DE102006061694A1 - Verfahren zur beschleunigten Aufheizung eines Katalysators bei einem Verbrennungsmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung mit dynamischer Steigerung der Rohemissionen im Homogen-Split-Betrieb - Google Patents

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Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators (28) im Abgas eines mit direkter Einspritzung von Kraftstoff in seine Brennräume (12) arbeitenden Verbrennungsmotors (10) nach einem Start im Leerlauf, wobei der Verbrennungsmotor (10) mit suboptimalem Zündwinkelwirkungsgrad und einer Aufteilung einer für einen Arbeitstakt einzuspritzenden Kraftstoffmenge auf wenigstens zwei Teileinspritzungen betrieben wird und wobei eine Drehmomenteinbuße, die aus dem suboptimalen Zündwinkelwirkungsgrad und/oder der Aufteilung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge resultiert, durch eine vergrößerte Füllung der Brennräume (12) kompensiert wird, wobei Kraftstoffmenge und Füllung so aufeinander abgestimmt sind, dass die Luftzahl Lambda der Brennraumfüllungen größer als 1 ist. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Temperatur (T) am Eingang des Katalysators (28) ermittelt wird und eine Menge reduzierender Abgasbestandteile durch Eingriffe in eine Steuerung des Verbrennungsmotors (10) kontinuierlich erhöht wird, wenn die Temperatur (T) einen vorbestimmten Schwellenwert (T_S) überschreitet. Ferner wird ein Steuergerät (32) vorgestellt, das zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators im Abgas eines mit direkter Einspritzung von Kraftstoff in seine Brennräume arbeitenden Verbrennungsmotors nach einem Start im Leerlauf, wobei der Verbrennungsmotor mit suboptimalem Zündwinkelwirkungsgrad und einer Aufteilung einer für einen Arbeitstakt einzuspritzenden Kraftstoffmenge auf wenigstens zwei Teileinspritzungen betrieben wird, und wobei eine Drehmomenteinbuße, die aus dem suboptimalen Zündwinkelwirkungsgrad und/oder der Aufteilung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge resultiert, durch eine vergrößerte Füllung der Brennräume kompensiert wird, wobei Kraftstoffmenge und Füllung so aufeinander abgestimmt sind, dass die Luftzahl Lambda der Brennraumfüllungen größer als eins ist. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Steuergerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
  • Ein solches Verfahren und ein solches Steuergerät wird bereits heute bei Verbrennungsmotoren mit Benzindirekteinspritzung in Serie verwendet. Mit dem bekannten Verfahren wird die Strategie verfolgt, in einer Nachstartphase des Verbrennungsmotors eine möglichst große Wärmemenge im Abgas zu erzeugen, ohne die im Leerlauf des Verbrennungsmotors aufgebrachte Leistung und die in der Nachstartphase angehobene Leerlaufdrehzahl von etwa 1.200 min–1 zu verändern. Dies wird bei dem bekannten Verfahren dadurch erreicht, dass ein erster Teil der Kraftstoffmenge im Ansaugtakt und ein zweiter Teil der Kraftstoffmenge im Verdichtungstakt eingespritzt wird. Als Folge ergibt sich eine geschichtete Kraftstoffverteilung im Brennraum mit einer aus der Einspritzung des zweiten Teils resultierenden Zone mit vergleichsweise fettem und daher gut zündfähigem Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Nähe der Zündkerze. Dieser Betrieb des Verbrennungsmotors wird auch als Homogen-Split-Betrieb bezeichnet.
  • Diese Ladungsschichtung ermöglicht einen sehr späten Zündzeitpunkt im Bereich von 10–30° Kurbelwellenwinkel nach dem Zündungs-OT (OT = oberer Totpunkt) bei stabilem Drehzahlverhalten und beherrschbaren Rohemissionen. Der späte Zündzeitpunkt führt zu einem vergleichsweise schlechten Zündwinkelwirkungsgrad, unter dem hier das Verhältnis der Drehmomente bei dem späten Zündzeitpunkt und einem für die Drehmomententwicklung optimalen Zündzeitpunkt verstanden wird. Die aus dem schlechten Zündwinkelwirkungsgrad resultierende Drehmomenteinbuße wird durch eine Vergrößerung der Brennraumfüllungen des Verbrennungsmotors kompensiert. Bei den angegebenen Zündwinkelwerten ergeben sich Vergrößerungen der Brennraumfüllungen bis zu Werten, die etwa 75% der unter Normbedingungen möglichen maximalen Füllung betragen. In der Summe ergibt sich damit eine vergleichsweise große Abgasmenge, deren Temperatur wegen des schlechten Zündwinkelwirkungsgrades vergleichsweise hoch ist, so dass sich ein maximaler Wärmestrom (Enthalpiestrom) in der Abgasanlage einstellt.
