DE10050473A1 - Verfahren zum schnellen Aufheizen eines Abgaskatalysators an einer Kolbenbrennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren zum schnellen Aufheizen eines Abgaskatalysators an einer KolbenbrennkraftmaschineInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen Aufheizung einer katalytisch wirkenden Abgasreinigungseinrichtung an einer Mehrzylinder-Kolbenbrennkraftmaschine mit voll variabel ansteuerbaren Ventiltrieben der Gaswechselventile und steuerbarer Kraftstoffeinspritzeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventiltriebe und/oder die Kraftstoffeinspritzeinrichtung für jeweils wenigstens einen Zylinder in der Weise gezielt angesteuert werden, daß wechselnd ein Arbeiten im Fettbetrieb (lambda < 1,0) und im Magerbetrieb (lambda > 1,0) erfolgt.
Description
Um an einer Kolbenbrennkraftmaschine eine nachgeschaltete ka
talytisch wirkende Abgasreinigungseinrichtung schnellstmög
lich auf ihre Ansprechtemperatur aufheizen zu können, ist es
bekannt, die in der Startphase im Abgas enthaltenen oder
durch eine Anfettung hervorgerufenen Überschüsse an Kohlen
wasserstoffen und brennbaren Abgasanteilen durch eine Sekun
därlufteinblasung in den Abgastrakt nachzuverbrennen. Die
hierbei freigesetzte Wärmeenergie führt zu einem deutlichen
Temperaturanstieg im Abgas und damit zu einer schnelleren
Aufheizung des Katalysators.
Dieses Verfahren kann in der Praxis jedoch nur durch einen
zusätzlichen Anlagenteil erreicht werden, der im wesentlichen
aus einer Pumpe und einem zusätzlichen Kanalsystem mit in der
Regel über die Motorsteuerung steuerbare Klappen besteht.
Bei mehrzylindrigen Kolbenbrennkraftmaschinen mit vollvaria
bel ansteuerbaren Ventiltrieben für die Gaswechselventile,
insbesondere mit Ventiltrieben in Form von elektromagneti
schen Aktuatoren ist es möglich, über eine zugeordnete Motor
steuerung die Öffnungs- und Schließzeiten sowohl der Gasein
laßventile als auch der Gasauslaßventile praktisch beliebig
anzusteuern, wobei lediglich gewährleistet sein muß, daß von
der Kolbenbrennkraftmaschine die jeweils geforderte Leistung
abgegeben wird und im Leerlauf eine stabile Mindestdrehzahl
gewährleistet ist.
Bei derartigen Kolbenbrennkraftmaschinen erfolgt die Kraft
stoffzufuhr über eine Kraftstoffeinspritzung, die in die An
saugrohre zu den einzelnen Zylindern oder direkt in die ein
zelnen Zylinder erfolgen kann. Derartige Kraftstoffeinspritz
systeme sind über die Motorsteuerung ebenfalls ansteuerbar,
wobei entsprechend den Lastanforderungen über die Motorsteue
rung auch die Einspritzmenge variiert werden kann.
Für eine derartige Kolbenbrennkraftmaschine wird für ein
schnelles Aufheizen einer katalytisch arbeitenden Abgasreini
gungseinrichtung in der Startphase gemäß der Erfindung ein
Verfahren vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß
die Ventiltriebe und/oder die Kraftstoffeinspritzeinrichtung
für jeweils wenigstens einen Zylinder in der Weise gezielt
angesteuert werden, daß abwechselnd ein Arbeiten im Fettbe
trieb oder im Magerbetrieb erfolgt. Durch eine entsprechende
Ansteuerung der Ventilsteuerzeiten ist es möglich, in erster
Linie die Luftzumessung zu den einzelnen Zylindern gezielt
und über einen großen Stellbereich zu variieren, so daß bei
einer gegebenen Kraftstoffeinspritzmenge die Kolbenbrenn
kraftmaschine gezielt und schnell innerhalb weniger Lastspie
le wechselnd im Magerbetrieb oder im Fettbetrieb betrieben
werden kann. Durch ein abwechselndes Arbeiten im Fett- und im
Magerbetrieb ist es damit möglich, einerseits in den Abga
strakt ein Abgas mit einem vorgebbaren Überschuß an Kohlen
wasserstoffen und unverbrannten Bestandteilen einzuleiten und
nach einem entsprechenden Wechsel der Ventilsteuerzeiten ein
Abgas mit Sauerstoffüberschuß einzuleiten. Dabei ist es in
einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch
möglich, daß einzelne Zylinder zumindest in dieser Phase über
eine Vielzahl von Lastspielen dauerhaft fett oder mager be
trieben werden.
