DE102012003310A1

DE102012003310A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Aufheizung eines Abgaskatalysators

Info

Publication number: DE102012003310A1
Application number: DE201210003310
Authority: DE
Inventors: Martin Williges; Andreas Berns
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2012-02-18
Filing date: 2012-02-18
Publication date: 2013-08-22
Anticipated expiration: 2032-02-19
Also published as: DE102012003310B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufheizung eines in einem Abgaskanal (22) einer zumindest zweizylindrigen Brennkraftmaschine (10) angeordneten Abgaskatalysators (24). Das Verfahren umfasst die Schritte: – in einer ersten Phase Durchführung mindestens einer ersten Heizmaßnahme, bis ein Teilabschnitt des Katalysators (24) seine Betriebstemperatur erreicht hat, und – in einer zweiten Phase Durchführung einer gegenläufigen Lambdavertrimmung einzelner Zylinder (12, 14, 16, 18) der Brennkraftmaschine (10), wobei ein erster Zylinder oder eine erste Zylindergruppe (12, 16) mit einem gegenüber einem gewünschten Gesamtlambdawert magereren Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λm) betrieben wird und ein zweiter Zylinder oder eine zweite Zylindergruppe (14, 18) mit einem gegenüber dem Gesamtlambdawert fetteren Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λf) betrieben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufheizung eines in einem Abgaskanal einer zumindest zweizylindrigen Brennkraftmaschine angeordneten Abgaskatalysators, insbesondere eines Kraftfahrzeugs.
Zur Reinigung von Abgasen von Brennkraftmaschinen werden Abgaskatalysatoren eingesetzt, die mittels einer katalytischen Beschichtung auf einem durchströmbaren Katalysatorträger verschiedene Abgasschadstoffe katalytisch zu weniger umweltrelevanten Komponenten umsetzt. Abhängig vom Motortyp (z. B. Otto-, Diesel- oder Gasmotor) können die Katalysatorkomponenten dabei als Oxidationskatalysatoren zur Konvertierung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC und Kohlenmonoxid CO ausgestaltet sein, als Reduktionskatalysatoren zur Reduzierung von Stickoxiden NO_x oder als 3-Wege-Katalysatoren, welche die genannten oxidativen und reduktiven Konvertierungen gleichzeitig fördern. Darüber hinaus können die Katalysatoren Speicherkomponenten für Sauerstoff, Stickoxide, Kohlenwasserstoffe oder andere enthalten.
Allen Katalysatortypen ist bekanntlich gemein, dass sie ihre katalytische Aktivität erst ab einer katalysatorspezifischen Anspringtemperatur (auch Light-Off-Temperatur) entfalten. Dabei ist die Anspring- oder Light-Off-Temperatur als diejenige Katalysatortemperatur definiert, bei welcher der Katalysator 50% des im Abgas enthaltenen CO und/oder NO konvertiert. Um eine schnelle Katalysatorerwärmung etwa nach einem Kaltstart zu erzielen, umfassen Katalysatorsysteme von Kraftfahrzeugen häufig einen motornah angeordneten, kleinvolumigen Vorkatalysator, der aufgrund seiner Nähe zum Motor und seiner relativ geringen Wärmekapazität schnell seine Anspringtemperatur erreicht. Der Vorkatalysator übernimmt dann den Großteil der Konvertierungsleistung während der Startphase, bis auch ein im Abgasweg weiter stromab angeordneter, größerer Hauptkatalysator seine Betriebstemperatur erreicht.
Neben der passiven Erwärmung durch das heiße Verbrennungsabgas sind verschiedene aktive Heizmaßnahmen bekannt, welche die Katalysatorerwärmung beschleunigen.
Bekannt ist zum einen eine Zündwinkelspätverstellung, wobei der Zündzeitpunkt bzw. der Zündwinkel, an dem die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches erfolgt, in Richtung spät bezüglich eines Zündwinkels mit höchstem Wirkungsgrad (= wirkungsgradoptimierter Zündwinkel) verstellt wird. Durch die Zündwinkelspätverstellung wird der Arbeitswirkungsgrad der Verbrennung vermindert und gleichzeitig eine Verbrennungs- beziehungsweise Abgastemperatur erhöht. Infolge des heißeren Abgases wird die Katalysatoraufheizung beschleunigt.
