DE102004054449A1 - Verfahren zum Betrieb einer aufgeladenen Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Betrieb einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1), deren Verdichter (5) von einer Entlastungsleitung (11) mit einem einstellbaren Sperrventil (12) überdrückt wird, wird zur Sauerstoffreduzierung des einer stromab der Abgasturbine (3) angeordneten Abgasreinigungseinrichtung (10) zuzuführenden Abgasmassenstromes das Sperrventil (12) in der Entlastungsleitung (11) kurzzeitig geöffnet.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer aufgeladenen Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • In der Druckschrift DE 196 09 230 A1 wird eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader beschrieben, dessen Abgasturbine im Abgasstrang und dessen Verdichter im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Das Turbinenrad der Abgasturbine wird von den unter Druck stehenden Abgasen der Brennkraftmaschine angetrieben, wobei die Drehbewegung des Turbinenrades über eine Welle auf das Verdichterrad im Verdichter übertragen wird, der daraufhin unter Umgebungsdruck stehende Verbrennungsluft ansaugt und auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet, unter dem die Verbrennungsluft den Zylindern der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine ist eine den Verdichter überbrückende Entlastungsleitung mit einem einstellbaren Sperrventil angeordnet, die in bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine zum Abbau des Ladedrucks kurzzeitig geöffnet werden kann. Derartige Betriebszustände der Brennkraftmaschine treten gemäß der DE 196 09 230 A1 bei einer schnellen Absenkung der Leistung des Verbrennungsmotors auf, da in diesem Fall auch der vom Verdichter des Abgasturboladers geförderte Luftmassenstrom reduziert wird. Aufgrund der Massenträgheit des Laders besteht die Gefahr, dass der Verdichter einen größeren Massenstrom fördert als von der Brennkraftmaschine angefordert wird, wodurch ein sogenanntes Verdichterpumpen auftreten kann, bei dem der Verdichter außerhalb seines zulässigen Arbeitsbereiches betrieben wird und das Verdichterrad hohen lokalen Belastungen ausgesetzt ist. Zur Vermeidung des Verdichterpumpens wird die Entlastungsleitung geöffnet, wodurch das Verdichterdruckverhältnis herabgesetzt wird und ein Verdichterbetrieb innerhalb des zulässigen Verdichterkennfeldbereiches gewährleistet ist.
  • Darüber hinausgehende Anwendungsmöglichkeiten insbesondere im Hinblick auf die Regeneration eines Abgasnachbehandlungssystems werden in der DE 196 09 230 A1 nicht aufgezeigt.
  • Ein Verfahren zur Regeneration eines Abgasnachbehandlungssystems wird in der DE 197 53 718 C1 beschrieben. In dieser Druckschrift wird ein Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors mit einer Motorregelung angegeben, die in Abhängigkeit von Kennfeldern den Betrieb des Motors regelt und eine Fett-/Mager-Regelung des Dieselmotors ermöglicht. Die Motorregelung umfasst einen Rechner, der in Abhängigkeit von vorbestimmten Umschaltkriterien zwischen Fett- und Magerbetrieb des Dieselmotors umschaltet, eine mit dem Rechner kommunizierende Sensorik, die die für die Umschaltkriterien erforderlichen Parameter überwacht, und einen mit dem Rechner kommunizierenden Speicher, in dem die Kennfelder für den Betrieb des Dieselmotors abgespeichert sind. Sofern alle Umschaltkriterien erfüllt sind, wird von Mager- auf Fettbetrieb umgeschaltet, wodurch die Brennkraftmaschine im sogenannten unterstöchiometrischen Betrieb gefahren wird, bei der im Abgas der Restsauerstoff reduziert ist. Dieses stauerstoffreduzierte Abgas wird im Abgasstrang einem NOx-Speicherkatalysator zugeführt, in welchem die im Magerbetrieb des Motors freigesetzten Stickoxide gespeichert sind. Das sauerstoffreduzierte Abgas, welches im Fettbetrieb produziert wird, wirkt auf die gespeicherten Stickoxide im NOx-Speicherkatalysator reduzierend und bewirkt eine Umsetzung des Stickoxids in die Bestandteile Stickstoff und Sauerstoff. Der Fettbetrieb des Motors kann entweder durch zusätzlichen eingebrachten Kraftstoff oder durch Reduzierung des Luftmassenstromes durchgeführt werden. Bei alleiniger Anfettung durch Kraftstoff kommt es insbesondere bei Dieselmotoren aufgrund des dort typischen Luftüberschusses zu sehr hohen Einspritzmengen und einem entsprechend stark erhöhten Kraftstoffverbrauch. Wird andererseits die Luftmenge durch eine Ladeluftdrosselung am Verdichter sehr schnell reduziert, besteht die oben beschriebene Gefahr des Verdichterpumpens und einer damit einhergehenden Bauteilschädigung.
