DE102004047984A1

DE102004047984A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit variabler Ventilüberschneidung

Info

Publication number: DE102004047984A1
Application number: DE102004047984A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Dr.-Ing. Pott; Jörg Dr.-Ing. Theobald; Fred Thiele
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2004-10-01
Filing date: 2004-10-01
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2024-10-02
Also published as: DE102004047984B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, insbesondere eines direkteinspritzenden Ottomotors, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, wobei eine zeitliche Ventilüberschneidung der Öffnung wenigstens eines Einlassventils und der Öffnung wenigstens eines Auslassventils wenigstens eines jeweiligen Zylinders der Brennkraftmaschine während eines Ladungswechsels im Zylinder eingestellt wird. Hierbei wird die Ventilüberschneidung während des Ladungswechsels in Abhängigkeit von einem Restsauerstoffgehalt im Abgas der Brennkraftmaschine stromauf einer Abgasreinigungsvorrichtung in einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine derart eingestellt, dass ein Sauerstoffgehalt im Abgas stromauf der Abgasreinigungsvorrichtung wenigstens in einem Teil der möglichen Betriebszustände der Brennkraftmaschine wenigstens über einen zeitlichen Teilbereich eines jeweiligen Betriebszustandes kleiner als ein abgastemperaturabhängiger Wert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, insbesondere eines direkteinspritzenden Ottomotors, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, wobei eine zeitliche Ventilüberschneidung der Öffnung wenigstens eines Einlassventils und der Öffnung wenigstens eines Auslassventils wenigstens eines jeweiligen Zylinders der Brennkraftmaschine während eines Ladungswechsels im Zylinder eingestellt wird, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der JP 01-344463 ist es bekannt, bei einer Brennkraftmaschine in Betriebszuständen mit niedriger Last und niedriger Drehzahl sowie in Betriebszuständen mit hoher Last und hoher Drehzahl den Schließzeitpunkt der Einlassventile der Brennkraftmaschine zu verzögern, wodurch sich eine erhöhte Ventilüberschneidung mit dem Auslassventil ergibt.

Aus der DE 43 17 748 A1 ist ein System zum Steuern eines Ventilsteuermechanismus für eine Brennkraftmaschine bekannt, wobei in Abhängigkeit von einer Drehzahl N und einem Drosselklappenwinkel α mit zunehmender Motorlast eine Ventilüberschneidung zunehmend vergrößert wird, um dadurch viel Motorleistung zur Verfügung zu stellen. Falls jedoch der Katalysator zu heiß wird, erfolgt eine Reduzierung der Ventilüberschneidung mit kleinem Öffnungswinkel für das Einlassventil und verzögerter Öffnung des Auslassventils, um das Abgas zu kühlen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der o.g. Art bzgl. der Drehmomentabgabe des Motors zu optimieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Dazu ist es bei einem Verfahren der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Ventilüberschneidung während des Ladungswechsels in Abhängigkeit von einem Restsauerstoffgehalt im Abgas der Brennkraftmaschine stromauf einer Abgasreinigungsvorrichtung in einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine derart eingestellt wird, dass ein Sauerstoffgehalt im Abgas stromauf der Abgasreinigungsvorrichtung wenigstens in einem Teil der möglichen Betriebszustände der Brennkraftmaschine wenigstens über einen zeitlichen Teilbereich eines jeweiligen Betriebszustandes kleiner als ein katalysatortemperaturabhängiger Wert ist.

Dies hat den Vorteil, dass bei instationärem Betrieb der Brennkraftmaschine die Ventilüberschneidung momentenoptimiert gewählt werden kann, d.h. es wird die maximal mögliche Ventilüberschneidung bei gleichzeitiger Begrenzung des Sauerstoffgehaltes im Abgas gewählt, ohne dabei das Abgasreinigungssystem der Brennkraftmaschine thermisch zu überlasten.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Ventilüberschneidung während des Ladungswechsels derart eingestellt, dass in mindestens 90% eines Lastdrehzahlbereichs mit Werten von über 90% Last und über 4000 1/min Drehzahl der Sauerstoffgehalt im Abgas stromauf der Abgasreinigungsvorrichtung kleiner als der abgastemperaturabhängige Wert ist.