Ein weiteres Verfahren zur Erhöhung der Abgastemperatur besteht in einer so genannten Mehrfacheinspritzung bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen, bei dem die während eines Arbeitszyklus zuzuführende Kraftstoffmenge auf wenigstens zwei Einspritzvorgänge aufgeteilt wird. Der Mehrfacheinspritzungsbetrieb führt wegen seines speziell gearteten Brennverlaufs zu einer erhöhten Abgastemperatur gegenüber reinem Homogenbetrieb. Das geteilte Einspritzverfahren bewirkt ferner eine erhöhte Entflammungsstabilität und ermöglicht zudem besonders späte Zündwinkel zum Katalysatorheizen.
Nachteilig an Heizmaßnahmen, die auf einer Erhöhung der Abgastemperatur beruhen, ist, dass die Wärmenergie des Abgases teilweise über den Krümmer und das Abgasrohr abgeführt wird und somit nicht dem Heizen des Katalysators vorenthalten wird.
Nach einem anderen Heizverfahren wird Sekundärluft in den Abgaskrümmer eingeblasen, wodurch die im fetten Abgas vorhandenen unverbrannten Kohlenwasserstoffe noch im heißen Krümmer mit der Frischluft unter Wärmeentwicklung nachverbrennen. Zudem ist eine Nacheinspritzung von Kraftstoff nach Brennende bekannt, der ebenfalls im Krümmer exotherm nachverbrennt und so zu einer weiteren Katalysatorerwärmung führt.
Alle bekannten Heizverfahren führen entweder zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch und/oder zu Mehrkosten für zusätzliche Bauteile (z. B. Sekundärluftpumpe).
Als Maßnahme zum Aufheizen von motorfern angeordneten NO_x-Speicherkatalysatoren zum Zwecke ihrer Entschwefelung ist ferner die auch als Lambdasplit bezeichnete gegenläufige Vertrimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses einzelner Zylinder des Motors bekannt, wobei einige Zylinder mit einem gegenüber einem Gesamtlambda fetteren und andere Zylinder mit einem magereren Gemisch betrieben werden. Gegenüber einem stöchiometrischen Betrieb bei λ = 1 erfolgt die Verbrennung in den fett betriebenen Zylindern unvollständig (z. B. WO 00/71877 A , WO 00/77372 A , DE 103 10 024 A , DE 103 49 855 A , DE 103 53 597 A , DE 199 10 503 C1 ). Die nicht verbrannten Komponenten des Abgases werden dann mit dem Restsauerstoffgehalt der mager betriebenen Zylinder an dem nachgeschalteten Katalysator exotherm umgesetzt und sorgen somit für eine Erwärmung des Katalysators. Die gegenläufige Lambdavertrimmung wird gemäß diesem Stand der Technik somit verwendet, um das Abgas mittels eines betriebswarmen Katalysators weiter zu erhitzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem ein kalter, also noch nicht betriebsbereiter Katalysator, insbesondere nach einem Motorkaltstart, besonders schnell auf seine Betriebstemperatur aufgeheizt werden kann. Das Verfahren sollte mit einem möglichst geringen Kraftstoffmehrverbrauch auskommen und mit möglichst geringen Schadstoffemissionen einhergehen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den in den unabhängigen Ansprüchen genannten Merkmalen gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Aufheizung eines in einem Abgaskanal einer zumindest zweizylindrigen Brennkraftmaschine angeordneten Abgaskatalysators umfasst die Schritte:

– in einer ersten Phase Durchführung mindestens einer ersten Heizmaßnahme, bis ein Teilabschnitt des Katalysators seine Betriebstemperatur erreicht hat, und
– in einer zweiten Phase Durchführung einer gegenläufigen Lambdavertrimmung einzelner Zylinder der Brennkraftmaschine, wobei ein erster Zylinder oder eine erste Zylindergruppe mit einem gegenüber einem gewünschten Gesamtlambdawert magereren Luft-Kraftstoff-Verhältnis betrieben wird und ein zweiter Zylinder oder eine zweite Zylindergruppe mit einem gegenüber dem Gesamtlambdawert fetteren Luft-Kraftstoff-Verhältnis betrieben wird.