  • Diese bekannte Strategie wird in einer Nachstartphase mit einem konstanten Timing der Einspritzzeitpunkte und Zündzeitpunkte gefahren. Bei herkömmlichen Motorsteuerungen beginnt die Nachstartphase nach einer Starterbetätigung dann, wenn die Drehzahl des Verbrennungsmotors einen zwischen der Starterdrehzahl und der Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors liegenden Schwellenwert überschreitet und dauert dann über einen vorbestimmten Zeitraum von üblicherweise 20 bis 30 Sekunden an. Innerhalb dieses Zeitraums erreicht ein nahe am Verbrennungsmotor angeordneter Vorkatalysator in der Regel seine Betriebstemperatur (Light-off temperature), bei der die Schadstoffkonvertierung, insbesondere die Konvertierung von Kohlenwasserstoffen, spürbar einsetzt. Nach einer üblichen Definition entspricht die Light-off Temperatur derjenigen Temperatur, bei der 50% der vor dem Katalysator auftretenden unerwünschten Abgasbestandteile wie Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC) in unschädliche Abgasbestandteile wie Wasser und Kohlendioxid konvertiert werden.
  • In der Realität steigt der Prozentsatz der Schadstoffkonvertierung mit steigender Temperatur nicht schlagartig auf 50% und/oder größere Werte an, sondern steigt vielmehr allmählich an. Nach dem Beginn der Schadstoffkonvertierung im Vorkatalysator sinkt die hinter dem Vorkatalysator messbare Konzentration an Kohlenwasserstoffen schnell auf Werte nahe bei null ab. Wie sich bei Versuchen gezeigt hat, korreliert das Absinken der Kohlenwasserstoff-Konzentration hinter dem Vorkatalysator mit dem Erreichen der Light-off Temperatur in einem zentralen Bereich des Vorkatalysators. Die Menge der nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors in die Umgebung emittierten Kohlenwasserstoffe ist daher stark von der Zeitspanne abhängig, die zum Erreichen der Betriebstemperatur in dem zentralen Bereich des Katalysators notwendig ist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Verfahrens und eines Steuergeräts, mit dem diese Zeitspanne verkürzt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die Erfindung zeichnet sich demnach sowohl in ihren Verfahrensaspekten als auch in ihren Vorrichtungsaspekten dadurch aus, dass ein Maß für eine Temperatur am Eingang des Katalysators ermittelt wird und eine Menge reduzierender Abgasbestandteile durch Eingriffe in eine Steuerung des Verbrennungsmotors kontinuierlich erhöht wird, wenn die Temperatur einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Durch die kontinuierliche Erhöhung erfolgt eine dynamische Steigerung der Rohemissionen des Verbrennungsmotors im Homogen-Split-Betrieb.
  • Es hat sich gezeigt, dass sich die Zeit bis zum Erreichen der Light-off Temperatur und damit die Menge der in die Umgebung emittierten Kohlenwasserstoffe durch diese Maßnahmen verringern lässt. Dieser vorteilhafte Effekt ergibt sich daraus, dass erste katalytisch beschichtete Flächenelemente am Eingang des Vorkatalysators dann, wenn die Temperatur am Eingang des Katalysators den vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, bereits zu konvertieren beginnen, obwohl die Temperatur im zentralen Bereich des Katalysators noch wesentlich niedriger ist und noch weit unterhalb der Betriebstemperaturschwelle des Katalysators liegt.
  • Durch das erhöhte Angebot reduzierender Abgasbestandteile in Verbindung mit einem Sauerstoffangebot, das sich aus der Luftzahl Lambda der Brennraumfüllungen mit einem Wert größer als eins ergibt, ergeben sich bereits vergleichsweise früh exotherme Reaktionen an diesen Flächenelementen, die zu einer direkten, unmittelbaren und damit beschleunigten Aufheizung des Katalysators beitragen. Mit der dann kontinuierlich erfolgenden Erhöhung der Menge reduzierender Abgasbestandteile erfolgt eine kontinuierliche Zunahme der im Katalysator freigesetzten Wärme. Die dadurch beschleunigte Aufheizung der ersten Zentimeter des Katalysators ist wesentlich effektiver als die Aufheizung durch einen konstanten Enthalpiestrom aus der innermotorischen Verbrennung, wie er beim Stand der Technik (und bei der Erfindung vor der Überschreitung des Temperaturschwellenwertes) genutzt wird. Dies liegt unter anderem daran, dass der Enthalpiestrom, bevor er in den Katalysator eintritt, Verluste durch die Erwärmung anderer Bauteile erfährt. Beispiele solcher anderer Bauteile sind Abgaskrümmer, Turbolader etc.