Zweckmäßigerweise wird ein Lambdawert von 0,97 eingestellt.

Beispielsweise beträgt der abgastemperaturabhängige Wert 1% Sauerstoffgehalt im Abgas stromauf der Abgasreinigungsvorrichtung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
1 eine grafische Veranschaulichung eines Sauerstoffgehaltes im Abgas nach dem Ausstoß aus einem Arbeitszylinder in Abhängigkeit von einer Ventilüberschneidung beim Ladungswechsel,
2 eine grafische Veranschaulichung einer Abgastemperatur nach einer Abgasreinigungsvorrichtung in Abhängigkeit von einer Ventilüberschneidung beim Ladungswechsel,
3 eine grafische Veranschaulichung eines Motormomentes in Abhängigkeit von einer Ventilüberschneidung beim Ladungswechsel und
4 eine grafische Veranschaulichung eines Luftaufwandes in Abhängigkeit von einer Ventilüberschneidung beim Ladungswechsel.
In den 1 bis 4 ist auf einer horizontalen Achse eine zunehmende Ventilüberschneidung 10 auf jeweiligen vertikalen Achsen ein Sauerstoffgehalt 12 im Abgas in %, eine Abgastemperatur 14 in °C, ein zunehmendes Motormoment 16 (EWG-Moment in Nm) und ein zunehmender Liefergrad 18 (Luftaufwand dimensionslos). In 1 veranschaulicht ein Graph 20 den Verlauf des Sauerstoffgehaltes 12 im Abgas in Abhängigkeit von der Ventilüberschneidung 10. In 2 veranschaulicht ein Graph 22 den Verlauf der Abgastemperatur 14 in Abhängigkeit von der Ventilüberschneidung 10. In 3 veranschaulicht ein Graph 24 den Verlauf des Motormomentes 16 in Abhängigkeit von der Ventilüberschneidung 10. In 4 veranschaulicht ein Graph 26 den Verlauf des Luftaufwandes 18 in Abhängigkeit von der Ventilüberschneidung 10. Wie aus den 1 bis 3 unmittelbar ersichtlich, nimmt der Sauerstoffgehalt 12 im Abgas, die Abgastemperatur 14, das Motormoment 16 und der Liefergrad 18 zu, wenn die Ventilüberschneidung 10 zunimmt.
Große Ventilüberschneidungen während des Ladungswechsels in einem Arbeitszylinder der Brennkraftmaschine, die zur Erhöhung des Motormomentes erforderlich sind (vgl. 3), führen zu hohen Sauerstoffkonzentrationen im Abgas (vgl. 1). In einem Katalysator als Abgasnachbehandlungsvorrichtung im Abgasstrang der Brennkraftmaschine werden dadurch die im Abgas enthaltenen Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid oxidiert. Dies führt zu einer deutlichen Erhöhung der Abgastemperatur nach dem Katalysator bzw. der Katalysatortemperatur und somit zu einer erheblichen Temperaturbelastung des Katalysators. Zur Vermeidung einer thermischen Überlastung des Katalysators ist die Ventilüberschneidung und somit das Motormoment begrenzt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einer beispielhaften Ausführungsform die Ventilüberschneidung direkt mit dem Sauerstoffgehalt des Abgases nach dem Ausstoß aus einem Arbeitszylinder der Brennkraftmaschine und vor einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung im Abgasstrang der Brennkraftmaschine, beispielsweise vor einem Katalysator oder einem NO_x-Speicherkatalysator, als Regelgröße geregelt. Ein Istwert ist hierbei ein vorbestimmter Wert für den Sauerstoffgehalt des Abgases, welcher in Abhängigkeit einer aktuellen Abgastemperatur nach dem Katalysator variieren kann. Beispielsweise ist dieser vorbestimmte Wert um so niedriger, je höher die Temperatur des Abgases nach dem Katalysator ist. Umgekehrt kann dieser Wert bei niedriger Abgas- bzw. Katalysatortemperatur hoch gewählt werden, so dass große Ventilüberschneidungen möglich sind. Dieser vorbestimmte Wert für den Sauerstoffgehalt des Abgases begrenzt somit die Ventilüberschneidung. Da bereits vor der Erwärmung des Katalysators ein Regeleingriff stattfindet, kann man mit der Ventilüberschneidung näher an Grenzwerte herangehen, als dies bei Auswertung alleine der Abgastemperatur oder Katalysatortemperatur möglich ist, da man wegen der größeren Zeitspanne bzw. Reaktionszeiten bei thermodynamischen Prozesse größere Sicherheitsabstände für die Ventilüberschneidung einhalten muss, um eine thermische Beschädigung des Katalysators sicher zu vermeiden.
