DE10160438B4

DE10160438B4 - Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10160438B4
Application number: DE10160438A
Authority: DE
Inventors: Walter Dr. Piock; Ralf Dipl.-Ing. Kunzemann
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2000-12-21
Filing date: 2001-12-08
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2021-12-09
Also published as: AT4705U1; DE10160438A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung, mit zumindest einem NO_x-Speicherkatalysator im Abgasstrang, wobei während des Motorbetriebes die Temperatur des NO_x-Speicherkatalysators und der Lastzustand der Brennkraftmaschine kontinuierlich oder diskontinuierlich ermittelt wird, und ein maximaler Sollwert oder ein Sollwertkennfeld als Funktion von Einspritzmenge und/oder Motordrehzahl und/oder -last für die Temperatur des NO_x-Speicherkatalysators vordefiniert wird, und wobei in lastfreien Betriebszuständen, bei welchen die Temperatur des NO_x-Speicherkatalysators über dem vordefinierten Sollwert liegt, die Brennkraftmaschine ungedrosselt betrieben und die Kraftstoffzufuhr zum Brennraum unterbrochen wird, wobei als lastfreier Betriebszustand Schubphasen oberhalb einer vordefinierten Wiedereinsetzdrehzahl definiert werden, und wobei nach Beendigung des lastfreien Betriebszustandes und/oder nach Absinken der Temperatur des NO_x-Speicherkatalysators auf eine vordefinierte Wiedereinsetztemperatur, welche maximal dem Sollwert entspricht, zum Wiedereinsetzen des Lastbetriebes die Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr wieder aufgehoben wird, dadurch gekennzeüchnet, dass das Wiedereinsetzen des Lastbetriebes im Magerbetrieb mit einem überstöchiometrischem Luft-Kraftstoffverhältnis erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung, mit zumindest einem NOx-Speicherkatalysator im Abgasstrang, wobei während des Motorbetriebes die Temperatur des NOx-Speicherkatalysators und der Lastzustand der Brennkraftmaschine kontinuierlich oder diskontinuierlich ermittelt wird, und ein maximaler Sollwert oder ein Sollwertkennfeld als Funktion von Einspritzmenge und/oder Motordrehzahl und/oder -last für die Temperatur des NO_x-Speicherkatalysators vordefiniert wird, und wobei in lastfreien Betriebszuständen, bei welchen die Temperatur des NO_x-Speicherkatalysators über dem vordefinierten Sollwert liegt, die Brennkraftmaschine ungedrosselt betrieben und die Kraftstoffzufuhr zum Brennraum unterbrochen wird, wobei als lastfreien Betriebszustand Schubphasen oberhalb einer vordefinierten Wiedereinsetzdrehzahl definiert werden, und wobei nach Beendigung des lastfreien Betriebszustandes und/oder nach Absinken der Temperatur des NO_x-Speicherkatalysators auf eine vordefinierte Wiedereinsetztemperatur, welche maximal dem Sollwert entspricht, zum Wiedereinsetzen des Lastbetriebes die Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr wieder aufgehoben wird.

Um den NO_x-Ausstoß bei direkteinspritzenden Otto-Motoren auf das vom Gesetzgeber vorgeschriebene Maß zu reduzieren, werden NO_x-Speicherkatalysatoren eingesetzt. Speicher- oder Adsorberkatalysatoren verfügen über ein bestimmtes Temperaturfenster, in welchem eine NO_x-Einspeicherung stattfinden kann. Dieses Temperaturfenster bestimmt im wesentlichen den Betriebsbereich der direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschine, in dem mit überstöchiometrischem Luft-Kraftstoff-Verhältnis gefahren werden kann. Nach Einspeichern einer bestimmten Masse an NO_x muss der Motor mit einem unterstöchiometrischen λ-Wert betreiben werden, um das eingespeicherte NO_x wieder zu reduzieren, was den Treibstoffverbrauch erhöht. Speicherkatalysatoren sind außerdem empfindlich für hohe Temperaturen und weisen bei Abgastemperaturen, welche eine spezifische Alterungstemperatur überschreiten, eine verstärkte Neigung zu einer irreversiblen Katalysatoralterung auf. Um diese Schädigung zu vermeiden, ist es bekannt, zum Schutz des Katalysators vor zu hohen Abgastemperaturen das Abgas mit einem Bypass-System am Adsorber vorbeizuleiten oder bei Überschreiten einer bestimmten Abgastemperatur auf stark unterstöchiometrischen Motorbetrieb umzuschalten. Dies wirkt sich allerdings nachteilig auf die Abgasqualität und/oder den Treibstoffverbrauch aus.

In der AT 3.601 U1 wurde bereits vorgeschlagen, stromaufwärts des NO_x-Speicherkatalysator einen Abgaskühler anzuordnen, um auf möglichst einfache Weise Treibstoffverbrauch und Abgasemissionen zu reduzieren und um einen wirksamen Schutz für den NO_x-Speicherkatalysator bereitzustellen.

Es ist weiters bekannt, bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine zwischen einem Vorkatalysator und einem NO_x-Speicherkatalysator eine umgehbare Kühlstrecke vorzusehen, wobei der Durchfluss durch die Kühlstrecke über eine Abgasklappe gesteuert werden kann. Dadurch ist ein Temperaturmanagement des NO_x-Speicherkatalysators möglich.

