DE10326889B4

DE10326889B4 - Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10326889B4
Application number: DE10326889.8A
Authority: DE
Inventors: Uwe Hofmann; Dr. Hohner Peter
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-06-14
Filing date: 2003-06-14
Publication date: 2016-05-12
Anticipated expiration: 2023-06-15
Also published as: DE10326889A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten mehrzylindrigen Brennkraftmaschine (1) mit – einer mehreren Zylindern der Brennkraftmaschine gemeinsam zugeordneten Drosselklappe (4) zur Einstellung eines den Zylindern zugeführten Luftmengenstroms und – mit einer in einer Abgasleitung (5; 7) angeordneten Abgasreinigungseinheit (6; 8), bei welchem – wenigstens ein Teil der Zylinder in einem λ-Variationsbetrieb mit einem zwischen einer maximalen Luftverhältniszahl λmax und einer minimalen Luftverhältniszahl λmin variierendem Luftkraftstoffgemisch betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Ermittlung eines von der Brennkraftmaschine (1) abzugebenden Soll-Drehmoments Ms, – Ermittlung des dem Bereich zwischen λmax und λmin zugeordneten kleinsten λ-Wirkungsgrades ηλ,min, und der damit verknüpften Drehmomentänderung ΔM, – Verstellen der Drosselklappe (4) derart, dass die dem Betrieb der Brennkraftmaschine (1) mit dem kleinsten λ-Wirkungsgrad ηλ,min entsprechende Drehmomentänderung ΔM ausgeglichen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten mehrzylindrigen Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
In der Europäischen Patentanmeldung EP 0 499 207 A1 ist ein Verfahren beschrieben, bei welchem eine fremdgezündete mehrzylindrige Brennkraftmaschine in einem λ-Variationsbetrieb mit einem Luft-Kraftstoffgemisch mit wechselnden Luftverhältniszahlen (λ) betrieben wird. Die durch die λ-Variation auftretenden drehmomentwirksamen Schwankungen des λ-Wirkungsgrad des werden dabei durch entsprechende Änderungen des Zündzeitpunkts ausgeglichen. Auf diese Weise können Schwankungen des von der Brennkraftmaschine abgegebenen Drehmoments verringert und die Laufruhe verbessert werden.
Charakteristisch für dieses Verfahren ist, dass mit einer Verstellung des wirkungsgradoptimalen Zündzeitpunkts ausschließlich ein entsprechender Anstieg des λ-Wirkungsgrades ausgeglichen werden kann. Dagegen kann umgekehrt eine Verringerung des λ-Wirkungsgrades ausgehend vom wirkungsgradoptimalen Zündzeitpunkt nicht durch eine Verstellung desselben kompensiert werden.
In der WO 98/46 868 A1 wird eine Beheizung einer Speicherfalle beschrieben. Ziel ist das Beheizen eines NOx-Speicherkatalysators zum Zwecke der Entschwefelung. Hierzu ist vorgesehen, das Luft/Kraftstoffverhältnis in allen Zylindern der Brennkraftmaschine zyklisch zwischen einer mageren und einer fetten Einstellung zu modulieren. Um Drehmomentschwankungen zu vermeiden, können der Zündzeitpunkt und die Drosselstellung synchron mit der Luft/Kraftstoffmodulation verändert werden.
In der DE 100 38 655 A1 wird ein Luftkraftstoffverhältnisregelgerät für Brennkraftmaschinen beschrieben. Ziel ist eine Steuerung der Temperatur von Katalysatoren in der Abgasleitung der Brennkraftmaschine. Hierzu ist eine Einspritzschwankungsregelung vorgesehen, bei der das Luftkraftstoffverhältnis zyklisch zwischen einem fetten und einem mageren Wert variiert wird. Zum Konstanthalten des Drehmoments ist vorgesehen, in fetten Phasen den Zündzeitpunkt zu verzögern und die Drossel zu schließen, sowie in mageren Phasen den Zündzeitpunkt vorzuverlegen und die Drossel zu öffnen.
In der DE 199 10 503 C1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur periodischen Desulfatisierung eines Stickoxid- oder Schwefeloxid-Speichers mit Fett/Mager-Motorzylinderaufteilung beschrieben. Hierzu werden kontinuierlich ein Teil der Zylinder mager und ein anderer Teil der Zylinder fett betrieben. Zur Kompensation des Drehmomentabfalls in den mageren Zylindern wird durch Öffnen der gemeinsamen Drosselklappe die Füllung aller Zylinder vergrößert. Zur Kompensation des Drehmomentüberschusses in den fetten Zylindern wird der Zündzeitpunkt auf spät verstellt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, mit welchem eine Brennkraftmaschine in einem λ-Variationsbetrieb mit einem weiten λ-Bereich derart betrieben werden kann, dass die Drehmomentabgabe der Brennkraftmaschine möglichst wenig beeinträchtigt wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass für einen λ-Variationsbetrieb wenigstens eines Teils der Zylinder der Brennkraftmaschine, bei dem die Luftverhältniszahl des diesen Zylindern zugeführten Luftkraftstoffgemischs zwischen einem minimalen Wert λ_max und einem maximalen Wert λ_min variiert, zunächst das von der Brennkraftmaschine abzugebenden Soll-Drehmoment M_s ermittelt wird. Ausgehend von einer Anwendung in einem Kraftfahrzeug ergibt sich dieses aus der aktuellen Fahrsituation und der Leistungsanforderung des Fahrers. In einem weiteren Verfahrensschritt wird der dem Bereich zwischen λ_max und λ_min zugeordnete kleinste λ-Wirkungsgrad η_λ,min und die damit verknüpften Drehmomentänderung ΔM bezüglich einem Betrieb der Brennkraftmaschine bei maximalem λ-Wirkungsgrad η_λ,max ermittelt. Dabei gilt der Zusammenhang ΔM = M_s – η_λ,min·M_s. In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Drosselklappe derart verstellt, dass die dem Betrieb der Brennkraftmaschine (1) mit dem kleinsten λ-Wirkungsgrad η_λ,min entsprechende Drehmomentänderung ΔM ausgeglichen wird.