  • Neben der schnelleren Aufheizung des Katalysators und der damit verbundenen Verringerung von Emissionen unverbrannter reduzierender Abgasbestandteile in die Umgebung ergibt sich als weiterer Vorteil auch eine Verringerung der Stickoxid-Emissionen, die bei weiterer Optimierung der bekannten Strategien mit konstantem Timing der Einspritzzeitpunkte und der Zündzeitpunkte und bei Luftzahlen Lambda größer als eins in der Nachstartphase vorgegebene Grenzwerte überschreiten könnten.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus den Gegenständen der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
  • 1 einen Verbrennungsmotor mit Benzindirekteinspritzung und einem Steuergerät;
  • 2 zeitlich korrelierte Verläufe von Drehzahlen, Temperaturen und Kohlenwasserstoffkonzentrationen im Abgas wie sie sich bei der bekannten Strategie und dem Gegenstand der Erfindung einstellen; und
  • 3 ein Flussdiagramm als Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Ausführungsform(en) der Erfindung
  • Im Einzelnen zeigt die 1 einen Verbrennungsmotor 10 mit wenigstens einem Brennraum 12, der von einem Kolben 14 beweglich abgedichtet wird. Füllungen des Brennraums 12 mit einem Gemisch aus Kraftstoff und Luft werden von einer Zündkerze 16 gezündet und verbrannt. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Verbrennungsmotor 10 für ein strahlgeführtes Brennverfahren optimiert. Als Brennverfahren bezeichnet man die Art und Weise der Gemischbildung und Energieumsetzung im Brennraum. Das strahlgeführte Brennverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Kraftstoff in unmittelbarer Umgebung der Zündkerze eingespritzt wird und dort verdampft. Das erfordert eine exakte Positionierung von Zündkerze und Einspritzdüse und eine präzise Strahlausrichtung, um das Gemisch zum richtigen Zeitpunkt entzünden zu können. Ein Wechsel der Füllung des Brennraums 12 wird mit Gaswechselventilen 18 und 20 gesteuert, die phasensynchron zur Bewegung des Kolbens 14 geöffnet und geschlossen werden. Die verschiedenen Möglichkeiten zur Betätigung der Gaswechselventile 18 und 20 sind dem Fachmann vertraut und sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in der 1 nicht im Detail dargestellt. Bei geöffnetem Einlassventil 18 und abwärts laufendem Kolben 14, also im Ansaugtakt, strömt Luft aus einem Ansaugsystem 22 in den Brennraum 12. Über einen Injektor 24 wird Kraftstoff zu der Luft im Brennraum 12 dosiert. Aus einer Verbrennung der Brennraumfüllungen resultierendes Abgas wird bei geöffnetem Auslassventil 20 in ein Abgassystem 26 ausgestoßen, das wenigstens einen 3- Wege-Katalysator 28 aufweist. Im Allgemeinen wird das Abgassystem 26 mehrere Katalysatoren enthalten, zum Beispiel einen motornah eingebauten Vorkatalysator 28 und einen motorferner eingebauten Hauptkatalysator 30, der ein 3-Wege-Katalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator sein kann.
  • Der Verbrennungsmotor 10 wird von einem Steuergerät 32 gesteuert, das dazu Signale verschiedener Sensoren verarbeitet, in denen sich Betriebsparameter des Verbrennungsmotors 10 abbilden. In der nicht abschließenden Darstellung der 1 sind dies ein Drehwinkelsensor 34, der eine Winkelposition °KW einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 10 und damit eine Stellung des Kolbens 14 erfasst, ein Luftmassenmesser 36, der eine in den Verbrennungsmotor 10 strömende Luftmasse mL erfasst, und, optional, ein oder mehrere Abgassensoren 38, 40, die eine Konzentration eines Abgasbestandteils und/oder eine Temperatur des Abgases erfassen.
  • In der Ausgestaltung der 1 ist der Abgassensor 38 ein Lambdasensor, der eine Sauerstoffkonzentration im Abgas als Maß einer Luftzahl L (L = Lambda) erfasst, während der Sensor 40 eine Abgastemperatur T am Eingang des Vorkatalysators 28 erfasst Die Luftzahl Lambda ist bekanntlich als Quotient einer tatsächlich zur Verfügung stehenden Luftmasse im Zähler und einer für eine stöchiometrische Verbrennung einer bestimmten Kraftstoffmasse erforderlichen Luftmasse im Nenner definiert. Luftzahlen Lambda größer eins repräsentieren daher einen Luftüberschuss, während Luftzahlen Lambda kleiner eins einen Kraftstoffüberschuss repräsentieren. Sofern das Abgassystem 26 einen Abgastemperatursensor 40 aufweist, kann dieser auch an anderer Stelle des Abgassystems 26 angeordnet sein, beispielsweise am Eingang des Hauptkatalysators 30. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass der Hauptkatalysator 30 ein NOx-Speicherkatalysator ist.
  • Wesentlich für die Erfindung ist, dass das Steuergerät 32 die Temperatur T am Eingang des Vorkatalysators 28 oder, allgemeiner, am Eingang des ersten 3-Wege-Katalysators im Strömungsweg des Abgases hinter dem Auslassventil 20, ermittelt. Die Ermittlung kann bei einer Ausgestaltung, wie sie in der 1 dargestellt ist, durch Messung mit dem Temperatursensor 40 erfolgen. Alternativ oder ergänzend kann die Abgastemperatur T am Eingang des Vorkatalysators 28 auch aus Betriebsparametern des Verbrennungsmotors 10 durch ein Rechenmodell im Steuergerät 32 unter Verwendung auf im Steuergerät 32 abgelegte Zusammenhänge ermittelt werden. Wenn der Abgastemperatursensor 40 an anderer Stelle im Abgassystem 26 angeordnet ist, kann die Abgastemperatur am Eingang des Vorkatalysators 28 aus einem Rechenmodell ermittelt werden, das mit der an anderer Stelle im Abgassystem 26 gemessenen Temperatur adaptiert wird. Analog kann ein Rechenmodell auch dazu dienen, das Signal eines Abgastemperatursensors 40, der am Eingang des Vorkatalysators 28 angeordnet ist, zu korrigieren. Diese Ausgestaltung ist insbesondere bei schnellen Abgastemperaturänderungen sinnvoll, die wegen einer Trägheit des Abgastemperatursensors 40 besser durch ein Rechenmodell berücksichtigt werden können.
