DE102015221994A1

DE102015221994A1 - Verfahren zum Betreiben einer aufladbaren Brennkraftmaschine und aufladbare Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102015221994A1
Application number: DE102015221994.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Findeisen; Markus Paulovsky; Stefan PAUKNER; Pierre Scheller
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-11-09
Filing date: 2015-11-09
Publication date: 2017-05-24

Abstract

Es werden ein Verfahren zum Betreiben einer aufladbaren Brennkraftmaschine (10) zur Erzeugung eines Ausgangsmoments der Brennkraftmaschine (10) und eine aufladbare Brennkraftmaschine (10) mit einer Steuerungseinheit, in deren Rechner ein in deren Speicher abgelegtes Programm zur Durchführung des Verfahrens abläuft, beschrieben. Das Ausgangsmoment mit einer Last wird ausgehend von einem unteren Ausgangsmomentwert bis zu einem oberen Ausgangsmomentwert erhöht. Dabei wird bei Ladungswechseln Luftmasse direkt aus einem Ansaugrohr der Brennkraftmaschine (10) über wenigstens eine Brennkammer (12) von deren Einlass in deren Auslass zur Abgasanlage (14) gedrückt. Die Luftmasse bildet mit Abgas einer in der Brennkammer (12) erfolgten Verbrennung ein abströmendes Gas. In der Abgasanlage (14) wird das von der Brennkammer (12) abströmende Gas mit einem Speicherkatalysator (16) zur Einspeicherung von Stickoxiden in Wirkverbindung gebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer aufladbaren Brennkraftmaschine zur Erzeugung eines Ausgangsmoments der Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine aufladbare Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
Bei aktuellen aufladbaren Brennkraftmaschinen, insbesondere aufladbaren fremdgezündeten Brennkraftmaschinen, wird durch die Verstellung der Phasenlage im Arbeitszyklus der Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Einlass- und Auslassventile der Brennkammern in diversen Betriebssituationen ein spülender Ladungswechsel genutzt, um Vorteile bei niedrigen Ausgangsmomenten und/oder im dynamischen Ansprechverhalten zu erzielen. Bei positivem Spülgefälle werden Einlass- und/oder Ausventile – beispielsweise mit Hilfe von Nockenwellenstellern – in eine wirksame Überscheidung der Öffnungszeiten (Ventilüberschneidung) gebracht. Dadurch werden bis zu 30% zusätzliche Luftmasse bei einem Ladungswechsel direkt über die Ventile in den Auslass gedrückt. Dieser Vorgang wird verbreitet als Scavenging bezeichnet, siehe dazu beispielsweise das Dokument US 2011/0072795 A1 im Zusammenhang der Regeneration von Partikelfiltern in einer Abgasanlage. Für eine hohe, insbesondere instationäre Dynamikanforderung, zum Beispiel in einem Lastsprung, kann auf diese Weise einer Turbine vergleichsweise mehr Enthalpie zur Verfügung gestellt werden, so dass Reaktionszeiten signifikant verkürzt werden können.
Beim Scavenging im Lastsprung wird typischerweise die Einspritzung des Kraftstoffs so geregelt, dass sich im Brennraum ein Luft-Kraftstoffverhältnis von λ = 1,0 ergibt. Die bei erhöhter Ventilüberschneidung überströmende Luft führt zu einem mageren Luft-Kraftstoffverhältnis im Abgas. Wird in diesen Betriebszuständen die Sauerstoffspeicherfähigkeit eines nachgelagerten Katalysators in der Abgasanlage überschritten, können möglichweise nicht alle unerwünschten Abgaskomponenten, insbesondere Stickoxide, im Katalysator konvertiert werden.
Zur Verringerung dieses Effektes kann die Ausdehnung der Ventilüberschneidung im Arbeitszyklus verringert werden, wodurch allerdings nachteilig die Dynamik des Ansprechverhaltens beeinflusst wird. Alternativ dazu kann die Auslegung des Aufladesystems der aufgeladenen Brennkraftmaschine modifiziert werden, wobei aber Zielkonflikte mit dem Nennleistungspotential, der Komplexität und der Kosten bestehen.
Mit der Intention der Verbesserung des Kaltstartverhaltens wurden bereits Speicherkatalysatoren zur Einspeicherung von Stickoxiden mit kleinem Volumen geschaffen, so dass vor allem in magerem, überstöchiometrischem Betrieb auftretende Stickoxide für eine spätere katalytische Konvertierung aus dem abströmenden Gas einer Brennkraftmaschine temporär adsorbiert werden können, siehe dazu beispielsweise das Dokument DE 100 53 904 A1 .
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer aufladbaren Brennkraftmaschine einen Betrieb zu ermöglichen, in welcher ein spülender Ladungswechsel wirksam bei instationären Dynamikanforderungen ohne unerwünscht hohe Stickoxidemissionen nutzbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben einer aufladbaren Brennkraftmaschine zur Erzeugung eines Ausgangsmoments der Brennkraftmaschine mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert.
Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer aufladbaren Brennkraftmaschine wird ein Ausgangsmoment der Brennkraftmaschine erzeugt. Die Brennkraftmaschine weist wenigstens ein Ansaugrohr, wenigstens eine Brennkammer mit wenigstens einem Einlass und wenigstens einem Auslass und eine Abgasanlage auf. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird das Ausgangsmoment mit einer Last, insbesondere unter hoher Last, zum Beispiel Volllast oder im Wesentlichen Volllast, ausgehend von einem unteren Ausgangsmomentwert bis zu einem oberen Ausgangsmomentwert erhöht. Dabei wird bei Ladungswechseln Luftmasse direkt aus dem Ansaugrohr über die wenigstens eine Brennkammer vom Einlass in den Auslass zur Abgasanlage gedrückt. Die Luftmasse bildet mit Abgas einer in der Brennkammer erfolgten Verbrennung ein abströmendes Gas. Erfindungsgemäß wird in der Abgasanlage das von der Brennkammer abströmende Gas mit einem Speicherkatalysator zur Einspeicherung von Stickoxiden in Wirkverbindung, insbesondere chemische und/oder physikalische Wirkverbindung, gebracht, insbesondere durch einen Speicherkatalysator oder über einen Speicherkatalysator geleitet.
Mit anderen Worten, die aufladbare Brennkraftmaschine wird mit Scavenging, auch als Spülen bezeichnet, insbesondere mit Ventilüberschneidung, bei einer Lastanforderung, insbesondere hohen Last, zum Beispiel Volllast oder in der Nähe der Volllast, betrieben. Die aufladbare Brennkraftmaschine kann auch als aufgeladene Brennkraftmaschine bezeichnet werden. Das Ausgangsmoment kann auch als Ausgangsdrehmoment bezeichnet werden.
In vorteilhafter Weise können bei einer instationären Dynamikanforderung, welche bei Unterstützung durch Scavenging mit einer Erhöhung des Ausgangsmoments der Brennkraftmaschine erfüllt wird, auftretende fette und magere Pakete abströmendes Gases in der Abgasanlage konvertiert werden, indem kurzzeitig im abströmenden Gas auftretende Mengen von Stickoxiden gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt zu anderen Verbindungen umgesetzt werden. Im Zusammenhang des erfindungsgemäßen Vorgehens ist es in vorteilhafter Weise möglich, das aktuell vorteilhaft bei Dynamikanforderungen angesehene Scavenging mit deutlich reduzierten Stickoxidemissionen, bevorzugt im Wesentlichen stickoxidemissionsfrei zu nutzen. Eine gewünschte Dynamik der Brennkraftmaschine kann auf diese Weise ohne zusätzliche Aufladungsstufen und/oder elektrisch angetriebene Verdichter realisiert werden.
Verkürzt kann der Speicherkatalysator zur Einspeicherung von Stickoxiden auch als Stickoxid-Speicherkatalysator bezeichnet werden. Dabei ist im Zusammenhang der Erfindung mit dem Begriff Speicherkatalysator ein Katalysator gemeint, welcher zur Einspeicherung von Stickoxiden geeignet ist, wobei der Katalysator auch weitere katalytische Funktionen aufweisen kann, insbesondere eine Beschichtung oder mehrere Beschichtungen zur Dreiwege-Katalyse aufweisen kann. In die Beschichtung, den Washcoat des Stickoxid-Speicherkatalysators können im Abgas vorhandene Stickoxide angelagert und bei einem Betrieb mit Luftmangel wieder ausgelagert und reduziert werden. Typische Stickoxid-Speicherkatalysatoren basieren auf Alkalimetall oder Erdalkalimetall Komponenten, wie Barium oder Kalium, insbesondere deren Oxiden oder Carbonaten. Als Reduktionsstoffe dienen die im Abgas vorhandenen Komponenten Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwassersstoffe (HC) sowie Wasserstoff (H₂).
