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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren für einen emissionsoptimierten
Wechsel aus einer fremdgezündeten
Betriebsart eines Verbrennungsmotors in eine selbstzündende Betriebsart,
sowie ein Verfahren für
den emissionsoptimierten Wechsel aus der selbstzündenden Betriebsart in die
fremdgezündete
Betriebsart des Verbrennungsmotors. Ferner betrifft die Erfindung
eine Steuereinrichtung, mittels welcher ein erfindungsgemäßes Verfahren
durchführbar
ist.
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Ein
moderner Verbrennungsmotor ist in der Lage, unterschiedliche Betriebsarten – so genannte
Combined Combustion Prozesse – und
verschiedene Betriebsstrategien darzustellen. So kann ein entsprechend ausgerüsteter Ottomotor,
z. B. in einem Schichtladebetrieb (Stratified Mode) oder in einem
Homogenbetrieb (Homogeneous Mode), betrieben werden. Ein CAI-fähiger Ottomotor (Controlled
Auto Ignition) ist in der Lage, in bestimmten Betriebsbereichen
in einem (kontrollierten) Selbstzündungsbetrieb betrieben zu
werden. Außerhalb
dieser Betriebsbereiche wird ein Luft-Kraftstoff-Gemisch des Ottomotors
im sogenannten SI-Betrieb (Spark Ignition) konventionell fremdgezündet. Ein
HCCI-fähiger
Dieselmotor (Homogeneous Charge Compression Ignition) ermöglicht, ähnlich wie
der CAI-fähige
Ottomotor, eine Verbrennung eines homogenen Luft-Kraftstoff-Gemischs,
wobei die Verbrennung nahezu gleichzeitig im gesamten Brennraum
beginnt. Ein Verbrennungsmotor mit einem variablen Ventiltrieb ermöglicht zum
Zwecke einer Enddrosselung verschiedene Betriebsstrategien bzw.
-modi, z. B. ein so genanntes frühes
Schließen
des Einlass (EIC-Modus: Early Inlet Closing) oder ein so genanntes
spätes
Schließen
des Einlass (LIC-Modus: Late Inlet Closing).
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Technisch
anspruchsvoll ist ein Wechsel der Betriebsarten insbesondere dann,
wenn damit eine digitale Ventilhubumschaltung verknüpft ist.
Dies ist z. B. bei einem Wechsel vom SI-Betrieb den CAI-Betrieb
des Verbrennungsmotors der Fall, da ein CAI-Brennverfahren zur Entzündung eines
homogenen, mageren Luft-Kraftstoff-Gemischs eine hohe Restgasmenge
benötigt,
die z. B. durch eine Abgasrückhaltung
eines vorangegangenen Verbrennungszyklus realisiert wird. Dies erreicht
man mittels eines entsprechenden Profils einer Auslassnockenwelle
mit angepasstem Ventilhub und angepasster Phasenlage. Hierbei wird
dann ein auslassseitiges Umschalten auf einen kleinen Ventilhub
vorgenommen, durch welchen Restgas in einem betreffenden Brennraum
des Verbrennungsmotors verbleibt. Ferner ist es möglich, das
Restgas über
eine Abgasrückführung in
den betreffenden Brennraum des Verbrennungsmotors zu leiten.
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Aus
Komfortgründen
ist ein ruckfreier und somit drehmomentneutraler Wechsel zwischen
den Betriebsarten anzustreben. D. h. das effektive Motordrehmoment
vor und nach dem Wechsel der Betriebsarten ist konstant zu halten.
Bei einem Übergang
von einer SI-Betriebsart in eine CAI-Betriebsart wird dies wie folgt erreicht:
Um ein für
die CAI-Betriebsart angestrebtes Druckniveau in einem Saugrohr zu
erreichen, wird eine Drosselklappe geöffnet (Enddrosselung). Gleichzeitig
wird ein Zündwinkel
nach spät
verstellt, um ein bei einem konstanten Luft-Kraftstoff-Verhältnis aufgrund
einer einströmenden
Mehrluft und eines eingebrachten Kraftstoffs generiertes Motordrehmoment
abzubauen (EIC-Betrieb). Aufgrund der Spätverstellung der Zündung, kommt
es dabei zu einem deutlichen Anstieg einer Abgastemperatur. Bei
einer Umschaltung von der konventionellen SI-Betriebsart nur in
den EIC-Betrieb,
welcher ebenso fremdgezündet
erfolgt, ist ein solches Verfahren durchaus praktikabel. Soll aber
darüber
hinaus der Wechsel der Betriebsarten in die CAI-Betriebsart erfolgen,
muss die Abgastemperatur vor dem Wechsel abgesenkt werden, da ansonsten
eine nachfolgende CAI-Verbrennung zu früh erfolgt, welche sich aufgrund
einer hohen Ladungstempe ratur ergibt. Die hohe Ladungstemperatur
stellt sich aufgrund einer Vermischung des heißen, zurückgehaltenen Restgases, einer
angesaugten Frischluft- und einer eingebrachten Kraftstoffmenge
ein.