  • Aus den Signalen dieser und gegebenenfalls weiterer Sensoren bildet das Steuergerät 32 Stellsignale zur Ansteuerung von Stellgliedern zur Steuerung des Verbrennungsmotors 10. In der Ausgestaltung der 1 sind dies insbesondere ein Stellsignal S_L zur Ansteuerung eines Drosselklappenstellers 42, der die Winkelstellung einer Drosselklappe 44 im Ansaugsystem 22 verstellt, ein Signal S_K, mit dem das Steuergerät 32 den Injektor 24 ansteuert und ein Stellsignal S_Z, mit dem das Steuergerät 32 die Zündkerze 16 beziehungsweise eine Zündvorrichtung 16 ansteuert, die auch Spulen und/oder Kondensatoren zur Erzeugung der Zündspannung aufweist. Analog zu der Darstellung der Sensoren gilt auch für die dargestellten Stellglieder, dass die Darstellung in der 1 nicht abschließend gemeint ist und dass moderne Verbrennungsmotoren 10 weitere Stellglieder wie Abgasrückführventile, Tankentlüftungsventile, Bypassventile für Abgas-Turbolader, Stellglieder für variable Steuerungen der Gaswechselventile 18, 20 etc., aufweisen können.
  • Im Übrigen ist das Steuergerät 32 dazu eingerichtet, insbesondere dazu programmiert, das hier vorgestellte Verfahren und/oder eine seiner Ausgestaltungen durchzuführen und/oder einen entsprechenden Verfahrensablauf zu steuern.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung rechnet das Steuergerät 32 Leistungsanforderungen an den Verbrennungsmotor 10 in einen Soll-Wert für das vom Verbrennungsmotor 10 insgesamt zu erzeugende Drehmoment um und teilt dieses Drehmoment auf Drehmomentanteile auf, die durch die Stellsignale S_L für die Füllungssteuerung, S_K für die Kraftstoffzumessung und S_Z für die Zündungssteuerung beeinflusst werden. Der Füllungsanteil wird durch eine entsprechende Einstellung der Drosselklappe 42 mit dem Stellsignal S_L eingestellt. Der Kraftstoffanteil wird mit der Stellgröße S_K im Wesentlichen durch die eingespritzte Kraftstoffmasse und die Art und Weise der Aufteilung der einzuspritzenden Kraftstoffmasse auf eine oder mehrere Teileinspritzungen sowie die relative Lage der Teileinspritzungen zueinander und zu der Bewegung des Kolbens 14, also durch ein Einspritz-Timing, eingestellt. Das bei gegebener Luftfüllung maximal mögliche Drehmoment ergibt sich bei optimaler Luftzahl Lambda, optimalem Einspritz-Timing und optimalem Zündwinkel.
  • Vor der weiter unten erfolgenden Vorstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst unter Bezug auf die 2 die Situation bei dem bekannten Verfahren dargestellt. Im Einzelnen zeigt die 2a unter anderem zeitlich korrelierte Verläufe 46, 48 und 50 der Drehzahl n des Verbrennungsmotors 10 (Verlauf 46) der Abgastemperatur T am Eingang des Vorkatalysators 28 (Verlauf 48) und der Temperatur in einem zentralen Bereich des Vorkatalysators 28 (Verlauf 50) nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 in einer Nachstartphase. Dabei sind die in der 2a dargestellten zeitlichen Verläufe bei der Durchführung des bekannten Verfahrens, das auf einer Vergrößerung des Wärmestroms im Abgas basiert, aufgenommen worden.
  • Zum Zeitpunkt t0 beschleunigt ein Starter den Verbrennungsmotor auf eine Starterdrehzahl von knapp über 200 min–1. Mit einsetzenden Verbrennungen in den Brennräumen 12 steigt die Drehzahl n des Verbrennungsmotors 10 weiter an und überschreitet zum Zeitpunkt t1 einen Startende-Drehzahlschwellenwert von ca. 400 min–1. Anschließend pendelt sie sich rasch auf eine erhöhte Leerlaufdrehzahl von ca. 1.200 min–1 ein. Mit dem Überschreiten des Startende-Drehzahlschwellenwerts zum Zeitpunkt t1 beginnt die Nachstartphase. Um in dieser Nachstartphase einen großen Wärmestrom im Abgas bereitzustellen, gibt das Steuergerät 30 über die Stellgröße S_Z suboptimale Zündwinkel aus, die über den damit verringerten Zündwinkelwirkungsgrad zu einer Drehmomenteinbuße führen, die durch eine vergrößerte Füllung der Brennräume 12 durch Stellsignale S_L erzeugt wird, kompensiert wird. Durch ergänzende Beeinflussung der Kraftstoff-Stellsignale S_K wird insgesamt eine Luftzahl Lambda im überstöchiometrischen Bereich, beispielsweise eine Luftzahl Lambda = 1,1 eingestellt.
  • Dies ist besonders in der ersten Phase nach einem Startende wichtig, in der der Vorkatalysator 28 noch keine Kohlenwasserstoffe reduzieren kann, so dass die einzige Möglichkeit zur Beschränkung der in die Umgebung gelangenden Kohlenwasserstoffemissionen darin besteht, die Roh-Emissionen des Verbrennungsmotors 10 zu beschränken. Diese Beschränkung ergibt sich als erwünschte Folge des Betriebs mit einer Luftzahl Lambda größer als eins.