Bevorzugt ist die aufladbare Brennkraftmaschine eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Abgasturbolader, dessen Turbine sich in der Abgasanlage befindet. Der Abgasturbolader kann ein Wastegate-Abgasturbolader oder ein Turbolader mit einer variablen Turbinengeometrie sein. Die Turbine kann eine Mixed-flow Turbine sein. Die Brennkraftmaschine ist bevorzugt eine Hubkolbenbrennkraftmaschine und/oder weist eine Mehrzahl von Brennkammern auf. Die Brennkammern können als Einlass jeweils mehrere, insbesondere zwei Einlassventile und als Auslass mehrere, insbesondere zwei Auslassventile aufweisen. Die Brennkraftmaschine kann einen in Bezug auf die Ventilsteuerzeiten, insbesondere bezogen auf den Kurbelwellenwinkel, einstellbaren Ventiltrieb aufweisen, mit welchem Öffnungszeitpunkte und/oder Schließzeitpunkte von Einlassventilen und/oder Auslassventilen veränderbar sind. Die Brennkraftmaschine kann mehrstufig aufgeladen oder aufladbar sein. Die Brennkraftmaschine kann des Weiteren einen elektrisch angetriebenen und/oder einen mechanisch angetriebenen Verdichter aufweisen. Bevorzugt ist die aufladbare Brennkraftmaschine eine fremdgezündete aufladbare Brennkraftmaschine.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahren wird bei Erreichen des oberen Ausgangsmomentwertes die Brennkraftmaschine mit einer anderen Last, welche kleiner als die Last, insbesondere hohe Last, ist, mit einem unterstöchiometrischen Lambdawert betrieben, bis der Speicherkatalysator regeneriert ist.
Es hat sich darüber hinaus als vorteilhaft im erfindungsgemäßen Verfahren erwiesen, wenn bei Erreichen einer maximalen Beladung des Speicherkatalysators eine Menge der Luftmasse, welche bei einem Ladungswechsel in die Abgasanlage gedrückt wird, verringert wird, beispielsweise indem die Dauer der Ventilüberschneidung verkürzt wird (Rücknahme der Ventilüberschneidung), und/oder ein Kraftstoff-Luftverhältnis der Brennkraftmaschine angefettet wird. Auf diese Weise kann die Entladung des Speicherkatalysators befördert werden, indem Reduktionsmittel angeboten wird.
Des Weiteren kann in Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens während des Regenerierens ein Zündwinkel in einem Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine der wenigstens einen Brennkammer von einem ersten Zeitpunkt auf einen zweiten Zeitpunkt, der früher als der erste Zeitpunkt im Arbeitszyklus liegt, verstellt werden. Auf diese Weise kann der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden.
Zusätzlich oder alternativ dazu kann im Verfahren während des Erhöhens des Ausgangsmoments die Brennkraftmaschine mit einem stöchiometrischen Lambdawert betrieben werden, insbesondere auf einen stöchiometrischen Lambdawert gesteuert betrieben wird. In vorteilhafter Konsequenz kann eine möglichst vollständige Verbrennung des Kraftstoffs erzielt werden. Dabei ergibt sich während des Scavengings aufgrund der direkt in die Abgasanlage gedrückten Luftmasse ein überstöchiometrischer Lambdawert in der Abgasanlage.
Im Zusammenhang der Erfindung steht auch eine aufladbare Brennkraftmaschine, insbesondere eine fremdgezündete aufladbare Brennkraftmaschine, mit wenigstens einem Ansaugrohr, wenigstens einer Brennkammer mit wenigstens einem Einlass und wenigstens einem Auslass und einer Abgasanlage mit wenigstens einem Speicherkatalysator zur Einspeicherung von Stickoxiden und einer Steuerungseinheit, welche wenigstens einen Rechner und ein (insbesondere vom Rechner lesbares) Speicherelement umfasst. Erfindungsgemäß ist in dem Speicherelement ein Programm abgelegt, welches bei wenigstens teilweiser Ausführung im Rechner die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der aufladbaren Brennkraftmaschine mit den Merkmalen oder Merkmalskombinationen gemäß dieser Darstellung ausführt.
In einer ersten Gruppe von bevorzugten Ausführungsformen weist die Abgasanlage der erfindungsgemäßen aufladbaren Brennkraftmaschine wenigstens einen Dreiwege-Katalysator auf. In einer zweiten Gruppe von bevorzugten Ausführungsformen ist der Speicherkatalysator ein Dreiwege-Katalysator mit einer katalytisch aktiven Beschichtung zur Einspeicherung von Stickoxiden. In einer dritten Gruppe von bevorzugten Ausführungsformen ist der Speicherkatalysator ein Partikelfilter mit einer katalytisch aktiven Beschichtung zur Einspeicherung von Stickoxiden und einer katalytisch in drei Wegen aktiven Beschichtung. Für den Fall einer fremdzündenden aufladbaren Brennkraftmaschine kann der Partikelfilter auch als ein Ottopartikelfilter bezeichnet werden. Die Katalysatoren der dritten Gruppe können als Vierwegekatalysatoren bezeichnet werden. Auf die beschriebenen Weisen ist eine vorteilhaft Bauraum sparende Funktionsintegration erreichbar.
