DE3906296A1 - Verfahren zur reduzierung der abgasemissionen eines ottomotors mit abgasnachbehandler beim kaltstart - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung der Abgasemissionen eines Ottomotors mit Abgasnachbe­ handler beim Kaltstart.

Beim Kaltstart und Warmlauf von Kraftfahrzeugmotoren entstehen hohe Verbrauchs- und Emissionsspitzen in den ersten Minuten des Betriebs, bis sich eine aus­ reichende Betriebstemperatur eingestellt hat. Haupt­ ursache ist die erhöhte Zugabe von Brennstoff durch die sogenannte Kaltstart- bzw. Warmlaufanreicherung, die erforderlich ist, um einen schnellen Start und die Aufheizung des Motors und seiner Verbrennungsor­ gane zu bewerkstelligen, sowie die stark erhöhten Reibungsverluste des Motors zu überwinden. Dieser Brennstoffüberschuß verbrennt nicht oder nur ungenü­ gend und verursacht dadurch erhöhte schädliche Abgas­ emissionen. In dieser Aufheizphase sind auch Abgas­ katalysatoren, beispielsweise Drei-Wege-Katalysatoren für Ottomotoren, ohne große Wirkung. Die Wirkung oder Konversionsrate der Katalysatoren hängt von der Be­ triebstemperatur ab. Für eine ausreichende Katalysa­ torwirkung ist eine Temperatur von mindestens etwa 360°C erforderlich. Dies bedeutet, daß die Abgase eine entsprechend hohe Temperatur erreichen müssen, bevor der Katalysator "anspringt". Die beim Kaltstart auftretenden hohen Emissionsspitzen treffen demnach auf einen Abgaskatalysator, der seine Wirkung noch nicht entfalten kann.

Somit besteht der Wunsch, einen in kaltem Zustand gestarteten Motor so rasch wie möglich auf die opti­ male Betriebstemperatur zu bringen, den hohen Brenn­ stoffüberschuß und die hohen Abgasemissionen abzu­ bauen und gleichzeitig den Einritt der vollen Wirkung einer nachgeschalteten Abgasaufbreitungsanlage zu beschleunigen.

Der häufig diskutierte Einsatz von Wärmespeichern, um das Abgas vor Eintritt in den Katalysator aufzuwärmen oder um den Katalysator selbst aufzuwärmen, hätte zwar den Vorteil, daß die Heizenergie aus der Abfall­ wärme gewonnen werden kann, ist aber ebenfalls mit großen Schwierigkeiten behaftet. Hierzu gehört in erster Linie das Problem, den Wärmespeicher so aus­ zulegen und gegen Wärmeverluste zu schützen, daß Aufheiztemperaturen im Bereich der Anspringtempe­ ratur des Katalysators von etwa 360°C realisiert werden können. Beim Aufheizen des Katalysators durch Wärmespeicher kommt erschwerend hinzu, daß Katalysa­ tor und Wärmespeicher vor einer Überhitzung durch die Abgase im Vollastbetrieb geschützt werden müssen.

Als Ausweg hat man eine elektrische Abgasheizung vorgeschlagen. Die elektrische Aufheizung der Abgase beim Kaltstart hat aber eine hohe Batteriebelastung zur Folge, die mit der hohen Batteriebelastung durch den Betrieb des Motorstarters zusammenfällt. Die Wirkung ist vergleichsweise bescheiden. Außerdem ist ein hoher Bauaufwand erforderlich, weil die Bau­ teile für die elektrische Beheizung die hohen Abgas­ temperaturen bei Vollast aushalten müssen und der korrosiven Wirkung der Abgase ausgesetzt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Emis­ sionen hinter dem Abgasnachbehandler eines Ottomotors beim Kaltstart zu reduzieren und dabei zugleich die Batteriebelastung und den Bauaufwand zu minimieren.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Brennluft vor deren Eintritt in den Verbrennungsraum des Motors kurzzeitig intensiv elektrisch beheizt wird.

