 28 wegen
der dort höheren
Abgastemperaturen früher
einsetzende Konvertierung zur schnelleren Aufheizung des Vorkatalysators 28 auszunutzen.
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Die 3 zeigt verschiedene Einspritzmuster,
wie sie bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
auftreten. Dabei sind Einspritzimpulsbreiten ti_1, ti_2 und ti_3
jeweils als hohe Pegel über
dem Kurbelwellenwinkel °KW
eines Arbeitszyklusses aus einem Ansaugtakt Takt_1, einem Verdichtungstakt
Takt_2, einem Arbeitstakt Takt_3 und einem Auslasstakt Takt_4 aufgetragen.
Obere Totpunkte sind mit OT bezeichnet.
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3a zeigt
ein erstes Einspritzmuster M_1 für
einen Homogen-Split-Betrieb für
maximierte Abgasenthalpie mit einer ersten Teileinspritzung ti_1, die
im Ansaugtakt Takt_1 erfolgt und einer zweiten Teileinspritzung
ti_2, die später
erfolgt. Die zweite Teileinspritzung ti_2 erfolgt auf jeden Fall
vor der Zündung,
die beim Kurbelwellenwinkel KW_Z ausgelöst wird. Wie bereits erwähnt wurde,
liegt KW_Z unter Umständen
sehr spät
im Bereich von 10° bis
30° KW nach
ZOT, so dass die zweite Teileinspritzung auch ganz oder teilweise
im Arbeitstakt Takt_3 liegen kann. Sie liegt aber auf jeden Fall
vor der Zündung. Statt
einer Aufteilung auf zwei Teileinspritzungen kann die mit dem ersten
Einspritzmuster M_1 eingespritzte Kraftstoffmenge auch auf mehr
als zwei Teileinspritzungen aufgeteilt sein. Die Möglichkeit
der Aufteilung wird durch die Kleinmengen-Dosierfähigkeit
des Injektors 24 begrenzt. Wesentlich für das Muster 1 M_1 ist die
Aufteilung auf wenigstens zwei Teileinspritzungen, von denen die
frühere
bevorzugt im Ansaugtakt Takt_1 liegt und die letzte auf jeden Fall
in demselben Arbeitszyklus vor der Zündung liegt, wobei sich in
der Summe eine Luftzahl Lambda größer als 1 ergibt.
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3b zeigt
ein zweites Einspritzmuster M_2, das sich von dem ersten Einspritzmuster
M_1 durch die weitere Einspritzung ti_3 unterscheidet, die nach
der Zündung
erfolgt. Die mit der weiteren Einspritzung ti_3 eingespritzte Kraftstoffmenge
wird daher zumindest nicht mehr vollständig im Brennraum 12 verbrannt
und gelangt daher als unverbrannte Kraftstoffmenge in den maximierten
Abgasenthalpiestrom. Ihre Verdampfungsenthalpie reduziert die Abgasenthalpie
etwas, was den Krümmer 31 vor
einer Überhitzung
schützt.
Die verdampfte Kraftstoffmenge wird mit dem Abgasstrom in den Katalysator 28 transportiert
und führt
dort zu der dort erwünschten
Wärmefreisetzung
durch exotherme Reaktion mit Sauerstoff aus dem im Übrigen überstöchiometrisch
zusammengesetzten Abgas. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird
die gesamte, mit dem Einspritzmuster M_2 eingespritzte Kraftstoffmenge
so bemessen, dass sich vor dem Katalysator eine Luftzahl Lambda ergibt
die um 1 bis 3% geringer ist als die Luftzahl Lambda bei dem Einspritzmuster
M_1.
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Die 4 zeigt
ein Flussdiagramm als Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
In einem Schritt 58 wird bei einer Betätigung eines Starters ein Startprogramm
SP ausgeführt,
in dem Stellgrößen S_L,
S_K und S_Z ausgegeben werden, mit denen der Verbrennungsmotor 10 bei
aktiviertem Starter gestartet werden kann. In einem Schritt 60 wird überprüft, ob die
Drehzahl n des Verbrennungsmotors 10 die Startende-Drehzahl
n1 überschreitet.
