DE102004019831B4

DE102004019831B4 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE102004019831B4
Application number: DE200410019831
Authority: DE
Inventors: Bodo Odendall
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2010-06-10
Anticipated expiration: 2024-04-24
Also published as: DE102004019831A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges,
mit einer der Brennkraftmaschine nachgeschalteten und eine Katalysatoreinrichtung mit wenigstens einem Abgaskatalysator aufweisenden Abgasanlage,
mit wenigstens einer Gaswechseleinrichtung, die eine Einlassseite und eine Auslassseite aufweist und die für einen Ladungswechsel mit Ansaugtakt und Auslasstakt mittels einer Steuereinrichtung entsprechend einer vorgegebenen Betriebsart angesteuert wird,
wobei während einer Schubabschaltungsphase als nicht gefeuerter Betriebsart der Brennkraftmaschine eine gezielte Zudosierung von Kraftstoff erfolgt dergestalt, dass der Katalysatoreinrichtung ein Katalysator-Massenstrom mit einem zur Vermeidung einer unerwünschten Sauerstoffbeaufschlagung des Abgaskatalysators definierten, vorgegebenen Lambdawert zugeführt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Drosselklappe (15) während der Schubabschaltung so weit geschlossen wird, dass über die Drosselklappe (15) ein definierter, dem Öffnungsgrad entsprechender Leckageluftstrom (17) angesaugt wird, der zusammen mit einem sauerstoffarmen Abgasrückführmassenstrom (18) den der Katalysatoreinrichtung (12) zuzuführenden Katalysator-Massenstrom (19) bildet,
dass der Abgasrückführmassenstrom (18) vor der Einlassseite (4) der Gaswechselvorrichtung (3) mit dem...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zur Nachbehandlung von Abgasen von Brennkraftmaschinen ist es allgemein bekannt, das Abgas über eine in einer Abgasanlage angeordnete Katalysatoreinrichtung zu leiten. Eine derartige Katalysatoreinrichtung umfasst beispielsweise einen 3-Wege-Katalysator sowie ggf. auch in Verbindung mit magerlauffähigen Brennkraftmaschinen einen NO_x-Katalysator. Derartige Abgaskatalysatoren dürfen regelmäßig nur auf eine bestimmte vorgebbare Temperatur aufgeheizt werden, um eine irreversible Schädigung der Abgaskatalysatoren, die auch als Katalysatoralterung bezeichnet wird, zu vermeiden. Ein besonderes Problem hinsichtlich der Temperaturbelastung von Abgaskatalysatoren, insbesondere von NO_x-Katalysatoren, stellt die beispielsweise bei einer Verzögerung des Fahrzeuges vorgesehene Schubabschaltung dar, bei der ein vom Fahrer vorgegebenes Wunschmoment kleiner als ein momentanes Schubmoment des Fahrzeuges ist. Während einer derartigen Schubabschaltung wird die Kraftstoffzufuhr üblicher Weise unterbrochen und die Brennkraftmaschine nicht gefeuert betrieben. Während einer derartigen Schubabschaltung kann jedoch der Luftstrom durch die Bauart der Drosselklappe bedingt nicht vollständig unterbunden werden, was dazu führt, dass hohe Sauerstoffkonzentrationen ins Abgas und damit zu den Abgaskatalysatoren gelangen, die insbesondere zu Beginn der Schubphase, z. B. nach einem Hoch- oder einem Volllastbetrieb, noch einen sehr hohen Anteil an HC aufweisen. Dadurch kann es infolge der exothermen Nachreaktion dieser HC-Anteile mit dem Sauerstoff während einer Schubabschaltung zur Ausbildung von unerwünschten Temperaturspitzen kommen, die wiederum die zuvor beschriebene Katalysatoralterung durch eine verstärkte Oxidation und/oder Sinterung der katalytischen Edelmetallbeschichtungen der Abgaskatalysatoren beschleunigen.