Zur weiteren Verminderung des Treibstoffverbrauches und der Abgasemissionen ist eine Ausweitung des Schichtbetriebes wünschenswert. Zur Vermeidung einer unakzeptablen Erhöhung der Stickoxidemissionen bietet sich die bekannte Technologie der Abgasrückführung an. Eine interne Abgasrückführung kann durch Verstellung der Steuerzeiten bewerkstelligt werden. Nachteilig dabei ist allerdings der Kostenaufwand für die Ventilsteuerzeiten-Verstelleinrichtungen, die für Ein- und Auslassventile benötigt werden. Als kostengünstige Alternative kann die bekannte externe Abgasrückführung mit Durchflusssteuerung eingesetzt werden, bei der eine Abgasrückführleitung vom Abgasstrang in die Einlassleitung einmündet.

Bei aufgeladenem Magerbetrieb steigt allerdings im Ansaugsammlerbereich der Ladedruck an und würde eine Abgasrückführung behindern. Um trotzdem genügend externes Abgas rückführen zu können, ist das Aufbringen eines Gegendruckes im Abgasstrang stromaufwärts der Abzweigung der Abgasrückführleitung notwendig. Problematisch ist allerdings, dass bei Homogenbetrieb mit λ = 1 hohe Abgastemperaturen auftreten, welche über dem Einspeicherfenster des NO_x-Speicherkatalysators liegen, wodurch die entstehenden Stickoxide nicht mehr eingespeichert werden können. Um möglichst viel im kraftstoffsparenden Magerbetrieb fahren zu können, ist es notwendig, durch gezielte Maßnahmen die Abgastemperatur vor dem NO_x-Speicherkatalysator entsprechend nieder zu halten.

Ein besonderes Problem dabei ist das Wiedereinsetzen des Magerbetriebes aus einem Betriebsbereich mit hoher Abgastemperatur. Wenn das gesamte Auspuffsystem nämlich stark erwärmt ist, dauert es relativ lange, um die Abgastemperaturen vor dem NO_x-Speicherkatalysator wieder in den gewünschten Bereich zu bringen, zumal während der Sperrzeit des NO_x-Speicherkatalysators die Brennkraftmaschine homogen betrieben wird, und daher deutlich höhere motorseitige Temperaturen erzeugt werden. Durch oberflächliche Kühlung des Abgases über Rohre, beispielsweise durch Doppelmantelkühlung des Abgasstranges, kann dieses Problem nicht zufriedenstellend gelöst werden.

Aus der DE 27 28 205 A1 ist eine gemischverdichtende fremdgezündete Brennkraftmaschine bekannt, bei der im Schiebebetrieb die Kraftstoffzufuhr unterbrochen wird, wenn die Katalysatortemperatur oberhalb der Arbeitstemperatur des Katalysators liegt. Die Brennkraftmaschine wird dabei im Schiebebetrieb ausschließlich mit Luft mit größtmöglichem Füllungsgrad betrieben. Die Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr im Schiebebetrieb wird wieder aufgehoben, sobald die Katalysatortemperatur unter die Arbeitstemperatur des Katalysators sinkt, oder wenn die Motordrehzahl unter eine Mindestdrehzahl sinkt.

Die DE 198 43 859 A1 beschreibt ein Katalysatorregenerationsverfahren, bei dem im Schiebebetrieb mit abgeschalteter Kraftstoffzufuhr der NO_x-Speicherkatalysator mit Sauerstoff maximal gefüllt wird. Um überschüssigen Kraftstoff aus dem Katalysator auszuräumen, erfolgt beim Wiedereinsetzen der Kraftstoffzufuhr eine leichte Gemischanfettung. Dies hat aber den Nachteil einerseits eines erhöhten Kraftstoffverbrauches während des Wiedereinsetzens des Lastbetriebes und begünstigt andererseits ein rasches Wiederansteigen der Temperatur.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine auf möglichst einfach Weise Treibstoffverbrauch und Abgasemissionen zu reduzieren. Insbesondere soll dabei die Wiedereinsetzdauer für den Magerbetrieb aus Betriebsphasen mit hohen Abgastemperaturen verkürzt werden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass das Wiedereinsetzen des Lastbetriebes im Magerbetrieb mit einem überstöchiometrischem Luft-Kraftstoffverhältnis erfolgt. In Schubphasen oberhalb einer Wiedereinsetzdrehzahl für die Kraftstoffzufuhr wird – wenn die gemessene oder mit einem Rechenmodell bestimmte Speicherkatalysatortemperatur höher ist als der Sollwert der Speicherkatalysatortemperatur – die Brennkraftmaschine ungedrosselt, das heißt mit zur Gänze geöffneter Drosselklappe, und ohne Einspritzung betrieben, damit eine große Luftmenge relativ kühl durch das Einlass- und Auslasssystem strömt und die Abkühlung vor allem der gesamten Katalysatorstrukturen beschleunigt. Der Antriebsstrang ist dabei geschlossen, der Motor wird somit durch das Fahrzeug angetrieben. Die Wiedereinsetzdrehzahl ist eine Funktion von Gang und Motordrehzahl. Dadurch kann die Speicherkatalysatortemperatur wesentlich schneller gesenkt werden und ein früherer Umstieg auf den kraftstoffsparenden Magerbetrieb realisiert werden. Das Wiedereinsetzen nach einer solchen Schubphase erfolgt dann ebenfalls im Magerbetrieb (Schichtbetrieb), wobei nur geringfügig angedrosselt werden muss. Dadurch kann ein schnelles Ansteigen der Temperatur bedingt durch den sonst notwendigen Homogenbetrieb mit λ = 1 vermieden werden.