Erfindungsgemäß wird somit das zur Entschwefelung von bereits auf Betriebstemperatur befindlichen NO_x-Speicherkatalysatoren verwendete Verfahren des Lambdasplits verwendet, um einen noch kalten Abgaskatalysator, beispielsweise einen Vorkatalysator oder einen Einzelkatalysator aufzuheizen. Dabei wird in der ersten Phase mit einer geeigneten ersten Heizmaßnahme der Katalysator soweit erwärmt, dass wenigstens ein Teilabschnitt von diesem, insbesondere eine stromaufwärtige Eingangszone des Katalysators, seine Betriebstemperatur erreicht hat. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass die in der zweiten Phase durch die gegenläufige Lambdavertrimmung im Abgas der fett betriebenen Zylinder enthaltenden unverbrannten Komponenten (HC, CO) mit dem Sauerstoffüberschuss der mager betriebenen Zylinder auf den betriebswarmen Katalysatorabschnitt umgesetzt werden. Durch die exotherme Umsetzung erfolgt eine weitere Erwärmung des Katalysators, insbesondere auch der stromabwärtiger gelegenen Bereiche. Obwohl somit in der zweiten Phase die Schadstoffrohemission künstlich erhöht wird, kann das Verfahren mit relativ niedrigen Schadstoffendemissionen ausgeführt werden, da der Katalysator aufgrund seiner Vorerwärmung in der ersten Phase bereits eine gewisse Konvertierungsleistung vollbringt.
Vorteil der Lambdavertrimmung ist, dass die zur Katalysatorheizung benötigte Wärme direkt in dem zu beheizenden Katalysator erzeugt wird. Anders als andere Heizverfahren, bei denen die Abgastemperatur motorisch erhöht wird, beispielsweise bei der Zündwinkelspätverstellung, wird die bereitgestellte Heizenergie nicht aufgewendet, um Krümmer und Abgasrohr stromauf des Katalysators zu erwärmen. Insgesamt führt das erfindungsgemäße Verfahren somit zu einer besonders schnellen Aufheizung des Katalysators auf seine Betriebstemperatur und geht mit geringen Schadstoffendemissionen einher. Dabei wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung mit dem Begriff „Betriebstemperatur” jede Katalysatortemperatur verstanden, die mindestens der Anspringtemperatur (Light-Off-Temperatur) des Katalysators entspricht.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird während der Durchführung der gegenläufigen Lambdavertrimmung die Lambdaspreizung mit zunehmender Durchwärmung des Katalysators vergrößert. Als Maß für die Durchwärmung kann etwa die Durchschnittstemperatur des Katalysators und/oder die räumliche Ausdehnung desjenigen Teilabschnitts des Katalysators, der bereits die Betriebstemperatur aufweist, herangezogen werden. Dabei wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung mit dem Begriff „Lambdaspreizung” (Δλ) die Differenz zwischen dem (mageren) Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ersten Zylinders bzw. der ersten Zylindergruppe und dem (fetten) Luft-Kraftstoff-Verhältnis des zweiten Zylinders bzw. der zweiten Zylindergruppe verstanden. Wird beispielsweise der erste Zylinder beziehungsweise die erste Zylindergruppe bei einem Lambda von 1,03 betrieben und der zweite Zylinder beziehungsweise die zweite Zylindergruppe bei einem Lambda von 0,98, so beträgt die Lambdaspreizung 0,05. Indem mit zunehmender Durchwärmung des Katalysators die Lambdaspreizung vergrößert wird, wird der Schadstoffanteil im Abgas erhöht und aufgrund der resultierenden höheren Schadstoffumsetzung am Katalysator die exotherme Wärmefreisetzung vergrößert. Auf diese Weise wird die Katalysatoraufheizung weiter beschleunigt. Gleichzeitig wird aufgrund der zunehmenden Durchwärmung des Katalysators die Konvertierung der erhöhten Schadstoffkonzentrationen sichergestellt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Lambdaspreizung in Abhängigkeit von dem Abgasmassenstrom vorgegeben wird. Dabei wird insbesondere bei verhältnismäßig geringen Abgasmassenströmen eine verhältnismäßig höhere Lambdaspreizung als bei größeren Abgasmassenströmen vorgegeben. Bei niedrigen Abgasmassenströmen kann die Lambdaspreizung größer als bei hohen Massenströmen sein, da bei geringeren Strömungsgeschwindigkeiten und Massenströmen die relative Umsetzung höher ist. Vorzugsweise wird die Lambdaspreizung in Abhängigkeit von dem Abgasmassenstrom so groß wie möglich gewählt, ohne dass eine Mindestkonvertierungsleistung im Katalysator unterschritten wird. Diese Ausführung der Erfindung ermöglicht zu jeder Zeit die Einstellung einer größtmöglichen Lambdaspreizung und somit einer schnellstmöglichen Katalysatoraufheizung bei minimalen Endemissionen.