Um derartige Temperaturspitzen zu vermeiden, ist aus der gattungsbildenden DE 101 10 500 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, bekannt, die eine der Brennkraftmaschine nachgeschaltete und eine Katalysatoreinrichtung aus wenigstens einem Abgaskatalysator aufweisende Abgasanlage aufweist. Ferner ist wenigstens eine Gaswechseleinrichtung vorgesehen, die eine Einlassseite und eine Auslassseite aufweist und die für einen Ladungswechsel mit Ansaugtakt und Auslasstakt mittels einer Steuereinrichtung entsprechend einer vorgegebenen Betriebsart angesteuert wird.
Konkret soll hier die Schubabschaltung in den Schubphasen unterdrückt werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Brennkraftmaschine bei einer derartigen Schubabschaltung mit einem Luft-Kraftstoff-Gemisch beaufschlagt wird, deren Lambda kleiner oder gleich 1,0 ist. D. h., dass die Schubabschaltung in einem solchen Fall unterdrückt wird und die Brennkraftmaschine somit auch in der Betriebsart Schubabschaltung gefeuert betrieben wird. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis während der Schubabschaltung kann dabei in Abhängigkeit von einer Temperatur des Abgases und/oder der Katalysatoren vorgegeben werden. Eine derartige gefeuerte Betriebsweise der Brennkraftmaschine während der Phase einer Schubabschaltung kann den Fahrkomfort ggf. negativ beeinflussen.
Eine Verfahrensführung mit der Möglichkeit einer nicht gefeuerten Betriebsweise während einer Schubabschaltung mit gleichzeitiger Kraftstoffzudosierung ist bereits aus der DE 198 58 468 A1 bekannt.
Die DE 199 53 480 A1 offenbart weiter ein Verfahren zur Regeneration eines Speicherkatalysators, bei dem in einem befeuerten Schubbetrieb eine Kraftstoffzudosierung erfolgt. Des weiteren ist eine Abgasrückführung und eine Drosselung vorgesehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, zur Verfügung zu stellen, mittels dem während einer dem während einer nicht gefeuerten Schubabschaltungsphase eine Sauerstoffbeaufschlagung des Abgaskatalysators noch besser vermieden werden kann.
Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Drosselklappe während der Schubabschaltung so weit geschlossen wird, dass über die Drosselklappe ein definierter, dem Öffnungsgrad entsprechender Leckageluftstrom angesaugt wird, der zusammen mit einem sauerstoffarmen Abgasrückführmassenstrom den der Katalysatoreinrichtung zuzuführenden Katalysator-Massenstrom bildet. Weiter wird der Abgasrückführmassenstrom vor der Einlassseite der Gaswechselvorrichtung mit dem Leckageluftstrom vermischt und das Verhältnis zwischen dem Leckageluftstrom und dem Abgasrückführmassenstrom so vorgegeben, dass sich zudem einlassseitig ein bestimmter, vorgegebener Differenzdruck als Ansaugdruck für den Leckageluftstrom einstellt.
Vorzugsweise wird die Drosselklappe hier vollständig geschlossen, so dass hohe Abgasrückführraten möglich sind, was wesentlich dazu beiträgt, die Sauerstoffbeaufschlagung der Katalysatoreinrichtung während einer Schubabschaltungsphase und damit unerwünschte Nachreaktionen im Katalysatorbereich zu minimieren. Zudem handelt es sich hierbei um eine einfach zu realisierende sog. äußere Abgasrückführung.
Je höher der Abgasrückführmassenstrom ist, desto weiter fällt der Differenzdruck und damit der Ansaugdruck für den Leckageluftstrom ab. Über eine derartige Verfahrensführung kann somit ebenfalls sichergestellt werden, dass über die z. B. vollständig geschlossene Drosselklappe lediglich ein geringerer Frischluftstrom für eine verminderte Sauerstoffbeaufschlagung angesaugt wird.
