DE102008035893A1

DE102008035893A1 - Verfahren zum Regenerieren einer Abgasnachbehandlungseinheit und Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102008035893A1
Application number: DE102008035893A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr.-Ing. Koch
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2010-02-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regenerieren einer Abgasnachbehandlungseinheit, insbesondere eines Partikelfilters, bei welchem während eines Arbeitsspiels eines Kolbens einem Brennraum eines Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine wenigstens eine Voreinspritzung spätestens bei einem Kurbelwinkel von 20° vor einem oberen Zündtotpunkt, wenigstens eine Haupteinspritzung ab einem Kurbelwinkel von mindestens 5° nach dem oberen Zündtotpunkt und wenigstens eine späte Nacheinspritzung zum Bereitstellen von verbrennbaren Komponenten im aus dem Brennraum austretenden Abgas zugeführt werden, wobei die wenigstens eine späte Nacheinspritzung während eines Expansionstaktes des Arbeitsspiels vorgenommen wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Verbrennungskraftmaschine.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regenerieren einer Abgasnachbehandlungseinheit, insbesondere eines Partikelfilters, bei welchem während eines Arbeitsspiels eines Kolbens einem Brennraum eines Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine wenigstens eine Voreinspritzung spätestens bei einem Kurbelwinkel von 20° vor einem oberen Zündtotpunkt, wenigstens eine Haupteinspritzung ab einem Kurbelwinkel von mindestens 5° nach dem oberen Zündtotpunkt und wenigstens eine späte Nacheinspritzung zum Bereitstellen von verbrennbaren Komponenten im aus dem Brennraum austretenden Abgas zugeführt werden. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine insbesondere selbstzündende Verbrennungskraftmaschine.
Die EP 12 81 852 A2 beschreibt ein Verfahren zum Regenerieren eines Partikelfilters für Abgas einer direkteinspritzenden, selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine, welcher Dieselkraftstoff über ein Hochdruck-Speichereinspritzsystem (Common-Rail-System) zuführbar ist. Hierbei können zum Regenerieren des Partikelfilters wenigstens eine Voreinspritzung, wenigstens eine Haupteinspritzung und wenigstens eine späte Nacheinspritzung vorgesehen sein. Die jeweiligen Einspritzzeitpunkte dieser Einspritzungen werden hierbei in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine variiert. Beispielsweise wird bei einem Niedriglastbetrieb im Stadtverkehr die frühe Voreinspritzung, welche bei einem Kurbelwinkel von 60° vor einem oberen Zündtotpunkt bis zum oberen Zündtotpunkt einsetzen kann, um einen Kurbelwinkel von 2° bis 15° verspätet vorgenommen. Somit startet die frühe Voreinspritzung ab einem Kurbelwinkel von 58° bis 45° vor dem oberen Zündtotpunkt. Dies erlaubt ein Verschieben der Haupteinspritzung um einen Kurbelwinkel von 15° bis 35° bezogen auf den oberen Zündtotpunkt, also auf eine späte Haupteinspritzung. Üblicherweise ist für die Haupteinspritzung ein Kurbel- Winkel von 30° vor dem oberen Zündtotpunkt bis 10° nach dem oberen Zündtotpunkt vorgesehen. Bei den dem Stadtverkehr entsprechenden Motorbetriebsbedingungen wird anschließend die späte Nacheinspritzung zum Bereitstellen von verbrennbaren Komponenten im aus dem Brennraum austretenden Abgas während eines Ausstoßtaktes des Arbeitsspiels, und zwar bei Kurbelwinkel von 315° bis 360° nach dem oberen Zündtotpunkt, dem Brennraum zugeführt.
Als nachteilig in einem derartigen Verfahren ist der Umstand anzusehen, dass die späte Nacheinspritzung zu einem vergleichsweise großen Eintrag von Kraftstoff in das den Kolben schmierende Motoröl führt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem bzw. mittels welcher ein Eintrag von Kraftstoff in das Motoröl verringerbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Regenerieren einer Abgasnachbehandlungseinheit, insbesondere eines Partikelfilters, bei welchem während eines Arbeitsspiels eines Kolbens einem Brennraum eines Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine

a) wenigstens eine Voreinspritzung spätestens bei einem Kurbelwinkel von 20° vor einem oberen Zündtotpunkt,
b) wenigstens eine Haupteinspritzung ab einem Kurbelwinkel von mindestens 5° nach dem oberen Zündtotpunkt und
c) wenigstens eine späte Nacheinspritzung zum Bereitstellen von verbrennbaren Komponenten im aus dem Brennraum austretenden Abgas zugeführt werden, wird die wenigstens eine späte Nacheinspritzung während eines Expansionstaktes des Arbeitsspiels vorgenommen.