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Eine
vorzeitige Entzündung
des Luft-Kraftstoff-Gemischs führt
zu einem Klopfen des Verbrennungsmotors, was zum Schutz des Verbrennungsmotors
unbedingt vermieden werden muss. Ferner ergeben sich durch das Klopfen
Geräuschemissionen.
Abhilfe schafft man dadurch, indem im EIC-Betrieb weniger Kraftstoff eingespritzt
wird und der Zündwinkel
zur Kompensation des Drehmoments nach früh verstellt wird. Hierdurch verschiebt
sich das Luft-Kraftstoff-Gemisch in Richtung mager. Dies führt aber
zu einer Zunahme der bei der Verbrennung entstehenden Stickoxide.
Da CAI-Verbrennungsmotoren in der Regel keinen SCR-Katalysator, sondern
lediglich einen konventionellen Drei-Wege-Katalysator aufweisen,
erfolgt bei einem jeden Wechsel von der SI-Betriebsart in die CAI-Betriebsart
eine (Stickoxid-)Emissionsstrafe. Ein Emissionsverhalten des Verbrennungsmotors
wird also nachhaltig verschlechtert. Darüber hinaus ergibt sich beim
Wechsel aus der CAI-Betriebsart in die SI-Betriebsart ein negatives
Emissionsverhalten des Verbrennungsmotors, da für den stöchiometrischen Betrieb (SI-Betriebsart)
des Verbrennungsmotors, ein mageres Restgas der CAI-Betriebsart
anfällt
aus den betreffenden Brennräumen
entfernt werden muss.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren für einen
Wechsel aus einer fremdgezündeten
Betriebsart eines Verbrennungsmotors in eine selbstzündende Betriebsart
anzugeben. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung ein verbessertes
Verfahren für
einen Wechsel aus der selbstzündenden
Betriebsart in die fremdgezündete
Betriebsart des Verbrennungsmotors anzugeben. Hierbei soll der Wechsel
zwischen den beiden Betriebsarten, insbesondere einem SI-Betrieb und einem
CAI-Betrieb, in beide Richtungen emissionsoptimiert, insbesondere
emissionsneutral erfolgen. D. h. es sollen nach Möglichkeit
keine zusätzlichen Schadstoff emissionen
entstehen. Darüber
hinaus soll der erfindungsgemäße Wechsel
zwischen den beiden Betriebsarten des Verbrennungsmotors drehmomentneutral
erfolgen.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren für ein emissionsoptimiertes
Umschalten zwischen zwei Betriebsarten eines Verbrennungsmotors
gemäß Anspruch
1, und ein Verfahren für
ein emissionsoptimiertes Zurückschalten
zwischen den zwei Betriebsarten des Verbrennungsmotor gemäß Anspruch
12 gelöst.
Ferner wird die Erfindung mittels einer Steuereinrichtung gemäß Anspruch
33 gelöst,
mittels welcher ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
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Erfindungsgemäß wird für den Wechsel
von der fremdgezündeten
Betriebsart, insbesondere einem SI-Betrieb des Verbrennungsmotors,
in die selbstzündende
Betriebsart, insbesondere einen CAI-Betrieb des Verbrennungsmotors,
vor dem Wechsel bzw. Umschalten zwischen den beiden Betriebsarten
eine Abgastemperatur abgesenkt. Dies erfolgt bevorzugt durch ein
Abmagern eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Brennraum des Verbrennungsmotors.
Zur Vermeidung einer Stickoxid-Spitze im Abgas, wird der Abmagerung
wenigstens ein fetter Zyklus zeitlich vorgeschaltet, der zu einer
Stickoxid-Reduktion führt.
Gemäß der Erfindung wird
in allen Zylindern des Verbrennungsmotors in einer Vorbereitungsphase
vor dem Wechsel der Betriebsarten, wenigstens ein Zyklus mit einem
fettem und zeitlich darauf folgend wenigstens ein Zyklus mit einem
mageren Gemisch betrieben. Bevorzugt unmittelbar daran anschließend wechselt
der Verbrennungsmotor dann in die selbstzündende Betriebsart.
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Ein
wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass der Wechsel
von der fremdgezündeten Betriebsart,
insbesondere dem SI-Betrieb, in die selbstzündende Betriebsart, insbesondere
den CAI-Betrieb, emissionsoptimiert bzw. emissionsneutral erfolgt.
D. h. es entstehen kaum bzw. keine zusätzlichen Schadstoffemissionen
durch den Wechsel der Betriebsarten. Die bei der Vorbereitung des
Wechsels zwangs läufig
entstehenden Stickoxide, werden durch eine gezielte Bildung von
Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxid-Komponenten durch eine fette
Verbrennung, im Abgastrakt – also
im Katalysator oder sogar schon stromaufwärts des Katalysators – bereits
vorher reduziert. Eine Einschränkung
in Bezug auf die beim Wechsel der Betriebsarten geforderte Drehmomentneutralität besteht
dabei nicht.
