DE102012202679B3 - Verfahren zur Einleitung und Aufrechterhaltung eines unterstöchiometrischen Betriebs einer Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Einleitung und Aufrechterhaltung eines unterstöchiometrischen Betriebs einer Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einleitung und Aufrechterhaltung eines vorgebbaren unterstöchiometrischen (λconstant < 1) Betriebs einer Brennkraftmaschine mit im Wesentlichen konstanten Luftverhältnis λconstant, wobei die Brennkraftmaschine ein Abgasabführsystem zum Abführen der Abgase und mindestens ein in diesem Abgasabführsystem angeordnetes Abgasnachbehandlungssystem aufweist, bei dem – die Brennkraftmaschine für eine vorgebbare Zeitspanne Δtλ<1 in einen unterstöchiometrischen Betrieb (λconstant < 1) überführt wird. Es soll ein verbessertes Verfahren zur Einleitung und Aufrechterhaltung eines vorgebbaren unterstöchiometrischen Betriebs einer Brennkraftmaschine aufgezeigt werden. Erreicht wird dies mit einem Verfahren der oben genannten Art, bei dem – die Brennkraftmaschine im mittleren Lastbereich in einen unterstöchiometrischen und im Wesentlichen stationären Betrieb mit λconstant < 1 überführt wird, und – eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine verwendet wird, um als zuschaltbarer Hilfsantrieb einen angeforderten Leistungsmehrbedarf zu befriedigen, so dass der stationäre Betrieb der Brennkraftmaschine aufrechterhalten wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einleitung und Aufrechterhaltung eines vorgebbaren unterstöchiometrischen (λconstant < 1) Betriebs einer Brennkraftmaschine mit im Wesentlichen konstanten Luftverhältnis λconstant, wobei die Brennkraftmaschine ein Abgasabführsystem zum Abführen der Abgase und mindestens ein in diesem Abgasabführsystem angeordnetes Abgasnachbehandlungssystem aufweist, bei dem
    • – die Brennkraftmaschine im mittleren Lastbereich für eine vorgebbare Zeitspanne Δtλ<1 in einen unterstöchiometrischen Betrieb (λconstant < 1) überführt wird.
  • Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
  • Die deutsche Offenlegungsschrift DE 199 53 480 A1 beschreibt ein Verfahren zur Regelung einer Brennkraftmaschine während der Regeneration eines zur Abgasnachbehandlung im Abgasabführsystem vorgesehenen Speicherkatalysators. Zum Zwecke der Regeneration des Speicherkatalysators wird vorzugsweise im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine, d. h. im mittleren Lastbereich, ein unterstöchiometrischer Betrieb der Brennkraftmaschine mit λ < 1 eingeleitet. Hierzu wird die Ansaugluftzufuhr der Brennkraftmaschine gedrosselt.
  • Nachteilig an dieser aus dem Stand der Technik bekannten Vorgehensweise ist der durch die Drosselung der Luftzufuhr hervorgerufene Drehmomentverlust, d. h. der Leistungsverlust. Um ein während der Drehmomentänderung auftretendes Ruckeln und Vibrieren zu vermeiden, wird vorgeschlagen, den Regenerationsbetrieb, d. h. die Einstellung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, mit einer Drehmomentregelung zu kombinieren, wobei vorzugsweise auf die übliche Begrenzung der eingespritzten Kraftstoffmenge verzichtet wird. Hinsichtlich der Aufrechterhaltung des einmal eingeleiteten unterstöchiometrischen Betriebs der Brennkraftmaschine mit im Wesentlichen konstanten Luftverhältnis können der DE 199 53 480 A1 keine Angaben entnommen werden.
  • Die Bereitstellung einer ausreichenden Menge an Reduktionsmitteln, insbesondere an Kohlenmonoxid, wird durch Rückführung von Abgasen während des Regenerationsbetriebs sichergestellt, wodurch auch eine gegebenenfalls infolge der Drehmomentregelung verminderte Kraftstoffeinspritzung kompensiert werden soll.
  • Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2006 031 570 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem ein einstellbares Drehmoment und ein begrenzter Dynamikbereich für die Brennkraftmaschine vorgegeben werden, um Diagnosen und/oder Adaptionen durchführen zu können. Im Falle einer erhöhten Lastanforderung wird das Differenzdrehmoment durch einen zuschaltbaren Hilfsantrieb erbracht.
  • Üblicherweise und im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist das Luftverhältnis λ definiert als das Verhältnis der dem mindestens einen Zylinder der Brennkraftmaschine tatsächlich zugeführten Luftmasse mLuft,tat zu der stöchiometrischen Luftmasse mLuft,stöch, welche erforderlich wäre, um die dem mindestens einen Zylinder zugeführte Kraftstoffmasse mKraftstoff gerade vollständig zu oxidieren (stöchiometrischer Betrieb der Brennkraftmaschine λ = 1). Es gilt λ = mLuft,tat/mLuft,stöch und mit dem stöchiometrischen Luftbedarf Lstöch, der definiert ist zu Lstöch = mLuft,stöch/mKraftstoff gilt für das Luftverhältnis λ = mLuft,tat/mKraftstoff·(1/Lstöch). Nach dem Stand der Technik werden Brennkraftmaschinen zur Reduzierung der Schadstoffemissionen mit verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen ausgestattet.