Zwar ist die Brennluftbeheizung bei Verbrennungsmoto­ ren an sich bekannt. Man hat sie eingesetzt, um die Zündung des Dieselmotors beim Kaltstart zu erleich­ tern, oder um den Rundlauf bei Ottomotoren mit Heiz­ leistungen von ca. 500 W zu verbessern. Hierbei wird wegen der begrenzten Leistung des Bordgenerators die elektrische Leistung möglichst niedrig angesetzt. Die besonderen Vorteile einer kurzzeitigen intensiven Brennluftheizung aus in der Batterie gespeicherter Energie beim Betrieb eines Ottomotors mit einem Ab­ gasnachbehandler und einer deutlichen Erhöhung der Brennlufttemperaturen mit elektrischen Heizleistungen von 1 und mehr kW hat man jedoch nicht erkannt. Des­ halb hat man bei Motoren mit Abgasnachbehandler statt der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennluftheizung die Beheizung der aus dem Motor austretenden Abgase versucht.

Die Vorteile der vorgeschlagenen Lösung bestehen da­ rin daß die kurzzeitige intensive Temperaturerhöhung der Brennluft durch die Motorverdichtung multipli­ ziert und auf einem höheren Temperaturniveau wirksam wird, so daß insbesondere die Wände des Verbrennungs­ raums der schnellen Aufheizung unterworfen werden, weil die so zugeführte Wärme von innen angreift und ein hohes Temperaturniveau hat. Zu diesen Wirkungen gehört die Beeinflussung der Verbrennung durch die Wandtemperatur des Brennraums und die Reduzierung der Kolbenreibung durch den sich schneller aufheizenden Schmierölfilm. Zusätzlich wird ein Verstärkungsme­ chanismus hinsichtlich der durch die Motorkompression freigesetzten Wärme in Gang gesetzt. Diese Wärme ist abhängig vom Polytropenexponenten, der mit den Wand­ temperaturen zunimmt. Dadurch ist sichergestellt, daß die Luft im Verbrennungsraum kurzfristig ausrei­ chend hohe Temperaturen erreicht. Aufgrund experi­ menteller Erfahrungen kann davon ausgegangen werden, daß die Temperaturerhöhung der Brennluft schon nach wenigen Sekunden intensiver Brennluftheizung eine drastische Rücknahme der überschüssigen Brennstoff­ zugabe beim Kaltstart und Warmlauf des Motors ermög­ licht.

Die Verdichtungsendtemperatur ist verfahrenstechnisch von großer Bedeutung. Eine genügend hohe Verdich­ tungsendtemperatur begünstigt sowohl die Zündung als auch den nachfolgenden Verbrennungsablauf bei kalten Motoren. Ein weiterer Vorteil der Erwärmung der Verbrennungsluft liegt darin, daß die durchge­ setzte Luftmenge abhängig von der Temperaturerhöhung abnimmt. Dadurch ist es möglich, von vornherein einen hohen Ausbrand der eingesetzten Kraftstoffmenge zu sichern, so daß sich Erhöhungen der Abgastempera­ turen einstellen, die wesentlich höher sind, als die Temperaturerhöhung der Brennluft durch die erfin­ dungsgemäße Beheizung. Hieraus ergibt sich nicht nur, daß die vom Motor abgegebenen Abgasemissionen drastisch sinken, sondern auch, daß nachgeschaltete Abgasbehandler schneller wirksam werden.

Die Brennluftheizung reduziert das Startdrehmoment des Motors durch die Absenkung der Kolbenheizung und entlastet damit die Batterie, gleichzeitig wird die Startdrehzahl erhöht, so daß eine schnellere Zündung erfolgt und sich - wie erwähnt - eine höhere Ver­ dichtungsendtemperatur einstellt. Hierdurch kann die Gesamtleistung der Batterie beim Kaltstart gegebenen­ falls niedriger liegen als die Batteriebelastung ohne Brennluftheizung.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß die Brennstoffzugabe nach einem zeitlichen Vorlauf von Brennluftheizung und Motorstarter erfolgt.

Dadurch wird vor der ersten Zündung des Brennstoffs der auf die Heizeinrichtung folgende Ansaugbereich und der Verbrennungsraum vorgewärmt. Nach einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform wird dabei der Motorstarter gegenüber der Brennluftheizung verzögert zugeschaltet.