Die mittels der wenigstens einen späten Nacheinspritzung im aus dem Brennraum austretenden Abgas bereitgestellten verbrennbaren Komponenten des Kraftstoffs ermöglichen ein Anheben der Temperatur des Abgases auf Werte von mehr als 500°C, welche zum Regenerieren der Abgasnachbehandlungseinheit, insbesondere des Partikelfilters einzustellen sind. Das Verfahren zum Anheben der Abgastemperatur ist insbesondere zum Regenerieren des Partikelfilters geeignet, jedoch ermöglicht es auch beispielsweise eine thermisch unterstützte Regeneration eines Speicherkatalysators oder dergleichen Abgasnachbehandlungseinheit. Der mittels der wenigstens einen späten Nacheinspritzung bereitgestellte Kraftstoff kann hierbei in einem der zu regenerierenden Abgasnachbehandlungseinheit vorgeschalteten Oxidationskatalysator exotherm reagieren.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die während des Expansionstaktes erfolgende wenigstens eine späte Nacheinspritzung zu einer geringeren Benetzung einer Innenwand des Zylinders mit Kraftstoff führt als dies bei einem Durchführen der wenigsten einen späten Nacheinspritzung während des Ausstoßtaktes und ansonsten gleichartiger Einspritzstrategie der Fall ist. Während des Expansionstaktes liegen im Brennraum deutlich höhere Temperaturen vor als während des Ausstoßtaktes. Daher verdampft der mittels der wenigstens einen späten Nacheinspritzung dem Brennraum während des Expansionstaktes zugeführte Kraftstoff besonders schnell. Hierbei dringt ein Einspritzstrahl der wenigstens einen Nacheinspritzung vergleichsweise wenig tief in den Brennraum vor. Bei einer Benetzung der Innenwand des Zylinders mit Kraftstoff verdampft der Kraftstoff infolge der höheren Temperaturen zumindest größtenteils, bevor der Kolben die benetzte Wandfläche überstreicht. Dies führt zu einem verringerten Eintrag des Kraftstoffs in das Motoröl.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die wenigstens eine Voreinspritzung zwischen einem Kurbelwinkel von 100° und 25°, insbesondere bei einem Kurbelwinkel von 40° bis 25°, bevorzugt bei 30°, vorgenommen. Wird die wenigstens eine Voreinspritzung ab einem Kurbelwinkel von 100° vor dem oberen Zündtotpunkt vorgenommen, so ist die mittels des während der wenigstens einen Voreinspritzung dem Brennraum zugeführten Kraftstoffmenge benetzbare Fläche der Innenwand des Zylinders vergleichsweise gering und eine eventuell auf die Innenwand aufgebrachte Kraftstoffmenge verdampft zumindest größtenteils, bevor der Kolben die Wandfläche überstreicht. Die wenigstens eine Voreinspritzung kann insbesondere dann bereits bei einem Kurbelwinkel von 100° vor dem oberen Zündtotpunkt vorgenommen werden, wenn eine Geometrie eines Einspritzstrahls eine frühzeitige Benetzung der Innenwand des Zylinders besonders weitgehend vermindert, etwa bei einem Einspritzstrahl mit einem vergleichsweise geringen Öffnungswinkel.
Des Weiteren hat sich gezeigt, dass die wenigstens eine Voreinspritzung insbesondere bei einem Kurbelwinkel von 40° bis 25° vor dem oberen Zündtotpunkt zu vergleichsweise geringen Stickoxidemissionen der Verbrennungskraftmaschine führt und gleichzeitig eine Benetzung der Innenwand des Zylinders besonders gering ist. Ein noch weiteres Verschieben der wenigstens einen Voreinspritzung hin zum oberen Zündtotpunkt verringert zwar eine benetzbare Fläche der Innenwand des Zylinders, geht jedoch mit zunehmend hohen Stickoxidemissionen einher.