  • Bei Ottomotoren kommen katalytische Reaktoren zum Einsatz, die unter Verwendung katalytischer Materialien, welche die Geschwindigkeit bestimmter Reaktionen erhöhen, eine Oxidation von HC und CO auch bei niedrigen Temperaturen sicherstellen. Sollen zusätzlich Stickoxide NOx reduziert werden, kann dies durch den Einsatz eines Dreiwegekatalysators erreicht werden, der dazu aber einen in engen Grenzen ablaufenden stöchiometrischen Betrieb (λ ≈ 1) des Ottomotors erfordert. Dabei werden die Stickoxide NOx mittels der vorhandenen nicht oxidierten Abgaskomponenten, nämlich den Kohlenmonoxiden CO und den unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC, reduziert, wobei gleichzeitig diese Abgaskomponenten oxidiert werden.
  • Bei Brennkraftmaschinen, die mit einem Luftüberschuß betrieben werden, beispielsweise im Magerbetrieb arbeitende Ottomotoren und direkteinspritzende Dieselmotoren, aber auch direkteinspritzende Ottomotoren, können die im Abgas befindlichen Stickoxide NOx prinzipbedingt, d. h. aufgrund der fehlenden Reduktionsmittel nicht reduziert werden.
  • Infolgedessen muß ein Abgasnachbehandlungssystem zur Reduzierung der Stickoxide vorgesehen werden, beispielsweise ein Speicherkatalysator, der auch als LNT bezeichnet wird. Dabei werden die Stickoxide zunächst während eines mageren Betriebs (λ > 1) der Brennkraftmaschine im Katalysator absorbiert, d. h. gesammelt und gespeichert, um dann während einer Regenerationsphase beispielsweise mittels eines unterstöchiometrischen Betriebs (λ > 1) der Brennkraftmaschine bei Sauerstoffmangel reduziert zu werden, wobei die im Abgas befindlichen unverbrannten Kohlenwasserstoffe HC und das Kohlenmonoxid CO als Reduktionsmittel dienen. Weitere innermotorische Möglichkeiten zur Anreicherung des Abgases mit Reduktionsmittel, insbesondere mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen, bietet die Abgasrückführung (AGR) und – bei Dieselmotoren – die Drosselung im Ansaugtrakt. Eine Anreicherung des Abgases mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen kann auch mittels Nacheinspritzung von Kraftstoff in mindestens einen Zylinder der Brennkraftmaschine realisiert werden. Ein Nachteil der letztgenannten Vorgehensweise ist insbesondere die Ölverdünnung. Auf innermotorische Maßnahmen kann verzichtet werden, wenn das Reduktionsmittel direkt in den Abgastrakt eingebracht wird, beispielsweise durch Einspritzen von zusätzlichem Kraftstoff stromaufwärts des LNT.
  • Bei dem Verfahren und der Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind, wird das Abgas mittels eines unterstöchiometrischen Betriebs (λ > 1) der Brennkraftmaschine mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen als Reduktionsmittel angereichert. Weitere Maßnahmen zur Anreicherung können aber vorgesehen sein bzw. werden.
  • Während der Regenerationsphase werden die Stickoxide (NOx) freigegeben und im Wesentlichen in Stickstoffdioxid (N2), Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O) umgewandelt. Die Temperatur des Speicherkatalysators sollte vorzugsweise in einem Temperaturfenster zwischen 200°C und 450°C liegen, so dass einerseits eine schnelle Reduktion sichergestellt wird und andererseits keine Desorption ohne Konvertierung der wieder freigegebenen Stickoxide NOx stattfindet, was durch zu hohe Temperaturen ausgelöst werden kann.
  • Eine Schwierigkeit bei Verwendung eines Speicherkatalysators ergibt sich aus dem im Abgas enthaltenen Schwefel, der ebenfalls absorbiert wird und im Rahmen einer sogenannten Entschwefelung regelmäßig entfernt werden muß. Hierfür muß der Speicherkatalysator auf hohe Temperaturen, üblicherweise zwischen 600°C und 700°C, erwärmt und mit einem Reduktionsmittel, beispielsweise unverbrannten Kohlenwasserstoffen, versorgt werden. Die für eine Entschwefelung erforderlichen hohen Temperaturen können den Speicherkatalysator schädigen, zur thermischen Alterung des Katalysators beitragen und die gewollte Konvertierung der Stickoxide gegen Ende seiner Lebensdauer deutlich mindern.
  • Das Speichervermögen bzw. die Fähigkeit, Stickoxide zu speichern, nimmt mit zunehmender Betriebsdauer des LNT ab, was unter anderem auf die Kontamination des Speicherkatalysators mit Schwefel, d. h. auf die Einlagerung von Schwefel, zurückzuführen ist, aber auch auf thermische Alterung infolge der hohen Temperaturen.
  • Neben einer regelmäßig durchzuführenden Regeneration, d. h. Reinigung des LNT, und einer Entschwefelung, könnten die niedrigen, vom Gesetzgeber vorgegebenen Grenzwerte für Stickoxidemissionen zukünftig eine On-Board-Diagnose (OBD) erforderlich machen, um die mit zunehmender Betriebsdauer des LNT zu erwartende Einschränkung der Funktionstüchtigkeit, d. h. die Abnahme der Konvertierung zu überwachen bzw. zu detektieren.
  • Die vorstehend beschriebenen technischen Zusammenhänge machen deutlich, dass einerseits Verfahren für den unterstöchiometrischen Betrieb einer Brennkraftmaschine erforderlich sind, um einen LNT zu reinigen und zu entschwefeln. Andererseits sind aber auch Verfahren erforderlich, um die Funktionstüchtigkeit des LNT zu überwachen, damit unerwünscht hohe Schadstoffemissionen infolge eingeschränkter Funktionstüchtigkeit bzw. mangelnder Konvertierung sicher vermieden werden.