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Gemäß der Erfindung
wird bei der Umschaltung vom fremdgezündeten SI-Betrieb in den selbstzündenden
CAI-Betrieb aus verbrennungstechnischen Gründen (Schadstoffemissionen,
Klopfen) die Abgastemperatur des Verbrennungsmotors wenigstens im
letzten Zyklus zeitlich vor Umschaltung abgesenkt. Hierdurch erhöht sich
der Stickoxid-Ausstoß des
Verbrennungsmotors. Erfindungsgemäß wird ein solcher Magerzyklus mit
einem hohen, insbesondere einem möglichst hohen Luftüberschuss
gefahren, um eine große
bzw. möglichst
große
Absenkung der Abgastemperatur zu erreichen. Gemäß der Erfindung wird mindestens
ein diesem mindestens einem Magerzyklus vorhergehender Verbrennungszyklus
bewusst fett gefahren, um die Schadstoffemissionen des Magerzyklus
mit den Schadstoffemissionen des oder der Fettzyklen zu kompensieren.
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Bei
mehr als einem vorangegangenem Fettzyklus erfolgt erfindungsgemäß eine mit
der Zeit zunehmende Anfettung, sodass der fetteste Zyklus zeitlich
möglichst
nahe an dem wenigstens einen Magerzyklus liegt und so die Voraussetzungen
für eine
gute Durchmischung der Reaktionspartner (Kraftstoffemissionen) im Abgastrakt
und dem darin enthaltenen Katalysator geschaffen ist. In der Vorbereitungsphase
folgen einem bis einer Mehrzahl von fetten Zyklen wenigstens ein
magerer Zyklus, wobei es bevorzugt ist, dass ein durchschnittlicher
Lambdawert aller Zyklen der Vorbereitungsphase ca. 0,99 bis ca.
1,00 beträgt.
Eine Anzahl der betreffenden fetten und mageren Zyklen hängt dabei
stark von einer Speicherfähigkeit
einer Abgasreinigungsanlage ab und kann, insbesondere was die fetten
Zyklen betrifft, bis über
zehn bis 20 betragen.
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Bevorzugt
sind jedoch maximal fünf
fette und maximal drei magere Zyklen.
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Für einen
Wechsel von der selbstzündenden
Betriebsart, insbesondere dem CAI-Betrieb, des Verbrennungsmotors,
in die fremdgezündete
Betriebsart, insbesondere den SI-Betrieb, erfolgt in wenigstens
einem Zyklus einer Wechselphase der Betriebsarten des Verbrennungsmotors,
eine Nacheinspritzung in einen Brennraum des Verbrennungsmotors.
Durch eine solche erfindungsgemäße Anfettung,
insbesondere eines mageren bzw. eines geringfügig fetten Zyklus der Wechselphase,
werden wiederum Stickoxid-Peaks vermieden, da diese durch nachgeschaltete
fette Zyklen und einer dadurch erfolgenden Stickoxid-Reduktion verhindert
werden. Bevorzugt findet die Nacheinspritzung zeitlich nach einer
Selbstzündung,
insbesondere zeitlich direkt im Anschluss an die letzte Selbstzündung, statt.
Entsprechend findet dann die Nacheinspritzung bevorzugt zeitlich
vor einer ersten Fremdzündung
statt.
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Bei
der erfindungsgemäßen Rückschaltung
in den fremdgezündeten
Betrieb ergeben sich ebenfalls Vorteile. Durch eine gezielte Einbringung
von zusätzlichem
Kraftstoff in Form einer fetten bzw. fetteren Gemischbildung, wird
der Katalysator nach dem selbstzündenden
Betrieb von angereichertem Sauerstoff freigeräumt. Gleichzeitig werden Stickoxide,
die bei einer letzten selbstzündenden
Verbrennung entstanden sind neutralisiert.
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Die
erfindungsgemäße Nacheinspritzung
oder eine Anfettung in der Wechselphase zwischen den Betriebsarten
kann in einem oder mehreren Zyklen der Wechselphase vorgenommen
werden. Dies ist z. B. in einem letzten Zyklus der selbstzündenden
Betriebsart, einem ersten oder einer Mehrzahl von ersten Zyklen der
fremdgezündeten
Betriebsart durchführbar.
Es ist erfindungsgemäß auch möglich, statt
der Nacheinspritzung in den Brennraum den oder die ersten Zyklen
in der fremdgezündeten
Betriebsart entsprechend fett zu fahren, sodass der oder die vorangegangenen
Magerzyklen der selbstzündenden
Be triebsart schadstofftechnisch kompensiert werden können. Eine
Anzahl der betreffenden fetten und mageren Zyklen hängt dabei
wiederum stark von der Speicherfähigkeit
der Abgasreinigungsanlage ab.
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Gemäß der Erfindung
setzt sich die Wechselphase zwischen den Betriebsarten aus wenigstens
einem mageren Zyklus der selbstzündenden
Betriebsart und einem oder einer Mehrzahl von fetten Zyklen der
fremdgezündeten
Betriebsart zusammen. Gemäß der Erfindung
wird der magere bzw. die mageren und der fette bzw. die fetten Zyklen
der Wechselphase derart aufeinander abgestimmt, dass sich ein durchschnittlicher Lambdawert
der Wechselphase bevorzugt zu ca. 0,95 bis 0,99 ergibt.