Solange das nicht der Fall ist, verzweigt das Programm zurück zum Schritt 58,
in dem das Startprogramm SP weiter ausgeführt wird.
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Sobald
die Startende-Drehzahl n1 überschritten
wird, verzweigt das Programm in einen Schritt 62, in dem
der Ablauf eines Nachstartprogramms NP zur Steuerung des Verbrennungsmotors 10 im
Leerlauf ausgelöst
wird und in dem eine Zeitvariable t auf den Wert t1 gesetzt wird,
bei dem der Startende-Drehzahlschwellenwert n1 überschritten worden ist. Der
Betrieb mit dem Nachstartprogramm NP ist dabei insbesondere dadurch
charakterisiert, dass zunächst
ein großer
Enthalpiestrom im Abgas in Verbindung mit möglichst geringen Rohemissionen
von unverbrannten, reduzierenden Abgasbestandteilen wie HC und CO
erzeugt wird. Der Enthalpiestrom wird bevorzugt durch einen Betrieb
mit reduziertem Zündwinkelwirkungsgrad
und einer Aufteilung einer pro Brennraumfüllung einzuspritzenden Kraftstoffmenge
auf eine erste Einspritzung im Ansaugtakt und eine zweite Einspritzung
im Verdichtungstakt in Verbindung mit einer vergrößerten Luftfüllung der
Brennräume 12 vergrößert. Mit
anderen Worten: Im Schritt 62 wird ein Ablauf des Nachstartprogramms
mit einem Einspritzmuster M_1 ausgelöst, wie es im Zusammenhang
mit der 3 beschrieben wurde.
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Dabei
liefert die Aufteilung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge auf
zwei Einspritzungen die Möglichkeit,
den Zündwinkelwirkungsgrad
vergleichsweise stark zu verringern, indem die Zündung bis in Bereiche von 10° bis 30° Kurbelwellenwinkel nach
dem Zündungs-OT verschoben
wird, was eine entsprechende Vergrößerung der Luftfüllung zur Kompensation
der Drehmomenteinbuße
ermöglicht. Um
die Rohemissionen unverbrannter und reduzierender Abgasbestandteile
möglichst
gering zu halten, wird die Luftzahl Lambda zu Beginn des Nachstartbetriebs
NP auf Lambda-Werte größer als
eins, zum Beispiel Lambda = 1,1, eingestellt. Dieser Betrieb stellt
den bereits weiter oben erwähnten
Homogen-Split-Betrieb dar.
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Im
weiteren Verlauf der Abarbeitung des Nachstartprogramms NP wird
in einem Schritt 64 eine Temperatur T am Eingang des Vorkatalysators 28 ermittelt.
Wie bereits erwähnt
wurde, kann die Ermittlung durch Messung und/oder Modellierung erfolgen.
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Im
Schritt 66 findet eine Erhöhung der Zeitvariablen t um
ein Inkrement dt statt. Im Schritt 68 wird die im Schritt 64 ermittelte
Temperatur T mit einem Schwellenwert T_S verglichen. Solange die Temperatur
T kleiner als der Schwellenwert T_S ist, wird davon ausgegangen,
dass auch die ersten katalytischen Flächenelemente am Eingang des
Vorkatalysators 28 noch keine reduzierenden Abgasbestandteile
konvertieren können.
Die Abfrage im Schritt 68 wird entsprechend verneint und
das Programm verzweigt dann zu einem Schritt 70, in dem überprüft wird,
ob eine Maximaldauer t_max der Nachstartphase erreicht ist. Ein
typischer Wert der Maximaldauer t_max liegt etwa zwischen 20 s und
30 s.