Weitere Faktoren, welche das Ausmaß der Vertrimmung, also die Lambdaspreizung begrenzen können, sind Verbrennungsaussetzer beziehungsweise die damit einhergehende Laufunruhe. Dabei wird die Lambdaspreizung in der zweiten Phase des Verfahrens vorzugsweise so vorbestimmt, dass eine vorgegebene maximale Verbrennungsaussetzerrate und/oder maximale Laufunruhe nicht überschritten wird.
Mit Vorteil können die vorgenannten Maßnahmen miteinander kombiniert werden. Demnach wird die Lambdaspreizung in Abhängigkeit von mindestens zwei der drei Parameter Durchwärmung des Katalysators, aktueller Abgasmassenstrom und/oder Verbrennungsaussetzerrate bzw. Laufunruhe vorbestimmt.
Während der Durchführung der gegenläufigen Lambdavertrimmung in der zweiten Phase des Verfahrens werden die Lambdavorgaben der mager betriebenen sowie der fett betriebenen Zylinder so gewählt, dass sich im Mischabgas ein vorbestimmter Gesamtlambdawert einstellt. Dieser kann in einem Bereich von 0,95 bis 1,05 liegen, insbesondere im Bereich von 0,98 bis 1,02. Vorzugsweise liegt der Gesamtlambdawert, der sich im Mischabgas der mager und fett betriebenen Zylinder ergibt, bei etwa 1,0. Der Gesamtlambdawert kann in an sich bekannter Weise beispielsweise mit einer im Abgaskanal angeordneten Lambdasonde geregelt werden. Insbesondere ist es möglich, den ersten Zylinder beziehungsweise die erste Zylindergruppe unter Verwendung von Kennfeldern vorzusteuern und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des zweiten Zylinders beziehungsweise der zweiten Zylindergruppe zu regeln. Selbstverständlich kann umgekehrt auch die zweite Zylindergruppe vorgesteuert und die erste Zylindergruppe geregelt werden.
Vorzugsweise umfasst die in der ersten Phase des Verfahrens durchgeführte erste Heizmaßnahme eine Maßnahme, die zu einer Erhöhung der Abgastemperatur führt. Hier kommt bei Ottomotoren oder Gasmotoren insbesondere eine Verstellung des Zündwinkels in Richtung spät gegenüber einem wirkungsgradoptimierten Zündwinkel in Betracht. Auf der anderen Seite sind Heizverfahren, welche den chemischen Energieeintrag im Abgas, also die Schadstoffkonzentration künstlich erhöhen, für die erste Phase weniger geeignet, da der Katalysator zu diesem Zeitpunkt noch keine ausreichende Konvertierungsleistung aufweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit Vorteil bei Ottomotoren oder Gasmotoren angewendet werden, da bei diesen die gewünschten Lambdawerte, insbesondere der fett betriebenen Zylinder besonders problemlos dargestellt werden können.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufheizung eines in einem Abgaskanal einer zumindest zweizylindrigen Brennkraftmaschine angeordneten Abgaskatalysators, welche Mittel aufweist, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet sind. Diese Mittel umfassen insbesondere einen Programmalgorithmus zur Steuerung der Durchführung des Verfahrens und/oder zur Durchführung des Verfahrens notwendige Kennfelder und/oder Kennlinien. Der Programmalgorithmus und/oder die Kennfelder und/oder -linien können dabei insbesondere in einem Motorsteuergerät in computerlesbarer Form gespeichert vorliegen.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch eine Anordnung einer Brennkraftmaschine mit nachgeschaltetem Abgaskatalysator;
2 ortsabhängige Temperaturverteilung über die Katalysatorlänge bei Startbeginn der Brennkraftmaschine;
3 ortsabhängige Temperaturverteilung über die Katalysatorlänge zu einem ersten, frühen Zeitpunkt des erfindungsgemäßen Katalysatorheizverfahrens im Vergleich zu einem konventionellen Katalysatorheizverfahren;
4 ortsabhängige Temperaturverteilung über die Katalysatorlänge zu einem zweiten, späteren Zeitpunkt des erfindungsgemäßen Katalysatorheizverfahrens im Vergleich zu einem konventionellen Katalysatorheizverfahren und
5 ortsabhängige Temperaturverteilung über die Katalysatorlänge zu einem dritten, noch späteren Zeitpunkt des erfindungsgemäßen Katalysatorheizverfahrens im Vergleich zu einem konventionellen Katalysatorheizverfahren.
