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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine
mit einem Gasfördersystem
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Betriebsverfahren
hierfür
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 12.
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Aus der US-Patentschriftschrift
US 6,094,909 ist eine Brennkraftmaschine
mit einem Gasfördersystem
bekannt. Das Gasfördersystem umfasst
eine von einem Luftstrom antreibbare Turbine und eine durch die
Turbine angetriebene Pumpe, die Gas in das Abgassystem fördern kann.
Dieses Gasfördersystem
wird beim Start der Brennkraftmaschine eingesetzt, um Sekundärluft dem
Abgassystem zuzuführen
damit unverbrannte Kraftstoffbestandteile oxidiert werden können. Die
freigesetzte Verbrennungswärme
dient der Aufheizung des Abgasreinigungssystems, das damit rascher
betriebsfähig
ist. Die Turbine wird durch einen Luftstrom angetrieben, der durch
ein über
einem Drosselelement in der Ansaugleitung vorhandenes Druckgefälle hervorgerufen
wird. Die Zufuhr von Sekundärluft
erfolgt jedoch erst in ausreichendem Umfang, wenn die Turbine bzw.
die von ihr angetriebene Pumpe eine ausreichende Drehzahl aufweist,
was einige Zeit benötigt, so
dass nach dem Start der Brennkraftmaschine nicht sofort vom Gasfördersystem
Sekundärluft
zur Verfügung
gestellt werden kann. Außer
für die
Förderung
von Sekundärluft
beim Brennkraftmaschinenstart sind für das Gasfördersystem keine weiteren Funktionen
vorgesehen.
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Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine
Brennkraftmaschine mit einem Gasfördersystem und ein Betriebsverfahren
hierfür
anzugeben, mit welchen ein emissionsarmer Brennkraftmaschinenbetrieb
und eine gute Ausnutzung des Gasfördersystems ermöglicht werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein
Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet
sich dadurch aus, dass bei einem Startvorgang der Brennkraftmaschine
deren Kraftstoffeinspritzmenge in Abhängigkeit von der Förderleistung der
Pumpe einstellbar ist. Vorzugsweise erfolgt erst bei Erreichen einer
Mindestförderleistung
der Pumpe eine Kraftstoffeinspritzung, so dass der Beginn der Kraftstoffeinspritzung
von der Förderleistung
der Pumpe abhängig
ist. Dadurch wird erreicht, dass dem Abgassystem mit Beginn der
Kraftstoffeinspritzung mit Hilfe der Pumpe Sekundärluft in
ausreichender Menge zugegeben werden kann, um unverbrannte Kraftstoffreste
nachzuoxidieren zu können.
Mit dem Ablaufen von Nachoxidationen wird unvollständig verbrannter
Kraftstoff oxidativ umgesetzt. Die freiwerdende Reaktionswärme bringt
das Abgasreinigungssystem, insbesondere stromab der Sekundärluftzugabestelle
rasch auf Betriebstemperatur. Somit kann rasch eine wirksame Abgasreinigung
erzielt werden. Insbesondere können
schädliche
Kohlenwasserstoffemissionen (HC-Emissionen) in der Startphase vermindert
werden. Wird dagegen der Beginn der Kraftstoffeinspritzung nicht
auf die Förderleistung der
Pumpe abgestimmt, und beispielsweise Kraftstoff in die Brennräume der
Brennkraftmaschine eingespritzt, bevor die Pumpe eine Mindestförderleistung aufweist,
liegt für
unverbrannten Kraftstoff im Abgassystem der für Nachoxidationen notwendige
Luftsauerstoff als Reaktionspartner nicht in ausreichendem Maße vor,
so dass mehr oder weniger große
Mengen HC emittiert werden. Wird dagegen im Verhältnis zur Förderleistung der Pumpe zu wenig
Kraftstoff eingespritzt, so ist das für Nachoxidationen erforderliche Luft-/Kraftstoffverhältnis (λ) im Abgassystem
zu groß, und
Nachoxidationen können
ebenfalls nicht ablaufen. Folge ist ein spätes Anspringen der Abgaskatalysatoren,
so dass über
eine verhältnismäßig lange Zeit
Schadstoffe emittiert werden.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist
die Turbine durch einen Teilstrom der von der Brennkraftmaschine über die
Ansaugleitung angesaugten Verbrennungsluft antreibbar, wobei der
Teilstrom durch ein über
dem Drosselelement vorhandenes Druckgefälle hervorgerufen wird. Durch
diese Maßnahme
können Zusatzaggregate
zum Antrieb der Turbine des Gasfördersystems
entfallen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ist beim Startvorgang die Drehzahl der Brennkraftmaschine vor Beginn
der Kraftstoffeinspritzung durch eine Ansteuerung der Brennkraftmaschine
oder durch Ansteuerung eines der Brennkraftmaschine zugeordneten
Nebenaggregats einstellbar. Vorzugsweise wird die Drehzahl der Brennkraftmaschine
mit Beginn des Startvorgangs angehoben. Dies ermöglicht ein rasches Leersaugen
des Saugrohrbereiches durch die Brennkraftmaschine und ein rasches
Absinken des Saugrohrdrucks. Die je Ansaugtakt angesaugte Luftmasse
verringert sich somit rasch, so dass mit Beginn der Kraftstoffeinspritzungen
ein für den
Brennkraftmaschinenbetrieb und für
Nachoxidationen günstiges
Luft/Kraftstoffverhältnis
eingestellt werden kann. Wenn die Turbine des Gasfördersystems
durch das über
dem Drosselelement im Saugrohr vorhandene Druckgefälle angetrieben
wird, erreicht durch die erfindungsgemäße Maßnahme die Pumpe zudem rasch
eine ausreichende Förderleistung.