  • Durch die vergrößerte Füllung wird eine hohe Abgasmenge erzeugt, die überdies wegen des suboptimalen Zündwinkelwirkungsgrades eine vergleichsweise hohe Temperatur besitzt und einen Sauerstoffüberschuss aufweist. Insgesamt wird damit ein großer Wärme- oder Enthalpiestrom erzeugt. Dadurch steigt die Abgastemperatur T vor dem Vorkatalysator 28 relativ schnell an, was sich im vergleichsweise steilen Anstieg des Verlaufs 48 abbildet. Im Ergebnis wird bereits zum Zeitpunkt t2 eine Abgastemperatur von etwa 400°Celsius vor dem Vorkatalysator 28 erreicht. Die Temperatur des zentralen Bereichs des Vorkatalysators 28, die sich im Verlauf 50 abbildet, erreicht den Temperaturwert von 400°Celsius dagegen erst zu einem späteren Zeitpunkt t3, was durch den wesentlichen flacheren Anstieg des Verlaufs 50 im Vergleich zum Verlauf 48 bedingt ist. Der flachere Verlauf 50 ergibt sich durch die Wärmekapazität der vor dem zentralen Bereich des Katalysators liegenden Bereiche des Vorkatalysators 28, die bei der Durchströmung mit dem Abgas vor dem zentralen Bereich aufgeheizt werden und dem Abgas Wärme entziehen. Ein typischer Zeitabstand zwischen t2 und t3 liegt in der Größenordnung von 10 Sekunden.
  • 2b zeigt zeitlich korrelierende Verläufe der Kohlenwasserstoffkonzentration vor und nach dem Vorkatalysator 28. Der Verlauf 52 der Kohlenwasserstoffkonzentration vor dem Vorkatalysator 28 weist anfangs ein scharfes Maximum 54 auf, das unmittelbar mit dem Starten des Verbrennungsmotors 10 und dem ersten Hochlaufen der Drehzahl n des Verbrennungsmotors 10 auf den Wert der angehobenen Leerlaufdrehzahl (1.200 min–1) zusammenhängt. Anschließend fällt die Kohlenwasserstoffkonzentration vor dem Vorkatalysator 28 schnell auf einen vergleichsweise konstanten Wert ab.
  • In dem Verlauf 56 der Kohlenwasserstoffkonzentration nach dem Vorkatalysator 28 bildet sich das scharfe Maximum 54 des Verlaufs 52 in gestauchter und zeitlich gestreckter Form ab. Diese Stauchung und Streckung hängt weniger mit einer Konvertierung, als vielmehr mit einer gewissen Speicherwirkung des Vorkatalysators 28 zusammen. Anschließend nimmt die Kohlenwasserstoffkonzentration hinter dem Vorkatalysator 28 zunächst ähnliche Werte an, wie sie sich vor dem Vorkatalysator 28 einstellen, bevor sie allmählich mit einsetzender und allmählich zunehmender Konvertierungsfähigkeit des Vorkatalysators 28 auf einen Wert nahe bei null absinkt, was etwa zum Zeitpunkt t4 kurz nach dem Zeitpunkt t3 der Fall ist. Das heißt, dass die nahezu konstanten Kohlenwasserstoff-Rohemissionen des Verbrennungsmotors 10 ab dem Zeitpunkt t4 so gut wie vollständig durch den dann betriebsbereiten Vorkatalysator 28 konvertiert werden.
  • Die Menge der in die Umgebung emittierten Kohlenwasserstoffe ist zum Integral der Kohlenwasserstoffkonzentrationen nach dem Vorkatalysator 28 proportional. Da nach dem Zeitpunkt t4 kaum noch Kohlenwasserstoffemissionen hinter dem Vorkatalysator 28 auftreten, dominiert der Wert des Integrals zum Zeitpunkt t4 auch Ergebnisse von Abgastests. Um die Ergebnisse solcher Tests zu verbessern und damit die Emissionen von Kohlenwasserstoffen in die Umgebung zu verringern, sieht die Erfindung vor, bereits vor dem Zeitpunkt t3, zu dem der zentrale Bereich des Vorkatalysators 28 seine Betriebstemperatur erreicht, die bereits am Eingang des Vorkatalysators 28 wegen der dort höheren Abgastemperaturen früher einsetzende Konvertierung zur schnelleren Aufheizung des Vorkatalysators 28 auszunutzen.
  • Die 3 zeigt ein Flussdiagramm als Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem Schritt 58 wird bei einer Betätigung eines Starters ein Startprogramm SP ausgeführt, in dem Stellgrößen S_L, S_K und S_Z ausgegeben werden, mit denen der Verbrennungsmotor 10 bei aktiviertem Starter gestartet werden kann. In einem Schritt 60 wird überprüft, ob die Drehzahl n des Verbrennungsmotors 10 die Startende-Drehzahl n1 überschreitet. Solange das nicht der Fall ist, verzweigt das Programm zurück zum Schritt 58, in dem das Startprogramm SP weiter ausgeführt wird.
