DE10114054A1 - Verfahren zur Anhebung einer Abgastemperatur einer fremdgezündeten, direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschine - Google Patents
Verfahren zur Anhebung einer Abgastemperatur einer fremdgezündeten, direkteinspritzenden VerbrennungskraftmaschineInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zumindest zeitweiligen Anhebung einer Abgastemperatur einer fremdgezündeten, direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschine (10) durch mindestens eine motorische Maßnahme, wobei die mindestens eine motorische Maßnahme eine Zündwinkelspätverstellung und eine Mehrfacheinspritzung (ME) umfasst und bei der Mehrfacheinspritzung (ME) innerhalb eines Ansaug- und Verdichtungstaktes eines Zylinders (12) der Verbrennungskraftmaschine (10) mindestens zwei Kraftstoffeinspritzungen in den Zylinder (12) durchgeführt werden und die späteste dieser Einspritzungen während eines Verdichtungstaktes des Zylinders (12) erfolgt, sowie eine Verwendung des Verfahrens. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass im Mehrfacheinspritzungsbetrieb ein Ansteuerende eines Einspritzwinkels (alpha¶EE¶) der spätesten Einspritzung zumindest zeitweise zwischen 80 und 10 DEG vor einem oberen Zündtotpunkt (ZOT) eingestellt wird und/oder ein Zündwinkel (alpha¶Z¶) im Mehrfacheinspritzungsbetrieb zumindest zeitweise zwischen 10 und 45 DEG nach ZOT eingestellt wird. Insbesondere durch Kombination beider Maßnahmen lässt sich ein Warmlauf eines der Verbrennungskraftmaschine (10) nachgeschalteten Katalysators (16) dramatisch beschleunigen.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zumindest zeitweiligen Anhebung einer
Abgastemperatur einer fremdgezündeten, direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschine
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie eine Verwendung des
Verfahrens.
Eine Anhebung einer Verbrennungs- beziehungsweise Abgastemperatur einer
Verbrennungskraftmaschine ist in bestimmten Betriebssituationen erwünscht, insbesondere
nach einem Motorkaltstart, wenn der Verbrennungskraftmaschine nachgeschaltete
Katalysatoren ihre Betriebstemperatur noch nicht erreicht haben. Um ihre
Betriebsbereitschaft zu erhalten, müssen die Katalysatoren sich mindestens auf eine
katalysatorspezifische Anspring- oder Light-off-Temperatur erwärmt haben. Dabei
bezeichnet die Anspringtemperatur eine Temperatur, bei der der Katalysator einen
Konvertierungsgrad von 50% aufweist. Bis zu einem Zeitpunkt nach Motorkaltstart, an dem
der Katalysator seine Anspringtemperatur erreicht hat, gelangen Schadstoffe des Abgases
weitgehend unkonvertiert in die Atmosphäre. Um eine Abgastemperatur anzuheben und
somit einen Katalysatorwarmlauf zu beschleunigen, sind verschiedene Strategien bekannt.
Bekannt ist, einen Zündwinkel, also einen Zeitpunkt, an dem eine Zündung eines Luft-
Kraftstoff-Gemisches in einem Zylinder erfolgt, während des Warmlaufs in Richtung spät,
bezüglich eines Zündwinkels mit höchstem Wirkungsgrad, zu verstellen. Durch diese
Zündwinkelspätverstellung wird der Arbeitswirkungsgrad der Verbrennung vermindert und
gleichzeitig eine Abgastemperatur erhöht. Infolge des heißeren Abgases wird die
Katalysatoraufheizung beschleunigt. Das Verfahren der Spätzündung findet seine
Begrenzung bei Zündwinkeln, bei denen eine Laufunruhe der Verbrennungskraftmaschine in
unzulässiger Weise steigt und eine zuverlässige Zündung nicht mehr gewährleistet werden
kann.
