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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung der Partikelemission einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine in einer einem Leerlauf folgenden Betriebsphase der Brennkraftmaschine.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Reduzierung der Partikelemission einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine in einer einem Leerlauf folgenden Betriebsphase der Brennkraftmaschine mit einer Steuereinheit zur Vorgabe eines Zündzeitpunkts der fremdgezündeten Brennkraftmaschine, wobei die Steuerung während eines Leerlaufs der Brennkraftmaschine einen Zündzeitpunkt einstellt, der zu einer verminderten Effizienz der Brennkraftmaschine führt.
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Vorschriften zum Betrieb von Kraftfahrzeugen mit Brennkraftmaschinen regeln unter anderem auch den zulässigen Ausstoß von Partikeln im Abgas. Beispielhaft wird in der Euro 6 Norm bei Ottomotoren die Anzahl der mit dem Abgas abgegebenen Partikel auf 6·1011 pro Fahrkilometer begrenzt. Weiterhin wird für Ottomotoren und Dieselmotoren die mit dem Abgas abgegebene zulässige Partikelmasse auf 4,5 mg pro Fahrkilometer begrenzt. Zur Einhaltung dieser Grenzwerte müssen innermotorische Partikelquellen soweit wie möglich reduziert werden.
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Nach dem Stand der Technik werden Brennkraftmaschinen so betrieben, dass sie sich stationär in einem Optimum bezüglich der mit dem Abgas abgegebenen Partikelanzahl, dem Kraftstoffverbrauch, dem Fahrkomfort sowie den Emissionen von Stickoxiden, Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid bewegen. In dynamischen Betriebszuständen kann es jedoch derzeit noch zu unerwünschten Partikelemissionen kommen. Insbesondere nach einer Leerlaufphase kann bei Erhöhung der Drehzahl und Last der Brennkraftmaschine eine kurzzeitig vermehrte Abgabe von Partikeln auftreten, da Kraftstoff an den dann vergleichsweise kühlen Wänden der Brennräume der Brennkraftmaschine nur ungenügend verdunstet. Dieser Teil des Kraftstoffs, der so genannte Wandfilm, kann erst während der Hauptverbrennung verdampfen und verbrennt diffus, was eine erhöhte Partikelemission zur Folge haben kann.
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Eine nach dem Stand der Technik übliche Betriebsweise von Brennkraftmaschinen sieht vor, zur Bereitstellung einer Momentenreserve während einer Leerlaufphase den Zündzeitpunkt in Richtung "spät" zu verstellen. Bei einer kurzfristigen Momentenanforderung, wie sie beispielhaft bei Zuschaltung eines Klimakompressors auftreten kann, wird durch eine Rücknahme der Spätverstellung des Zündzeitpunkts das erforderliche zusätzliche Moment schnell bereitgestellt. Alleine durch Öffnen einer Drosselklappe in der Frischluftzufuhr der Brennkraftmaschine kann aus dem Leerlauf das erforderliche Drehmoment nicht ausreichend schnell bereitgestellt werden, so dass es ohne diese Spätverstellung bei einer Momentenanforderung zum unerwünschten Stillstand der Brennkraftmaschine oder zu einem unruhigen Leerlaufbetrieb kommen kann.
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Eine Brennkraftmaschine wird mit höchstmöglicher Effizienz betrieben, wenn der Schwerpunkt der Verbrennung, bei dem 50% des Kraftstoffs in einem Brennvorgang verbrannt ist, in einem Bereich um 8 Grad Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Zünd-Totpunkt (ZOT) liegt. Der obere Zünd-Totpunkt bezeichnet dabei die Kurbelwellenstellung, bei der zwischen Kompressions- und Arbeits-Takt der Kolben des betrachteten Zylinders der Brennkraftmaschine an der oberen Umkehrposition ist. Die Spätverstellung des Zündzeitpunkts im Leerlauf, so dass der Verbrennungsschwerpunkt deutlich später als 8 Grad Kurbelwellenwinkel liegt, vermindert die Effizienz der Brennkraftmaschine; es wird Energie über das Abgas-System abgeführt. Bei einer Momentenanforderung kann diese Energie durch eine durch Wahl des Zündwinkels effizientere Verbrennung sofort zu Verfügung gestellt werden.
