DE19603753A1 - Verfahren zur Beeinflussung der Abgasemission einer Kolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Emissionen von Kohlenwasserstoffen sowie Kohlenmonoxid bei einer Kolbenbrennkraftmaschine mit Fremdzündung sind nach dem Kaltstart sowie in der Warmlaufphase infolge der notwendigen Gemischanreicherung besonders hoch. Gerade in dieser Phase hat ein heute üblicher Katalysator, der zur einwandfreien Umsetzung der Schadstoffkomponenten eine Eigentemperatur je nach Bauart zwischen 250°C und 350°C benötigt, seine Betriebstemperatur noch nicht erreicht, so daß während dieser Phase der Katalysator praktisch noch keine Wirkung zeigt und dementsprechend eine hohe Konzentra­ tion der von dem Katalysator umzusetzenden Schadstoffe über das Abgas ins Freie gelangt.

Um diesem Nachteil abzuhelfen, hat man versucht, kontinuier­ lich Frischluft in das Abgassystem vor dem Katalysator einzubringen und zwar entweder eine Zufuhr eines kontinuier­ lichen Luftstromes unter Verwendung einer Pumpe oder durch Selbstansaugung unter Ausnutzung der Gasschwingungen im Abgassystem. Bei einer genügend hohen Abgastemperatur von mindestens 600°C läßt sich auf diese Weise eine Selbstoxida­ tion der genannten Schadstoffkomponenten erreichen und gleichzeitig durch die exotherme Reaktion die Abgastempera­ tur und damit auch die Katalysatortemperatur erhöhen. Der Nachteil dieser bekannten Verfahrensweise besteht zum einen darin, daß während der ersten Sekunden nach dem Kaltstart die Abgastemperatur kleiner als 600°C ist, so daß keine Oxidation stattfinden kann. Gerade in dieser Betriebsphase ist jedoch die Emission von Kohlenmonoxid und Kohlenwasser­ stoff besonders hoch. Ein weiterer Nachteil dieser Verfah­ rensweise ist vielfach dadurch gegeben, daß die Einblase­ stelle nicht nahe in den Bereich der Auslaßventile gelegt werden kann, so daß die Frischluftzufuhr an einer kühleren Stelle im Abgassystem erfolgt, wodurch die Umsetzung mit den Schadstoffkomponenten wiederum verzögert wird, zumindest jedoch unvollständig abläuft. Durch die kontinuierliche Luftzufuhr während der Arbeitstakte, in der die Auslaßven­ tile geschlossen sind, wird ein unerwünschter Kühleffekt bewirkt, da die eingeführte Luft auf einem Temperaturniveau liegt, das in etwa der Umgebungstemperatur entspricht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das eine Verringerung der Schadstoffemission insbesondere in der Phase nach dem Motorstart ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß an einer Kolbenbrennkraft­ maschine mit einer Motorsteuerung dadurch gelöst, daß zu­ sätzlich zu der durch den normalen Arbeitstakt des jeweili­ gen Zylinders vorgegebenen Zylinderfüllung in den Brennraum des Zylinders frühestens zum Ende der Verbrennung Frischluft und/oder zusätzlicher Kraftstoff unter Druck eingeführt wird. Diese Verfahrensweise hat den Vorteil, daß, gestützt auf die Daten der Motorsteuerung, und in Abhängigkeit des Abgasmassenstromes das für eine optimale Umsetzung erforder­ liche Verhältnis von Abgas zu Frischluft zu jedem Zeitpunkt eingestellt werden kann. Bei einer direkten Einblasung von Frischluft in den Brennraum, beispielsweise unmittelbar nach Beendigung der Verbrennung des Kraftstoffluftgemisches, kann das im Brennraum herrschende hohe Temperaturniveau schon ab der ersten Verbrennung nach dem Start ausgenutzt werden, so daß die vorbeschriebene Selbstoxidation von Restanteilen an Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen im Abgas praktisch schon in der Ausstoßphase erfolgen kann. Da die Frischluft sowohl hinsichtlich des Zeitpunktes als auch hinsichtlich der Menge gezielt zugeführt werden kann und zwar immer nur dann, wenn im Brennraum noch eine sehr hohe Temperaturlage gegeben ist, werden auch nachteilige Kühleffekte in den nachfolgenden Arbeitstakten des jeweili­ gen Zylinders vermieden. Bei Ottomotoren mit Direktein­ spritzung, die als sogenannte Magermotoren ausgelegt sind, ergibt sich dagegen zum Ende der Verbrennung ein Luftüber­ schuß im Abgas. Um auch hier für die Startphase die ge­ wünschte hohe Temperaturlage zu bewirken, ist entsprechend der Erfindung vorgesehen, daß zum Verbrennungsende zusätz­ lich eine entsprechend dem Luftanteil bemessene Kraftstoff­ menge eingespritzt wird. Die Nachverbrennung dieser Kraft­ stoffmenge führt dann zu einer Erhöhung der Temperatur des Abgases, so daß der nachgeschaltete Katalysator schnel­ ler seine Betriebstemperatur erreicht.