    •
  • Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, zur Regenerierung einer Abgasreinigungseinrichtung in einer aufgeladenen Brennkraftmaschine den Sauerstoffgehalt im Abgas ohne Kraftstoffmehrverbrauch und ohne die Gefahr des Verdichterpumpens zu reduzieren.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, die mit einem Abgasturbolader mit einer Abgasturbine im Abgasstrang und einem Verdichter im Ansaugtrakt ausgestattet ist, wobei eine den Verdichter überbrückende Entlastungsleistung mit einem einstellbaren Sperrventil vorgesehen ist, das über Stellsignale in Abhängigkeit von Zustands- und Betriebsgrößen geöffnet bzw. geschlossen wird, wird zur Sauerstoffreduzierung des einer stromab der Abgasturbine angeordneten Abgasreinigungseinrichtung zuzuführenden Abgasmassenstromes das Sperrventil in der Entlastungsleitung kurzzeitig geöffnet, wodurch der den Zylindern der Brennkraftmaschine zuzuführende Luftmassenstrom gedrosselt wird. Auf diese Weise werden zwei wichtige Vorteile erreicht: Zum einen wird ein Kraftstoffmehrverbrauch vollständig oder zumindest größtenteils vermieden, da der Eingriff prinzipiell auf der Luftseite der Brennkraftmaschine über eine Regulierung des den Zylindern zuzuführenden Luftmassenstromes stattfindet, wobei eine Kraftstoff-Mehreinspritzung nicht erforderlich ist. Zum anderen ist die Pumpgefahr im Verdichter wesentlich reduziert, weil ein Teilmassenstrom der vom Verdichter geförderten Luftmenge über die geöffnete Entlastungsleitung wieder zurückgefördert und in den Ansaugtrakt stromauf des Verdichtereinlasses eingeleitet wird, so dass trotz reduzierten Druckverhältnisses über dem Verdichter und einem geringeren Verbrennungsluftstrom, welcher den Zylindern der Brennkraftmaschine zuzuführen ist, der vom Verdichter geförderte Massenstrom nicht oder nicht wesentlich reduziert wird und damit der Verdichter im zulässigen Verdichterkennfeldbereich betrieben wird.
  • Eine Erhöhung der eingespritzten Kraftstoffmenge zur Anfettung des Gemisches ist grundsätzlich zwar nicht erforderlich, kann aber gegebenenfalls dennoch durchgeführt werden, um eine weitere Reduzierung des anteiligen Sauerstoffgehaltes zu erzielen. Da jedoch bereits auf der Luftseite der den Zylindern zuzuführende Verbrennungsluftstrom reduziert worden ist, kann die Erhöhung der Kraftstoffeinspritzung gering ausfallen, so dass im Vergleich mit Ausführungen aus dem Stand der Technik eine Kraftstoffreduzierung zu erzielen ist.
  • Das Sperrventil in der Entlastungsleistung wird insbesondere als Funktion des Ladedrucks geöffnet, welcher sich stromab des Verdichters im Ansaugtrakt bzw. der Ladeluftleitung einstellt. Soweit zweckmäßig darüber hinaus weitere Kriterien erfüllt sind, welche maßgebend dafür sind, dass eine Anfettung des Kraftstoff-/Luftgemisches zur Regeneration der Abgasreinigungseinrichtung durchgeführt werden soll, kann der Ladedruck durch Öffnen des Sperrventils in der Entlastungsleitung um ein definiertes absolutes oder relatives Maß abgesenkt werden. Die Absenkung des Ladedrucks stellt sogleich ein Maß für die verringerte Zufuhr von Verbrennungsluft in die Zylinder der Brennkraftmaschine und damit einhergehend für die Anfettung des Gemisches dar.
