DE10050473A1 - Verfahren zum schnellen Aufheizen eines Abgaskatalysators an einer Kolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen Aufheizung einer katalytisch wirkenden Abgasreinigungseinrichtung an einer Mehrzylinder-Kolbenbrennkraftmaschine mit voll variabel ansteuerbaren Ventiltrieben der Gaswechselventile und steuerbarer Kraftstoffeinspritzeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventiltriebe und/oder die Kraftstoffeinspritzeinrichtung für jeweils wenigstens einen Zylinder in der Weise gezielt angesteuert werden, daß wechselnd ein Arbeiten im Fettbetrieb (lambda < 1,0) und im Magerbetrieb (lambda > 1,0) erfolgt.

Description

Um an einer Kolbenbrennkraftmaschine eine nachgeschaltete ka­ talytisch wirkende Abgasreinigungseinrichtung schnellstmög­ lich auf ihre Ansprechtemperatur aufheizen zu können, ist es bekannt, die in der Startphase im Abgas enthaltenen oder durch eine Anfettung hervorgerufenen Überschüsse an Kohlen­ wasserstoffen und brennbaren Abgasanteilen durch eine Sekun­ därlufteinblasung in den Abgastrakt nachzuverbrennen. Die hierbei freigesetzte Wärmeenergie führt zu einem deutlichen Temperaturanstieg im Abgas und damit zu einer schnelleren Aufheizung des Katalysators.

Dieses Verfahren kann in der Praxis jedoch nur durch einen zusätzlichen Anlagenteil erreicht werden, der im wesentlichen aus einer Pumpe und einem zusätzlichen Kanalsystem mit in der Regel über die Motorsteuerung steuerbare Klappen besteht.

Bei mehrzylindrigen Kolbenbrennkraftmaschinen mit vollvaria­ bel ansteuerbaren Ventiltrieben für die Gaswechselventile, insbesondere mit Ventiltrieben in Form von elektromagneti­ schen Aktuatoren ist es möglich, über eine zugeordnete Motor­ steuerung die Öffnungs- und Schließzeiten sowohl der Gasein­ laßventile als auch der Gasauslaßventile praktisch beliebig anzusteuern, wobei lediglich gewährleistet sein muß, daß von der Kolbenbrennkraftmaschine die jeweils geforderte Leistung abgegeben wird und im Leerlauf eine stabile Mindestdrehzahl gewährleistet ist.

Bei derartigen Kolbenbrennkraftmaschinen erfolgt die Kraft­ stoffzufuhr über eine Kraftstoffeinspritzung, die in die An­ saugrohre zu den einzelnen Zylindern oder direkt in die ein­ zelnen Zylinder erfolgen kann. Derartige Kraftstoffeinspritz­ systeme sind über die Motorsteuerung ebenfalls ansteuerbar, wobei entsprechend den Lastanforderungen über die Motorsteue­ rung auch die Einspritzmenge variiert werden kann.

Für eine derartige Kolbenbrennkraftmaschine wird für ein schnelles Aufheizen einer katalytisch arbeitenden Abgasreini­ gungseinrichtung in der Startphase gemäß der Erfindung ein Verfahren vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Ventiltriebe und/oder die Kraftstoffeinspritzeinrichtung für jeweils wenigstens einen Zylinder in der Weise gezielt angesteuert werden, daß abwechselnd ein Arbeiten im Fettbe­ trieb oder im Magerbetrieb erfolgt. Durch eine entsprechende Ansteuerung der Ventilsteuerzeiten ist es möglich, in erster Linie die Luftzumessung zu den einzelnen Zylindern gezielt und über einen großen Stellbereich zu variieren, so daß bei einer gegebenen Kraftstoffeinspritzmenge die Kolbenbrenn­ kraftmaschine gezielt und schnell innerhalb weniger Lastspie­ le wechselnd im Magerbetrieb oder im Fettbetrieb betrieben werden kann. Durch ein abwechselndes Arbeiten im Fett- und im Magerbetrieb ist es damit möglich, einerseits in den Abga­ strakt ein Abgas mit einem vorgebbaren Überschuß an Kohlen­ wasserstoffen und unverbrannten Bestandteilen einzuleiten und nach einem entsprechenden Wechsel der Ventilsteuerzeiten ein Abgas mit Sauerstoffüberschuß einzuleiten. Dabei ist es in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch möglich, daß einzelne Zylinder zumindest in dieser Phase über eine Vielzahl von Lastspielen dauerhaft fett oder mager be­ trieben werden.

