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DE10348774A1 - Verfahren zur Lufteinblasung bei einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur Lufteinblasung bei einer Brennkraftmaschine Download PDF

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DE10348774A1
DE10348774A1 DE10348774A DE10348774A DE10348774A1 DE 10348774 A1 DE10348774 A1 DE 10348774A1 DE 10348774 A DE10348774 A DE 10348774A DE 10348774 A DE10348774 A DE 10348774A DE 10348774 A1 DE10348774 A1 DE 10348774A1
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Lufteinblasung für eine thermische Nachbehandlung von Abgasen in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine. Die Lufteinblasung wird mit geringem Aufwand dadurch erreicht, dass während einer Warmlaufphase einzelne Zylinder in der Weise gesteuert werden, dass sie die Funktion einer Luftpumpe zum Einblasen der Luft in den Abgastrakt übernehmen (Fig. 1).

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Lufteinblasung für eine thermische Nachbehandlung von Abgasen in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine.
  • Ein derartiges Verfahren ist in der DE 100 65 963 A1 angegeben. Bei diesem bekannten Verfahren wird die Luft für eine thermische Nachbehandlung von Abgasen mittels einer zylindergruppenindividuell steuerbaren Sekundärluftpumpe in den Abgastrakt eingeblasen. Zusammen mit einer katalytischen Nachbehandlung werden mit der eingeblasenen Luft die Abgasgrenzwerte eingehalten, wobei die Lufteinblasung nur während der Warmlaufphase des Motors erforderlich ist, bis der Katalysator seine Konvertierungstemperatur erreicht hat. Die Sekundärluft pumpe erfordert einen nicht unbedeutenden Bauraum und bedingt einen entsprechenden Aufwand hinsichtlich ihres Aufbaus und Kosten.
  • In der US 3,756,205 ist vorgeschlagen, während des Motorbetriebs durch Abschalten der Kraftstoffeinspritzung Luft mittels einzelner Zylinder in den Abgastrakt für eine katalytische Nachbehandlung der Abgase einzublasen. Bei einer derartigen Steuerung können sich jedoch Nachteile für die Laufruhe und evtl. auch einen Kraftstoffverbrauch ergeben.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereit zu stellen, mit der die thermische Nachbehandlung mit möglichst wenig Aufwand möglichst wirksam erreicht wird.
  • Vorteile der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Hiernach ist vorgesehen, dass während einer Warmlaufphase einzelne Zylinder in der Weise gesteuert werden, dass sie die Funktion einer Luftpumpe zum Einblasen der Luft in den Abgastrakt übernehmen.
  • Da die Zylinder nur während einer Warmlaufphase nach dem Start bis zum Erreichen der Konvertierungstemperatur des Katalysators zur Lufteinblasung genutzt werden, bleibt der normale Motorbetrieb im warm gelaufenen Zustand unbeeinträchtigt. Die Verwendung einzelner Zylinder der Brennkraftmaschine bzw. des Verbrennungsmotors als Luftpumpe ergibt in Verbindung mit der Motorsteuerung einen kostengünstigen Aufbau, bei dem im Gegensatz zu einer Sekundärluftpumpe kein zusätzlicher Bauraum benötigt wird.
  • Eine vorteilhafte Ausbildung des Verfahrens mit günstigen Ansteuerungsmöglichkeiten wird dabei dadurch erreicht, dass die die Funktion der Luftpumpe ausübenden Zylinder unter Abschalten der Kraftstoffeinspritzung in einer nicht verbrennenden Betriebsweise betrieben werden und die Funktion der Luftpumpe durch darauf abgestimmte Betätigung des oder der betreffenden Einlassventile und des oder der betreffenden Auslassventile gesteuert wird.
  • Eine wirkungsvolle Lufteinblasung wird dabei dadurch begünstigt, dass eine vollvariable Ventilsteuerung in der Weise ausgenutzt wird, dass zum Optimieren der Pumpleistung die nicht verbrennenden Zylinder durch zylinderindividuelle Steuerzeiten ihrer Einlass- und Auslassventile betrieben werden.