  • Hinsichtlich des unterstöchiometrischen, d. h. fetten Betriebs einer Brennkraftmaschine muss berücksichtigt werden, dass die Einleitung und Aufrechterhaltung eines unterstöchiometrischen Betriebs nicht bzw. nur unter Einschränkungen in zufriedenstellender Weise, d. h. insbesondere mit einem im Wesentlichen konstanten Luftverhältnis λ, zu realisieren ist. Die Gründe hierfür sind vielfältiger Art und unterscheiden sich abhängig davon, in welchem Lastbereich die Brennkraftmaschine momentan betrieben wird.
  • Im unteren Lastbereich, d. h. bei niedrigen Lasten, ist es nur schwer möglich, einen fetten Betrieb einzuleiten und aufrechtzuerhalten, da eine stabile Verbrennung nicht sichergestellt werden kann (siehe 1 – Bereich C). Probleme bereitet dies insbesondere bei Dieselmotoren, deren Arbeitsverfahren auf einer Kompressionszündung basiert. Es kann zu Zündaussetzern bzw. einer nur unvollständigen Verbrennung des Gemisches kommen. Die Folge ist eine unerwünscht hohe Schadstoffemission, insbesondere an unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC.
  • Im mittleren Lastbereich bereitet die Stabilität der Verbrennung weniger bzw. keine Probleme (siehe 1 – Bereich B). Aber der mittlere Lastbereich ist in der Regel ein Betriebsbereich der Brennkraftmaschine, in welchem im Fahrbetrieb häufig eine Laständerung infolge einer Beschleunigung bzw. einer Verzögerung des Fahrzeuges erfolgt, und damit ein instationärer Betriebsbereich. Die Laständerung ist dabei die Folge eines vom Fahrer angeforderten Leistungsmehrbedarfs bzw. eines von der Brennkraftmaschine bereitgestellten und nicht benötigten Leistungsüberschusses. Ursächlich für eine derartige Laständerung kann auch eine Bergauf- bzw. Bergabfahrt, eine Änderung des Rollwiderstandes oder eine Änderung der Stärke und/oder der Richtung des Fahrtwindes sein.
  • Die transienten Betriebsbedingungen erschweren die Aufrechterhaltung eines konstanten Luftverhältnisses erheblich bzw. machen dies im Einzelfall sogar unmöglich, da der Anforderung des Fahrers über das Gaspedal nicht verzögerungsfrei gefolgt werden kann, insbesondere die für das Luftverhältnis maßgeblichen Betriebsparameter, nämlich die Luftmasse und die Kraftstoffmenge, nur mit Verzögerung und unterschiedlich schnell den neuen Betriebsbedingungen nachgeführt und angepaßt werden können.
  • Im Bereich höherer, hoher und höchster Lasten (siehe 1 – Bereich A) wird die Einleitung und Aufrechterhaltung eines unterstöchiometrischen Betriebs in der Regel durch die maximal zulässige Abgastemperatur reglementiert, wobei die Abgastemperatur häufig durch im Abgasabführsystem vorgesehene Bauteile bzw. deren thermische Belastbarkeit begrenzt wird, beispielweise durch die Turbine eines Abgasturboladers, ein Abgasnachbehandlungssystem oder die Abgasrückführung. Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass die Abgastemperatur in der Regel bei einer Anfettung zunimmt.
  • Hinsichtlich der Verfahren zur Überwachung bzw. Überprüfung der Funktionstüchtigkeit eines Speicherkatalysators ist festzuhalten, dass diese Verfahren häufig ebenfalls einen unterstöchiometrischen, d. h. fetten Betrieb der Brennkraftmaschine erfordern. Die Aufrechterhaltung eines konstanten bzw. im Wesentlichen konstanten Luftverhältnisses λ ist dabei von entscheidender Bedeutung.
  • Die europäische Patentanmeldung EP 1 936 140 A1 beschreibt ein Verfahren zur Überwachung eines Speicherkatalysators unter Verwendung von zwei Lambda-Sonden, wobei ein meßtechnisches Fehlverhalten der Lambda-Sonden ausgenutzt wird. Überschreiten die unverbrannten Kohlenwasserstoffe im Abgas nämlich eine bestimmte Konzentration, liefert die Sonde einen höheren Wert für das Luftverhältnis λmess als tatsächlich vorliegt, beispielsweise bei einem unterstöchiometrischen Betrieb (λ < 1) der Brennkraftmaschine und einer HC-Konzentration von 10.000 ppm im Abgas ein Luftverhältnis von λmess = 0,95 als Meßgröße, obwohl tatsächlich nur ein Luftverhältnis λtat = 0,85 vorliegt.
  • Zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit des Speicherkatalysators wird die HC-Konzentration im Abgas gezielt in der Weise erhöht, dass die erste stromaufwärts des Speicherkatalysators angeordnete Sonde fehlerhaft arbeitet. Falls der Speicherkatalysator funktionsuntüchtig ist, d. h. das Speichervermögen zumindest eingeschränkt ist, werden weniger oder keine unverbrannten Kohlenwasserstoffe mehr durch Freigabe von Stickoxid NOx oxidiert und die HC-Konzentration stromabwärts des Speicherkatalysators ist im Wesentlichen genau so groß wie stromaufwärts des Speicherkatalysators, weshalb beide Lambda-Sonden denselben – mit einem gleichgroßen Meßfehler behafteten – Wert für das Luftverhältnis liefern. Daher wird von einer Funktionsuntüchtigkeit des Speicherkatalysators ausgegangen, falls die mittels Sonden ermittelten Luftverhältnisse λ1,mess, λ2,mess im Wesentlichen gleichgroß sind und gilt λ1,mess/λ2,mess ≈ 1.