Da bei einer mehrzylindrigen Kolbenbrennkraftmaschine auf­ grund der Taktfolge bei einer Ansteuerung von zumindest einem Teil der Zylinder in der vorbeschriebenen Verfahrensweise mit wechselndem Fett- bzw. Magerbetrieb die aus den einzelnen Zy­ lindern ausströmenden Abgasmengen mit einem deutlichen Gehalt an brennbaren Bestandteilen einerseits und mit einem Sauer­ stoffüberschuß andererseits sich im Abgastrakt vermischen, ergibt sich aufgrund des gegebenen Sauerstoffüberschusses ei­ ne Nachverbrennung des Gehaltes an brennbaren Bestandteilen.

Deren Reaktionswärme führt zu einer spürbaren Erhöhung der Abgastemperatur und somit zu einem schnelleren Aufheizen des Katalysators.

Der Wechsel zwischen Fett- und Magerbetrieb kann nun bei ei­ ner mehrzylindrigen Kolbenbrennkraftmaschine je nach Konzep­ tion nur für einen Teil der Zylinder oder aber auch für alle Zylinder erfolgen. Dieser Wechsel kann in zyklischer Vertau­ schung oder auch gruppenweise gesteuert werden. Über ein ent­ sprechend ergänztes Steuerprogramm ist es dann auch noch mög­ lich, neben einer Veränderung der Luftzumessung durch eine entsprechende Beeinflussung der Kraftstoffzumessung zu den einzelnen Zylindern für die einzelnen Arbeitsphasen zusätz­ lich die Kraftstoffmenge entsprechend zu variieren, so daß für die Aufheizungsphase ein optimales Verhältnis zwischen Restkraftstoff im Abgas und Sauerstoffüberschuß eingestellt werden kann.

Bei einer Kolbenbrennkraftmaschine mit wenigstens zwei Zylin­ derbänken kann der Wechsel zwischen Fettbetrieb und Magerbe­ trieb in der vorbeschriebenen Weise nur für eine Zylinderbank erfolgen oder aber zur Vergleichmäßigung der Aufheizung des Abgastraktes auch zylinderbankweise erfolgen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand von schematischen Diagrammen und Zeichnungen für Ausführungsbeispiele näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Verlauf der Lambda-Werte im Abgas in der Anheizphase bei Anwendung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 ein Beispiel einer zylinderweise unterschied­ lichen Ansteuerung der Gaseinlaßventile,

Fig. 3 ein Schaltbild für eine Kolbenbrennkraftmaschine mit Vorkatalysatoren.

In Fig. 1 ist in einem Diagramm die Veränderung der Lambda- Werte in der Anheizphase beim Starten einer Kolbenbrennkraft­ maschine mit Abgaskatalysator für einen Zylinder dargestellt, und zwar über die Zahl der Arbeitsspielen. Die Darstellung gilt für alle Zylinder der Kolbenbrennkraftmaschine entspre­ chend.

Zum Startbeginn werden die Ventiltriebe der Gaseinlaßventile so angesteuert, daß bei einer gegebenen Kraftstoffzumessung, beispielsweise in der Größenordnung des späteren Fahrbe­ triebs, das Gaseinlaßventil früher geschlossen wird und zwar über eine vorgebbare Anzahl n1 von Arbeitsspielen, so daß ein Abgas mit Kraftstoffüberschuß anfällt, etwa entsprechend einem Lambda-Wert von 0,5. Bei einer Kraftstoffeinspritzung in den Luftansaugkanal muß die Kraftstoffeinspritzung zeit­ lich so gelegt werden, daß in der gegebenen verkürzten Öff­ nungszeit die gewünschte Kraftstoffmenge in den Zylinder ge­ langt.

Nach einer entsprechenden Zahl von Arbeitsspielen n1 werden die Gaseinlaßventile hinsichtlich der Öffnungszeit und der Öffnungsdauer so gesteuert, daß sich eine größtmögliche Fül­ lung ergibt, was bei der gegebenen unveränderten Kraftstoff­ zumessung einen Sauerstoffüberschuß im Abgas ergibt, so daß ein nahezu sprunghafter Anstieg des Lambda-Wertes auf etwa 1,1 gegeben ist. Diese Magerbetriebsweise wird für eine vor­ gebbare Anzahl von Arbeitsspielen n2 beibehalten.

