DE102016200071A1

DE102016200071A1 - Verfahren zum Betrieb eines Ottomotors während eines Kaltstarts

Info

Publication number: DE102016200071A1
Application number: DE102016200071.3A
Authority: DE
Inventors: Oliver Berkemeier; Helmut Ruhland; Ulrich Kramer; Rolf Klein; Georg Louven
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-01-19
Filing date: 2016-01-07
Publication date: 2016-07-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Ottomotors mit Direkteinspritzung und einem Katalysator im Abgastrakt während eines Kaltstarts, wobei bis zum Erreichen der Betriebstemperatur des Katalysators in jedem Arbeitstakt ein Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird, dessen Verbrennungsluftverhältnis größer als ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis ist, wobei nach jedem Zünden des Gemisches eine Kraftstoffmenge in die Brennkammer nacheingespritzt wird, die zusammen mit der Kraftstoffmenge des schon eingespritzten Gemisches einer Kraftstoffmenge entspricht, die ein Soll-Verbrennungsluftverhältnis ergibt. Gemäß der Erfindung wird der Ottomotor mit methanhaltigem Kraftstoff betrieben, und die Nacheinspritzungen werden bei Kurbelwellenwinkeln von mindestens 120° nach OT durchgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Ottomotors, d. h., eines Verbrennungsmotors mit Fremdzündung durch Zündkerzen, während eines Kaltstarts, wobei der Ottomotor einen Katalysator im Abgastrakt aufweist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine für Durchführung des Verfahrens eingerichtete Motorsteuerung.
Ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 zum Betrieb von Benzinmotoren wurde in der JP 08 296 485 A vorgeschlagen, deren Inhalt in der DE 199 29 513 A1 kurz zusammengefasst ist. Ähnliche Verfahren wurden auch in der DE 199 60 145 A1 und der DE 103 05 941 A1 vorgeschlagen.
Bis zum Erreichen der Betriebstemperatur ist der Schadstoffausstoß eines Verbrennungsmotors besonders hoch, weil das Kraftstoff-Luft-Gemisch nicht vollständig verbrannt wird und weil der Katalysator Schadstoffe nicht vollständig umwandelt. Bei Ottomotoren verwendet man konventionell einen Kaltlaufregler und/oder eine Sekundärluftpumpe, um den Katalysator schneller auf seine Betriebstemperatur zu bringen. Außerdem kann man den Zündzeitpunkt etwas nach Spät verlegen, um ein schnelleres Anspringen des Katalysators zu erreichen. Diese letztere Maßnahme wird jedoch dadurch begrenzt, dass der Motor bei späten Zündwinkeln tendenziell instabil läuft.
Durch die in den vorgenannten Druckschriften vorgeschlagenen Verfahren soll der Katalysator schneller auf seine Betriebstemperatur gebracht werden können. Es gibt aber keine praxistauglichen Ottomotoren, welche sich derartiger Verfahren bedienen, weil spät eingespritztes Benzin unter intensiven Rußemissionen verbrennt, welche die durch beschleunigtes Aufheizen des Katalysators erreichte Minderung von anderen Schadstoffen weit mehr als zunichtemachen würden und daher völlig inakzeptabel sind. Vielmehr wurden die in den vorgenannten Druckschriften vorgeschlagenen Konzepte von der Fachwelt als untauglich angesehen und nicht weiterverfolgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die bis zum Erreichen der Betriebstemperatur des Katalysators eines Ottomotors ausgestoßene Gesamt-Schadstoffmenge zu verringern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine für Durchführung des Verfahrens eingerichtete Motorsteuerung gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass es – anders als bei einem Benzinmotor – bei einem mit methanhaltigem Kraftstoff betriebenen Ottomotor mit Direkteinspritzung möglich und vorteilhaft ist, bis zum Erreichen der Betriebstemperatur des Katalysators in jedem Arbeitstakt ein mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch zu zünden, d. h. ein Gemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis, das größer ist als ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis, d. h., mit Luftüberschuss oder Lambda > 1, und erst nach dem Zünden des Gemisches eine Kraftstoffmenge in die Brennkammer nacheinzuspritzen, die zusammen mit der Kraftstoffmenge des schon eingespritzten mageren Gemisches einer Kraftstoffmenge entspricht, die ein Soll-Verbrennungsluftverhältnis ergibt. Die Aufteilung der Kraftstoffzufuhr auf Haupt- und Nacheinspritzungen stabilisiert die Verbrennung und erhöht die Abgas-Enthalpie, was den Katalysator schneller auf Betriebstemperatur bringt.