  • Als Kenngröße, welche den Zustand der Abgasreinigungseinrichtung kennzeichnet und für die Umschaltung auf Fettbetrieb herangezogen wird, wird zweckmäßig im Falle einer als NOx-Speicherkatalysator ausgeführten Abgasreinigungseinrichtung der Beladungszustand eines derartigen Katalysators herangezogen. NOx-Speicherkatalysatoren sind in der Lage, insbesondere im Magerbetrieb einer Brennkraftmaschine – ein Magerbetrieb liegt vor bei einer überstöchiometrischen Verbrennung, also bei einem erhöhten Restsauerstoffgehalt im Abgas – erzeugte Stickoxide im Abgas bis zum Erreichen der Kapazitätsgrenze zu speichern. Der aktuelle Grad der aufgenommenen Stickoxide wird als aktueller Beladungszustand bezeichnet. Erreicht der Beladungszustand einen definierten Grenz- bzw. Schwellenwert, wird die erfindungsgemäße Sauerstoffreduzierung durch Öffnen des Sperrventils in der Entlastungsleitung durchgeführt. Im daraufhin sich einstellenden unterstöchiometrischen Betrieb mit sauerstoffreduziertem Abgas werden die im NOx-Speicherkatalysator gespeicherten Stickoxide zu den Bestandteile Sauerstoff und Stickstoff reduziert.
  • Nach Beendigung der Regeneration des Abgasreinigungssystems wird wieder vom Fettbetrieb auf Normalbetrieb oder Magerbetrieb umgeschaltet. Diese Umschaltung wird zweckmäßig dann durchgeführt, wenn die den Beladungszustand kennzeichnende Kenngröße einen weiteren Schwellenwert erreicht, insbesondere einen unteren Grenzwert unterschreitet. Der Speicherkatalysator ist daraufhin wieder aufnahmefähig zur Speicherung von Stickoxiden.
    •
  • Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit einer als NOx-Speicherkatalysator ausgeführten Abgasreinigungseinrichtung stromab der Abgasturbine im Abgasstrang sowie einem Verdichter im Ansaugtrakt, der von einer Entlastungsleitung mit darin angeordnetem Sperrventil überbrückt wird,
  • 2 ein Ablaufschema mit den einzelnen Verfahrensschritten zur Anfettung des Kraftstoffgemisches für die Regeneration des NOx-Speicherkatalysators.
  • Bei der in 1 dargestellten Brennkraftmaschine 1 handelt es sich zweckmäßig um einen Dieselmotor, wobei im Rahmen der Erfindung auch eine Anwendung bei einem Ottomotor in Betracht kommt. Der Brennkraftmaschine 1 ist ein Abgasturbolader 2 mit einer Abgasturbine 3 im Abgasstrang 4 und einem Verdichter 5 im Ansaugtrakt 6 zugeordnet, wobei die Drehbewegung des Turbinenrades in der Abgasturbine 3 über eine Welle 7 auf das Verdichterrad im Verdichter 5 übertragen wird. Der Verdichter 5 saugt unter Umgebungsdruck stehende Verbrennungsluft an und komprimiert diese auf einen erhöhten Druck, unter dem die Verbrennungsluft zunächst in einem Ladeluftkühler 9, welcher im Ansaugtrakt 6 stromab des Verdichters 5 angeordnet ist, gekühlt wird. Anschließend wird die Verbrennungsluft unter Ladedruck den Zylindern der Brennkraftmaschine 1 zugeführt.
