DE102005010290B4

DE102005010290B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Ventilsteuerung beim Startvorgang eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102005010290B4
Application number: DE102005010290.5A
Authority: DE
Inventors: Dr. Pott Ekkehard; Matthias Holz; Dr. Zillmer Michael; David Prochazka
Original assignee: Skoda Auto AS; Volkswagen AG
Current assignee: Skoda Auto AS; Volkswagen AG
Priority date: 2005-03-02
Filing date: 2005-03-02
Publication date: 2017-07-06
Anticipated expiration: 2025-03-03
Also published as: DE102005010290A1

Abstract

Verfahren zur Ventilsteuerung beim Startvorgang eines Verbrennungsmotors, der mindestens einen in Arbeitszyklen betreibbaren Zylinder (10) aufweist, wobei ein Arbeitszyklus (AZ) jeweils mindestens einen Einlass und mindestens einen Auslass einer Zylinderfüllung umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Startbeginn des Verbrennungsmotors zumindest während des ersten Arbeitszyklus (AZ1) der Auslass der Zylinderfüllung wenigstens eines Zylinders (10) zumindest teilweise unterdrückt wird, wobei eine Verdichtung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ventilsteuerung beim Startvorgang eines Verbrennungsmotors, der mindestens einen in Arbeitszyklen betreibbaren Zylinder aufweist, wobei ein Arbeitszyklus jeweils mindestens einen Einlass- und einen Auslassvorgang einer Zylinderfüllung umfasst. Die Erfindung betrifft ferner eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zur Ventilsteuerung.
Verbrennungsmotoren umfassen üblicherweise eine Mehrzahl von Zylindern, die in periodisch aufeinander folgenden Arbeitszyklen betrieben werden. Im Falle eines Viertaktmotors umfasst ein Arbeitszyklus einen Ansaug-, einen Verdichtungs-, einen Expansions- sowie einen Auslasstakt. Jedem Zylinder ist mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil zugeordnet, die in Abhängigkeit von einem Kurbelwellenwinkel des Motors gesteuert werden. Üblicherweise erfolgt ein Öffnen des mindestens einen Einlassventils während des Ansaugtaktes und ein Öffnen des Auslassventils während des Auslasstaktes. Dabei sind in der Regel so genannte Ventilüberschneidungen zur Erzeugung einer inneren Abgasrückführung vorgesehen, das heißt Phasen, während denen sowohl das Einlass- als auch das Auslassventil geöffnet sind.
Bei konventioneller Ventilsteuerung erfolgt die Bewegung der Einlass- und Auslassventile über eine oder mehrere durch die Kurbelwelle angetriebene Nockenwelle/n. Bei derartigen Systemen ist aufgrund der Kopplung des Ventiltriebs an die Kurbelwelle eine motorunabhängige Steuerung der Ventile nicht möglich. Aufgrund dessen wird bei einem Motorstart bereits im ersten Arbeitszyklus Luft beziehungsweise ein Luft-Kraftstoff-Gemisch angesaugt, dieses jedoch wegen des kalten Motors nur unzureichend homogenisiert und aufbereitet. Insbesondere erfolgt eine teilweise Abscheidung des Kraftstoffs an den kalten Wandungen des Zylinders. Infolgedessen kommt es zu einem unvollständigen Verbrennungsvorgang, so dass beim ersten Auslasstakt ein übersättigtes Luft-Kraftstoff-Gemisch mit unvollständig verbrannten oder unverbrannten Kohlenwasserstoffen aus dem Brennraum des Zylinders ausgeschoben wird. Im Ergebnis ist eine gegenüber dem Warmbetrieb des Motors erhöhte HC-Rohemission zu verzeichnen. Da überdies nachgeschaltete Katalysatoren einer Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem Motorkaltstart noch nicht ihre Betriebstemperatur erreicht haben, werden diese Rohemissionen nahezu unkonvertiert freigesetzt.
Zur Verbesserung der Verbrennung nach einem Motorkaltstart ist bekannt, in den ersten Arbeitszyklen eine so genannte Startanreicherung vorzunehmen, das heißt die zugeführte Kraftstoffmenge gegenüber dem Warmbetrieb des Motors zu erhöhen Hierdurch soll diejenige Kraftstoffmenge, die sich an den kalten Zylinder- und Kolbenwänden abschlägt, kompensiert werden. Hierbei wird eine noch weiter erhöhte HC-Emission in Kauf genommen.
Es sind ferner Motoren bekannt, bei denen die Gaswechselventile (Einlass- und Auslassventile) unabhängig von der Motorkurbelwelle geschaltet werden können. Insbesondere sind Ventilabschaltungen bekannt, die eine zylinderindividuelle Abschaltung des Ventiltriebs, beispielsweise abhängig von einem Betriebspunkt des Fahrzeugs, zulassen. So beschreibt zum Beispiel DE 195 46 549 C1 ein Verfahren zum Ab- und Zuschalten einzelner Zylinder während des Motorbetriebs, wobei die Zylinderabschaltung stets nach einem Einlasstakt erfolgt und die Zuschaltung stets vor einem Auslasstakt. Hierdurch wird erreicht, dass während der Abschaltungsphase eines Zylinders dieser mit heißem Abgas gefüllt ist und dadurch die Auskühlung verzögert wird.