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Wenn
die Abfrage im Schritt 70 bejaht wird, verzweigt das Programm
zu einem Schritt 72, in dem ein Hauptprogramm HP zur Steuerung
des Verbrennungsmotors 10 durchgeführt wird. Das Hauptprogramm
HP unterscheidet sich vom Nachstartprogramm NP insbesondere dadurch,
dass der Verbrennungsmotor 10 nicht mehr mit dem maximierten
Enthalpiestrom im Abgas betrieben wird.
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Zu
Beginn der Nachstartphase wird die Abfrage im Schritt 70 jedoch
verneint werden und das Programm verzweigt zurück vor die Schritte 64 und 66,
in denen die Temperatur T erneut ermittelt wird und die Zeitvariable
t um ein weiteres Inkrement dt erhöht wird. Auf diese Weise wird
die Schleife aus den Schritten 64 bis 70 wiederholt
durchlaufen, bis entweder die Abbruchbedingung im Schritt 68 oder die
Abbruchbedingung im Schritt 70 erfüllt ist. Das bedeutet insbesondere,
dass der Verbrennungsmotor 10 nach einem normalen Kaltstart
im Nachstartprogramm NP so lange mit einem großen Enthalpiestrom und gleichzeitig
möglichst geringen
Kohlenwasserstoffemissionen betrieben wird, bis die Abfrage im Schritt 68 bejaht
wird. Als Maß für die Temperatur
kann auch die mit dem Startende verstrichene Zeit verwendet werden.
In einer weiteren Ausgestaltung kann als Maß für die Temperatur diese Zeit
nach einer Gewichtung mit einer Temperatur des Verbrennungsmotors 10 kurz
vor, während
oder kurz nach dem Start verwendet werden. Je geringer diese Temperatur
ist, desto kleiner ist der Gewichtungsfaktor zu wählen.
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Die
Abfrage im Schritt 68 wird bejaht, wenn die Abgastemperatur
T am Eingang des Vorkatalysators 28 den Schwellenwert T_S überschreitet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Schwellenwert T_S so
vorbestimmt, dass er einer Temperatur entspricht, bei der die ersten
Flächenelemente
des Katalysators in spürbarem
Umfang mit der Konvertierung reduzierender Abgasbestandteile durch
katalytisches Auslösen
exothermer Reaktionen mit dem Sauerstoffangebot im Abgas beginnen.
Um die durch diese exothermen Reaktionen frei werdende Reaktionswärme zur
beschleunigten Aufheizung des Vorkatalysators 28 verstärkt auszunutzen,
wird in einem Schritt 74 ein Betrieb des Verbrennungsmotors
aktiviert, in dem eine weitere Einspritzung nach dem Beginn der
Verbrennung erfolgt. Das Nachstartprogramm NP erfolgt daher mit
einem Einspritzmuster M_2, wie es in Verbindung mit der 3 erläutert wurde.
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An
den Schritt 74 schließt
sich ein Schritt 76 an, in dem die Zeitvariable t um das
Inkrement dt erhöht
wird. Im Schritt 78 wird analog zur Abfrage im Schritt 70 überprüft, ob die
Zeitvariable t nach einigen Erhöhungen
um das Inkrement dt den Schwellenwert t_max überschreitet. Solange das nicht
der Fall ist, wird die Abfrage im Schritt 78 verneint und
das Programm kehrt zum Schritt 74 zurück, in dem der Betrieb mit
dem zweiten Einspritzmuster M_2 fortgesetzt wird. In einer Ausgestaltung
wird die mit der weiteren Teileinspritzung ti_3 eingespritzte Kraftstoffmenge
dabei sukzessive erhöht
und damit an die mit zunehmender Aufheizung in die Tiefe des Vorkatalysators
fortschreitende Fähigkeit
zur Konvertierung angepasst. In einer Ausgestaltung wird die durch
die weitere Einspritzung ti_3 erfolgte Erhöhung der Emission unverbrannter
Abgasbestandteile beendet, wenn der Zeitschwellenwert t_max im Schritt 78 überschritten
wird. In diesem Fall wird die Nachstartphase beendet und das Programm
verzweigt in den Schritt 72, in dem das bereits erläuterte Hauptprogramm
zur Steuerung des Verbrennungsmotors 10 ohne vergrößerten Enthalpiestrom
im Abgas durchgeführt
wird.