  • Auf der Abgasseite strömen die Abgase der Brennkraftmaschine über den Abgasstrang 4 in die Abgasturbine 3 und treiben dort das Turbinenrad an. Die Abgasturbine 3 kann mit einer variablen Turbinengeometrie 8 ausgestattet sein, über die der wirksame Turbineneintrittsquerschnitt zwischen einer minimalen Stauposition und einer maximalen Öffnungsposition zu verstellen ist. Über eine Einstellung der variablen Turbinengeometrie kann das Verhalten der Brennkraftmaschine sowohl in der befeuerten Antriebsbetriebsweise als auch im Motorbremsbetrieb beeinflusst werden.
  • Nach dem Durchströmen der Abgasturbine 3 wird das entspannte Abgas in einer Abgasreinigungseinrichtung 13 nachbehandelt. Die Abgasreinigungseinrichtung 13 umfasst zumindest einen NOx-Speicherkatalysator, welcher in der Lage ist, die in den Abgasen enthaltenen Stickoxide NOx, welche insbesondere bei einem Magerbetrieb der Brennkraftmaschine entstehen, aufzunehmen und zu speichern. Darüber hinaus kann die Abgasreinigungseinrichtung 13 auch einen Katalysator, insbesondere einen Denox-Katalysator sowie gegebenenfalls ein Filterelement zur Ausfilterung von Rußpartikeln umfassen.
  • Des Weiteren ist die Brennkraftmaschine 1 mit einer Abgasrückführungseinrichtung 10 versehen, welche eine Rückführleitung zwischen dem Abgasstrang 4 stromauf der Abgasturbine 3 und dem Ansaugtrakt 6 stromab des Ladeluftkühlers 9 umfasst, wobei in der Rückführleitung ein einstellbares Sperrventil zur Regulierung des rückzuführenden Abgasmassenstromes und ein Abgaskühler angeordnet sind.
  • Der Verdichter 5 des Abgasturboladers 2 wird von einer Entlastungsleitung 11 überbrückt, in der ein einstellbares Sperrventil 12 angeordnet ist. Die Entlastungsleitung 11 zweigt vom Ansaugtrakt 6 stromab des Verdichters 5 ab – vor oder nach dem Ladeluftkühler 9 – und mündet wieder in den Ansaugtrakt stromauf des Verdichters. In Öffnungsstellung des Sperrventils 12 in der Entlastungsleitung 11 kann ein Teilmassenstrom des gesamten vom Verdichter geförderten Luftmassenstromes wieder in den Bereich des Verdichtereinganges zurückgeleitet werden. Hierdurch wird das Druckverhältnis über dem Verdichter 5 reduziert.
  • Über eine der Brennkraftmaschine 1 zugeordnete Regel- und Steuereinheit 14 sind sämtliche einstellbaren Aggregate der Brennkraftmaschine einzustellen, insbesondere die variable Turbinengeometrie 8, das Sperrventil in der Abgasrückführungseinrichtung 10 sowie das Sperrventil 12 in der Entlastungsleitung 11. Die Einstellung erfolgt als Funktion von Zustands- und Betriebsgrößen sowohl der Brennkraftmaschine 1 als auch der diversen Aggregate, die der Brennkraftmaschine zugeordnet sind.
  • 2 enthält ein Ablaufdiagramm mit einzelnen Verfahrensschritten, welche zur Regeneration des NOx-Speicherkatalysators für den Fall durchgeführt werden, dass die Kapazität des Speicherkatalysators ausgeschöpft ist.
  • Gemäß dem Verfahrensschritt V1 wird zunächst der Beladungszustand b des NOx-Speicherkatalysators festgestellt. Der Beladungszustand b ist ein Maß für die Aufladung des Speicherkatalysators mit Stickstoffen.
  • Im folgenden Verfahrensschritt V2 wird abgefragt, ob der Beladungszustand b einen oberen Schwellen- bzw. Grenzwert bG,0 überschreitet, der die Kapazitätsgrenze des Speicherkatalysators repräsentiert. Für den Fall, dass gemäß der Abfrage nach V2 der vorgegebene Schwellenwert bG,0 noch nicht erreicht ist, wird der nein-Verzweigung entsprechend die Abfrage nach V2 in zyklischen Abständen so lange wiederholt, bis der Schwellenwert überschritten worden ist. Bei Überschreitung des Schwellenwertes wird der ja-Verzweigung entsprechend zum nächsten Verfahrensschritt V3 fortgefahren.