DE 10 2004 020 687 A1 beschreibt eine variable Ventilsteuerung, wobei nach einem Motorstart die Ventilüberschneidung gegenüber dem Warmbetrieb reduziert wird (negative Ventilüberschneidung). Dies bewirkt, dass am Ende des Auslasstaktes Abgas mit hoher Temperatur in den Einlasskanal zurückströmt. Dort schlagen sich im Abgas enthaltene Kraftstofftröpfchen ab und werden im nachfolgenden Ansaugtakt erneut mit Luft gemischt und der Verbrennung zugeführt.
DE 101 32 671 A1 beschreibt ein Verfahren zum Start eines Viertakt-Verbrennungsmotors. Dazu wird zunächst während der ersten Umdrehungen einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors ein Auslassventil geschlossen gehalten. Durch ein Saugrohr und ein Einlassventil wird Luft in einen Zylinder eingesaugt und anschließend verdichtet. Die angesaugte Luft wird durch die Verdichtung erwärmt und verbleibt zunächst im Zylinder, da das Auslassventil geschlossen gehalten ist. Beim erneuten Öffnen des Einlassventils wird die heiße Luft in das Saugrohr gedrückt und erwärmt dieses. Ferner kann während der Phase mit geschlossenem Auslassventil auch das Einlassventil geschlossen gehalten und anschließend wieder geöffnet werden, in dessen Folge die erhitzte Ansaugluft in das Saugrohr ausströmt und dieses erwärmt. Bei den genannten Varianten sind dabei eine Einspritzvorrichtung und eine Zündvorrichtung abgeschaltet. Im Anschluss daran wird auch die Auslassventilabschaltung wieder aufgehoben und der Verbrennungsmotor in den gewöhnlichen Startbetriebszustand überführt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zur Ventilsteuerung bei einem Startvorgang eines Verbrennungsmotors zur Verfügung zu stellen, bei dem eine weitere Absenkung der Startemissionen, insbesondere von Kohlenwasserstoffen, gegenüber bekannten Verfahren erzielt wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, nach einem Startbeginn des Verbrennungsmotors zumindest während des ersten Arbeitszyklus einen Auslass der Zylinderfüllung wenigstens eines Zylinders, vorzugsweise sämtlicher Zylinder, zumindest teilweise zu unterdrücken, wobei eine Verdichtung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs erfolgt. Indem mit anderen Worten das oder die Auslassventile während des Auslasstaktes zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, geschlossen gehalten werden, erfolgt bei ohnehin geschlossenen Einlassventilen eine erneute (anlassergetriebene) Verdichtung des Luft-Kraftstoff-Gemischs, wodurch es zu einer gewissen Vorerwärmung und einer verbesserten Gemischaufbereitung kommt. Im nachfolgenden Ansaug- und Verdichtungstakt wird die Zylinderfüllung weiter homogenisiert, so dass bei der nachfolgenden Zündung eine vollständige Verbrennung erfolgen kann. Insgesamt steht somit der Zylinderfüllung wesentlich mehr Zeit zur Homogenisierung zur Verfügung.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, während zumindest einem vorzugsweise mehreren Arbeitzyklen nach dem Startbeginn des Verbrennungsmotors den Auslass der Zylinderfüllung wenigstens eines Zylinders, insbesondere sämtlicher Zylinder, zumindest teilweise zu unterdrücken. Auf diese Weise kann die Gemischaufbereitung noch weiter verbessert und der Schadstoffausstoß vermindert werden. Dabei kann eine Anzahl von Arbeitszyklen, in denen der Auslass der Zylinderfüllung unterdrückt wird, variabel in Abhängigkeit von geeigneten Betriebsparametern des Verbrennungsmotors und/oder in Abhängigkeit von Umgebungsparametern festgelegt werden. Insbesondere erfolgt dies in Abhängigkeit von mindestens einem der Parameter Außentemperatur, Kurbelwellendrehzahl, Anlasser- oder Startergenerator-Spannung, Einspritzdruck, Dampfdruck des Kraftstoffs, Umgebungsdruck.