Die Einführung von Luft kann hierbei auch in Kombination mit der Einführung von zusätzlichem Kraftstoff erfolgen, wenn wegen zu geringer Kraftstoffmengen Schwierigkeiten bei der Mengendosierung entstehen.

Der Begriff "Brennraum" im Sinne der Erfindung umfaßt sowohl den Brennraum im eigentlichen Sinne, also den Zylinderraum, als auch den daran anschließenden Bereich des Abgaskanals.

Die Einführung der zusätzlichen Frischluft und/oder des zusätzlichen Kraftstoffs erfolgt frühestens zum Ende des normalen, durch den Arbeitstakt bedingten Verbrennungsvor­ gangs. Dieser Zeitpunkt kann durch eine entsprechende Aus­ legung der Motorsteuerung erfaßt werden. Soll die Einfüh­ rung der zusätzlichen Frischluft und/oder des zusätzlichen Kraftstoffs nicht nur in der Startphase erfolgen, so kann bei einer Motorsteuerung mit Kennfeld in Abhängigkeit vom jeweiligen, das Verbrennungsende kennzeichnenden Betriebs­ punkt, der Beginn der Einführung des zusätzlichen Mediums erfolgen. Hierzu eignet sich beispielsweise auch eine vom jeweiligen Zündwinkel abhängige Einleitung der zusätzlichen Medien, da auch hierüber das Ende der "normalen" Verbrennung bestimmbar ist. Auch über einen Verbrennungsdrucksensor an wenigstens einem Zylinder läßt sich das Ende der Verbren­ nung bestimmen und ein entsprechendes Steuersignal auslösen.