Dabei wird unter dem λ-Wirkungsgrad η_λ der Anteil am gesamten mechanischen Wirkungsgrad der Verbrennung in den Zylindern der Brennkraftmaschine verstanden, der allein von der Luftverhältniszahl λ des Luft-Kraftstoffgemisches bestimmt wird. Dabei gilt, dass zumindest bei homogener Verbrennung der höchste λ-Wirkungsgrad η_λ,max = 1 bzw. η_λ,max = 100% bei oder geringfügig unterhalb einer Luftverhältniszahl von λ = 1 erreicht wird.
Ausgehend von einem Betrieb mit hinsichtlich des λ-Wirkungsgrads η_λ wenigstens annähernd optimaler Einstellung, d. h. bei einer Luftverhältniszahl, die etwa λ = 1 vor Einstellung des λ-Variationsbetriebs beträgt, erhält die Brennkraftmaschine somit nach der angegebenen Verstellung der Drosselklappe mehr Verbrennungsluft und damit mehr Gemisch. Dadurch steigt das von der Brennkraftmaschine abgegebene Drehmoment M um ΔM. Dabei ist mehreren, vorzugsweise allen Zylindern der Brennkraftmaschine eine gemeinsame Drosselklappe zugeordnet. Bei dem gleichzeitig mit der Drosselklappenverstellung oder unmittelbar nach der Drosselklappenverstellung einsetzenden λ-Variationsbetrieb steht somit selbst bei dem hinsichtlich des λ-Wirkungsgrads ungünstigsten Luftverhältnis das ursprünglich eingestellte Soll-Drehmoment zur Verfügung.
In Ausgestaltung der Erfindung wird eine im λ-Variationsbetrieb auftretende Änderung des λ-Wirkungsgrades η_λ durch eine mittels einer Verstellung des Zündwinkels der vom λ-Variationsbetrieb betroffenen Zylinder vorgenommenen Änderung des Zündwinkelwirkungsgrades η_ZZP ausgeglichen. Auf diese Weise werden Schwankungen des von der Brennkraftmaschine abgegebenen Drehmoments minimiert. Die Verstellung des Zündwinkels bzw. Zündzeitpunkts der von der λ-Variation betroffenen Zylinder bezieht sich dabei auf den wirkungsgradoptimalen Zündzeitpunkt, bei welchem der vom Zündwinkel bestimmte Anteil am gesamten mechanischen Wirkungsgrad der Verbrennung in den Zylindern der Brennkraftmaschine maximal, d. h. gleich eins ist.
Beim erfindungsgemäßen Vorgehen werden vorzugsweise die Zündwinkel aller betroffenen Zylinder identisch verstellt, obwohl eine unterschiedliche Verstellung des Zündwinkels der Zylinder ebenfalls möglich ist.
Mit dem geschilderten erfindungsgemäßen Verfahren kann daher ein λ-Variationsbetrieb bei konstanter Drehmomentabgabe der Brennkraftmaschine und hoher Laufruhe durchgeführt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der λ-Variationsbetrieb durch eine rechteckförmige λ-Schwingung mit einer vorgebbaren Frequenz und einer vorgebbaren Amplitude zwischen einem vorgebbaren Wert λ_min < 1 für die minimale Luftverhältniszahl und einem vorgebbaren Wert λ_max > 1 für die maximale Luftverhältniszahl realisiert. Damit kann der λ-Variationsbetrieb auf die spezielle Ausführungsform der Abgasreinigungseinheit und auf den verfolgten Zweck optimal abgestimmt werden. Beispielsweise ist der im zeitlichen Mittel vorhandene λ-Wert sicher einstellbar. Vorzugsweise kann dieser zusätzlich durch veränderbare Zeitanteile der mageren Phasen bei λ_max > 1 und der fetten Phasen bei λ_min < 1 bestimmt werden. Vorzugsweise sind ferner die Einstellgrenzen in Abhängigkeit vom aktuellen Betriebspunkt einstellbar, so dass jederzeit ein problemloser Betrieb der Brennkraftmaschine gewährleistet ist. Beispielsweise kann eine etwa lineare Abhängigkeit der λ-Amplitude von der Brennkraftmaschinenlast vorgesehen sein, so dass bei kleiner Last nur λ-Schwingungen kleiner Amplitude durchgeführt werden.
Solange sich die den λ-Variationsbetrieb bestimmenden Parameter nicht ändern, bleibt die Drosselklappenstellung und damit bei gleichbleibender Drehzahl auch der von der Brennkraftmaschine angesaugte Luftmengenstrom konstant. Die λ-Änderung wird über die entsprechende Veränderung der Kraftstoffeinspritzmenge der entsprechenden Zylinder eingestellt. Somit wird ein Aufbau von Schwingerscheinungen durch häufige oder periodische Drosselklappenbewegungen vermieden.
