DE102009056026B4 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Dual-Fuel-Injection-Brennkraftmaschine (1) eines Kraftfahrzeugs mit mehreren ersten Einspritzventilen (15) zum Einspritzen eines ersten Kraftstoffs (19) in Brennräume (8) von Zylindern (3) der Brennkraftmaschine (1) und mit mehreren zweiten Einspritzventilen (20) zum Einspritzen eines zweiten Kraftstoffs (23) in die Brennräume (8), wobei die zweiten Einspritzventile (20) zur Vermeidung und/oder Beseitigung von Ablagerungen mit dem zweiten Kraftstoff (23) gespült werden, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Einspritzventile (20) während eines Schubbetriebs der Brennkraftmaschine (1) mit dem zweiten Kraftstoff (23) gespült werden, wobei während des Schubbetriebs der Brennkraftmaschine (1) abgesehen von dem zur Spülung verwendeten zweiten Kraftstoff (23) kein weiterer Kraftstoff (19) in die Brennkraftmaschine (1) zugeführt wird und der zur Spülung in die zweiten Einspritzventile (20) zugeführte zweite Kraftstoff (23) in einem Katalysator (14) einer Abgasnachbehandlungseinrichtung der Brennkraftmaschine (1) verbrannt wird, wobei der zweite Kraftstoff (23) im Katalysator (14) mit Schubluft zur Reaktion gebracht wird, die während der Spülung durch die Brennkraftmaschine (1) strömt, und ein Verhältnis zwischen der Menge des zweiten Kraftstoffs (23), der zur Spülung pro Zeiteinheit in die zweiten Einspritzventile (20) zugeführt wird, und der Menge der Schubluft, die während der Spülung durch die Brennkraftmaschine (1) strömt, so eingestellt wird, dass sich hinter der Brennkraftmaschine (1) und vor dem Katalysator (14) ein überstöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis einstellt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Dual-Fuel-Injection-Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei die zweiten Einspritzventile zur Vermeidung und/oder Beseitigung von Ablagerungen mit dem zweiten Kraftstoff gespült werden.
  • Bei einigen Brennkraftmaschinen mit einer Mehrzahl von Einspritzventilen kann es vorkommen, dass einige der Einspritzventile nur relativ selten genutzt werden. Dies ist zum Beispiel bei Brennkraftmaschinen der Fall, die mit unterschiedlichen Kraftstoffen betrieben werden, von denen einer nur in wenigen Betriebszuständen eingespritzt wird, oder bei so genannten Dual-Fuel-Injection-Brennkraftmaschinen, die sowohl Einspritzventile für eine Saugrohreinspritzung als auch Einspritzventile für eine Direkteinspritzung besitzen, wobei ein Teil dieser Einspritzventile betriebsbedingt nur zeitweilig genutzt wird.
  • In Einspritzventilen, die nur in größeren Zeitabständen genutzt werden, kann es jedoch zu Ablagerungen kommen, zum Beispiel durch eine Verdunstung des Kraftstoffs infolge der Abwärme der Brennkraftmaschine und eine Verharzung von zurückbleibenden Kraftstoffbestandteilen, oder durch hinter den Einspritzventilen erzeugte Verbrennungsprodukte. Derartige Ablagerungen können nicht nur zu einer Betriebsbeeinträchtigung aufgrund von veränderten Kraftstoffeinspritzmengen sondern unter ungünstigen Umständen sogar zu einer Schädigung von Einspritzventilen führen, die deren Austausch erforderlich macht. Um derartige Ablagerungen zu entfernen, ist es erforderlich, nur selten benutzte Einspritzventile von Zeit zu Zeit mit Kraftstoff zu spülen.
  • Aus der DE 10 2008 031 830 A1 ist bereits ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Betreiben von Brennkraftmaschinen bekannt, welche mehrere Kraftstoffarten verwenden und diese durch unterschiedliche Einspritzventile in die Brennräume der Zylinder zuführen. Um zu verhindern, dass unter vorbestimmten Bedingungen, zum Beispiel wenn eines der Einspritzventile nicht ständig einen Kraftstoff oder eine andere Substanz einspritzt, der Folgebetrieb des Einspritzventils durch Verschmutzung des Einspritzventils mit Ruß oder anderen Verbrennungsprodukten beeinträchtigt wird, wird dort vorgeschlagen, einen ersten Kraftstoff mittels eines ersten Einspritzventils in den Zylinder zuzuführen und bei einer ersten Motorleistung einen zweiten Kraftstoff mittels eines zweiten Einspritzventils direkt in den Zylinder einzuspritzen, während bei einer zweiten Motorleistung, die niedriger als die erste Motorleistung ist, an Stelle des zweiten Kraftstoffs mittels des zweiten Einspritzventils eine Spülsubstanz direkt in den Zylinder eingespritzt wird, wobei diese Spülsubstanz den ersten und/oder den zweiten Kraftstoff umfassen kann.
