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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Schutz eines Gassensors, der in einem Abgastrakt eines im Start-Stopp-Modus betriebenen Verbrennungsmotors dem Abgas ausgesetzt ist.
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Gassensoren oder Messfühler sind als Lambdasonden (
DE 198 15 700 A1 ), als Stickoxidsonden, auch NOx-Sonden genannt, (
DE199 30 636 A1 ) und als Temperatursonden (
DE 199 34 11 C2 ) bekannt. Solche Gassensoren besitzen einen dem Abgas ausgesetzten, auf Betriebstemperatur aufgeheizten Keramikkörper, der Messelektroden trägt. Diese Keramikkörper sind empfindlich gegen einen sog. Thermoschock, der zu von der Körperoberfläche ausgehenden Rissen im Keramikkörper führt, die letztlich den Gassensor funktionsuntüchtig machen. Ein Thermoschock wird durch kalte Wassertröpfchen ausgelöst, die unter bestimmten Betriebsbedingungen aus im Abgas enthaltenen Wasserdampf als Kondensat ausfallen, fein verteilt im Abgas mitgeführt werden und auf die heiße Oberfläche des Keramikkörpers gelangen. Die Thermoschocktemperatur von Keramikkörpern liegt dabei je nach Sensortyp zwischen 160 °C und 250 °C.
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Die Kondensatbildung, also das Ausfallen von Wassertröpfchen aus dem Wasserdampf im Abgas, tritt verstärkt bei einer Wandtemperatur des Abgastrakts auf, die im Taupunktbereich des Abgases liegt, z.B. bei ca. 60 °C, so dass die Menge der im Abgas mitgeführten kalten Wassertröpfchen ansteigt und damit die Thermoschockgefahr für den Gassensor zunimmt.
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Bei zur Verbrauchsreduzierung von Kraftstoff im Start-Stopp-Modus betriebenen Verbrennungsmotoren sinkt im Stopp-Modus oder Aus-Betrieb des Verbrennungsmotors bei stehendem Abgassystem die Abgastemperatur innerhalb der ersten Minuten rasch ab, z.B. auf ca. 350 °C und sinkt danach nicht asymptotisch, sondern langsam und stetig ab. Daher gelangt das Abgas in seine Taupunktphase, in der der im Abgas mitgeführte Wasserdampf kondensiert. Mit Abnehmen der Abgastemperatur sinkt zudem auch die Wandtemperatur des Abgastrakts, so dass längerfristig auch die kritische Wandtemperatur des Abgastrakts unterschritten wird und die Kondensatbildung verstärkt einsetzt, so dass beim anschließenden Wiederstarten des Verbrennungsmotors eine sehr hohe Thermoschockgefahr für den Gassensor besteht.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die Notkühlung des Abgases der für den Gassensor kritische Gefahrenbereich des Thermoschocks extrem schnell durchlaufen wird und eine deutlich niedrigere Körpertemperatur des Keramikkörpers erreicht wird, bei der das Auftreffen von kalten Wassertröpfchen unkritisch ist.
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Durch die in den weiten Ansprüchen 1 bis 4 aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Notkühlung durch Zufuhr von Frischluft im Abgas herbeigeführt. Dadurch wird einerseits das Abgas ähnlich einer „Kaltfönanblasung“ gekühlt und andererseits das mit Wasserdampf gesättigte Abgas aus dem Abgastrakt ausgeschoben. Die Frischluft kann wieder neu Wasserdampf aufnehmen, wobei das Wasserdampfaufnahmevermögen weiter ansteigt, je länger die Frischluft im Abgasrohr verbleibt und von der Wandung des Abgastrakts erwärmt wird. Neben der schnellen Reduzierung der Keramikkörpertemperatur wird somit auch die Kondenswassergefahr im Abgasrohr durch Erhöhung der Wasserdampfaufnahmekapazität des im Abgastrakt vorhandenen Gases reduziert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird zur Frischluftzufuhr eine Sekundärlufteinblasung aktiviert, mit der der Verbrennungsmotor ausgestattet ist. Dies hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen konstruktiven Komponenten erforderlich sind und die Notkühlung ausschließlich über die Motorsteuerung eingeleitet werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 hat den Vorteil, dass die Wandtemperatur des Abgastrakts auch bei längeren Stoppzeiten des Verbrennungsmotors, z.B. größer als eine Minute, oberhalb des Taupunktes des Abgases, z.B. 60 °C, gehalten wird und somit der Kondensatbildung entgegengewirkt wird.