Es kann weiter vorteilhaft sein, die genannten Parameter des λ-Variationsbetriebs zeitlich veränderlich zu gestalten. Beispielsweise kann während des λ-Variationsbetriebs die Amplitude der λ-Schwingung nach einer vorgebbaren Abhängigkeit zu- oder abnehmen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Abgasreinigungseinheit einen NOx-Speicherkatalysator und es wird mit Hilfe des λ-Variationsbetriebes eine Aufheizung und/oder eine Desulfatisierung des NOx-Speicherkatalysators durchgeführt. Bei einem abwechselnd mageren und fetten Betrieb gelangt abwechselnd oxidierendes und reduzierendes Abgas zum NOx-Speicherkatalysator. Je nach Amplitude der λ-Variation laufen daher mehr oder weniger starke Reaktionen im NOx-Speicherkatalysator ab, der sich daher mehr oder weniger stark bzw. schnell aufheizt. Auf diese Weise kann der Aufheizprozess des NOx-Speicherkatalysators kontrolliert bzw. geregelt werden und die für eine Desulfatisierung notwendige Temperatur von typischerweise mehr als 650°C erreicht werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Abgasreinigungseinheit einen dem NOx-Speicherkatalysator vorgeschalteten Dreiwege-Katalysator, und die den λ-Variationsbetrieb bestimmenden Parameter werden so gewählt, dass im wesentlichen nur der NOx-Speicherkatalysator aufgeheizt wird. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Dreiwege-Katalysator volumenmäßig deutlich kleiner ausgeführt ist als der nachgeschaltete NOx-Speicherkatalysator. Die insbesondere bei einem λ-Variationsbetrieb in Form einer λ-Rechteckschwingung erzeugten einzelnen ”Pakete” reduzierenden bzw. oxidierenden Abgases werden so überwiegend im NOx-Speichekatalysator zwischengespeichert und heizwirksam umgesetzt. Vorteilhaft ist dabei eine vergleichsweise niedrige Frequenz von etwa 1 Hz oder weniger. Im Dreiwege-Katalysator stellt sich relativ schnell ein stationärer Sättigungszustand ohne chemischen Umsatz ein, und der heizwirksame chemische Umsatz findet im NOx-Speicherkatalysator statt. Infolge der damit erreichbaren gezielten Aufheizung des NOx-Speicherkatalysators lässt sich dieser auf einfache Weise auf die für eine Desulfatisierung notwendige erhöhte Temperatur von etwa 650°C aufheizen, ohne dass eine Überhitzung des vorgeschalteten Dreiwege-Katalysators eintritt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Brennkraftmaschine eine erste Zylindergruppe und eine zweite Zylindergruppe mit jeweils separater Abgasleitung und Abgasreinigungseinheit auf, und der λ-Variationsbetrieb für die erste Zylindergruppe und die zweite Zylindergruppe wird getrennt durchgeführt. Die einer jeweiligen Zylindergruppe zugeordnete Abgasreinigungseinheit kann somit völlig unabhängig einem λ-Variationsbetrieb unterzogen werden. Dies ist insbesondere bei einem als V-Motor mit zwei getrennten Zylinderbänken ausgeführten Brennkraftmaschine von Vorteil.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden die den λ-Variationsbetrieb bestimmenden Parameter für die erste Zylindergruppe und die zweite Zylindergruppe unabhängig voneinander vorgegeben. Damit können beispielsweise für die erste Zylindergruppe und die zweite Zylindergruppe λ-Schwingungen mit unterschiedlicher Amplitude und Frequenz jeweils getrennt vorgegeben werden. Dies ermöglicht eine bedarfsorientierte getrennte Aufheizung der einer jeweiligen Zylindergruppe zugeordneten Abgasreinigungseinrichtung. Die getrennte Vorgabe bezieht sich dabei sowohl auf den Zeitpunkt des Beginns als auch auf die Länge des λ-Variationsbetriebs. Desgleichen können die Werte für λ_min und λ_min sowie die Haltezeiten bei den jeweiligen λ-Werten getrennt eingestellt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen und zugehörigen Beispielen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer als V-Motor mit zwei Zylinderbänken ausgeführten Brennkraftmaschine,
2a, 2b, 2c Diagramme zur Verdeutlichung eines Aufheizvorganges einer Abgasreinigungseinrichtung,
3 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Abhängigkeit des λ-Wirkungsgrads η_λ einer motorischen Verbrennung von der Luftverhältniszahl λ,
4 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Abhängigkeit des Zündwinkelwirkungsgrads η_ZZP einer motorischen Verbrennung vom Zündzeitpunkt,
5 ein schematisches Blockbild einer Steuerstruktur zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
6a bis 6e Diagramme zur Darstellung der Einstellung der Parameter in einem beispielhaften λ-Variationsbetrieb.
In 1 ist schematisch eine Brennkraftmaschine 1 mit zugeordneten Abgasreinigungseinrichtungen 6, 8 dargestellt. Obwohl das weiter unten näher erläuterte Verfahren auch für eine als Reihenmotor ausgebildete Brennkraftmaschine geeignet ist, bei der benachbarte Zylinder in Zylindergruppen aufgeteilt sein können, findet es, wie in 1 dargestellt, vorzugsweise bei einer als V-Motor mit zwei Zylinderbänken 2, 3 ausgeführten Brennkraftmaschine 1 Anwendung. In diesem Fall sind die Zylindergruppen durch zwei Zylinderbänke 2, 3 gebildet. An die Zylinderbänke 2, 3 ist jeweils eine Abgasleitung 5, 7 über einen zugeordneten Abgaskrümmer angeschlossen und nimmt das Abgas der jeweiligen Zylinderbank 2, 3 auf. Von den Abgasleitungen 5, 7 werden die Abgasströme der Zylinderbänke 2, 3 getrennt abgeleitet und der darin jeweils angeordneten Abgasreinigungseinrichtung 6, 8 zugeführt. Diese ist hier jeweils durch einen Dreiwege-Katalysator 9 bzw. 11 und einen nachgeschalteten NOx-Speicherkatalysator 10 bzw. 12 gebildet.
