DE19812829A1 - Vorrichtung und Verfahren für die Regelung einer Innenbrennkraftmaschine - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren für die Regelung einer InnenbrennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Innenbrennkraftmaschine mit
n Zylindern und einem im Abgasstrom angeordneten Katalysator sowie eine Vorrichtung
zum Steuern einer Innenbrennkraftmaschine mit n Zylindern, welche jeweils einen separaten
Ansaugkanal aufweisen.
Die Wirksamkeit von Katalysatoren bei mageren Brennkraftmaschinen, wie beispielsweise
Mager-Otto-, DI-Otto- (Direkteinspritzer) oder DI-Diesel-Motor (Direkteinspritzer), wird durch
niedrige Abgastemperaturen eingeschränkt, weil insbesondere Stickoxide speichernde
Katalysatoren hierbei nicht immer im optimalen Temperaturbereich betrieben werden
können.
Eine Temperaturerhöhung durch Androsselung des Motors über eine Saugrohr-
Drosselklappe oder eine Abgasdrossel bringt hierbei nicht den notwendigen Erfolg. Diese
Maßnahmen senken den Luft- bzw. Abgasmassenstrom und Erhöhen die
Ladungswechselarbeit. Die damit motorisch erzielbare Temperatursteigerung liegt
günstigstenfalls bei 50 Grad, wobei jedoch zusätzlich, je nach Maß der Androsselung, mit
Mehrverbrauch gerechnet werden muß.
Eine weitere Möglichkeit einer Katalysatorerwärmung ist durch Umsetzung der im Abgas
enthaltenen oxidierbaren Schadstoffe CO und HC möglich, sofern hinreichend Sauerstoff für
die Oxidationsreaktion zur Verfügung steht. Insbesondere bei Dieselmotoren ist dieser
Schadstoffgehalt im Abgas jedoch sehr gering, so daß nur geringe Temperaturanhebungen
im Katalysator von 5 Grad bis 15 Grad erzielt werden können.
Mit steigender Androsselung nimmt der CO- und HC-Gehalt des Abgases, insbesondere bei
Unterschreiten der Schwelle Lambda = 1, stark zu. Beispielsweise bei einem DI-Dieselmotor
wird ca. 80% des zusätzlich eingebrachten Kraftstoffes zu CO und die restlichen 20% zu HC
umgewandelt. Ohne hinreichenden Sauerstoffgehalt im Abgas können jedoch diese
Emissionen allenfalls teilweise umgesetzt werden.
Hierzu wird in der DE 195 22 165 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Regelung
einer fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, wobei eine
Abgaskatalysatoreinrichtung von einem Hochtemperaturauspuffgas erwärmt wird, um
Reinigungsfähigkeits-Verringerungssubstanzen von der Katalysatoreinrichtung zu entfernen.
Dabei wird in einigen Zylindern ein Magerverbrennungszustand und in den übrigen Zylindern
eine Fettverbrennung initiiert. Für die Fettverbrennungszylinder wird dabei das fette
Luftkraftstoffverhältnis dadurch erreicht, daß die Luftmenge verringert wird, während die
Kraftstoffmenge konstant bleibt. Um die Strömungsrate der Luft zu regulieren, sind
Bypassleitungen zwischen dem entsprechenden Zylinder des Motors und dem stromauf
gelegenen Drosselventil vorgesehen.
Diese Vorrichtung hat den Nachteil, daß die zusätzlichen Strömungskanäle aufwendig und
deren Auswirkungen auf die Ladungswechselung in den Zylindern schwer abschätzbar und
meist negativ ist, da sich nicht abschätzbare oder negative Strömungsverhältnisse ergeben.
Ferner sind die "Bypassleitungen" durch ihren fest vorgegeben Querschnitt unflexibel in der
Steuerung, müßten für jeden Motor unterschiedlich ausgelegt sein und können nicht an
schwankende Betriebsbedingungen des Motors angepaßt werden.
Das mit dieser Vorrichtung verbundene Verfahren hat den Nachteil, daß es aufgrund des
Leistungsverlustes und des Mehrverbrauchs nur zum kurzzeitigen "Ausgasen" des
Katalysators durch kurzzeitig erhöhte Temperatur, nicht jedoch für eine längerzeitige
Anhebung der Betriebstemperatur des Katalysators geeignet ist. Bei hocheffizienten
Brennkraftmaschinen, wie direkt einspritzende Brennkraftmaschinen und/oder
Dieselbrennkraftmaschinen, ist das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren daher
nicht einsetzbar.