Die wenigstens eine Voreinspritzung kann als eine einzige Voreinspritzung durchgeführt werden oder als getaktete, wenigstens zwei unmittelbar aufeinander folgende Einzeleinspritzungen umfassende Mehrfacheinspritzung. Die Mehrfacheinspritzung kann die Möglichkeit einer Benetzung der Innenwand weiter verringern, führt jedoch zu einer höheren Belastung der die Einspritzungen vornehmenden Einspritzeinrichtung.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn durch die wenigstens eine Voreinspritzung eine Erhöhung einer mittleren Temperatur in dem Brennraum von mindestens 100 K bewirkt wird. Dadurch ist es ermöglicht, die Haupteinspritzung auf einen vergleichsweise späten Zeitpunkt zu verschieben, ohne dass sich eine Stabilität des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine verringert. Eine hohe Laufruhe der Verbrennungskraftmaschine ist hierbei auch dann sichergestellt, wenn die wenigstens eine Haupteinspritzung beispielsweise um einen Kurbelwinkel von 5° bis 12° nach spät verschoben ist.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn bei der wenigstens einen Voreinspritzung einem Brennraum eine Kraftstoffmenge von 5 mm³ bis 40 mm³ pro Liter Hubraum des Brennraums, insbesondere von 10 mm³ bis 30 mm³ pro Liter Hubraum des Brennraums, zuführt wird. Diese vergleichsweise große Menge an voreingespritztem Kraftstoff führt zu einer deutlichen und besonders gleichmäßigen Erwärmung des Brennraums und ermöglicht im Zusammenwirken mit der nach spät verstellten Haupteinspritzung ein In-die-Länge-Ziehen der Verbrennung, so dass die wenigstens eine späte Nacheinspritzung dem besonders warmen Brennraum zugeführt wird. Die während der wenigstens einen Voreinspritzung dem Brennraum zugeführte Kraftstoffmenge kann im Wesentlichen konstant eingestellt werden, während die während der wenigstens einen Haupteinspritzung dem Brennraum zugeführte Kraftstoffmenge zum Einstellen der Last der Verbrennungskraftmaschine variierbar ist.
Die vergleichsweise große Kraftstoffmenge, welche während der wenigstens einen Voreinspritzung dem Brennraum zugeführt wird, verbrennt hierbei in einer besonders homogenen, vorgemischten Verbrennung. Gleichzeitig führt die frühe, vergleichsweise große voreingespritzte Kraftstoffmenge zu vergleichsweise hohen erwünschten Emissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und von Kohlenmonoxid. Diese unverbrannten Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidemissionen stehen dann für die exotherme Reaktion zum Anheben der Temperatur des Abgases zur Verfügung.
Die während der wenigstens einen Voreinspritzung dem Brennraum zugeführte Kraftstoffmenge kann bis zum Erreichen eines Höchstwertes der Kraftstoffmenge als Funktion der Zeit exponentiell zunehmend und/oder linear zunehmend und/oder unstetig gemäß einer Rechteckfunktion zunehmend zugeführt werden. Diese auch als Boot, Ramp bzw. Square bezeichneten Verlaufsformen der während der wenigstens einen Voreinspritzung dem Brennraum zugeführten Kraftstoffmenge als Funktion der Zeit ermöglichen eine besonders homogene vorgemischte Verbrennung der wenigstens einen Voreinspritzung.
Als weiterhin vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn zumindest die wenigstens eine Voreinspritzung dem Brennraum wenigstens eines Zylinders der eine Mehrzahl von Zylindern aufweisenden Verbrennungskraftmaschine in Abhängigkeit von einem Beitrag des wenigstens einen Zylinders zu einer Abgasrückführung zugeführt wird. So kann es vermieden werden, dass einem Zylinder, über welchen eine Abgasrückführeinrichtung mit rückzuführendem Abgas beaufschlagt wird, übermäßig Kraftstoff zugeführt wird. Dadurch ist ein Verstopfen oder Verschmutzen von Ventilen oder dergleichen den Durchfluss durch die Abgasrückführleitung regelnden Kontrollelementen und/oder ein Beaufschlagen einer Kühleinheit der Abgasrückführung mit unverbranntem Kraftstoff vermeidbar. Eine derartige, zylinderindividuell angepasste und unterschiedliche Einspritzstrategie bietet sich insbesondere bei zweiflutigen Abgaskrümmern an, wobei die zur Abgasrückführung beitragende Flut nicht mit unverbranntem Kraftstoff beaufschlagt wird.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die wenigstens eine Haupteinspritzung ab einem Kurbelwinkel von 6° bis 20°, insbesondere ab einem Kurbelwinkel von 9° bis 15° nach dem oberen Zündtotpunkt vorgenommen wird. Dieses vergleichsweise späte Zuführen des Kraftstoffs zu dem Brennraum während der wenigstens einen Haupteinspritzung geht mit einem vergleichsweise hohen Verbrauch einher, da die Last der Verbrennungskraftma schine mittels der in der Menge variabel bemessenen wenigstens einen Haupteinspritzung eingestellt wird. Dies führt jedoch zu einem besonders starken Anstieg der Temperatur des Abgases, da vergleichsweise wenig Energie an den sich abwärts bewegenden Kolben abgegeben werden kann und somit vergleichsweise viel Energie zum Aufheizen des Abgases zur Verfügung steht. Gleichzeitig werden durch die spät erfolgende wenigstens eine Haupteinspritzung vergleichsweise geringe Verbrennungsspitzentemperaturen erreicht und so besonders niedrige Stickoxidemissionen der Verbrennungskraftmaschine bewirkt.