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Der
gestrichelte Verlauf 80 in der 2a bildet
die Wirkung der Erfindung qualitativ ab. Der gestrichelte Verlauf 80 zeigt,
wie auch der Verlauf 50, den zeitlichen Verlauf der Temperatur
in einem zentralen Bereich des Vorkatalysators 28 in der
Nachstartphase. Wie man sieht, verlaufen die Kurven 50 und 80 bis
zum Zeitpunkt t2 parallel beziehungsweise identisch. Dies liegt
daran, dass bis zum Zeitpunkt t2 kein Unterschied zu dem bekannten
Verfahren besteht. Das heißt
insbesondere, dass auch bei der Erfindung zu Beginn der Nachstartphase
der Verbrennungsmotor 10 mit einem vergrößerten Enthalpiestrom
bei gleichzeitig möglichst
weitgehend reduzierten Rohemissionen unverbrannter Abgasbestandteile
betrieben wird. Ein Unterschied zwischen dem Verlauf 50,
der sich bei dem bekannten Verfahren ergibt, und dem Verlauf 80,
der sich gemäß der Erfindung ergibt,
entsteht ab dem Zeitpunkt t2, zu dem die Abgastemperatur T vor dem
Vorkatalysator 28 den Schwellenwert T_S erreicht. In einer
Ausgestaltung liegt dieser Schwellenwert zwischen 380°Celsius und 420°Celsius.
Der genaue Wert kann von dem verwendeten Katalysator abhängig sein.
Für Zeiten
t > t2 bewirkt die
im Rahmen der Erfindung erhöhte
Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe in Verbindung mit der
einsetzenden Konvertierungsfähigkeit am
Eingang des Vorkatalysators 28 eine exotherme Reaktion
mit dem Sauerstoffangebot im Abgas, die den Vorkatalysator 28 effektiver
aufheizt als dies allein mit dem vergrößerten Enthalpiestrom möglich ist. Als
Folge steigt der gestrichelte Verlauf 80, der sich bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ergibt, schneller an als der Verlauf 50, der sich bei dem
bekannten Verfahren ergibt.
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Wie
man sieht, besteht eine relativ große Differenz zwischen dem Verlauf 48 der
Abgastemperatur vor dem Vorkatalysator 28 und dem mit dem
bekannten Verfahren erzielten Verlauf 50 der Temperatur
im zentralen Bereich des Vorkatalysators 28. Wie bereits
erwähnt
wurde, ist diese Differenz, beziehungsweise der zeitliche Abstand
zwischen einem Zeitpunkt, zu dem die Abgastemperatur vor dem Vorkatalysator 28 eine
bestimmte Schwellen-Temperatur erreicht, und dem Zeitpunkt, zu dem
die Temperatur im zentralen Bereich des Vorkatalysators 28 diese Temperatur
erreicht, für
den größten Teil
der nach einem Kaltstart in die Umgebung emittierten Kohlenwasserstoffemissionen
verantwortlich. Ein Vergleich der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
erzielten gestrichelten Kurve 80 mit der Kurve 48,
die den Verlauf der Abgastemperatur vor dem Vorkatalysator 28 angibt,
zeigt, dass diese Differenz bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
wesentlich geringer ausfällt
als bei dem bekannten Verfahren. Dies wirkt sich direkt verringernd
auf die Kohlenwasserstoffemissionen in die Umgebung nach einem Kaltstart
des Verbrennungsmotors aus.