Die Zylinderbänke 2, 3 der Brennkraftmaschine 1 erhalten ihre Verbrennungsluft über eine gemeinsame Luftzufuhrleitung 13, in welcher eine Drosselklappe 4 angeordnet ist, über deren Öffnungsweite die Luftzufuhrmenge für die beiden Zylinderbänke 2, 3 gemeinsam eingestellt werden kann.
Selbstverständlich verfügt die Brennkraftmaschine 1 über eine hier nicht dargestellte elektronische Motorsteuerung zur Steuerung des Motorbetriebs. Die zur Steuerung notwendigen Aktuatoren und Sensoren, wie beispielsweise Gassensoren in den Abgasleitungen 5, 7, sind aus Gründen der Übersichtlichkeit ebenfalls nicht dargestellt.
Bei der hier als magerlauffähiger Ottomotor ausgebildeten Brennkraftmaschine 1 wird zur Erzielung eines niedrigen Kraftstoffverbrauchs ein hoher Zeitanteil der mageren Betriebsphasen angestrebt. In diesen entzieht das in den NOx-Speicherkatalysatoren 10, 12 beispielsweise vorhandene Barium-Carbonat dem dann oxidierenden Abgas Stickoxid (NOx) unter Bildung von festem Barium-Nitrat. Aufgrund der damit verbundenen Materialerschöpfung wird von Zeit zu Zeit eine Regeneration der NOx-Speicherkatalysatoren 10, 12 notwendig. Die sogenannte Nitrat-Regeneration geschieht dadurch, dass die Brennkraftmaschine für eine gewisse Zeit fett betrieben wird. Das in dem resultierenden reduktionsmittelhaltigen Abgas instabile Barium-Nitrat zersetzt sich hierbei wieder unter Rückbildung von Barium-Carbonat und unter Freisetzung von NOx. Letzteres wird von den dann im Abgas vorhandenen Reduktionsmitteln (H₂, CO und HC) an den auf den NOx-Speicherkatalysatoren 10, 12 vorhandenen Edelmetallkomponenten überwiegend zu unschädlichem Stickstoff (N2) reduziert.
Bei Verwendung von schwefelhaltigem Kraftstoff enthält das Abgas Schwefeloxide, welche von den NOx-Speicherkatalysatoren 10, 12 unter Bildung von stabilen Sulfaten aufgenommen werden, was eine fortschreitende Vergiftung der NOx-Speicherkatalysatoren 10, 12 zur Folge hat. Durch eine auch als Desulfatisierung bezeichnete Regenerationsprozedur lassen sich die solcherart vergifteten NOx-Speicherkatalysatoren wieder regenerieren. Die Desulfatisierung erfordert jedoch eine Aufheizung des entsprechenden Stickoxid-Speicherkatalysators 10, 12 über eine Desulfatisierungs-Mindesttemperatur von z. B. 600°C und die zumindest zeitweise Einstellung einer insgesamt reduzierenden Abgaszusammensetzung. Da diese Bedingungen im üblichen Fahrbetrieb selten auftreten, besteht die Notwendigkeit, sie gezielt herbeizuführen.
Für die Desulfatisisierung unter den genannten Randbedingungen hat sich ein λ-Variationsbetrieb bewährt, bei welchem die Brennkraftmaschine 1 mit einem Luftkraftstoffgemisch betrieben wird, dessen Luftverhältniszahl λ mit einer vorgebbaren Amplitude zwischen einem vorgebbaren Minimalwert λ_min < 1 und einem vorgebbaren Maximalwert λ_max > 1 pendelt. Vorzugsweise geschieht dies durch Realisierung einer zumindest annähernd rechteckförmigen λ-Schwingung um einen Mittelwert von vorzugsweise λ = 1 oder geringfügig kleiner. Diese λ-Schwingung findet sich gleichermaßen im von der jeweiligen Zylindergruppe emittierten Abgas wieder, so dass dieses abwechselnd eine oxidierende und eine reduzierende Zusammensetzung aufweist. Insbesondere wegen der mehr oder weniger stark ausgeprägten Eigenschaft des Dreiwege-Katalysators 9 bzw. 11 und besonders des NOx-Speicherkatalysators 10 bzw. 12 Sauerstoff speichern zu können, kommt es in diesen Katalysatoren zu chemischen Reaktionen mit einer entsprechenden Wärmefreisetzung und Aufheizung.
Dabei ist einerseits eine Überhitzung des dem jeweiligen NOx-Speicherkatalysator 10, 12 vorgeschalteten und vorzugsweise motornah angeordneten Dreiwege-Katalysators 9, 11 zu vermeiden. Andererseits ist es anzustreben; dass eine Aufheizung zur Desulfatisierung effizient, d. h. überwiegend im NOx-Speicherkatalysator 10 bzw. 12 auftritt.
Um dies zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, die Dreiwege-Katalysatoren 9, 11 volumenmäßig deutlich kleiner auszuführen als die NOx-Speicherkatalysatoren 10, 12. Vorteilhaft ist ein Volumenverhältnis von etwa 1:8 bis etwa 1:2. Ferner ist es vorteilhaft, die Beschichtung der Dreiwege-Katalysatoren 9, 11 im Sinne einer vergleichsweise geringen Sauerstoffspeicherfähigkeit auszuführen. Ferner ist es vorteilhaft die λ-Schwingung bezüglich Amplitude und Frequenz an die Größenverhältnisse der Katalysatoren derart anzupassen, dass die Umsetzungen hauptsächlich im NOx-Speicherkatalysator 10 bzw. 12 ablaufen. Günstig sind, je nach Größenverhältnis der Katalysatoren, vergleichsweise niedrige Frequenzen von etwa 1 Hz oder weniger und vergleichsweise große Amplituden von etwa 0,1 λ-Werten oder mehr.