  • Weiterhin ist aus dem Stand der Technik die Druckschrift DE 43 02 779 A1 bekannt, welche ein Verfahren zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit von Abgaskatalysatoren betrifft. Weiterhin beschreibt die Druckschrift DE 690 16 029 T2 ein Verfahren zur Entfernung der Ablagerungen von Injektordüsen und die Druckschrift WO 2008/145227 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine.
  • Wenn zum Spülen der zeitweilig nicht benutzten Einspritzventile Kraftstoff verwendet wird, führt dies jedoch dazu, dass sich die Zusammensetzung des Abgases hinter der Brennkraftmaschine verändert, da durch den zur Spülung verwendeten Kraftstoff das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Abgas abnimmt. Dies wiederum hat zur Folge, dass die chemische Konvertierung von unerwünschten Abgasbestandteilen, wie Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxiden (NOx) in einem im Abgastrakt hinter der Brennkraftmaschine angeordneten Katalysator beeinträchtigt wird, da zumindest im Fall von Drei-Wege-Katalysatoren eine optimale Konvertierungsrate im Abgas ein konstantes Luft-Kraftstoff-Gemisch in einem stöchiometrischen Verhältnis (λ = 1) erforderlich macht. Grundsätzlich wäre es zwar denkbar, die zum Spülen verwendete Kraftstoffmenge bei der Vorsteuerung des in die Zylinder zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemischs zu berücksichtigen. Dies ist jedoch sehr aufwändig, zum einen, weil die bei einer gelegentlichen Spülung von einem oder mehreren Einspritzventilen in dieselben zugeführte Kraftstoffmenge z. B. aufgrund von Verrußungen oder der Bildung von Dampfblasen in den Einspritzventilen nur schwer zu berechnen ist und zum anderen, weil die verwendeten Rechenalgorithmen im Motorsteuergerät durch zusätzliche Rechenalgorithmen ergänzt werden müssten, um bei der Gemischvorsteuerung die zur Spülung verwendete zusätzliche Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von der Art des zur Spülung verwendeten Kraftstoffs bzw. den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine zu berücksichtigen.
  • Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass auch ohne eine Berücksichtigung der Menge des zur Spülung verwendeten Kraftstoffs bei der Gemischvorsteuerung im Betrieb der Brennkraftmaschine eine vollständige Konvertierung von unerwünschten Abgasbestandteilen in einem Katalysator einer Abgasnachbehandlungseinrichtung der Brennkraftmaschine gewährleistet bleibt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass die Einspritzventile während eines Schubbetriebs der Brennkraftmaschine mit Kraftstoff gespült werden, wobei während des Schubbetriebs der Brennkraftmaschine abgesehen von dem zur Spülung verwendeten zweiten Kraftstoff kein weiterer Kraftstoff in die Brennkraftmaschine zugeführt wird und der zur Spülung in die zweiten Einspritzventile zugeführte zweite Kraftstoff in einem Katalysator einer Abgasnachbehandlungseinrichtung der Brennkraftmaschine verbrannt wird, wobei der zweite Kraftstoff im Katalysator mit Schubluft zur Reaktion gebracht wird, die während der Spülung durch die Brennkraftmaschine strömt, und ein Verhältnis zwischen der Menge des zweiten Kraftstoffs, der zur Spülung pro Zeiteinheit in die zweiten Einspritzventile zugeführt wird, und der Menge der Schubluft, die während der Spülung durch die Brennkraftmaschine strömt, so eingestellt wird, dass sich hinter der Brennkraftmaschine und vor dem Katalysator ein überstöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis einstellt.
  • Im Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung wird als Kraftstoff jede brennbare Substanz bezeichnet, die sich zur Spülung von Einspritzventilen von Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen eignet bzw. zu diesem Zweck verwendet wird. Weiter wird als Schubbetrieb ein Fahrzustand des Kraftfahrzeugs bezeichnet, in dem die Brennkraftmaschine durch das Fahrzeug geschleppt und dabei die Kurbelwelle in Drehbewegung versetzt bzw. gehalten wird.
  • Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass bei modernen Fahrzeugen im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine generell die Kraftstoffzufuhr durch eine Schubabschaltung unterbrochen wird, so dass dem Katalysator abgesehen von dem zur Spülung dienenden Kraftstoff nur die im Schubbetrieb gewöhnlich als Schubluft bezeichnete Umgebungsluft mit einem Sauerstoffgehalt von etwa 21%, jedoch kein weiterer Kraftstoff zugeführt wird. Da zur Spülung der zeitweilig nicht genutzten Einspritzventile nur eine sehr geringe Menge Kraftstoff erforderlich ist, die gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung pro Einspritzventil nur wenige Milligramm beträgt, kann diese geringe Menge an unverbranntem Kraftstoff gemäß der Erfindung im Katalysator vollständig mit dem in der Schubluft enthaltenen Sauerstoff zur Reaktion gebracht und in Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) umgesetzt werden. Da die Brennkraftmaschine im Schubbetrieb nicht befeuert wird, das heißt in den Brennräumen der Zylinder kein Kraftstoff verbrannt wird, entstehen während des Schubbetriebs weder Kohlenmonoxid noch Stickoxide, so dass die Umsetzung des zur Ventilspülung verwendeten Kraftstoffs mit dem Sauerstoff in der Schubluft ausreicht, um auch strenge Vorgaben an die Abgasemissionen der Brennkraftmaschine zu erfüllen.
  • Um zu verhindern, dass sich der Katalysator infolge der exothermen Reaktion des zur Ventilspülung verwendeten Kraftstoffs mit Sauerstoff aus der Schubluft übermäßig erhitzt, sieht die Erfindung vor,. das Verhältnis zwischen der Menge des zur Ventilspülung verwendeten Kraftstoffs und der Menge der während der Spülung in die Brennkraftmaschine zugeführten Schubluft so einzustellen, dass sich während der Spülung hinter der Brennkraftmaschine im Abgastrakt ein überstöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis einstellt, wobei ein sehr mageres Gemisch mit einem hohen Sauerstoffgehalt und einem niedrigen Kraftstoffgehalt bevorzugt wird, bei dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis einen Wert von λ > 3 und vorzugsweise einen Wert von λ > 4 besitzt.
  • Diese Einstellung kann zweckmäßig durch eine entsprechende Steuerung der Schubluftzufuhr und/oder durch eine entsprechende Steuerung des Kraftstoffdurchsatzes während der Spülung erfolgen, das heißt, der Luft- und/oder Kraftstoffmenge, die pro Zeiteinheit in das zu spülende Einspritzventil oder die zu spülenden Einspritzventile zugeführt wird.
  • In dem Fall, dass während eines Schubbetriebs mehrere Einspritzventile gespült werden sollen, kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Abgas auch dadurch beeinflusst werden, dass den zu spülenden Einspritzventilen nacheinander, einander überlappend oder gleichzeitig Kraftstoff zum Spülen zugeführt wird.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit unterschiedlichen Einspritzventilen für zwei verschiedene Kraftstoffe.
  • Die in 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1 eines Kraftfahrzeugs umfasst ein Zylinderkurbelgehäuse 2 mit mehreren Zylindern 3 (nur einer dargestellt), einer Kurbelwelle 4 und mehreren Kolben 5 (nur einer dargestellt), die über Pleuel 6 mit der Kurbelwelle 4 verbunden sind und sich jeweils in einem der Zylinder 3 auf und ab bewegen, wobei sie zusammen mit den Zylindern 3 und einem Zylinderkopf 7 der Brennkraftmaschine 1 Brennräume 8 begrenzen. Die Kurbelwelle 4 treibt über einen Antriebsstrang (nicht dargestellt) die Räder des Kraftfahrzeugs an.
  • Der Zylinderkopf 7 ist mit Einlasskanälen 9 und Einlassventilen 10 versehen, durch die Frischluft in die Brennräume 8 der Zylinder 3 zugeführt wird. Der Zylinderkopf 7 ist weiter mit Auslasskanälen 11 und Auslassventilen 12 versehen, durch die Abgase aus den Brennräumen 8 der Zylinder 3 in einen Abgastrakt 13 der Brennkraftmaschine 1 abgeführt werden. Zur Verringerung der Abgasemissionen der Brennkraftmaschine 1 ist im Abgastrakt 13 ein Dreiwege-Katalysator 14 angeordnet.
  • Die Brennkraftmaschine 1 weist weiter eine Mehrzahl von ersten Einspritzventilen 15 (nur eines dargestellt) auf, durch die ein erster Kraftstoff 19 direkt in die Brennräume 8 der Zylinder 3 eingespritzt werden kann. Zu diesem Zweck sind die im Zylinderkopf 7 der Brennkraftmaschine 1 montierten, von einer Ventilsteuerung 16 gesteuerten ersten Einspritzventile 15 über eine Kraftstoffpumpe 17 mit einem ersten Kraftstofftank 18 zur Aufnahme des ersten Kraftstoffs 19 verbunden.