Da die wenigstens eine späte Nacheinspritzung dem besonders lange und besonders gleichmäßig erwärmten Brennraum zugeführt wird, verdampft der mit der wenigstens einen späten Nacheinspritzung zugeführte Kraftstoff besonders schnell und eine Eindringtiefe des Einspritzstrahl in den Brennraum ist besonders gering. Zu dem gleichmäßigen Erwärmen des Brennraums trägt zudem insbesondere die während der wenigstens einen Voreinspritzung zugeführte Kraftstoffmenge und deren vergleichsweise lange Verweilzeit im Brennraum bei. Die Möglichkeit der Benetzung der Innenwand des Zylinders mit Kraftstoff ist somit besonders weitgehend verringert.
Um sicherzustellen, dass die wenigstens eine späte Nacheinspritzung einem besonders warmen Brennraum zugeführt wird, kann nach der wenigstens einen Haupteinspritzung wenigstens eine weitere verbrennende Nacheinspritzung ab einem Kurbelwinkel von 20° und bis zu einem Kurbelwinkel von 60°, insbesondere bis zu einem Kurbelwinkel von 50°, nach dem oberen Zündtotpunkt vorgenommen werden. Die wenigstens eine weitere verbrennende Nacheinspritzung weist einen im Hinblick auf die am Kolben verrichtete Arbeit schlechten Wirkungsgrad auf, trägt dadurch jedoch zu einem weiteren Anheben der Temperatur des Abgases bei.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die wenigstens eine späte Nacheinspritzung ab einem Kurbelwinkel von 100° nach dem oberen Zündtotpunkt vorgenommen. Dadurch ist einerseits die Temperatur im Brennraum während der wenigstens einen späten Nacheinspritzung noch vergleichsweise hoch und zweitens steht bis zum Ausstoßen des durch die wenigstens eine späte Nacheinspritzung mit verbrennbaren Komponenten beaufschlagten Abgases aus dem Brennraum eine vergleichsweise lange Zeitspanne zur Verfügung, welche ein besonders gutes Aufbereiten des Kraftstoffs ermöglicht.
Die wenigstens eine späte Nacheinspritzung kann als getaktete, wenigstens zwei unmittelbar aufeinander folgende Einzeleinspritzungen umfassende Mehrfacheinspritzung vorgenommen werden. Durch die Mehrfacheinspritzung ist eine Möglichkeit der Benetzung der Innenwand des Zylinders weiter reduziert. Dennoch bewegen sich die wenigstens zwei unmittelbar aufeinander folgenden Einzeleinspritzungen in dem ein besonders gleichmäßig hohes Temperaturniveau aufweisenden Brennraum, verdampfen besonders schnell und dringen besonders wenig weit in den Brennraum ein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch eine insbesondere selbstzündende Verbrennungskraftmaschine mit einer mittels einer Steuereinrichtung ansteuerbaren Einspritzeinrichtung, mittels welcher zum Regenerieren einer Abgasnachbehandlungseinheit, insbesondere eines Partikelfilters, während eines Arbeitsspiels eines Kolbens einem Brennraum eines Zylinders der Verbrennungskraftmaschine a) wenigstens eine Voreinspritzung spätestens bei einem Kurbelwinkel von 20° vor einem oberen Zündtotpunkt,

b) wenigstens eine Haupteinspritzung ab einem Kurbelwinkel von mindestens 5° nach dem oberen Zündtotpunkt und
c) wenigstens eine späte Nacheinspritzung zum Bereitstellen von verbrennbaren Komponenten im aus dem Brennraum abführbaren Abgas zuführbar ist, wobei mittels der Steuereinrichtung die Einspritzeinrichtung zum Durchführen der wenigstens einen späten Nacheinspritzung während eines Expansionstaktes des Arbeitsspiels ansteuerbar ist.

