DE102007056216A1 - Verfahren und Steuergerät zum beschleunigten Aufheizen eines Katalysators im Abgassystem eines aufgeladenen Verbrennungsmotors mit variabler Ventilsteuerung - Google Patents

Verfahren und Steuergerät zum beschleunigten Aufheizen eines Katalysators im Abgassystem eines aufgeladenen Verbrennungsmotors mit variabler Ventilsteuerung Download PDF

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Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators (30, 32) im Abgassystem (28) eines aufgeladenen Verbrennungsmotors (10) mit direkter Kraftstoffeinspritzung und variabler Gaswechselventilsteuerung durch Erzeugen eines reaktionsfähigen Abgas-Kraftstoff/Luftgemisches im Abgassystem (28), wobei ein Luftanteil des reaktionsfähigen Abgas-Kraftstoff/Luftgemisches dadurch erzeugt wird, dass Luft aus einem Ansaugsystem (22) des Verbrennungsmotors (10) über dessen Brennräume (12) in das Abgassystem (28) gespült wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Verbrennungsmotor (10) im Leerlauf nach einem Kaltstart mit einer größeren Ventilüberschneidung und/oder einem größeren Ventilüberschneidungsquerschnitt als in einem Normalbetrieb bei bereits aufgeheiztem Katalysator (30, 32) sowie mit einer Aufteilung einer vor einer Verbrennung einzuspritzenden Kraftstoffmenge auf wenigstens zwei Teileinspritzungen (ti_1, ti_2) pro Zündung und Brennraum (12) und einem suboptimalen Zündwinkelwirkungsgrad betrieben wird.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators im Abgassystem eines aufgeladenen Verbrennungsmotors mit direkter Kraftstoffeinspritzung und variabler Gaswechselventilsteuerung durch Erzeugen eines reaktionsfähigen Abgas-Kraftstoff/Luftgemisches im Abgassystem, wobei ein Luftanteil des reaktionsfähigen Abgas-Kraftstoff/Luftgemisches dadurch erzeugt wird, dass Luft aus einem Ansaugsystem des Verbrennungsmotors über dessen Brennräume in das Abgassystem gespült wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, das Verfahren durchzuführen. Dabei wird unter einer Durchführung eine Steuerung des Ablaufs des Verfahrens verstanden.
  • Ein solches Verfahren und ein solches Steuergerät ist bereits aus der DE 100 63 750 A1 bekannt. Bei dieser Schrift wird einer von mehreren Zylindern bei abgeschalteter Kraftstoffzufuhr zum Pumpen von Luft aus dem Ansaugsystem in das Abgassystem benutzt. Durch Eingriffe in eine variable Ventilsteuerung dieses Zylinders wird die Menge der gepumpten Luft gesteuert. Der Turbolader ist bei dem bekannten Gegenstand entbehrlich und ist daher für das Pumpen der Luft nicht von wesentlicher Bedeutung. Variable Ventilsteuerungen sind ferner zum Beispiel aus dem Kraftfahrtechnischen Taschenbuch, 25, Auflage, ISBN 3-528-23876-3, Robert Bosch GmbH, 2003, dort Seiten 474 und 475, bekannt.
  • Die Aufheizung eines Katalysators durch Erzeugen eines reaktionsfähigen Abgas-Kraftstoff/Luftgemisches im Abgassystem ist auch vor der Veröffentlichung durch die DE 100 63 750 A1 bereits als Einblasung von Sekundärluft in eine fette Abgasatmosphäre bekannt gewesen. Die Sekundärluft wird in der Regel hinter die Auslassventile des Verbrennungsmotors eingeblasen und reagiert dort exotherm mit einer fetten Abgasatmosphäre, die aus Verbrennungen von Brennraumfüllungen des Verbrennungsmotors resultiert. Für die Einblasung der Sekundärluft wird in der Regel eine separate Sekundärluftpumpe verwendet, die elektrisch angetrieben wird.
  • Der aus der DE 100 63 750 A1 bekannte Gegenstand nutzt temporär einen Zylinder des Verbrennungsmotors als Sekundärluftpumpe, so dass auf eine separate, elektrisch oder mechanisch angetriebene Sekundärluftpumpe verzichtet werden kann. Der betroffene Zylinder steht dann jedoch nicht für eine Drehmomenterzeugung zur Verfügung, was zu einer erhöhten Laufunruhe führt.
