DE10158740B4

DE10158740B4 - Verfahren und Anordnung zur Erzeugung zusätzlicher Motorlasten beim Start

Info

Publication number: DE10158740B4
Application number: DE10158740A
Authority: DE
Inventors: Allan Roy Livonia Gale; Eric Warren Milan Curtis; Nizar Ann Arbor Trigui; Rodney John Northville Tabaczynski; Stephen George Canton Russ; Wengang Canton Dai
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2000-12-08
Filing date: 2001-11-30
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2021-12-01
Also published as: DE10158740A1; US6418713B1; GB2372224A; US20020069639A1; GB0128385D0; GB2372224B

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit hoher Last im Start- und Warmlaufzustand zur Erzielung eines schnellen Katalysatoranspringens, wobei der Verbrennungsmotor mit einer Kaltstart-Zündzeitpunktverzögerung mit Gemisch-Abmagerung (CSSRE) sowie einer vorbestimmten Last beim Starten betrieben wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Erkennen (102) einer tatsächlichen Motorlast während des Startvorgangs;
Bestimmen (104) einer zu erzeugenden Zusatzlast, um die tatsächliche Motorlast auf die vorbestimmte Last zu erhöhen; und
Ankoppeln (106) einer Zusatzlast an den Verbrennungsmotor für eine vorbestimmte Zeitdauer während des Startvorgangs und der Warmlaufphase;
wodurch die Zusatzlast im Verbrennungsmotor der tatsächlichen Motorlast hinzugefügt wird, und wodurch die vorbestimmte Last für ein schnelles Katalysatoranspringen erreicht wird,
wobei bei dem Schritt des Ankoppelns (106) der Zusatzlast an den Verbrennungsmotor der Verbrennungsmotor mit einer Drehzahl von etwa 1200 RPM, einem mittleren Arbeitsdruck (BMEP) von etwa 2 bar und einem Kraftstoff/Luftverhältnis von etwa 15 betrieben wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Steuerung der Abgastemperatur von Ottomotoren, die mit einer Kaltstarttechnologie mit Zündzeitpunktspätverstellung und Gemischabmagerung (CSSRE) arbeiten. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren sowie eine Anordnung zur Erzeugung zusätzlicher Motorlasten während des Kaltstarts und der Warmlaufphase des Motors unter Einsatz bestehender Fahrzeugeinrichtungen.
In der Vergangenheit wurden strenge Emissionsnormen für die Verbrennungsmotoren von Personenkraftwagen, Lastwagen und anderen Fahrzeugen mit dem Ziel eingeführt, die Menge der freigesetzten Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickstoffoxide (NO_x) zu begrenzen. Dabei werden die Emissionsnormen für Fahrzeuge stetig verschärft und es werden auch ständig zusätzliche Emissionsbegrenzungen für den Motorbetrieb implementiert.
Ein beträchtlicher Anteil der Gesamtemissionen entsteht in der Warmlaufphase des Motors. Während dieser Zeitdauer sind die in den Abgaskatalysatoren angeordneten emissionsbegrenzenden Katalysatorelemente größtenteils unwirksam, da diese noch nicht die Temperatur erreicht haben, bei der eine nennenswerte Katalysatoraktivität erzielt werden kann. Dieses Phänomen ist auch als Anspringen bzw. Anspringphase bekannt. Dementsprechend wurden Versuche unternommen, die Emissionen während der Warmlaufphase des Motors zu verringern, indem die Zeit verringert wird, die notwendig ist, um die Abgastemperatur auf die Anspringtemperatur zu erhöhen.
Um die Kaltstartemissionen zu verringern, ist ein sog. Kaltstart-Zündzeitpunktverzögerungsverfahren mit Gemisch-Abmagerung (cold start spark retard and enleanment, CSSRE) bekannt. Mit der CSSRE werden die Kohlenwasserstoffe oxidiert, bevor diese aus der Abgasanlage entweichen, wobei der Katalysator durch die hohen Abgastemperaturen schnell erwärmt wird. Während eines Kaltstarts mit CSSRE arbeiten Motoren typischerweise mit einer Drehzahl von 1200 RPM, einem mittleren Arbeitsdruck (brake mean effective Pressure, BMEP) von 1 bar, einem leicht mageren Kraftstoff/Luftverhältnis und einem stark verzögerten Zündzeitpunkt. Obwohl CSSRE die Einhaltung strenger Emissionsnormen erlaubt, wird der Motor stark verzögerten Zündzeitpunkten und mageren Betriebsbedingungen unterworfen, wodurch die Neigung zu Zyklusschwankungen erhöht und damit die Betriebsstabilität des Motors beeinträchtigt wird. Weiterhin werden hierdurch die Anforderungen an die Kraftstoffzufuhreinrichtungen und die Motorsteuerung für das Kraftstoff/Luftgemisch sowie für den Zündzeitpunkt erhöht.