Ferner erfolgt die Drosselung mittels der Bypassleitungen lediglich um einen vorbestimmten
optimalen Wert des Verhältnisses von Luft zu Kraftstoff in der Brennkammer herum. Dies
kann jedoch Schwankungen in der Verbrennung aufgrund unterschiedlicher
Betriebsbedingungen und Lastzustände mit entsprechenden Schwankungen in der
Abgaszusammensetzung nicht unmittelbar berücksichtigen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein
Verfahren der obengenannten Art für hocheffiziente Brennkraftmaschinen zur Verfügung zu
stellen, wobei die obengenannten Nachteile überwunden werden und eine genügend hohe
und lange Erhöhung der Betriebstemperatur eines dem Motor nachgeschalteten
Katalysators erzielt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch
1 gekennzeichneten Merkmalen und durch eine Vorrichtung der o. g. Art mit den in
Anspruch 9 gekennzeichneten Merkmalen gelöst.
Dazu ist es bei dem Verfahren erfindungsgemäß vorgesehen, daß wenigstens einer, zwei
oder maximal n-1 Zylinder derart einzeln angedrosselt werden, daß sich ein Lambda-Wert
des jeweils einzeln angedrosselten Zylinders von 1,5 oder weniger bzw. eine Erhöhung der
CO- und/oder HC-Emission ergibt, wobei die Kraftstoffeinspritzmenge des jeweils einzeln
angedrosselten Zylinders vorteilhaft derart erhöht wird, daß der jeweils einzeln
angedrosselte Zylinder in etwa dieselbe Leistung (bzw. die Leistung, die er ohne
Androsselung abgeben würde), wie die übrigen nicht angedrosselten Zylinder, erbringt.
Erfindungsgemäß sitzt in der Abgasanlage ein Oxidationskatalysator oder ein weiterer
Katalysator, der in der Lage ist, NOx zu speichern. Unter bestimmten Betriebsbedingungen
wird das NOx wieder frei- und umgesetzt, wobei die Stickoxide, insbesondere zu Stickstoff,
Wasser und CO2, abgebaut werden. Die Speicherung erfolgt hierbei, wenn im Abgas ein
Sauerstoffüberschuß beträgt; die Freisetzung bei hohen Temperaturen und/oder bei
Lambda 1 und kleiner, d. h. insbesondere in Gegenwart von HC, H2 und/oder CO im Abgas.
Problematisch ist hierbei jedoch, daß der NOx-Speicher, insbesondere ein Absorber
beispielsweise auf Alkali, Erdalkali, La- bzw. Se-Basis, vergiftet werden kann. Übliche
vergiftende Komponenten sind Schwefeloxide. Diese vergiftenden Substanzen lassen sich
bei sehr hohen Temperaturen entfernen, wobei gewünschtenfalls vor oder nach Erreichen
der hohen Temperatur im Abgasstrom das Lambda auf ≦ 1 eingestellt werden kann. Die
Erfindung bezieht sich insbesondere darauf, die hohe Regenerationstemperatur zu
erreichen.
Im Unterschied zum Stand der Technik werden also nicht alle Zylinder angedrosselt und bei
einigen Zylindern durch einen Bypass die Wirkung der Androsselung reduziert, sondern es
werden nur einzelne Zylinder - nicht alle - durch zugeordnete - nicht auf alle Zylinder
wirkende - Drosseln (auch nur eine Drossel) angedrosselt.
Dies hat den Vorteil, daß in einem oder einzelnen Zylindern neben einer verstärkten
CO-Bildung auch die stabileren HC-Moleküle zumindest teilweise anoxidiert oder gecrackt
werden, wodurch tendenziell der Schadstoffgehalt nach dem Katalysator sinkt, weil eine
Oxidation dieses Schadstoffgemisches leichter möglich und die Betriebstemperatur des
Katalysators dauerhaft erhöht ist, wobei die anderen Zylinder in ihrer vollen
Leistungsfähigkeit und Ansteuerbarkeit voll erhalten bleiben.
Ferner setzt die CO-Oxidation bereits bei geringeren Temperaturen als die HC-Umsetzung
ein, so daß dieses Verfahren in vorteilhafter Weise schon bei niedrigeren
Katalysatortemperaturen als bei einer reinen Späteinspritzung wirksam werden kann.
Zweckmäßigerweise erfolgt die Androsselung derart, daß sich ein Lambda-Wert von 1 oder
weniger, insbesondere von 0,95 oder weniger im angedrosselten Zylinder ergibt.
Für eine nahezu vollständige CO- und HC-Oxidation wird der LambdaDR-Wert derart
eingestellt, daß sich ein LambdaGes-Wert des Gesamtabgases von mindestens 1,
insbesondere von mindestens 1,1 ergibt. Die Zahl der gedrosselten Zylinder sowie deren
Luftverhältnis Lambda richtet sich dabei nach dem gewünschten LambdaGes-Wert.