  • Gemäß V3 wird bei Erreichen des Schwellenwertes das Sperrventil in der den Verdichter überbrückenden Entlastungsleitung geöffnet, so dass ein Teilmassenstrom des gesamten, durch den Verdichter geförderten Verbrennungsluftstromes entgegen der Hauptströmungsrichtung wieder zurückgeleitet und in den Ansaugtrakt stromauf des Verdichters eingeführt wird. Auf diese Weise kann trotz reduzierter Zufuhr von Verbrennungsluft in die Zylinder der Brennkraftmaschine und damit einhergehender Anfettung des Kraftstoffluftgemisches der durch den Verdichter geförderte Verbrennungsluftstrom beibehalten werden, was dazu führt, dass der Verdichter innerhalb eines zulässigen Bereiches seines Verdichterkennfeldes betrieben und ein Verdichterpumpen vermieden wird. Das angefettete Gemisch führt zu einem entsprechend angefetteten Abgas, welches prozentual einen geringeren Sauerstoffgehalt aufweist. Dieses Abgas strömt in den NOx-Speicherkatalysator und bewirkt dort eine chemische Reduktion der gespeicherten Stickoxide in die Bestandteile Stickstoff und Sauerstoff.
  • Im folgenden Verfahrensschritt V4 wird in zyklischen Abständen überprüft, ob die Reduktion der Stickoxide bereits soweit fortgeschritten ist, dass der Beladungszustand b des NOx-Speicherkatalysators einen unteren Schwellenwert bG,U unterschritten hat. Falls dies noch nicht der Fall ist, wird der nein-Verzweigung entsprechend diese Abfrage in regelmäßigen Abständen neu durchgeführt; bis dahin bleibt das Sperrventil geöffnet und wird die Brennkraftmaschine im Fettbetrieb gefahren. Ergibt die Abfrage nach V4, dass der Beladungszustand unter den unteren Schwellenwert abgefallen ist, ist die Regeneration des Speicherkatalysators beendet und es kann der ja-Verzweigung entsprechend zum nächsten Verfahrensschrift V5 fortgefahren werden, gemäß dem das Sperrventil in der Entlastungsleitung wieder geschlossen wird und zum Normal- bzw. Magerbetrieb zurückgekehrt werden kann.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Betrieb einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1) mit einem Abgasturbolader (2), der eine Abgasturbine (3) im Abgasstrang (4) und einen Verdichter (5) im Ansaugtrakt (6) umfasst, mit einer den Verdichter (5) überbrückenden Entlastungsleitung (11) mit einem einstellbaren Sperrventil (12), das über Stellsignale einer Regel- und Steuereinheit (14) in Abhängigkeit von Zustands- und Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine (1) oder einem der Brennkraftmaschine (1) zugeordneten Aggregat geöffnet bzw. geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Sauerstoffreduzierung des einer stromab der Abgasturbine (3) angeordneten Abgasreinigungseinrichtung (10) zuzuführenden Abgasmassenstromes das Sperrventil (12) in der Entlastungsleitung (11) kurzzeitig geöffnet und dadurch der den Zylindern der Brennkraftmaschine (1) zuzuführende Luftmassenstrom gedrosselt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sperrventil (12) in der Entlastungsleitung (11) als Funktion des Ladedrucks geöffnet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffreduzierung im Abgasstrang (4) nur für den Fall durchgeführt wird, dass eine den Zustand der Abgasreinigungseinrichtung (13) kennzeichnende Kenngröße einen definierten Schwellenwert überschreitet.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer als NOx-Speicherkatalysator ausgeführten Abgasreinigungseinrichtung (13) als Kenngröße der Beladungszustand des NOx-Speicherkatalysators herangezogen wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffreduzierung im Abgasstrang (4) für den Fall beendet wird, dass eine den Zustand der Abgasreinigungseinrichtung (13) kennzeichnende Kenngröße einen definierten Schwellenwert unterschreitet.
  6. Verfahren zum Betrieb einer aufgeladenen Diesel-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
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