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Durch die in den weiten Ansprüchen 6 bis 12 aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 5 angegebenen Verfahrens möglich.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird für die Notbeheizung das Wärmereservoir des Verbrennungsmotors genutzt. Besonders vorteilhaft erfolgt dies dadurch, dass in den Verbrennungszylindern des Verbrennungsmotors vorhandene Ein- und Auslassventile geöffnet werden. Dadurch wird das heiße Zylinderluftvolumen zum Abgastrakt hin geöffnet und somit das gesamte Wärmereservoir des Verbrennungsmotors zum Konvektions-Notbeheizen des Abgastrakts zur Verfügung gestellt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden zusätzlich in den Verbrennungszylindern vorhandene Hubkolben zum Ausführen mindestens eines Hubzykluses angetrieben. Dadurch wird das heiße Luftvolumen sehr schnell in den Abgastrakt eingedrückt. Zusätzlich wird Luft in die Verbrennungszylinder eingesaugt, in den noch heißen Verbrennungszylindern erwärmt und wieder in den Abgastrakt gedrückt, wodurch die Effizienz der Wärmekonvektion über einen längeren Zeitraum aufrecht erhalten werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann zusätzlich oder alternativ zur Hubkolbenbetätigung auch ein Turbolader eingeschaltet werden, mit dem der Verbrennungsmotor ausgestattet ist. Ein solcher Turbolader muss dazu über einen elektrischen Antriebsmotor verfügen, der zu diesem Zweck eingeschaltet wird.
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Für die Notbeheizung des Abgases kann auch eine elektrische Heizvorrichtung im Abgastrakt vorgehalten werden, die über die Motorsteuerung aktiviert wird. Ebenso ist es möglich, eine Notbeheizung durch im Abgastrakt erzeugte Wärmegewinnung herbeizuführen. Eine solche Wärmegewinnung kann beispielsweise durch Oxidation von in den Abgastrakt eingespritzten Kraftstoff oder durch eine chemische exothermische Reaktion herbeigeführt werden, die vorzugsweise in einem im Abgastrakt vorhandenen Stickoxidkatalysator vorgenommen wird.
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In allen Fällen werden gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung zur Erfassung der Isttemperatur von Abgas und Wandbereich des Abgastraktes im Abgastrakt angeordnete Temperaturfühler verwendet. Alternativ kann zur Ermittlung der Isttemperatur auch ein Temperatur-Zeit-Modell herangezogen werden, das spezifisch für den Verbrennungsmotor im Motorsteuergerät abgespeichert ist.
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Selbstverständlich ist es möglich, die Verfahren gemäß Anspruch 1 und Anspruch 4 gleichzeitig in einem Verbrennungsmotor einzusetzen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die erfindungsgemäßen Verfahren sind anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels eines Verbrennungsmotors für ein Kraftfahrzeug in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematisierte Darstellung eines von einem Motorsteuergerät gesteuerten Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs,
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2 ausschnittweise einen Längsschnitt eines Verbrennungszylinders des Verbrennungsmotors in 1.