Bei einem 4-Zylinder-DI-Dieselmotor (1,9 l, Turbolader) im Arbeitspunkt 2000 U/min bei
2 bar Innendruck ergibt sich eine Katalysatortemperaturanhebung von 230 Grad dadurch
daß ein Zylinder auf einen Lambda-Wert von 0,8 angedrosselt wird. Dies kann in
vorteilhafter Weise für eine kurze Anheizung des Katalysators genutzt werden.
Durch eine Temperaturüberwachung stromauf und/oder stromab des Katalysators kann
sichergestellt werden, daß nur bei hinreichender Katalysatortemperatur die Androsselung
erfolgt. Die Androsselung erfolgt nur, wenn das Abgas bzw. der Katalysator eine
Minimaltemperatur hat, bei der er die bei der Androsselung erzeugten Schadstoffe (CO und
HC) auch umsetzen kann; insbesondere bei ≧ 180°C.
Vorteilhaft ist auch eine kurzzeitige elektrische Beheizung des Katalysators, um die
Schadstoffumsetzung einmalig anzustoßen. Die Reaktion läuft danach wegen der hohen
Schadstoffkonzentration selbständig weiter.
Eine verstärkte H2-Bildung im angedrosselten Zylinder senkt in vorteilhafter Weise die
Minimaltemperatur für den Katalysator zusätzlich ab.
Bei der Vorrichtung ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß in wenigstens einem, in zwei
oder maximal n-1 separaten Ansaugkanälen eine zusätzliche Drosselklappe vorgesehen ist.
Dies hat den Vorteil einer einfachen aber gleichzeitig flexiblen und wirkungsvollen
Androsselung, so daß der Anteil oxidierbarer Schadstoffe im Abgas über den gedrosselten
Zylinder für eine nachfolgende Oxidationsreaktion mit entsprechender Erwärmung des
Katalysators erhöht ist, während gleichzeitig die ungedrosselten Zylinder genügend
Sauerstoff für die katalytische Umsetzung und zuverlässige Motorsteuerung bereitstellen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind vor und/oder nach einem im
Abgasstrom angeordneten Katalysator Temperatursensoren angeordnet, welche mit einer
Steuereinrichtung für die Drosselklappe verbunden sind (Grund s. o.).
Die Vorrichtung beinhaltet vorteilhaft die beim Verfahren beschriebenen Merkmale bzw.
Maßnahmen (einzeln und in summa) - und umgekehrt. Weitere Merkmale, Vorteile und
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen,
sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung anhand der beigefügten
Zeichnung.
Diese zeigt in schematischer Darstellung eine bevorzugte Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Ein direkteinspritzender Dieselmotor 10 hat vier Zylinder 12 bis 18. Diese werden über
Einspritzdüsen 20 mit Kraftstoff und über Einlaßventile 22 aus einem Saugrohr 24 mit Luft
versorgt. Das Saugrohr 24 teilt sich dabei in vier separate Strömungskanäle 26 bis 32 für
jeweils einen der Zylinder 12 bis 18 auf.
Über Auslaßventile 34 und einen Abgaskrümmer 36 strömt Abgas von den Zylindern 12 bis
18 weg und über einen ggf. elektrisch beheizten NOx-Speicherkatalysator oder
Oxidationskatalysator 38 ab.
Ein LambdaDR-Wert bezeichnet einen Lambda-Wert des Abgases eines einzelnen
androsselbaren Zylinders, während ein LambdaGes-Wert einen Lambda-Wert des
Gesamtabgases bezeichnet. In vorteilhafter weise werden zusätzlich Temperaturen vor dem
Katalysator 38 Tvor Kat und nach dem Katalysator 38 Tnach Kat gemessen.
In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist eine zusätzliche Einzeldrosselklappe
40 im Strömungskanal 24 des Zylinders 12 vorgesehen. Mit dieser Drosselklappe 40 kann
der Zylinder 12 unabhängig von den übrigen (nicht angedrosselten Zylindern) 14 bis 18
angedrosselt werden.
Die Androsselung des Zylinders 12 bewirkt eine ggf. drastische Erhöhung des Anteils an
oxidierbaren Schadstoffen im Abgas des Zylinders 12 und der Wert LambdaDR dieses
Zylinders 12 kann individuell und unabhängig von den anderen nicht angedrosselten
Zylindern 14 bis 18 eingestellt werden. Die übrigen Zylinder 14 bis 18 arbeiten weiterhin im
mageren Zustand und liefern in ihrem Abgas somit genügend Sauerstoff, so daß eine
ausreichende bis vollständige katalytische Umsetzung der zusätzlichen Schadstoffe CO und
HC am Katalysator erfolgen kann.