Das erfindungsgemäße Prinzip kann bevorzugt für fremdgezündete Motoren (Ottomotoren) eingesetzt werden, aber auch für selbstzündende Motoren (Dieselmotoren). Im Falle fremdgezündeter Motoren ist bevorzugt vorgesehen, in einem Arbeitszyklus, in dem der Auslass des Zylinderinhalts zumindest teilweise unterdrückt wird, eine dem betroffenen Auslasstakt vorausgehende Kraftstoffzufuhr entweder gänzlich zu unterbrechen, bevorzugt aber auf eine Teilmenge zu reduzieren. Zusätzlich oder alternativ zu dieser Maßnahme wird die Zündung in diesem Arbeitszyklus unterdrückt. Im Falle selbstzündender Verbrennungsmotoren kann vorteilhaft vorgesehen sein, die zugeführte Kraftstoffmenge zumindest so weit zu reduzieren, dass die Selbstentzündung unterbleibt. Somit wird sowohl bei Otto- als auch Dieselmotoren die dem betroffenen Auslasstakt normalerweise vorausgehende Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs verhindert, um unerwünschte Teilverbrennungen zu vermeiden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, den Motorstart ohne oder zumindest gegenüber konventionellen Verfahren mit einer verminderten Kraftstoffstartanreicherung durchzuführen. Durch diese Maßnahme kann eine weitere HC-Minderung erzielt werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden im Anschluss eines Arbeitszyklus, in dem der Auslass des Zylinderinhalts zumindest teilweise unterdrückt wird, auch der Einlass von Luft und/oder Kraftstoff zu diesem Zylinder zumindest teilweise unterdrückt. Dabei hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, zum Zwecke erhöhter Ladungsbewegung im Brennraum des Zylinders einen verringerten Einlass zuzulassen. Dies kann dadurch erfolgen, dass ein oder mehrere dem Zylinder zugeordnete Einlassventile nur unvollständig geöffnet werden oder nur ein Teil der dem Zylinder zugeordneten Einlassventile geöffnet werden. Eine entsprechende unvollständige Öffnung oder Öffnung nur eines Teils der dem Zylinder zugeordneten Auslassventile ist bevorzugt zur teilweisen Unterdrückung des erfindungsgemäßen Auslasses der Zylinderfüllung vorgesehen. Gegenüber einer vollständigen Unterdrückung des Auslass- beziehungsweise Ansaugvorgangs hat die Zulassung einer Teilöffnung der entsprechenden Gaswechselventile eine erhöhte Turbulenz und Ladungsbewegung im Brennraum des Zylinders zur Folge und verbessert damit die Gemischaufbereitung. Die Teilöffnung der Auslassventile fördert zudem eine Nachverbrennungsreaktion der unverbrannten Kohlenwasserstoffe im Abgasstrang.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Ventilsteuerung beim Startvorgang eines Verbrennungsmotors, der mindestens einen in Arbeitszyklen betreibbaren Zylinder mit jeweils mindestens einem Einlassventil und mindestens einem Auslassventil aufweist, wobei ein Arbeitszyklus jeweils mindestens einen Einlass- und mindestens einen Auslassvorgang einer Zylinderfüllung umfasst. Die Vorrichtung ist gekennzeichnet durch Mittel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Die Mittel umfassen insbesondere einen Programmalgorithmus zur Steuerung der Ein- und Auslassventile, welcher vorzugsweise in einer Motorsteuerung hinterlegt ist.
Die Mittel umfassen ferner Auslassventile, deren Hubkurve gegenüber einer Maximalkontur stufenlos oder stufenweise variiert, vorzugsweise auf Nullhub reduziert werden kann. Ganz besonders vorteilhaft sind Auslassventile, die auch bei Motorstillstand abschaltbar sind, beispielsweise durch elektromagnetisch schaltbare Verriegelungen eines Rollenschlepphebels. Im Falle mehrerer Auslassventile pro Zylinder ist ferner eine ventilindividuelle Schaltung vorteilhaft.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass eine Ventilerhebungskurve des mindestens einen Auslassventils unabhängig von einer Kontur einer das Auslassventil beaufschlagenden Nockenwelle reduzierbar ist, insbesondere vollständig abschaltbar, bevorzugt auch bei Stillstand des Verbrennungsmotors vollständig abschaltbar ist.
In einem Arbeitszyklus, in dem der Auslass ganz oder teilweise unterdrückt wird, wird der Auslasstakt mehr oder minder als weiterer Verdichtungstakt durchgeführt und demnach zumindest teilweise durch einen Anlasser oder einen Startergenerator des Verbrennungsmotors betrieben. Im Falle eines Fahrzeugs mit Hybridantrieb, das heißt einer Kombination aus Verbrennungsmotor und Elektromotor, insbesondere in Einwellen-Parallelhybridantrieben, wird vorzugsweise der Elektromotor des Hybridantriebs als Anlasser und damit zum Verdichten während des teilweise unterdrückten Auslasstaktes verwendet. Dabei kommt vorzugsweise ein kurbelwellenfester Elektromotor zum Einsatz.
Das erfindungsgemäße Prinzip führt zu einer signifikanten Minderung der HC-Rohemissionen beim Startvorgang. Aufgrund des hierdurch bedingten verminderten Konvertierungserfordernisses gestattet die Erfindung eine Absenkung der Edelmetallbeladungen eines Katalysatorsystems der Abgasanlage.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1a eine schematische Schnittansicht eines Zylinders während eines Expansionstaktes;
1b den Zylinder gemäß 1a während eines Auslasstaktes;
2 Ventilöffnungszeiten während einer Motorstartphase gemäß Stand der Technik;
3a Ventilöffnungszeiten während einer Motorstartphase gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung bei einem Verbrennungsmotor mit Saugrohreinspritzung und
3b Ventilöffnungszeiten während einer Motorstartphase gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung bei einem Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung.
