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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden
Zeichnungsfiguren näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine;
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2 eine
Abbildung, in der die Konvertierung eines Abgaskatalysators über dem
Sauerstoff-Befüllungsgrad
aufgetragen ist;
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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
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3b ein
zweites Diagramm aus welchem die gemäß der vorliegenden Erfindung
bei dem Geschwindigkeitsprofil aus 3a anfallenden
Emissionen von Kohlenwasserstoff und Stickoxiden ersichtlich sind.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Im
Gegensatz dazu haben die in 3a und 3b gezeigten
Stickoxid-Summenkurven
jedoch einen sehr unterschiedlichen Verlauf.
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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.
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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.
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Brennraum
- 3
- Ansaugstrang
- 4
- Abgasstrang
- 5
- Drosselklappe
- 6
- Einrichtung
zur Zumessung von Kraftstoff
- 7
- Katalysator
- 8
- Führungssonde
- 9
- Regelsonde