Folglich kann bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt der Startphase
Sekundärluft
in ausreichender Menge in das Abgassystem gefördert. werden, wodurch wiederum
rasch eine effektive Abgasreinigung erfolgen kann.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ist das Drosselelement in der Ansaugleitung in Abhängigkeit
von einem Druck in der Ansaugleitung einstellbar. Insbesondere wenn
die Turbine des Gasfördersystems
durch das über
dem Drosselelement im Saugrohr vorhandene Druckgefälle angetrieben
wird, kann je nach der von der Brennkraftmaschine angesaugten Luftmenge
das Drosselelement so eingestellt werden, dass die Turbine des Gasfördersystems
rasch Drehzahl aufnimmt. Damit erreicht die Pumpe ebenfalls rasch
eine ausreichende Förderleistung.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ist die Turbine durch einen Luftstrom antreibbar, welcher von einer
Gasfördereinheit
erzeugt wird, die in der Turbineneinlassleitung oder in der Turbinenauslassleitung
angeordnet ist, bzw. an die Turbineneinlassleitung oder an die Turbinenauslassleitung
angeschlossen ist. Mit dieser Maßnahme kann das Hochlaufen
der Turbine und damit eine ausreichende Förderleistung der Pumpe unabhängig von
dem über dem
Drosselelement in der Ansaugleitung anstehenden Differenzdruck erreicht
werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ist die Gasfördereinheit
als elektrisch angetriebene Gasfördereinheit
ausgebildet. Der elektrische Antrieb der Gasfördereinheit gestattet eine
genaue Ansteuerung dieser Einheit und damit des gesamten Gasfördersystems.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ist die Gasfördereinheit
als ein in der Turbinenauslassleitung angeordneter evakuierbarer
Gasbehälter
ausgebildet. Wird der evakuierte Gasbehälter geöffnet, wird Luft über die
Turbine in den Behälter
gezogen und die Turbine damit angetrieben. Dabei ist praktisch keine
Hilfsenergie aufzuwenden. Die erfindungsgemäße Maßnahme ermöglicht daher in einfacher Weise
einen vom Differenzdruck über
dem Drosselelement unabhängigen
Betrieb des Gasfördersystems.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ist der von der Pumpe geförderte
Gasstrom in Abhängigkeit
eines Luft-/Kraftstoffverhältnisses
im Abgassystem einstellbar. Der geförderte Gasstrom wird vorzugsweise
so eingestellt, dass für
die Nachoxidation vorteilhafte Bedingungen stromab der Sekundärluftzugabestelle
vorliegen. Vorzugsweise wird die Einstellung so vorgenommen, dass
sich ein λ-Wert
von etwa 1,2 einstellt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ist der von der Pumpe geförderte
Gasstrom einem dem Abgassystem zugeordneten Abgassammler und/oder
direkt einem dem Abgassystem zugeordneten katalytischen Konverter
zuführbar.
Damit kann dem Abgasreinigungssystem Sekundärluft dort zur Verfügung gestellt
werden, wo günstige
Bedingungen bezüglich
des Ablaufens von Nachoxidationen vorliegen. Beim Brennkraftmaschinenstart
wird die Sekundärluft
vorzugsweise dem Abgassammler zugeführt. Wird die Brennkraftmaschine
nach dem Startvorgang fett betrieben, kann zur Oxidation der unverbrannten
Abgasbestandteile Sekundärluft
eingangseitig eines in Unterbodenposition eingebauten Katalysators
zugegeben werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ist der Pumpe über
die Pumpeneinlassleitung Abgas zuführbar, und der von der Pumpe
geförderte
Abgasstrom ist der Ansaugleitung zuführbar. Damit wird durch das
Gasfördersystem
eine Abgasrückführung realisiert.