Ein weiteres Verfahren zur Erhöhung der Abgastemperatur wird durch eine so genannte
Mehrfacheinspritzung eröffnet, welche in jüngster Zeit für direkteinspritzende,
fremdgezündete Verbrennungskraftmaschinen beschrieben wurde, bei denen der Kraftstoff
mittels Einspritzventilen direkt in einen Brennraum eines Zylinders eingespritzt wird
(WO 00/08328, EP 0 982 489 A2, WO 00/57045). Dabei wird eine während eines
Arbeitsspiels eines Zylinders zuzuführende Kraftstoffgesamtmenge aufgeteilt in zwei
Portionen mit zwei Einspritzvorgängen einem Brennraum des Zylinders zugeführt. Eine
erste, frühe Einspritzung (Homogeneinspritzung) erfolgt während eines Ansaugtaktes des
Zylinders derart, dass die eingespritzte Kraftstoffmenge zum nachfolgenden Zündzeitpunkt
eine zumindest weitgehend homogene Verteilung im Brennraum aufweist. Eine zweite, späte
Einspritzung (Schichteinspritzung) wird dagegen während eines anschließenden
Verdichtungstaktes, insbesondere während der zweiten Hälfte des Verdichtungstaktes,
durchgeführt und führt zu einer so genannten Schichtladung, bei der die eingespritzte
Kraftstoffwolke sich im Wesentlichen im Bereich um eine Zündkerze des Zylinders
konzentriert. Somit liegt im Mehrfacheinspritzungsbetrieb der Verbrennungskraftmaschine
ein Mischbetrieb aus Schichtladung und Homogenladung vor. Der
Mehrfacheinspritzungsbetrieb führt wegen seines speziell gearteten Brennverlaufs zu einer
erhöhten Abgastemperatur gegenüber reinem Homogenbetrieb. Neben der erhöhten
Abgastemperatur besteht ein weiterer Vorteil der Mehrfacheinspritzung in einer verminderten
Rohemission von Stickoxiden NOX und unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC, die zu einer
Senkung des Schadstoffdurchbruchs während der Warmlaufphase führt.
Aus bislang veröffentlichten Ergebnissen aus Mehrfacheinspritzungsexperimenten geht
hervor, dass zwar insgesamt ein deutlicher Anstieg der Abgastemperatur im
Mehrfacheinspritzungsbetrieb gegenüber dem Einfacheinspritzungsbetrieb erzielt wird,
jedoch in den ersten 12 bis 15 Sekunden nach Motorstart kein signifikanter
Temperaturunterschied zwischen beiden Betriebsarten beobachtet wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Anhebung einer
Abgastemperatur zur Verfügung zu stellen, welches insbesondere in den ersten 15
Sekunden nach Motorstart eine deutliche Temperatursteigerung gegenüber herkömmlichen
Strategien bewirkt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird im Mehrfacheinspritzungsbetrieb ein Ansteuerende eines
Einspritzwinkels der spätesten Einspritzung zumindest zeitweise zwischen 80 und 10° vor
einem oberen Zündtotpunkt (ZOT) eingestellt und/oder ein Zündwinkel zumindest zeitweise
zwischen 10 und 45° nach ZOT eingestellt. Die beanspruchten Bereiche von Einspritzwinkel
und Zündwinkel liegen, verglichen mit bekannten Verfahren, in extrem späten Phasen eines
Arbeitsspiels des Zylinders. Hierdurch lassen sich Abgastemperaturen erzeugen, die
gegenüber bekannten Verfahren weit hinaus gehen. Somit lässt sich insbesondere ein
schneller Warmlauf mindestens eines ersten nachgeschalteten Katalysators unterhalb 15 s
nach Motorstartende bewirken und eine Schadstoffemission verringern.