Gegen Ende der Anheizphase erfolgt der Wechsel zwischen Fett­ betrieb und Magerbetrieb jeweils über eine geringe Zahl von Arbeitsspielen, bis nach einer Gesamtzahl nx an Arbeitsspie­ len durch die Oxidationsvorgänge im Abgassystem der Abgaska­ talysator seine Betriebstemperatur erreicht hat und der Be­ trieb mit der normalen Lambda-Regelung erfolgt.

Da diese Art der Ansteuerung entsprechend an mehreren oder allen Zylindern der Kolbenbrennkraftmaschine vorgenommen wird, ergibt sich in der Summe im Abgaskanal ein hoher Anteil an oxidierbaren Anteilen, insbesondere CO und HC, mit einem entsprechend großen Sauerstoffanteil, so daß die gewünschte Oxidationsreaktion in der Abgasleitung erfolgen kann. Das be­ deutet, daß allein durch die Motoransteuerung sowohl ein Ab­ gas mit brennbaren Anteilen bereitgestellt wird und zugleich ohne zusätzliche Vorrichtungen der für die Oxidation der in den Abgasen enthaltenen oxidierbaren Bestanteile erforderli­ che Luftüberschuß bereitgestellt wird.

Unter Ausnutzung der Möglichkeiten einer vollveriablen An­ steuerung der Gaseinlaßventile lassen sich Anpassungen und Veränderungen an diesem schematischen Verlauf vornehmen. So ist es beispielsweise möglich, das Gaseinlaßventil spät, d. h. nach dem unteren Totpunkt zu schließen, so daß ein Teil der Füllung in den Einlaßkanal zurückgeschoben wird und so in der Startphase eine geringere Kompressionsarbeit zu leisten ist. Bei einer Kraftstoffeinspritzung in den Einlaßkanal hat diese Verfahrensweise zur Folge, daß in den Zylinder einge­ saugtes Gemisch wieder in den Einlaßkanal ausgeschoben wird, so daß ohne Änderung der Kraftstoffzumessung schon im näch­ sten Arbeitsspiel eine Anfettung der Zylinderfüllung erfolgt.

Unterstützend zu den Möglichkeiten einer Änderung der Zylin­ derfüllung kann auch die Kraftstoffzumessung noch angepaßt werden. Hierzu ist es beispielsweise möglich, in der Motor­ steuerung ein spezielles "Motorstartprogramm" vorzusehen, das neben der wechselnden Ansteuerung der Gaseinlaßventile in der vorbeschriebenen Art auch eine Anpassung der Kraftstoffein­ spritzung hinsichtlich Einspritzbeginn und Einspritzdauer für die speziellen Bedürfnisse des Motorstarts und der Aufheizung des Abgaskatalysators berücksichtigt.

In Fig. 2 ist für eine 4-Zylinder-Kolbenbrennkraftmaschine eine Betriebsweise für die Anheizphase dargestellt, bei der die Gaseinlaßventile der einzelnen Zylinder in unterschiedli­ cher Weise angesteuert werden. In beiden Fällen erfolgt für die Anheizphase durch den Wechsel von Fettbetrieb (λ < 1,0) und Magerbetrieb (λ < 1,0) eine Optimierung der Abgaszusam­ mensetzung in der Abgasleitung in bezug auf einen Überschuß an oxidierbaren Bestandteilen über die im Fettbetrieb arbei­ tenden Zylinder, sowie einen Luftüberschuß durch die im Ma­ gerbetrieb arbeitenden Zylinder. Durch eine derartige An­ steuerung lassen sich die Einflüsse der Zündfolge auf eine auch für die Nachreaktion notwendige optimale Mischung der fetten und der mageren Abgasanteile ausgleichen.

Der erfindungsgemäße Verfahren läßt sich in vorteilhafter Weise auch für Mehrzylinder-Kolbenbrennkraftmaschinen anwen­ den, die eine Katalysatoranlage mit zwei getrennten Vorkata­ lysatoren und einem gemeinsamen Hauptkatalysator aufweisen.

In Fig. 3 ist schematisch eine 6-Zylinder-Kolbenbrennkraft­ maschine 1 dargestellt, deren Abgasanlage 2 in Motornähe zwei getrennte Abgasleitungen 3 und 4 aufweist, deren jeweils ein Vorkatalysator 5 und 6 zugeordnet ist. Erst hinter den beiden Vorkatalysatoren 5 und 6 werden die beiden Abgasleitungen vor einem Hauptkatalysator 7 zusammengeführt.