Mit einer derartigen erfindungsgemäßen Verfahrensführung können auf einfache Weise lediglich durch Zudosierung einer geringen Kraftstoffmenge während der Schubabschaltung Temperaturspitzen durch unerwünschte Nachreaktionen im Bereich der Abgasanlage, insbesondere im Bereich der Abgaskatalysatoren vermieden werden, da das Angebot an reaktionsfreudigem Sauerstoff im Bereich der Abgasanlage und insbesondere im Bereich der Katalysatoreinrichtung deutlich verringert ist. Durch die Zudosierung von im Gegensatz zum gefeuerten Betrieb geringen Kraftstoffmengen wird nach wie vor ein hohes Kraftstoffeinsparpotential erhalten. Beispielsweise beträgt die eingespritzte Kraftstoffmenge bei einer 4-Zylinder 2,0 l Brennkraftmaschine ca. 0,1 kg/h. Besonders wesentlich ist hierbei, dass die zudosierte Kraftstoffmenge nicht in einem Brennraum der Gaswechseleinrichtung verbrannt wird, sondern in der Abgasanlage, z. B. in oder auch vor der Katalysatoreinrichtung umgesetzt wird, d. h. z. B. auf dem Katalysator verbrannt wird. Bei dieser Umsetzung des Kraftstoffes wird zwar ebenfalls Wärmeenergie frei, die jedoch aufgrund des nicht gefeuerten Betriebs der Brennkraftmaschine bei der Schubabschaltung keine Temperaturen im kritischen Bereich bewirkt.
Eine vorteilhafte Sauerstoffbeaufschlagung der Katalysatoreinrichtung während der Schubabschaltung lässt sich z. B. nach einer besonders bevorzugten Verfahrensführung nach Anspruch 2 dadurch erreichen, dass der Lambdasollwert des der Katalysatoreinrichtung zugeführten Katalysator-Massenstromes kleiner oder gleich 1 beträgt.
Besonders bevorzugt ist eine Verfahrensführung nach Anspruch 3, bei der die Steuereinrichtung eine im Bereich der Katalysatoreinrichtung angeordnete Regelsonde aufweist, mittels der der Lambdawert des Katalysator-Massenstroms auf den vorgegebenen Lambdasollwert geregelt wird. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Regelsonde dabei um eine Lambdasonde, die z. B. als Nachkatsonde stromab der Katalysatoreinrichtung in der Abgasanlage angeordnet ist.
Nach Anspruch 4 wird der Abgasrückführmassenstrom stromab der Katalysatoreinrichtung entnommen und mittels einer Abgasrückführleitung in den Bereich der Einlassseite der Gaswechselvorrichtung geführt. Alternativ und ggf. auch zusätzlich dazu ist jedoch nach Anspruch 5 auch die Möglichkeit vorgesehen, den Abgasrückführmassenstrom stromauf der Katalysatoreinrichtung zu entnehmen und mittels einer Abgasrückführleitung in den Bereich einer Einlassseite der Gaswechselvorrichtung zu führen. Zur Vermeidung der Bildung eines zündfähigen Gemisches in der Abgasrückführleitung, dem Saugrohr und dem Krümmer ist hier vorgesehen, in der Abgasrückführleitung wenigstens einen Abgaskatalysator anzuordnen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann in einem Brennraum der Gaswechseleinrichtung aber auch eine zyklische Zündung zu vorgebbaren Zeitpunkten vorgenommen werden.
Zur Vermeidung von Kraftstoffausdünstungen nach dem Stopp einer Brennkraftmaschine unmittelbar nach Schubabschaltungsphasen ist nach Anspruch 6 vorgesehen, nach jeder Schubabschaltung die Abgasrückführleitung für eine bestimmte vorgegebene Zeitdauer mit einem Abgasmassenstrom zu beaufschlagen. Es wäre dann hier eine Funktion entwickelt, mit der sichergestellt wird, dass nach Schubphasen der Motor zwecks Spülung der Abgasrückführleitungen mit einem Abgasmassenstrom beaufschlagt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine mit nachgeschalteter Abgasanlage und Abgasrückführleitung, und
2 eine alternative Darstellung zum Aufbau gemäß 1.