Die 1a und 1b zeigen jeweils einen insgesamt mit 10 bezeichneten Zylinder eines mehrzylindrigen, darüber hinaus nicht dargestellten Verbrennungsmotors. Gemäß dem dargestellten Beispiel handelt es sich um einen fremdgezündeten Motor (Ottomotor) mit Saugrohreinspritzung. Die Erfindung ist jedoch gleichermaßen für direkteinspritzende Motoren, das heißt Ottomotoren oder selbstzündende Motoren (Dieselmotoren) anwendbar.
In einem Zylindergehäuse 12 des Zylinders 10 ist ein Kolben 14 axial beweglich angeordnet. Ein Brennraum 16 wird durch das Zylindergehäuse 12 sowie den Kolben 14 eingeschlossen. Der Kolben 14 ist über ein Pleuel 18 mit einer rotierbaren Kurbelwelle 20 verbunden. Bei laufendem Motor wird die Kurbelwelle 20 durch den Kolben 14 angetrieben. Umgekehrt wird während der ersten Arbeitszyklen beim Startvorgang des Verbrennungsmotors der Kolben 14 durch die rotierende Kurbelwelle 20 bewegt, welche ihrerseits durch einen nicht dargestellten Anlassermotor, einen Startergenerator oder eine elektrischen Maschine eines Hybridantriebs angetrieben wird.
Der Brennraum 16 kommuniziert mit einem Einlasskanal 22 einerseits, durch welchen Frischluft oder – wie im dargestellten Beispiel bei Saugrohreinspritzung – ein Luft-Kraftstoff-Gemisch zugeführt wird. Andererseits steht der Brennraum 16 mit einem Auslasskanal 24 in Verbindung, über den das Verbrennungsabgas abgeführt wird. Die diversen Auslasskanäle 24 des mehrzylindrigen Motors werden in einem nicht dargestellten Abgaskrümmer zusammengeführt und in einen Abgastrakt geleitet, in welchem ein oder mehrere Abgaskatalysatoren zur Konvertierung der im Abgas enthaltenen Schadstoffe angeordnet sind.
Einlass und Auslass des Zylinderinhalts (Zylinderfüllung) wird über im Zylinderkopf angeordnete Gaswechselventile 26, 28 gesteuert. Dargestellt ist ein im Einlasskanal 22 angeordnetes Einlassventil 26 sowie ein im Auslasskanal 24 angeordnetes Auslassventil 28. Obwohl vorliegend jeweils nur ein Einlass- und ein Auslassventil 26, 28 gezeigt ist, können auch jeweils eine Mehrzahl von n Einlassventilen 26 und m Auslassventilen 28 in jedem Zylinder 10 vorgesehen sein. Der Antrieb der Ventile 26, 28 erfolgt über eine direkte oder indirekte Beaufschlagung durch Nockenwellen 30, die ihrerseits über die Kurbelwelle 20 angetrieben werden, jedoch von dieser abkoppelbar sind, so dass eine Hubkurve der Ventile 26, 28 auch unabhängig von der Nockenkontur schaltbar sind. Vorrichtungen zur Ventilabschaltung sind zahlreich bekannt, beispielsweise in Motoren mit Rollenschlepphebeln (nicht dargestellt), bei denen eine Entkopplung des Rollenabgriffs vom Schlepphebel möglich ist. Nach einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung sind die Gaswechselventile 26, 28 ferner auch bei Motorstillstand schaltbar. Dies lässt sich beispielsweise durch elektromagnetisch schaltbare Ventile 26, 28 realisieren.
Der Kraftstoff wird über ein im Einlasskanal 22 angeordnetes Hochdruck-Einspritzventil (Injektor) 32 zugeführt. Im Falle eines direkteinspritzenden Diesel- oder Ottomotors ist der Injektor 32 im Brennraum 16 angeordnet, so dass der Kraftstoff direkt in diesen eingespritzt wird. Die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs im Brennraum 16 erfolgt bei Ottomotoren über eine im Zylinderkopf angeordnete Zündkerze 34.
