DE102015204544A1 - Verfahren zum Betreiben einer zumindest zeitweise mit Gas betriebenen Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Betreiben einer zumindest zeitweise mit Gas betriebenen Brennkraftmaschine ist der Brennkraftmaschine wenigstens ein Katalysator zur Nachbehandlung der Abgase der Brennkraftmaschine zugeordnet. Nach einer Schubabschaltung (20) der Brennkraftmaschine wird bei einem Wiedereinsetzen der Brennkraftmaschine die Brennkraftmaschine vorübergehend mit einem Gemisch aus Luft und flüssigem Kraftstoff betrieben (30), bevor auf einen Betrieb mit Gas (40) umgeschaltet wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer zumindest zeitweise mit Gas betriebenen Brennkraftmaschine, der wenigstens ein Katalysator zur Nachbehandlung der Abgase der Brennkraftmaschine zugeordnet ist.
  • Stand der Technik
  • Es sind Kraftfahrzeuge bekannt, die mit Gas und insbesondere mit Erdgas als Brennstoff betrieben werden. Da Erdgas bei atmosphärischem Normaldruck eine verhältnismäßig geringe Energiedichte besitzt, wird das Erdgas üblicherweise in komprimierter Form (CNG – compressed natural gas) eingesetzt. Weiterhin ist die Verwendung von Flüssigerdgas (LNG – liquefied natural gas) bekannt. In der Regel sind Erdgasfahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor als Antriebsaggregat ausgestattet, der im Prinzip einem herkömmlichen Ottomotor entspricht. Dieser Verbrennungsmotor kann mit Erdgas und alternativ oder zusätzlich mit einem flüssigen Kraftstoff, beispielsweise Benzin oder Diesel, betrieben werden. Es sind CNG-Motoren bekannt, die mit zwei kompletten Sätzen von Einspritzvorrichtungen ausgerüstet sind, so dass eine Benzin- oder Dieseleinspritzung und eine Einblasung von Erdgas vorgenommen werden kann.
  • Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2006 030 495 A1 hat ein Verfahren zum Betreiben einer sowohl mit Gas als auch mit Benzin befeuerbaren Brennkraftmaschine zum Gegenstand, bei der im Gasbetrieb für vorbestimmte Änderungen des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine zusätzlich zum Gasbetrieb zeitlich begrenzt so lange ein Benzin- oder Diesel-Massenstrom zum Erreichen des geänderten Betriebszustandes eingestellt wird, bis ein Gasmassenstrom alleine den geänderten Betriebszustand aufrechterhalten kann.
  • Die deutsche Offenlegungsschrift DE 101 46 063 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betriebsartenwechsel für Verbrennungsmotoren, die mit einem ersten flüssigen Brennstoff und mit einem anderen zweiten Brennstoff betrieben werden können. Hierbei ist eine indirekt manuell zu betätigende Umschalteinrichtung vorgesehen, wobei ein Umschalten während des Betriebes auf den anderen Brennstoff nur dann erfolgen kann, wenn eine Abschaltung der Brennstoffzufuhr aktiviert und der aktuelle Betriebszustand mit dem anderen Brennstoff einstellbar ist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Betreiben einer zumindest zeitweise mit Gas betriebenen Brennkraftmaschine bereit, wobei der Brennkraftmaschine wenigstens ein Katalysator zur Nachbehandlung der Abgase der Brennkraftmaschine zugeordnet ist. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nach einer Schubabschaltung der Brennkraftmaschine bei einem Wiedereinsetzen der Brennkraftmaschine die Brennkraftmaschine vorübergehend mit einem Gemisch aus Luft und flüssigem Kraftstoff betrieben, bevor auf einen Betrieb mit Gas umgeschaltet wird. Durch diese Maßnahme kann die Abgasnachbehandlung in dem oder den Katalysator(en) während des Wiedereinsetzens der Brennkraftmaschine im Anschluss an eine Schubabschaltung erheblich verbessert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet damit besondere Vorteile insbesondere im Hinblick auf eine Reduzierung von Schadstoff-Emissionen. Dem liegt zugrunde, dass