Es ist bevorzugt vorgesehen, gleichzeitig sowohl das Ansteuerende des Einspritzwinkels der
spätesten Einspritzung als auch den Zündwinkel innerhalb der genannten
Kurbelwellenbereiche einzustellen. Auf diese Weise können innerhalb dieser Bereiche
besonders späte Punkte für Einspritzung und Zündung realisiert und maximale
Abgastemperaturen erzielt werden.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das Ansteuerende
des Einspritzwinkels zwischen 45 und 25° vor ZOT, insbesondere zwischen 40 und 35° vor
ZOT, eingestellt. Für den Zündzeitpunkt sind Winkel zwischen 20 und 45° nach ZOT,
insbesondere zwischen 25 und 35° nach ZOT, besonders bevorzugt.
Als vorteilhaft hat sich erwiesen, einen Winkelabstand zwischen Ansteuerende der späten
Einspritzung und Zündwinkel auf 50 bis 80°, insbesondere auf 60 bis 70°, einzustellen. Die
genannten Werte beziehen sich auf Motordrehzahlen im Bereich von 1000 bis 1500 min-1.
Vorzugsweise wird dieser Winkelabstand motordrehzahl- und/oder einspritzdruckabhängig
variiert, wobei üblicherweise der Abstand mit steigender Motordrehzahl abgehoben und mit
steigendem Einspritzdruck abgesenkt wird. Diese Ausführung gewährleistet stets eine
optimale Zeitspanne für die Gemischaufbereitung.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass die Mehrfacheinspritzung zwei Einspritzungen umfasst,
wobei eine erste, frühe Einspritzung im Wesentlichen während eines Ansaugtaktes,
insbesondere einer ersten Hälfte des Ansaugtaktes, erfolgt. Aufgrund des großen zeitlichen
Abstandes zwischen Einspritzzeitpunkt der frühen Einspritzung und dem Zündpunkt nimmt
der in der frühen Einspritzung zugeführte Kraftstoff zum Zündzeitpunkt eine im Wesentlichen
homogene Verteilung im Brennraum des Zylinders ein. Hingegen erfolgt die zweite, späte
Einspritzung vorzugsweise in der zweiten Hälfte des Verdichtungstaktes und bildet zum
Zündzeitpunkt eine im Wesentlichen im Bereich einer Zündkerze des Brennraums
befindliche Ladungswolke aus. Die Erzeugung einer derartigen Schichtladung ist prinzipiell
von schichtladefähigen Verbrennungskraftmaschinen bekannt, wobei die Ausbildung und
Lenkung der Schichtladungswolke durch geeignete Ausgestaltungen eines Kolbenbodens
sowie durch Strömungsverhältnisse beeinflussende bauliche Maßnahmen in einer
Lufteinlassleitung, beispielsweise in Form von Ladungsbewegungsklappen, unterstützt
werden kann. Dabei wird im ersten Falle von einem wandgeführten Schichtladungsbetrieb
und im letzteren Falle von einem luftgeführten Betrieb gesprochen. Vorzugsweise wird das
vorliegende Verfahren bei Verbrennungskraftmaschinen angewandt, bei denen der
Schichtladungsbetrieb durch eine Kombination von luft- und wandführenden Maßnahmen
aufrecht erhalten wird. Auf diese Weise lassen sich besonders gut definierte und somit
zündwillige und brennbare Ladungswolken erzeugen. Insbesondere hat sich das Verfahren
für schichtladefähige Verbrennungskraftmaschinen bewährt, die mit einer Luftströmung im
Brennraum arbeiten, die eine insbesondere quer zur Kolbenbewegung verlaufende
Drallachse aufweist.
Wie bereits einleitend erläutert wurde, führt eine derartige gemischte Kraftstoffaufbereitung
(homogen/geschichtet) zu einer Erhöhung der Abgastemperatur und gleichzeitig zu einer
Absenkung einer Rohemission an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden.