Das Gasfördersystem
erfüllt
demnach neben der hauptsächlich
in der Startphase vorgenommenen Sekundärluftzufuhr eine weitere Aufgabe
und ist daher besser ausgenutzt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ist von der Pumpe ein über
die Pumpeneinlassleitung angeschlossener Unterdruckbehälter evakuierbar. Der
im Unterdruckbehälter
von der Pumpe erzeugte Unterdruck kann zum Antrieb von Servoeinheiten verwendet
werden. Das Gasfördersystem
erfüllt
damit eine weitere Aufgabe und ist besser ausgenutzt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich
dadurch aus, dass bei einem Startvorgang der Brennkraftmaschine
die Kraftstoffeinspritzmenge in Abhängigkeit von der Förderleistung
der Pumpe eingestellt wird. Vorzugsweise wird mit der Kraftstoffeinspritzung
begonnen, wenn die Pumpe eine Mindestförderleistung erreicht hat.
Dadurch ist gewährleistet, dass
keine unverbrannten Kraftstoffbestandteile in das Abgassystem gelangen,
ohne dass zugleich zu deren Nachoxidation Luftsauerstoff zur Verfügung gestellt
wird. Durch Anpassen der Kraftstoffeinspritzmenge an die Förderleistung
der Pumpe wird für
einen für
Nachoxidationen optimalen λ-Wert
im Abgassammler gesorgt.
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In Ausgestaltung des Verfahrens wird
beim Startvorgang vor dem Beginn der Kraftstoffeinspritzung das
Drosselelement überwiegend
geschlossen gehalten und erst nach Erreichen einer Mindestförderleistung
der Pumpe geöffnet.
Dadurch wird erreicht, dass sehr rasch Bedingungen im Abgassystem
erreicht werden, welche eine wirksame Nachoxidation von unverbrannten
Kraftstoffbestandteilen ermöglichen.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird
die Drehzahl der Brennkraftmaschine beim Startvorgang vor dem Beginn
der Kraftstoffeinspritzung angehoben. Durch Erhöhung der Startdrehzahl kann
die im Saugrohr vorhandene Luft rasch abgezogen werden, so dass
sehr rasch sowohl für
den Brennkraftmaschinenbetrieb als auch im Abgassystem günstige λ-Werte vorhanden
sind. Die Startdrehzahl kann durch eine Verminderung der Kompressionsarbeit
der Brennkraftmaschine erhöht
werden. Vorzugsweise wird die Brennkraftmaschine entdrosselt, d.h.
beim Kompressionstakt bleiben die Auslassventile für eine bestimmte
Dauer oder ganz geöffnet.
Vorteilhaft ist ferner eine Abschaltung oder Abkopplung von Nebenaggregaten,
welche durch die Brennkraftmaschine angetrieben werden.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird
die Turbine wenigstens zeitweise von einem Luftstrom angetrieben,
welcher von einer Gasfördereinheit,
die in der Turbineneinlassleitung oder der Turbinenauslassleitung
angeordnet bzw. an die Turbineneinlassleitung oder die Turbinenauslassleitung angeschlossen
ist, gefördert
wird. Damit kann ein rasches Hochlaufen der Turbine in der Anlaufphase
unabhängig
vom Differenzdruck über
dem Drosselelement in der Ansaugleitung erreicht werden und somit von
der Pumpe sehr rasch Sekundärluft
gefördert werden.
Die Gasfördereinheit
wird vorzugsweise von einer elektrisch betriebenen Pumpe oder von
einem Druckbehälter
bzw. Unterdruckbehälter
gebildet.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird
der von der Pumpe geförderte
Luftstrom in Abhängigkeit
von einem Luft/Kraftstoffverhältnis
im Abgassystem eingestellt. Damit wird erreicht, dass für die angestrebten
Nachreaktionen günstige
Bedingungen geschaffen werden und Nachreaktionen somit in der gewünschten
Weise ablaufen können.
Vorzugsweise wird im Abgassammler ein λ-Wert von 1,2 eingestellt.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird
in Abhängigkeit
vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine eine von wenigstens zwei
Zugabestellen ausgewählt,
an welcher der von der Pumpe geförderte
Luftstrom dem Abgas zugegeben wird. Durch die Tatsache, dass Sekundärluft an
wenigstens zwei Stellen dem Abgassystem zugeführt werden kann, kann flexibel
auf die Bedingungen im Abgassystem, welche in erster Linie vom Betriebszustand
der Brennkraftmaschine abhängen,
reagiert werden.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird
mit dem von der Pumpe geförderten
Luftstrom ein festlegbarer Teil des Abgassystems gekühlt, wenn
ein vorgebbarer Schwellenwert für
eine Temperatur im Abgassystem überschritten
wird. Mit dieser Ausgestaltung der Erfindung erfüllt das Gasfördersystem
zusätzlich
eine Kühlfunktion,
wodurch es besser ausgenutzt wird, das Abgassystem zuverlässiger betrieben
werden kann, und anderweitige Kühlmaßnahmen
entbehrlich werden.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird
von der Pumpe wenigstens zeitweise Abgas dem Abgassystem entnommen
und der Ansaugleitung zugeführt.