  • Sobald die Startende-Drehzahl n1 überschritten wird, verzweigt das Programm in einen Schritt 62, in dem der Ablauf eines Nachstartprogramms NP zur Steuerung des Verbrennungsmotors 10 im Leerlauf ausgelöst wird und in dem eine Zeitvariable t auf den Wert t1 gesetzt wird, bei dem der Startende-Drehzahlschwellenwert n1 überschritten worden ist. Der Betrieb mit dem Nachstartprogramm NP ist dabei insbesondere dadurch charakterisiert, dass zunächst ein großer Enthalpiestrom im Abgas in Verbindung mit möglichst geringen Rohemissionen von unverbrannten, reduzierenden Abgasbestandteilen wie HC und CO erzeugt wird. Der Enthalpiestrom wird bevorzugt durch einen Betrieb mit reduziertem Zündwinkelwirkungsgrad und einer Aufteilung einer pro Brennraumfüllung einzuspritzenden Kraftstoffmenge auf eine erste Einspritzung im Ansaugtakt und eine zweite Einspritzung im Verdichtungstakt in Verbindung mit einer vergrößerten Luftfüllung der Brennräume 12 vergrößert.
  • Dabei liefert die Aufteilung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge auf zwei Einspritzungen die Möglichkeit, den Zündwinkelwirkungsgrad vergleichsweise stark zu verringern, indem die Zündung bis in Bereiche von 10° bis 30° Kurbelwellenwinkel nach dem Zündungs-OT verschoben wird, was eine entsprechende Vergrößerung der Luftfüllung zur Kompensation der Drehmomenteinbuße ermöglicht. Um die Rohemissionen unverbrannter und reduzierender Abgasbestandteile möglichst gering zu halten, wird die Luftzahl Lambda zu Beginn des Nachstartbetriebs NP auf Lambda-Werte größer als eins, zum Beispiel Lambda = 1,1, eingestellt.
  • Im weiteren Verlauf der Abarbeitung des Nachstartprogramms NP wird in einem Schritt 64 eine Temperatur T am Eingang des Vorkatalysators 28 ermittelt. Im Schritt 66 findet eine Erhöhung der Zeitvariablen t um ein Inkrement dt statt. Im Schritt 68 wird die im Schritt 64 ermittelte Temperatur T mit einem Schwellenwert T_S verglichen. Solange die Temperatur T kleiner als der Schwellenwert T_S ist, wird davon ausgegangen, dass auch die ersten katalytischen Flächenelemente am Eingang des Vorkatalysators 28 noch keine reduzierenden Abgasbestandteile konvertieren können. Die Abfrage im Schritt 68 wird entsprechend verneint und das Programm verzweigt dann zu einem Schritt 70, in dem überprüft wird, ob eine Maximaldauer t_max der Nachstartphase erreicht ist. Ein typischer Wert der Maximaldauer t_max liegt etwa zwischen 20 s und 30 s.
  • Wenn die Abfrage im Schritt 70 bejaht wird, verzweigt das Programm zu einem Schritt 72, in dem ein Hauptprogramm HP zur Steuerung des Verbrennungsmotors 10 durchgeführt wird. Das Hauptprogramm HP unterscheidet sich vom Nachstartprogramm NP insbesondere dadurch, dass der Verbrennungsmotor 10 nicht mehr mit dem maximierten Enthalpiestrom im Abgas betrieben wird.
  • Zu Beginn der Nachstartphase wird die Abfrage im Schritt 70 jedoch verneint werden und das Programm verzweigt zurück vor die Schritte 64 und 66, in denen die Temperatur T erneut ermittelt wird und die Zeitvariable t um ein weiteres Inkrement dt erhöht wird. Auf diese Weise wird die Schleife aus den Schritten 64 bis 70 wiederholt durchlaufen, bis entweder die Abbruchbedingung im Schritt 68 oder die Abbruchbedingung im Schritt 70 erfüllt ist. Das bedeutet insbesondere, dass der Verbrennungsmotor 10 nach einem normalen Kaltstart im Nachstartprogramm NP so lange mit einem großen Enthalpiestrom und gleichzeitig möglichst geringen Kohlenwasserstoffemissionen betrieben wird, bis die Abfrage im Schritt 68 bejaht wird. Als Maß für die Temperatur kann auch die seit dem Startende verstrichene Zeit verwendet werden. In einer weiteren Ausgestaltung kann als Maß für die Temperatur diese Zeit nach einer Gewichtung mit einer Temperatur des Verbrennungsmotors 10 kurz vor, während oder kurz nach dem Start verwendet werden. Je geringer diese Temperatur ist, desto kleiner ist der Gewichtungsfaktor zu wählen.
  • Die Abfrage im Schritt 68 wird bejaht, wenn die Abgastemperatur T am Eingang des Vorkatalysators 28 den Schwellenwert T_S überschreitet. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Schwellenwert T_S so vorbestimmt, dass er einer Temperatur entspricht, bei der die ersten Flächenelemente des Katalysators in spürbarem Umfang mit der Konvertierung reduzierender Abgasbestandteile durch katalytisches Auslösen exothermer Reaktionen mit dem Sauerstoffangebot im Abgas beginnen. Um die durch diese exothermen Reaktionen frei werdende Reaktionswärme zur beschleunigten Aufheizung des Vorkatalysators 28 verstärkt auszunutzen, wird in einem Schritt 74 die Emission unverbrannter reduzierender Abgasbestandteile, also die Rohemission von Kohlenwasserstoffen HC und/oder Kohlenmonoxid erhöht.