Dabei werden die Kraftstoffanteile der beiden Einspritzungen vorzugsweise so gewählt, dass
die erste Einspritzung (Homogeneinspritzung) zu einem sehr mageren, allein nicht
zündfähigen Luft-Kraftstoff-Gemisch führt, welches nur mit Hilfe der Schichtladungswolke
der zweiten Einspritzung (Schichteinspritzung) gezündet und verbrannt werden kann. Um ein
vollständiges Abbrennen der Homogenladung zu gewährleisten, sollte die in der
Homogeneinspritzung zugeführt Kraftstoffmenge 20% der insgesamt zugeführten
Kraftstoffmenge nicht unterschreiten. Vorzugsweise beträgt der Anteil des in der
Schichteinspritzung zugeführten Kraftstoffes mindestens 60%, insbesondere mindestens
70%. Vorzugsweise wird ferner insgesamt ein leicht mageres bis stöchiometrisches Luft-
Kraftstoff-Gemisch mit einem Lambdawert zwischen 1 und 1,2 eingestellt. Hierdurch wird
genutzt, dass eine Anspringtemperatur des Katalysators in einer mageren Abgasatmosphäre
stets niedriger als in einer stöchiometrischen Atmosphäre ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Anhebung der Abgastemperatur wird vorzugsweise
zur Aufheizung mindestens eines der Verbrennungskraftmaschine nachgeschalteten
Katalysators, insbesondere nach einem Motorstart, verwendet. Vorzugsweise wird das
Verfahren eingesetzt, um einen motornahen Vorkatalysator wenigstens annähernd auf seine
Anspringtemperatur zu bringen. Hierfür kann eine Temperatur des Katalysators gemessen
und/oder modelliert werden, um eine Dauer der Heizmaßnahmen sowie eine Stärke
derselben, insbesondere eine Vorgabe von Einspritz- und Zündwinkel, zu bestimmen.
Alternativ kann die Katalysatortemperatur auch anhand einer seit Motorstart verstrichenen
Zeit und/oder zurückgelegter Strecken und/oder seit Motorstart erfolgten
Kurbelwellenumdrehungen und/oder einem seit Motorstart kumulierten Abgaswärmestrom
ermittelt werden. Hierfür können erforderliche Kennfelder in einer Motorsteuerung abgelegt
werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den
Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Verbrennungskraftmaschine mit nachgeschaltetem
Katalysatorsystem;
Fig. 2 von oben nach unten einen zeitlichen Ablauf einer zweiten, späten
Kraftstoffeinspritzung und einer Zündung in einem
Mehrfacheinspritzungsbetrieb gemäß einem bekannten Verfahren;
Fig. 3 einen zeitlichen Ablauf von Kraftstoffeinspritzung und Zündung nach einer
vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Fig. 4 zeitliche Verläufe einer Katalysatortemperatur nach einem Motorkaltstart
gemäß unterschiedlichen Strategien zur Anhebung einer Abgastemperatur.
Fig. 1 zeigt eine fremdgezündete, magerlauffähige Verbrennungskraftmaschine 10, die
beispielsweise vier Zylinder 12 umfasst. Die Verbrennungskraftmaschine 10 verfügt über ein
nicht dargestelltes Direkteinspritzungssystem, über welches eine Kraftstoffeinspritzung
unmittelbar in die Zylinder 12 erfolgt. Ein von der Verbrennungskraftmaschine 10 erzeugtes
Abgas wird durch einen Abgaskanal 14 und das hierin angeordnete Katalysatorsystem 16,
18 geführt. Das Katalysatorsystem umfasst einen motornah angeordneten, kleinvolumigen
Vorkatalysator 16 sowie einen Hauptkatalysator 18, beispielsweise einen NOX-
Speicherkatalysator, der üblicherweise an einer Unterbodenposition angeordnet ist. Eine
Regelung eines der Verbrennungskraftmaschine 10 zugeführten Luft-Kraftstoff-
Verhältnisses erfolgt durch Messung einer Sauerstoffkonzentration des Abgases mit Hilfe
einer Lambdasonde 20. Ein Temperatursensor 22, der stromab des Vorkatalysators 16 im
Abgaskanal 14 angeordnet ist, ermöglicht die Messung einer Abgastemperatur und somit
Rückschlüsse auf die Temperatur des Vor- und/oder des Hauptkatalysators 16, 18. Die von
den Sensoren 20, 22 bereitgestellten Signale sowie verschiedene Betriebsparameter der
Verbrennungskraftmaschine 10 werden an ein Motorsteuergerät 24 übermittelt, wo sie
gemäß abgespeicherter Algorithmen und Kennfelder ausgewertet und verarbeitet werden. In
Abhängigkeit dieser Signale erfolgt eine Steuerung der Verbrennungskraftmaschine 10
durch das Motorsteuergerät 24, insbesondere des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, eines
Einspritzungsmodus sowie der Zündung.