  • Falls der Speicherkatalysator hingegen weiterhin funktionstüchtig ist, werden die im Abgas befindlichen unverbrannten Kohlenwasserstoffe zumindest teilweise beim Durchströmen im Speicherkatalysator oxidiert, weshalb die HC-Konzentration im Abgas stromabwärts des Speicherkatalysators geringer sein wird als stromaufwärts des Katalysators. Insofern wird von einer zumindest teilweisen Funktionstüchtigkeit des Speicherkatalysators ausgegangen, falls die beiden Luftverhältnisse λ1,mess, λ2,mess unterschiedlich groß sind mit λ1,mess/λ2,mess > 1. Das mit der zweiten, stromabwärts des Speicherkatalysators angeordneten Sonde ermittelte Luftverhältnis λ2,mess muß dabei nicht zwingend frei sein von einem Meßfehler. Die Abweichung des Luftverhältnisses λ2,mess vom tatsächlich vorliegenden Luftverhältnis λ ist aber zumindest geringer als stromaufwärts des Speicherkatalysators.
  • Das in der EP 1 936 140 A1 beschriebene Verfahren ist auf die Aufrechterhaltung eines konstanten bzw. im Wesentlichen konstanten Luftverhältnisses λ angewiesen und erfordert einen stationären Betrieb der Brennkraftmaschine.
  • Die deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 102012200006.2 beschreibt ebenfalls ein Verfahren zur Überwachung eines Speicherkatalysators, bei dem stromaufwärts und stromabwärts des Speicherkatalysators jeweils eine Lambda-Sonde zur Erfassung des Luftverhältnisses λ angeordnet wird. Zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit des Speicherkatalysators wird die Brennkraftmaschine für eine vorgebbare Zeitspanne in einen unterstöchiometrischen Betrieb (λ > 1) überführt, in dem die beiden Sonden aber – im Gegensatz zu dem in der EP 1 936 140 A1 beschriebenen Verfahren – fehlerfrei arbeiten. Das Verfahren kann auch im instationären Betrieb der Brennkraftmaschine durchgeführt werden, erfordert aber auch die Aufrechterhaltung eines konstanten bzw. im Wesentlichen konstanten Luftverhältnisses λ.
  • Vor dem Hintergrund des zuvor Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Einleitung und Aufrechterhaltung eines vorgebbaren unterstöchiometrischen (λ > 1) Betriebs einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen.
  • Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereitzustellen.
  • Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch ein Verfahren zur Einleitung und Aufrechterhaltung eines vorgebbaren unterstöchiometrischen (λconstant < 1) Betriebs einer Brennkraftmaschine mit im Wesentlichen konstanten Luftverhältnis λconstant, wobei die Brennkraftmaschine ein Abgasabführsystem zum Abführen der Abgase und mindestens ein in diesem Abgasabführsystem angeordnetes Abgasnachbehandlungssystem aufweist, bei dem
    • – die Brennkraftmaschine im mittleren Lastbereich für eine vorgebbare Zeitspanne Δtλ<1 in einen unterstöchiometrischen Betrieb (λconstant < 1) überführt wird, und
    das dadurch gekennzeichnet ist, dass
    • – die Brennkraftmaschine im mittleren Lastbereich in einen unterstöchiometrischen und im Wesentlichen stationären Betrieb mit λconstant < 1 überführt wird, und
    • – eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine verwendet wird, um als zuschaltbarer Hilfsantrieb einen angeforderten Leistungsmehrbedarf zu befriedigen, so dass der stationäre Betrieb der Brennkraftmaschine aufrechterhalten wird.
  • Nach Einleitung der Anfettung wird der einmal realisierte unterstöchiometrische Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem im Wesentlichen konstanten Luftverhältnis λ = constant aufrechterhalten, indem ein angeforderter Leistungsmehrbedarf mittels einer Elektromaschine, die mit dem Antriebsstrang der Brennkraftmaschine verbindbar ist, befriedigt wird.
  • Die Brennkraftmaschine als solche kann weiter stationär betrieben werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das Luftverhältnis λ nicht infolge einer Änderung von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine variiert. Transiente Betriebsbedingungen, unter denen unter anderem die Luftmasse und die Kraftstoffmenge veränderten Rand- bzw. Betriebsbedingungen angepaßt werden müßten, werden vermieden.
  • Die für den unterstöchiometrischen Betrieb der Brennkraftmaschine relevanten Parameter, die in der Regel betriebspunktspezifisch sind, bleiben auch bei einem angeforderten Leistungsmehrbedarf unverändert.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der unterstöchiometrische Betrieb der Brennkraftmaschine (λconstant < 1) gezielt im mittleren Lastbereich realisiert, in welchem die Einleitung und Aufrechterhaltung einer reproduzierbaren stabilen Verbrennung unproblematisch ist. Ein weiterer wesentlicher Vorteil des fetten Betriebs im mittleren Lastbereich resultiert aus den Abgastemperaturen, die ausgehend vom Bereich höherer Lasten zu niedrigeren Lasten hin abnehmen. Die niedrigen Abgastemperaturen im mittleren Lastbereich gestatten eine längere Aufrechterhaltung des unterstöchiometrischen Betriebs, d. h. eine lang anhaltende Reinigung bzw. Entschwefelung des LNT, und räumen genügend Zeit zur Durchführung einer Überprüfung der Funktionalität ein.
