DE102004024087A1 - Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine während des Schubbetriebs - Google Patents

Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine während des Schubbetriebs Download PDF

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine während des Schubbetriebs, mit einer den Brennräumen (2) der Brennkraftmaschine (1) vorgeschalteten Drosselklappe (5) zur Drosselung der Luftzufuhr, mit einer Einrichtung (6) zur Zumessung von Kraftstoff und mit einer Lambdasonde (8, 9) zur Bestimmung des Lambdawertes wird vorgeschlagen, dass die Drosselklappe (5) zur Drosselung der Luftzufuhr während des Schubbetriebs so gedrosselt wird, dass wenigstens eine bestimmte Menge an Leckageluft in die Brennräume (2) gelangt und die Einrichtung (6) zur Zumessung von Kraftstoff während des Schubbetriebs eine entsprechend geringe Menge an Kraftstoff zumisst, so dass der Kraftstoff und die Leckageluft ein Luftgemisch/Kraftstoff ergeben, welches gemäß der Lambdasonde (8, 9) einen Lambdawert lambda = 1 aufweist. Vorschlagsgemäß wird erreicht, dass mit diesem Verfahren insbesondere nach dem Schubbetrieb der Brennkraftmaschine stets eine ausreichend gute Konvertierung der im Abgas enthaltenen Stickoxide stattfindet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine während des Schubbetriebs, mit einer den Brennräumen der Brennkraftmaschine vorgeschalteten Drosselklappe zur Drosselung der Luftzufuhr, mit einer Einrichtung zur Zumessung von Kraftstoff, und mit einer Lambdasonde zur Bestimmung des Lambdawertes.
  • Während des Schubbetriebes ist es im Hinblick auf eine Momentenreduzierung und eine Kraftstoffersparnis wünschenswert die Kraftstoffzufuhr zum Motor vollständig abzuschalten. Erfolgt eine solche Abschaltung der Kraftstoffzufuhr, so tritt insbesondere bei Motoren mit einer Drosselklappe das Problem auf, dass sich die Luftzufuhr zum Motor nicht in gleicher Weise vollständig abschalten lässt. So saugt der Motor auch bei einer geschlossenen Drosselklappe noch eine Luftmenge von 2 bis 6 Kilogramm pro Stunde an. Der darin enthaltene Sauerstoff wird dem Katalysator unmittelbar zugeführt, so dass dessen Sauerstoffspeicher sehr schnell in den Sättigungsbereich gerät. Dementsprechend kann der Katalysator nach dem Schubbetrieb, d.h. bei der Wiederaufnahme der Kraftstoffzufuhr zunächst keine Konvertierung der im Abgas enthaltenen Stickoxide leisten, so dass beachtliche Mengen an Stickoxiden in die Atmosphäre entweichen können und das Fahrzeug nicht mehr den Abgasbestimmungen entspricht. Erst nachdem der überschüssige Sauerstoff aus dem Sauerstoffspeicher des Katalysators entfernt wurde, kann wieder eine zufriedenstellende Konvertierung stattfinden.
  • Zudem ist die Abschaltung der Kraftstoffzufuhr auch deswegen problematisch, da mit der Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr eine gewisse Auskühlung der Brennkraftmaschine verbunden ist, die Brennkraftmaschine in Ihrem Drehzahlverhalten abgefangen werden muss, um nicht auszugehen und beim Wiedereinsetzen der Kraftstoffzufuhr gegebenenfalls auch eine Komforteinbuße auftritt.
  • Aus der Druckschrift DE 198 58 468 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung der Kraftstoffzufuhr während eines Schubabschaltungsmodus bekannt, wobei die Menge des in dem Katalysator gespeicherten Sauerstoffs oder die Temperatur des Katalysators ermittelt wird und dem Motor intermittierend Kraftstoff zugeführt wird, so dass der Kraftstoff in dem Katalysator umgesetzt wird und darin befindlicher überschüssiger Sauerstoff reduziert wird.