In besonders bevorzugter Ausführungsform der aufladbaren Brennkraftmaschine ist der Speicherkatalysator motornah/brennkraftmaschinennah angeordnet. Dabei wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung mit dem Begriff „motornah/brennkraftmaschinennah“ ein Abstand zwischen Zylinderauslass des Verbrennungsmotors und Stirnfläche des Speicherkatalysators von höchstens 120 cm, insbesondere höchstens 100 cm, vorzugsweise höchstens 80 cm verstanden. In einer konkreten Ausführung beträgt der Abstand etwa 75 cm. Eine motornahe Anordnung bedeutet insbesondere, dass der Speicherkatalysator im Motorraum und/oder aufgenommen an der Brennkraftmaschine („closed-coupled“) angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Abwärme der Brennkraftmaschine genutzt werden, um die Arbeitstemperaturen des Speicherkatalysators in der Abgasanlage zu erreichen.
In bestimmten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist der Speicherkatalysator stromab wenigstens eines Dreiwege-Katalysators angeordnet.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann Teil eines Antriebsaggregats eines Fahrzeugs, insbesondere eines schienenlosen Landfahrzeugs, zum Beispiel eines Personenkraftwagens oder eines Lastkraftwagens, sein. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann eine Traktionsmaschine des Fahrzeugs sein. In Ausführungsformen kann das Fahrzeug weitere Traktionsmaschinen, zum Beispiel einen Elektroantrieb, aufweisen. Die Brennkraftmaschine kann bivalent für die Nutzung mehrerer, voneinander verschiedener Kraftstoffe ausgeführt sein.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt. Es zeigt im Einzelnen:
1 eine schematische Darstellung einer Topologie einer ersten Ausführungsform einer Abgasanlage einer aufladbaren Brennkraftmaschine, in welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist,
2 eine schematisch dargestellte Topologie einer zweiten Ausführungsform einer Abgasanlage einer aufladbaren Brennkraftmaschine, in welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist,
3 eine schematische Darstellung einer Topologie einer dritten Ausführungsform mit zwei Katalysatoren einer Abgasanlage einer aufladbaren Brennkraftmaschine, in welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist,
4 eine schematisch dargestellte Topologie einer vierten Ausführungsform mit zwei Katalysatoren einer Abgasanlage einer aufladbaren Brennkraftmaschine, in welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist,
5 eine erste Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer aufladbaren Brennkraftmaschine,
6 eine zweite Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer aufladbaren Brennkraftmaschine, und
7 eine weiterentwickelte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer aufladbaren Brennkraftmaschine.
In der 1 wird schematisch eine Topologie einer ersten Ausführungsform einer Abgasanlage 14 einer aufladbaren Brennkraftmaschine 10 gezeigt, in welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist. Das von Brennkammern 12 abströmende Gas gelangt in der Abgasanlage 14 zu einem motornah angeordneten Speicherkatalysator 16, welcher in dieser Ausführungsform ein Dreiwegekatalysator mit einer Stickoxidspeicherkomponente ist. Damit eine thermische Schädigung durch die möglichen hohen Temperaturen in motornaher Position vermieden wird, ist der Speicherkatalysator 16 ausreichend thermisch stabil ausgeführt. Ausgehend von den Signalen und/oder unter Verarbeitung der Signale der vor und nach dem Speicherkatalysator 16 angeordneten Lambda-Sonden 20 kann mittels einem hier nicht zeichnerisch dargestellten Steuergerät die aufladbare Brennkraftmaschine gesteuert und/oder geregelt betrieben werden.
Wird nun im Zusammenhang der Erfindung die aufladbare Brennkraftmaschine mit Scavenging, konkreter gesagt mit Ventilüberschneidung, bei instationärer Lasterhöhung betrieben, können möglicherweise in den Brennkammern 12 entstehende Stickoxide im Speicherkatalysator 16 in der Abgasanlage 14 eingelagert werden, bis im Speicherkatalysator 16 Betriebsbedingungen geschaffen werden, bei denen die eingelagerten Stickoxide wieder freigegeben und reduziert werden.
Die 2 zeigt schematisch eine Topologie einer zweiten Ausführungsform, einer Abgasanlage 14 einer aufladbaren Brennkraftmaschine 10, in welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist. Es handelt sich um eine Anordnung mit zwei Katalysatoren, welche besonders bevorzugt ist. In der Abgasanlage 14 ist motornah ein Dreiwegekatalysator 18 angeordnet, während sich motorfern, zum Beispiel in Unterbodenlage eines hier nicht gezeigten Fahrzeugs, ein Speicherkatalysator 16 befindet, welcher in dieser Ausführungsform ein Dreiwegekatalysator mit einer Stickoxidspeicherkomponente ist. Aufgrund der im Vergleich zur motornahen Anordnung kälteren motorfernen Position, insbesondere Unterbodenposition, sind die Ansprüche an die thermische Stabilität der Stickoxidspeicherkomponente nicht so hoch. Das Erdalkalimetall kann als zusätzliches Material in den Washcoat des Speicherkatalysator 16 eingebracht sein. In dieser Topologie sind drei Lambda-Sonden 20 gezeigt: Eine jeweils vor und nach dem Dreiwegekatalysator 18 und eine nach dem Speicherkatalysator 16. Die Steuerung und/oder Regelung auf Basis beziehungsweise der Berücksichtigung von Signalen der motornahen Lambda-Sonden 20 vor und nach dem Dreiwegekatalysator 18 bleibt in dieser Topologie in vorteilhafter Weise unabhängig von den Speichervorgängen im Speicherkatalysator 16, so dass auf bewährte Steuerungs- und/oder Regelungslösungen für Systeme ohne Stickoxidspeicher zurückgegriffen werden kann. Mit anderen Worten, eine Beeinflussung der Diagnose des Dreiwegekatalysator mittels der Lambdasonden wird in dieser Topologie vermieden.