  • Die Brennkraftmaschine 1 weist weiter eine Mehrzahl von zweiten Einspritzventilen 20 auf, durch die alternativ oder ergänzend zum ersten Kraftstoff 19 ein zweiter Kraftstoff 23 in die Brennräume 8 der Zylinder 3 eingespritzt werden kann. Zu diesem Zweck sind die im Zylinderkopf 7 montierten, ebenfalls von der Ventilsteuerung 16 gesteuerten Einspritzventile 20 über eine Kraftstoffpumpe 21 mit einem zweiten Kraftstofftank 22 zur Aufnahme des zweiten Kraftstoffs 23 verbunden.
  • Da die Brennkraftmaschine 1 in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand mit dem ersten Kraftstoff 19 und/oder zweiten Kraftstoff 23 betrieben wird, kann es vorkommen, dass die beiden Kraftstoffe 19, 23 in ganz unterschiedlichem Umfang genutzt werden. Wenn zum Beispiel die Brennkraftmaschine 1 nach jedem Start zuerst eine Zeitlang ausschließlich mit dem ersten Kraftstoff 19 betrieben wird, wird bei einem Betrieb mit vielen Kurzfahrten der zweite Kraftstoff 23 nur selten genutzt. Dies wiederum kann zur Folge haben, dass nach einem Betrieb der Brennkraftmaschine 1 mit dem zweiten Kraftstoff 23 in den zweiten Einspritzventilen 20 zurückbleibende Kraftstoffreste durch die Abwärme der Brennkraftmaschine 1 allmählich verdunsten, wobei sich in den zweiten Einspritzventilen 20 mit der Zeit hochviskose oder harzige Rückstände ablagern können.
  • Um zu vermeiden, dass derartige Rückstände die Dosierung des durch die zweiten Einspritzventile 20 eingespritzten zweiten Kraftstoffs 23 beeinträchtigen oder sogar zu Schäden an den zweiten Einspritzventilen 20 führen können, die deren Austausch erforderlich machen, werden die zweiten Einspritzventile 20 von Zeit zu Zeit mit zweitem Kraftstoff 23 gespült.
  • Durch die Spülung der zweiten Einspritzventile 20 gelangt eine zusätzliche Menge des zweiten Kraftstoffs 23 in die Brennräume 8 der Zylinder 3. Diese Kraftstoffmenge lässt sich jedoch nur schwer bei der Gemischvorsteuerung berücksichtigen, da die Spülung zum einen nur in größeren Zeitabständen vorgenommen wird und zum anderen gewöhnlich nur sehr wenig zweiter Kraftstoff 23 zur Spülung verwendet wird.
  • Um trotzdem eine Veränderung der Abgaszusammensetzung und eine durch diese Veränderung hervorgerufene Beeinträchtigung der Abgaskonvertierung im Dreiwegekatalysator 14 zu vermeiden, wird die Spülung der zweiten Einspritzventile 20 nur im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine 1 vorgenommen, wenn diese über den Antriebsstrang von den Rädern des Kraftfahrzeugs angetrieben wird, zum Beispiel bei Bergabfahrten oder beim Abbremsen des Kraftfahrzeugs mittels der Brennkraftmaschine 1.
  • In dieser Betriebsart ist zum einen die Brennkraftmaschine 1 nicht befeuert und die Kraftstoffzufuhr zu den ersten und zweiten Einspritzventilen 15, 20 abgesehen von der Zufuhr der zur Spülung dienenden geringen Kraftstoffmenge von wenigen Milligramm unterbrochen, während andererseits infolge der Bewegung der Kolben 5 bei geöffneten Einlassventilen 10 durch die Einlasskanäle 9 Schubluft, das heißt Umgebungsluft, in die Brennräume 8 der Zylinder 3 angesaugt und beim Öffnen der Auslassventile 12 mit im Wesentlichen unveränderter Zusammensetzung durch die Auslasskanäle 11 wieder in den Abgastrakt 13 ausgestoßen wird.
  • Dies hat zur Folge, dass sich der im Schubbetrieb zur Spülung der zweiten Einspritzventile 20 dienende zweite Kraftstoff 23 in den Brennräumen 8 der Zylinder 3 mit der Schubluft vermischt und, weil die Brennkraftmaschine 1 nicht befeuert ist, zusammen mit der Schubluft durch den Abgastrakt 13 zum Katalysator 14 gelangt, wo er aufgrund des hohen Sauerstoff-Gehalts der Schubluft vollständig zu Kohlendioxid und Wasser umgesetzt wird.