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Bei
der erfindungsgemäßen Umschaltung
vom selbstzündenden
CAI-Betrieb in den fremdgezündeten SI-Betrieb
erfolgt bevorzugt im letzten Zyklus des CAI-Betriebs und/oder in
wenigstens einem darauf folgenden Zyklus (SI-/EIC-Betrieb) eine
Nacheinspritzung, wodurch Restsauerstoff durch eine Oxidation der
Kraftstoffkomponenten gebunden wird. Hierbei ist es bevorzugt, dass
die Oxidation der Kraftstoffkomponenten bereits im betreffenden
Brennraum des Verbrennungsmotors und/oder im Abgastrakt erfolgt.
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Sollten
dem letzten mageren Zyklus eine Mehrzahl von fetten Zyklen folgen,
so ist es bevorzugt, dass der erste fette Zyklus der fetteste Zyklus
ist und dann eine abnehmende Anfettung des oder der folgenden Zyklen
erfolgt, sodass der fetteste Zyklus zeitlich möglichst nahe am mageren Zyklus
liegt, und so die Voraussetzungen für eine gute Durchmischung der
Reaktionspartner im Abgastrakt und dem darin enthaltenen Katalysator
geschaffen ist.
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Erfindungsgemäß kann ein
oder können
eine Mehrzahl von Zyklen, der bzw. die dem letzten Zyklus der Nacheinspritzung
zeitlich folgen, gezielt fett gefahren werden, um den Katalysator
von angereicherten Sauerstoff durch eine Reaktion mit Kohlenwasserstoffen
und Kohlenmonoxid frei zu räumen.
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Hierdurch
ist erfindungsgemäß eine Reduktionsfähigkeit
von Stickoxiden wiedergegeben.
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Erfindungsgemäß ist es
möglich,
in nur einen, eine Mehrzahl oder in alle Brennräume des Verbrennungsmotors
ein Nacheinspritzen von Kraftstoff gemäß obigem Vorgehen vorzunehmen.
Hierbei ist es bevorzugt, dass die Nacheinspritzung derart abgestimmt
wird, dass kein aktives oder kein zusätzliches Motordrehmoment erzeugt
wird. Ferner kann bei der Nacheinspritzung ein betreffendes Auslassventil
des Brennraums noch geschlossen sein, oder das Auslassventil ist
bereits offen bzw. wird geöffnet.
Sollte durch eine vergleichsweise frühe Nacheinspritzung ein zusätzliches
Motordrehmoment erzeugt werden, so ist es bevorzugt dieses Motordrehmoment
durch ein entsprechendes Anpassen einer Haupteinspritzung zu kompensieren.
D. h. bei der betreffenden Haupteinspritzung wird bevorzugt weniger
Kraftstoff als sonst üblich
eingespritzt.
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Die
folgenden Ausführungen
betreffen die beiden erfindungsgemäßen Wechsel von der selbstzündenden
in die fremdgezündete
Betriebsart des Verbrennungsmotors und umgekehrt. D. h. die folgenden
Ausführungen
betreffen sowohl die Vorbereitungsphase zum Wechsel in die selbstzündende Betriebsart
und die Wechselphase von der selbstzündenden in die fremdgezündete Betriebsart.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung treffen die durch den oder die mageren und den oder
die fetten Zyklen entstandenen Schadstoffe, insbesondere Stickoxide,
Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid, bevorzugt schon im Abgastrakt
aufeinander und vermischen sich dort zeitlich möglichst bald. Ferner werden
die entstandenen Schadstoffe im Katalysator gespeichert und dort
durch eine katalytische Oxidation und/oder eine katalytische Reduktion
neutralisiert. Hierbei sind Durchbrüche der Schadstoffe durch den
Katalysator hindurch zu vermeiden, was insbesondere für einen
Durchbruch von Kohlenwasserstoffen bei der Anfettung eines Zyklus
gilt.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung sollen die geometrischen Gegebenheiten der gesamten
Abgasanlage, insbesondere des Abgastrakts stromaufwärts des
Katalysators und des Katalysators selbst derart genutzt werden,
dass eine Möglichkeit
eines unmittelbaren Zusammentreffens, einer Durchmischung und einer
Reaktion von Fett- und Magerpaketen der Zyklen im Abgastrakt optimiert
ist. Dies hängt
von einer Vielzahl von Parametern, wie z. B. einer Motorart (Reihen-,
W-, V-Motor), einer Abgasanlage, die z. B. zweiflutig sein kann,
einem Vor-/Nachkatalysator, einer vorhandenen Abgasklappe, etc.
ab und muss entsprechend individuell für jeden Verbrennungsmotor ausgelegt
werden.