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Der in 1 schematisiert dargestellte, von einem elektronischen Motorsteuergerät 11 gesteuerte Verbrennungsmotor ist beispielhaft ein Vier-Zylinder-Einspritzmotor. Der Verbrennungsmotor weist einen Motorblock 12 aus vier Verbrennungszylindern 13, die von einem gemeinsamen Zylinderkopf 20 abgedeckt sind, und daran angeschlossen einen Ansaugtrakt 14 und einen Abgastrakt 15 auf. Der Verbrennungsmotor ist mit einer Kraftstoffdirekteinspritzung 16, einem Abgasturbolader 17 und einer Sekundärlufteinblasung 18 ausgestattet.
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In 2 ist ausschnittweise einer der Verbrennungszylinder 13 des Verbrennungsmotors im Längsschnitt dargestellt. Der außen mit einem Kühlwassermantel 19 umgebene Verbrennungszylinder 13 ist stirnseitig mit dem Zylinderkopf 20 gasdicht abgedeckt. Ein im Verbrennungszylinder 13 axial verschieblich geführter Hubkolben 21 begrenzt zusammen mit dem Zylinderkopf 20 einen Brennraum 22. Der Hubkolben 21 ist über ein Pleuel 23 mit einer hier nicht dargestellten Kurbelwelle verbunden, auf die auch die Hubkolben 21 der anderen Verbrennungszylinder 13 wirken. Der Brennraum 22 weist einen mit einem Einlassventil 24 verschließbaren Einlass 25 und einen mit einem Auslassventil 26 verschließbaren Auslass 27 auf. Zu dem Einlass 25 ist ein Luftansaugrohr 28 des Ansaugtraktes 15 geführt. Stromaufwärts sind üblicherweise die Luftansaugrohre 28 der Verbrennungszylinder 13 zu einem Luftansaugkanal 29 zusammengefasst, in dem ein Luftsteuerorgan 30, z.B. eine Drosselklappe, angeordnet ist (1). Dem Luftansaugkanal 29 ist eintrittseitig ein Luftfilter 35 vorgeordnet. Vom Auslass 27 eines jeden Verbrennungszylinders 13 ist ein Abgasrohr 31 angeführt. Stromabwärts sind alle Abgasrohre 31 der Verbrennungszylinder 13 zu einem Abgasstrang 32 zusammengefasst (1). Zur Einleitung des Verbrennungsprozesses im Brennraum 22 ist im Zylinderkopf 20 eine Zündkerze 33 eingesetzt. Der Kraftstoff wird in den Brennraum 22 mittels eines Einspritzventils 34, das mit seinem abspritzseitigen Ende in den Brennraum 22 hineinragt, zugeführt. Einund Auslassventile 24, 26, Einspritzventile 34 und Zündkerze 33 werden vom Motorsteuergerät 11 gesteuert.
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Im Abgasstrang 32 des Abgastrakts 15 ist eine Abtriebsturbine 36 des Abgasturboladers 17, ein Oxidationskatalysator 37 und ein sog. Denox-Katalysator 38 angeordnet, in dem die Stickoxide konvertiert werden. Vor und hinter dem Oxidationskatalysator 37 ist jeweils eine Lambdasonde 39, 40 und hinter dem Denox-Katalysator 38 ein NOx-Sensor 41 angeordnet, der ein die Stickoxidkonzentration im Abgas kennzeichnendes Messsignal generiert. Die Lambdasonden 39, 40 und der NOx-Sensor 41 werden als Gassensoren bezeichnet. Die Gassensoren liefern ihre Messsignale an das Motorsteuergerät. Die Antriebsturbine 36 des Abgasturboladers 17 nutzt die im Abgas enthaltene Energie zum Antrieb eines im Luftansaugkanal 29 angeordneten Verdichters 42 des Turboladers 17, der die über den Luftfilter 35 und das Luftsteuerorgan 30 zur Verbrennung angesaugte Frischluft in die Verbrennungszylinders 13 des Verbrennungsmotors drückt.