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Die
DE 10 2004 016 559 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Hybrid-Kraftfahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine und wenigstens einer elektrischen Maschine, wobei wenigstens eine der elektrischen Maschinen die Brennkraftmaschine im Leerlauf mit einem variierenden Drehmoment derart beaufschlagt, dass Drehungleichförmigkeiten der Brennkraftmaschine im Leerlauf verringert werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass gleichzeitig im Leerlauf die Brennkraftmaschine mit für diesen Betriebszustand optimiertem Zündwinkel und Füllungsgrad ohne Spätverstellung des Zündwinkels zum Aufbau einer Momentenreserve betrieben wird.
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Die
DE 10 2000 703 046 5 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, wobei zum Aufbau einer Momentenreserve im Leerlaufbetrieb und/oder im Schwachlastbetrieb ein Zündwinkel vom motorischen Wirkungsgradoptimum entfernt eingestellt wird. Dabei ist es vorgesehen, dass im Leerlauf und/oder Schwachlastbetrieb ausgehend vom Wirkungsgradoptimum der Zündwinkel in Richtung Aufbau einer Momentenreserve so lange verstellt wird, bis eine Laufruhe der Brennkraftmaschine ein vorbestimmtes Laufruhelimit unterschreitet, wobei der so erreichte Zündwinkel als erste Zündwinkelgrenze abgespeichert wird, und anschließend der Zündwinkel in Richtung weiterer Erhöhung der Momentenreserve solange verstellt wird, bis die Laufruhe der Brennkraftmaschine das vorbestimmte Laufruhelimit wieder überschreitet, wobei der so erreichte Zündwinkel als zweite Zündwinkelgrenze abgespeichert wird, wobei bei nachfolgenden Verstellungen des Zündwinkels zum Aufbau einer Momentenreserve im Leerlauf und/oder Schwachlastbetrieb die Zündwinkelverstellung auf Werte zwischen der ersten und zweiten Zündwinkelgrenze begrenzt werden. Die Schrift lässt das genaue Vorgehen bei der Zündwinkelverstellung offen. Sie legt keine Verstellung des Zündwinkels unter Berücksichtigung von Schadstoff-Emissionen nahe.
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Die
DE 19963914 C2 offenbart ein Verfahren zur Kraftstoffeinspritzung in einem Otto-Verbrennungsmotor bei einem Kaltstart. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- – Spätverstellen des Zündwinkels wenigstens für die erste Verbrennung in wenigstens einem Zylinder des Verbrennungsmotors während einer Kaltstartphase, wobei der in den Zylinder eingespritzte Kraftstoff zur Verbrennung gebracht wird.
- – Normalstellen des Zündwinkels zur Beendigung der Kaltstartphase.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, welche eine Verminderung einer Partikelabgabe einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine in einer an eine Leerlaufphase anschließende Betriebsphase ermöglichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass während des Leerlaufs ein oder mehrere Brennräume der Brennkraftmaschine durch eine Frühverstellung des Zündwinkels vor einen bezüglich einer effizienten Verbrennung optimalen Zündwinkel aufgeheizt werden.
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Durch die Frühverstellung wird die Effizienz der Verbrennung gesenkt. Ein schneller Regeleingriff über den Zündwinkelwirkungsgrad ermöglicht somit eine schnelle Bereitstellung eines zusätzlich geforderten Drehmoments, wie dies heute mit einer bekannten Spätverstellung des Zündwinkels zur Bereitstellung einer Momentenreserve erreicht wird.
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Im Gegensatz zu der Spätverstellung des Zündwinkels wird bei der Frühverstellung die Energie nicht in das Abgassystem der Brennkraftmaschine ausgeschoben, sondern sie wird zum Aufheizen des Brennraums genutzt, wodurch die Temperatur der Brennraumwände ansteigt. Bei einer anschließenden Beschleunigung aus dem Leerlauf ist der Brennraum somit wesentlich wärmer. Dies führt zu einer verbesserten Verdunstung des Kraftstoffwandfilmes und damit zur Reduzierung der Partikelemission.
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Vorteilhaft kann es dabei vorgesehen sein, dass der Zündwinkel im Leerlauf der Brennkraftmaschine vor den oberen Zünd-Totpunkt gelegt wird.
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Dabei kann sowohl eine ausreichende Momentenreserve wie auch eine ausreichende Temperaturerhöhung der Brennräume dadurch erreicht werden, dass der Zündwinkel um 10° bis 20°, vorzugsweise um etwa 15° vor den bezüglich einer effizienten Verbrennung optimalen Zündwinkel gelegt wird. Ist eine höhere Momentenreserve erforderlich, kann der Zündwinkel während der Leerlaufphase jedoch auch weiter vor den bezüglich einer effizienten Verbrennung optimalen Zündwinkel gelegt werden. Bei einigen Brennverfahren kann es erforderlich sein, die Frühverlegung auf einen geringeren Wert zu beschränken.