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Insbesondere
bei mehrzylindrigen Motoren ist es bevorzugt, dass die Magerpakete
einzelner Zylinder mit Fettpaketen anderer Zylinder direkt im Abgastrakt
stromabwärts
der Brennräume
zusammentreffen, wodurch eine gute Durchmischung der Reaktionspartner
auch schon stromaufwärts
des Katalysators erreicht wird. Dies betrifft insbesondere einen
Krümmer
des Abgastrakts. Bei einer üblichen
Zündreihenfolge
eines Reihenvierzylinders ist es bevorzugt, dass ein Initiieren
der Vorbereitungsphase bzw. der Wechsel der Betriebsarten bei Zylinder
vier beginnt.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung arbeitet der Verbrennungsmotor zeitlich vor der Vorbereitungsphase
und/oder zeitlich nach der Wechselphase mit einem im Wesentlichen
stöchiometrischen Kraftstoffverhältnis, wobei
es bevorzugt ist, dass der Verbrennungsmotor direkt vor der Vorbereitungsphase und
direkt nach der Wechselphase in einem EIC-Betrieb arbeitet.
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Zusätzliche
Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den übrigen abhängigen Ansprüchen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beigefügte
Zeichnung näher
erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 einen
erfindungsgemäßen Wechsel
eines vierzylindrigen Verbrennungsmotors von einem fremdgezündeten SI-Betrieb in einen
selbstzündenden
CAI-Betrieb; und
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2 einen
erfindungsgemäßen Wechsel
vom selbstzündenden
CAI-Betrieb in den fremdgezündeten SI-Betrieb
des vierzylindrigen Verbrennungsmotors.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines Wechsels von Betriebsarten
eines Verbrennungsmotors, insbesondere von einem fremdgezündeten SI-
oder EIC-Betrieb in einen selbstzündenden CAI-Betrieb, und zurück näher erläutert. Die
Erfindung soll dabei nicht auf diese Betriebsarten beschränkt sein,
sondern sämtliche
fremdgezündeten
und selbstzündende
Betriebsarten betreffen.
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Ferner
werden im Folgenden unter einem Zyklus des Verbrennungsmotors vier
Takte eines Viertakt-Verbrennungsmotors verstanden. Hierbei repräsentiert
ein jeweiliger Kasten in der Zeichnung einen Zyklus, der zeitlich
links beginnend, an einem unteren Totpunkt eines Kolben eines Zylinders
des Verbrennungsmotors anfängt,
wobei in jedem Kasten stark vereinfacht ein Innendruck des jeweiligen
Zylinders aufgetragen ist. Eine einzige (SI-/EIC-Betrieb) bzw. die
höchste
Druckspitze (CAI-Betrieb) in einem jeweiligen Kasten verdeutlicht
eine eigen- oder fremdgezündete
Verbrennung. Eine zweite Druckspitze (CAI-Betrieb), falls vorhanden,
verdeutlicht eine Zwischenkompression.
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Gemäß der Zeichnung
veranschaulicht jeder Kasten links den unteren Totpunkt des Kolbens
und verdeutlicht zunächst
ein Ausschieben von Verbrennungsgasen bis zu einem oberen Totpunkt
eines Ladungswechsels (erster Takt); ein Ansaugen bis zu einem unteren
Totpunkt (zweiter Takt); ein Verdichten bis zu einem oberen Totpunkt,
bei welchem eine Fremd- oder Ei genzündung stattfindet (dritter
Takt); und den danach folgenden Arbeitstakt bis zum unteren Totpunkt
(vierter Takt), rechts am jeweiligen Kasten und auch gleichzeitig links
am nach rechts folgenden Kasten.
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Der
steile Anstieg des Innendrucks des jeweiligen Zylinders beim Verdichten
und Zünden
(Unstetigkeitsstelle an der linken Flanke des Innendrucks) sowie
der Abfall des Zylinderinnendrucks im Arbeitstakt ist im jeweiligen
Kasten gut zu erkennen. Ferner ist eine Zwischenkompression bei
Zyklen des CAI-Betriebs gut zu erkennen.
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Erfindungsgemäß kann ein
solcher Zyklus aber auch anders definiert sein. So ist es gemäß der Erfindung
auch möglich,
den ersten Takt eines Zyklus mit einem Ansaugtakt zu identifizieren,
dem ein Verdichten (zweiter Takt), ein Arbeiten (dritter Takt) und
ein Ausstoßen
(vierter Takt) folgen. Siehe hierzu jeweils einen gestrichelten
Kasten beim zweiten Zylinder (Zyl. 2; n – 2, n – 1; m – 1, m) in der Zeichnung.
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Darüber hinaus
soll unter einem fetten bzw. einem mageren Zyklus, ein Zyklus eines
betreffenden Zylinders des Verbrennungsmotors verstanden werden,
wobei der betreffende Zylinder mit einem fetten oder auch einem
reichen Luft-Kraftstoff-Gemisch (λ < 1) unter Luftmangel
bzw. einem mageren oder auch armen Luft-Kraftstoff-Gemisch (λ > 1) unter Luftüberschuss
betrieben wird.