In der 3 ist schematisch eine Topologie einer dritten Ausführungsform mit zwei Speicherkatalysatoren 16 einer Abgasanlage 14 einer aufladbaren Brennkraftmaschine 10 mit Brennkammern 12 zu sehen, in welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist. In dieser Ausführungsform befinden sich ein erster Speicherkatalysatoren 16 motornah und ein zweiter Speicherkatalysator 16 im Unterboden in der Abgasanlage 14. Die Speicherkatalysatoren 16 dieser Variante sind jeweils als Dreiwegekatalysator mit NOx-Speicherkomponente ausgeführt. Bezüglich des motornah angeordneten Speicherkatalysator 16 gibt das bereits im Zusammenhang der in 1 dargestellten Ausführungsform Gesagte im Hinblick auf die thermische Stabilität. Ausgehend von den Signalen und/oder unter Verarbeitung der Signale der vor und nach den Speicherkatalysatoren 16 angeordneten Lambda-Sonden 20 kann mittels einem hier nicht zeichnerisch dargestellten Steuergerät die aufladbare Brennkraftmaschine gesteuert und/oder geregelt betrieben werden, siehe dazu auch die Ausführungen weiter oben im Zusammenhang der in der 2 dargestellten Ausführungsform.
Die 4 zeigt schematisch eine Topologie einer vierten Ausführungsform mit zwei Speicherkatalysatoren 16 einer Abgasanlage 14 einer aufladbaren Brennkraftmaschine 10, in welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist. Die hier gezeigte Ausführungsform weist motornah einen Speicherkatalysator auf, welcher als Dreiwegekatalysator mit NOx-Speicherkomponente ausgeführt ist. In motorferner, insbesondere Unterbodenlage eines hier nicht gezeigten Fahrzeugs, ist ein Dreiwegekatalysator 18 angeordnet. Es gelten in analoger Weise die Ausführungen zu den bereits beschriebenen Ausführungsformen.
An dieser Stelle sei betont, dass die Erfindung nicht auf Abgasanlagen mit der in den Figuren dargestellten Topologien, welche rein illustrativ, beispielhaft sind, beschränkt ist. Für den Fachmann ist unmittelbar und eindeutig auf Basis seines Fachwissens klar, dass die Abgasanlage insbesondere weitere Fluidleitungen, Turbinen, Kühlvorrichtungen, Heizvorrichtungen, Abgasrückführungsleitungen, Sekundärluftleitungen und/oder Abgasbehandlungskomponenten, wie Katalysatoren, Dosiereinrichtungen für Abgasbehandlungsmittel, umfassen kann.
Bevorzugte Ausführungsformen von Betriebsstrategien für die Lambda-Steuerung und/oder Lambda-Regelung werden nachfolgend im Zusammenhang mit Schritten von bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf die 5 und 6 beschrieben.
Die 5 bezieht sich auf eine erste Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer aufladbaren Brennkraftmaschine 10 mit der in der 2 gezeigten Topologie der Abgasanlage 14. In Funktion der Zeit 22 sind vier Lambdawerte gezeigt. Im oberen Viertel der 5 ist der Lambdawert 24 in einer Brennkammer 12 gezeigt. Im darunter liegenden Viertel der 5 ist der Lambdawert 26 vor dem Dreiwegekatalysator 18 zeichnerisch dargestellt. Darunter anschließend ist in der 5 der Lambdawert 28 vor dem Speicherkatalysator 16 aufgezeichnet. Im unteren Viertel der 5 ist schließlich der Lambdawert 30 nach dem Speicherkatalysator 16 dargestellt. Das Verfahren umfasst vier voneinander unterscheidbare Phasen 32, 34, 36, 38.
In der ersten Phase 32 befindet sich die aufladbare Brennkraftmaschine 10 in einem normalen Fahrbetrieb mit unterer oder mittlerer Teillast. Die Lambdaregelung ist aktiv, der Sollwert für den Lambdawert 24 in der Brennkammer ist 1. Eine effektive Konvertierung von unerwünschten Verbrennungsprodukten ist mittels der Abgasbehandlungskomponenten, insbesondere mittels des Dreiwegekatalysators 18 erreichbar. Der Speicherkatalysator 16 ist nahezu unbeladen.