während einer Schubabschaltung des Motors bzw. der Brennkraftmaschine durch die Brennkraftmaschine und das anschließende Abgassystem nur Luft geschoben wird. Dadurch wird die Oberfläche des Katalysatormaterials mit Sauerstoff beladen. Beim Wiedereinsetzen der Verbrennung in der Brennkraftmaschine gelangt wieder Rohabgas in den Katalysator, wobei je nach Betriebspunkt der Brennkraftmaschine und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Lambda) CO, H2, NOx und unverbrannte Kraftstoffanteile (HC) in dem Rohabgas enthalten sind. Wenn die Brennkraftmaschine in diesem Stadium mit CNG, das zu großen Anteilen aus Methan besteht, betrieben wird, kann der mit Sauerstoff belegte Katalysator das in verhältnismäßigen hohen Anteilen im Rohabgas enthaltene Methan (CH4) zunächst nicht konvertieren, so dass insbesondere bei einem Wiedereinsetzen des Verbrennungsmotors nach einer Schubabschaltung bei einer herkömmlichen Betriebsweise der Brennkraftmaschine erhöhte CH4-Emissionen zu beobachten sind. Dieses Problem wird erfindungsgemäß gelöst, indem nach einer Schubabschaltung der Brennkraftmaschine bei einem Wiedereinsetzen der Brennkraftmaschine die Brennkraftmaschine vorübergehend (kurzzeitig) mit einem flüssigen Kraftstoff beziehungsweise mit einem Gemisch aus Luft und flüssigem Kraftstoff betrieben wird. Hierbei ist gemeint, dass während dieser vorübergehenden Phase kein gasförmiger Kraftstoff zugeführt wird, sondern nur flüssiger Kraftstoff für die Verbrennung eingesetzt wird. Mit dem Ausdruck „flüssig“ ist gemeint, dass der jeweilige Brennstoff bei Umgebungstemperatur flüssig ist. Vorzugsweise handelt es sich bei dem flüssigen Kraftstoff um Benzin und/oder Diesel. Andere Beispiele für flüssige Kraftstoffe in diesem Zusammenhang sind Biodiesel oder Rapsöl.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird erreicht, dass der Sauerstoff auf der Oberfläche des Katalysators im Vergleich mit herkömmlichen Verfahren schneller ausgetragen wird, so dass eine Konvertierung von Methan und NOx nach dem Wiedereinsetzen der Brennkraftmaschine schnell wieder möglich ist. Wesentlich hierfür ist, dass die Brennkraftmaschine in dieser vorübergehenden Phase ausschließlich mit flüssigem Kraftstoff betrieben wird, wobei zweckmäßigerweise ein geeignetes Luft-Kraftstoffverhältnis eingesetzt wird. In der Summe wird dabei weniger Methan und NOx in die Umwelt freigesetzt. Durch den vorübergehenden Betrieb mit einem Gemisch aus Luft und flüssigem Kraftstoff wird also vorteilhafterweise die Sauerstoffbeladung des Katalysators verringert, wobei die hierfür erforderliche Zeitdauer für den vorübergehenden Betrieb mit einem Gemisch aus Luft und flüssigem Kraftstoff an die jeweiligen Gegebenheiten des Systems angepasst werden kann. Beispielsweise kann dieser vorübergehende Betrieb mit Luft und flüssigem Kraftstoff für eine Zeitdauer von einer oder wenigen Sekunden bis circa 10 Sekunden durchgeführt werden. Eine geeignete Zeitdauer wird zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von dem Luft-Kraftstoffverhältnis (Lambda (λ)), dem Abgasmassenstrom und der Größe des Katalysators eingestellt. Für die Phase des vorübergehenden Betriebs mit Luft und flüssigem Kraftstoff kann eine feste Zeitdauer (Vorsteuerung) vorgegeben werden. In besonders bevorzugter Weise wird die Beendigung dieser Phase alternativ oder zusätzlich vom Erreichen bestimmter Betriebsgrößen im Abgasstrang abhängig gemacht. Beispielsweise können hierfür Sensorsignale einer stromabwärts des Katalysators angeordneten binären Lambda-Sonde („Sprungsonde“) verwendet werden. Beispielsweise kann die Phase mit dem flüssigen Kraftstoff beendet werden, wenn das Spannungssignal der Lambda-Sonde von einer niedrigen Spannung (z.B. < 0,2 V) zu einer hohen Spannung (z.B. > 0,7 V) übergeht.