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In 1 ist
ein Wechsel bzw. Übergang
vom fremdgezündeten
SI- oder EIC-Betrieb in den CAI-Betrieb am Beispiel eines Vierzylinder-Verbrennungsmotors
aufgezeigt. Hierbei wird ausgehend von im Wesentlichen stöchiometrischen
Verhältnissen
(λ ≈ 1) des im
betreffenden Zylinder (Zyl. 1 bis 4) enthaltenen Luft-Kraftstoff-Gemischs – im Folgenden
als Gemisch bezeichnet – zeitlich
nach einem Zyklus n – 4
bis zu einem Zyklus n – 2
das Gemisch zunehmend angefettet. Der Zyklus n – 1 wird anschließend mager
gefahren und im Zyklus n erfolgt schließlich eine erste CAI-Verbrennung.
In den zeitlich vo rangegangenen Zyklen, insbesondere den Zyklen
n – 4
bis n – 1,
wurde der Verbrennungsmotor entsprechend im SI-/EIC-Betrieb betrieben.
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2 zeigt
den Wechsel bzw. den Übergang
zurück
vom CAI-Betrieb
in den SI- oder EIC-Betrieb. Der Zyklus m – 1 zeigt dabei einen zeitlich
letzten konventionellen CAI-Zyklus. Bei Zyklus m, der ebenfalls
noch ein CAI-Zyklus ist, erfolgt eine Nacheinspritzung nach einer
letzten CAI-Verbrennung (zeitlich letzte eigengezündete Verbrennung).
Gleichzeitig erfolgt dabei eine Umschaltung in den SI-/EIC-Betrieb,
und m + 1 ist ein erster konventioneller fremdgezündeter Zyklus.
Ein ungefährer
Zeitpunkt für
die Nacheinspritzung ist bei Zylinder eins mit einem Pfeil verdeutlicht.
Bis zum Zyklus m wird der Verbrennungsmotor mit einem mageren Gemisch betrieben.
In den Zyklen m + 1 und m + 2 wird der Verbrennungsmotor mit einem
fetten Gemisch gefahren, wobei die Verbrennung ab Zyklus m + 3 schließlich wieder
unter stöchiometrischen
Verhältnissen
(λ ≈ 1) erfolgt.
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Vor
einem jeweiligen Wechsel der Betriebsarten (1 bzw. 2)
ist aus Komfort-(Drehmomentneutralität) und aus verbrennungstechnischen
Gründen
(Restgastemperatur für
den CAI-Betrieb
(1)) eine Reihe von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors
einzuhalten. Dies sind insbesondere ein Drosselklappenwinkel, eine
Einspritzzeit und ein Einspritztiming, ein Zündwinkel (SI-/EIC-Betrieb)
sowie eine Ein- und Auslassnockenwellenposition.
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Die
folgenden Betrachtungen beziehen sich auf einen einzelnen Zylinder
eines Verbrennungsmotors, wobei bei Mehrzylindermotoren entsprechend
zylinderselektiv, vom Prinzip her aber identisch zu verfahren ist; wie
es in den 1 und 2 anhand
der dort schematisch dargestellten Verläufe der Zylinderinnendrücke des
Vierzylinder-Verbrennungsmotors dargestellt ist.
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Im
Folgenden wird der Wechsel vom SI-/EIC-Betrieb in den CAI-Betrieb
gemäß 1 näher erläutert.
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Mit
n ist der Zyklus der ersten CAI-Verbrennung bezeichnet, und n – 1 ist
somit der letzte Zyklus im SI-/EIC-Betrieb, in welchem die beschriebenen,
umschaltvorbereitenden Betriebsparameter aktiv sind. Da eine zeitliche
Vorbereitung eines Wechsels der Betriebsarten aufgrund einer Trägheit von
Komponenten, wie einer Drosselklappe oder einem Nockenwellen-Phasenversteller,
meist mehr als einen Zyklus in Anspruch nehmen, muss der Wechsel
bzw. Umschaltvorgang entsprechend früh eingeleitet werden.
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Eine
zeitliche Vorbereitung des Wechsels ist in 1 mit schrägen Linien über alle
Druckverläufe
hinweg verdeutlicht und kennzeichnet eine Vorbereitungsphase während des
SI-/EIC-Betriebs
des Verbrennungsmotors, wobei die Vorbereitungsphase vor dem eigentlichen
Wechsel in den CAI-Betrieb abgeschlossen ist.
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Wenigstens
der letzte Zyklus n – 1
vor dem Wechsel wird für
eine Absenkung einer Abgastemperatur bewusst mager gefahren und
ist daher für
eine vermehrte Stickoxidbildung verantwortlich. Hierbei sei angemerkt,
dass es vorteilhaft ist diesen letzten Zyklus n – 1 oder diese letzten Zyklen
mit einem möglichst
großen Luftüberschuss
zu fahren (λ > 1), um eine möglichst
niedrige, der vergleichsweise kalten CAI-Verbrennung angepasste Restgastemperatur
zu erhalten.
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Diese
zusätzliche
Stickoxidbildung des Verbrennungsmotors wird erfindungsgemäß kompensiert,
indem während
der Vorbereitungsphase für
den Wechsel der Betriebsarten, vor dem mageren Zyklus n – 1 ein einzelner
fetter Zyklus oder mehrere fette Zyklen n – 2, n – 3 vorgeschaltet werden. Die
bei der Verbrennung des fetten Gemischs anfallenden Kohlenwasserstoff-
und Kohlenmonoxid-Moleküle
gelangen dann über
den Abgastrakt zum Katalysator (Abgasreinigungseinrichtung) und
werden dort gespeichert.