  • Der Warmlaufbetrieb des Motors auch im Hinblick auf die Laufruhe wird nur wenig gestört, wenn vorgesehen ist, dass bei einer vielzylindrigen Brennkraftmaschine nur ein Teil der Zylinder im Pumpbetrieb betrieben wird, wobei es vorteilhaft ist, dass jeder zweite Zylinder im Pumpbetrieb betrieben wird.
  • Eine weitere vorteilhafte Maßnahme zum Erreichen eines möglichst ungestörten Motorbetriebs in der Warmlaufphase besteht ferner darin, dass dann, wenn der Fahrer ein höheres Drehmoment fordert, mindestens ein im Pumpbetrieb befindlicher Zylinder in den Brennbetrieb gesteuert wird.
  • Eine wirkungsvolle Lufteinblasung wird auch dadurch unterstützt, dass bei Betrieb der Brennkraftmaschine in einem Teillastpunkt, bei dem die im Brennbetrieb befindlichen Zylinder mit verkürzten Steuerzeiten ihrer Einlassventile betrieben werden, die im Pumpbetrieb befindlichen Zylinder mit voller Steuerzeit ihrer Einlassventile betrieben werden.
  • Zu einer wirkungsvollen Lufteinblasung tragen des Weiteren die Maßnahmen bei, dass die Einlass- und Auslassventile der im Pumpbetrieb arbeitenden Zylinder in der Weise angesteuert werden, dass jede Kolbenbewegung zum Luftpumpen genutzt wird.
  • Das Verfahren zur Lufteinblasung wird auch dadurch begünstigt, dass zum Einsaugen und Ausstoßen von Luft in allen aufeinander folgenden Takten abwechselnd das jeweilige Einlassventil und das jeweilige Auslassventil geöffnet werden. Alternativ kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass im Pumpbetrieb das Auslassventil des betreffenden Zylinders auch bei dem Takt geöffnet bleibt, der in seinem Brennbetrieb dem Kompressionstakt entspricht, wodurch keine Kompressionsarbeit bei den pumpenden Zylindern auftritt.
    •
  • Zeichnung
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein erstes Steuerzeitendiagramm für einen Teil der Zylinder eines 8-Zylinder-Verbrennungsmotors unter Ansteuerung im Verbrennungsbetrieb einerseits und Luftpumpenbetrieb andererseits,
  • 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Steuerzeitendiagramm für verbrennende und pumpende Zylinder und
  • 3 ein noch weiteres Ausführungsbeispiel für ein Steuerzeitendiagramm.
  • Ausführungsbeispiel
  • Die 1 bis 3 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele für Steuerzeitendiagramme für einen Teil der Zylinder Zyl1, Zyl5, Zyl4, Zyl8 eines 8-zylindrigen Verbrennungsmotors mit der Ansteuerung entsprechender Einlassventile EV und Auslassventile AV über verschiedenen Kurbelwellenwinkeln bzw. bei den damit verbundenen Takten.
  • Bei einer konventionellen Brennkraftmaschine mit ottomotorischer Verbrennung wird Gemisch von einer Ansaugseite zuerst in einen Brennraum gesaugt, um dann nach der Verbrennung in einen Abgastrakt ausgeschoben zu werden. Die Funktion eines einzelnen Zylinders als Luftpumpe, die Luft durch einen Luftfilter ansaugt und in den Abgastrakt pumpt, wird dadurch erreicht, dass der Vorgang des Einsaugens und Ausstoβens ohne eine Einspritzung stattfindet. Bei modernen Einspritzsystemen wird die Einspritzzeit jedes einzelnen Zylinders individuell von einem Motorsteuergerät aus gesteuert. Dies wird vorliegend genutzt, um die Einspritzzeit auf einem oder mehreren Zylindern abzuschalten und diese als Luftpumpe zu betreiben.
  • Die Abschaltung erfolgt bei vorliegendem Verfahren in der Warmlaufphase nach dem Start und dauert vorteilhafterweise so lange an, bis der Katalysator seine Konvertierungstemperatur erreicht hat, wonach der Luftpumpenbetrieb über ein Programm des Motorsteuergerätes funktionslos geschaltet wird. Der Luftpumpenbetrieb kann übersichtlich in einem Programmbaustein hinterlegt werden, wobei eine Abhängigkeit des Luftpumpenbetriebs von einzelnen Parametern leicht berücksichtigt werden kann.