Die für das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Vorteile gelten auch für die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
Schaubilder zum Veranschaulichen eines Einflusses einer während einer Voreinspritzung einem Brennraum zugeführten Kraftstoffmenge auf im Abgas vorliegende Emissionen und auf eine Temperatur des Abgases; und
Schaubilder zum Veranschaulichen eines Einflusses eines Kurbelwinkels der frühen Voreinspritzung auf im Abgas vorliegende Emissionen.
1 zeigt in einem ersten Schaubild einen Einfluss einer Kraftstoffmenge 10, welche während einer Voreinspritzung einem Brennraum eines Zylinders einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine bei einem Kurbelwinkel von etwa 32° vor dem oberen Zündtotpunkt zugeführt wird, auf Emissionen der Verbrennungskraftmaschine und auf eine Temperatur des aus dem Brennraum austretenden Abgases. Die jeweilige, während der frühen Voreinspritzung dem Brennraum zugeführte Kraftstoffmenge 10 bewirkt eine Erhöhung der Temperatur im Brennraum und in Folge der homogenen, vorgemischten Verbrennung der während der frühen Voreinspritzung eingespritzten Kraftstoffmenge 10 ein besonders gleichmäßiges Erwärmen des Brennraums.
Aufgrund dieser Brennraumerwärmung, welche im Mittel deutlich mehr als 100 K beträgt, ist es ermöglicht, eine auf die frühe Voreinspritzung folgende Haupteinspritzung um 5° bis 12° Kurbelwinkel nach spät zu verschieben, ohne dass eine Gleichmäßigkeit der Verbrennung beeinträchtigt ist. Bei einem Kurbelwinkel von etwa 100° nach dem oberen Zündtotpunkt wird dem Brennraum eine späte Nacheinspritzung zugeführt, durch welche im aus dem Brennraum austretenden Abgas verbrennbare Komponenten bereitgestellt sind. Die im aus dem Brennraum austretenden Abgas vorhandenen, verbrennbaren Komponenten des Kraftstoffs ermöglichen ein Anheben der Temperatur des Abgases auf deutlich über 500°C, wodurch eine Regeneration einer Abgasbehandlungseinheit, etwa eines Partikelfilters und/oder eines Speicherkatalysators, ermöglicht wird.
Durch die frühe Voreinspritzung kombiniert mit der späten Haupteinspritzung ist ein hohes, gleichmäßiges Temperaturniveau im Brennraum einstellbar, so dass beim Zuführen der späten Nacheinspritzung die zugeführte Kraftstoffmenge 10 besonders schnell verdampft und ein Einspritzstrahl nicht weit in den Brennraum vordringt. Dadurch führt die späte Nacheinspritzung zu einem verringerten Benetzen einer Innenwand des Zylinders mit Kraftstoff. Von der Innenwand des Zylinders kann somit weniger Kraftstoff in das Motoröl eingetragen werden, wodurch eine Verdünnung des Motoröls und somit eine Beeinträchtigung von Schmiereigenschaften des Motoröls vermindert ist.
1 zeigt einen ersten Kurvenverlauf 12, welcher ein Ansteigen der bei der frühen Voreinspritzung dem Brennraum je Arbeitsspiel des Kolbens zugeführten Kraftstoffmenge 10 von etwa 15 mm³ auf etwa 25 mm³ durch einzelne, die zugeführte Kraftstoffmenge 10 darstellende Messpunkte veranschaulicht. Bei der durch den ersten Kurvenverlauf 12 gekennzeichneten Messreihe wurde die Verbrennungskraftmaschine mit einer Drehzahl von 1000 U/min betrieben. Ein zweiter Kurvenverlauf 14, welcher ebenfalls die der jeweiligen Kraftstoffmenge 10 zugeordneten Messpunkte des Kurvenverlaufs 12 beinhaltet, zeigt einen Einfluss der während der frühen Voreinspritzung dem Brennraum zugeführten Kraftstoffmenge 10 auf Emissionen an Stickoxiden. Die Emissionen an Stickoxiden sind auf einer Abszisse 16 eines Koordinatensystems aufgetragen.
Hierbei ist erkennbar, dass mit zunehmender Kraftstoffmenge 10 der frühen Voreinspritzung je Arbeitsspiel eine Zunahme der Emissionen an Stickoxiden einhergeht. Demgegenüber zeigt der Kurvenverlauf 14, dass Emissionen von Ruß, welche über eine auf einer Ordinate 18 des Koordinatensystems aufgetragene Schwärzungszahl SZ erfasst werden, mit zunehmender Kraftstoffmenge 10 im Wesentlichen konstant bleiben.