Da die Frischluft bei einer Einblasung jeweils in den Brenn­ raum der einzelnen Zylinder der Kolbenbrennkraftmaschine mit einem ausreichend hohen Druck zur Verfügung stehen muß, ist es in einer Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig, daß die einzublasende Luft einem Druckspeicher entnommen wird. Diese Verfahrensweise erlaubt es, über eine vorzu­ schaltende Pumpe im Druckspeicher eine entsprechend hohes Druckniveau vorzuhalten, das die taktweise Einblasung hin­ sichtlich des Zeitpunktes des Einblasebeginns, der Ein­ blasdauer und/oder der Einblasmenge über ein entsprechend gestaltetes Ventil über die Motorsteuerung gesteuert werden kann. Die Ansteuerung des Luftkompressors kann dann zum einen in Abhängigkeit von dem Druck im Druckspeicher zur Aufrechterhaltung des Druckniveaus erfolgen und zum anderen über die Motorsteuerung, über die der Luftkompressor dann abgeschaltet werden kann, wenn keine Druckluft mehr benötigt wird.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Frischluft im Druck­ speicher aufgeheizt wird. Hierzu kann beispielsweise ein Druckspeicher in Form eines sogenannten Latentwärmespeichers vorgesehen werden, wie er beispielsweise auch für eine Kühlwasservorwärmung bekannt ist. Diese Verfahrensweise hat den Vorteil, daß während der Startphase keine kalte Frischluft sondern warme, zumindest temperierte Frischluft in den Brennraum eingeblasen wird.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß Frischluft unter Vermischung mit dem für den Arbeitstakt einzuspritzenden Kraftstoff eingeblasen wird. Diese Verfahrensweise kann sowohl während der Start­ phase aber auch während des Betriebes bei warmem Motor in gewissen Betriebsphasen angewendet werden, bei denen erfahrungsgemäß ein Anstieg an Schadstoffkomponenten im Abgas gegeben ist. Durch die Einblasung einer geringen Frischluftmenge in den Einspritzbereich der Einspritzventile ergibt sich eine intensive Durchmischung mit dem eingespritz­ ten Kraftstoff, was zu einer verbesserten Gemischaufberei­ tung und damit zu einer weiteren Reduzierung des Gehaltes an Kohlewasserstoffen und Kohlenmonoxid im Abgas führt. Die heutigen bekannten Systeme für luftunterstützte Ein­ spritzventile haben allerdings den Nachteil, daß der Luft­ massenstrom des Systems durch das Druckgefälle von Umgebungs­ druck-Saugrohrunterdruck abhängt, der Luftmassenstrom also mit steigendem Motormassenstrom abnimmt. Gerade bei hohen Motorlasten und damit geringem Saugrohrunterdruck ist aber bei nicht betriebswarmem Motor die Emission von Kohlenwasser­ stoffen und Kohlenmonoxid besonders hoch. Das hier beschrie­ bene Verfahren vermeidet diesen Nachteil durch Verwendung von Druckluft und gleichzeitiger Möglichkeit der Steuerung der Luftzufuhr durch eine Ansteuerelektronik. Besonders vorteilhaft ist es, wenn hierbei vorgewärmte Frischluft eingeführt wird, wodurch die Verdampfung des Kraftstoffs während der Einspritzphase noch verbessert wird. Die zusammen mit dem für den Arbeitstakt einzuspritzenden Kraftstoff einzuführende zusätzliche Luftmenge wird abgestimmt auf die nach dem Verbrennungsende zuzuführenden zusätzlichen Luftmenge.

Die Erfindung wird anhand eines Blockschaltbildes näher erläutert.

Das Blockschaltbild zeigt einen Zylinder 1 einer Kolbenbrenn­ kraftmaschine, die mit einem Einspritzsystem für den Kraft­ stoff versehen ist. Der Kraftstoff wird hierbei jeweils über eine Einspritzeinrichtung 2 in den Luftansaugkanal 3 des Zylinders 1 eingeführt. Das Einspritzventil 2 wird hierbei über eine elektronische Motorsteuerung 4 entsprechend den hier beispielsweise durch ein Motorkennfeld vorgegebenen Daten sowie der aus den übrigen erfaßten Betriebsdaten wie Drehzahl, Temperatur, Stellung des Gaspedals, Lambda-Wert angesteuert.

Um nun die Entstehung von Schadstoffen während des Motorbe­ triebes zu reduzieren, ist zur Durchführung des Verfahrens ein Druckspeicher 5 zur Speicherung von Druckluft vorgesehen, der über einen Luftkompressor 6 gespeist wird. Über eine entsprechende druckabhängige Steuerung 7 wird dafür Sorge getragen, daß im Speicher zumindest in der Anforderungsphase, ein ausreichendes Druckniveau bereitgehalten wird. Die Drucksteuerung 7 wird ferner über die Motorsteuerung 4 angesteuert, so daß der Luftkompressor 6 nur dann betrieben wird, wenn nach den Betriebsdaten der Motorsteuerung Druck­ luft bereitzustellen ist.

Der Druckspeicher 5 steht nun über eine Zuleitung 8 und ein Schaltventil 9 mit dem Zylinder 1 in Verbindung. Die Leitung 8 kann hierbei unmittelbar in den Brennraum ein­ münden oder auch hinter dem Gasauslaßventil 10 in die Abgas­ leitung 11 einmünden. Das Schaltventil 9 wird über die Motorsteuerung 4 angesteuert, so daß entsprechend den Vor­ gaben der Motorsteuerung der Zeitpunkt des Einblasebeginns, die Einblasdauer und/oder die Einblasmenge in Abhängigkeit von den jeweiligen Anforderungen des Motorbetriebs während der Startphase und in der Warmlaufphase gesteuert werden kann.