Werden bei einer derartigen Anordnung die Gaseinlaßventile für die Anheizphase in der Verfahrensweise gem. Fig. 1 oder Fig. 2 angesteuert, dann werden zunächst über die Nachreakti­ on sowohl in der Abgasleitung 3 als auch in der Abgasleitung 4 die Vorkatalysatoren 5 und 6 aufgeheizt. Da zum weiteren Aufheizen des Katalysators 7 weiterhin ein Abgas mit einem Überschuß an brennbaren Bestandteilen (CO, HC) zur Verfügung stehen muß, würde jedoch bei einem weiteren Betrieb der Kol­ benbrennkraftmaschine bei dem vorstehend beschriebenen Auf­ heizverfahren eine Überhitzung der Vorkatalysatoren 5 und 6 erfolgen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann dieses Problem je­ doch über eine entsprechende Änderung der Ansteuerung der Ga­ seinlaßventile nach dem Aufheizen der Vorkatalysatoren gelöst werden. Sobald die Vorkatalysatoren 5 und 6 ihre Betriebstem­ peratur erreicht haben, wird die Ansteuerung der Gaseinlaß­ ventile so vorgenommen, daß die der Abgasleitung 3 zugeordne­ ten Zylinder I, III und V durchgehend im Magerbetrieb betrie­ ben und die das Abgasleitung 4 zugeordneten Zylinder IT, IV und VI im Fettbetrieb betrieben und zwar jeweils dauerhaft. Damit erhält der Vorkatalysator 5 ein Abgas mit Luftüber­ schuß, während der Vorkatalysator 6 ein Abgas mit einem Über­ schuß an oxidierbaren Bestandteilen erhält. Da in der Abgas­ leitung 4 Luftmangel herrscht, kann vor und innerhalb des Vorkatalysators 6 keine Oxidationsreaktion ablaufen, so daß der Vorkatalysator 6 nicht aufgeheizt wird. Erst in der Zu­ sammenführung der beiden Abgasleitungen 3 und 4 vor dem Hauptkatalysator 7 erfolgt eine Mischung der beiden Ab­ gasströme, so daß hier aufgrund des Luftüberschusses aus der Abgasleitung 3 und des Überschusses an brennbaren Bestandtei­ len aus der Abgasleitung 4 die Nachreaktion eintreten kann und so eine schnelle Aufheizung des Hauptkatalysators 7 er­ folgt.

Sobald dann auch der Hauptkatalysator 7 seine Betriebstempe­ ratur erreicht hat, ist die Anheizphase abgeschlossen, so daß über die Motorsteuerung auf die normale Lamda-Regelung umge­ schaltet werden kann.

Das Erreichen der Betriebstemperaturen der Vorkatalysatoren 5, und 6 und des Hauptkatalysators 7 wird über eine entspre­ chende Temperatursensorik erfaßt, deren Signale auf die Mo­ torsteuerung aufgeschaltet sind und in der Motorsteuerung die Änderung der Ventilansteuerung bewirkt.

Claims (4)

1. verfahren zur schnellen Aufheizung einer katalytisch wir­ kenden Abgasreinigungseinrichtung an einer Mehrzylinder- Kolbenbrennkraftmaschine mit voll variabel ansteuerbaren Ven­ tiltrieben der Gaswechselventile und steuerbarer Kraftstoff­ einspritzeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventil­ triebe und/oder die Kraftstoffeinspritzeinrichtung für je­ weils wenigstens einen Zylinder in der Weise gezielt ange­ steuert werden, daß wechselnd ein Arbeiten im Fettbetrieb (λ < 1,0)und im Magerbetrieb (λ < 1,0) erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselbetrieb zwischen Fettbetrieb und Magerbetrieb zylin­ derweise erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für zumindest einen Teil der Zylinder die Ansteuerung der Gaseinlaßventile gezielt über eine Vielzahl von Lastspielen (n) für einen Fettbetrieb oder für einen Magerbetrieb ange­ steuert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Kolbenbrennkraftmaschine mit wenigstens zwei Zylinderbänken der Wechsel zwischen Fettbetrieb und Magerbe­ trieb zylinderbankweise erfolgt.