  • Mit der Sekundärlufteinblasung arbeitende Verfahren lassen sich einer Gruppe von Heizverfahren zuordnen, deren Gemeinsamkeit darin besteht, dass die Aufheizung durch die Reaktionswärme von im Abgas ablaufenden chemischen Reaktionen erfolgt. Ferner sind zur Katalysatoraufheizung Eingriffe in die Verbrennungsmotorsteuerung bekannt, die zu einer Erhöhung der Abgastemperatur und/oder des Abgasmassenstroms führen.
  • Es ist zum Beispiel bekannt, 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 einem Verbrennungsmotor mit Kraftstoffdirekteinspritzung 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, wobei sich „split" auf die Aufteilung der Einspritzung bezieht.
  • Aus der DE 100 62 377 A1 ist ein Aufladekonzept mit einem Abgasturbolader bekannt, dessen Welle durch einen Elektromotor angetrieben wird. Durch diesen Antrieb soll das sogenannte Turboloch (englisch: „lag") bei Betriebspunktwechseln verringert werden. Das Turboloch entsteht bekanntlich dadurch, dass die Turbine bei plötzlicher Drehmomentanforderung aus einem Betriebspunkt mit niedrigem Abgasmassenstrom zunächst beschleunigt werden muss, um auf der Verdichterseite den erforderlichen Ladedruck aufzubauen. Durch den unterstützenden elektrischen Antrieb wird die resultierende Verzögerung verringert.
  • Dieses Aufladekonzept, das an sich noch nichts mit einem Katalysatorheizverfahren zu tun hat, wird bei der DE 100 62 377 A1 dazu benutzt, die separate Sekundärluftpumpe zu ersetzen. Dazu wird der Turbolader dann, wenn der Katalysator aufzuheizen ist, elektrisch angetrieben. Dadurch erzeugt er auch in Betriebspunkten mit niedriger Abgasenthalpie bereits einen gewissen Ladedruck, der ausreicht, um Luft aus dem Ansaugsystem über eine Rohrverbindung an den Brennräumen des Verbrennungsmotors vorbei in das Abgassystem strömen zu lassen. Damit kann bei durch einen elektrischen Antrieb unterstützten Turboladern auf eine separate Sekundärluftpumpe verzichtet werden. Die Sekundärlufteinblasung erfordert jedoch auch bei diesen Aufladekonzepten einen elektrischen Antrieb.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Verfahrens und eines Steuergeräts, das eine Sekundärluft nutzende Aufheizung eines Katalysator im Abgas eines mit einem Abgasturbolader aufgeladenen Verbrennungsmotors ermöglicht, dabei aber ohne separate Sekundärluftpumpe, ohne elektrischen Antrieb des Turboladers oder eines im Ansaugsystem angeordneten Verdichters und ohne zweckentfremdetes Benutzen einzelner Zylinder als Sekundärluftpumpe bei abgeschalteter Zündung oder Kraftstoffzufuhr in dem jeweils betroffenen Zylinder arbeitet.
  • Diese Aufgabe wird jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Dadurch, dass der Verbrennungsmotor bei einem Verfahren der eingangs genannten Art im Leerlauf nach einem Kaltstart mit einer größeren Ventilüberschneidung und/oder einem größeren Ventilüberschneidungsquerschnitt als in einem Normalbetrieb betrieben wird strömt bei ausreichendem Druckgefälle zwischen Ansaugsystem und Abgassystem unverbrannte Luft aus dem Ansaugsystem über den beteiligten Brennraum in das Abgassystem. Unter normalen Umständen reicht das Druckgefälle jedoch nicht aus oder besitzt sogar ein umgekehrtes Vorzeichen, so dass Abgas in den Brennraum zurückströmt oder nur unvollständig ausgestoßen wird. Dies ist auch als interne Abgasrückführung bekannt.
  • Die Erfindung erzeugt das für eine durch den Brennraum erfolgende Luftüberströmung erforderliche Druckgefälle von einem vergleichsweise hohen Druck im Ansaugsystem zu einem vergleichsweise niedrigen Druck im Abgassystem durch eine signifikante Erhöhung der Abgasenthalpie, die zu einer verstärkten Energieübertragung auf die Turbine des Turboladers und damit zu einem schnellen Anstieg und ausreichend hohem Ladedruckniveau des Verbrennungsmotors im Leerlauf führt. Dabei wird unter einem Normalbetrieb ein Betrieb verstanden, in dem keine Sekundärluftzufuhr erfolgen soll, was zum Beispiel bei betriebswarmem Verbrennungsmotor und ausreichend aufgeheiztem Abgassystem der Fall ist.