  • Die Zeitspanne Δtλ<1, über welche der unterstöchiometrische Betrieb der Brennkraftmaschine aufrechterhalten wird, richtet sich nach der durchzuführenden Maßnahme, d. h. danach, ob beispielsweise ein im Abgasabführsystem angeordneter LNT zu reinigen, zu entschwefeln oder in seiner Funktionstüchtigkeit zu überprüfen ist.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe gelöst, nämlich ein verbessertes Verfahren zur Einleitung und Aufrechterhaltung eines vorgebbaren unterstöchiometrischen (λ < 1) Betriebs einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgezeigt.
  • Weitere vorteilhafte Verfahrensvarianten gemäß den Unteransprüchen werden im Folgenden erläutert.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Brennkraftmaschine in einen im Wesentlichen stationären Betrieb überführt, d. h. ein unterstöchiometrischer Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem im Wesentlichen konstanten Luftverhältnis λ realisiert. Die Formulierung ”im Wesentlichen” trägt dabei auch dem Umstand Rechnung, dass ein vollkommen stationärer Betrieb bzw. ein exakt konstantes Luftverhältnis λ in der Regel nicht realisiert werden kann.
  • Nichtsdestotrotz sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen die Brennkraftmaschine im mittleren Lastbereich in einen unterstöchiometrischen, stationären Betrieb mit λconstant < 1 überführt wird, d. h. insbesondere ein konstantes Luftverhältnis λ realisiert wird.
  • Grundsätzlich ist eine leichte, d. h. umfänglich begrenzte, Anfettung einer starken Anfettung vorzuziehen, da das Einbringen von überschüssigem Kraftstoff sowohl unter energetischen Aspekten, insbesondere hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs der Brennkraftmaschine, als auch hinsichtlich der Schadstoffemissionen als nachteilig anzusehen ist.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Brennkraftmaschine in einen unterstöchiometrischen Betrieb mit 1 > λconstant > 0.9 überführt wird.
  • Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Brennkraftmaschine in einen unterstöchiometrischen Betrieb mit 1 > λconstant > 0.95 überführt wird.
  • Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Brennkraftmaschine in einen unterstöchiometrischen Betrieb mit 0.97 > λconstant > 0.93 überführt wird.
  • Die Festlegung des Luftverhältnisses λ für den unterstöchiometrischen Betrieb der Brennkraftmaschine erfordert einen Kompromiß. Einerseits soll eine so geringe Anfettung wie möglich vorgenommen werden, da sich die Nachteile der Anfettung mit zunehmender Anfettung in stärkerer Ausprägung manifestieren. Andererseits muß das Abgas mittels Anfettung in einem solchen Umfang mit unvollständig oxidierten Verbrennungsprodukten, insbesondere unverbrannten Kohlenwasserstoffen, angereichert werden, dass das gesetzte Ziel erreicht wird.
  • Hinsichtlich eines im Abgasabführsystem angeordneten Speicherkatalysators wird die Festlegung des Luftverhältnisses λ demnach davon mitbestimmt, ob der LNT zu reinigen, zu entschwefeln oder in seiner Funktionstüchtigkeit zu überprüfen ist.
  • Vorteilhaft können Ausführungsformen des Verfahrens sein, bei denen die Brennkraftmaschine für eine Zeitspanne Δtλ<1 > 45 Sekunden in einen unterstöchiometrischen Betrieb überführt wird.
  • Vorteilhaft können auch Ausführungsformen des Verfahrens sein, bei denen die Brennkraftmaschine für eine Zeitspanne Δtλ<1 > 15 Sekunden in einen unterstöchiometrischen Betrieb überführt wird.
  • Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Brennkraftmaschine, beispielsweise zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit des Speicherkatalysators, für eine Zeitspanne Δtλ<1 < 2 Sekunden in einen unterstöchiometrischen Betrieb überführt wird.
  • Für die Festlegung der Dauer der Anfettung, nämlich die Zeitspanne Δtλ<1, gilt das bereits weiter oben für den Grad der Anfettung Gesagte in ähnlicher Weise. Einerseits soll die Anfettung so kurz wie möglich sein, so dass die Nachteile der Anfettung nur so lange wie unbedingt notwendig in Kauf genommen werden müssen. Andererseits muß die Anfettung ausreichend lange anhalten bzw. durchgeführt werden, um das gesetzte Ziel zu erreichen.
  • Eine nur kurz andauernde Anfettung ist auch vorteilhaft, weil die Brennkraftmaschine während des unterstöchiometrischen Betriebs nicht hinsichtlich anderer Anforderungen und Zielsetzungen betrieben werden kann, insbesondere nicht stöchiometrisch bzw. überstöchiometrisch betrieben werden kann.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der mittlere Lastbereich, in welchem die Brennkraftmaschine in den im Wesentlichen stationären Betrieb überführt wird, Lasten Tmid zwischen 20% und 80% der maximalen Last Tmax,n bei der vorliegenden Drehzahl n umfaßt.
  • Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der mittlere Lastbereich, in welchem die Brennkraftmaschine in den im Wesentlichen stationären Betrieb überführt wird, Lasten Tmid zwischen 30% und 70% der maximalen Last Tmax,n bei der vorliegenden Drehzahl n umfasst.
  • Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der mittlere Lastbereich, in welchem die Brennkraftmaschine in den im Wesentlichen stationären Betrieb überführt wird, Lasten Tmid zwischen 40% und 60% der maximalen Last Tmax,n bei der vorliegenden Drehzahl n umfaßt.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine verwendet wird, um als zuschaltbarer Generator einen von der Brennkraftmaschine bereitgestellten Leistungsüberschuß aufzunehmen, so dass der stationäre Betrieb der Brennkraftmaschine aufrechterhalten wird.
  • Vorliegend fungiert die Elektromaschine nicht als zusätzlicher Antrieb, d. h. nicht als zuschaltbarer Hilfsantrieb, welcher zusätzlich zur Brennkraftmaschine Leistung in den Antriebsstrang einspeist, sondern vielmehr als Generator, der die von der Brennkraftmaschine zu viel bereitgestellte – mechanische – Energie bzw. Leistung, d. h. den Leistungsüberschuß, aufnimmt und vorzugsweise speichert, beispielsweise in einem Akkumulator oder Kondensator. Der Kondensator speichert die Energie in Form von getrennten elektrischen Ladungen und zeichnet sich durch die Möglichkeit einer schnellen Entladung aus, d. h. durch die Fähigkeit, schnell große Mengen an Energie bereitstellen zu können.
  • Bei Brennkraftmaschinen, die einen Speicherkatalysator als Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem aufweisen, sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen die Brennkraftmaschine zur Regeneration des Speicherkatalysators in den unterstöchiometrischen Betrieb (λconstant < 1) überführt wird.
  • Bei Brennkraftmaschinen, die einen Speicherkatalysator als Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem aufweisen, sind auch Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen die Brennkraftmaschine zur Entschwefelung des Speicherkatalysators in den unterstöchiometrischen Betrieb (λconstant < 1) überführt wird.
  • Bei Brennkraftmaschinen, die einen Speicherkatalysator als Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem aufweisen, sind auch Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen die Brennkraftmaschine zur Überprüfung der Funktionsuntüchtigkeit des Speicherkatalysators in den unterstöchiometrischen Betrieb (λconstant < 1) überführt wird.
  • Bei der Überprüfung der Funktionsuntüchtigkeit des LNT wird in der Regel der Umstand ausgenutzt, dass beim Durchströmen eines in der Funktionstüchtigkeit eingeschränkten Speicherkatalysators keine oder weniger im Abgas befindliche unverbrannte Kohlenwasserstoffe durch die Freigabe von Stickoxiden NOx oxidiert werden, weshalb sich die HC-Konzentration im Abgas nicht oder nur in geringerem Ausmaß ändert. Die Freigabe von Stickoxiden im Speicherkatalysator und die damit einhergehenden Oxidationsvorgänge verändern ein stromabwärts des LNT meßtechnisch erfaßtes Luftverhältnis λ.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Brennkraftmaschine in einen vorgebbaren Betriebspunkt im mittleren Lastbereich überführt wird, bevor die Brennkraftmaschine in den unterstöchiometrischen Betrieb (λ < 1) überführt wird.
  • Da sich nicht jeder beliebige Betriebspunkt im mittleren Lastbereich gleichgut für den unterstöchiometrischen Betrieb der Brennkraftmaschine eignet, ist es sinnvoll und vorteilhaft, eine begrenzte Anzahl an Betriebspunkten im mittleren Lastbereich für die Durchführung des Verfahrens auszuwählen bzw. vorzusehen, um nicht für sämtliche Kennfeldpunkte im mittleren Lastbereich die Parameter für einen fetten Betrieb in der Motorsteuerung hinterlegen zu müssen.
  • Vorteilhaft sind dabei Verfahrensvarianten, bei denen der vorgegebene Betriebspunkt aus einer begrenzten Liste von k Betriebspunkten ausgewählt wird.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen zur Überführung der Brennkraftmaschine in den unterstöchiometrischen Betrieb das Luftverhältnis λ durch Erhöhung der eingespritzten Kraftstoffmenge verringert wird.
  • Grundsätzlich könnte das Luftverhältnis λ auch durch Reduzierung der bereitgestellten Luftmasse verringert werden. Nachteilig an einer derartigen Vorgehensweise ist aber, dass mit der Reduzierung der Luftmasse prinzipbedingt ein Leistungsverlust verbunden ist. Daher ist es zu präferieren, das Luftverhältnis λ gemäß der in Rede stehenden Ausführungsform durch Erhöhung der eingespritzten Kraftstoffmenge zu verringern.
  • Bei einem Ottomotor mit Direkteinspritzung, bei dem jeder Zylinder mit einem Injektor zur Einspritzung von Kraftstoff ausgestattet ist, werden die Injektoren einzeln mittels Motorsteuerung gesteuert und das Luftverhältnisses λ über die eingespritzte Kraftstoffmenge eingestellt. Zur Einstellung der zugeführten Luftmenge und damit der Last ist im Ansaugsystem eine Drosselklappe vorgesehen, die ebenfalls von der Motorsteuerung gesteuert bzw. geregelt wird.
  • Die zweite Teilaufgabe, nämlich eine Brennkraftmaschine zur Durchführung eines Verfahrens einer vorstehend genannten Art bereitzustellen, wird gelöst durch eine Brennkraftmaschine, die ein Abgasabführsystem zum Abführen der Abgase und mindestens ein in diesem Abgasabführsystem angeordnetes Abgasnachbehandlungssystem aufweist, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass
    • – eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine vorgesehen ist, die sowohl als zuschaltbarer Hilfsantrieb zur Leistungsabgabe als auch als Generator zur Leistungsaufnahme verwendbar ist, und
    • – zur Abgasnachbehandlung ein Speicherkatalysator im Abgasabführsystem vorgesehen ist, wobei der Speicherkatalysator im Hinblick auf die im mittleren Lastbereich anfallenden Abgasvolumenströme ausgelegt, d. h. dimensioniert ist.