  • Des weiteren offenbart die Druckschrift DE 102 11 199 A1 eine Steuerung eines Verbrennungsmotors im Schiebebetrieb, welche sich dadurch auszeichnet, dass der Austausch des Luftgemischs/Kraftstoff so gesteuert wird, dass das Luftgemischs/Kraftstoff zu Beginn der Schiebebetriebsphase im Brennraum eingeschlossen wird und am Ende der Schiebebetriebsphase gezündet wird. Hierfür ist jedoch erforderlich, dass der Verbrennungsmotor eine Ventilabschaltung aufweist.
  • Ferner ist in der Druckschrift DE 102 15 479 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung, Abgaskatalysator und Schubabschaltung beschrieben, wobei bei erkanntem Schubbetrieb und hoher Katalysatortemperatur das Abgasrückführungsventil vollständig geöffnet wird und über die Dauer des Schubbetriebes geöffnet bleibt, um die thermische Belastung des Katalysators zu verringern.
  • Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine während des Schubbetriebs bereitzustellen, mit welchem die Sättigung des Sauerstoffspeichers eines im Abgasstrang vorhandenen Katalysators bereits im Ansatz wirkungsvoll vermieden wird und somit auch die Emission von Stickoxiden nach dem Schubbetrieb deutlich reduziert werden.
  • Gelöst wird die Aufgabe, indem die Drosselklappe zur Drosselung der Luftzufuhr während des Schubbetriebs so gedrosselt wird, dass wenigstens eine bestimmte Menge an Leckageluft in die Brennräume gelangt, und die Einrichtung zur Zumessung von Kraftstoff während des Schubbetriebs eine entsprechend geringe Menge an Kraftstoff zumisst, so dass der Kraftstoff und die Leckageluft ein Luftgemischs/Kraftstoff ergeben, welches gemäß der Lambdasonde einen Lambdawert von λ = 1 aufweist. Dadurch wird eine positive Sauerstoffbilanz des dem Katalysator zugeführten Abgases vermieden und gerät der Sauerstoffspeicher des Katalysators erst gar nicht in den Sättigungsbereich. Folglich kann der Katalysator zu jeder Zeit, das heißt insbesondere auch nach dem Schubbetrieb der Brennkraftmaschine eine ausreichend gute Konvertierung der im Abgas enthaltenen Schadstoffe leisten. Zudem wird bei diesem Verfahren durch die Zumessung der geringen Menge an Kraftstoff allenfalls ein kleiner Energieeintrag geleistet, der im Schubbetrieb kaum störend wirkt.
  • Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird das Luftgemischs/Kraftstoff so gesteuert, dass sich ein gerade noch stabil brennfähiges Gemisch ergibt und wird die Momentenabgabe der Brennkraftmaschine reduziert. Dadurch ist sichergestellt, dass das erfindungsgemäße Verfahren den Fahrkomfort in keiner Weise beeinträchtigt.
  • Wird das Luftgemischs/Kraftstoff durch Fremdzündung im Brennraum gezündet, so kann das durch die Verbrennung des Luftgemischs/Kraftstoff er zeugte Moment der Brennkraftmaschine durch eine Verstellung des Zündwinkels minimiert werden. Somit wird die während des Schubbetriebs unerwünschte Arbeitsleistung der Brennkraftmaschine hinreichend reduziert.
  • Bei der Verstellung des Zündwinkels, wird der Zündzeitpunkt der Brennkraftmaschine vorteilhaft in Richtung „Spät" verstellt, so dass er kurz vor dem „Zünd-OT" liegt. Auf diese Weise kann das Luftgemischs/Kraftstoff zwar noch vollständig entzündet und verbrannt werden, hat dann aber nicht mehr genügend Zeit für seine Expansion zur Verfügung, so dass die Flammenfront der Expansionsbewegung des Kolbens quasi hinterherläuft und dabei keine Arbeit verrichtet.
  • Zudem ist die Momentenabgabe der Brennkraftmaschine durch eine Verstellung der Ventilsteuerzeiten reduzierbar, indem beispielsweise die Auslassventile vorzeitig geöffnet werden, um das verbrennende Luftgemischs/Kraftstoff noch während seiner Expansion aus dem Brennraum in den Abgasstrang entweichen zu lassen.