In den 2a bis 2c ist ein derartiger Aufheizvorgang anhand von Diagrammen mit einer gemeinsamen Zeitachse verdeutlicht. Dabei ist im Diagramm der 2a der Zeitverlauf der λ-Einstellung einer Zylinderbank dargestellt. Ausgehend von einem Betrieb mit homogener Verbrennung bei λ = 1 wird bei etwa 475 s in den λ-Variationsbetrieb gewechselt, in welchem die Zylinderbank mit einem Luftkraftstoffgemisch betrieben wird, dessen Luftverhältniszahl λ zwischen einem Minimalwert von λ_min = 0,8 und einem Maximalwert von λ_max = 1,2 mit einer Frequenz von etwa 0,5 Hz pendelt. In den 2b bzw. 2c ist der daraus resultierend zeitliche Temperaturverlauf im Dreiwege-Katalysator bzw. NOx-Speicherkatalysator dargestellt. Wie aus dem Diagramm 2c hervorgeht, steigt mit Beginn des λ-Variationsbetriebs die Temperatur T_NSK im NOx-Speicherkatalysator ausgehend von etwa 500°C in etwa 30 s auf über 650°C, d. h. über die zur Desulfatisierung notwendigen Temperatur an. Das Diagramm der 2b verdeutlicht, dass die Temperatur T_TWC im Dreiwege-Katalysator während des λ-Variationsbetriebs demgegenüber annähernd konstant bleibt.
Mit der geschilderten Einstellung eines geeigneten λ-Variationsbetriebs kann daher eine Desulfatisierung der NOx-Speicherkatalysatoren 10, 12 ohne Überhitzung der vorgeschalteten Dreiwege-Katalysatoren 9, 11 durchgeführt werden. Allerdings hat die λ-Variation eine Variation des Wirkungsgrads der Verbrennung zur Folge. In 3 ist der Zusammenhang in einem Diagramm schematisch dargestellt. Wie aus dem Diagramm der 3 hervorgeht, fällt beiderseits eines Werts von etwa λ = 1 der sogenannte λ-Wirkungsgrad η_λ ab. Damit hat eine λ-Variation eine Variation des abgegebenen Drehmoments zur Folge, was aus Gründen des Fahrkomforts zu vermeiden ist. Mit der Forderung, dass es möglich sein muss, eine Desulfatisierung der den Zylinderbänken 2, 3 zugeordneten NOx-Speicherkatalysatoren 10, 12 getrennt durchzuführen, kann eine Drehmomentschwankung infolge eines λ-Variationsbetriebs in einer der Zylinderbänke 2, 3 nicht durch eine λ-synchrone Änderung der Öffnungsstellung der gemeinsamen Drosselklappe 4 kompensiert werden. Eine entsprechende Schwingung der Drosselklappenöffnung würde nämlich eine für beide Zylinderbänke 2, 3 gemeinsame Schwankung der Luftzufuhr zur Folge haben, womit Drehmomentschwankungen, die beispielsweise nur in der ersten Zylinderbank 2 auftreten, nicht kompensiert werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht daher vor, dass ausgehend von einem Betrieb bei λ = 1 unmittelbar vor Beginn des λ-Variationsbetriebs die dabei eintretende maximale Drehmomenteinbuße auf Grund des entsprechenden Absinkens des λ-Wirkungsgrades durch eine entsprechend starke Vergrößerung der Öffnung der Drosselklappe 4 ausgeglichen wird. Eine Änderung der dem kleinsten λ-Wirkungsgrads η_λ,min zugeordneten Luftverhältniszahl kann daher nur zur einer Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads und damit zu einem entsprechenden Drehmomentanstieg führen. Dieser wird jedoch durch einen Zündwinkeleingriff ausgeglichen. Mit der Verstellung des Zündwinkels wird die Vergrößerung des λ-Wirkungsgrads η_λ durch eine gleich große Verminderung des Zündwinkelwirkungsgrads η_ZZP kompensiert und dadurch Drehmomentschwankungen im λ-Variationsbetriebs bei gleichbleibender Drosselklappenstellung vermieden.
Das in 4 dargestellte Diagramm verdeutlicht die Auswirkung eines Zündwinkeleingriffs auf den Zündwinkelwirkungsgrad η_ZZP. Im Diagramm der 4 ist auf der Abszisse in der Einheit °Kw (Grad Kurbelwinkel) der in Drehrichtung gezählte Zündwinkel in Bezug auf den wirkungsgradoptimalen Zündwinkel abgetragen. Die Ordinate gibt den entsprechenden Zündwinkelwirkungsgrad η_ZZP in %-Einheiten an. Wie der eingetragenen Abhängigkeit zu entnehmen ist, nimmt ausgehend vom wirkungsgradoptimalen Zündwinkel der Zündwinkelwirkungsgrad η_ZZP mit zunehmender Zündwinkelspätverstellung monoton ab. Somit kann durch eine Zündwinkelspätverstellung ein Anstieg des λ-Wirkungsgrads drehmomentwirksam ausgeglichen werden.
Nachfolgend wird anhand der 5 das erfindungsgemäße Verfahren anhand einer zu dessen Ausführung geeigneten Steuerstruktur erläutert. Diese Steuerstruktur ist in Form eines entsprechenden Steuerprogramms beispielsweise in einem Speicher des nicht dargestellten elektronischen Steuergeräts implementiert.