  • Das bereits für das erfindungsgemäße Verfahren Gesagte gilt auch für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die hinsichtlich der Verfahrensvarianten gemachten Ausführungen.
  • Im mittleren Lastbereich sind die anfallenden Abgasmengen häufig geringer als im Bereich hoher und höchster Lasten. Die dazugehörigen Abgasvolumenströme sind in der Regel kleiner, da die Abgastemperaturen beim Übergang von hohen Lasten zu mittleren Lasten abnehmen und mit den Temperaturen die Volumenströme infolge der erhöhten Dichte ebenfalls.
  • Bei einer nicht aufgeladenen Brennkraftmaschine korrespondiert die Frischluftmenge bzw. Abgasmenge näherungsweise mit der Drehzahl und/oder der Last der Brennkraftmaschine und zwar abhängig von der im Einzelfall verwendeten Laststeuerung. Bei einem traditionellen Ottomotor mit Quantitätsregelung steigt die Abgasmenge auch bei konstanter Drehzahl mit zunehmender Last an, wohingegen die Abgasmenge bei traditionellen Dieselmotoren mit Qualitätsregelung lediglich drehzahlabhängig ist, weil bei Laständerung und konstanter Drehzahl die Gemischzusammensetzung, nicht jedoch die Gemischmenge variiert.
  • Liegt der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine eine Quantitätsregelung zugrunde, nimmt die Abgasmenge mit sinkender Last ebenfalls ab. Wird die Brennkraftmaschine im mittleren Lastbereich betrieben, liegen geringere Abgasmengen vor als bei höheren Lasten.
  • Liegt der Brennkraftmaschine hingegen eine Qualitätsregelung zugrunde, bei der die Last über die Zusammensetzung des Gemisches gesteuert wird und sich die Abgasmenge nahezu ausschließlich mit der Drehzahl ändert, ändert sich die Abgasmenge bei konstanter Drehzahl nicht mit der Last. Nichtsdestotrotz kann die Überführung der Brennkraftmaschine in den mittleren Lastbereich zu einer geringeren Abgasmenge führen, wenn die Drehzahl der Brennkraftmaschine dabei abnimmt.
  • Ist die Brennkraftmaschine zudem eine aufgeladene Brennkraftmaschine, muß zusätzlich der Ladedruck auf der Ansaugseite berücksichtigt werden, der sich mit der Last und/oder der Drehzahl ändern kann und Einfluß auf die Frischluftmenge und damit auf die Abgasmenge hat.
  • Wie bereits ausgeführt wurde, nehmen – unabhängig von der verwendeten Laststeuerung – die Abgasvolumenströme mit der Abgastemperatur bzw. mit der Last ab. Insofern kann ein im Abgasabführsystem befindlicher Speicherkatalysator kleiner, d. h. mit kleinerem Volumen, dimensioniert werden, wenn gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die Brennkraftmaschine im mittleren Lastbereich betrieben wird und eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine als zuschaltbarer Hilfsantrieb verwendet wird. Dies hat Kostenvorteile.
  • Die geringeren Abgasvolumenströme gestatten einen kleiner dimensionierten Speicherkatalysator, ohne dass die für die Konvertierung relevante Raumgeschwindigkeit abnimmt. Gleichzeitig kann eine motornähere Anordnung des Speicherkatalysators gewählt werden, ohne dass der Abgasgegendruck unzulässige Werte annimmt bzw. übersteigt. Letzteres hat insbesondere Vorteile hinsichtlich einer Aufheizung des LNT.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen für die Elektromaschine ein zusätzlicher Akkumulator vorgesehen ist.
  • Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen für die Elektromaschine ein Kondensator vorgesehen ist.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
  • 1 in Gestalt eines Diagramms die Last T über der Drehzahl n einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
  • 1 zeigt in Gestalt eines Diagramms die Last T über der Drehzahl n einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, d. h. ein sogenanntes Motorenkennfeld.
  • Eingezeichnet sind die Vollastlinie sowie die unterschiedlichen Lastbereiche:
    Der mittlere Lastbereich B, in welchem zwar eine stabile Verbrennung auch bei fettem Betrieb der Brennkraftmaschine erzeugt werden kann, der aber nach dem Stand der Technik durch transiente Betriebsbedingungen gekennzeichnet ist.
  • Der untere Lastbereich C, in welchem es Probleme bereitet, einen fetten Betrieb mit einer stabilen Verbrennung einzuleiten und aufrechtzuerhalten.
  • Der Bereich höherer, hoher und höchster Lasten A, in dem der unterstöchiometrische Betrieb in der Regel durch die maximal zulässige Abgastemperatur eingeschränkt ist.
  • Das in 1 dargestellte Motorenkennfeld dient nur der grundsätzlichen Veranschaulichung der drei Lastbereiche. Dem Kennfeld können keine konkreten Werte für die Drehzahl n oder die Last T und auch keine Verhältniswerte entnommen werden.