Dabei wird der der Ansaugleitung zugeführte Abgasstrom vorzugsweise
in Abhängigkeit vom
Betriebszustand der Brennkraftmaschine eingestellt. Damit wird vom
Gasfördersystem
eine Abgasrückführfunktion
erfüllt,
so dass die Abgasrückführung unabhängig von
den Druckverhältnissen
im Abgassystem und im Ansaugsystem der Brennkraftmaschine gestaltet
werden kann. Durch die Abhängigkeit
vom Betriebszustand kann die Abgasrückführmenge bedarfsgerecht eingestellt
werden.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird
ein der Brennkraftmaschine zugeordneter Unterdruckbehälter zum
Betrieb eines unterdruckbetriebenen Servosystems von der Pumpe über die
Pumpeneinlassleitung evakuiert. Durch diese weitere Funktion des
Gasfördersystems
kann aus diesem System zusätzlicher
Nutzen gezogen werden, und eine bauteilemäßige Vereinfachung erreicht
werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand
von Zeichnungen und zugehörigen
Beispielen näher
erläutert.
Dabei zeigen:
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1 1 ein schematisches Blockbild
einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
mit Gasfördersystem,
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2 ein
schematisches Blockbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
mit Gasfördersystem,
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3 ein
schematisches Blockbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
mit Gasfördersystem,
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4 ein
schematisches Blockbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
mit Gasfördersystem,
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5 ein
schematisches Blockbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
mit Gasfördersystem.
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In 1 ist
eine hier beispielhaft als vierzylindriger, Hubkolbenmotor mit Fremdzündung ausgeführte Brennkraftmaschine 1,
im Folgenden vereinfachend als Motor bezeichnet, mit zugeordnetem
Gasfördersystem,
Ansaugsystem und Abgassystem dargestellt. Der Motor 1 saugt
beim Betrieb Luft über
die Ansaugleitung 2 mit einem darin angeordneten Drosselelement 6 an
und gibt Abgas über
den Abgassammler 3 und die angeschlossene Abgasleitung 4 an
die Umgebung ab. In der Abgasleitung 4 ist ein katalytischer
Konverter 5, im Folgenden abkürzend als Katalysator bezeichnet,
zur Abgasreinigung angeordnet. Der Katalysator ist hier als motornah
angeordneter Startkatalysator ausgebildet. Dem Motor 1 ist
ein Gasfördersystem
zugeordnet, welches eine Turbine 7 und eine Pumpe 8 umfasst.
Die Pumpe 8 ist über
eine Antriebswelle von der Turbine 7 antreibbar. An die
Turbine 7 ist einlassseitig eine Turbineneinlassleitung 9 und
auslassseitig eine Turbinenauslassleitung 10 angeschlossen.
Das jeweils andere Ende der Leitungen 9, 10 ist
stromauf, bzw. stromab des Drosselelements 6 an die Ansaugleitung 2 angeschlossen,
so dass die Turbine 7 parallel zum Drosselelement geschaltet
ist. Der von der Turbine 7 geförderte Luftstrom kann dabei
von einem regelbaren Ventil 20 in der Turbinenauslassleitung 10 geregelt werden.
An die Pumpe ist eingangsseitig eine hier mit der Umgebung in Verbindung
stehende Pumpeneinlassleitung
11 angeschlossen. Auslassseitig
ist eine sich zu der Zugabestellen 13, 14 im Abgassammler 3,
bzw. in der Abgasleitung 4 verzweigende Pumpenauslassleitung 12 an
die Pumpe angeschlossen.
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Dem Motor 1 ist ferner ein
nicht näher
angegebenes Einspritzsystem zur Einspritzung von Kraftstoff, entweder
direkt in die Brennräume
des Motors 1 oder in den Einlassbereich der einzelnen Zylinder, zugeordnet.
Ferner verfügt
der Motor 1 über
ein nicht dargestelltes Motorsteuergerät zur Steuerung bzw. Regelung
des Betriebs des Motors 1 und der dem Motor 1 zugeordneten
Systeme. Hierfür
sind im Ansaugsystem und im Abgassystem verschiedene nicht dargestellte
Sensoren und Messaufnehmer, wie beispielsweise Drucksensoren, ein
Luftmassenmesser in der Ansaugleitung 2 und Abgas- und
Temperatursensoren in der Abgasleitung 4, angeordnet. Die
Signale der Sensoren werden vom Motorsteuergerät erfasst und ausgewertet.