Aus der US 5 950 419 A ist ein Abgas-Reinigungssystem bekannt, bei dem während eines Zeitintervalls, wenn der Motor in einem kalten Zustand startet, ein Anstieg der Abgastemperatur auf eine effektive Aktivierungstemperatur mit Hilfe einer Abgastemperatursteuerung mittels Zündzeitpunktveränderung gesteuert wird
Aus der US 5 836 151 A ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermindern der Schadstoffemissionen, die während einer Erwärmungsphase von einem Verbrennungsmotor erzeugt werden, bekannt, wobei während einer solchen Erwärmungsphase die Betriebsbedingungen eines Hilfsaggregats (z. B. eines Wechselstromgenerators oder eines Kompressors für eine Klimaanlage) so modifiziert werden, dass die aufgenommene mechanische Leistung gegenüber derjenigen, die von dem Hilfs aggregat bei normaler Betriebsweise aufgenommen wird, reduziert wird, bis die Temperatur des Motors einen vorgegebenen Wert erreicht.
Aus der US 5 881 552 A ist ebenfalls eine Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor bekannt, bei welcher in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur des Katalysators nach dem Motorstart wenigstens ein Steuerparameter, z. B. der Zündzeitpunkt, geändert wird.
Aus der US 5 503 804 A ist eine Katalysatorsteuervorrichtung bekannt, welche eine Wärmezufuhreinrichtung für die Zufuhr eines Heizstroms an den Katalysator aufweist, wobei dieser Heizstrom unter Verwendung von Signalen einer Temperaturerfassungseinrichtung zur Erfassung der Temperatur des Katalysators gesteuert wird.
Aus der US 6 003 304 A ist ebenfalls ein System zur elektrischen Aufheizung eines Katalysators bekannt.
Aus der DE 691 24 227 T2 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors bekannt, bei dem in einer Start- oder Warmlaufphase zusätzliche sog. parasitäre Motorlasten auferlegt werden können, mit dem Ziel, den Abgastemperaturanstieg zu beschleunigen.
Es besteht daher ein Bedarf für ein schnelles und robustes Anspringen des Katalysators während des Kaltstarts und der Warmlaufphase des Motors, um das Anspringen des Katalysators zu beschleunigen und die strengen Emissionsnormen zu erfüllen. Daher besteht ein Bedarf an einem verbesserten CSSRE-Verfahren, um die Motorleistung zu verbessern und die Emissionen zu verringern.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dementsprechend darin, einem mit CSSRE betriebenen Motor während des Motorleerlaufs eine Zusatzlast aufzuerlegen, um höhere Abgastemperaturen zu erzeugen und dadurch ein schnelles Katalysatoranspringen zu bewirken.
Die Lösung der vorgenannten Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 4.
Zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe sowie anderer Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung ist eine Anordnung bzw. ein Verfahren zur Erhöhung der Last eines Motors im Leerlaufzustand vorgesehen, um das Katalysatoranspringen bei Einsatz einer Kaltstart-Zündzeitpunktverzögerung mit Gemisch-Abmagerung bei hoher Last zu beschleunigen, wobei der Motor mit einem CSSRE-Verfahren betrieben wird.