  • In bevorzugter Weise wird das Verfahren für eine Brennkraftmaschine eingesetzt, die für einen Betrieb mit Erdgas, insbesondere mit komprimiertem Erdgas (CNG), eingerichtet ist. Ein entsprechend ausgestattetes Kraftfahrzeug kann jedoch beispielsweise auch für eine Betankung mit flüssigem Erdgas (LNG) eingerichtet sein.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für das Gemisch aus Luft und flüssigem Kraftstoff, das im vorübergehenden Betrieb der Brennkraftmaschine nach der Schubabschaltung eingesetzt wird, ein unterstöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Lambda (λ) < 1) eingesetzt. Bei einem solchen Verhältnis von Luft und Kraftstoff kann die Sauerstoffbelegung des Katalysators in besonders vorteilhafter Weise schnell und effektiv verringert werden. Zudem werden gleichzeitig die NOx-Rohemissionen bei dem Betrieb der Brennkraftmaschine während dieser Phase reduziert. Dabei werden dem Katalysator erhöhte Mengen an Reduktionsmitteln in Form von CO, H2, und HC, die reaktiver als CH4 sind, angeboten, so dass insgesamt die Schadstoffemissionen in dieser Betriebsphase verringert werden.
  • Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass dieses Verfahren in der Regel auf bereits vorhandene Einspritzvorrichtungen für einen flüssigen Kraftstoff, z.B. Benzin oder Diesel, zugreifen kann. So ist bei bereits bekannten sogenannten Bi-Fuel- oder Mono-Fuel-Systemen von CNG-Motoren neben dem Einblassystem für den gasförmigen Kraftstoff (Erdgas) oftmals ein Einspritzsystem für Benzin oder einen anderen flüssigen Kraftstoff vorhanden. Dieses Einspritzsystem wird für die erfindungsgemäßen Zwecke eingesetzt. Als zusätzlicher Nutzen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hierbei das System für den flüssigen Kraftstoff zumindest geringfügig bedient, so dass eine Alterung des flüssigen Kraftstoffs und Ablagerungen an den entsprechenden Einspritzventilen vermieden werden können.
  • Die Erfindung umfasst weiterhin ein Computerprogramm, das zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist. Weiterhin umfasst die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem das beschriebene Computerprogramm gespeichert ist, sowie ein elektronisches Steuergerät, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Computerprogramm beziehungsweise als maschinenlesbares Speichermedium oder als elektronisches Steuergerät hat den Vorteil, dass das erfindungsgemäße Verfahren ohne Weiteres auch bei bestehenden Kraftfahrzeugen beispielsweise im Zuge einer Nachrüstung eingesetzt werden kann, so dass die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere im Hinblick auf eine optimierte Abgasnachbehandlung genutzt werden können.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
  • Die Zeichnung zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm zur Illustrierung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • Das in der Figur gezeigte Ablaufdiagramm illustriert in einer ersten Betriebsphase 10 den standardmäßigen Betrieb der Brennkraftmaschine mit Gas, insbesondere mit Erdgas. Bei dem Erdgas handelt es sich insbesondere um komprimiertes Erdgas (CNG). Ein entsprechend ausgestattetes Kraftfahrzeug kann jedoch auch beispielsweise für eine Betankung mit Flüssigerdgas (LNG) eingerichtet sein. Im Rahmen des Betriebs eines mit einer entsprechenden Brennkraftmaschine ausgestatteten Kraftfahrzeugs kommt es zu einer Schubabschaltung (Phase 20). Die Schubabschaltung bezeichnet dabei eine Phase, bei der die Kraftstoffzufuhr zu der Brennkraftmaschine gesteuert unterbrochen wird, wenn die Brennkraftmaschine keine Leistung abgeben soll oder