1 zeigt des Weiteren einen dritten Kurvenverlauf 20, welcher eine zunehmende Kraftstoffmenge 10 der frühen Voreinspritzung anhand von Messpunkten veranschaulicht, welche dem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine bei einer Motordrehzahl von 1400 U/min zugeführt wurde. Auch hier ist an einem korrespondierenden Kurvenverlauf 22, welcher den Einfluss der zunehmenden Kraftstoffmenge 10 auf die Emissionen an Stickoxiden und Ruß darstellt, erkennbar, dass die Rußemissionen mit zunehmender Kraftstoffmenge 10 im Wesentlichen konstant bleiben, während die Emissionen an Stickoxid zunehmen. Die Kurvenverläufe 14 und 22 zeigen hierbei je eine annähernd gleiche Charakteristik und insbesondere vergleichbare Werte für die Emissionen von Ruß.
In einem weiteren Schaubild der 1 ist erkennbar, dass mit zunehmender, während der frühen Voreinspritzung dem Brennraum zugeführter Kraftstoffmenge 10 eine Temperatur 24 des Abgases zunimmt. Die Temperatur 24 ist hierbei in einem Abgaskrümmer der Verbrennungskraftmaschine stromaufwärts einer Turbine eines Turboladers gemessen.
Im Gegensatz zu einer Kraftstoffmenge 10 von 14 mm³, welche zu einer Temperatur 24 von rund 120°C des Abgases führt, bewirkt eine Kraftstoffmenge 10 von rund 25 mm³ eine Temperatur 24 des Abgases von ca. 175°C. Ein Kurvenverlauf 26, welcher diesen Zusammenhang für die mit 1000 U/min betriebene Verbrennungskraftmaschine zeigt, ist im Wesentlichen deckungsgleich mit einem Kurvenverlauf 28, welcher diesen Zusammenhang für die mit 1400 U/min betriebene Verbrennungskraftmaschine veranschaulicht. Die Kurvenverläufe 12 und 26 sowie die Kurvenverläufe 20 und 28 beinhalten hierbei jeweils die gleichen Messpunkte der Kraftstoffmenge 10.
Ein weiteres Koordinatensystem, in welchem ein mit dem Kurvenverlauf 26 korrespondierender Kurvenverlauf 30 dargestellt ist, zeigt einen Zusammenhang zwischen der Kraftstoffmenge 10 und den auf der Abszisse 16 dargestellten Stickoxidemissionen sowie mit einer Konzentration 32 an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgas. Gemäß dem Kurvenverlauf 30 ist bei zunehmender Kraftstoffmenge 10 sowohl die Stickoxidemission als auch die Emission an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Wesentlichen konstant, jedoch nimmt mit zunehmender Kraftstoffmenge 10 die Emission an Stickoxiden zu.
Ein im Wesentlichen analoger Kurvenverlauf 34, welcher die Messpunkte der jeweiligen Kraftstoffmengen 10 der Kurvenverläufe 20 und 28 beinhaltet, zeigt diesen Zusammenhang für Betriebsbedingungen der Verbrennungskraftmaschine bei einer Drehzahl von 1400 U/min. Aus 1 lässt sich ableiten, dass bereits mit einer Kraftstoffmenge 10 von rund 25 mm³ eine erhebliche Anhebung der Temperatur 24 des Abgases bei vertretbaren Stickoxidemissionen, welche beispielsweise im Bereich von 200 ppm liegen könne, erreichbar ist. Dies gilt für gleichermaßen für Betriebsbedingungen der Verbrennungskraftmaschine bei einer Drehzahl von 1000 U/min und 1400 U/min.
2 zeigt in zwei weiteren Schaubildern einen Einfluss einer Lage der frühen Voreinspritzung auf im Abgas vorliegende Emissionen. Hierbei zeigt ein weiterer Kurvenverlauf 36 einen Zusammenhang zwischen einem Spritzbeginn SB der Voreinspritzung und den bei dem jeweiligen Spritzbeginn SB vorliegenden Emissionen an Stickoxiden 38 und unverbrannten Kohlenwasserstoffen 40. Die Stickoxide sind auf einer Abszisse des Schaubilds aufgetragen, die unverbrannten Kohlenwasserstoffen 40 auf einer Ordinate.
Aus dem Kurvenverlauf 36 ist erkennbar, dass mit zunehmend späterem Spritzbeginn SB, also mit einem zunehmend kleineren Kurbelwinkel bis zum Erreichen des oberen Zündtotpunkts, eine Erhöhung der Emissionen an Stickoxiden 38 einhergeht. Des Weiteren ist mit einem zunehmend späteren Spritzbeginn SB eine Abnahme der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen 40 verbunden.