Da bei einer mehrzylindrigen Kolbenbrennkraftmaschine auf
grund der Taktfolge bei einer Ansteuerung von zumindest einem
Teil der Zylinder in der vorbeschriebenen Verfahrensweise mit
wechselndem Fett- bzw. Magerbetrieb die aus den einzelnen Zy
lindern ausströmenden Abgasmengen mit einem deutlichen Gehalt
an brennbaren Bestandteilen einerseits und mit einem Sauer
stoffüberschuß andererseits sich im Abgastrakt vermischen,
ergibt sich aufgrund des gegebenen Sauerstoffüberschusses ei
ne Nachverbrennung des Gehaltes an brennbaren Bestandteilen.
Deren Reaktionswärme führt zu einer spürbaren Erhöhung der
Abgastemperatur und somit zu einem schnelleren Aufheizen des
Katalysators.
Der Wechsel zwischen Fett- und Magerbetrieb kann nun bei ei
ner mehrzylindrigen Kolbenbrennkraftmaschine je nach Konzep
tion nur für einen Teil der Zylinder oder aber auch für alle
Zylinder erfolgen. Dieser Wechsel kann in zyklischer Vertau
schung oder auch gruppenweise gesteuert werden. Über ein ent
sprechend ergänztes Steuerprogramm ist es dann auch noch mög
lich, neben einer Veränderung der Luftzumessung durch eine
entsprechende Beeinflussung der Kraftstoffzumessung zu den
einzelnen Zylindern für die einzelnen Arbeitsphasen zusätz
lich die Kraftstoffmenge entsprechend zu variieren, so daß
für die Aufheizungsphase ein optimales Verhältnis zwischen
Restkraftstoff im Abgas und Sauerstoffüberschuß eingestellt
werden kann.
Bei einer Kolbenbrennkraftmaschine mit wenigstens zwei Zylin
derbänken kann der Wechsel zwischen Fettbetrieb und Magerbe
trieb in der vorbeschriebenen Weise nur für eine Zylinderbank
erfolgen oder aber zur Vergleichmäßigung der Aufheizung des
Abgastraktes auch zylinderbankweise erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand von schematischen
Diagrammen und Zeichnungen für Ausführungsbeispiele näher er
läutert. Es zeigen:
Fig. 1 den prinzipiellen Verlauf der Lambda-Werte im
Abgas in der Anheizphase bei Anwendung des erfin
dungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 ein Beispiel einer zylinderweise unterschied
lichen Ansteuerung der Gaseinlaßventile,
Fig. 3 ein Schaltbild für eine Kolbenbrennkraftmaschine
mit Vorkatalysatoren.
In Fig. 1 ist in einem Diagramm die Veränderung der Lambda-
Werte in der Anheizphase beim Starten einer Kolbenbrennkraft
maschine mit Abgaskatalysator für einen Zylinder dargestellt,
und zwar über die Zahl der Arbeitsspielen. Die Darstellung
gilt für alle Zylinder der Kolbenbrennkraftmaschine entspre
chend.
Zum Startbeginn werden die Ventiltriebe der Gaseinlaßventile
so angesteuert, daß bei einer gegebenen Kraftstoffzumessung,
beispielsweise in der Größenordnung des späteren Fahrbe
triebs, das Gaseinlaßventil früher geschlossen wird und zwar
über eine vorgebbare Anzahl n1 von Arbeitsspielen, so daß ein
Abgas mit Kraftstoffüberschuß anfällt, etwa entsprechend
einem Lambda-Wert von 0,5. Bei einer Kraftstoffeinspritzung
in den Luftansaugkanal muß die Kraftstoffeinspritzung zeit
lich so gelegt werden, daß in der gegebenen verkürzten Öff
nungszeit die gewünschte Kraftstoffmenge in den Zylinder ge
langt.
Nach einer entsprechenden Zahl von Arbeitsspielen n1 werden
die Gaseinlaßventile hinsichtlich der Öffnungszeit und der
Öffnungsdauer so gesteuert, daß sich eine größtmögliche Fül
lung ergibt, was bei der gegebenen unveränderten Kraftstoff
zumessung einen Sauerstoffüberschuß im Abgas ergibt, so daß
ein nahezu sprunghafter Anstieg des Lambda-Wertes auf etwa
1,1 gegeben ist. Diese Magerbetriebsweise wird für eine vor
gebbare Anzahl von Arbeitsspielen n2 beibehalten.