Mit Hilfe der Steuerstruktur werden aus den durch die Blöcke 40 bis 45 und 61 repräsentierten eingelesenen Eingangsgrößen unter Verwendung der durch die Blöcke 46 bis 49 und 53 bis 56 dargestellten Kennlinien die durch die Blöcke 57 bis 60 und 63 repräsentierten Ausgangsgrößen erzeugt. Nachfolgend wird auf das Zusammenwirken der Blöcke im einzelnen eingegangen, wobei ohne Einschränkung der Allgemeinheit angenommen wird, dass ein λ-Variationsbetrieb mit einer λ-Rechteckschwingung eingestellt wird.
Zunächst werden in den Blöcken 40 und 41 bzw. 42 und 43 die vorgegebenen Werte für den Maximalwert λ_max und den Minimalwert λ_min der durchzuführenden λ-Schwingung für die erste Zylinderbank 2 bzw. die zweite Zylinderbank 3 eingelesen. Analog werden die entsprechenden Sollfrequenzen f₁ und f₂ der λ-Schwingung in den Blöcken 44 und 45 eingelesen. Durch Verknüpfung dieser Werte in den Blöcken 50 und 51 werden die zeitlichen λ-Verläufe λ₁(t) und λ₂(t) für die erste Zylinderbank 2 und die zweite Zylinderbank 3 ermittelt und als Steuergröße in den Ausgabeblöcken 57 und 58 ausgegeben. Hierbei muss betont werden, dass die jeweiligen Vorgaben sowohl zeitlich als auch wertemäßig unabhängig voneinander getroffen werden können. Die Vorgabewerte werden auf Grund hier nicht näher diskutierter Bedingungen wie beispielsweise Fahrzustand, Motorlast, Vergiftungsgrad des NOx-Speicherkatalysators 10 bzw. 12 und dergleichen festgelegt.
Weiter werden aus den λ-Extremal-Vorgaben (Blöcke 40 bis 43) in den Kennlinienblöcken 46 bis 49 die jeweils zugehörigen einzelnen λ-Wirkungsgrade η_λ(λ_max) bzw. η_λ(λ_min) ermittelt und an den Block 52 weitergeleitet. Im Block 52 erfolgt die Ermittlung des kleinsten λ-Wirkungsgrads η_λ,min aus der Menge der eingegebenen vier einzelnen Mindestwerte.
Der Wert n_λ,min für den kleinsten λ-Wirkungsgrad wird an den Block 62 weitergeleitet. In diesen Block 62 wird auch der im Block 61 eingelesene Wert DK(M_s) für die bei wirkungsgradoptimalem λ und Zündzeitpunkt ZZP zur Erzielung des geforderten Soll-Drehmoments M_s einzustellende Drosselklappenstellung geleitet. Im Bock 62 wird bei gleichzeitiger Umrechnung auf Prozentwerte die, gegebenenfalls geänderte, korrigierte Drosselklappenstellung DK_korr(M_s) ermittelt, mit welcher der im Block 52 ermittelte minimale λ-Wirkungsgrad η_λ,min drehmomentmäßig gerade ausgeglichen wird. Der Wert DK_korr(M_s) wird an den Ausgabeblock 63 weitergeleitet, was zur Einstellung der entsprechenden Drosselklappenstellung führt.
Mit der geschilderten Vorgehensweise wird demnach der bei dem kleinsten λ-Wirkungsgrad auftretende Drehmomentverlust durch eine entsprechende Drosselklappeneinstellung kompensiert. Nachfolgend wird die Vorgehensweise zur zündwinkelbasierten Kompensation einer Drehmomentänderung im λ-Variationsbetrieb eingegangen.
Hierzu werden die in den Blöcken 46 bis 49 ermittelten, den λ-Extremalwerten entsprechenden einzelnen λ-Wirkungsgrade η_λ nach einer Prozentumrechnung und unter Berücksichtigung des kleinsten λ-Wirkungsgrade η_λ,min den Kennlinienblocken 53 bis 56 für den Zündwinkelwirkungsgrad η_ZZP zugeführt. Hier wird festgestellt, ob in einer Zylinderbank eine λ-Einstellung vorliegt, die einem höheren Wirkungsgrad als dem Mindestwirkungsgrad η_λ,min entspricht. Ist dies der Fall, so wird die entsprechende Wirkungsgraddifferenz ermittelt und weiter diejenige Zündwinkelverstellung ermittelt, die diese Wirkungsgraddifferenz kompensiert. Nach Berücksichtigung der Frequenzen der λ-Schwingungen stehen somit die einzustellenden zeitlichen Zündwinkelverläufe ZZP₁(t) und ZZP₂(t) für die beiden Zylinderbänke 2, 3 fest und werden über die Ausgabeblöcke 59 und 60 ausgegeben.
Es ist vorgesehen, dass die in der 5 dargestellte Steuerstruktur in kurzen Abständen von etwa 10 Millisekunden wiederholt durchlaufen wird, so dass die Parameter des λ-Variationsbetriebs auch gleitend geändert werden können.
Anhand der in den 6a bis 6e dargestellten Zeitdiagramme wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 die Vorgehensweise für ein Einstellungsbeispiel erläutert. Dabei sind in den Diagrammen der 6a und 6b bzw. 6c und 6d die Zeitverläufe für die Luftverhältniszahlen λ₁(t) und die Zündwinkeländerungen ΔZZP₁(t) der ersten Zylinderbank 2 bzw. λ₂(t) und ΔZZP₂(t) für die zweite Zylinderbank 3 dargestellt. Die Zündwinkeländerungen ΔZZP beziehen sich dabei auf den wirkungsgradoptimalen Zündzeitpunkt. Im Diagramm der 6e ist die sich entsprechend der Regelstruktur nach 5 ergebende Änderung ΔDK = DK_korr(M_s) – DK(M_s) der Drosselklappenöffnung gegenüber der bei wirkungsgradoptimalen Bedingungen vorhandene Drosselklappenöffnung DK(M_s) in willkürlichen Einheiten aufgetragen. Die Diagramme der 6a bis 6e weisen dabei eine gemeinsame Skalierung für die Zeitachse auf.