Der Kurvenverlauf 36 bezieht sich auf die Bildung von Stickoxiden 38 und unverbrannten Kohlenwasserstoffen 40 bei einer konstanten Kraftstoffmenge 10 von 20 mm³ pro Arbeitsspiel und eine Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine von 800 U/min.
Setzt die frühe Voreinspritzung bei einem Kurbelwinkel von 32° vor dem oberen Zündtotpunkt ein, so liegen etwas mehr als 200 ppm an Stickoxiden 38 und etwas weniger als 100 ppm an unverbrannten Kohlenwasserstoffen 40 im Abgas vor. Bei einem Spritzbeginn SB bei einem Kurbelwinkel von 30° vor dem oberen Zündtotpunkt oder von 28° vor dem oberen Zündtotpunkt betragen die Emissionen an Stickoxiden 38 knapp 800 ppm und die erwünschten Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen 40 liegen bei etwas mehr als 60 ppm.
Demgegenüber bewirkt ein noch früherer Spritzbeginn SB, etwa bei einem Kurbelwinkel von 35° vor dem oberen Zündtotpunkt Emissionen von Stickoxiden 38 im Bereich von 100 ppm und von unverbrannten Kohlenwasserstoffen 40 im Bereich von 180 ppm. Das wünschenswerte Verringern der Emissionen an Stickoxiden 38 und das erwünschte Erhöhen der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen 40, welche zum Anheben der Temperatur im Abgas zur Verfügung stehen, mit zunehmend frühem Spritzbeginn SB bringt jedoch eine größere Wahrscheinlichkeit eines Benetzens der Innenwand des Zylinders mit eingespritztem Kraftstoff mit sich.
2 zeigt in einem weiteren Schaubild einen weiteren Kurvenverlauf 42, welcher den Zusammenhang zwischen Spritzbeginn SB und Emissionen an Kohlenmonoxid 44 und den Stickoxiden 38 wiedergibt. Die Beziehungen zwischen dem Spritzbeginn bei einem Kurbelwinkel von 35°, 32°, 30° und 28° vor dem oberen Zündtotpunkt und der jeweiligen Emission an Stickoxiden 38 ist dem ersten Schaubild der 2 analog.
Der Kurvenverlauf 42 veranschaulicht, dass mit zunehmendem Kurbelwinkel, also mit zunehmend früheren Spritzbeginn SB vor dem oberen Zündtotpunkt eine erwünschte Erhöhung der Emissionen an Kohlenmonoxid 44 einhergeht. So bewirkt der Spritzbeginn SB bei einem Kurbelwinkel von 35° vor dem oberen Zündtotpunkt eine Emission an Kohlenmonoxid 44 von rund 2000 ppm, der Spritzbeginn SB bei einem Kurbelwinkel von 32° vor dem oberen Zündtotpunkt eine Emission an Kohlenmonoxid von 1000 ppm. Bei einem Spritzbeginn von 30° Kurbelwinkel bzw. 28° Kurbelwinkel sinken die Emissionen an Kohlenmonoxid 44 auf weniger als 500 ppm ab.
Da mit zunehmend späterem Spritzbeginn auch die Emissionen an Stickoxiden 38 zunehmen, ist ein vergleichsweise früher Spritzbeginn SB von Vorteil. Gleichzeitig ist das mit dem erwünschten Bereitstellen von verbrennbaren Komponenten wie Kohlenmonoxid 44 und unverbrannten Kohlenwasserstoffen 40 verbundene frühe Voreinspritzen mit einer erhöhten Wahrscheinlichkeit der Benetzung der Innenwand es Zylinders verbunden.
Generell stellt daher ein Spritzbeginn SB bei einem Kurbelwinkel zwischen 30° vor dem oberen Zündtotpunkt und 35° vor dem oberen Zündtotpunkt, insbesondere von etwa 32° vor dem oberen Zündtotpunkt, eine vorteilhafte Lage der frühen Voreinspritzung dar.