Mit anderen Worten wird durch die Begrenzung des Sauerstoffgehaltes im Abgas als Funktion der Ventilüberschneidung bereits die Exothermie und somit die Katalysatortemperatur initial begrenzt, d.h. nicht erst dann, wenn kritische Werte für Abgas- bzw. Katalysatortemperatur bereits erreicht werden. Durch die Begrenzung der Ventilüberschneidung direkt in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt im Abgas nach dem Ausstoß aus dem Zylinder und vor dem Katalysator erzielt man weniger Exothermie im Auslass, geringere Abgastemperaturen und deutlich geringere Temperaturbelastungen des Katalysators, wobei gleichzeitig höhere Motormomente dargestellt werden können, als bei herkömmlichen Verfahren, welche ausschließlich auf die Abgas- bzw. Katalysatortemperatur aufsetzen, d.h. nur auf kritische Werte reagieren können, während das erfindungsgemäße Verfahren die Abgas- bzw. Katalysatortemperatur direkt steuern und somit sicher unterhalb von kritischen Werten halten kann.
Mit der Erfindung ist eine Reduzierung des Edelmetallgehaltes des Katalysators zur Abgasreinigung gegenüber dem Stand der Technik um >10%, >25%, 35% oder sogar >50% möglich, bei gleich bleibender Reinigungsleistung, da die thermische Belastung des Katalysators deutlich verringert ist. Beispielsweise ist bei einem 1,8l, 132kW Turbo-Ottomotor mit Direkteinspritzung bisher ein Katalysator mit 6,32g Edelmetallgehalt vorgesehen. Bei einem Betrieb dieses Motors mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann dieser Edelmetallgehalt auf <5,725g, <4,77g, <4,134g oder sogar <3,18g abgesenkt werden.
Bei instationärem Motorbetrieb kann bei geringeren Katalysatortemperaturen die Ventilüberschneidung unter Inkaufnahme einer Erhöhung der Abgas- bzw. Katalysatortemperatur vorübergehend so eingestellt werden, dass der Motor sein maximales Moment abgibt. Bei Instationärem Motorbetrieb kann daher durch die Erfindung die Ventilüberschneidung momentenoptimal gewählt werden.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, insbesondere eines direkteinspritzenden Ottomotors, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, wobei eine zeitliche Ventilüberschneidung der Öffnung wenigstens eines Einlassventils und der Öffnung wenigstens eines Auslassventils wenigstens eines jeweiligen Zylinders der Brennkraftmaschine während eines Ladungswechsels im Zylinder eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilüberschneidung während des Ladungswechsels in Abhängigkeit von einem Restsauerstoffgehalt im Abgas der Brennkraftmaschine stromauf einer Abgasreinigungsvorrichtung in einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine derart eingestellt wird, dass ein Sauerstoffgehalt im Abgas stromauf der Abgasreinigungsvorrichtung wenigstens in einem Teil der möglichen Betriebszustände der Brennkraftmaschine wenigstens über einen zeitlichen Teilbereich eines jeweiligen Betriebszustandes kleiner als ein katalysatortemperaturabhängiger Wert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilüberschneidung während des Ladungswechsels derart eingestellt wird, dass in mindestens 90% eines Lastdrehzahlbereichs über 90% Last und über 4000 1/min Drehzahl der Sauerstoffgehalt im Abgas stromauf der Abgasreinigungsvorrichtung kleiner als der abgastemperaturabhängige Wert ist.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lambdawert von 0,97 eingestellt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der abgastemperaturabhängige Wert 1% Sauerstoffgehalt im Abgas stromauf der Abgasreinigungsvorrichtung beträgt.