Diese verstärkte Oxidationsreaktion erwärmt den Katalysator 38 in gewünschter Weise, so
daß dieser an einem optimalen Betriebspunkt für die Regeneration arbeiten kann, obwohl
die Abgase des Magerbetriebs dies eigentlich nicht zulassen würden. Der Motor 10 kann
insgesamt weiterhin im Magerbetrieb laufen ohne daß eine zusätzliche Dauerbeheizung des
Katalysators 38 erforderlich wäre.
Andererseits kann eine kurzzeitige (insbesondere elektrische) Anheizung des Katalysators
38 zum Anstoßen der katalytischen Oxidation vorteilhaft sein. Nach dem Anlaufen der
Reaktion kann jedoch die zusätzliche elektrische Beheizung abgeschaltet werde, da die
Reaktionsabwärme die katalytische Umsetzung selbsttätig am Laufen hält.
Dieses Verfahren ist insbesondere für düsengesteuerte Direkteinspritzer, wie Pumpe-Düse-
und Pumpe-Leitung-Düse-Systeme geeignet. Auch bei Common-Rail-Systemen ergeben
sich Vorteile gegenüber der hier bisher üblichen reinen Spät- oder Nacheinspritzung.
Insgesamt sinkt der Schadstoffgehalt nach dem Katalysator 38, da durch das
erfindungsgemäße Verfahren eine Regeneration des NOx-Speicherkatalysators leichter
möglich ist.
10
Motor
12
Zylinder
14
Zylinder
16
Zylinder
18
Zylinder
20
Einspritzdüse
22
Einlaßventil
24
Saugrohr
26
Strömungskanal
28
Strömungskanal
30
Strömungskanal
32
Strömungskanal
34
Auslaßventil
36
Abgaskrümmer
38
Katalysator
40
Einzeldrosselklappe
Claims (10)
1. Verfahren zum Steuern einer Innenbrennkraftmaschine mit n Zylindern und einem im
Abgasstrom angeordneten Oxidationskatalysator, dadurch gekennzeichnet, daß die
Innenbrennkraftmaschine eine selbstzündende Innenbrennkraftmaschine mit
Kraftstoffeinspritzung ist, in der wenigstens einer, zwei oder maximal n-1 Zylinder
derart angedrosselt werden, daß sich im Abgasstrom mindestens eines
angedrosselten Zylinders eine Erhöhung der HC- und/oder CO-Emission ergibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhung der HC/CO-
Emission nur derart ist, daß sich im gesamten Abgasstrom ein mittleres λ ≧ 1,1,
vorteilhaft ≧ 1,3 und insbesondere ≧ 1,5 ergibt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kraftstoffeinspritzmenge des jeweils angedrosselten Zylinders derart verändert wird,
daß der jeweils angedrosselte Zylinder in seiner Leistung trotz der Androsselung den
übrigen Zylindern angeglichen ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Androsselung derart erfolgt, daß sich im Abgasstrom des jeweils einzeln
angedrosselten Zylinders ein LambdaDR-Wert von 1 oder weniger, insbesondere von
0,95 oder weniger ergibt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kraftstoffeinspritzung düsengesteuert erfolgt, insbesondere über eine
Pumpe-Düse, Pumpe-Leitung-Düse, Common-Rail oder Verteilerpumpe mit
Magnetventil.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Androsselung in Abhängigkeit von einer Temperatur des Abgasstroms stromab
und/oder stromauf des Katalysators erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
der Katalysator vor und/oder während der Androsselung kurzzeitig elektrisch
angeheizt wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Androsselung derart erfolgt, daß bei der selbstzündenden Verbrennung eine
zusätzliche H2-Bildung erfolgt.
9. Vorrichtung zum Steuern einer selbstzündenden Innenbrennkraftmaschine mit
n Zylindern (12, 14, 16, 18), welche jeweils einen separaten Ansaugkanal (26, 28, 30,
32) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens einem der separaten
Ansaugkanäle (26, 28, 30, 32) eine Drosselklappe (40) vorgesehen ist, und daß über
die Steuervorrichtung wenigstens einer oder maximal n-1 Zylinder derart
androsselbar sind, daß sich im Abgasstrom mindestens eines angedrosselten
Zylinders eine Erhöhung der HC- und/oder CO-Emission ergibt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß vor und/oder nach
einem im Abgasstrom angeordneten Katalysator (38) ein Temperatursensor
angeordnet ist, welcher mit der Steuereinrichtung für die Drosselklappe (40)
verbunden ist.
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