Abhängig von einem Kurbelwellenwinkel α der Kurbelwelle 20 befindet sich der Kolben 14 in einer Position zwischen seinem unteren Totpunkt UT (α = 180°) und seinem oberen Totpunkt OT (α = 0°). Bei dem dargestellten Verbrennungsmotor handelt es sich um einen Viertaktmotor. Dabei wird jeder Zylinder 10 in Arbeitszyklen gesteuert, wobei jeder Arbeitszyklus zwei vollständige Kurbelwellenumdrehungen und damit zwei Aufwärts- und zwei Abwärtshübe des Kolbens 14 umfasst. Im Zusammenhang mit der oberen Zeile der 2 und 3 wird deutlich, dass jeder Arbeitszyklus AZ einen Ansaugtakt AnsT, einen Verdichtungstakt VdgT, einen Expansionstakt ExpT sowie einen Auslasstakt AusT umfasst. Während eines Ansaugtaktes AnsT bewegt sich der Kolben 14 vom Gaswechsel-OT (GOT) nach unten in Richtung des unteren Totpunktes UT (α = 180°), um bei dem anschließenden Verdichtungstakt VdgT wieder seinen höchsten Punkt, den Zünd-OT (ZOT), zu erreichen. Es folgen ein Expansionstakt ExpT und ein Auslasstakt AusT mit erneuter Abwärtsbeziehungsweise Aufwärtsbewegung.
2 zeigt die Ventilöffnungszeiten während des Startvorgangs eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors mit Saugrohreinspritzung (gemäß 1) während der ersten zwei Arbeitszyklen AZ1 und AZ2 nach Startbeginn des Verbrennungsmotors gemäß einem herkömmlichen Verfahren. Hierbei wird als Startbeginn der Zeitpunkt verstanden, an dem die Kurbelwelle 20 durch den Anlassermotor, Startergenerator oder die elektrische Maschine des Hybridantriebs erstmalig in Bewegung versetzt wird. Im unteren Teil der 2 sind die Ansteuerzeiten des Einlassventils 26 (Graph EV) und die Ansteuerzeiten des Auslassventils 28 (Graph AV) dargestellt. Darin bezeichnen die Ziffern 0 jeweils die Schließzeiten des betreffenden Gaswechselventils und die Ziffer 1 die Öffnungszeiten. In vereinfachender Weise ist in 2 ein Umschalten der Ein- und Auslassventile EV, AV jeweils genau bei UT beziehungsweise GOT dargestellt. Realistischerweise sind in der Regel jedoch so genannte Ventilüberschneidungen vorgesehen, insbesondere bei GOT, bei denen die Einlass- und Auslassventile 26, 28 gleichzeitig geöffnet sind. Typische Schaltbereiche sind in 2 durch die schraffierten Flächen angedeutet, können aber auch von diesen abweichen.
Gemäß der in 2 dargestellten herkömmlichen Vorgehensweise wird bereits im ersten Ansaugtakt AnsT1 des ersten Arbeitszyklus AZ1, während sich der Kolben 14 in seiner Abwärtsbewegung befindet und das (oder die) Auslassventil(e) 28 geschlossen ist (sind), das (oder die) Einlassventil(e) 26 eines Zylinders 10 geöffnet. Ein Einspritzzeitpunkt, zu dem der Kraftstoff über den Injektor 30 in den Ansaugkanal 22 während des Ansaugtaktes eingespritzt wird, ist durch ein Einspritzkegel angedeutet. Dabei wird das hierbei im Einlasskanal 22 erzeugte Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Brennraum 16 des Zylinders 10 gesaugt. Am unteren Totpunkt UT des Kolbens 14, üblicherweise einige Kurbelwellenwinkel später, wird das Einlassventil 26 geschlossen, so dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Brennraum 16 anlassergetrieben verdichtet wird (VdgT1). Gegen Ende des ersten Verdichtungstaktes VdgT1 kurz vor ZOT erfolgt herkömmlich die durch den Pfeil angedeutete Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs. Im nachfolgenden Expansionstakt ExpT1 wird der Kolben 14 durch die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches nach unten bewegt und treibt idealerweise die Kurbelwelle 20 an. Bei Erreichen des unteren Totpunktes UT, typischerweise bereits etwas früher, wird bei geschlossenem Einlassventil 26 das Auslassventil 28 geöffnet, so dass bei aufwärts bewegtem Kolben 14 die Zylinderfüllung über den Auslasskanal 24 aus dem Brennraum 16 ausgeschoben wird. Bei Erreichen des Gaswechsel-OT (GOT) oder etwas früher wird das Einlassventil 26 wiederum geöffnet, um den zweiten Ansaugtakt AnsT2 einzuleiten. Die Schließung des Auslassventils 28 erfolgt typischerweise bei GOT oder kurz danach. Gemäß Stand der Technik wird der zweite Arbeitszyklus AZ2 nach Motorstartbeginn ebenso wie der erste Zyklus AZ1 durchgeführt.