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Treffen
in den folgenden Zyklen die Stickoxidmoleküle aus der mageren Verbrennung
ein, findet durch eine katalysatorische Wirkung innerhalb des Katalysators
eine Oxidation der Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxids sowie
eine Reduktion der Stickoxide statt.
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Eine
Anzahl der fetten und mageren Verbrennungszyklen sowie deren Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ ist abhängig von
einem Motorbetriebspunkt sowie einer Beschaffenheit und Größe des Abgastrakts
und des Katalysators. Einen Durchbruch der Schadstoffe, insbesondere
einen Kohlenwasserstoff-Durchbruch gilt es zu vermeiden. Eine Kraftstoffzumessung
ist dabei erfindungsgemäß derart
zu gestalten, dass sich für
die gesamte Vorbereitungsphase bzw. den gesamten Umschaltvorgang
ein Lambdawert λ von
bevorzugt ca. 0,99 bis ca. 1,00 ergibt.
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Für den Fall,
dass mehrere fette Zyklen notwendig sind, um die zur Stickoxidreduktion
notwendigen Kohlenwasserstoff- und
Kohlenmonoxid-Moleküle
zu generieren, ist es vorteilhaft den Zyklus n – 2 so fett wie möglich und
die Zyklen davor (n – 3,
n – 4,
...) schrittweise (entgegen eines Zeitpfeils) in Richtung eines
Lambdawerts λ von
ca. 1 abzumagern. Hierdurch werden das fetteste Fett- und das Magerpaket
zeitlich unmittelbar hintereinander abgesetzt, wodurch die Voraussetzungen
für eine
gute Durchmischung und Reaktionsfähigkeit der Schadstoffkomponenten
im Abgastrakt verbessert werden.
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Generell
ist es bevorzugt, dass die Fett- und Magerpakete des Verbrennungsmotors
bereits stromaufwärts
des Katalysators aufeinandertreffen und schon dort vermischt werden
und auch reagieren können.
Bei Mehrzylinder-Verbrennungsmotoren treffen idealerweise magere
Abgaspakete auf zeitlich vorher abgesetzte Fettpakete der Nachbarzylinder.
So findet eine chemische Reaktion bevorzugt unmittelbar im Abgastrakt stromaufwärts des
Katalysators statt. Es ist generell weiterhin vorteilhaft, geometrische
Gegebenheiten der gesamten Abgasanlage zu nutzen.
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Dies
soll am Beispiel eines Reihenvierzylinder-Verbrennungsmotors kurz
erläutert
werden. Es wird eine übliche
Zündreihenfolge
der Zylinder eins, drei, vier, zwei, wie sie in der Zeichnung dargestellt
ist, vorausgesetzt. Zylinder eins ist dabei der bei einem Motorlängseinbau
vordere Zylinder.
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Es
ist gemäß der Erfindung
günstig,
den Wechsel der Betriebsarten auf Zylinder vier zu beginnen und dementsprechend
das erste Magerpaket abzusetzen, da dann die Möglichkeit für die Durchmischung dieses Magerpakets
mit den abgesetzten Fettpaketen aller übrigen drei Zylinder besteht.
Des Weiteren kann beim Folgezylinder zwei eine Vermischung mit dem
Fettpaket von Zylinder eins erfolgen. Da derartige Effekte stark systemindividuell
ausfallen, muss ein optimales Vorgehen in einem jeweiligen Einzelfall
ermittelt werden.
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In
einem Drei-Wege-Katalysator laufen die folgenden chemischen Reaktionen
der in der Vorbereitungsphase entstandenen Schadstoffe (Kohlenwasserstoffe
CH, Kohlenmonoxid CO und Stickoxide NO
x (NO, NO
2)) ab:
Oxidation von CO und HC zu CO
2 und H
2O:
Reduktion von NO, NO
2 zu N
2:
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Im
Folgenden wird der Wechsel vom CAI-Betrieb in den SI-/EIC-Betrieb gemäß 2 näher erläutert.
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Um
von dem in der 2 dargestellten CAI-Betrieb
zurück
in den SI-/EIC-Betrieb zu gelangen, sind prinzipiell keine besondere
thermodynamischen Maßnahmen
erforderlich. Nichtsdestotrotz kann auch bei der Rückschaltung
positiv auf ein Emissionsverhalten des Verbrennungsmotors Einfluss
genommen werden.
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Nach
der letzten CAI-Verbrennung in Zyklus m wird auslassseitig bevorzugt
auf einen großen
Ventilhub umgeschaltet, um ein mageres Restgas aus dem betreffenden
Zylinder zu spülen.
Erfindungsgemäß erfolgt
im Zyklus m, also dem zeitlich letzten CAI-Zyklus, eine Nacheinspritzung
(Pfeil bei Zylinder eins) in den betreffenden Brennraum des Verbrennungsmotors,
wodurch Restsauerstoff gebunden werden kann.