Dem Motor 1 ist weiter ein nicht dargestellter Anlasser
zugeordnet, dessen Betrieb den Startvorgang einleitet und bis zum
autarken Motorbetrieb aufrechterhält.
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Nachfolgend wird die Betriebsweise
der in 1 dargestellten
Anlage erläutert.
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In einem ersten Einsatzgebiet wird
das Gasfördersystem
zur Erreichung eines emissionsarmen Starts bzw. Warmlaufs des Motors 1 eingesetzt.
Hierfür
ist wesentlich, dass der in der Abgasleitung 4 angeordnete
Katalysator 5 möglichst
rasch eine ausreichende Wirksamkeit, d.h. seine sogenannte Anspringtemperatur,
erreicht. Zu diesem Zweck wird der Motor ab einem bestimmten Zeitpunkt
des Startvorgangs mit fettem Luft/Kraftstoffverhältnis betrieben und die reduzierenden
Bestandteile im dabei erhaltenen fetten Abgas durch eine Nachoxidation
stromauf des Katalysators 5 verbrannt. Im Folgenden wird
das Luft-/Kraftstoffverhältnis
des dem Motor 1 zugeführten
Gemisches als Motor-λ bzw. λM bezeichnet.
Die bei der Nachoxidation frei werdende Verbrennungswärme erwärmt den
Katalysator 5, so dass dieser rasch seine Reinigungsfunktion
erfüllen
kann. Durch Zufuhr von Sekundärluft
erhält
das Abgas den für
das Ablaufen der Nachoxidation notwendigen Sauerstoffanteil. Die
Zufuhr von Sekundärluft
erfolgt über
die von der Turbine 7 angetriebene Pumpe 8. Durch
Betätigung
einer nicht dargestellten Schalteinheit in der Pumpenauslassleitung 12 wird
die Zugabestelle 13 im Abgassammler 3 für die Sekundärluftzugabe
freigegeben und die Zugabestelle 14 abgesperrt. Zum Antrieb
der Turbine wird das über
dem Drosselelement 6 vorhandene Druckgefälle genutzt,
welches von der Strömung
der vom Motor 1 angesaugten Luft hervorgerufen wird. Dieses
Druckgefälle
wirkt über die
Turbineneinlassleitung 9 und die Turbinenauslassleitung 10 und
verursacht daher eine Luftströmung über die
Turbine 7 und damit einen Antrieb der Turbine 7 und
der angekoppelten Pumpe 8.
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Vorraussetzung für das Ablaufen der Nachoxidationen
ist das Vorliegen eines brennbaren Gemisches. Somit ist für einen
emissionsarmen Motorstart die Abstimmung von Kraftstoffeinspritzmenge
und Sekundärluftförderung
von Bedeutung. Dabei wird ein möglichst
frühes
Einsetzen der Nachoxidationen beim Start des Motors 1 angestrebt.
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Erfindungsgemäß wird beim Startvorgang die
Kraftstoffeinspritzmenge in Abhängigkeit
von der Förderleistung
der Pumpe 8 eingestellt. Vorzugsweise wird mit Beginn des
Anlassvorgangs zunächst kein
Kraftstoff eingespritzt, da zu diesem Zeitpunkt von der Pumpe 8 noch
keine Sekundärluft
gefördert wird.
Der Grund hierfür
ist das zunächst
noch fehlende bzw. zu geringe Druckgefälle über dem Drosselelement 6.
Da beim Anlassvorgang die Drehzahl des Motors 1 mit typischerweise
etwa 200 1/min vergleichsweise gering ist, findet der Aufbau eines Druckgefälles über dem
Drosselelement vergleichsweise langsam statt. Um den Druckaufbau
zu beschleunigen, wird das Drosselelement in Abhängigkeit von dem stromab des
Drosselelements 6 in der Ansaugleitung 2 vorhandenen
Unterdruck eingestellt. Vorzugsweise wird beim Startvorgang bei
fehlendem Unterdruck das Drosselelement ganz geschlossen. Dies ist
unmittelbar bei Beginn des Startvorgangs der Fall. Dadurch wird
erreicht, dass die Luft im Leitungsvolumen zwischen Drosselelement 6 und
Lufteinlass der Motorzylinder rasch vom Motor abgezogen wird. Somit
baut sich rasch ein Differenzdruck über dem Drosselelement 6 auf,
die Turbine 7 nimmt entsprechend rasch Drehzahl auf, und
die Pumpe 8 fördert entsprechend
rasch Sekundärluft.