  • Gemäß einer zweiten alternativen Ausführungsform der Erfindung wird das Luftgemischs/Kraftstoff durch Selbstzündung auf dem Katalysator umgesetzt. Dadurch wird die von der Drosselklappe zur Drosselung der Luftzufuhr gedrosselte Luftmenge, d.h. bevorzugt nur die Leckageluft und die von der Einrichtung zur Zumessung von Kraftstoff zugemessene entsprechend geringe Menge an Kraftstoff auf dem im Abgasstrang befindlichen heißen Katalysator entzündet. Demzufolge fällt der Energieeintrag bei dieser Ausführungsform besonders gering aus.
  • Wird bei der zweiten Ausführungsform zudem eine Abgasrückführung durchgeführt, so kann die thermische Belastung des Katalysators verringert werden. Denn durch eine hohe Abgasrückführungsrate wird die Luftzufuhr und damit der Eintrag von Leckageluft bzw. Sauerstoff in den Katalysator klein gehalten.
  • Besonders bevorzugt wird die Zumessung von Kraftstoff bei beiden Ausführungsformen des Verfahrens nur während der Schaltvorgänge der Brennkraftmaschine zugelassen. Denn insbesondere bei den Schaltvorgängen, d. h. beim Wechsel vom Schubbetrieb in den Lastbetrieb wird der Motor bei hohen Lasten betrieben und werden damit große Mengen an Stickoxyden NOx emittiert. Beim Wechsel vom Schubbetrieb in den Leerlaufbetrieb ist der Ausstoß von NOx hingegen nicht so ausgeprägt, da der Motor dann nur bei niedriger Last betrieben wird.
  • Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine;
  • 2 eine Abbildung, in der die Konvertierung eines Abgaskatalysators über dem Sauerstoff-Befüllungsgrad aufgetragen ist;
  • 3a ein erstes Diagramm aus welchem die gemäß dem Stand der Technik bei einem vorgegebenen Geschwindigkeitsprofil der Brennkraftmaschine anfallenden Emissionen von Kohlenwasserstoff und Stickoxiden hervorgehen; und
  • 3b ein zweites Diagramm aus welchem die gemäß der vorliegenden Erfindung bei dem Geschwindigkeitsprofil aus 3a anfallenden Emissionen von Kohlenwasserstoff und Stickoxiden ersichtlich sind.
  • Die in 1 gezeigte Brennkraftmaschine 1 dient zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung einer Brennkraftmaschine während des Schubbetriebs. Dazu umfasst die Brennkraftmaschine 1 eine Anzahl von Brennräumen 2, einen den Brennräumen 2 vorgeschalteten An saugstrang 3, und einen den Brennräumen 2 nachgeschalteten Abgasstrang 4.
  • Der Ansaugstrang 3 ist von einer Drosselklappe 5 zur Drosselung der Luftzufuhr beherrscht. Diese Drosselklappe 5 ist in Abhängigkeit vom Fahrerwunsch zwischen einer vollständig geschlossenen Stellung und einer vollständig geöffneten Stellung einstellbar.
  • Den Brennräumen 2 ist eine Einrichtung 6 zur Zumessung von Kraftstoff zugeordnet. Eine solche Einrichtung 6 zur Zumessung von Kraftstoff könnte grundsätzlich jedoch auch im Abgasstrang 4 angeordnet sein.
  • Der Abgasstrang 4 weist einen Katalysator 7 zur Konvertierung von Stickoxiden NOx und Kohlenwasserstoffen CH x bzw. HC und CO auf. Dazu weist der Katalysator 7 einen integrierten Sauerstoffspeicher auf. Außerdem sind innerhalb des Abgasstranges 4 stromauf des Katalysators 7 eine Führungssonde 8 sowie stromab des Katalysators 7 eine Regelsonde 9 zur Bestimmung des Lambdawertes vorhanden.