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Die Abgasrückführung 18 weist eine eingangsseitig an dem Luftfilter 35 und auslassseitig über eine Ausgangsleitung 43 an den Abgasstrang 32 stromaufwärts des Oxidationskatalysators 37 angeschlossene Sekundärluftpumpe 44 auf. In der Ausgangsleitung 43 sind ein pneumatisch gesteuertes Sekundärluftventil 45 und ein Rückschlagventil 46 angeordnet. Der pneumatische Steuereingang des Sekundärluftventils 45 ist über ein elektrisch gesteuertes Umschaltventil 47 am Luftansaufkanal 29 stromabwärts des Luftsteuerorgans 30 angeschlossen. Sekundärluftpumpe 44 und Umschaltventil 37 werden vom Motorsteuergerät 11 gesteuert. Der Vollständigkeit halber sind in der Zeichnung noch ein Fahrpedal 48 des Kraftfahrzeugs dargestellt, das bei seiner Betätigung elektrische Ausgangssignale an das Motorsteuergerät 11 legt.
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Zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs wird der Verbrennungsmotor im Start-Stopp-Modus mittels einer im Motorsteuergerät 11 integrierten Start-Stopp-Automatik betrieben. Hierbei wird in der Standphase des Fahrzeugs, z.B. bei einem Ampelstopp, der Verbrennungsmotor abgeschaltet und bei Betätigen des Kupplungs- oder Fahrpedals der Verbrennungsmotor wieder gestartet.
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Wie eingangs bereits beschrieben sind in der Motor-Aus- oder Stopp-Phase des Verbrennungsmotors die Gassensoren 39, 40, 41 durch das Abkühlverhalten des stehenden Abgassystems der Gefahr des Auftretens eines Thermoschocks besonders intensiv ausgesetzt. Um dem zu begegnen, wird im Stopp-Modus des Verbrennungsmotors folgendes Verfahren zum Schutz der Gassensoren 39, 40, 41 durchgeführt:
Zumindest im Stopp-Modus des Verbrennungsmotors wird die Isttemperatur des Abgases erfasst. Hierzu sind im Abgastrakt 15 Temperaturfühler 49, 50 vorhanden, die fortlaufend die Isttemperatur des Abgases messen und die Messwerte an das Motosteuergerät 11 liefern. Die Temperaturfühler 49, 50 können auch mit der Lambdasonde 39 einerseits oder dem NOx-Sensor 41 zu sog. Kombisonden zusammengefasst sein. Alternativ kann auf die Temperaturfühler 49, 50 verzichtet werden und stattdessen ein Temperatur-Zeit-Modell im Motorsteuergerät 11 abgespeichert werden. Sinkt die erfasste Isttemperatur auf eine kritische Temperatur ab, die abhängig von einer für die Gassensoren 39, 40, 41 charakteristischen Thermoschocktemperatur vorgegeben ist, wird das Abgas einer Notkühlung unterzogen. Hierzu wird dem Abgas Frischluft zugeführt, wobei zwecks Frischluftzufuhr die Sekundärlufteinblasung 18 durch das Motorsteuergerät 11 aktiviert wird. Durch diese Luftzufuhr in den Abgastrakt 15 werden einerseits die Gassensoren 39, 40, 41 gekühlt und andererseits wird das mit Wasserdampf gesättigte Abgas aus dem Abgastrakt 15 ausgeschoben, so dass die frische Luft wieder neu Wasserdampf aufnehmen kann. Das Wasserdampfaufnahmevermögen steigt weiter an, je länger Frischluft im Abgastrakt 15 verbleibt und von diesem erwärmt wird. Die Notkühlung ist dabei zeitmäßig so ausgelegt, dass die Isttemperatur des Abgases schnell unter die Thermoschocktemperatur der Gassensoren 39, 40, 41 absinkt.