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Idealerweise
findet eine Oxidation noch im Brennraum, also bei einem noch geschlossenem
Auslassventil statt. In Ausführungsformen
der Erfindung ist es jedoch möglich,
dass das Auslassventil bereits geöffnet hat. Hierbei ist aus
Komfortgründen
darauf zu achten, dass durch die Nacheinspritzung kein aktiver Momentenbeitrag
geleistet wird. Die Nacheinspritzung erfolgt daher unter Umständen derart
spät, dass
das betreffende Auslassventil bereits geöffnet ist. In einem solchen
Fall findet die Reaktion der Schadstoffe nur noch teilweise im Brennraum
aber hauptsächlich
im stromabwärts
liegenden Abgastrakt statt.
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Gemäß der Erfindung
ist es in Ausführungsformen
jedoch möglich,
die Nacheinspritzung derart früh, also
kurz nach der Eigenzündung
vorzunehmen, dass durch die Nacheinspritzung noch ein Drehmoment
des Verbrennungsmotors generiert wird.
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Ein
solches zusätzliches
Drehmoment muss, um die geforderte Drehmomentneutralität einhalten
zu können,
kompensiert werden. Dies findet erfindungsgemäß derart statt, dass durch
eine Haupteinspritzung, die in mehrere Einzeleinspritzungen aufgeteilt
sein kann, entsprechend weniger Drehmoment erzeugt wird. D. h. das
durch die Nacheinspritzung generierte Drehmoment wird dadurch kompensiert,
dass bei der Haupteinspritzung weniger Kraftstoff eingespritzt wird.
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Die
zeitlich direkt nachfolgenden Zyklen werden unter einem Mangel an
Sauerstoff (λ < 1) gefahren. Die überschüssigen Kohlenwasserstoff-
und Kohlenmonoxid-Moleküle
oxidieren mit den während
des mageren CAI-Betriebs im Katalysator gespeicherten Sauerstoffmolekülen, und
der Katalysator wird frei geräumt. Dies
ist umso notwendiger, da Kohlenmonoxid-Moleküle bevorzugt mit Sauerstoff
reagieren und die Reduktion von Stickoxiden gehemmt wird. Auch dieses
Verfahren ist an eine Beschaffenheit und Größe des Abgastrakts sowie der
Abgasreinigungseinrichtung (Sauerstoffspeicherfähigkeit) anzupassen.
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2 zeigt
eine Wechselphase vom CAI-Betrieb in den SI-/EIC-Betrieb, die sich im vorliegenden
Ausführungsbeispiel über drei
Zyklen m bis m + 2 hinzieht und wiederum mit schrägen Linien über alle
Druckverläufe
hinweg verdeutlicht ist. Eine Anzahl dieser Zyklen ist selbstverständlich variierbar.
Der letzte Zyklus des CAI-Betriebs wird trotz der Nacheinspritzung
insgesamt noch mager, mit einem Lambdawert λ von ca. 1,1 bis ca. 1,2, gefahren.
Die Nacheinspritzung erfolgt zeitlich nach der letzten Eigenzündung und
zeitlich vor der Zwischenkompression bzw. zeitlich vor einem Schließen des
Auslassventils.
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An
den Zyklus m schließt
sich der erste fremdgezündete
SI-/EIC-Zyklus m
+ 1 an. Dieser Zyklus m + 1 wird fett, bevorzugt mit einem möglichst
niedrigen Lambdawert λ von
ca. (0,7) 0,8 bis ca. 0,9 gefahren. Der oder die sich daran anschließenden Zyklen
m + 2, (m + 3) des SI-/EIC-Betriebs des Verbrennungsmo tors werden
dann weniger fett gefahren, wobei der zeitlich dahinter liegende
Zyklus m + 3 weniger fett als der zeitlich davor liegende Zyklus
m + 2 gefahren wird. Erfindungsgemäß liegt hierbei der fetteste
Fettzyklus direkt benachbart zum letzten Magerzyklus m des CAI-Betriebs.
In den nachfolgenden Zyklen m + 3, (m + 4), ... wird der Verbrennungsmotor
wieder mit einem Lambdawert λ von
ca. 1 betrieben.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung erfolgt die Nacheinspritzung in Abhängigkeit
einer Last des Verbrennungsmotors. Prinzipiell gilt für eine hohe
Last eine volumenmäßig vergleichsweise
große Nacheinspritzung,
und für
eine niedrige Last eine volumenmäßig vergleichsweise
kleine Nacheinspritzung. Hierbei können die Nacheinspritzungen
in ihrem Volumen jeweils an die Last des Verbrennungsmotors mehr oder
weniger kontinuierlich angepasst werden. Ferner ist es möglich, ab
einer gewissen Grenze bzw. einem gewissen Grenzbereich eine Nacheinspritzung
durchzuführen
(hohe Last) oder nicht (niedrige Last). Darüber hinaus ist es möglich, eine
Mehrzahl von volumenmäßig unterschiedlich
großen
Nacheinspritzungen, je nach Lastfall anzuwenden.