  • Die Konvertierungsleistung des Katalysators 7 in Abhängigkeit vom Sauerstoffbehüllungsgrad ist in 2 gut erkennbar. Ist der Sauerstoffspeicher relativ leer oder relativ voll, so können entweder nur Kohlenwasserstoffe oder nur Stickoxide konvertiert werden. Beträgt der Befüllungsgrad des Sauerstoffspeichers dagegen 30 % bis 70 %, so können sowohl Kohlenwasserstoffe als auch Stickoxide ausreichend gut konvertiert werden, wobei das Konvertierungsmaximum, d.h. eine nahezu vollständige Konvertierung dieser Schadstoffe bei einem Befüllungsgrad von ca. 50 % erreicht wird.
  • Befindet sich die Brennkraftmaschine 1 mit Drosselklappe 5 im Schubbetrieb, so wird selbst dann wenn die Drosselklappe 5 geschlossen ist Leckageluft angesaugt und durch die Brennräume 2 und den Abgasstrang 3 mit dem Katalysator 7 gespült. Die Menge der Leckageluft beträgt je nach Bauart der Drosselklappe 5 zwei bis sechs Kilogramm pro Stunde. Aufgrund des darin enthaltenen Sauerstoffanteils von 21 % wird der Sauerstoffspeicher des Katalysators 7 daher mit ca. 0,12 bis 0,35 Gramm reinem Sauerstoff pro Sekunde beaufschlagt. Da die Gesamtkapazität des Sauerstoffspeichers jedoch nur 0,6 Gramm Sauerstoff beträgt, hat dies zur Folge, dass der Sauerstoffspeicher innerhalb kürzester Zeit voll beladen ist und in diesem Zustand keine Konvertierung der Stickoxide mehr leisten kann. Bei einem darauf folgenden Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine 1 würden die entstehenden Schadstoffe also ungereinigt in die Atmosphäre entlassen werden bis sich der Katalysator wieder regeneriert hat.
  • Die Darstellungen aus 3a und 3b zeigen jeweils einen Standard-Abgastest bei dem während eines vorgegebenen dreiteiligen Geschwindigkeitsprofils der Brennkraftmaschine ausgestoßene Schadstoffe, nämlich Kohlenwasserstoff Propan C3H8 und Stickoxide NOx ermittelt werden. Dabei ist das Geschwindigkeitsprofil durch eine durchgezogene Linie, die Summe der Kohlenwasserstoffe durch eine gestrichene Linie und die Summe der Stickoxide durch eine strichpunktierte Linie dargestellt. 3a zeigt die Situation beim Stand der Technik mit komplett abgeschalteter Kraftstoffzufuhr und 3b zeigt die gleiche Situation bei erfindungsgemäß nur teilweise abgeschalteter Kraftstoffzufuhr.
  • Gemäß dem ersten Teil des Geschwindigkeitsprofils wird die Brennkraftmaschine 1 aus dem Leerlauf zunächst im 1. Gang auf 15 Km/h beschleunigt, konstant gehalten, im Schubbetrieb bis in den Stand verzögert und wieder im Leerlauf betrieben.
  • Gemäß dem zweiten Teil des Geschwindigkeitsprofils wird die Brennkraftmaschine 1 aus dem Leerlauf im 1. Gang auf 15 Km/h beschleunigt, hochgeschaltet, im 2. Gang auf 32 Km/h beschleunigt, konstant gehalten, im Schubbetrieb bis in den Stand verzögert und wieder im Leerlauf betrieben.
  • Und gemäß dem dritten Teil dieses Geschwindigkeitsprofils wird die Brennkraftmaschine 1 aus dem Leerlauf im 1. Gang auf 15 Km/h beschleunigt, hochgeschaltet, im 2. Gang bis auf 35 Km/h beschleunigt, hochgeschaltet, im 3. Gang bis auf 50 Km/h beschleunigt, konstant gehalten, im Schubbetrieb auf 35 Km/h verzögert, wieder einige Zeit konstant gehalten, bis in den Stand verzögert und schließlich im Leerlauf betrieben.
  • Die in den Darstellungen aus 3a und 3b aufgetragenen Kohlenwasserstoff-Summenkurven zeigen beide einen relativ flachen Anstieg während des gesamten Geschwindigkeitsprofils. Folglich ist es für den Ausstoß von Kohlenwasserstoff nahezu egal, ob die Kraftstoffzufuhr während des Schubbetriebs der Brennkraftmaschine 1 ganz oder teilweise abgeschaltet ist.