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In einem alternativen Verfahren zum Schutze der Gassensoren 39, 40, 41 im Ausbetrieb des Verbrennungsmotors wird im Stopp-Modus des Verbrennungsmotors die Isttemperatur eines Wandbereichs des Abgastakts 15 fortlaufend erfasst. Hierzu ist ein Temperaturfühler 50 vorgesehen, der im Ausführungsbeispiel in der Nähe des NOx-Sensors 41 im Abgastrakt 15 angeordnet ist und ebenfalls mit dem NOx-Sensor 41 zu einem Kombisensor zusammengefasst sein kann. Der Temperaturfühler 50 liefert der Isttemperatur des Wandbereichs des Abgastrakts 15 entsprechende elektrische Signale an das Motorsteuergerät 11. Sinkt die Isttemperatur auf eine kritische Temperatur ab, die abhängig von der Taupunkttemperatur des Abgases vorgegeben wird, so wird der Abgastrakt 15 – ausgelöst vom Motorsteuergerät 11 – einer Notbeheizung unterzogen. Die Notbeheizung wird so ausgelegt, dass die Isttemperatur des Abgases oberhalb des Taupunkts des Abgases gehalten wird. Zur Erfassung der Isttemperatur des Wandbereichs im Abgastrakt 15 kann anstelle des Temperaturfühlers 50 auch wiederum ein im Motorsteuergerät 11 abgespeichertes Temperatur-Zeit-Modell herangezogen werden.
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Die Notbeheizung des Abgases ist bei dem hier beschriebenen Verbrennungsmotor auf verschiedene Weise möglich.
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Vorteilhaft wird für die Notbeheizung des Abgases das Wärmereservoir des Verbrennungsmotors, genauer gesagt die in der Motor-Aus-Phase in den Verbrennungszylindern 13 gespeicherte Wärmemenge, genutzt. Hierzu werden über die Motorsteuerung 11 die Einlassventile 24 und die Auslassventile 26 in den Verbrennungszylindern 13 geöffnet, so dass das heiße Luftvolumen in den Verbrennungszylindern 13 zum Abgastrakt 15 hin ganz geöffnet wird und somit das gesamte Wärmereservoir des Motorblocks 12 zum Konvektionsheizen des Abgastrakts 15 zur Verfügung steht. Vorteilhaft werden dabei zusätzlich die in den Verbrennungszylindern 13 vorhandenen Hubkolben 21 über die Kurbelwelle zum Ausführen mindestens eines Hubzykluses angetrieben, wodurch das heiße Luftvolumen in den Verbrennungszylindern 13 schneller in den Abgastrakt 15 gepresst wird. Ein gleicher Effekt wird durch kurzfristiges Einschalten des Turboladers 17 erzielt, der hierzu mit einem elektrischen Antrieb 51 ausgestattet ist.
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Eine weitere Möglichkeit der Notbeheizung des Abgastrakts 15 im Stopp-Modus des Verbrennungsmotors 11 ist die Anordnung einer elektrischen Heizvorrichtung 52 im Abgastrakt 15, die im Stopp-Modus bei entsprechendem Absinken der Wandtemperatur des Abgastrakts 15 über das Motorsteuergerät 11 eingeschaltet wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die elektrische Heizvorrichtung 52 als elektrische Heizspirale im Denox-Katalysator 38 integriert.
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Eine weitere Möglichkeit der Notbeheizung ist eine Wärmeerzeugung im Abgastrakt 15 selbst, die z.B. durch Verbrennung von eingespritztem Kraftstoff, also durch Oxidation, oder durch eine andere chemische exotherme Reaktion herbeigeführt werden kann.
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Die beiden vorstehend beschriebenen Verfahren zum Schutze der Gassensoren 39, 40, 41 mit der Notkühlung de Abgases einerseits und der Notbeheizung des Abgastrakts andererseits können getrennt voneinander zur Anwendung kommen, aber auch gemeinsam eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19815700 A1 [0002]
- DE 19930636 A1 [0002]
- DE 1993411 C2 [0002]