Wird mit Hilfe des Temperatursensors 22 eine Temperatur des Katalysatorsystems,
insbesondere des Vorkatalysators 16, ermittelt, die unterhalb einer für eine ausreichende
Schadstoffkonvertierung notwendigen Anspringtemperatur liegt, beispielsweise nach einem
Motorkaltstart, so leitet das Motorsteuergerät 24 verschiedene Maßnahmen zur Anhebung
der Abgastemperatur ein. Insbesondere wird der Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10
von Einfach- in Mehrfacheinspritzung umgestellt. Dabei erfolgt eine erste, frühe
Einspritzung, vorzugsweise innerhalb der ersten Hälfte eines Ansaugtaktes eines Zylinders
12, so dass der in dieser Einspritzung zugeführte Kraftstoff zu einem nachfolgenden
Zündzeitpunkt im Wesentlichen in homogener Brennraumverteilung vorliegt
(Homogeneinspritzung). Eine zweite, späte Kraftstoffeinspritzung (Schichteinspritzung)
erfolgt mit einem Ansteuerende, das zumindest zeitweise bei Motordrehzahlen von 1000 und
1500 min-1 zwischen 80 und 10° vor einem oberen Zündtotpunkt (ZOT), das heißt in der
zweiten Hälfte eines Verdichtungstaktes, liegt. Gleichzeitig wird ein Zündwinkel im
Mehrfacheinspritzungsbetrieb bei Motordrehzahlen von 1000 und 1500 min-1 von 10 bis 45°
nach ZOT zumindest zeitweise eingestellt. Sowohl die besonderen Verbrennungsabläufe
des Mehrfacheinspritzungsbetriebes als auch die extreme Spätzündung bewirken eine
Erhöhung der Abgastemperatur und somit einen beschleunigten Warmlauf des
Katalysatorsystems 16, 18.
Fig. 2 stellt in schematischer Weise die Abläufe der späten Schichteinspritzung und der
Zündung während eines Verdichtungstaktes eines Zylinders gemäß einem bekannten
Verfahren dar (Stand der Technik). Der insgesamt mit 12 bezeichnete Zylinder umfasst ein
Zylindergehäuse 26 und einen hierin axial beweglich angeordneten Kolben 28. In einer
zentralen Position eines Zylinderkopfes 30 befindet sich eine Zündkerze 32. Seitlich im
Zylinderkopf 30 angeordnet befindet sich ein Kraftstoffeinspritzventil 34, mittels welchem
Kraftstoff unmittelbar in den Brennraum 36 des Zylinders 12 eingespritzt wird. Der
Einfachheit halber sind ebenfalls im Zylinderkopf 30 angeordnete Luftein- und
-auslasskanäle nicht dargestellt. Gemäß des bekannten Verfahrens wird ein Ende der
späten Schichteinspritzung bei einem Einspritzwinkel αEE von typischerweise 70° vor ZOT
angesteuert. Dieser Zeitpunkt ist im oberen Teil A der Fig. 2 dargestellt, wobei mit 38 die
gerade in den Brennraum 36 eingebrachte Ladungswolke bezeichnet ist, die sich noch in der
Nähe des Einspritzventils 34 befindet und einen relativ großen Abstand zu einem
Kolbenboden 40 des gerade in einer Aufwärtsbewegung befindlichen Kolbens 28 besitzt.