  • Der Betrieb des Verbrennungsmotors mit direkter Einspritzung von Kraftstoff in seine Brennräume und mit einer nach einem Kaltstart erfolgenden Aufteilung einer vor einem Beginn einer Verbrennung einzuspritzenden Kraftstoffmenge auf wenigstens zwei Teileinspritzungen pro Zündung und Brennraum ergibt sehr stabile Verbrennungen, die sehr späte Zündwinkel erlauben. Bei luft- und wandgeführten Brennverfahren lassen sich späte Zündwinkel bis etwa 25 Grad nach OT, bei strahlgeführten Brennverfahren lassen sich noch spätere Zündwinkel bis zu etwa 30 etwa 35 Grad Kurbelwellenwinkel nach OT bei stabilem Drehzahlverhalten und beherrschbaren Rohemissionen einstellen.
  • Der Zündwinkelwirkungsgrad, unter dem hier der Quotient aus dem Drehmoment bei einem verspäteten Zündwinkel im Zähler und dem Drehmoment bei einem für eine maximale Drehmomententwicklung optimalen Zündwinkel verstanden wird, nimmt mit zunehmender Spätverschiebung der Zündung immer mehr ab.
  • Der Wirkungsgradverlust führt aufgrund thermodynamischer Gesetzmäßigkeiten zu einer höheren Abgastemperatur und damit zu einer höheren Abgasenthalpie. Ferner muss der Verbrennungsmotor bei verspäteter Zündung mit höheren Brennraumfüllungen betrieben werden, um den mit der Wirkungsgradverschlechterung einhergehenden Drehmomentverlust zu kompensieren. Beiden angegebenen Zündwinkelwerten ergeben sich Vergrößerungen der Brennraumfüllungen bis zu Werten von über 75% der unter Normbedingungen möglichen maximalen Füllung. Ein Betrieb mit solchen Werten der Brennraumfüllung wird hier auch als weitgehend entdrosselter Betrieb verstanden.
  • Dies führt zu einem höheren Abgasmassenstrom, der ebenfalls die Abgasenthalpie vergrößert. Mit steigender Abgasenthalpie steigt die auf die Turbine des Abgasturboladers übertragene Antriebsleitung an. 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.
  • Die erzielte Steigerung der Abgasenthalpie bewirkt allein bereits eine beschleunigte Aufheizung des Abgassystems. Darüber hinaus bewirkt sie, dass der Turbolader ohne unterstützenden elektrischen Antrieb innerhalb weniger Sekunden nach einem Kaltstart einen vergleichsweise hohen Ladedruck und damit ein Druckgefälle oder Spülgefälle zum Abgas aufbaut. Es hat sich gezeigt, dass dieses Spülgefälle auch bei niedrigen Drehzahlen im Bereich der Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors bereits ausreichend groß ist, um Luft aus dem Ansaugsystem während einer bei einem Ladungswechsel-OT gezielt vergrößerten Ventilüberschneidung oder einem gezielt vergrößerten Ventilüberschneidungsquerschnitt und damit gleichzeitig offenem Einlassventil und Auslassventil über den Brennraum in das Abgassystem strömen zu lassen.
  • Dadurch kann auch bei einstufigen Aufladekonzepten, die ohne elektrisch unterstützten Turbolader und ohne zusätzlichen elektrisch oder mechanisch vom Verbrennungsmotor angetriebenen Verdichter (z. B. Roots-Gebläse, Kompressor) arbeiten, auf eine separate Sekundärluftpumpe verzichtet werden. Die Erfindung nutzt damit den an sich bekannten Homogen-Split-Betrieb bei einem aufgeladenen Verbrennungsmotor für eine Ladedrucksteigerung, um ein für eine Sekundärlufteinblasung ausreichendes Spülgefälle (Druckgefälle) zwischen Ansaugsystem und Abgassystem zu erzielen. Die Erfindung nutzt darüber hinaus die sich aus einer variablen Ventilsteuerung ergebenden Möglichkeiten dazu aus, die Menge der über die beteiligten Brennräumen überströmenden Sekundärluft zu steuern.