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Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass in der Steuerung ein Schaltkreis oder Programmablauf zur Einstellung des Zündzeitpunkts während des Leerlaufs vor einen oberen Zünd-Totpunkt der Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Die Vorrichtung erlaubt somit die Durchführung des beschriebenen Verfahrens.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein erstes Diagramm mit einem Verlauf eines Zündwinkels während eines Fahrzyklus eines Kraftfahrzeugs,
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2 ein zweites Diagramm mit einem Verlauf einer Partikelemission während eines Fahrzyklus des Kraftfahrzeugs,
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3 ein drittes Diagramm mit einer Abhängigkeit eines Wärmeeintrags in einer Zylinderwand einer Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von einem Verbrennungsschwerpunkt,
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4 ein viertes Diagramm mit einem Verlauf der Partikelemission während eines Lastwechsels.
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1 zeigt in einem ersten Diagramm 10 entlang einer ersten Zeitachse 14 einen auf einer Geschwindigkeitsachse 15 aufgetragenen Geschwindigkeitsverlauf 13, wie er während eines Teils eines Fahrtests gemäß eines Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) auftritt. Während des Neuen Europäischen Fahrzyklus werden mehrere Leerlaufphasen 16 und Fahrphasen 17 durchlaufen, wobei die Fahrphasen mit einer Beschleunigungsphase beginnen und unterschiedliche maximale Geschwindigkeiten aufweisen. In dem Diagramm 10 ist weiterhin entlang einer Zündwinkelachse 11 und der ersten Zeitachse 14 ein Zündwinkelverlauf 12 eingetragen. Gemäß dem Stand der Technik werden Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge so betrieben, dass während der Leerlaufphase der Zündwinkelverlauf 12 einen Wert von etwa –4 Grad bezogen auf einen oberen Zünd-Totpunkt (ZOT) einnimmt. Der obere Zünd-Totpunkt bezeichnet dabei die Kurbelwellenstellung, bei der zwischen Kompressions- und Arbeits-Takt der Kolben des betrachteten Zylinders der Brennkraftmaschine an der oberen Umkehrposition ist; diese Stellung wird mit Kurbelwellenwinkel Null Grad bezeichnet. Eine Zündung beim Kurbelwellenwinkel Null Grad wird durch einen Zündwinkel Null Grad gekennzeichnet. Ein negativer Wert des Zündwinkels bedeutet einen späteren Zündzeitpunkt als eine Zündung zum oberen Zünd-Totpunkt; ein positiver Zündwinkel bedeutet eine Zündung vor dem oberen Zünd-Totpunkt. Ein positiver Wert des Kurbelwellenwinkels bezeichnet eine Kurbelwellenstellung nach dem oberen Zünd-Totpunkt (ZOT). Während der Fahrphase 17 liegt der Zündwinkelverlauf 12 bei Werten von 10 bis 25 Grad Zündwinkel. Ziel der Einstellung des Zündwinkels in der Fahrphase 17 ist es, einen möglichst kraftstoffsparenden Betrieb bei möglichst geringen Emissionen der Brennkraftmaschine zu erreichen. Erfahrungsgemäß ist der Betrieb besonders effizient und damit kraftstoffsparend, wenn der durch die Zündung ausgelöste Verbrennungsvorgang so abläuft, dass 50% des Kraftstoffs bei einem Kurbelwellenwinkel von +8 Grad verbrannt sind, wenn also der Verbrennungsschwerpunkt bei +8 Grad liegt. Durch die Verstellung des Zündwinkels während des Leerlaufs auf –4 Grad wird eine Verschlechterung des Motorwirkungsgrades erreicht. Die Schwerpunktlage der Verbrennung wird über den Zündwinkel deutlich später als +8 Grad gestellt, so dass bei Bedarf eine sehr schnelle Momentenerhöhung über den Zündwinkelpfad ermöglicht wird. Dabei wird während des Leerlaufs ein großer Teil der bei der Verbrennung freigesetzten Energie ungenutzt in das Abgassystem der Brennkraftmaschine geführt.