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Vorzugsweise wird mit der Kraftstoffeinspritzung
erst begonnen, wenn die Pumpe 8 eine Mindestförderleistung
erreicht hat, was beispielsweise mit Hilfe eines Drehzahlsensors
an der Pumpe 8 festgestellt werden kann. Die Zeitspanne
von Beginn der Anlasserbetätigung
bis zum Beginn der Kraftstoffeinspritzung kann in vorteilhafter
Weise auch zeitgesteuert eingestellt werden. Dabei kann beispielsweise
auf eine im Motorsteuergerät
abgelegte Tabelle zurückgegriffen
werden, in welcher die Zeitspannen bis zum Beginn der Kraftstoffeinspritzung
abgelegt sind. Dabei können
zusätzlich
die Kühlmitteltemperatur
des Motors 1 oder die Umgebungstemperatur berücksichtigt
werden.
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Die je Zeiteinheit eingespritzte
Kraftstoffmenge wird vorzugsweise so eingestellt, dass sich ein
Motor-λ von
etwa λM = 0,8 ergibt. Damit liegt in den Brennräumen des
Motors 1 ein zündfähiges Gemisch
vor, und der Motor 1 kann ohne Anlasserunterstützung weiterlaufen.
Mit Beginn dieses autarken Motorlaufs steigt die Motordrehzahl,
die angesaugte Luftmenge und das Druckgefälle über dem Drosselelement 6 an.
Entsprechend der unterdruckabhängigen
Einstellung wird das Drosselelement 6 mit Erreichen eines
vorgebbaren Unterdruckwerts geöffnet. Die
von der Pumpe 8 in den Abgassammler 3 geförderte Sekundärluftmenge
wird mit Hilfe des Einstellventils 20 in der Turbinenauslassleitung 10 so
begrenzt, dass sich für
den Ablauf von Nachoxidationen günstige
Verhältnisse
im Abgassammler 3 ergeben. Vorzugsweise wird die Sekundärluftmenge
so eingestellt, dass sich für
das Abgas ein Luft-/Kraftstoffverhältnis, im Folgenden als Abgasλ bzw. λA bezeichnet, von
etwa λA = 1,2 eingestellt.
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Die Zeitspanne bis zur Förderung
einer ausreichenden Sekundärluftmenge
kann noch weiter verkürzt
werden, wenn die Startdrehzahl des Motors 1 beim Anlassvorgang
angehoben wird. Dies wird erfindungsgemäß durch Verminderung der Kompressionsarbeit
des Motors 1 erreicht. Bei variablem Verdichtungsverhältnis wird
dieses in der Anlassphase des Startvorgangs vermindert. Vorteilhaft
ist ferner ein Entdrosseln des Motors 1 durch Öffnen der
Auslassventile im Kompressionstakt. Ebenfalls vorteilhaft ist das
zeitweise Abkoppeln von Nebenaggregaten, welche vom Motor 1 angetrieben
werden. Beispielsweise können
ein Generator oder eine Kühlmittelpumpe
abgekoppelt werden. Dadurch vermindert sich die mechanische Verlustleistung
des Motors 1 und die Drehzahl beim Anlassvorgang wird angehoben.
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Nach Erreichen eines stabilen und
autarken Motorlaufs und der Anspringtemperatur des Startkatalysators 5 kann
der Startvorgang als beendet angesehen werden, und die Sekundärluftzugabe
in den Abgassammler 3 wird beendet. Die Beendigung der Sekundärluftzugabe
kann durch Schließen
des Einstellventils 20 oder Schließen eines nicht dargestellten
Schaltmittels in der Pumpenauslassleitung 12 erfolgen.
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In einem weiteren Einsatzgebiet wird
das Gasfördersystem
zur Emissionsminderung bei fettem Betrieb des Motors 1 außerhalb
des Startvorgangs, beispielsweise bei Beschleunigungsvorgängen oder bei
Volllast, eingesetzt. Unter diesen Bedingungen liegt ein zum Betrieb
der Turbine 7 ausreichendes Druckgefälle über dem Drosselelement vor.
Von der Pumpe 8 wird bei diesem Einsatzfall des Gasfördersystems
Sekundärluft
an der Zugabestelle 14 eingangsseitig eines in diesem Fall
vorzugsweise motorfern angeordneten Katalysators 5 ins
Abgas geleitet. Dabei wird ein Abgas-λ von etwa λA =
1,0 eingestellt. Unter diesen Bedingungen werden reduzierende Abgasbestandteile
vom Katalysator 5 oxidiert und eine Schadstoffverminderung
auch bei Beschleunigungs- oder Volllastbetrieb erreicht.