Dabei wird der Motor mit zusätzlichen Lasten betrieben. Die zusätzlichen Lasten können durch bereits vorhandene Einrichtungen in dem Fahrzeug erzeugt werden. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform ein Kompressor die zusätzlichen Lasten in der Klimaanlage erzeugen. Als Alternative können die zusätzlichen Lasten von einem Starter/Drehstromgenerator erzeugt werden. An der vorliegenden Erfindung ist vorteilhaft, dass diese einen CSSRE-Betrieb mit hoher Last ermöglicht, der ohne zusätzliche Gerätekomponenten, erhöhte Komplexität oder erhöhte Kosten realisiert werden kann. Die vorliegende Erfindung erfordert lediglich einige Änderungen in der Software, um eine elektronischen Motorregelung entsprechend anzusteuern.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Schaubild, das die Motorstabilität und die Wärmeflussdichte am Auslasskanal bei verschiedenen Motorlasten zeigt;
2 ein Diagramm einer Ausführungsform der Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der zusätzliche Lasten unter Verwendung eines Kompressors einer Klimaanlage erzeugt werden;
3 ein Diagramm einer weiteren Ausführungsform der Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der zusätzliche Lasten unter Verwendung eines Starter/Drehstromgenerators erzeugt werden; und
4 ein Flussdiagramm des CSSRE-Verfahrens mit hoher Last gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Kaltstart-Zündzeitpunktverstellung mit Gemisch-Abmagerung (CSSRE) stellt ein Verfahren dar, das zur Verringerung der Kaltstartemissionen eingesetzt wird. Ein bei Stöchiometrie betriebener Motor erwärmt den Katalysator nicht schnell genug, weshalb mehr Emissionen erzeugt werden als nötig. Mit dem CSSRE-Verfahren werden die Kohlenwasserstoffe oxidiert, bevor diese aus der Abgasanlage entweichen, wobei der Katalysator durch hohe Abgastemperaturen schneller erwärmt wird. Während eines Kaltstarts mit CSSRE arbeiten Motoren typischerweise bei einer Drehzahl von etwa 1200 RPM, einem mittleren Arbeitsdruck (BMEP) von 1 bar, einem leicht mageren Kraftstoff/Luftverhältnis und einem stark verzögerten Zündzeitpunkt. Die Leerlaufdrehzahl kann bei dem CSSRE-Verfahren ebenfalls modifiziert sein. Aufgrund des stark verzögerten Zündzeitpunkts und der mageren Betriebsbedingungen verursacht das CSSRE-Verfahren jedoch erhöhte Zyklusschwankungen und erhöht die Anforderungen an die Kraftstoffzufuhr einrichtungen und die Motorsteuerung für das Kraftstoff/Luftgemisch und den Zündzeitpunkt.
In 1 wird die Beziehung 10 zwischen der Wärmeflussdichte am Auslasskanal und der Motorstabilität bei verschiedenen Motorlasten erläutert. Es ist offensichtlich, dass die Temperatur am Auslasskanal schneller ansteigt, wenn die Motorlast von 1 bar 12, auf 1,5 bar 14, auf 2 bar 16 und auf 2,5 bar 18 steigt.
Durch Tests und Simulationen wurde entdeckt, dass der Betrieb von Ottomotoren mit hohen Lasten das Anspringen des Katalysators beschleunigt. Der Betrieb eines Ottomotors mit CSSRE bei hohen Lasten erhöht den Krümmerdruck, wodurch das Restgas im Zylinder verringert und die Brennrate erhöht wird. Daraus resultiert, dass der Motorbetrieb stabiler wird und die Wärmeflussdichte im Abgas aufgrund höherer Abgastemperaturen und höherer Massenflussraten drastisch erhöht wird (wie in 1 gezeigt).
Tests haben gezeigt, dass typische Bedingungen zum Betrieb eines Ottomotors mit CSSRE gemäß der vorliegenden Erfindung derart aussehen, dass der Motor mit einer Drehzahl von 1200 RPM, einem BMEP von 2 bar und einem Kraftstoff/Luftverhältnis von 15 mit einem mäßig verzögerten Zündzeitpunkt während des Kaltstarts und der Warmlaufphase betrieben wird. Diese Betriebsart beschleunigt das Anspringen des Katalysators erheblich. Die Dauer des CSSRE-Verfahrens mit hoher Last beträgt weniger als dreißig Sekunden und liegt typischerweise in der Größenordnung von zwanzig Sekunden. Um den Motor bei einem BMEP von 2 bar unter Leerlaufbedingungen zu betreiben, müssen über eine vorbestimmte Zeitdauer zusätzliche Lasten an den Motor angelegt werden. Die zusätzlichen Lasten können mechanisch sein, wie der Kompressor einer Kli maanlage, oder elektrisch, wie ein Starter/Drehstromgenerator.