  • Um eine Beschädigung des Katalysators 14 durch Überhitzung infolge der exothermen Reaktion von Kraftstoff 23 und Luftsauerstoff zu vermeiden, werden die Durchsätze des zur Spülung der zweiten Einspritzventile 20 dienenden zweiten Kraftstoffs 23 und der Schubluft so aufeinander abgestimmt, dass sich im Abgastrakt 13 vor dem Katalysator 14 ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit einem Wert von λ > 4 einstellt.
  • Infolge des verhältnismäßig großen Luftdurchsatzes bei einem solchen Luft-Kraftstoff-Verhältnis verringert sich die bei der Reaktion von zweitem Kraftstoff 23 und Luftsauerstoff pro Zeiteinheit freiwerdende Wärmemenge und damit auch der durch diese Wärmemenge hervorgerufene Temperaturanstieg am Katalysator 14. Bei einer Schublufttemperatur von etwa 200°C im Auslasskanal 11 und einer Temperaturerhöhung von etwa 500°C infolge der Reaktion von zweitem Kraftstoff 23 und Luftsauerstoff bei dem zuvor genannten Luft-Kraftstoff-Verhältnis von λ > 4 während der Spülung im Schubbetrieb werden daher am Katalysator 14 Temperaturen von etwa 700°C erreicht, die unterhalb der üblichen Betriebstemperaturen des Katalysators 14 von etwa 900 bis 1000°C liegen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennkraftmaschine, Dual-Fuel-Injection-Brennkraftmaschine
    2
    Zylinderkurbelgehäuse
    3
    Zylinder
    4
    Kurbelwelle
    5
    Kolben
    6
    Pleuel
    7
    Zylinderkopf
    8
    Brennraum
    9
    Einlasskanal
    10
    Einlassventil
    11
    Auslasskanal
    12
    Auslassventil
    13
    Abgastrakt
    14
    Katalysator
    15
    erstes Einspritzventil
    16
    Einspritzventilsteuerung
    17
    Kraftstoffpumpe
    18
    erster Kraftstofftank
    19
    erster Kraftstoff, weiterer Kraftstoff
    20
    zweites Einspritzventil
    21
    Kraftstoffpumpe
    22
    zweiter Kraftstofftank
    23
    zweiter Kraftstoff

Claims (2)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Dual-Fuel-Injection-Brennkraftmaschine (1) eines Kraftfahrzeugs mit mehreren ersten Einspritzventilen (15) zum Einspritzen eines ersten Kraftstoffs (19) in Brennräume (8) von Zylindern (3) der Brennkraftmaschine (1) und mit mehreren zweiten Einspritzventilen (20) zum Einspritzen eines zweiten Kraftstoffs (23) in die Brennräume (8), wobei die zweiten Einspritzventile (20) zur Vermeidung und/oder Beseitigung von Ablagerungen mit dem zweiten Kraftstoff (23) gespült werden, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Einspritzventile (20) während eines Schubbetriebs der Brennkraftmaschine (1) mit dem zweiten Kraftstoff (23) gespült werden, wobei während des Schubbetriebs der Brennkraftmaschine (1) abgesehen von dem zur Spülung verwendeten zweiten Kraftstoff (23) kein weiterer Kraftstoff (19) in die Brennkraftmaschine (1) zugeführt wird und der zur Spülung in die zweiten Einspritzventile (20) zugeführte zweite Kraftstoff (23) in einem Katalysator (14) einer Abgasnachbehandlungseinrichtung der Brennkraftmaschine (1) verbrannt wird, wobei der zweite Kraftstoff (23) im Katalysator (14) mit Schubluft zur Reaktion gebracht wird, die während der Spülung durch die Brennkraftmaschine (1) strömt, und ein Verhältnis zwischen der Menge des zweiten Kraftstoffs (23), der zur Spülung pro Zeiteinheit in die zweiten Einspritzventile (20) zugeführt wird, und der Menge der Schubluft, die während der Spülung durch die Brennkraftmaschine (1) strömt, so eingestellt wird, dass sich hinter der Brennkraftmaschine (1) und vor dem Katalysator (14) ein überstöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis einstellt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis so eingestellt wird, dass sich hinter der Brennkraftmaschine (1) und vor dem Katalysator (14) ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit einem Wert von λ > 3 oder λ > 4 einstellt.
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