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In einem weiteren Einsatzgebiet wird
das Gasfördersystem
zur Kühlung
eines Teils des Abgassystems eingesetzt. Beispielsweise kann von
der Pumpe 8 vergleichsweise kühle Umgebungsluft in den Luftspalt
eines luftspaltisolierten Abgassammlers oder Katalysatorgehäuses geblasen
werden. Vorzugsweise wird diese Funktion des Gasfördersystems
bei Überschreiten
einer maßgebenden
Temperatur im Abgassystem aktiviert. Somit wird eine Überhitzung
bzw. Schädigung
des Abgassystems vermieden und die Funktion von reinigungswirksamen
Komponenten aufrechterhalten.
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2 zeigt
schematisch die Anordnung des Motors 1 und des Gasfördersystems
in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. Die Bezeichnung
wirkungsgleicher Bauteile entspricht dabei der in 1. Zusätzlich zu der in 1 dargestellten Ausführungsform
ist dem Gasfördersystem
hier eine weitere Gasfördereinheit
zugeordnet. Diese ist als elektrisch angetriebene Luftpumpe 15 ausgebildet,
welche an einen Abzweig der Turbineneinlassleitung 9 angeschlossen
ist. Außerdem
ist in der Turbineneinlassleitung 9 ein Absperrventil 21 vorgesehen,
mit welchem die Verbindung zur Ansaugleitung 2 stromauf
des Drosselelements 6 abgesperrt werden kann. Mit Hilfe der
Luftpumpe 15 kann ein schnelleres Anlaufen der Turbine 7 beim
Startvorgang des Motors 1 erreicht werden. Hierzu wird
mit Beginn des Anlassvorgangs das Absperrventil 21 geschlossen,
das Ventil 20 geöffnet
und die Luftpumpe eingeschaltet. Somit wird praktisch sofort mit
Beginn des Startvorgangs Luft über
die Turbine 7 gefördert.
Folglich kann unabhängig
vom Differenzdruckaufbau über
dem Drosselelement 6 bereits nach kurzer Zeit eine für Nachoxidationen
ausreichende Sekundärluftmenge
dem Abgassammler 3 zugeführt werden, und die Kraftstoffeinspritzung
wird wie in der Ausführungsform
der 1 vorgenommen. Ist
ein ausreichender Differenzdruck über dem Drosselelement 6 aufgebaut,
wird die Luftpumpe abgeschaltet und das Absperrventil 21 geöffnet. Die
Turbine 7 wird dann mit dem durch die Leitungen 9, 10 strömenden Luftstrom
angetrieben, der durch den Differenzdruck über dem Drosselelement 6 hervorgerufen
wird. Alle weiteren Funktionen des Gasfördersystems sind analog zur
Ausführungsform der 1 vorhanden.
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3 zeigt
schematisch die Anordnung des Motors 1 und des Gasfördersystems
in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. Die Bezeichnung
wirkungsgleicher Bauteile entspricht dabei der in 1. Zusätzlich zu der in 1 dargestellten Ausführungsform
ist dem Gasfördersystem
hier eine weitere Gasfördereinheit
zugeordnet. Diese ist als evakuierbarer Gasbehälter 16 ausgebildet,
welcher in einem Nebenzweig der Turbinenaunlassleitung 10 angeordnet
ist. Der Gasbehälter
ist eingangsseitig bzw. ausgangsseitig mit einem Absperrventil 22 bzw. 23 absperrbar.
Mit Hilfe des evakuierten Gasbehälters 16 kann
ein schnelleres Anlaufen der Turbine 7 beim Startvorgang
des Motors 1 erreicht werden. Hierzu wird mit Beginn des
Anlassvorgangs das Absperrventil 22 einlassseitig des evakuierten
Gasbehälters 16 geöffnet. Die
Ventile 20 und 23 bleiben geschlossen. Somit wird
praktisch sofort mit Beginn des Startvorgangs Luft über die
Turbine 7 in den evakuierten Gasbehälter 16 gefördert. Folglich
kann unabhängig vom
Differenzdruckaufbau über
dem Drosselelement 6 bereits nach kurzer Zeit eine für Nachoxidationen ausreichende
Sekundärluftmenge
dem Abgassammler 3 zugeführt werden, und die Kraftstoffeinspritzung wird
wie in der Ausführungsform
der 1 vorgenommen. Ist
ein ausreichender Differenzdruck über dem Drosselelement 6 aufgebaut,
wird das Ventil 20 geöffnet,
und das Ventil 22 geschlossen. Die Turbine 7 wird
dann mit dem Luftstrom durch die Turbineneinlasseitung 9 und
den mit dem Ventil 20 versehenen Abzweig der Turbinenauslassleitung 10 angetrieben. Der
Luftstrom wird nun durch den Differenzdruck über dem Drosselelement 6 hervorgerufen.
Damit unabhängig
vom Differenzdruckaufbau über
dem Drosselelement 6 ein rascher Turbinenhochlauf erfolgen
kann, muss der Gasbehälter 16 naturgemäß eine ausreichende
Größe aufweisen.