Nachteilig an der gemäß 2 dargestellten Vorgehensweise ist, dass während des ersten Arbeitszyklus AZ1 die Wände des Brennraums 16 sowie der Ein- und Auslasskanäle 22, 24 noch kalt sind. Dies verhindert eine optimale Gemischaufbereitung und führt dazu, dass der eingespritzte Kraftstoff sich teilweise im Einlasskanal 22, den Zylinderwänden 12 sowie dem Kolbenboden des Kolbens 14 abschlägt und an der nachfolgenden Verbrennung nicht teilnimmt. Um dennoch ein brennbares Gemisch im Brennraum 16 zu erzeugen, wird gemäß Stand der Technik in den ersten Arbeitszyklen AZ eine gegenüber dem Warmbetrieb des Motors erhöhte Kraftstoffmenge zugeführt. Diese Vorgehensweise wird als Startanreicherung bezeichnet. Sowohl die Startanreicherung als auch der an den Brennraumwänden abgeschlagene Kraftstoff, welcher im ersten Auslasstakt AusT1 ganz oder teilweise unverbrannt aus dem Zylinder 10 ausgeschoben wird, führen zu einer erhöhten Schadstoffemission, insbesondere an Kohlenwasserstoffen, während des Startvorgangs.
Um dieses Problem zu vermeiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, durch Unterdrückung des Zylinderauslasses zumindest während des ersten Arbeitszyklus AZ1 die Gemischaufbereitung bei der ersten Zündung zu verbessern. 3a zeigt die erfindungsgemäße Vorgehensweise anhand des fremdgezündeten Verbrennungsmotors mit Saugrohreinspritzung gemäß 1. Wie aus 3a hervorgeht, wird bereits im ersten Arbeitszyklus AZ1 die Kraftstoffeinspritzung vorgenommen. Bei oder kurz nach Erreichen von UT wird das Einlassventil 26 geschlossen und der erste Verdichtungstakt VdgT1 bei geschlossenen Einlass- und Auslassventilen durchgeführt, wobei jedoch die Zündung ausgesetzt wird. Ohne Auslösung der Verbrennung wird der nachfolgende Expansionstakt ExpT1 zumindest teilweise durch den Anlasser betrieben durchgeführt. Am Ende von ExpT1 wird im Unterschied zum Stand der Technik das Auslassventil 28 geschlossen gehalten, das heißt, der erste Auslasstakt AusT1 wird als erneuter (anlassergetriebener) Verdichtungstakt durchgeführt. Im anschließenden zweiten Ansaugtakt AnsT2 wird ferner erfindungsgemäß das Einlassventil 26 geschlossen gehalten und gegen Ende des zweiten Verdichtungstaktes VdgT2 die erste Zündung initialisiert. Zu diesem Zeitpunkt liegt eine gegenüber dem Stand der Technik wesentlich verbesserte Gemischaufbereitung im Brennraum 16 vor, die aus der Vorerwärmung des Gemischs infolge der vorausgegangenen Verdichtungen sowie der regen Ladungsbewegung während der diversen Kolbenhübe und der verlängerten Aufbereitungszeit resultiert. Die anschließenden Arbeitszyklen AZ werden dann gemäß Stand der Technik durchgeführt.
3b stellt die erfindungsgemäße Vorgehensweise anhand eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung dar, bei dem die Kraftstoffeinspritzung mittels eines Hochdruckinjektors direkt in den Brennraum 16 eines Zylinders 10 erfolgt. Im Unterschied zum Verfahren bei Saugrohreinspritzung (3a) erfolgt die Kraftstoffeinspritzung unabhängig von der Öffnungszeit des Einlassventils 26. Insbesondere kann die Einspritzung erst im Verdichtungstakt VdgT erfolgen, ebenso jedoch im Ansaugtakt AnsT oder im Expansionstakt ExpT. Bei Direkteinspritzern ist bevorzugt vorgesehen, die einzuspritzende Kraftstoffmenge auf die ersten beiden Arbeitszyklen AZ1 und AZ2 zu verteilen, das heißt jeweils eine Teileinspritzmenge zuzuführen, die sich zu einer Gesamteinspritzmenge ergänzen. Die verringerten Einspritzmengen sind in 3b durch die kleineren Kegelstrahlen angedeutet. Wird der Zylinderauslass über mehr als nur den ersten Auslasstakt AusT1 ausgesetzt, kann die Gesamteinspritzmenge auch auf drei oder mehr Arbeitszyklen verteilt werden. Im Übrigen entspricht das Verfahren für direkteinspritzende Ottomotoren dem bei Saugrohreinspritzern.
Die Kraftstoffzufuhr bei Dieselmotoren, die ebenfalls Direkteinspritzer sind, erfolgt analog 3b, außer dass statt der Fremdzündung eine Selbstzündung des Gemischs erfolgt. Dabei wird die Teilkraftstoffmenge des Dieselkraftstoffs im ersten Arbeitszyklus AZ1 bevorzugt so bemessen, dass noch kein zündfähiges Gemisch entsteht. Insgesamt wird bei sämtlichen Motorentypen der Startvorgang zumindest mit einer gegenüber dem Stand der Technik verminderten Startanreicherung, vorzugsweise sogar gänzlich ohne Startanreicherung durchgeführt. Hierdurch lässt sich eine noch weitere Emissionsabsenkung erzielen.
Während 3a und b nur die Ventilöffnungszeiten für einen Zylinder 10 darstellt, versteht es sich, dass vorzugsweise sämtliche Zylinder 10 des Verbrennungsmotors gemäß der erfindungsgemäßen Vorgehensweise betrieben werden.