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2 zeigt in einem zweiten Diagramm 20 entlang der ersten Zeitachse 14 den auf der Geschwindigkeitsachse 15 aufgetragenen Geschwindigkeitsverlauf 13, wie er bereits in 1 gezeigt ist. Dabei entspricht der Zündwinkelverlauf 12 dem in 1 gezeigten Zündwinkelverlauf 12. Entlang einer ersten Partikelmengenachse 21 ist ein erster Partikelmengenverlauf 22 aufgetragen. Während der Leerlaufphase 16 nimmt der Partikelmengenverlauf 22 kleine Werte der Partikelmenge an. Zu Beginn der Fahrphase 17 steigt der Partikelmengenverlauf 22 stark an und erreicht für einige Sekunden Werte, die weit über denen im weiteren Verlauf der Fahrphase 17 liegen. Die hohen Partikelmengen werden erzeugt, da in dieser Betriebsphase die Brennräume der Brennkraftmaschine eine vergleichsweise niedrige Temperatur haben. Zudosierter Kraftstoff kann daher einen Wandfilm am Brennraum bilden, der bis zum Einsetzen der Verbrennung nicht verdunstet. Ein Teil der im Wandfilm gebundenen Kraftstoffmenge wird erst während der Hauptverbrennung verdampft und diffus verbrannt. Hierbei entsteht eine erhöhte Partikelemission. Ziel der Erfindung ist es, eine höhere Temperatur im Brennraum während einer Leerlaufphase 16 zu erreichen, so dass der anfänglich der Fahrphase 17 auftretende vermehrte Partikelausstoß vermindert werden kann.
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3 zeigt in einem dritten Diagramm 30 entlang einer Winkelachse 33 und einer Wärmeeintrags-Achse 31 eine Wärmeeintrags-Kurve 32 während eines Leerlaufs der Brennkraftmaschine. Die Winkelachse 33 kennzeichnet den Kurbelwellenwinkel, bei dem der Verbrennungsschwerpunkt liegt. Die Wärmeeintrags-Achse 31 zeigt einen Wärmeeintrag in die Brennraumwände der Brennkraftmaschine in Joule, wobei negative Werte einen Wärmetransport in die Brennraumwände bedeuten. Es zeigt sich, dass durch eine Frühverstellung des Zündwinkels der Wärmeeintrag in die Brennraumwände deutlich ansteigt. Dies führt zu einer Temperaturerhöhung der Brennraumwände. Der heißere Brennraum hat zum Vorteil, dass bei einer zusätzlichen Lastanforderung, beispielhaft bei einem Anfahrvorgang, das Emissionsverhalten und dabei insbesondere die Emission von Partikeln verbessert werden. Ursache hierfür ist, dass die Ausbildung eines Kraftstoff-Wandfilms während des Leerlaufs auf Grund der hohen Temperaturen der Brennraumwände zumindest teilweise vermieden wird. Eine Verdampfung und diffuse Verbrennung eines als Wandfilm vorliegenden Kraftstoffs während der Hauptverbrennung und die damit verbundene, erhöhte Partikelemission wird dadurch vermieden.
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4 zeigt ein viertes Diagramm 40 mit einem Verlauf der Partikelemission einer Brennkraftmaschine während eines Lastwechsels. Dazu sind ein zweiter Partikelmengenverlauf 42 und ein dritter Partikelmengenverlauf 43 gegenüber einer zweiten Partikelmengenachse 41 und einer zweiten Zeitachse 44 aufgetragen.
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Der zweite Partikelmengenverlauf 42 zeigt die Partikelemission einer Brennkraftmaschine bei einem Lastsprung aus einem Leerlauf, wobei der Zündwinkel zur Bereitstellung einer Momentenreserve gemäß dem Stand der Technik nach spät verstellt wurde. Nach dem Lastsprung liegt eine deutlich überhöhte Partikelemission vor, welche erst mit fortlaufend stationärem Betrieb der Brennkraftmaschine abklingt.
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Der dritte Partikelmengenverlauf 43 zeigt die Partikelemission einer Brennkraftmaschine bei einem Lastsprung aus einem Leerlauf, wobei der Zündwinkel zur Bereitstellung einer Momentenreserve erfindungsgemäß nach früh verstellt wurde. Nach dem Lastsprung liegt keine überhöhte Partikelemission vor. Die Partikelemission einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine kann somit durch eine Frühverstellung des Zündwinkels während der Leerlaufphasen deutlich reduziert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004016559 A1 [0007]
- DE 1020007030465 [0008]
- DE 19963914 C2 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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