  • Die Einspritzzeit errechnet sich bei den meisten Systemen mit Hilfe eines Lastsensors (z.B. Heiβfilmluftmassenmesser oder Saugrohrdrucksensor). Bei der sich daraus ergebenden Einspritzzeit der verbrennenden Zylinder ist zu berücksichtigen, dass ein Teil der Luft nicht an der Verbrennung teilnimmt und sich entsprechend dem Abgas zumischt. Dies kann ebenfalls mittels der Motorsteuerung berücksichtigt werden. Bei Ventiltrieben mit variablen Ventil-Steuerzeiten kann die Menge der zugeführten Luft entsprechend variabel gesteuert werden.
  • Der Luftpumpenbetrieb betreffender Zylinder mittels Einspritzabschaltung ist besonders günstig bei vielzylindrigen Motoren einsetzbar, da diese kurzzeitig auf einen oder mehrere Zylinder verzichten können und dennoch dem Fahrer genügend Drehmoment zur Verfügung steht. Prinzipiell ist das Verfahren aber bei jedem Motor einsetzbar. Bei Motoren mit wenig Zylindern kann sich der Nachteil ergeben, dass dem Fahrer entweder nur noch sehr wenig Drehmoment zur Verfügung steht oder die Laufruhe des Motors nicht mehr akzeptabel ist. Das Drehmoment der verbrennenden Zylinder kann jedoch über die Motorsteuerung z.B. durch Öffnen der Drosselklappe unter Berücksichtigung der für den Pumpbetrieb genutzten, nicht verbrennenden Zylinder entsprechend vergrößert werden.
  • Eine Steuerungsmöglichkeit unter Abschalten der Einspritzung besteht darin, z.B. bei einem 8-Zylinder-Motor in der Warmlaufphase unmittelbar nach dem Start vier Zylinder zu deaktivieren oder bereits mit nur vier Zylindern zu starten. Damit ergibt sich trotz der abgeschalteten Zylinder ein harmonischer Motorlauf mit 180° KW (Kurbelwellen) Zündabstand, sofern in der Zündfolge jeder zweite Zylinder abgeschaltet wird.
  • Beispiel
    • Zündfolge eines V8-Motors: 1 5 4 8 6 3 7 2
    • Zündfolge bei Luftpumpbetrieb: 1 4 6 7
  • Sofern der Fahrer in der Phase der Luftpumpung mehr Motormoment abfordert, ist es bei dem Beispiel des V8-Motors denkbar, bei vertretbaren Einbußen in der Laufruhe ein bis drei Zylinder wieder zuzuschalten. Die nötige Luftmenge für die thermische Nachbehandlung kann dennoch erreicht werden, da mit steigender Drehzahl auch die pro Zeiteinheit durchgepumpte Luftmenge zunimmt.
  • Besonders gut eignet sich das Verfahren für Systeme mit vollvariabler Ventilsteuerung. Bei derartigen Systemen (z.B. elektrohydraulische oder elektromagnetische Ventilsteuerung) kann jedes Ventil zu jeder Zeit in jeden beliebigen Zustand gebracht werden. Dadurch ist es möglich, mittels zylinderindividueller Steuerzeiten die Pumpleistung der nicht verbrennenden Zylinder zu optimieren, ohne dabei Nachteile bei den verbrennenden Zylindern in Kauf nehmen zu müssen. Damit lässt sich die Einsatzdauer des Verfahrens minimieren. In 1 ist diese Möglichkeit beispielhaft für die ersten vier Zylinder Zyl1, Zyl5, Zyl4, Zyl8 eines 8-Zylindermotors in dem Steuerzeitendiagramm der Einlass- und Auslassventile EV, AV dargestellt.
  • 1 zeigt einen Teillastpunkt. Dabei verbrennen die Zylinder Zyl1 und Zyl4 mit regulären Steuerzeiten, d.h. die Einlassventil-Schlusskante bestimmt die zur Verbrennung zur Verfügung stehende Luftmenge. Zylinder Zyl5 und Zyl8 dienen dagegen nur als Luftpumpe und werden mit den maximalen Steuerkanten angesteuert, um den vollen Hub des Kolbens vom oberen bis zum unteren Totpunkt auszunutzen.