In der zweiten Phase 34 findet eine Volllastbeschleunigung aus einem unteren Drehzahlbereich statt. Dabei wird aktiv Scavenging ausgeführt. Der Lambdawert 24 in der Brennkammer liegt gesteuert im stöchiometrischen Bereich. Vor dem Dreiwegekatalysator 18 ergibt sich ein überstöchiometrisches Gemisch auf Basis der Lambdawertes 24 der Brennkammer 12 und der Spülluft 40 (Lambdawert 26). In der exemplarisch gezeichneten Kurve des Lambdawerts 26 bedingt die Spülluft eine Erhöhung des Lambdawertes um 0,2 auf 1,2. Stromab der Auslassventile der Brennkammern 12 ist der Lambdawert über alle Bauteile konstant. Es besteht die Möglichkeit, dass nicht sämtliche NOx-Emissionen mit dem motornah angeordneten Dreiwegekatalysator 18 konvertiert werden. Unkonvertierte Stickoxide werden auf dem Speicherkatalysator 16 in Unterbodenlage eingespeichert.
In der dritten Phase 36 wurde von der Beschleunigung in einen Teillastbetrieb gewechselt. Direkt mit Übergang von der zweiten Phase 34 zur dritten Phase 36 wird eine unterstöchiometrische Regeneration des Speicherkatalysators 16 aktiviert, beispielhaft hier mit Lambda = 0,92 (Lambdawert 26). Der Lambdawert 28 vor dem Speicherkatalysator 16 beträgt so lange 1, bis der eingespeicherte Sauerstoff aufgrund der Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC) 42 auf dem Dreiwegekatalysator 18 komplett ausgeräumt ist. Danach beginnt die Regeneration des Speicherkatalysators 16, der Lambdawert 28 fällt ebenfalls auf die hier beispielhaften 0,92 ab. Die Regeneration kann entweder auf Basis eines anhand der stromab angeordneten Lambda-Sonde 20 detektiert Abfall des Lambda-Wertes 30 hinter dem Speicherkatalysator 16 oder auf Basis eines im Steuergerät hinterlegten NOx-Speichermodells abgebrochen werden. Alternativ zu der in der 2 dargestellten Ausführungsform können Lambda-Sonden 20 vor und nach dem Speicherkatalysator 16 auch durch NOx-Sensoren ersetzt sein. Eine derartig abgewandelte Ausführungsform hat unter anderem den Vorteil, dass NOx-Sensoren bei der Modellierung der Beladung unterstützen können.
In der vierten Phase 38 ist wieder in den Normalbetrieb mit stöchiometrischem Lambdawert gewechselt, sobald der Speicherkatalysator 16 als hinreichend in der dritten Phase 36 regeneriert betrachtet werden kann.
Auch im Normalbetrieb kann in einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens der Speicherkatalysator 16 immer kontrollierend betrachtet werden. Die Betrachtung kann entweder durch ein Modell oder über einen stromab des Speicherkatalysators 16 gemessenen NOx-Wert erfolgen. Im Bedarfsfall wird dann zwischen der vierten Phase 38 und einer zeitlich später liegenden zweiten Phase 34 einer weiteren Beschleunigung eine weitere unterstöchiometrische Regeneration des Speicherkatalysators 16 eingeleitet werden.
Mit dieser Vorgehensweise wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass der Speicherkatalysator zu jedem Zeitpunkt eine ausreichende freie Speicherkapazität für die Einlagerung von Stickoxiden hat, um die während einer Beschleunigungsphase mit Scavenging auftretenden NOx-Emissionen zwischenspeichern zu können.
In der 6 ist eine zweite Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer aufladbaren Brennkraftmaschine 10 mit einer Abgasanlage 14 in der in der 1 gezeigten Topologie, einem Einkatsystem, dargestellt. In Funktion der Zeit 22 sind drei Lambdawerte gezeigt. Im oberen Drittel der 6 ist der Lambdawert 24 in einer Brennkammer 12 gezeigt. Im mittleren Drittel der 5 ist der Lambdawert 28 vor dem Speicherkatalysator 16 aufgezeichnet. Im unteren Drittel der 6 ist schließlich der Lambdawert 30 nach dem Speicherkatalysator 16 dargestellt. Das Verfahren umfasst vier voneinander unterscheidbare Phasen 32, 34, 36, 38 wie in der unter Bezugnahme auf die 5 beschriebenen ersten Ausführungsvariante. Der einzige hier zu betonende Unterschied ist, dass kein Zeitabschnitt existiert, in welcher eingespeicherter Sauerstoff auf einem Dreiwegekatalysator ausgetragen werden muss.