Bei der in 1 dargestellten Brennkraftmaschine 10 handelt es sich um einen Otto- oder Gasmotor, der wenigstens zwei Zylinder aufweist, hier beispielsweise vier Zylinder 12, 14, 16 und 18. Den Zylindern wird in bekannter Weise über ein hier nicht dargestelltes Luftzuführungssystem Frischluft sowie über ein ebenfalls nicht dargestelltes Kraftstoffzuführungssystem Kraftstoff zugeführt, so dass ein gewünschtes Luft-Kraftstoff-Verhältnis in den Zylindern eingestellt wird. Dabei ist das Kraftstoffzuführungssystem insbesondere so ausgestaltet, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis für jeden der vier Zylinder 12, 14, 16 und 18 individuell einstellbar ist. Vorzugsweise ist das Kraftstoffzuführungssystem als Direkteinspritzung ausgestaltet, wobei jeder Zylinder 12, 14, 16 und 18 einen eigenen Kraftstoffinjektor (nicht dargestellt) aufweist.
Die Verbrennungsabgase der einzelnen Zylinder 12, 14, 16 und 18 werden über einen Abgaskrümmer 20 abgeleitet und in einen gemeinsamen Abgaskanal 22 zusammengeführt. In dem Abgaskanal 22 ist ein Katalysator 24 angeordnet, bei dem es sich beispielsweise um einen kleinvolumigen Vorkatalysator handelt, dem ein hier nicht dargestellter relativ großvolumiger Hauptkatalysator nachgeschaltet ist. Ebenso kann der Katalysator 24 jedoch auch ein Einzelkatalysator sein. Der Abgaskatalysator 24 weist einen vom Abgas durchströmbaren Katalysatorträger auf, beispielsweise ein Metall- oder Keramiksubstrat, sowie eine darauf aufgebrachte Katalysatorbeschichtung. Die Art der Katalysatorbeschichtung hängt insbesondere von dem Motortyp ab. Handelt es sich bei der Brennkraftmaschine 10 beispielsweise um einen Ottomotor, so kann der Katalysator 24 beispielsweise als 3-Wege-Katalysator ausgebildet sein.
Stromab einer Zusammenführungsstelle des Abgaskrümmers 20 und stromauf des Abgaskatalysators 24 ist eine sauerstoffempfindliche Messeinrichtung 26 im Abgaskanal 22 angeordnet, beispielsweise eine Lambdasonde. Ferner kann die Anordnung einen Temperatursensor 28 umfassen, der eine Temperatur des Katalysators 24 erfasst. Alternativ kann der Temperatursensor 28 auch im Abgaskanal 22 angeordnet sein, so dass die Katalysatortemperatur aus der Abgastemperatur ermittelt werden kann. In einer weiteren alternativen Ausführung kann die Temperatur des Katalysators 24 auch rechnerisch in Abhängigkeit von aktuellen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 10 abgeschätzt werden.