Alle weiteren Funktionen des Gasfördersystems sind analog zur
Ausführungsform
der 1 vorhanden. Für eine erneute Evakuierung
des Gasbehälters 16 wird
bei normalem Motorbetrieb das Ventil 23 geöffnet und
das Ventil 22 geschlossen. Insbesondere bei einem Motorbetriebspunkt
mit großem
Unterdruck stromab des Drosselelements 6, wie beispielsweise
bei einem Schiebebetrieb mit hoher Drehzahl, kann der Gasbehälter 16 für einen
neuen Startvorgang ausreichend evakuiert werden.
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4 zeigt
schematisch die Anordnung des Motors 1 und des Gasfördersystems
in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. Die Bezeichnung
wirkungsgleicher Bauteile entspricht dabei der in 1. Mit der in 4 dargestellten Ausführungsform kann zusätzlich zu
den Funktionen der in 1 dargestellten
Ausführungsform
eine Abgasrückführung realisiert
werden. Hierzu verfügt
das Gasfördersystem über eine
mit einem Ventil 24 versehenen Abzweig der Pumpeneinlassleitung 11,
welcher mit der Abgasleitung 4 in Verbindung steht. Der
mit der Umgebung in Verbindung stehende Teil der Pumpeneinlassleitung 11 ist
durch das darin angeordnete Ventil 25 ebenfalls absperrbar.
Weiter ist ein stromab des Drosselelements 6 in die Ansaugleitung 2 führender Abzweig
der Pumpenaunlassleitung 12 vorgesehen. Dieser Abzweig
kann durch das einstellbare Ventil 26 ebenfalls abgesperrt
werden. Wird das Gasfördersystem
nicht zur Sekundärluftförderung
benötigt, kann
bei normalem Motorbetrieb von der Pumpe 8 Abgas an der
Zugabestelle 18 in die Ansaugleitung 2 gefördert werden.
Hierzu wird das Ventil 24 geöffnet und das Ventil 25 geschlossen.
Das Ventil 26 wird entsprechend der zu realisierenden Abgasrückführrate geöffnet. Die
Pumpe 8 wird wie oben beschrieben durch den vom Differenzdruck über dem
Drosselelement 6 verursachten Luftstrom über die
Turbine 7 angetrieben. Gegenüber üblichen Abgasrückführsystemen
mit passiver Abgasrückführung, bei denen
die rückgeführte Abgasmenge
durch den zwischen Abgasleitung und Ansaugleitung vorhandenen Differenzdruck
bestimmt wird, kann mit der Ausführungsform
der 4 eine höhere Abgasrückführrate realisiert
werden. Der Grund hierfür
ist die durch die Pumpe 8 realisierte, aktive Abgasförderung.
Alle weiteren Funktionen des Gasfördersystems sind analog zur
Ausführungsform
der 1 vorhanden.
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5 zeigt
schematisch die Anordnung des Motors 1 und des Gasfördersystems
in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. Die Bezeichnung
wirkungsgleicher Bauteile entspricht dabei der in 1. Im Vergleich zu der in 1 dargestellten Ausführungsform
ist die Pumpeneinlassleitung 11 hier an einen evakuierbaren
Gasbehälter 17 angeschlossen. Eine über ein
Ventil 27 absperrbare Verbindung zur Umgebung besteht weiterhin.
Wird das Gasfördersystem
nicht zur Sekundärluftförderung
benötigt, kann
bei normalem Motorbetrieb von der Pumpe 8 der Gasbehälter evakuiert
werden. Hierzu wird das Ventil 27 geschlossen. Die aus
dem Gasbehälter 17 abgezogene
Luft kann über
die Pumpenauslassleitung 12 dem Abgas zugeführt werden
oder über
einen nicht dargestellten Abzweig an die Umgebung abgegeben werden.
Mit dem im Gasbehälter 17 erzeugten
Unterdruck können
hier nicht näher
angegebene, an den Gasbehälter 17 angeschlossene,
unterdruckbetriebene Servosysteme betrieben werden. Alle weiteren
Funktionen des Gasfördersystems
sind analog zur Ausführungsform
der 1 vorhanden.
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Mit den erfindungsgemäßen Ausführungsformen
von Brennkraftmaschine und Gasfördersystem lässt sich,
wie dargestellt, ein emissionsarmer Betrieb der Brennkraftmaschine
realisieren. Durch die zusätzlich
zur Sekundärluftförderung
vorhandenen Funktionen des Gasfördersystems
wird dieses besser ausgenutzt, und Bauteile können eingespart werden. Dabei
versteht sich, dass im Rahmen der Erfindung durch zusätzliche
Leitungen oder Ventile im Gasfördersysteme
Abwandlungen der dargestellten Ausführungsformen möglich sind.