Die 7 bezieht sich auf eine weiterentwickelte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer aufladbaren Brennkraftmaschine 10, welche sowohl für Abgasanlagen 14 mit einem als auch mit mehreren Katalysatoren einsetzbar ist. Diese Ausführungsvariante ist hinsichtlich der Ventilsteuerzeiten weiterentwickelt. Die 7 zeigt eine exemplarische Stickoxidbeladung 44 in Funktion der Zeit über die bereits oben angesprochenen Phasen 32, 34, 36, 38. Die für den Speicherkatalysator 16 maximale Beladung 50, welche in den Speicherkatalysator 16 eingespeichert werden kann, ist als gestrichelte Linie eingezeichnet.
Die maximale Beladung 50 kann beispielsweise in einer Applikationsphase für die aufladbare Brennkraftmaschine 10 oder für eine Gruppe von aufladbaren Brennkraftmaschinen 10 durch Messungen auf einem Synthesegasprüfstand oder einem Motorprüfstand ermittelt werden. Sie ist temperaturabhängig und nimmt mit steigender Temperatur ab.
Des Weiteren ist die maximale Basisbeladung 48 als gestrichelte Linie eingezeichnet. Es handelt sich um diejenige Beladung, welche im Normalbetrieb, insbesondere im Betrieb ohne Scavenging, maximal akzeptabel ist. Es steht offensichtlich noch ausreichend zusätzliche Speicherkapazität für Stickoxide zur Verfügung, um möglicherweise beim Scavenging auftretende zusätzliche Stickoxidemissionen einspeichern zu können.
Ein exemplarischer aktueller Verlauf 46 der Stickoxidbeladung ist als durchgezogene Linie dargestellt. In der ersten Phase 32 liegt die Stickoxidbeladung unter der maximalen Basisbeladung 48. In der zweiten Phase 34 (mit Scavenging, Ventilüberschneidung 52) werden die Stickoxide in den Speicherkatalysator 16 eingespeichert und die Beladung nimmt zu. Erreicht die Beladung während der Beschleunigung und aktivem Scavenging in der zweiten Phase 34 die maximale Beladung 50, verfügt der Speicherkatalysator 16 über keinen weiteren freien Speicher mehr. In diesem Fall wird gemäß der erfindungsgemäßen Weiterentwicklung aus diesem Grund noch während der Beschleunigung die Ventilüberschneidung zurückgenommen (Rücknahme 54 der Ventilüberschneidung). Anders gesagt, die Dauer der Ventilüberschneidung wird verringert. Gleichzeitig wird das Verbrennungsluftverhältnis leicht angefettet, zum Beispiel mit Lambda 0,98. Somit wird die anschließende Regeneration des Speicherkatalysators 16 vorgezogen, die Stickoxidbeladung wird schon leicht reduziert. Die dritte Phase 36 wird noch während der Beschleunigung eingeleitet.
Im Falle des Scavengings mit globalem Lambda 1 können die möglicherweise entstehenden NOx-Emissionen direkt wieder angelagert und mit den nicht vollständig umgesetzten Kohlenwasserstoffen und mit Kohlenmonoxid als Reduktionsmittel regeneriert werden.
Weiterhin ist auch Scavenging mit einem stöchiometrischen Gemisch im Brennraum umsetzbar. Die während des Lastsprungs entstehenden Stickoxide werden im Speicherkatalysator am eingesetzten Erdalkalimetall in Form von Nitraten angelagert. Nach erfolgtem Lastsprung kann die Auslagerung über eine moderate Anfettung aktiviert werden (Lambda 0,98). Da eine leichte Anfettung die Klopfneigung des Motors verringert, kann der aus dem fetten Gemisch während der Regeneration resultierende Verbrauchsnachteil in Abhängigkeit vom jeweiligen Motorbetriebspunkt zum Teil durch frühere Zündwinkel kompensiert werden.
Im Zusammenhang der oben dargestellten vorteilhaften Ausführungsformen wurde das Scavenging mit stöchiometrischem Betrieb und magerem abströmenden Abgas beschrieben. Möglicherweise während des instationären Spülvorgangs auftretende unerwünschte Stickoxidemissionen werden erfindungsgemäß im Speicherkatalysator eingelagert. Eine Regeneration des Speicherkatalysators erfolgt danach mittels einer leichten Anfettung und bevorzugt insbesondere zusätzlicher Anpassung der Zündwinkel.
Die Erfindung kann auch vorteilhaft bei Scavenging mit fettem Gemisch im Brennraum, insbesondere bei stöchiometrisches Gesamtverhältnis im abströmenden Gas, das heißt Abgas der Verbrennung mit Spülluft/Luftmasse, zum Einsatz gelangen. Der erfindungsgemäß vorgesehene Speicherkatalysator dient dann zur Pufferung der aus der wenigstens einen Brennkammer abströmenden mageren und fetten Gaspakete. In diesem Zusammenhang ist kein fetter Betrieb zur Regeneration notwendig.