  • Dabei können alle Zylinder gleichmäßig an der Sekundärluftüberströmung beteiligt werden, wodurch Unsymmetrien beim Betrieb der einzelnen Zylinder untereinander vermieden werden. Als erwünschte Folge wird ein negativer Einfluss auf die Laufruhe des Verbrennungsmotors vermieden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Ventilüberschneidung und/oder der Ventilüberschneidungsquerschnitt für alle Zylinder in gleicher Weise verstellt werden kann, zum Beispiel durch eine Verdrehung von Nockenwellen. Ein aufwendigere, zylinderindividuelle Steuerung der Gaswechselventile ist daher nicht erforderlich.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, 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 mit Benzindirekteinspritzung und variabler Gaswechselventilsteuerung arbeitenden Verbrennungsmotor und ein Steuergerät;
  • 2 ein Einspritzmuster, das bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird.
  • 3 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung von Verfahrensaspekten der Erfindung; und
  • 4 zeitlich korrelierte Verläufe von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors bei einer Durchführung einer Ausgestaltung 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 anschließend 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 12. 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 16 und Kraftstoff-Injektor und eine präzise Strahlausrichtung, um das Gemisch zum richtigen Zeitpunkt entzünden zu können.
  • Ein Wechsel der Füllung des Brennraums 12 wird mit Einlassventilen 18 und Auslassventilen 20 gesteuert, die phasensynchron zur Bewegung des Kolbens 14 geöffnet und geschlossen werden. Die Betätigung der Gaswechselventile 18 und 20 erfolgt über Steller 19 und 21, wobei ein Steller 19 jeweils ein oder mehrere Einlassventile 18 betätigt und wobei ein Steller 21 jeweils ein oder mehrere Auslassventile 20 betätigt. Die Steller 19, 21 sind bevorzugt als elektromechanische, elektromagnetische, elektrohydraulische, elektropneumatische Steller oder als Verbund solcher Steller realisiert. Bekannt sind zum Beispiel Nockenwellen, deren Phasenlage relativ zu einer Kurbelwelle durch einen mit einem Öldruck betätigten und elektrisch gesteuerten Steller beeinflusst wird. Eine Veränderung der Phasenlage, die zu einem früheren Öffnen der Einlassventile (und/oder zu einem späteren Schließen der Auslassventile) führt, hat dann auch eine Vergrößerung der Ventilüberschneidung zur Folge.
  • Dabei wird unter der Ventilüberschneidung bekanntlich der Winkelbereich einer Drehbewegung der Kurbelwelle (oder Nockenwelle) des Verbrennungsmotors 19 verstanden, in dem wenigstens ein Einlassventil und wenigstens ein Auslassventil eines Zylinders gemeinsam offen sind. Bekannt sich auch variable Ventilsteuerungen, bei denen sich alternativ oder ergänzend zu einer Veränderung der Phasenlage wenigstens einer Nockenwelle der Ventilhub umschalten oder stetig verändern lässt, was unter anderem den Ventilüberschneidungsquerschnitt beeinflusst. Unter dem Ventilüberschneidungsquerschnitt wird hier der wirksame Öffnungsquerschnitt zwischen Ansaugsystem und Abgassystem verstanden. Bei gleichzeitig offenem Einlassventil und Auslassventil eines Zylinders ist dies der kleinere Öffnungsquerschnitt der gemeinsam geöffneten Ventile 18, 20.
  • Die verschiedenen Möglichkeiten zur variablen Betätigung der Gaswechselventile 18 und 20 sind dem Fachmann im Übrigen zum Beispiel aus dem eingangs genannten Kraftfahrtechnischen Taschenbuch 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 26 zu der Luft im Brennraum 12 dosiert. Aus einer Verbrennung der Brennraumfüllungen resultierendes Abgas wird bei geöffnetem Auslassventil 20 in ein Abgassystem 28 ausgestoßen, das wenigstens einen 3-Wege-Katalysator 30 aufweist. Im Allgemeinen wird das Abgassystem 28 mehrere Katalysatoren enthalten, zum Beispiel einen motornah eingebauten Vorkatalysator 30 und einen motorferner eingebauten Hauptkatalysator 32, der ein 3-Wege-Katalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator sein kann.
  • Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Turbolader 34 mit einer Turbine 36 und einem Verdichter 38 auf. Der Verdichter 38 ist zwischen einem Krümmer 40 und dem Vorkatalysator 30 im Strömungsweg der Abgase angeordnet ist. Über ein Waste Gate Ventil 42 kann das Druckgefälle über der Turbine 36 begrenzt werden. Die Erfindung ist jedoch auch in Verbindung mit Turboladern ohne Waste Gate Ventile, zum Beispiel in Verbindung mit Turboladern mit variabler Turbinengeometrie verwendbar. Eine Sekundärlufteinleitung in das Abgassystem 28 erfolgt beim Gegenstand der 1 durch ein Überströmen von Luft aus dem Ansaugsystem 22 über wenigstens je ein beim Ladungswechsel-OT gemeinsam offenes Einlassventil 18 und Auslassventil 20 eines Brennraums 12. Diese Überströmung ergibt sich bei hinreichend großer Ventilüberschneidung und/oder hinreichend großem Ventilüberschneidungsquerschnitt und gleichzeitig hinreichend großem Druckgefälle vom Ansaugsystem 22 (vor den Einlassventilen 18) zum Abgassystem 28 vor den Katalysator 30.