Entsprechend dem Diagramm der 6a wird von 0 s bis 7 s ein λ-Variationsbetrieb der ersten Zylinderbank 2 durchgeführt. Dieser besteht aus einer rechteckförmigen λ-Schwingung zwischen λ = 0,9 und λ = 1,1 mit einer Frequenz von 1 Hz. Entsprechend dem Diagramm der 6c wird bei der zweiten Zylinderbank zwischen 3 s und 10 s ein ähnlicher λ-Variationsbetrieb zwischen λ = 0,8 und λ = 0,9 mit einer Frequenz von 0,5 Hz durchgeführt.
Betrachtet wird nachfolgend zunächst der Zeitraum zwischen 0 s und 3 s, in welchem nur bei der ersten Zylinderbank 2 ein λ-Variationsbetrieb eingestellt ist. Der kleinste λ-Wirkungsgrad η_λ,min tritt hier bei λ₁ = 1,1 auf, weshalb die Drosselklappe um den Betrag ΔDK = Δ1 gegenüber der Stellung vor Beginn des λ-Variationsbetriebs (t < 0) weiter geöffnet wird (vergl. 6e) und die maximal eintretende Drehmomenteinbuße damit genau kompensiert wird. Bei einem λ-Wert von λ₁ = 1,1 erfolgt demzufolge keine Verstellung des optimalen Zündwinkels ZZP₁ der ersten Zylinderbank 2. Bei einem λ-Wert von λ₁ = 0,9 ist der λ-Wirkungsgrad η_λ jedoch größer als η_λ,min, weshalb hier die für η_λ,min eingestellte Drosselklappenöffnung Δ1 einer Drehmoment-Überkompensation entspricht und damit einen Drehmomentanstieg der ersten Zylinderbank 2 bedeuten würde. Um dies zu vermeiden, wird daher bei einem λ-Wert von λ₁ = 0,9 der Zündwinkel bei der ersten Zylindergruppe 2 um etwa 12°Kw nach spät verstellt und somit der Zündwinkelwirkungsgrad η_ZZP bei dieser Zylindergruppe um denjenigen Betrag vermindert, um den der λ-Wirkungsgrad ansteigt. Im Zeitraum zwischen 0 s und 3 s pendelt daher der Zündwinkel ΔZZP₁ der ersten Zylinderbank 2 gegenphasig zur Luftverhältniszahl λ₁ zwischen 0°Kw und etwa 12°Kw (vergl. 6a und 6b) und das von der ersten Zylinderbank 2 abgegebene Drehmoment bleibt konstant.
Mit der um Δ1 vergrößerten Drosselklappenöffnung erhält jedoch auch die weiterhin bei λ₂ = 1,0 betriebene zweite Zylinderbank 3 mehr Gemisch, sodass das von ihr abgegebene Drehmoment ansteigen würde. Zur Vermeidung dieses Drehmomentanstiegs wird daher der Zündwinkel ZZP₂ der zweiten Zylinderbank 3 um den Betrag von etwa ΔZZP₂ = 12,5°Kw nach spät verstellt (vergl. 6d). Folglich bleibt auch das von der zweiten Zylinderbank 3 abgegebene Drehmoment konstant und damit das insgesamt von der Brennkraftmaschine 1 abgegebene Drehmoment konstant auf dem eingestellten Sollmoment M_s.
Betrachtet wird nachfolgend der Zeitraum zwischen 3 s und 7 s, in welchem bei beiden Zylinderbänken 2, 3 ein λ-Variationsbetrieb eingestellt ist. Entsprechend den λ-Vorgabewerten tritt nun der kleinste λ-Wirkungsgrad η_λ,min bei λ₂ = 1,2 auf. Dieser ist entsprechend dem Diagramm der 3 kleiner als zuvor, weshalb die Drosselklappeöffnung auf ΔDK = Δ2 vergrößert wird (vergl. 6e). Damit wird die maximal eintretende Drehmomenteinbuße ebenfalls wieder genau kompensiert. Bei einem λ-Wert von λ₂ = 1,2 erfolgt demzufolge keine Verstellung des optimalen Zündwinkels ZZP₂ der zweiten Zylinderbank 3. Bei einem λ-Wert von λ₂ = 0,8 ist der λ-Wirkungsgrad η_λ jedoch größer als η_λ,min, weshalb hier die für η_λ,min eingestellte Drosselklappenöffnung Δ1 einer Drehmoment-Überkompensation entspricht und damit einen Drehmomentanstieg bedeuten würde. Um dies zu vermeiden, wird daher bei einem λ-Wert von λ₂ = 0,8 der Zündwinkel um etwa 16°Kw nach spät verstellt und somit der Zündwinkelwirkungsgrad η_ZZP um denjenigen Betrag vermindert, um den der λ-Wirkungsgrad ansteigt. Im Zeitraum zwischen 3 s und 10 s pendelt daher der Zündwinkel ΔZZP₂ gegenphasig zur Luftverhältniszahl λ₂ zwischen 0°Kw und etwa 16°Kw (vergl. 6d) und das von der zweiten Zylinderbank 3 abgegebene Drehmoment bleibt konstant.