Eine Motoreinrichtung, die eine CSSRE mit hoher Last gemäß der vorliegenden Erfindung enthält, ermöglicht einen Einsatz der CSSRE ohne besondere Anforderungen an die Kraftstoffaufbereitung, die Verbrennung und die Steuerungssysteme. Der Betrieb des Motors wird aufgrund geringerer Zyklusschwankungen verbessert. Weiterhin werden höhere Abgastemperaturen und eine höhere Abgasenergie erzielt, wodurch die HC-Oxidation nach der Verbrennung verbessert und das Katalysatoranspringen beschleunigt wird. Weiterhin wird, wie in 1 gezeigt, die Abgaswärmeflussdichte erhöht, und zwar bei einem – im Vergleich zu einer regulären CSSRE – gleichbleibenden Niveau der Zyklusschwankungen des Motors.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das elektronische Motorsteuerungsmodul (EEC) eine geänderte Regelungsstrategie auf, mittels derer eine bestehende Fahrzeugeinrichtung, wie zum Beispiel der Kompressor einer Klimaanlage oder ein Starter/Drehstromgenerator, über eine vorbestimmte Zeitdauer bei Hochlast-CSSRE aktiviert wird. Dabei wird das Kraftstoff/Luftverhältnis abgemagert und der Zündzeitpunkt wie bei herkömmlichen CSSRE-Verfahren verzögert. Die Anordnung erzeugt während dieser vorbestimmten Zeitdauer, die typischerweise zwanzig Sekunden beträgt, eine ausreichende Zusatzlast, um den Motor unter den gewünschten Betriebsbedingungen zu betreiben und dadurch das Katalysatoranspringen zu beschleunigen. Dabei wird eine Einrichtung zur Erzeugung der Zusatzlast eingesetzt, die bereits in dem Fahrzeug existiert, d. h. ein Kompressor oder ein Starter/Drehstromgenerator, so dass keine zusätzlichen Kosten verursacht werden.
2 zeigt ein Diagramm einer Klimaanlage 20 mit einem Kompressor 22, der typischerweise von zwei Schaltern 24, 26 gesteuert wird und mit einer Batterie 28 in Reihe geschaltet ist. Der Kompressor 22 wird aktiviert, wenn sowohl der Klimaanlagen-Betätigungsschalter 24 als auch der Temperaturregelschalter 26 betätigt werden. Typischerweise werden die Schalter 24 und 26 von der EEC und einem Temperaturregler (nicht gezeigt) geregelt. Während des Startens können beide Schalter 24 und 26 automatisch umgelegt werden, um den Kompressor der Klimaanlage 22 für eine vorbestimmte Zeitdauer während des Motorstarts und der Warmlaufphase einzuschalten, wodurch eine zusätzliche Motorlast erzeugt wird. Der Kompressor liefert dem Motor (nicht gezeigt) die zusätzliche Last, die notwendig ist, um das Anspringen des Katalysators zu beschleunigen.
Es ist weiterhin möglich, in einer alternativen Ausführungsform, die auch in 2 gezeigt ist, einen separaten Schalter 25 vorzusehen, der dem Motorstart zugeordnet ist und der während des Startens geschlossen wird, um den Kompressor zu aktivieren. Anstelle der beiden Schalter 24 und 26, wie vorstehend beschrieben, wird der Schalter 25 während des Startens durch eine EEC-Einheit 27 betätigt.
Eine weitere Ausführungsform 30 der Erfindung ist in 3 gezeigt, bei der ein Starter/Drehstromgenerator 36 eingesetzt wird, um die zusätzliche Last zu erzeugen. Ein Laststeuerungsschalter 32 ist zwischen der Batterie 28 und einem Starter/Drehstromgenerator-Wechselrichter 34 angeordnet. Während des Startens des Motors wird der Laststeuerungsschalter 32 betätigt, und zwar typischerweise auf Befehl der EEC 27, die dem Starter/Drehstromgenerator-Wechselrichter 34 einen Befehl 35 sendet, den Starter/Drehstromgenerator 36 zu überlasten (overexcite), wodurch eine zusätzliche Last für den Motor (nicht gezeigt) erzeugt wird.
4 stellt ein Flussdiagramm des Verfahrens 100 gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Das Modul der elektronischen Motorregelung (EEC) des Fahrzeugs speichert einen Wert, der einer vorbestimmten Last entspricht, die während des Startens des Motors mit einem CSSRE-Verfahren erforderlich ist. Die vorbestimmte Last wird für eine vorbestimmte Zeitdauer während des Startens an den Motor angelegt, um ein schnelles Anspringen zu erreichen.