  • Die Erhöhung wird in einer Ausgestaltung durch eine Änderung des Zündwinkelwirkungsgrades und/oder der Aufteilung der für einen Arbeitstakt einzuspritzenden Kraftstoffmenge und/oder der Luftzahl Lambda im Abgas vor dem Vorkatalysator 28 gesteuert. Welche dieser Maßnahmen einzeln oder in Verbindung mit anderen Maßnahmen die größte Wirkung entfaltet, hängt von dem speziellen Verbrennungsmotor 10 ab, bei dem sie verwendet werden. Die Maßnahme oder das Bündel von Maßnahmen sind daher durch Prüfstandsversuche bei der Anpassung der Erfindung an einen speziellen Verbrennungsmotortyp zu identifizieren und entsprechend zu programmieren.
  • Als besonders geeignete Maßnahme wird eine kontinuierliche Verringerung der Luftzahl Lambda während der Durchführung des Verfahrens nach dem Bejahen des Schritts 68 um 1–3%, beispielsweise von Lambda = 1,1 auf Lambda = 1,08 angesehen. Eine Reduzierung der Spät-Verschiebung des Zündwinkels bewirkt ebenfalls einen Anstieg der HC-Rohemissionen. Bei Versuchen an einem speziellen Verbrennungsmotor hat sich zum Beispiel gezeigt, dass eine Reduzierung der Spät-Verschiebung der Zündung die Abgastemperaturen von 950° auf ca. 850° verringert und zu einem Anstieg der HC-Rohemissionen um ca. 3% führt. Der Lambdawert kann dadurch vergrößert werden, dass die gesamte, mit den beiden Teileinspritzungen eingespritzte Kraftstoffmenge vergrößert wird. Alternativ kann die Aufteilung der Kraftstoffmasse auf die beiden Teileinspritzungen geändert werden oder es kann nur die mit der zweiten Einspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge vergrößert werden. Kombinationen der einzelnen Maßnahmen sind ebenfalls möglich.
  • An den Schritt 74 schließt sich ein Schritt 76 an, in dem die Zeitvariable t um das Dekrement dt erhöht wird. Im Schritt 78 wird analog zur Abfrage im Schritt 70 überprüft, ob die Zeitvariable t nach einigen Erhöhungen um das Inkrement dt den Schwellenwert t_max überschreitet. Solange das nicht der Fall ist, wird die Abfrage im Schritt 78 verneint und das Programm kehrt zum Schritt 74 zurück, in dem erneut die Rohemissionen unverbrannter und damit reduzierend wirkender Abgasbestandteile erhöht wird. Durch wiederholtes Durchlaufen der Schleife aus den Schritten 74, 76 und 78 ergibt sich eine kontinuierliche Erhöhung der Menge reduzierender Abgasbestandteile durch Eingriffe in die Steuerung des Verbrennungsmotors 10, wenn die Temperatur T vor dem Vorkatalysator 28 vorher im Schritt 68 den Schwellenwert T_S überschritten hat. In einer Ausgestaltung wird die kontinuierliche Erhöhung der Emission unverbrannter Abgasbestandteile beendet, wenn der Zeitschwellenwert t_max im Schritt 78 überschritten wird. In diesem Fall wird die Nachstartphase beendet und das Programm verzweigt in den Schritt 72, in dem das bereits erläuterte Hauptprogramm zur Steuerung des Verbrennungsmotors 10 ohne vergrößerten Enthalpiestrom im Abgas durchgeführt wird.
  • Der gestrichelte Verlauf 80 in der 2a bildet die Wirkung der Erfindung qualitativ ab. Der gestrichelte Verlauf 80 zeigt, wie auch der Verlauf 50, den zeitlichen Verlauf der Temperatur in einem zentralen Bereich des Vorkatalysators 28 in der Nachstartphase. Wie man sieht, verlaufen die Kurven 50 und 80 bis zum Zeitpunkt t2 parallel beziehungsweise identisch. Dies liegt daran, dass bis zum Zeitpunkt t2 kein Unterschied zu dem bekannten Verfahren besteht. Das heißt insbesondere, dass auch bei der Erfindung zu Beginn der Nachstartphase der Verbrennungsmotor 10 mit einem vergrößerten Enthalpiestrom bei gleichzeitig möglichst weitgehend reduzierten Rohemissionen unverbrannter Abgasbestandteile betrieben wird. Ein Unterschied zwischen dem Verlauf 50, der sich bei dem bekannten Verfahren ergibt, und dem Verlauf 80, der sich gemäß der Erfindung ergibt, entsteht ab dem Zeitpunkt t2, zu dem die Abgastemperatur T vor dem Vorkatalysator 28 den Schwellenwert T_S erreicht. In einer Ausgestaltung liegt dieser Schwellenwert zwischen 380°Celsius und 420°Celsius. Der genaue Wert kann von dem verwendeten Katalysator abhängig sein. Für Zeiten t > t2 bewirkt die im Rahmen der Erfindung erhöhte Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe in Verbindung mit der einsetzenden Konvertierungsfähigkeit am Eingang des Vorkatalysators 28 eine exotherme Reaktion mit dem Sauerstoffangebot im Abgas, die den Vorkatalysator 28 effektiver aufheizt als dies allein mit dem vergrößerten Enthalpiestrom möglich ist. Als Folge steigt der gestrichelte Verlauf 80, der sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt, schneller an als der Verlauf 50, der sich bei dem bekannten Verfahren ergibt.