Im weiteren Verlauf des Arbeitsspiels des Zylinders 12 bewegen sich die Ladungswolke 38
und der Kolben 28 aufeinander zu. Bei einem Kurbelwellenwinkel von 40° vor ZOT (Fig.
2B) hat die Ladungswolke 38 das Einspritzventil 34 bereits verlassen und eine in den
Kolbenboden 40 eingearbeitete Mulde bereits erreicht. Durch die spezielle Ausgestaltung
des Kolbenbodens 40 wird die Ladungswolke 38 in Richtung der Zündkerze 32 umgelenkt.
Diese Ladungsbewegung kann zudem besonders vorteilhaft durch bestimmte
Luftstromverhältnisse im Brennraum 36 unterstützt werden.
Teil C der Abbildung zeigt Kolbenposition und Ladungsverhältnisse zu einem Zündzeitpunkt
αZ von 10° nach ZOT, welcher gemäß dem Stand der Technik den spätestmöglichen
Zündzeitpunkt für einen aussetzerfreien und HC-armen Betrieb darstellt. Mit dieser hier
dargestellten Verfahrensausführung lässt sich zwar die Abgastemperatur steigern, jedoch
wird in den ersten 12 bis 10 Sekunden nach Motorstart eine nur sehr geringe Heizwirkung
auf die Katalysatoren 16, 18 beobachtet, wie anhand von Fig. 4 noch gezeigt wird. Aus
dem unteren Teil C' der Fig. 2 geht hervor, dass ein noch späterer Zündzeitpunkt,
beispielsweise bei 30° nach ZOT, nicht praktikabel ist, da die Ladungswolke 38 zu diesem
Zeitpunkt sich im Brennraum 36 bereits stark verteilt hat und somit sehr ausgemagert, das
heißt kraftstoffarm, ist. Dies führt zu schlechten Zündeigenschaften mit einer hohen
Aussetzerrate und hohen HC-Rohemissionen.
Erfindungsgemäß werden sowohl Einspritzwinkel αEE als auch Zündwinkel αZ zu sehr viel
späteren Zeitpunkten vorgegeben. Ein entsprechender Ablauf ist in Fig. 3 dargestellt.
Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen die gleichen Elemente wie in Fig. 2 und werden nicht
noch einmal erläutert. Zu einem Zeitpunkt 70° vor ZOT befindet sich die Einspritzung der
späten Schichteinspritzung des Mehrfacheinspritzungsbetriebs noch in der Anfangsphase
(Fig. 3A). Das Ansteuerende αEE der Schichteinspritzung erfolgt erfindungsgemäß zu
einem sehr späten Zeitpunkt, in diesem Beispiel bei 40° vor ZOT (Fig. 3B). Zu diesem
Zeitpunkt erreicht die gerade das Einspritzventil 34 verlassende Ladungswolke 38 bereits
den in der Nähe befindlichen Kolbenboden 40.
Im weiteren Verlauf wird die Ladungswolke 38 durch die Mulde des Kolbenbodens 40 zur
Zündkerze 32 gelenkt. 10° nach ZOT hat die Ladungswolke 38 die Zündkerze, anders als
gemäß dem Stand der Technik, noch nicht oder allenfalls zu einem geringen Teil erreicht, so
dass eine Zündung zu diesem Zeitpunkt noch nicht oder noch nicht optimal möglich ist
(Fig. 3C). Die Zündung erfolgt vielmehr, wenn der Kolben 28 sich bereits wieder in der
Abwärtsbewegung befindet, insbesondere bei einem Zündwinkel von 20 bis 35° nach ZOT,
vorzugsweise 30° nach ZOT (Fig. 3 unten). Besonders späte Zündzeitpunkte und damit
besonders hohe Abgastemperaturen lassen sich erzielen bei Brennverfahren, bei denen die
Ausbildung und Lenkung der Schichtladungswolke 38 sowohl durch die spezielle
Kolbenbodengestaltung erfolgt, das heißt wandgeführt, als auch durch geeignete
Luftströmungen, die durch geeignete Ausgestaltungen des Lufteinlasskanals erzeugt werden
(Luftführung). Insbesondere sind Luftströmungen mit einer Drallachse, die vorzugsweise
quer zur Kolbenbewegung verläuft, im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren geeignet. Bei dieser Gemischaufbereitung bleibt die zündfähige Gemischwolke 38
lange im Bereich der Zündkerze erhalten, so dass hier besonders späte Zündwinkel αZ
möglich sind.