Nach dem Motorstart erkennt die EEC 102 die Last, die bereits im Motor besteht. Die bestehende Last wird mit der vorbestimmten oder gewünschten Last verglichen, um die zusätzliche Last zu berechnen 104, die von einer anderen, bereits in dem Fahrzeug bestehenden Einrichtung, d. h. einem Starter/Drehstromgenerator oder dem Kompressor einer Klimaanlage, zu erzeugen ist. Die EEC befiehlt 106 die Erzeugung der Zusatzlast, indem diese die Last erzeugende Einrichtung für eine vorbestimmte Zeitdauer während des Motorstarts aktiviert. Dementsprechend wird das erfindungsgemäße CSSRE-Verfahren mit hoher Last für eine vorbestimmte Zeitdauer durchgeführt, wodurch ein schnelles Katalysatoranspringen erreicht wird.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit hoher Last im Start- und Warmlaufzustand zur Erzielung eines schnellen Katalysatoranspringens, wobei der Verbrennungsmotor mit einer Kaltstart-Zündzeitpunktverzögerung mit Gemisch-Abmagerung (CSSRE) sowie einer vorbestimmten Last beim Starten betrieben wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Erkennen (102) einer tatsächlichen Motorlast während des Startvorgangs; Bestimmen (104) einer zu erzeugenden Zusatzlast, um die tatsächliche Motorlast auf die vorbestimmte Last zu erhöhen; und Ankoppeln (106) einer Zusatzlast an den Verbrennungsmotor für eine vorbestimmte Zeitdauer während des Startvorgangs und der Warmlaufphase; wodurch die Zusatzlast im Verbrennungsmotor der tatsächlichen Motorlast hinzugefügt wird, und wodurch die vorbestimmte Last für ein schnelles Katalysatoranspringen erreicht wird, wobei bei dem Schritt des Ankoppelns (106) der Zusatzlast an den Verbrennungsmotor der Verbrennungsmotor mit einer Drehzahl von etwa 1200 RPM, einem mittleren Arbeitsdruck (BMEP) von etwa 2 bar und einem Kraftstoff/Luftverhältnis von etwa 15 betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug einen Kompressor einer Klimaanlage (22) aufweist, und der Schritt des Ankoppelns (106) einer Zusatzlast weiterhin den Schritt des Aktivierens des Kompressors für den vorbestimmten Zeitraum während des Motorstarts aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug einen Starter/Drehstromgenerator (34) aufweist und der Schritt des Ankoppelns (106) einer Zusatzlast weiterhin den Schritt des Überlastens des Starter/Drehstromgenerators (34) während des Motorstarts aufweist.
Anordnung zur Erzielung eines schnellen Anspringens eines Katalysators, der in Verbindung mit einem Ottomotor betrieben wird, der eine Kaltstart-Zündzeitpunktverzögerung mit Gemisch-Abmagerung aufweist, gekennzeichnet durch: eine vorhandene Fahrzeugeinrichtung (20) zum Erzeugen einer Zusatzmotorlast; und eine Regelungseinrichtung zur Überwachung einer Motorlast und zur Ankopplung der Zusatzmotorlast an den Motor für eine vorbestimmte Zeitdauer während des Motorstarts, wenn die Motorlast unter einer vorbestimmten Last liegt, um zumindest die vorbestimmte Last für ein schnelles Katalysatoranspringen zu erreichen, wobei bei der Ankopplung (106) der Zusatzlast an den Verbrennungsmotor der Verbrennungsmotor mit einer Drehzahl von etwa 1200 RPM, einem mittleren Arbeitsdruck (BMEP) von etwa 2 bar und einem Kraftstoff/Luftverhältnis von etwa 15 betrieben wird.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die bestehende Fahrzeugeinrichtung (20) zur Erzeugung einer Zusatzlast einen Kompressor einer Klimaanlage (22) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor der Klimaanlage (22) eine derartige Last erzeugt, dass der Motor mit einer Drehzahl von etwa 1200 RPM, einem BMEP von etwa 2 bar, einem Kraftstoff/Luftverhältnis von etwa 15 und einem mäßig verzögerten Zündzeitpunkt für eine vorbestimmte Zeitdauer betrieben werden kann.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Zeitdauer in der Größenordnung von zwanzig Sekunden liegt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die bestehende Fahrzeugeinrichtung (20) zur Erzeugung einer Zusatzlast einen Starter/Drehstromgenerator (34) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Starter/Drehstromgenerator (34) eine derartige Last erzeugt, dass der Motor mit einer Drehzahl von etwa 1200 RPM, einem BMEP von etwa 2 bar, einem Kraftstoff/Luftverhältnis von etwa 15 und einem mäßig verzögerten Zündzeitpunkt für eine vorbestimmte Zeitdauer betrieben werden kann.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Zeitdauer in der Größenordnung von zwanzig Sekunden liegt.