In Abhängigkeit von geeigneten Umgebungsparametern und/oder Betriebsparametern der Verbrennungsmotoren kann auch mehr als ein Arbeitszyklus mit der erfindungsgemäßen Aussetzung des Auslassvorgangs und des nachfolgenden Ansaugvorgangs durchgeführt werden. Insbesondere kann die Anzahl der erfindungsgemäßen ”Leerhübe” in Abhängigkeit von der Außentemperatur, der Kurbelwellendrehzahl, der Spannung am Anlasser oder am Startergenerator, des Einspritzdrucks, des Dampfdrucks des Kraftstoffs und/oder des Umgebungsdrucks zu bestimmen. Hierdurch lässt sich das erfindungsgemäße Wirkprinzip der Verbrennungsluftvorwärmung, der verbesserten Kraftstoffverdampfung und Homogenisierung nicht nur verstärken, sondern auch flexibel an die aktuellen Erfordernisse anpassen.
In besonders bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, entgegen der in 3 dargestellten Vorgehensweise den Auslassvorgang während des ersten Auslasstaktes AusT1 und/oder den Ansaugvorgang während des anschließenden Ansaugtaktes AnsT2 nicht vollständig, sondern nur teilweise zu unterdrücken. Dies kann dadurch geschehen, dass bei einer Anzahl von m Auslassventilen 28 eines Zylinders 10 nur eine Anzahl von 1...m – 1 Auslassventilen geschlossen gehalten wird. Beispielsweise kann bei zwei Auslassventilen 28 während des ersten Auslasstaktes AusT1 nur eines geöffnet werden. Alternativ kann – bei geeignetem Ventilantrieb – das oder die Auslassventile 28 nur über einen Teilhub des Gesamtventilhubs geöffnet werden oder nur für eine verkürzte Öffnungsdauer. In analoger Weise kann beim darauf folgenden Ansaugtakt AnsT2 des zweiten Arbeitszyklus AZ2 mit den n Einlassventilen 26 verfahren werden, das heißt nur 1...n – 1 Einlassventile 26 geöffnet werden. Gegenüber der vollständigen Unterdrückung des Auslass- und/oder des Ansaugtaktes AusT1, AnsT2 hat die teilweise Unterdrückung den Vorteil, eine erhöhte Ladungsbewegung und dadurch noch weiter verbesserte Gemischaufbereitung zu bewirken.
Aufgrund der verminderten Rohemissionen des Motors ist es denkbar, die Abgasnachbehandlung insbesondere bei Katalysatorvolumen und absolutem Edelmetallgehalt gegenüber konventionellen Auslegungen zu reduzieren. Fahrzeuge mit Ottomotoren, die im US-Fahrzyklus FTP-75 mit thermisch ungeschädigten Katalysatoren eine HC-Emission von < 0,007 g/mi und eine NO_x-Emission von < 0,015 g/mi erreichen, werden heute im Stand der Technik mit Katalysatoren ausgerüstet, die ein Gesamtvolumen von > 0,9 l Katalysatorvolumen pro Liter Hubvolumen des Verbrennungsmotors und Edelmetallgehalte zumindest eines Katalysators von ≥ 100 g/ft³ (3,59 g/dm³) Katalysatorvolumen aufweisen. Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Startverfahrens können Katalysatorsysteme zum Einsatz kommen, deren Edelmetallgehalt zumindest eines Katalysators (insbesondere aller Katalysatoren) auf ≤ 80 g/ft³ (2,15 g/dm³) beziehungsweise ≤ 40 g/ft³ (1,44 g/dm³) abgesenkt werden kann, ohne dass über eine Fahrstrecke von 120.000 Meilen bei ordnungsgemäßem Zustand des Fahrzeugs in demselben Fahrzeug und Anwendung im US-FTP-75 Zyklus eine HC-Emission von 0,01 g/mi und eine NO_x-Emission von 0,02 g/mi überschritten wird. Insbesondere wird erfindungsgemäß eine Gesamt-Edelmetallmenge von 3 g/l Motorhubvolumen, vorzugsweise 2,5 g, ideal 2 g, optimal 1,5 g beziehungsweise 1 g nicht überschritten.
Für Europafahrzeuge gilt sinngemäß, dass Fahrzeuge mit Ottomotoren, die im Neuen Europäischen Fahrzyklus NEFZ mit thermisch ungeschädigtem Katalysatorsystem eine HC-Emission von < 0,07 g/km und eine NO_x-Emission von < 0,05 g/km erreichen, zumindest einen Katalysator mit Edelmetallgehalten von ≥ 50 g/ft³ (1,79 g/dm³), insbesondere ≥ 60 g/ft³ (2,15 g/dm³) aufweisen. Mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren kann der Edelmetallgehalt zumindest eines ersten Katalysators auf ≤ 5 g/ft³ (0,18 g/dm³), insbesondere auf Null und gleichzeitig eines zumindest einen nachgeschalteten Katalysators auf ≤ 20 g/ft³ (0,72 g/dm³), insbesondere auf ≤ 10 g/ft³ (0,36 g/dm³), abgesenkt werden, ohne dass nach Ofenalterung des Katalysatorsystems für 4 Stunden bei 1100°C in Atmosphäre mit 2% O₂ und 10% H₂O in demselben Fahrzeug und Anwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens im NEFZ eine HC-Emission von 0,1 g/km und eine NO_X-Emission von 0,08 g/km überschritten wird.