Drei unterschiedliche Strategien zur Beschleunigung eines Katalysatorwarmlaufs sind im
Ergebnis in Fig. 4 vergleichend dargestellt. Gezeigt sind Verläufe einer
Katalysatortemperatur TKat des etwa 30 mm stromab der 2,0-Liter-
Verbrennungskraftmaschine 10 mit Direkteinspritzung angeordneten Vorkatalysators 16
nach einem Motorstart. Die Katalysatortemperatur TKat wurde mit einer etwa zentrisch im
Vorkatalysator 16 zirka 20 mm stromab einer Anströmfläche angeordneten
Temperaturmessstelle ermittelt. Bei herkömmlicher Einfacheinspritzung EE und reinem
Homogenbetrieb sowie einem Zündwinkel αZ von 10° nach ZOT erreicht die
Katalysatortemperatur TKat des Vorkatalysators 16 nach 12 Sekunden nach Motorstart etwa
50°C (unterbrochene Linie). Mit dem anhand von Fig. 2 dargestellten bekannten
Verfahren, das heißt mit Mehrfacheinspritzung ME mit einem Einspritzende der
Schichteinspritzung αEE von 70° vor ZOT und einem Zündwinkel αZ von 10° nach ZOT,
erreicht der Vorkatalysator 16 nach 12 Sekunden eine Temperatur TKat von etwa 65°C. Dies
zeigt deutlich, dass der herkömmliche Mehrfacheinspritzungsbetrieb zumindest in den ersten
Sekunden nach Motorstart nur eine geringe Temperaturerhöhung gegenüber dem
Einfacheinspritzungsbetrieb bewirkt. Hingegen wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
nach der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform, das heißt einem Einspritzende αEE von
40° vor ZOT und einem Zündwinkel αZ von 30° nach ZOT, eine Katalysatortemperatur TKat
nach 12 Sekunden von 200°C erreicht. Dies zeigt deutlich, dass insbesondere eine
Kombination aus Späteinspritzung und Spätzündung ein deutlich schnelleres Aufheizen des
Katalysators und somit eine starke Schadstoffemissionsminderung bewirkt.
