DE19812829B4 - Verfahren für die Regelung einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung mit n Zylindern und einem im Abgasstrom angeordneten Oxidationskatalysator, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine eine selbstzündende Brennkraftmaschine 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, wobei die Androsselung derart erfolgt, dass sich im Abgasstrom des jeweils einzeln angedrosselten Zylinders ein LambdaDR-Wert von 1 oder weniger ergibt und wobei die Androsselung in Abhängigkeit von einer Temperatur des Abgasstroms stromab und/oder stromauf des Katalysators erfolgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung mit n Zylindern und einem im Abgasstrom angeordneten Oxidationskatalysator, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • 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.
  • Aus der DE 39 04 832 C2 ist ein Verfahren zur Leistungssteigerung einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine bekannt, wobei das Saugrohr in zylinderindividuelle Zuführungen aufgeteilt ist, die jeweils eine Drosselklappe enthalten, so dass jeder Zylinder individuell gedrosselt werden kann.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Hierzu werden 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, 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 genannten Merkmalen gelöst.
  • Dazu ist es bei dem Verfahren erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine eine selbstzündende Brennkraftmaschine 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, wobei die Androsselung derart erfolgt, dass sich im Abgasstrom des jeweils einzeln angedrosselten Zylinders ein LambdaDR-Wert von 1 oder weniger ergibt und wobei die Androsselung in Abhängigkeit von einer Temperatur des Abgasstroms stromab und/oder stromauf des Katalysators erfolgt.
  • Zweckmäßigerweise wird jeder Zylinder einzeln derart angedrosselt, 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 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.
  • Weitere 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.
  • 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 TvorKat und nach dem Katalysator 38 TnachKat 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 (7)

  1. Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung mit n Zylindern und einem im Abgasstrom angeordneten Oxidationskatalysator, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine eine selbstzündende Brennkraftmaschine 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, wobei die Androsselung derart erfolgt, dass sich im Abgasstrom des jeweils einzeln angedrosselten Zylinders ein LambdaDR-Wert von 1 oder weniger ergibt und wobei die Androsselung in Abhängigkeit von einer Temperatur des Abgasstroms stromab und/oder stromauf des Katalysators erfolgt.
  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 0,95 oder weniger ergibt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzung düsengesteuert erfolgt, insbeson dere über eine Pumpe-Düse, Pumpe-Leitung-Düse, Common-Rail oder Verteilerpumpe mit Magnetventil.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator vor und/oder während der Androsselung kurzzeitig elektrisch angeheizt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Androsselung derart erfolgt, dass bei der selbstzündenden Verbrennung eine zusätzliche H2-Bildung erfolgt.
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