Eine Abgastemperatur lässt sich durch die Menge des zurückgeführten Abgases, durch den Einspritzdruck des eingespritzten Kraftstoffs sowie durch die Menge des eingespritzten Kraftstoffs beeinflussen. Der Abgasrückführung sind jedoch Grenzen gesetzt, insbesondere da bei einer zu großen Menge rückgeführten Abgases eine Versottung eines Abgaskühlers droht. Ein maximaler Einspritzdruck ist ebenfalls begrenzt, da bei zu hohem Einspritzdruck eine zu große Menge Kraftstoff an die Brennraumwand gelangen kann, so dass die Gefahr eines Eintrags von Kraftstoff in das Motoröl besteht. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet die Möglichkeit, über die Steuerung der Einspritzzeitpunkte und Einspritzmengen die Abgastemperatur gezielt zu beeinflussen, wobei die Gefahr einer Einbringung von Kraftstoff in das Schmiermittel minimiert ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich zudem dadurch aus, dass es keinen negativen Einfluss auf die Versottung eines Abgaskühlers im Vergleich zu bisherigen konventionellen Strategien ausübt. Durch das erhöhte Temperaturniveau wird einer Versottung vielmehr entgegengewirkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1281852 A2 [0002]

Claims

Verfahren zum Regenerieren einer Abgasnachbehandlungseinheit, insbesondere eines Partikelfilters, bei welchem während eines Arbeitsspiels eines Kolbens einem Brennraum eines Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine wenigstens eine Voreinspritzung spätestens bei einem Kurbelwinkel von 20° vor einem oberen Zündtotpunkt, wenigstens eine Haupteinspritzung ab einem Kurbelwinkel von mindestens 5° nach dem oberen Zündtotpunkt und wenigstens eine späte Nacheinspritzung zum Bereitstellen von verbrennbaren Komponenten im aus dem Brennraum austretenden Abgas zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine späte Nacheinspritzung während eines Expansionstaktes des Arbeitsspiels vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Voreinspritzung zwischen einem Kurbelwinkel von 100° und 25°, insbesondere bei einem Kurbelwinkel von 40° bis 25°, bevorzugt von etwa 30°, vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine einzige Voreinspritzung vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die wenigstens eine Voreinspritzung eine Erhöhung einer mittleren Temperatur in dem Brennraum von mindestens 100 K bewirkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der wenigstens einen Voreinspritzung einem Brennraum eine Kraftstoffmenge (10) von 5 mm³ bis 40 mm³ pro Liter Hubraum des Brennraums, insbesondere von 10 mm³ bis 30 mm³ pro Liter Hubraum des Brennraums, zuführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine während der wenigstens einen Voreinspritzung dem Brennraum zugeführte Kraftstoffmenge (10) bis zum Erreichen eines Höchstwertes der Kraftstoffmenge (10) als Funktion der Zeit exponentiell zunehmend und/oder linear zunehmend und/oder unstetig gemäß einer Rechteckfunktion zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die wenigstens eine Voreinspritzung dem Brennraum wenigstens eines Zylinders der eine Mehrzahl von Zylindern aufweisenden Verbrennungskraftmaschine in Abhängigkeit von einem Beitrag des wenigstens einen Zylinders zu einer Abgasrückführung zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Haupteinspritzung ab einem Kurbelwinkel von 6° bis 20°, insbesondere ab einem Kurbelwinkel von 9° bis 15°, nach dem oberen Zündtotpunkt vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach der wenigstens einen Haupteinspritzung wenigstens eine weitere verbrennende Nacheinspritzung ab einem Kurbelwinkel von 20° und bis zu einem Kurbelwinkel von 60°, insbesondere bis zu einem Kurbelwinkel von 50°, nach dem oberen Zündtotpunkt vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine späte Nacheinspritzung ab einem Kurbelwinkel von 100° nach dem oberen Zündtotpunkt vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine späte Nacheinspritzung als getaktete, wenigstens zwei unmittelbar aufeinander folgende Einzeleinspritzungen umfassende Mehrfacheinspritzung vorgenommen wird.
Verbrennungskraftmaschine, insbesondere selbstzündende Verbrennungskraftmaschine, mit einer mittels einer Steuereinrichtung ansteuerbaren Einspritzeinrichtung, mittels welcher zum Regenerieren einer Abgasnachbehandlungseinheit, insbesondere eines Partikelfilters, während eines Arbeitsspiels eines Kolbens einem Brennraum eines Zylinders der Verbrennungskraftmaschine, wenigstens eine Voreinspritzung spätestens bei einem Kurbelwinkel von 20° vor einem oberen Zündtotpunkt, wenigstens eine Haupteinspritzung ab einem Kurbelwinkel von mindestens 5° nach dem oberen Zündtotpunkt und wenigstens eine späte Nacheinspritzung zum Bereitstellen von verbrennbaren Komponenten im aus dem Brennraum abführbaren Abgas zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinrichtung die Einspritzeinrichtung zum Durchführen der wenigstens einen späten Nacheinspritzung während eines Expansionstaktes des Arbeitsspiels ansteuerbar ist.