Bezugszeichenliste

10: aufladbare Brennkraftmaschine
12: Brennkammer
14: Abgasanlage
16: Speicherkatalysator
18: Dreiwegekatalysator
20: Lambda-Sonde
22: Zeit
24: Lambdawert in Brennkammer
26: Lambdawert vor Dreiwegekatalysator
28: Lambdawert vor Speicherkatalysator
30: Lambdawert nach Speicherkatalysator
32: erste Phase
34: zweite Phase
36: dritte Phase
38: vierte Phase
40: Spülluft
42: Sauerstoffspeicherfähigkeit des Dreiwegekatalysators
44: Stickoxidbeladung
46: aktueller Verlauf
48: maximale Basisbeladung
50: maximale Beladung
52: Ventilüberschneidung
54: Rücknahme der Ventilüberschneidung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2011/0072795 A1 [0002]
DE 10053904 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer aufladbaren Brennkraftmaschine (10) zur Erzeugung eines Ausgangsmoments der Brennkraftmaschine (10), mit wenigstens einem Ansaugrohr, wenigstens einer Brennkammer (12) mit wenigstens einem Einlass und wenigstens einem Auslass und einer Abgasanlage (14), in welchem das Ausgangsmoment mit einer Last ausgehend von einem unteren Ausgangsmomentwert bis zu einem oberen Ausgangsmomentwert erhöht wird, wobei bei Ladungswechseln Luftmasse direkt aus dem Ansaugrohr über die wenigstens eine Brennkammer (12) vom Einlass in den Auslass zur Abgasanlage (14) gedrückt wird und die Luftmasse mit Abgas einer in der Brennkammer (12) erfolgten Verbrennung ein abströmendes Gas bildet, dadurch gekennzeichnet dass in der Abgasanlage (14) das von der Brennkammer (12) abströmende Gas mit einem Speicherkatalysator (16) zur Einspeicherung von Stickoxiden in Wirkverbindung gebracht wird.
Verfahren zum Betreiben einer aufladbaren Brennkraftmaschine (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass bei Erreichen des oberen Ausgangsmomentwertes die Brennkraftmaschine (10) mit einer anderen Last, welche kleiner als die Last ist, mit einem unterstöchiometrischen Lambdawert betrieben wird, bis der Speicherkatalysator (16) regeneriert ist.
Verfahren zum Betreiben einer aufladbaren Brennkraftmaschine (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass bei Erreichen einer maximalen Beladung des Speicherkatalysators (16) eine Menge der Luftmasse, welche bei einem Ladungswechsel in die Abgasanlage (14) gedrückt wird, verringert wird und/oder ein Kraftstoff-Luftverhältnis der Brennkraftmaschine (10) angefettet wird.
Verfahren zum Betreiben einer aufladbaren Brennkraftmaschine (10) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet dass während des Regenerierens ein Zündwinkel in einem Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine (10) der wenigstens einen Brennkammer von einem ersten Zeitpunkt auf einen zweiten Zeitpunkt, der früher als der erste Zeitpunkt im Arbeitszyklus liegt, verstellt wird.
Verfahren zum Betreiben einer aufladbaren Brennkraftmaschine (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass während des Erhöhens des Ausgangsmoments die Brennkraftmaschine (10) mit einem stöchiometrischen Lambdawert betrieben wird.
Aufladbare Brennkraftmaschine (10) mit wenigstens einem Ansaugrohr, einer Brennkammer (12) mit wenigstens einem Einlass und wenigstens einem Auslass und einer Abgasanlage (14) mit wenigstens einem Speicherkatalysator (16) zur Einspeicherung von Stickoxiden und einer Steuerungseinheit, welche wenigstens einen Rechner und ein Speicherelement umfasst, dadurch gekennzeichnet dass in dem Speicherelement ein Programm abgelegt ist, welches bei wenigstens teilweiser Ausführung im Rechner die Schritte des Verfahrens zum Betreiben der aufladbaren Brennkraftmaschine gemäß einem der vorstehenden Ansprüche ausführt.
Aufladbare Brennkraftmaschine (10) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet dass die Abgasanlage wenigstens einen Dreiwegekatalysator (18) aufweist oder dass der Speicherkatalysator ein Dreiwegekatalysator (18) mit einer katalytisch aktiven Beschichtung zur Einspeicherung von Stickoxiden ist oder dass der Speicherkatalysator (16) ein Partikelfilter mit einer katalytisch aktiven Beschichtung zur Einspeicherung von Stickoxiden und einer katalytisch in drei Wegen aktiven Beschichtung ist.
Aufladbare Brennkraftmaschine (10) gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet dass der Speicherkatalysator (16) motornah angeordnet ist.
Aufladbare Brennkraftmaschine (10) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet dass der Speicherkatalysator (16) stromab wenigstens eines Dreiwegekatalysators (18) angeordnet ist.
Aufladbare Brennkraftmaschine (10) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet dass die Brennkraftmaschine (10) fremdgezündet ist.