  • Bezugszeichen
    • CO
    Kohlenmonoxid
    HC
    unverbrannte Kohlenwasserstoffe
    Lstöch
    stöchiometrischer Luftbedarf
    mKraftstoff
    in die Zylinder eingebrachte Kraftstoffmasse
    mLuft,stöch
    stöchiometrische Luftmasse
    mLuft,tat
    tatsächlich in die Zylinder eingebrachte Luftmasse
    n
    Drehzahl
    NOx
    Stickoxide
    ppm
    parts per million
    t
    Zeit
    Δtλ<1
    vorgegebene Zeitspanne für den unterstöchiometrischen Betrieb
    T
    Last
    Tmid
    Last im mittleren Lastbereich
    Tmax,n
    maximale Last bei einer vorliegenden Drehzahl n
    λ
    Luftverhältnis
    λconstant
    vorgebbares Luftverhältnis für den unterstöchiometrischen Betrieb
    λ1,mess
    stromaufwärts des Speicherkatalysators mittels Lambda-Sonde erfaßtes Luftverhältnis
    λ2,mess
    stromabwärts des Speicherkatalysators mittels Lambda-Sonde erfaßtes Luftverhältnis

Claims (16)

  1. Verfahren zur Einleitung und Aufrechterhaltung eines vorgebbaren unterstöchiometrischen (λconstant < 1) Betriebs einer Brennkraftmaschine mit im Wesentlichen konstanten Luftverhältnis λconstant, wobei die Brennkraftmaschine ein Abgasabführsystem zum Abführen der Abgase und mindestens ein in diesem Abgasabführsystem angeordnetes Abgasnachbehandlungssystem aufweist, bei dem – die Brennkraftmaschine im mittleren Lastbereich für eine vorgebbare Zeitspanne Δtλ<1 in einen unterstöchiometrischen Betrieb (λconstant < 1) überführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – die Brennkraftmaschine im mittleren Lastbereich in einen unterstöchiometrischen und im Wesentlichen stationären Betrieb mit λconstant < 1 überführt wird, und – eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine verwendet wird, um als zuschaltbarer Hilfsantrieb einen angeforderten Leistungsmehrbedarf zu befriedigen, so dass der stationäre Betrieb der Brennkraftmaschine aufrechterhalten wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine im mittleren Lastbereich in einen unterstöchiometrischen, stationären Betrieb mit λconstant < 1 überführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine in einen unterstöchiometrischen Betrieb mit 1 > λconstant > 0.9 überführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine in einen unterstöchiometrischen Betrieb mit 1 > λconstant > 0.95 überführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine in einen unterstöchiometrischen Betrieb mit 0.97 > λconstant > 0.93 überführt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Lastbereich, in welchem die Brennkraftmaschine in den im Wesentlichen stationären Betrieb überführt wird, Lasten Tmid zwischen 20% und 80% der maximalen Last Tmax,n bei der vorliegenden Drehzahl n umfaßt.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Lastbereich, in welchem die Brennkraftmaschine in den im Wesentlichen stationären Betrieb überführt wird, Lasten Tmid zwischen 30% und 70% der maximalen Last Tmax,n bei der vorliegenden Drehzahl n umfaßt.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Lastbereich, in welchem die Brennkraftmaschine in den im Wesentlichen stationären Betrieb überführt wird, Lasten Tmid zwischen 40% und 60% der maximalen Last Tmax,n bei der vorliegenden Drehzahl n umfaßt.
  9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine verwendet wird, um als zuschaltbarer Generator einen von der Brennkraftmaschine bereitgestellten Leistungsüberschuß aufzunehmen, so dass der stationäre Betrieb der Brennkraftmaschine aufrechterhalten wird.
  10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche zur Einleitung und Aufrechterhaltung eines vorgebbaren unterstöchiometrischen (λconstant < 1) Betriebs einer Brennkraftmaschine, die einen Speicherkatalysator als Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine zur Regeneration des Speicherkatalysators in den unterstöchiometrischen Betrieb (λconstant < 1) überführt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche zur Einleitung und Aufrechterhaltung eines vorgebbaren unterstöchiometrischen (λconstant < 1) Betriebs einer Brennkraftmaschine, die einen Speicherkatalysator als Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine zur Entschwefelung des Speicherkatalysators in den unterstöchiometrischen Betrieb (λconstant < 1) überführt wird.
  12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche zur Einleitung und Aufrechterhaltung eines vorgebbaren unterstöchiometrischen (λconstant < 1) Betriebs einer Brennkraftmaschine, die einen Speicherkatalysator als Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine zur Überprüfung der Funktionsuntüchtigkeit des Speicherkatalysators in den unterstöchiometrischen Betrieb (λconstant < 1) überführt wird.
  13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine in einen vorgebbaren Betriebspunkt im mittleren Lastbereich überführt wird, bevor die Brennkraftmaschine in den unterstöchiometrischen Betrieb (λ < 1) überführt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Betriebspunkt aus einer begrenzten Liste von k Betriebspunkten ausgewählt wird.
  15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überführung der Brennkraftmaschine in den unterstöchiometrischen Betrieb das Luftverhältnis λ durch Erhöhung der eingespritzten Kraftstoffmenge verringert wird.
  16. Brennkraftmaschine zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, die ein Abgasabführsystem zum Abführen der Abgase und mindestens ein in diesem Abgasabführsystem angeordnetes Abgasnachbehandlungssystem aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine vorgesehen ist, die sowohl als zuschaltbarer Hilfsantrieb zur Leistungsabgabe als auch als Generator zur Leistungsaufnahme verwendbar ist, und – zur Abgasnachbehandlung ein Speicherkatalysator im Abgasabführsystem vorgesehen ist, wobei der Speicherkatalysator im Hinblick auf die im mittleren Lastbereich anfallenden Abgasvolumenströme ausgelegt ist.
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