Dies erweist sich besonders vorteilhaft bei einer weiteren Ausgestaltung, nach der die Brennluft durch einen Latentwärmespeicher vorgewärmt und durch eine elektrische Heizvorrichtung vor dem Eintritt in den Verbrennungsraum nachbeheizt wird. Der Latentwärme­ speicher kann durch Wärme aus dem Kühlkreislauf des Motors versorgt werden.

Hierdurch wird die Batteriebelastung weiter redu­ ziert, weil ein Teil der Heizenergie der Abfallwärme des Motors entnommen wird. Andererseits treten die bei der Abgasbeheizung in Verbindung mit Latentwärme­ speichern bestehenden Probleme bei der Brennlufthei­ zung nicht auf und im Falle eines Wärmeverlusts bei längerer Stillstandszeit kann die Brennluftheizung zu einem wesentlichen Teil oder vollständig von der elektrischen Heizvorrichtung übernommen werden.

Im übrigen kann die Brennluftheizung, insbesondere die aus dem Kühlkreislauf des Motors versorgte Brenn­ luftheizung, beim weiteren Betrieb des Motors einge­ schaltet werden, wenn ein Betriebszustand mit Tempe­ raturdefizit festgestellt wird.

Anhand der nun folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Vier­ zylinder-Ottomotors mit einer Brennluft­ heizung vor dem Luftverteiler und

Fig. 2 eine ähnliche Darstellung mit einer jedem Zylinder gesondert zugeordneten Brennluft­ heizung in dessen Luftansaugkanal.

In den Figuren ist ein Vierzylinder-Ottomotor allge­ mein mit 10 bezeichnet. Die Zylinder A, B, C und D sind über Abgaskanäle 12 a, 12 b, 12 c und 12 d mit einer Auspuffleitung 14 verbunden, in der ein Abgasnachbe­ handler 16 angeordnet ist.

Eine Luftansaugleitung 18 ist über Luftansaugkanäle 20 a, 20 b, 20 c und 20 d mit den einzelnen Motorzylin­ dern A-D verbunden.

In Fig. 1 ist in der Luftansaugleitung 18 eine elek­ trische Widerstandsheizung 22 angeordnet, die ihre elektrische Versorgung von einer Fahrzeugbatterie 24 über Leitungen 26 und 28 erhält.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform sind in den Luftansaugkanälen 20 a-20 d jeweils elektrische Widerstandsheizungen 22 a, 22 b, 22 c und 22 d angeord­ net, die in gleicher, nicht gezeigter Weise aus der Fahrzeugbatterie gespeist werden können.

Stromauf von der Widerstandsheizung 22 oder den Wi­ derstandsheizungen 22 a-22 d kann in der Luftansaug­ leitung 18 eine mit einem Latentwärmespeicher verse­ hene Vorwärmeinrichtung vorgesehen sein. Diese kann beispielsweise aus einem abgasbeheizten Wärmespeicher bestehen, der zur Aufheizung vom Motorabgas und zur Wärmeabgabe von der Brennluft durchströmt wird, oder aus einem durch das Motorkühlwasser beheizten Wär­ mespeicher, der seine Wärme über einen Wärmetauscher an die Brennluft abgibt.

Claims (5)

1. Verfahren zur Reduzierung der Abgasemissionen eines Ottomotors mit Abgasnachbehandler beim Kalt­ start, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennluft vor deren Eintritt in den Verbrennungsraum des Motors kurzzeitig intensiv elektrisch beheizt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Brennstoffzugabe nach einem zeitli­ chen Vorlauf von Brennluftheizung und Motorstarter erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Motorstarter gegenüber der Brenn­ luftheizung verzögert zugeschaltet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennluft durch einen Latentwärmespeicher vorgewärmt und durch eine elektrische Heizvorrichtung vor dem Eintritt in den Verbrennungsraum nachbeheizt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim weiteren Betrieb des Motors die Brennluftheizung eingeschaltet wird, wenn ein Betriebszustand mit Temperaturdefizit festge­ stellt wird.