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Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Offenbarung der Erfindung
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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.
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Diese
Aufgabe wird jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche gelöst.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen,
der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
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1 einen
mit Benzindirekteinspritzung und variabler Gaswechselventilsteuerung
arbeitenden Verbrennungsmotor und ein Steuergerät;
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2 ein
Einspritzmuster, das bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens verwendet wird.
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3 ein
Flussdiagramm zur Veranschaulichung von Verfahrensaspekten der Erfindung;
und
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4 zeitlich korrelierte Verläufe
von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors bei einer Durchführung
einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
-
- - Taschenbuch,
25, Auflage, ISBN 3-528-23876-3, Robert Bosch GmbH, 2003, dort Seiten
474 und 475 [0002]