Mit der auf Δ2 vergrößerten Drosselklappenöffnung erhält jedoch auch die weiterhin zwischen λ₁ = 0,9 und λ₁ = 1,1 betriebene erste Zylinderbank 2 mehr Gemisch, sodass das von ihr abgegebene Drehmoment auch bei dem hinsichtlich des λ-Wirkungsgrads ungünstigsten Wert von λ₁ = 1,1 ansteigen würde. Zur Vermeidung dieses Drehmomentanstiegs wird daher der Zündwinkel ZZP₁ der ersten Zylinderbank 2 bei λ₁ = 1,1 um den Betrag von etwa ΔZZP₁ = 15°Kw nach spät verstellt (vergl. 6b). Bei λ₁ = 0,9 ist eine noch weiter gehende Zündwinkelverstellung von etwa ΔZZP₁ = 17°Kw erforderlich. Dadurch bleibt auch das von der ersten Zylinderbank 2 abgegebene Drehmoment konstant und damit das insgesamt von der Brennkraftmaschine 1 abgegebene Drehmoment konstant auf dem eingestellten Sollmoment M_s.
Betrachtet wird nachfolgend der Zeitraum zwischen 7 s und 10 s, in welchem nur bei der zweiten Zylinderbank 3 ein λ-Variationsbetrieb eingestellt ist. Entsprechend den λ-Vorgabewerten tritt der kleinste λ-Wirkungsgrad η_λ,min weiterhin bei λ₂ = 1,2 auf. Die Drosselklappenöffnung bleibt daher ebenfalls auf ΔDK = Δ2 (vergl. 6e). Damit wird die maximal eintretende Drehmomenteinbuße weiterhin genau kompensiert. Ebenfalls unverändert bleibt der Zeitverlauf der Zündwinkelverstellung ΔZZP₂ der zweiten Zylinderbank 3. Sie pendelt weiterhin gegenphasig zur Luftverhältniszahl λ₂ zwischen 0°Kw und etwa 16°Kw (vergl. 6d) und das von der zweiten Zylinderbank 3 abgegebene Drehmoment bleibt folglich konstant.
Mit der weiterhin auf Δ2 vergrößerten Drosselklappenöffnung erhält jedoch die nunmehr konstant bei λ₁ = 1,0 betriebene erste Zylinderbank 2 vergleichsweise zu viel Gemisch und gibt somit zuviel Drehmoment ab. Daher wird der Zündwinkel ZZP₁ der ersten Zylinderbank 2 konstant um den Betrag von etwa ΔZZP₁ = 17°Kw nach spät verstellt (vergl. 6b). Dadurch bleibt auch das von der ersten Zylinderbank 2 abgegebene Drehmoment konstant und damit das insgesamt von der Brennkraftmaschine 1 abgegebene Drehmoment konstant auf dem eingestellten Sollmoment M_s.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten mehrzylindrigen Brennkraftmaschine (1) mit – einer mehreren Zylindern der Brennkraftmaschine gemeinsam zugeordneten Drosselklappe (4) zur Einstellung eines den Zylindern zugeführten Luftmengenstroms und – mit einer in einer Abgasleitung (5; 7) angeordneten Abgasreinigungseinheit (6; 8), bei welchem – wenigstens ein Teil der Zylinder in einem λ-Variationsbetrieb mit einem zwischen einer maximalen Luftverhältniszahl λ_max und einer minimalen Luftverhältniszahl λ_min variierendem Luftkraftstoffgemisch betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Ermittlung eines von der Brennkraftmaschine (1) abzugebenden Soll-Drehmoments M_s, – Ermittlung des dem Bereich zwischen λ_max und λ_min zugeordneten kleinsten λ-Wirkungsgrades η_λ,min, und der damit verknüpften Drehmomentänderung ΔM, – Verstellen der Drosselklappe (4) derart, dass die dem Betrieb der Brennkraftmaschine (1) mit dem kleinsten λ-Wirkungsgrad η_λ,min entsprechende Drehmomentänderung ΔM ausgeglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine im λ-Variationsbetrieb auftretende Änderung des λ-Wirkungsgrades η_λ durch eine mittels einer Verstellung des Zündwinkels der vom λ-Variationsbetrieb betroffenen Zylinder vorgenommenen Änderung des Zündwinkelwirkungsgrades η_ZZP ausgeglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der λ-Variationsbetrieb durch eine rechteckförmige λ-Schwingung mit einer vorgebbaren Frequenz und einer vorgebbarer Amplitude zwischen einem vorgebbaren Wert λ_min < 1 für die minimale Lufverhältniszahl und einem vorgebbaren Wert λ_max > 1 für die maximale Luftverhältniszahl realisiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasreinigungseinheit (6; 8) einen NOx-Speicherkatalysator (10; 12) umfasst und eine Aufheizung und/oder Desulfatisierung des NOx-Speicherkatalysator (10; 12) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasreinigungseinheit (6; 8) einen dem NOx-Speicherkatalysator (10; 12) vorgeschalteten Dreiwege-Katalysator (9; 11) umfasst, und die den λ-Variationsbetrieb bestimmenden Parameter so gewählt werden, dass im wesentlichen nur der NOx-Speicherkatalysator (10; 12) aufgeheizt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) eine erste Zylindergruppe (2) und eine zweite Zylindergruppe (3) mit jeweils separater Abgasleitung (5; 7) und Abgasreinigungseinheit (6; 8) aufweist und der λ-Variationsbetrieb für die erste Zylindergruppe (2) und die zweite Zylindergruppe (3) getrennt durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die den λ-Variationsbetrieb bestimmenden Parameter für die erste Zylindergruppe (2) und die zweite Zylindergruppe (3) unabhängig voneinander vorgegeben werden.