  • Bei dem in 2 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel, die ein Steuerzeitendiagramm eines vollvariablen Ventilsteuerungssystems zeigt, ist eine Betriebsart vorgesehen, bei der die im Pumpbetrieb angesteuerten Zylinder nicht im 4-Takt-Verfahren arbeiten, sondern jede Kolbenbewegung nutzen, um Luft zu pumpen. Die im Pumpbetrieb betriebenen, nicht verbrennenden Zylinder Zyl5, Zyl8 pumpen ausschließlich Luft von der Ansaugseite auf die Abgasseite, ohne einen dazwischen liegenden Kompressionstakt. Dies führt zu einer Verdopplung der durchgepumpten Luft und zu einer Verringerung der Kompressionsarbeit.
  • Ein in 3 gezeigtes weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens stellt eine Weiterführung der Verfahren nach den 1 und 2 ebenfalls in einem Steuerzeitendiagramm dar. Dabei wird im Wesentlichen die gleiche Luftmenge wie bei dem Verfahren nach 1 durchgepumpt, allerdings tritt bei den pumpenden Zylindern entsprechend dem Verfahren nach 2 keine Kompressionsarbeit auf. Dies wird durch die offenstehenden Auslassventile AV auf den pumpenden Zylindern Zyl5, Zyl8 erreicht. Dies führt zu geringen Drosselverlusten auf der Abgasseite, da dort ständig Abgas in den betreffenden Zylinder eingesaugt und wieder ausgestoßen wird.
  • Bei einem vollvariablen System ist auch eine Kombination der beschriebenen verschiedenen Verfahren denkbar. Dadurch lassen sich unterschiedliche Luftdurchsatzraten und Verlustarbeiten einstellen. So ist es denkbar, z.B. einen pumpenden Zylinder nach dem in 2 gezeigten Verfahren arbeiten zu lassen, und einen weiteren pumpenden Zylinder nach dem in 3 gezeigten Verfahren.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Lufteinblasung für eine thermische Nachbehandlung von Abgasen in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Warmlaufphase einzelne Zylinder in der Weise gesteuert werden, dass sie die Funktion einer Luftpumpe zum Einblasen der Luft in den Abgastrakt übernehmen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Funktion der Luftpumpe ausübenden Zylinder unter Abschalten der Kraftstoffeinspritzung in einer nicht verbrennenden Betriebsweise betrieben werden und die Funktion der Luftpumpe durch darauf abgestimmte Betätigung des oder der betreffenden Einlassventile (EV) und des oder der betreffenden Auslassventile (AV) gesteuert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine vollvariable Ventilsteuerung in der Weise ausgenutzt wird, dass zum Optimieren der Pumpleistung die nicht verbrennenden Zylinder durch zylinderindividuelle Steuerzeiten ihrer Einlass- und Auslassventile (EV, AV) betrieben werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer vielzylindrigen Brennkraftmaschine nur ein Teil der Zylinder im Pumpbetrieb betrieben wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder zweite Zylinder im Pumpbetrieb betrieben wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn der Fahrer ein höheres Drehmoment fordert, mindestens ein im Pumpbetrieb befindlicher Zylinder in den Brennbetrieb gesteuert wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Betrieb der Brennkraftmaschine in einem Teillastpunkt, bei dem die im Brennbetrieb befindlichen Zylinder mit verkürzten Steuerzeiten ihrer Einlassventile (EV) betrieben werden, die im Pumpbetrieb befindlichen Zylinder mit voller Steuerzeit ihrer Einlassventile (EV) betrieben werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlass- und Auslassventile der im Pumpbetrieb arbeitenden Zy linder in der Weise angesteuert werden, dass jede Kolbenbewegung zum Luftpumpen genutzt wird
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einsaugen und Ausstoßen von Luft in allen aufeinander folgenden Takten abwechselnd das jeweilige Einlassventil (EV) und das jeweilige Auslasslventil (AV) geöffnet werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Pumpbetrieb das Auslassventil (AV) des betreffenden Zylinders auch bei dem Takt geöffnet bleibt, der in seinem Brennbetrieb dem Kompressionstakt entspricht.
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