  • Der Verbrennungsmotor 10 wird von einem Steuergerät 48 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 50, der eine Winkelposition °KW einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 10 und damit eine Stellung des Kolbens 14 erfasst, ein Luftmassenmesser 52, der eine in den Verbrennungsmotor 10 strömende Luftmasse mL erfasst, ein Drucksensor 54, der den Druck p im Ansaugsystem 22 vor den Einlassventilen 18 erfasst, und, optional, ein oder mehrere Abgassensoren 56, 58, die eine Konzentration eines Abgasbestandteils und/oder eine Temperatur des Abgases erfassen.
  • In der Ausgestaltung der 1 ist der Abgassensor 56 ein Lambdasensor, der eine Sauerstoffkonzentration im Abgas als Maß einer Luftzahl L (L = Lambda) erfasst, während der Sensor 58 eine Abgastemperatur T am Eingang des Vorkatalysators 30 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 1 repräsentieren daher einen Luftüberschuss, während Luftzahlen Lambda kleiner 1 einen Kraftstoffüberschuss repräsentieren. Sofern das Abgassystem 28 einen Abgastemperatursensor 58 aufweist, kann dieser auch an anderer Stelle des Abgassystems 28 angeordnet sein, beispielsweise am Eingang des Hauptkatalysators 32. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass der Hauptkatalysator 32 ein NOx-Speicherkatalysator ist.
  • Aus den Signalen dieser und gegebenenfalls weiterer Sensoren bildet das Steuergerät 48 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 60, der die Winkelstellung einer Drosselklappe 62 im Ansaugsystem 22 verstellt, ein Signal S_K, mit dem das Steuergerät 48 den Injektor 24 ansteuert, ein Stellsignal S_Z, mit dem das Steuergerät 48 die Zündkerze 16 beziehungsweise eine Zündvorrichtung 16 ansteuert, die auch Spulen und/oder Kondensatoren zur Erzeugung der Zündspannung aufweist, und ein Stellsignal S_EV, mit dem das Steuergerät 48 den Öffnungsquerschnitt und/oder den Winkelbereich der Öffnung des Einlassventils 18 steuert, und/oder ein Stellsignal S_AV, mit dem das Steuergerät 48 den Öffnungsquerschnitt und/oder den Winkelbereich der Öffnung des Auslassventils 20 steuert. Sofern ein Waste-Gate Ventil 42 vorhanden ist, wird auch dieses vom Steuergerät 48 gesteuert. Dazu gibt das Steuergerät 48 ein Stellsignal S_WG aus.
  • 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, etc. aufweisen können.
  • Im Übrigen ist das Steuergerät 48 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 48 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, S_Z für die Zündungssteuerung, S_WG für die Ladedrucksteuerung, und/oder S_EV und/oder S_AV für die Steuerung der Einlassventile 18 und/oder Auslassventile 20 beeinflusst werden. Der Füllungsanteil wird durch eine entsprechende Einstellung der Drosselklappe 62 mit dem Stellsignal S_L oder eine Steuerung der Öffnung der Einlassventile 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.
  • Die 2 zeigt ein Einspritzmuster, das bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird. Dabei sind Einspritzimpulsbreiten ti_1 und ti_2 jeweils als hohe Pegel über dem Kurbelwellenwinkel °KW eines Arbeitszyklusses aus einem Ansaugtakt Takt_1, einem Verdichtungstakt Takt_2, einem Arbeitstakt Takt_3 und einem Auslasstakt Takt_4 aufgetragen. Obere Totpunkte sind mit OT bezeichnet.