Die Anordnung umfasst ferner eine Motorsteuerung 30, in welche die Signale der Lambdasonde 26 sowie des Temperatursensors 28 eingehen. Ferner erhält die Motorsteuerung 30 Informationen der Brennkraftmaschine 10 sowie des Fahrzeugs, beispielsweise über die Last, die Motortemperatur, die Drehzahl, die Laufunruhe und dergleichen mehr. In Abhängigkeit dieser Signale steuert die Motorsteuerung 30 verschiedene Parameter der Brennkraftmaschine 10, beispielsweise die Zumessung der Verbrennungsluft sowie des Kraftstoffs, den Einspritzzeitpunkt, den Zündwinkel und dergleichen mehr. Insbesondere liegt in der Motorsteuerung 30 ein computerlesbarer Programmalgorithmus gespeichert vor, mit welchem das erfindungsgemäße Verfahren zur Aufheizung des Katalysators 24 durchführbar ist. Dieses Verfahren soll anhand der folgenden 2 bis 5 erläutert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst wenigstens zwei Phasen. Dabei wird in der ersten Phase eine erste, insbesondere die Abgastemperatur erhöhende Heizmaßnahme solange durchgeführt, bis ein Teilabschnitt des Katalysators 24, insbesondere seine vordere, eingangsseitige Zone, seine Betriebstemperatur erreicht hat. Insbesondere dient hier als Heizmaßnahme eine Zündwinkelspätverstellung, mit der der Motorwirkungsgrad verschlechtert und die Abgastemperatur erhöht wird. Anschließend erfolgt in einer zweiten Phase die Durchführung einer gegenläufigen Lambdavertrimmung, bei der eine erste Zylindergruppe, hier umfassend beispielsweise die Zylinder 12 und 16, mit einem gegenüber einem gewünschten Gesamtlambdawert, der insbesondere bei Lambda = 1,0 liegt, magereren Luft-Kraftstoff-Verhältnis betrieben wird und eine zweite Zylindergruppe, hier beispielsweise die Zylinder 14 und 18 mit einem gegenüber dem Gesamtlambdawert fetteren Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Dabei kann selbstverständlich auch eine andere Verteilung der fett und mageren Zylinder gewählt werden. Ebenso ist denkbar, dass die Anzahl der mager und der fett betriebenen Zylinder ungleich gewählt wird.
Die erste und die zweite Phase können überlappen. Beispielsweise kann die Heizmaßnahme der ersten Phase (z. B. die Zündwinkelspätverstellung) kontinuierlich zurückgenommen werden, während bereits die gegenläufige Lambdavertrimmung der zweiten Phase erfolgt.
In den 2 bis 5 ist die Katalysatortemperatur T_Kat des Katalysators 24 ortsabhängig über seine Länge L beginnend vom (eingangsseitigen) Katalysatoranfang KA bis zum (ausgangsseitigen) Katalysatorende KE dargestellt. Dabei ist jeweils der Verlauf der Katalysatortemperatur zu unterschiedlichen Zeitpunkten des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt (Graph 100) sowie gemäß einem konventionellen Heizverfahren, bei dem die Katalysatorheizung ausschließlich über eine Zündwinkelspätverstellung erfolgt (Graph 200).
2 zeigt den Verlauf der Katalysatortemperatur zu Beginn des Motorstarts, noch ehe eine Heizmaßnahme begonnen wurde. Zu diesem Zeitpunkt liegt über die gesamte Katalysatorlänge L eine gleichmäßige niedrige Katalysatortemperatur vor, die weit unterhalb der Light-Off-Temperatur T_LO liegt. Da zu diesem Zeitpunkt noch keine Maßnahme zur Aufheizung des Katalysators durchgeführt wird, ist der Temperaturverlauf nach dem erfindungsgemäßen Verfahren (Verlauf 100) sowie nach dem herkömmlichen Verfahren (Spätzündung; Verlauf 200) identisch.
Unmittelbar nach Motorstart, wenn die Brennkraftmaschine eine vorbestimmte Drehzahl erreicht hat und eine Katalysatortemperatur festgestellt wird, die unterhalb der Light-Off-Temperatur T_LO liegt, beginnt das erfindungsgemäße Heizverfahren, in dem in der ersten Phase eine Spätverstellung der Zündwinkel der Zylinder 12 bis 18 gegenüber einem wirkungsgradoptimierten Zündwinkel erfolgt. Wie in 3 zu sehen ist, erfolgt aufgrund der erhöhten Abgastemperatur eine Erwärmung des Katalysators in der vorderen, eingangsseitigen Katalysatorzone. Jedoch reicht die zu dem in 3 dargestellten Zeitpunkt erreichte Katalysatortemperatur noch nicht aus, um eine ausreichende Schadstoffkonvertierung zu gewährleisten, da die Light-Off-Temperatur T_LO noch in keiner Zone des Katalysators erreicht ist. Da in der ersten Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens ebenso wie in dem konventionellen Verfahren eine Zündwinkelspätverstellung durchgeführt wird, entsprechen die Verläufe 100 und 200 einander.