In 1 ist eine Saugrohrleitung 1 gezeigt, in der eine Drosselklappe 2 angeordnet ist und die auf einer Einlassseite 4 einer Gaswechselvorrichtung 3 mit einem hier schematisch dargestellten Einlassventil 5 mündet. Die Gaswechselvorrichtung 3 umfasst ferner einen Zylinder 6 sowie einen darin geführten Kolben, was in der Darstellung nach 1 jedoch lediglich äußerst schematisch und beispielhaft dargestellt ist. Der Gaswechselvorrichtung 3 ist auf einer Auslassseite 8 eine Abgasleitung 10 als Bestandteil einer Abgasanlage 11 nachgeschaltet, wobei die Strömungsverbindung zum Zylinder 6 der Gaswechselvorrichtung 3 über ein hier lediglich schematisch angedeutetes Auslassventil 9 hergestellt wird.
Die Abgasanlage 11 weist ferner eine Katalysatoreinrichtung 12 mit darin aufgenommenem Abgaskatalysator 13 auf. Ferner ist stromab der Katalysatoreinrichtung 12 eine Abgasrückführleitung 14 abgezweigt, die einlassseitig in der Saugrohrleitung 1 mündet und ebenfalls mittels einer Drosselklappe 15 verschließbar ist.
Während einer Schubabschaltungsphase als nicht gefeuerter Betriebsart der hier lediglich beispielhaft durch die Gaswechselvorrichtung 3 gezeigten Brennkraftmaschine erfolgt im Brennraum 16 des Zylinders 6 eine gezielte Zudosierung von Kraftstoff zu dem Gemisch aus über die Saugrohrleitung 1 angesaugter Ansaugluftstrom 17 und über die Abgasrückführleitung 14 zugeführtem Abgasrückführmassenstrom 18, so dass ein Katalysator-Massenstrom 19 ausgebildet wird, der einen Lambdawert von kleiner oder gleich 1 aufweist. Wesentlich hierbei ist, dass dieser zudosierte Kraftstoff aufgrund des nicht gefeuerten Betriebs der Brennkraftmaschine nicht im Brennraum 16 der Gaswechselvorrichtung 3, sondern z. B. auf dem Katalysator verbrannt wird, so dass dem Abgaskatalysator 13 ein Katalysator-Massenstrom 19 mit einem Abgaslambda von kleiner oder gleich 1 zugeführt wird. Dieser Lambdawert kann beispielsweise mit einer der Katalysatoreinrichtung 12 nachgeschalteten Lambdasonde 20 als Regelsonde eingeregelt werden.
Geht man beispielsweise von einer 4-Zylinder 2,0 l-Brennkraftmaschine aus, die im befeuerten Schub ca. 50 kg/h Luft bei einem Mitteldruck von ca. 1 bar PMI durchsetzt, so sind hier für die Verbrennung der Luftmasse im gefeuerten Betrieb ca. 3,4 kg/h Kraftstoff erforderlich. Wird nun im Rahmen der Schubabschaltung die Drosselklappe 2 vollständig geschlossen, so wird beim oben genannten Motor über die bauartbedingte Leckage der Drosselklappe bei einem Differenzdruck von 1000 mbar ein Leckageluftstrom von 3,5 kg/h angesaugt. Durch die Abgasrückführung mittels der Abgasrückführleitung 14 kann dieser Leckageluftstrom bis auf ca. 1,5 kg/h abgesenkt werden. Beispielsweise liegt in einem solchen Fall ein Gemisch von 5% Frischluft und 95% Abgasmassenstrom vor, welches nicht brennfähig ist. In diesem Beispielfall ist es zur Vermeidung des Sauerstoffeintrages in die Katalysatoreinrichtung 12 erforderlich, lediglich eine Kraftstoffmenge von 0,1 kg/h einzuspritzen. Diese Kraftstoffmenge wird beispielsweise auf dem Abgaskatalysator 13 umgesetzt, wobei eine Heizleistung von ca. 1,1 kW frei wird. Diese Heizleistung bewirkt dann eine Temperaturerhöhung von ca. 110°C. Weil diese Werte jedoch bei absolut tiefen Abgastemperaturen auftreten – da die Brennkraftmaschine nicht gefeuert betrieben wird – sind sie als unkritisch anzusehen.
Mit der erfindungsgemäßen Betriebsweise sind somit alle Forderungen bezüglich der Minimierung des Kraftstoffverbrauchs in der Phase der Schubabschaltung, keine Erzeugung eines inneren Momentes sowie die Vermeidung einer Sauerstoffbeaufschlagung der Katalysatoreinrichtung zur Vermeidung von Nachreaktionen und Temperaturspitzen ohne weiteres zu erfüllen.