muss. Hierbei wird die Brennkraftmaschine durch deren Schwungmasse weiter angetrieben, so dass die Brennkraftmaschine gewissermaßen angeschoben wird. Bei einer entsprechenden Leistungsanforderung an die Brennkraftmaschine ist ein Wiedereinsetzen der Brennkraftmaschine erforderlich. Während dieser Wiedereinsetzungsphase der Brennkraftmaschine wird die Brennkraftmaschine in der Phase 30 erfindungsgemäß mit einem Gemisch aus Luft und flüssigem Kraftstoff, insbesondere mit Benzin und/oder Diesel, betrieben. Das Verhältnis von Luft und flüssigem Kraftstoff ist dabei vorzugsweise unterstöchiometrisch (λ < 1, fettes Gemisch). Durch diese Betriebsweise wird der während der Schubphase 20 angelagerte Sauerstoff auf den inneren Oberflächen des Katalysators schnell ausgetragen, so dass eine Konvertierung an der Katalysatoroberfläche von Methan und NOx schnell wieder möglich ist. Die Phase 30 wird insbesondere so lange durchgeführt wird, bis die Sauerstoffbelegung des Katalysators ausreichend reduziert ist. Die Phase 30 kann beispielsweise für einen Zeitraum zwischen einer oder wenigen Sekunden bis circa 10 Sekunden durchgeführt werden. Als Kriterium für das Ende dieser Betriebsphase kann das Signal einer binären Lambda-Sonde stromabwärts des Katalysators verwendet werden. Ändert sich das Signal der Lambda-Sonde von einer geringen Spannung (z.B. < 0,2 V) zu einer hohen Spannung (z.B. > 0,7 V), kann der Sollwert für die Lambdaregelung wieder auf λ = 1 gesetzt und die Phase 30 kann beendet werden. Hierfür kann zusätzlich oder alternativ eine Vorsteuerung der Dauer dieser Betriebsphase über die Zeit berücksichtigt werden. Zusätzlich oder alternativ kann beispielsweise auch die O2-Beladung des Katalysators, die beispielsweise anhand von Modelldaten ermittelt wird, betrachtet und berücksichtigt werden. In der nachfolgenden Phase 40 erfolgt die Umschaltung in den regulären Betrieb mit Gas, beispielsweise in den üblichen CNG-Betrieb der Brennkraftmaschine.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102006030495 A1 [0003]
    • DE 10146063 A1 [0004]

Claims (8)

  1. Verfahren zum Betreiben einer zumindest zeitweise mit Gas betriebenen Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Katalysator zur Nachbehandlung der Abgase der Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Schubabschaltung (20) der Brennkraftmaschine bei einem Wiedereinsetzen der Brennkraftmaschine die Brennkraftmaschine vorübergehend mit einem Gemisch aus Luft und flüssigem Kraftstoff betrieben wird (30), bevor auf einen Betrieb mit Gas umgeschaltet wird (40).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch den vorübergehenden Betrieb mit einem Gemisch aus Luft und flüssigem Kraftstoff (30) eine Sauerstoffbeladung des Katalysators verringert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine für einen Betrieb mit Erdgas, insbesondere mit komprimiertem Erdgas, eingerichtet ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige Kraftstoff Benzin und/oder Diesel ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem vorübergehenden Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem Gemisch aus Luft und flüssigem Kraftstoff (30) ein unterstöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingesetzt wird.
  6. Computerprogramm, das eingerichtet ist, die Schritte eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen.
  7. Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 6 gespeichert ist.
  8. Elektronisches Steuergerät, das eingerichtet ist, die Schritte eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen.
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