Sobald ein vorbestimmter Teilabschnitt des Katalysators 24 die Light-Off-Temperatur T_LO oder eine darüber liegende Temperatur erreicht hat, beginnt erfindungsgemäß eine zweite Phase, bei der eine gegenläufige Lambdavertrimmung der einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine durchgeführt wird. Wie bereits ausgeführt, können hier die Zylinder 12 und 16 der ersten Zylindergruppe mit einem leicht mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ_m) betrieben werden und die Zylinder 14 und 18 der zweiten Zylindergruppe mit einem leicht fetteren Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ_f). Dabei ist die Zuordnung der einzelnen Zylinder zu den beiden Zylindergruppen jedoch willkürlich und kann auch auf andere Weise erfolgen. Vorzugsweise wird mit Beginn der gegenläufigen Lambdavertrimmung die Zündwinkelspätverstellung allmählich zurückgenommen, um schließlich einen wirkungsgradoptimierten Zündwinkel in allen Zylindern einzustellen.
4 zeigt einen frühen Zeitpunkt der zweiten Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens, kurz nach Beginn der Lambdavertrimmung. Es ist erkennbar, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereits zu diesem frühen Zeitpunkt eine weitergehende Durchwärmung des Katalysators erzielt wird (Verlauf 100) als gegenüber der ausschließlichen Beheizung über die Zündwinkelspätverstellung (Verlauf 200).
Diese Tendenz setzt sich im weiteren Verlauf des Verfahrens fort, wie anhand von 5 ersichtlich ist. Zu dem in 5 dargestellten Zeitpunkt befindet sich bereits etwa ein Viertel des Katalysatorvolumens auf Betriebstemperatur (Verlauf 100), während mit der reinen Spätzündung lediglich ein wesentlich kleinerer Abschnitt des Katalysators aktiv ist (Verlauf 200). Zudem liegt die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielte Katalysatortemperatur wesentlich oberhalb der mit den konventionellen Verfahren erzielten Temperatur.
Das Ausmaß der Lambdavertrimmung (Lambdaspreizung Δλ) wird vorzugsweise mit zunehmender Durchwärmung des Katalysators vergrößert. Dabei kann als Maß für die Durchwärmung des Katalysators entweder die über die Katalysatorlänge L gemittelte Katalysatortemperatur verwendet werden oder die Ausdehnung der Katalysatorzone, welche die Betriebstemperatur aufweist. Zusätzlich kann die Lambdaspreizung Δλ in Abhängigkeit von dem aktuellen Abgasmassenstrom der Brennkraftmaschine 10 vorgegeben werden, wobei mit kleineren Abgasmassenströmen eine größere Lambdaspreizung eingestellt wird und umgekehrt. Schließlich kann die Lambdaspreizung auch in Abhängigkeit von der Laufunruhe, welche im Wesentlichen durch Verbrennungsaussetzer hervorgerufen wird, begrenzt werden. Wird eine maximale Schwelle für die Laufunruhe überschritten, so wird die Lambdaspreizung zurückgenommen.
Zur Ermittlung der vorzugebenden Lambdaspreizung Δλ kann die Steuereinrichtung 30 (siehe 1) entsprechende Kennfelder enthalten, welche die vorzugebende Lambdaspreizung (Δλ) als Funktion der Katalysatordurchwärmung, des Abgasmassenstroms und/oder der Laufunruhe abbilden.
Das Verfahren, insbesondere die zylinderselektive Lambdavertrimmung, wird vorzugsweise spätestens beendet, wenn der Katalysator über seine ganze Länge L durchwärmt ist. Um eine lokale Überhitzung des Katalysators zu vermeiden, kann die Lambdavertrimmung bereits zu einem früheren Zeitpunkt allmählich zurückgenommen werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine sehr schnelle Katalysatorerwärmung bei geringen Schadstoffendemissionen erzielt. Aufgrund der schnelleren Betriebsbereitschaft des Katalysators beziehungsweise der Katalysatoren können die so genannten Startemissionen, die bis zum Erreichen der Anspringtemperatur gemessen werden, trotz der vorübergehenden Schadstofferhöhung im Rohabgas sogar vermindert werden. Andererseits können bei gleicher Emissionsklasse Katalysatoren eingesetzt werden, die eine geringere Edelmetallbeladung ihrer katalytischen Beschichtung aufweisen.