  • Im Einzelnen zeigt 2 ein Einspritzmuster M_1 für einen Homogen-Split-Betrieb für maximierte Abgasenthalpie mit einer ersten Teileinspritzung ti_1, die im Ansaugtakt Takt_1 erfolgt und einer zweiten Teileinspritzung ti_2, die später erfolgt. Die zweite Teileinspritzung ti_2 erfolgt auf jeden Fall vor der Zündung, die beim Kurbelwellenwinkel KW_Z ausgelöst wird. Wie bereits erwähnt wurde, liegt KW_Z unter Umständen sehr spät im Bereich von 10° bis 35°KW nach dem Zündungs-OT, so dass die zweite Teileinspritzung ti_2 auch ganz oder teilweise im Arbeitstakt Takt_3 liegen kann. Sie liegt aber auf jeden Fall vor der Zündung.
  • Statt einer Aufteilung auf zwei Teileinspritzungen kann die mit dem ersten Einspritzmuster M_1 eingespritzte Kraftstoffmenge auch auf mehr als zwei Teileinspritzungen aufgeteilt sein. Die Möglichkeit der Aufteilung wird durch die Kleinmengen-Dosierfähigkeit des Injektors 24 begrenzt. Wesentlich für das Muster M_1 ist die Aufteilung auf wenigstens zwei Teileinspritzungen ti_1, ti_2, von denen die frühere Teileinspritzung ti_1 bevorzugt im Ansaugtakt Takt_1 liegt und die letzte Teileinspritzung ti_2 auf jeden Fall in demselben Arbeitszyklus vor der Zündung liegt, wobei sich eine Luftzahl Lambda im Brennraum 12 (also ohne Sekundärluft) kleiner als 1 und eine Luftzahl Lambda im Abgas (also mit Sekundärluft) größer als 1 ergibt.
  • 3 zeigt ein Flussdiagramm als Ausführungsbeispiel von Verfahrensaspekten der Erfindung. Nach einem Start des Verbrennungsmotors 10 im Schritt 64 wird zunächst im Schritt 66 seine Drehzahl n erfasst und im Schritt 68 mit einem Schwellenwert n_SE vergleichen. Eine Überschreitung des Schwellenwerts n_SE lässt das Verfahren zu dem Schritt 70 verzweigen, in dem der beschriebene Homogen-Split-Betrieb HSP mit Spätzündung und erhöhter Füllung aktiviert wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Verbrennungsmotor 10 dabei weitgehend vollständig entdrosselt betrieben, wobei unter einer weitgehend vollständigen Entdrosselung ein Betrieb mit wenigstens 75% der unter gleichen Bedingungen maximal möglichen Füllung verstanden wird.
  • Zeitgleich oder schnell anschließend wird bei ausreichendem Ladedruck im Schritt 72 die Ventilüberschneidung und/oder der Ventilüberschneidungsquerschnitt von einem für die aktuellen Betriebsbedingungen, also insbesondere für den Leerlauf, normalen Wert auf einen vergrößerten Wert eingestellt, um eine Überströmung von Sekundärluft aus dem Ansaugsystem 22 durch den Brennraum 12 in das Abgassystem 28 zu ermöglichen. Die Vergrößerung kann z. B. mit einer festen Zeitverzögerung in der Größenordnung weniger Sekunden gegenüber dem Aktivieren des Homogen-Split-Betriebes oder in Abhängigkeit von der Überschreitung eines Ladedruckschwellenwertes erfolgen.
  • Anschließend wird im Schritt 74 ein Parameter A gebildet oder erfasst, in dem sich die Wirkung der Sekundärluftüberströmung abbildet. Als Parameter wird ein Zeitzählerstand oder eine für die Temperatur des Turboladers 34, des Krümmers 40 oder eines der Katalysatoren 30, 32 charakteristische Größe bevorzugt. Kombinationen von solchen Größen sind ebenfalls möglich. Im Schritt 76 wird der Parameter A mit einem Schwellenwert S_A als Abbruchkriterium verglichen. Bei Überschreitung von S_A wird im Schritt 78 der Homogen-Split-Betrieb beendet und die Ventilüberschneidung wieder auf einen für die aktuellen Betriebsbedingungen normalen Wert verringert, was die Überströmung von Sekundärluft durch Brennräume 12 verringert oder, bei einem Abnehmen des Ladedrucks und einer daraus resultierenden Umkehrung der Richtung des Spülgefälles, zu einer Rückströmung von Abgas in den Brennraum 12 führen kann. Letzteres wird auch als interne Abgasrückführung bezeichnet.
  • Im Schritt 80 wird in einen Normalbetrieb des Verbrennungsmotors 10 verzweigt, in dem keine besonderen Maßnahmen zur Erhöhung der Abgasenthalpie aktiviert sind. Der Übergang kann auch schrittweise erfolgen, indem erst die Ventilüberschneidung und/oder der Ventilüberschneidungsquerschnitt verringert wird, bevor der Homogen-Split-Betrieb beendet wird. Diese Reihenfolge kann auch umgekehrt sein.