  • Wie man sieht, besteht eine relativ große Differenz zwischen dem Verlauf 48 der Abgastemperatur vor dem Vorkatalysator 28 und dem mit dem bekannten Verfahren erzielten Verlauf 50 der Temperatur im zentralen Bereich des Vorkatalysators 28. Wie bereits erwähnt wurde, ist diese Differenz, beziehungsweise der zeitliche Abstand zwischen einem Zeitpunkt, zu dem die Abgastemperatur vor dem Vorkatalysator 28 eine bestimmte Schwellen-Temperatur erreicht, und dem Zeitpunkt, zu dem die Temperatur im zentralen Bereich des Vorkatalysators 28 diese Temperatur erreicht, für den größten Teil der nach einem Kaltstart in die Umgebung emittierten Kohlenwasserstoffemissionen verantwortlich. Ein Vergleich der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten gestrichelten Kurve 80 mit der Kurve 48, die den Verlauf der Abgastemperatur vor dem Vorkatalysator 28 angibt, zeigt, dass diese Differenz bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich geringer ausfällt als bei dem bekannten Verfahren. Dies wirkt sich direkt in der erwünschten Weise verringernd auf die Kohlenwasserstoffemissionen in die Umgebung nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors aus.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators (28) im Abgas eines mit direkter Einspritzung von Kraftstoff in seine Brennräume (12) arbeitenden Verbrennungsmotors (10) nach einem Start im Leerlauf, wobei der Verbrennungsmotor (10) mit suboptimalem Zündwinkelwirkungsgrad und einer Aufteilung einer für einen Arbeitstakt einzuspritzenden Kraftstoffmenge auf wenigstens zwei Teileinspritzungen betrieben wird, und wobei eine Drehmomenteinbuße, die aus dem suboptimalen Zündwinkelwirkungsgrad und/oder der Aufteilung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge resultiert, durch eine vergrößerte Füllung der Brennräume (12) kompensiert wird, wobei Kraftstoffmenge und Füllung so aufeinander abgestimmt sind, dass die Luftzahl Lambda der Brennraumfüllungen größer als 1 ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Maß für eine Temperatur (T) am Eingang des Katalysators (28) ermittelt wird und eine Menge reduzierender Abgasbestandteile durch Eingriffe in eine Steuerung des Verbrennungsmotors (10) kontinuierlich erhöht wird, wenn die Temperatur (T) einen vorbestimmten Schwellenwert (T_S) überschreitet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgastemperatur (T) vor dem Katalysator (28) als Temperatur (T) am Eingang des Katalysators (28) ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T) mit einem Abgastemperaturmodell aus Betriebsparametern des Verbrennungsmotors (10) ermittelt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T) alternativ oder ergänzend zu einer Ermittlung durch ein Abgastemperaturmodell aus einem Signal eines Temperatursensors (40) ermittelt wird, der dem Abgas ausgesetzt ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung der Menge reduzierender Abgasbestandteile durch eine kontinuierliche Änderung des Zündwinkelwirkungsgrades und/oder der Aufteilung der für einen Arbeitstakt einzuspritzenden Kraftstoffmenge und/oder der Luftzahl Lambda im Abgas vor dem Katalysator (28) erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es nur während einer Zeitspanne von weniger als 30 Sekunden nach einem Ende des Starts des Verbrennungsmotors (10) durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzahl Lambda im Abgas vor dem Katalysator (28) während der Durchführung des Verfahrens auf Werte größer als 1 eingestellt wird und während der Erhöhung der Menge reduzierender Abgasbestandteile um 1 bis 3% verringert wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert (T_S) so vorbestimmt ist, dass der Katalysator (28) bei dieser Temperatur damit beginnt, reduzierende Abgasbestandteile mit oxidierenden Abgasbestandteilen katalytisch reagieren zu lassen.
  9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Schwellenwert (T_S) zwischen 380°C und 420°Celsius liegt.
  10. Steuergerät (32) eines mit direkter Einspritzung von Kraftstoff in seine Brennräume (12) arbeitenden Verbrennungsmotors (10), das dazu eingerichtet ist, den Verbrennungsmotor (10) nach einem Start im Leerlauf zum Aufheizen eines Katalysators (28) mit suboptimalem Zündwinkelwirkungsgrad und einer Aufteilung einer für einen Arbeitstakt einzuspritzenden Kraftstoffmenge auf wenigstens zwei Teileinspritzungen zu betreiben, und dabei eine Drehmomenteinbuße, die aus dem suboptimalen Zündwinkelwirkungsgrad und/oder der Aufteilung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge resultiert, durch Einstellen einer vergrößerten Füllung der Brennräume zu kompensieren und dabei Kraftstoffmenge und Füllung so aufeinander abzustimmen, dass die Luftzahl Lambda der Brennraumfüllungen größer als 1 ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (32) dazu eingerichtet ist, ein Maß für eine Temperatur (T) am Eingang des Katalysators (28) zu ermitteln, mit einem vorbestimmten Schwellenwert (T_S) zu vergleichen und eine Menge reduzierender Abgasbestandteile im Abgas durch Eingriffe in eine Steuerung des Verbrennungsmotors (10) kontinuierlich zu erhöhen, wenn die Temperatur (T) den vorbestimmten Schwellenwert (T_S) überschreitet.
  11. Steuergerät (32) nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass es dazu eingerichtet ist, einen Ablauf eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 9 zu steuern.
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