Gegen Ende der Anheizphase erfolgt der Wechsel zwischen Fett
betrieb und Magerbetrieb jeweils über eine geringe Zahl von
Arbeitsspielen, bis nach einer Gesamtzahl nx an Arbeitsspie
len durch die Oxidationsvorgänge im Abgassystem der Abgaska
talysator seine Betriebstemperatur erreicht hat und der Be
trieb mit der normalen Lambda-Regelung erfolgt.
Da diese Art der Ansteuerung entsprechend an mehreren oder
allen Zylindern der Kolbenbrennkraftmaschine vorgenommen
wird, ergibt sich in der Summe im Abgaskanal ein hoher Anteil
an oxidierbaren Anteilen, insbesondere CO und HC, mit einem
entsprechend großen Sauerstoffanteil, so daß die gewünschte
Oxidationsreaktion in der Abgasleitung erfolgen kann. Das be
deutet, daß allein durch die Motoransteuerung sowohl ein Ab
gas mit brennbaren Anteilen bereitgestellt wird und zugleich
ohne zusätzliche Vorrichtungen der für die Oxidation der in
den Abgasen enthaltenen oxidierbaren Bestanteile erforderli
che Luftüberschuß bereitgestellt wird.
Unter Ausnutzung der Möglichkeiten einer vollveriablen An
steuerung der Gaseinlaßventile lassen sich Anpassungen und
Veränderungen an diesem schematischen Verlauf vornehmen. So
ist es beispielsweise möglich, das Gaseinlaßventil spät,
d. h. nach dem unteren Totpunkt zu schließen, so daß ein Teil
der Füllung in den Einlaßkanal zurückgeschoben wird und so in
der Startphase eine geringere Kompressionsarbeit zu leisten
ist. Bei einer Kraftstoffeinspritzung in den Einlaßkanal hat
diese Verfahrensweise zur Folge, daß in den Zylinder einge
saugtes Gemisch wieder in den Einlaßkanal ausgeschoben wird,
so daß ohne Änderung der Kraftstoffzumessung schon im näch
sten Arbeitsspiel eine Anfettung der Zylinderfüllung erfolgt.
Unterstützend zu den Möglichkeiten einer Änderung der Zylin
derfüllung kann auch die Kraftstoffzumessung noch angepaßt
werden. Hierzu ist es beispielsweise möglich, in der Motor
steuerung ein spezielles "Motorstartprogramm" vorzusehen, das
neben der wechselnden Ansteuerung der Gaseinlaßventile in der
vorbeschriebenen Art auch eine Anpassung der Kraftstoffein
spritzung hinsichtlich Einspritzbeginn und Einspritzdauer für
die speziellen Bedürfnisse des Motorstarts und der Aufheizung
des Abgaskatalysators berücksichtigt.
In Fig. 2 ist für eine 4-Zylinder-Kolbenbrennkraftmaschine
eine Betriebsweise für die Anheizphase dargestellt, bei der
die Gaseinlaßventile der einzelnen Zylinder in unterschiedli
cher Weise angesteuert werden. In beiden Fällen erfolgt für
die Anheizphase durch den Wechsel von Fettbetrieb (λ < 1,0)
und Magerbetrieb (λ < 1,0) eine Optimierung der Abgaszusam
mensetzung in der Abgasleitung in bezug auf einen Überschuß
an oxidierbaren Bestandteilen über die im Fettbetrieb arbei
tenden Zylinder, sowie einen Luftüberschuß durch die im Ma
gerbetrieb arbeitenden Zylinder. Durch eine derartige An
steuerung lassen sich die Einflüsse der Zündfolge auf eine
auch für die Nachreaktion notwendige optimale Mischung der
fetten und der mageren Abgasanteile ausgleichen.
Der erfindungsgemäße Verfahren läßt sich in vorteilhafter
Weise auch für Mehrzylinder-Kolbenbrennkraftmaschinen anwen
den, die eine Katalysatoranlage mit zwei getrennten Vorkata
lysatoren und einem gemeinsamen Hauptkatalysator aufweisen.
In Fig. 3 ist schematisch eine 6-Zylinder-Kolbenbrennkraft
maschine 1 dargestellt, deren Abgasanlage 2 in Motornähe zwei
getrennte Abgasleitungen 3 und 4 aufweist, deren jeweils ein
Vorkatalysator 5 und 6 zugeordnet ist. Erst hinter den beiden
Vorkatalysatoren 5 und 6 werden die beiden Abgasleitungen vor
einem Hauptkatalysator 7 zusammengeführt.