  • Im Gegensatz dazu haben die in 3a und 3b gezeigten Stickoxid-Summenkurven jedoch einen sehr unterschiedlichen Verlauf.
  • So zeigt die Stickoxid-Summenkurve aus 3a insbesondere bei den normalerweise nur zwei Sekunden kurzen Schubphasen während der Schaltvorgänge einen steilen Anstieg der Stickoxide und bei den längeren Schubphasen während der Verzögerungsvorgänge einen etwas sanfteren Anstieg der Stickoxide.
  • Die Stickoxid-Summenkurve aus 3b zeigt dagegen, dass das erfindungsgemäße Verfahren während des Schubbetriebs eine erhebliche Vermeidung von Stickoxiden bewirkt, so dass während des gesamten Abgastests nur ein flacher Anstieg der Summenkurve erfolgt. Dieser positive Effekt tritt nicht nur bei den längeren Schubphasen bzw. Verzögerungsvorgängen des Geschwindigkeitsprofils auf, sondern in ganz besonderem Maße auch bei den kürzeren Schubphasen bzw. Schaltvorgängen. Ermöglicht wird dies, indem während des Schubbetriebs der den Brennräumen 2 zugeführten Luftmenge, welche bei vollständig geschlossener Drosselklappe 5 zuminderst der Leckagemenge entspricht, eine entsprechend geringe Menge an Kraftstoff zugemessen wird, so dass der Kraftstoff und die Leckageluft ein brennfähiges Luftgemischs/Kraftstoff mit einem Lambdawert von 1 bilden, welches entweder in den Brennräumen 2 oder auf dem Katalysator 7 umgesetzt wird. Dadurch wird der Katalysator 7 während des Schubbetriebs der Brennkraftmaschine 1 nicht mehr mit reinem Sauerstoff befüllt, sondern aufgrund der idealen Abgaszusammensetzung stets mit einer ausreichend guten Konvertierungsleistung betrieben.
  • 1
    Brennkraftmaschine
    2
    Brennraum
    3
    Ansaugstrang
    4
    Abgasstrang
    5
    Drosselklappe
    6
    Einrichtung zur Zumessung von Kraftstoff
    7
    Katalysator
    8
    Führungssonde
    9
    Regelsonde

Claims (8)

  1. Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine während des Schubbetriebs, mit – einer den Brennräumen (2) der Brennkraftmaschine (1) vorgeschalteten Drosselklappe zur Drosselung der Luftzufuhr, – einer Einrichtung (6) zur Zumessung von Kraftstoff, und – einer Lambdasonde (8, 9) zur Bestimmung des Lambdawertes, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselklappe (5) zur Drosselung der Luftzufuhr während des Schubbetriebs so gedrosselt wird, dass wenigstens eine bestimmte Menge an Leckageluft in die Brennräume (2) gelangt, und die Einrichtung (6) zur Zumessung von Kraftstoff während des Schubbetriebs eine entsprechend geringe Menge an Kraftstoff zumisst, so dass der Kraftstoff und die Leckageluft ein Luftgemischs/Kraftstoff ergeben, welches gemäß der Lambdasonde (8, 9) einen Lambdawert von λ = 1 aufweist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftgemischs/Kraftstoff so gesteuert wird, dass es gerade noch stabil brennfähig ist und die Momentenabgabe der Brennkraftmaschine (1) reduziert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoff/Luftgemisch durch Fremdzündung in den Brennräumen (2) gezündet wird, wobei das durch die Verbrennung des Luftgemischs/Kraftstoff erzeugte Moment der Brennkraftmaschine (1) durch eine Verstellung des Zündwinkels reduziert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündwinkel in Richtung „Spät" verstellt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Momentenabgabe der Brennkraftmaschine (1) durch eine Verstellung der Ventilsteuerzeiten reduziert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftgemischs/Kraftstoff durch Selbstzündung im Abgasstrang (4) gezündet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgasrückführung durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zumessung von Kraftstoff nur während der Schaltvorgänge der Brennkraftmaschine (1) zugelassen wird.
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