Um nun auch bei warmem Motor bei Betriebsphasen, bei denen ein erhöhter Anteil an Schadstoffkomponenten im Abgas auf­ treten kann, gezielt auf die Umsetzung der Schadstoffkompo­ nenten im Abgas noch vor einem nachgeschalteten Katalysator eingreifen zu können, wird zweckmäßigerweise in die Ein­ spritzeinrichtung ebenfalls entsprechend den Arbeitstakten Frischluft zugeführt, so daß noch während der Einspritzung eine intensive Durchmischung des eingespritzten Kraftstoffs mit Luft erfolgt und dieses Gemisch dann in den Luftansaug­ kanal 3, wie hier dargestellt, oder direkt in den Brennraum eintritt. Hierzu ist die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 2 über eine Frischluftleitung 12 mit dem Druckspeicher 5 verbunden. In der Frischluftleitung 12 ist ein Druck­ minderer 13 und ein Taktventil 14 angeordnet. Das Takt­ ventil 14 steht wiederum mit der Motorsteuerung 4 in Ver­ bindung, so daß jeweils zum Einspritzzeitpunkt zusätz­ lich zum Kraftstoff, der über die Leitung 15 zugeführt wird, Frischluft zusammen mit dem eingespritzten Kraftstoff dem Brennraum zugeführt werden kann. Die Frischluftzufuhr über das Schaltventil 9 erfolgt entsprechend den Vorgaben der Motorsteuerung 4 nur während der Start- und Warmlauf­ phase. Die Frischluftzufuhr über das Taktventil 14 erfolgt demgegenüber während des Betriebes auch bei warmem Motor immer dann, wenn aufgrund der jeweiligen Betriebsphase höhere Anteile an Schadstoffkomponenten im Abgas entstehen bzw. im Abgas entstehen können.

Der Druckspeicher 5 kann mit einer hier nicht näher darge­ stellten Heizeinrichtung ausgerüstet sein, so daß die vorgehaltene Frischluft im Betrieb vorgeheizt zur Verfügung steht. Der Druckspeicher kann hierbei elektrisch und/oder über das Kühlwasser aufgeheizt werden, wobei durch entspre­ chende Wärmespeicherelemente, beispielsweise bei einer Aufheizung durch das Kühlwasser, die Möglichkeit gegeben ist, daß auch nach einer längeren Stillstandzeit des Motors zumindest temperierte Luft, d. h. mit einem Temperatur­ niveau über der Umgebungsluft in den Brennraum eingeblasen werden kann.

Die Anwendung dieses Verfahrens ist nicht auf das darge­ stellte Beispiel eines Motors mit Kraftstoffeinspritzung beschränkt, sondern läßt sich auch bei allen anderen nach dem Ottoverfahren arbeitenden Verbrennungskraftmaschinen einsetzen.

Claims (6)

1. Verfahren zur Beeinflussung der Abgasemission einer Kolbenbrennkraftmaschine mit einer Motorsteuerung, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu der durch den normalen Arbeitstakt des jeweiligen Zylinders vorgegebenen Zylinder­ füllung in den Brennraum des Zylinders frühestens zum Ende der Verbrennung Frischluft und/oder Kraftstoff unter Druck eingeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt des Einführungsbeginns, die Einführungsdauer und/oder die Einführungsmenge in Abhängigkeit von der Motor­ steuerung gesteuert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Frischluft und/oder der zusätzliche Kraftstoff in der Startphase der Kolbenbrennkraftmaschine in den Brennraum eingeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Frischluft unter Vermischung mit dem für den Arbeits­ takt einzuspritzenden Kraftstoff eingeblasen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzublasende Luft einem Druck­ speicher entnommen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Frischluft im Druckspeicher aufge­ heizt wird.