Bezugszeichenliste

10: Zylinder
12: Zylindergehäuse
14: Kolben
16: Brennraum
18: Pleuel
20: Kurbelwelle
22: Einlasskanal
24: Auslasskanal
26: Einlassventil
28: Auslassventil
30: Nockenwelle
32: Einspritzventil (Injektor)
34: Zündkerze
α: Kurbelwellenwinkel
AnsT: Ansaugtakt
VdgT: Verdichtungstakt
ExpT: Expansionstakt (Arbeitstakt)
AusT: Auslasstakt
AZ: Arbeitszyklus
OT: oberer Totpunkt
GOT: oberer Totpunkt Gaswechsel bei Gaswechsel (Gaswechsel-OT)
ZOT: oberer Totpunkt bei Zündung (Zünd-OT)
UT: unterer Totpunkt
EV: Einlassventil
AV: Auslassventil

Claims

Verfahren zur Ventilsteuerung beim Startvorgang eines Verbrennungsmotors, der mindestens einen in Arbeitszyklen betreibbaren Zylinder (10) aufweist, wobei ein Arbeitszyklus (AZ) jeweils mindestens einen Einlass und mindestens einen Auslass einer Zylinderfüllung umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Startbeginn des Verbrennungsmotors zumindest während des ersten Arbeitszyklus (AZ1) der Auslass der Zylinderfüllung wenigstens eines Zylinders (10) zumindest teilweise unterdrückt wird, wobei eine Verdichtung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest während des ersten Arbeitzyklus (AZ1) der Auslass der Zylinderfüllung sämtlicher Zylinder (10) des Verbrennungsmotors zumindest teilweise unterdrückt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während mehrerer Arbeitzyklen (AZ) nach dem Startbeginn des Verbrennungsmotors der Auslass der Zylinderfüllung wenigstens eines Zylinders (10) zumindest teilweise unterdrückt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Arbeitszyklen (AZ), in denen der Auslass der Zylinderfüllung unterdrückt wird, in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors und/oder Umgebungsparametern bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem fremdgezündeten Verbrennungsmotor in einem Arbeitszyklus (AZ), in dem der Auslass des Zylinderinhalts unterdrückt wird, eine Kraftstoffzufuhr unterbrochen oder reduziert wird und/oder die Zündung unterdrückt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem selbstzündenden Verbrennungsmotor in einem Arbeitszyklus (AZ), in dem der Auslass des Zylinderinhalts unterdrückt wird, eine zugeführte Kraftstoffmenge zumindest so weit reduziert und/oder die Kraftstoffeinspritzung so weit in die Expansionsphase verlagert wird, dass die Selbstzündung unterdrückt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur zumindest teilweisen Unterdrückung des Auslasses der Zylinderfüllung des wenigstens einen Zylinders (10) ein oder mehrere dem Zylinder (10) zugeordnete Auslassventile (28) nicht oder nicht vollständig geöffnet werden oder nur ein Teil der dem Zylinder (10) zugeordneten Auslassventile (28) geöffnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Arbeitszyklus (AZ), in dem der Auslass des Zylinderinhalts des wenigstens einen Zylinders (10) unterdrückt wird, der Einlass zumindest teilweise unterdrückt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterdrückung des Einlasses der Zylinderfüllung des wenigstens einen Zylinders (10) ein oder mehrere dem Zylinder (10) zugeordnete Einlassventile (26) nicht oder nicht vollständig geöffnet werden oder nur ein Teil der dem Zylinder (10) zugeordneten Einlassventile (26) geöffnet wird.
Vorrichtung zur Ventilsteuerung beim Startvorgang eines Verbrennungsmotors, der mindestens einen in Arbeitszyklen (AZ) betreibbaren Zylinder (10) mit jeweils mindestens einem Einlassventil (26) und mindestens einem Auslassventil (28) aufweist, wobei ein Arbeitszyklus jeweils mindestens einen Einlass- und mindestens einen Auslassvorgang einer Zylinderfüllung umfasst, gekennzeichnet durch Mittel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel einen Programmalgorithmus zur Steuerung der Ein- und Auslassventile (26, 28) umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventilerhebungskurve des mindestens einen Auslassventils (28) unabhängig von einer Kontur einer das Auslassventil (28) beaufschlagenden Nockenwelle (20) reduzierbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle mehrerer Auslassventile (28) pro Zylinder (10) die Auslassventile (28) ventilindividuell schaltbar sind.