Das Verfahren lässt sich zur Katalysatorheizung beliebiger Kraftfahrzeuge, umfassend Personenkraftfahrzeuge, Motorräder, Flugzeuge oder Boote, verwenden, oder bei stationären Anwendungen, beispielsweise in Blockheizkraftwerken. Voraussetzung ist, dass die Brennkraftmaschine mindestens zwei Zylinder aufweist und eine zylinderindividuelle Kraftstoffzumessung besitzt.
Bezugszeichenliste

10: Brennkraftmaschine
12–18: Zylinder
20: Abgaskrümmer
22: Abgaskanal
24: Abgaskatalysator
26: Lambdasonde
28: Temperatursensor
30: Motorsteuerung
100: Temperaturverlauf im Katalysator bei erfindungsgemäßen Heizverfahren
200: Temperaturverlauf im Katalysator bei konventionellem Heizverfahren
L: Katalysatorlänge
KA: Katalysatoranfang
KE: Katalysatorende
T_Kat: Katalysatortemperatur
T_LO: Anspringtemperatur (= Light-Off-Temperatur)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 00/71877 A [0010]
WO 00/77372 A [0010]
DE 10310024 A [0010]
DE 10349855 A [0010]
DE 10353597 A [0010]
DE 19910503 C1 [0010]

Claims

Verfahren zur Aufheizung eines in einem Abgaskanal (22) einer zumindest zweizylindrigen Brennkraftmaschine (10) angeordneten Abgaskatalysators (24), mit den Schritten – in einer ersten Phase Durchführung mindestens einer ersten Heizmaßnahme, bis ein Teilabschnitt des Katalysators (24) seine Betriebstemperatur erreicht hat, und – in einer zweiten Phase Durchführung einer gegenläufigen Lambdavertrimmung der Brennkraftmaschine (10), wobei ein erster Zylinder oder eine erste Zylindergruppe (12, 16) der Brennkraftmaschine (10) mit einem gegenüber einem gewünschten Gesamtlambdawert magereren Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ_m) betrieben wird und ein zweiter Zylinder oder eine zweite Zylindergruppe (14, 18) mit einem gegenüber dem Gesamtlambdawert fetteren Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ_f) betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Durchführung der gegenläufigen Lambdavertrimmung eine Lamdaspreizung (Δλ) zwischen dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ_m) des ersten Zylinders oder der ersten Zylindergruppe (12, 16) und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ_f) des zweiten Zylinders oder der zweiten Zylindergruppe (14, 18) mit zunehmender Durchschnittstemperatur des Katalysators (24) und/oder mit zunehmender Ausdehnung des die Betriebstemperatur aufweisenden Teilabschnitts des Katalysators (24) vergrößert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lambdaspreizung (Δλ) zwischen dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ_m) des ersten Zylinders oder der ersten Zylindergruppe (12, 16) und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ_f) des zweiten Zylinders oder der zweiten Zylindergruppe (14, 18) in Abhängigkeit von einem Abgasmassenstrom vorgegeben wird, wobei bei geringen Abgasmassenströmen eine größere Lambdaspreizung (Δλ) als bei großen Abgasmassenströmen vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lambdaspreizung (Δλ) zwischen dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ_m) des ersten Zylinders oder der ersten Zylindergruppe (12, 16) und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ_f) des zweiten Zylinders oder der zweiten Zylindergruppe (14, 18) in Abhängigkeit von einer Verbrennungsaussetzerrate und/oder einer Laufunruhe vorbestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Durchführung der gegenläufigen Lambdavertrimmung ein Gesamtlambdawert im Bereich von 0,95 bis 1,05, insbesondere im Bereich von 0,98 bis 1,02, vorzugsweise bei 1,0, eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in der ersten Phase durchgeführte erste Heizmaßnahme eine, die Abgastemperatur erhöhende Maßnahme umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die die Abgastemperatur erhöhende Heizmaßnahme eine Verstellung des Zündwinkels in Richtung spät gegenüber einem wirkungsgradoptimierten Zündwinkel umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (10) ein Ottomotor oder ein Gasmotor ist.
Vorrichtung zur Aufheizung eines in einem Abgaskanal (22) einer zumindest zweizylindrigen Brennkraftmaschine (10) angeordneten Abgaskatalysators (24) umfassend Mittel, die eingerichtet sind, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel einen Programmalgorithmus zur Steuerung der Durchführung des Verfahrens umfassen.