Werden bei einer derartigen Anordnung die Gaseinlaßventile
für die Anheizphase in der Verfahrensweise gem. Fig. 1 oder
Fig. 2 angesteuert, dann werden zunächst über die Nachreakti
on sowohl in der Abgasleitung 3 als auch in der Abgasleitung
4 die Vorkatalysatoren 5 und 6 aufgeheizt. Da zum weiteren
Aufheizen des Katalysators 7 weiterhin ein Abgas mit einem
Überschuß an brennbaren Bestandteilen (CO, HC) zur Verfügung
stehen muß, würde jedoch bei einem weiteren Betrieb der Kol
benbrennkraftmaschine bei dem vorstehend beschriebenen Auf
heizverfahren eine Überhitzung der Vorkatalysatoren 5 und 6
erfolgen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann dieses Problem je
doch über eine entsprechende Änderung der Ansteuerung der Ga
seinlaßventile nach dem Aufheizen der Vorkatalysatoren gelöst
werden. Sobald die Vorkatalysatoren 5 und 6 ihre Betriebstem
peratur erreicht haben, wird die Ansteuerung der Gaseinlaß
ventile so vorgenommen, daß die der Abgasleitung 3 zugeordne
ten Zylinder I, III und V durchgehend im Magerbetrieb betrie
ben und die das Abgasleitung 4 zugeordneten Zylinder IT, IV
und VI im Fettbetrieb betrieben und zwar jeweils dauerhaft.
Damit erhält der Vorkatalysator 5 ein Abgas mit Luftüber
schuß, während der Vorkatalysator 6 ein Abgas mit einem Über
schuß an oxidierbaren Bestandteilen erhält. Da in der Abgas
leitung 4 Luftmangel herrscht, kann vor und innerhalb des
Vorkatalysators 6 keine Oxidationsreaktion ablaufen, so daß
der Vorkatalysator 6 nicht aufgeheizt wird. Erst in der Zu
sammenführung der beiden Abgasleitungen 3 und 4 vor dem
Hauptkatalysator 7 erfolgt eine Mischung der beiden Ab
gasströme, so daß hier aufgrund des Luftüberschusses aus der
Abgasleitung 3 und des Überschusses an brennbaren Bestandtei
len aus der Abgasleitung 4 die Nachreaktion eintreten kann
und so eine schnelle Aufheizung des Hauptkatalysators 7 er
folgt.
Sobald dann auch der Hauptkatalysator 7 seine Betriebstempe
ratur erreicht hat, ist die Anheizphase abgeschlossen, so daß
über die Motorsteuerung auf die normale Lamda-Regelung umge
schaltet werden kann.
Das Erreichen der Betriebstemperaturen der Vorkatalysatoren
5, und 6 und des Hauptkatalysators 7 wird über eine entspre
chende Temperatursensorik erfaßt, deren Signale auf die Mo
torsteuerung aufgeschaltet sind und in der Motorsteuerung die
Änderung der Ventilansteuerung bewirkt.
Claims (4)
1. verfahren zur schnellen Aufheizung einer katalytisch wir
kenden Abgasreinigungseinrichtung an einer Mehrzylinder-
Kolbenbrennkraftmaschine mit voll variabel ansteuerbaren Ven
tiltrieben der Gaswechselventile und steuerbarer Kraftstoff
einspritzeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventil
triebe und/oder die Kraftstoffeinspritzeinrichtung für je
weils wenigstens einen Zylinder in der Weise gezielt ange
steuert werden, daß wechselnd ein Arbeiten im Fettbetrieb
(λ < 1,0)und im Magerbetrieb (λ < 1,0) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Wechselbetrieb zwischen Fettbetrieb und Magerbetrieb zylin
derweise erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß für zumindest einen Teil der Zylinder die Ansteuerung der
Gaseinlaßventile gezielt über eine Vielzahl von Lastspielen
(n) für einen Fettbetrieb oder für einen Magerbetrieb ange
steuert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß bei einer Kolbenbrennkraftmaschine mit wenigstens zwei
Zylinderbänken der Wechsel zwischen Fettbetrieb und Magerbe
trieb zylinderbankweise erfolgt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10050473A DE10050473A1 (de) | 2000-10-12 | 2000-10-12 | Verfahren zum schnellen Aufheizen eines Abgaskatalysators an einer Kolbenbrennkraftmaschine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10050473A DE10050473A1 (de) | 2000-10-12 | 2000-10-12 | Verfahren zum schnellen Aufheizen eines Abgaskatalysators an einer Kolbenbrennkraftmaschine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10050473A1 true DE10050473A1 (de) | 2002-06-20 |
Family
ID=7659492
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE10050473A Withdrawn DE10050473A1 (de) | 2000-10-12 | 2000-10-12 | Verfahren zum schnellen Aufheizen eines Abgaskatalysators an einer Kolbenbrennkraftmaschine |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE10050473A1 (de) |
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