10
Verbrennungskraftmaschine
12
Zylinder
14
Abgaskanal
16
Vorkatalysator
18
Hauptkatalysator/NOX
-Speicherkatalysator
20
Lambdasonde
22
Temperatursensor
24
Motorsteuergerät
26
Zylindergehäuse
28
Kolben
30
Zylinderkopf
32
Zündkerze
34
Einspritzventil
36
Brennraum
38
Ladungswolke
40
Kolbenboden
αZ
αZ
Zündwinkel
αEE
αEE
Ansteuerende Schichteinspritzung
EE Einfacheinspritzung
ME Mehrfacheinspritzung
TKat
EE Einfacheinspritzung
ME Mehrfacheinspritzung
TKat
Temperatur Vorkatalysator
ZOT oberer Zündtotpunkt
ZOT oberer Zündtotpunkt
Claims (14)
1. Verfahren zur zumindest zeitweiligen Anhebung einer Abgastemperatur einer
fremdgezündeten, direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschine (10) durch
mindestens eine motorische Maßnahme, wobei die mindestens eine motorische
Maßnahme eine Zündwinkelspätverstellung und eine Mehrfacheinspritzung (ME)
umfasst und bei der Mehrfacheinspritzung (ME) innerhalb eines Ansaug- und
Verdichtungstaktes eines Zylinders (12) der Verbrennungskraftmaschine (10)
mindestens zwei Kraftstoffeinspritzungen in den Zylinder (12) durchgeführt werden und
die späteste dieser Einspritzungen während eines Verdichtungstaktes des Zylinders (12)
erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass im Mehrfacheinspritzungsbetrieb ein
Ansteuerende eines Einspritzwinkels (αEE) der spätesten Einspritzung zumindest
zeitweise zwischen 80 und 10° vor einem oberen Zündtotpunkt (ZOT) und/oder ein
Zündwinkel (αZ) zumindest zeitweise zwischen 10 und 45° nach ZOT eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansteuerende des
Einspritzwinkels (αEE) der spätesten Einspritzung zumindest zeitweise zwischen 80 und
10° vor dem oberen Zündtotpunkt (ZOT) und gleichzeitig der Zündwinkel (αZ) zumindest
zeitweise zwischen 10 und 45° nach ZOT eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansteuerende
des Einspritzwinkels (αEE) der spätesten Einspritzung zwischen 45 und 25° vor ZOT,
insbesondere auf 40° bis 35° vor ZOT, eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Zündwinkel (αZ) zwischen 20 und 45° nach ZOT, insbesondere zwischen 25 und 35°
nach ZOT, eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Winkelabstand zwischen Einspritzende (αEE) der späten Einspritzung und
Zündwinkel (αZ) abhängig von einer Motordrehzahl und/oder einem Einspritzdruck
variiert wird, insbesondere mit steigender Motordrehzahl vergrößert und mit steigendem
Einspritzdruck verringert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Motordrehzahl
zwischen 1000 und 1500 min-1 ein Winkelabstand zwischen Ansteuerende des
Einspritzwinkels (αEE) der späten Einspritzung und Zündwinkel (αZ) von 50 bis 80°,
insbesondere von 60 bis 70°, eingestellt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Mehrfacheinspritzung (ME) zwei Einspritzungen umfasst, wobei die erste, frühe
Einspritzung im Wesentlichen während eines Ansaugtaktes, insbesondere einer ersten
Hälfte des Ansaugtaktes, erfolgt und der in der frühen Einspritzung zugeführte Kraftstoff
zum Zündzeitpunkt eine im Wesentlichen homogene Verteilung im Brennraum (36) des
Zylinders (12) einnimmt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite, späte
Einspritzung in der zweiten Hälfte des Verdichtungstaktes erfolgt und der in der späten
Einspritzung zugeführte Kraftstoff sich zum Zündzeitpunkt im Wesentlichen im Bereich
einer Zündkerze (32) des Brennraums (36) des Zylinders (12) konzentriert.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Verbrennungskraftmaschine (10) schichtladefähig ist, wobei der
Schichtladungsbetrieb luft- und/oder wandgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Brennraumluftströmung der Verbrennungskraftmaschine (10) eine, insbesondere
quer zur Kolbenbewegung verlaufende Drallachse aufweist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Anteil des in der späten Einspritzung eingespritzten Kraftstoffes an einer
eingespritzten Gesamtkraftstoffmenge mindestens 60%, insbesondere mindestens
70%, beträgt.
12. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Aufheizung
mindestens eines der Verbrennungskraftmaschine (10) nachgeschalteten Katalysators
(16, 18), insbesondere nach einem Motorstart.
13. Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur (Tkat)
des Katalysators (16, 18) gemessen und/oder modelliert wird.
14. Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur (Tkat)
des Katalysators (16, 18) anhand einer seit Motorstart verstrichenen Zeit und/oder seit
Motorstart erfolgten Kurbelwellenumdrehungen und/oder einer seit Motorstart
zurückgelegten Strecke und/oder einem kumulierten Abgaswärmestrom ermittelt wird.
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