In der 2 ist eine alternative Ausführungsform gezeigt, die sich von derjenigen der 1 lediglich dadurch unterscheidet, dass die Abgasrückführleitung 14 vor der Katalysatoreinrichtung 12 abgezweigt wird. Bei einem derartigen Aufbau besteht die Gefahr, dass sich in der Abgasrückführleitung 14, der Saugrohrleitung 1 und der Abgasleitung 10 durch stetige Anreicherung der Frischluft ein brennfähiges Gemisch bildet. Um dies zu vermeiden, ist hier in der Abgasrückführleitung 14 ein Katalysator 21 platziert, mit dem diese Problematik verhindert werden kann. Alternativ oder aber auch zusätzlich dazu kann auch eine zyklische Zündung im Brennraum vorgesehen sein.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit einer der Brennkraftmaschine nachgeschalteten und eine Katalysatoreinrichtung mit wenigstens einem Abgaskatalysator aufweisenden Abgasanlage, mit wenigstens einer Gaswechseleinrichtung, die eine Einlassseite und eine Auslassseite aufweist und die für einen Ladungswechsel mit Ansaugtakt und Auslasstakt mittels einer Steuereinrichtung entsprechend einer vorgegebenen Betriebsart angesteuert wird, wobei während einer Schubabschaltungsphase als nicht gefeuerter Betriebsart der Brennkraftmaschine eine gezielte Zudosierung von Kraftstoff erfolgt dergestalt, dass der Katalysatoreinrichtung ein Katalysator-Massenstrom mit einem zur Vermeidung einer unerwünschten Sauerstoffbeaufschlagung des Abgaskatalysators definierten, vorgegebenen Lambdawert zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselklappe (15) während der Schubabschaltung so weit geschlossen wird, dass über die Drosselklappe (15) ein definierter, dem Öffnungsgrad entsprechender Leckageluftstrom (17) angesaugt wird, der zusammen mit einem sauerstoffarmen Abgasrückführmassenstrom (18) den der Katalysatoreinrichtung (12) zuzuführenden Katalysator-Massenstrom (19) bildet, dass der Abgasrückführmassenstrom (18) vor der Einlassseite (4) der Gaswechselvorrichtung (3) mit dem Leckageluftstrom (17) vermischt wird, und dass das Verhältnis zwischen dem Leckageluftstrom (17) und dem Abgasrückführmassenstrom (18) so vorgegeben wird, dass sich zudem einlassseitig ein bestimmter, vorgegebener Differenzdruck als Ansaugdruck für den Leckageluftstrom (17) einstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lambdasollwert des der Katalysatoreinrichtung (12) zugeführten Katalysator-Massenstromes (19) kleiner oder gleich 1,0 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung eine im Bereich der Katalysatoreinrichtung (12) angeordnete Regelsonde (20), vorzugsweise eine Lambdasonde als Nachkatsonde, aufweist, mittels der der Lambdawert des Katalysator-Massenstroms (19) auf den vorgegebenen Lambdasollwert geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasrückführmassenstrom (18) stromab der Katalysatoreinrichtung (12) entnommen und mittels einer Abgasrückführleitung (14) in den Bereich der Einlassseite (4) der Gaswechseleinrichtung (3) geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasrückführmassenstrom (18) stromauf der Katalysatoreinrichtung (12) entnommen und mittels einer Abgasrückführleitung (14) in den Bereich einer Einlassseite (4) der Gaswechseleinrichtung (3) geführt wird, wobei in der Abgasrückführleitung (14) wenigstens ein Abgaskatalysator (13) angeordnet ist und/oder in einem Brennraum (16) der Gaswechseleinrichtung (3) eine zyklische Zündung zu vorgebbaren Zeitpunkten vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach jeder Schubabschaltung die Abgasrückführleitung (14) für eine bestimmte vorgegebene Zeitdauer mit einem Abgasmassenstrom beaufschlagt wird.