  • Die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahren wird durch die in der 4 dargestellten zeitlichen Verläufe der Motordrehzahl n, des Ladedrucks p und eines Steuerbits SB veranschaulicht. Vor dem Zeitpunkt t = 0 steht der Verbrennungsmotor 10 still. Daher ist seine in 4a dargestellte Drehzahl n zunächst gleich Null und der in der 4b dargestellte Ladedruck p entspricht dem Umgebungsdruck von etwa 1000 mbar. Der in 4c dargestellte Wert des Steuerbits SB ist noch niedrig.
  • 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. Durch das Ansaugen der ersten Brennraumfüllungen aus dem Ansaugsystem 22 bei noch nicht oder noch nicht schnell rotierender Turbine 36 sinkt der Ladedruck p vor den Einlassventilen 18 zunächst ab. Mit dem Überschreiten des Startende-Drehzahlschwellenwerts zum Zeitpunkt t1 beginnt die Nachstartphase. Das Steuerbit SB aus der 4c wird auf seinen hohen Pegel gesetzt. Bei hochgesetztem Pegel wird das erfindungsgemäße Verfahren oder eine seiner Ausgestaltungen durchgeführt.
  • Um in dieser Nachstartphase einen großen Enthalpiestrom im Abgas bereitzustellen, gibt das Steuergerät 48 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, die durch Stellsignale S_L erzeugt wird, kompensiert wird. Durch den als Folge der weitgehend vollständigen Entdrosselung großen Enthalpiestrom im Abgas wird die Turbine 36 des Abgasturboladers 34 schnell beschleunigt, so dass der Ladedruck p schnell auf Werte von mehr als 1200 mbar ansteigt. Bei solchen Ladedrücken ist die Druckdifferenz zwischen dem Ladedruck auf der Frischluftseite des Brennraums 12 und der Abgasseite des Brennraums 12 groß genug, um bei aufgesteuerter Ventilüberschneidung und/oder aufgesteuertem Ventilüberschneidungsquerschnitt Frischluft aus dem Ansaugsystem 22 über Brennräume 12 in das Abgassystem 28 strömen zu lassen.
  • Das Steuergerät 48 steuert daher die Ventilüberschneidung und/oder den Ventilüberschneidungsquerschnitt durch Ausgabe aufsteuernder Stellsignale S_EV und/oder S_AV auf. Durch ergänzende Beeinflussung der Kraftstoff-Stellsignale S_K wird insgesamt eine Luftzahl Lambda im Abgas im stöchiometrischen (Lambda gleich 1) oder im überstöchiometrischen Bereich, beispielsweise eine Luftzahl Lambda = 1,1 eingestellt. Je nach Menge der in das Abgas durch Überströmung eingeblasenen Frischluft wird die Luftzahl Lambda im Brennraum 12 auf entsprechend kleinere Werte eingestellt, die auch im unterstöchiometrischen (Lambda < 1, Kraftstoffüberschuss) liegen können. Dadurch ergibt sich eine gute Zündfähigkeit und stabile Verbrennung des in den Brennräumen eingeschlossenen Kraftstoff/Luft-Gemisches. Gleichzeitig ist die überstöchiometrische Luftzahl im Abgas besonders in der ersten Phase nach einem Startende wichtig, da der noch kalte Vorkatalysator 30 zunächst noch keine Kohlenwasserstoffe reduzieren kann. Daher besteht die einzige Möglichkeit zur Beschränkung der in die Umgebung gelangenden Kohlenwasserstoffemissionen zunächst darin, die Roh-Emissionen des Verbrennungsmotors 10 zu beschränken. Diese Beschränkung ergibt sich als erwünschte Folge des Betriebs mit einer Luftzahl Lambda im Abgas größer als 1.
  • 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. Sobald ein Abbruchkriterium zum Zeitpunkt t2 erfüllt ist, wird die Steigerung der Abgasenthalpie beendet. Die Drehzahl n des Verbrennungsmotors 10 fällt dann auf ihren normalen Leerlaufdrehzahlwert zurück, der typischerweise zwischen 500 und 800 min–1 liegt. Die über das im Normalbetrieb erforderliche Maß hinausgehende Entdrosselung wird aufgehoben. Dadurch fällt der Druck p zwischen der dann wieder weniger weit geöffneten Drosselklappe 62 und den Einlassventilen 18 stark ab. In der Darstellung der 4 sinkt er bis auf etwa 400 mbar ab, wobei der tatsächliche Wert von Verbrennungsmotor zu Verbrennungsmotor und auch in Abhängigkeit von anderen Bedingungen variieren kann.
  • Der niedrige Druck reicht dann nicht mehr für eine Sekundärluftüberströmung aus, so dass die Ventilüberschneidung und/oder der Ventilüberschneidungsquerschnitt rechtzeitig wieder verringert wird. Die Druckdifferenz dp gibt das Ausmaß der Druckänderung an, die zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 durch die gesteigerte Abgasenthalpie erzeugt und die für eine Sekundärüberströmung genutzt wird. Ohne die Idee zur Nutzung der Druckänderung für eine Sekundärluftüberströmung würde man die gesteigerte Abgasenthalpie, die sich als Folge des Homogen-Split-Betriebs ergibt, eher durch Öffnen des Waste-Gate-Ventils 42 absteuern.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10063750 A1 [0002, 0003, 0004]
    • - DE 10062377 A1 [0007, 0008]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
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Claims (8)

  1. Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators (30, 32) im Abgassystem (28) eines aufgeladenen Verbrennungsmotors (10) mit direkter Kraftstoffeinspritzung und variabler Gaswechselventilsteuerung durch Erzeugen eines reaktionsfähigen Abgas-Kraftstoff/Luftgemisches im Abgassystem (28), wobei ein Luftanteil des reaktionsfähigen Abgas-Kraftstoff/Luftgemisches dadurch erzeugt wird, dass Luft aus einem Ansaugsystem (22) des Verbrennungsmotors (10) über dessen Brennräume (12) in das Abgassystem (28) gespült wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) im Leerlauf nach einem Kaltstart mit einer größeren Ventilüberschneidung und/oder einem größeren Ventilüberschneidungsquerschnitt als in einem Normalbetrieb bei bereits aufgeheiztem Katalysator (30, 32) sowie mit einer Aufteilung einer vor einer Verbrennung einzuspritzenden Kraftstoffmenge auf wenigstens zwei Teileinspritzungen (ti_1, ti_2) pro Zündung und Brennraum (12) und einem suboptimalen Zündwinkelwirkungsgrad betrieben wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) weitgehend vollständig entdrosselt betrieben wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) nach einem Kaltstart zunächst mit erhöhter Leerlaufdrehzahl betrieben wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzung von Kraftstoff in Brennräume (12) des Verbrennungsmotors (10) so erfolgt, dass sich ein fettes Kraftstoff/Luft-Gemisch in den Brennräumen (12) einstellt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzung von Kraftstoff in Brennräume (12) des Verbrennungsmotors (10) so erfolgt, dass die Luftzahl Lambda des reaktionsfähigen Abgas-Kraftstoff/Luftgemisches im Abgassystem (28) größer oder gleich 1 ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl (n) des Verbrennungsmotors (10) beim Start erfasst wird und die Aufheizung unmittelbar nach einem Überschreiten einer Startende-Drehzahl (n_SE) ausgelöst wird.
  7. Steuergerät (48) zur Steuerung eines Aufheizens eines Katalysators (30, 32) im Abgassystem (28) eines aufgeladenen Verbrennungsmotors (10) mit direkter Kraftstoffeinspritzung und variabler Gaswechselventilsteuerung, wobei das Aufheizen durch Erzeugen eines reaktionsfähigen Abgas-Kraftstoff/Luftgemisches im Abgassystem (28) erfolgt und wobei ein Luftanteil des reaktionsfähigen Abgas-Kraftstoff/Luftgemisches dadurch erzeugt wird, dass Luft aus einem Ansaugsystem (22) des Verbrennungsmotors (10) über dessen Brennräume (12) in das Abgassystem (28) gespült wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (48) dazu eingerichtet ist, den Verbrennungsmotor (10) nach einem Kaltstart mit einer größeren Ventilüberschneidung und/oder einem größeren Ventilüberschneidungsquerschnitt sowie mit einer Aufteilung einer vor einer Verbrennung einzuspritzenden Kraftstoffmenge auf wenigstens zwei Teileinspritzungen (ti_1, ti_2) pro Zündung und Brennraum (12) und einem suboptimalen Zündwinkelwirkungsgrad als in einem Normalbetrieb bei bereits aufgeheiztem Katalysator (30, 32) zu betreiben.
  8. Steuergerät (48) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es dazu eingerichtet ist, einen Ablauf eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 6 zu steuern.
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