Bei einem Benzinmotor wäre etwas derartiges nicht möglich, weil spät eingespritztes Benzin unter intensiven Rußemissionen verbrennt. Hingegen verbrennt Erdgas oder methanhaltiger Kraftstoff überwiegend rußfrei, so dass es problemlos spät eingespritzt werden kann, und zwar so spät, wie es bei Benzinmotoren bislang nicht einmal in Erwägung gezogen worden ist, nämlich bei Kurbelwellenwinkeln von mindestens ungefähr 120° nach OT, noch mehr bevorzugt mehr als 150° und noch mehr bevorzugt mehr als 180° nach OT, dem oberen Totpunkt. Die Nacheinspritzungen können sogar bis in die Ausschiebephase hineinreichen, etwa bis ungefähr 220° nach OT. Derart späte Nacheinspritzungen ermöglichen ein bislang nicht für möglich gehaltenes besonders schnelles Aufheizen des Katalysators ohne wesentliche Rußemissionen.
Damit das spät eingespritzte Erdgas verbrennen kann, muss noch Sauerstoff zur Verbrennung vorhanden sein. Daher wird zunächst ein Grundgemisch verbrannt, das magerer ist als ein Gemisch mit einem Soll-Verbrennungsluftverhältnis, und in einem späteren Zeitpunkt zusätzlich eine Kraftstoffmenge, mit der sich zusammen das Soll-Verbrennungsluftverhältnis ergibt. Das Sollverbrennungsluftverhältnis sollte nahezu stöchiometrisch sein, vorzugsweise in einem Bereich von 0,97 < Lambda < 1,08.
Bei Dieselmotoren, die mit einem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben werden, ist es zwar grundsätzlich bekannt, Späteinspritzungen während des Arbeitstaktes durchzuführen, um die Abgastemperaturen zu erhöhen. Dies geschieht jedoch im Hinblick auf ein Problem, dem man nur bei Selbstzündern, aber nicht bei Ottomotoren und insbesondere nicht bei Ottomotoren mit stöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis begegnet, nämlich dass bei einem betriebswarmen Dieselmotor im Teillastbetrieb recht niedrige Abgastemperaturen auftreten können, welche die Wirksamkeit der Abgasnachbehandlung beeinträchtigen können. Daher erfolgen Späteinspritzungen bei einem Dieselmotor zwecks Aufrechterhaltung der nötigen Abgastemperaturen im Teillastbetrieb des warmen Motors.
Die Erfindung ermöglicht es, bei einem Ottomotor die Zeit bis zum effizienten Arbeiten des Katalysators erheblich zu verkürzen, ohne irgendwelche Partikelemissionen insbesondere von Ruß in Kauf nehmen zu müssen. Insbesondere bei einem mit Erdgas betriebenen Ottomotor sollte der Katalysator möglichst schnell auf eine für effiziente Methan-Konvertierung ausreichende Temperatur kommen. Daher ermöglicht es die Erfindung, die während der Kaltstartphase ausgestoßene Gesamt-Schadstoffmenge zu vermindern.
Das Soll-Verbrennungsluftverhältnis hängt von der jeweiligen Motorauslegung und insbesondere von dem Typ des verwendeten Katalysators ab. Zum Beispiel für einen Drei-Wege-Katalysator ist das Gesamt-Soll-Verbrennungsluftverhältnis stöchiometrisch, d. h., mit Lambda = 1.
Insbesondere bei einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis ist es nach dem Erreichen der Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors und des Katalysators nicht mehr nötig, späte Einspritzungen durchzuführen, weil die Abgastemperaturen nun hoch genug sind für eine gute Konvertierung von Schadstoffen im Abgas.
Die Erfindung eignet sich besonders für Niederdruck-Gaseinspritzungsmotoren mit Gaseinspritzdrücken im Bereich von 5 bis 15 bar, weil derartige Einspritzdrücke gut mit den im erfindungsgemäßen Einspritzzeitpunkt herrschenden Drücken im Zylinder korrespondieren und diese leicht überwunden werden können, ohne die Einspritzdüsen modifizieren zu müssen. Daher kann das Verfahren bei Niederdruck-Gaseinspritzmotoren ohne irgendwelche Hardwareänderungen allein durch geeignete Programmierung der Motorsteuerung verwirklicht werden.
Der Einspritzzeitpunkt der nacheingespritzten Kraftstoffmenge wird insbesondere derart gewählt, dass einerseits der Druck im Zylinder in diesem Zeitpunkt kleiner als der Einspritzdruck des Erdgases geworden ist und dass andererseits das vorher gezündete Gemisch noch so heiß ist, dass es den nacheingespritzten Kraftstoff entzündet, entweder noch in der Brennkammer oder – falls die Nacheinspritzung sehr spät im Takt durchgeführt wird – im Auslasskanal.
Es folgt eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betrieb eines Ottomotors mit Fremdzündung durch Zündkerzen und mit Direkteinspritzung während eines Kaltstarts, wobei der Ottomotor einen Drei-Wege-Katalysator im Abgastrakt enthält und für ausschließlichen Betrieb mit Erdgaskraftstoff eingerichtet ist. Das Verfahren wird einfach durch geeignete Modifizierung der Motorsteuerung implementiert.
Bis zum Erreichen der Betriebstemperatur des Katalysators wird in jedem Arbeitstakt ein relativ mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet, d. h., das Verbrennungsluftverhältnis Lambda ist größer als 1, und nach jedem Zünden des Gemisches, bei einem Kurbelwellenwinkel von mindestens 120°, mehr als 150° oder mehr als 180° und höchstens ungefähr 220° nach OT, wird eine Kraftstoffmenge in die Brennkammer nacheingespritzt, die zusammen mit der Kraftstoffmenge des schon eingespritzten Gemisches einer Kraftstoffmenge entspricht, die ein stöchiometrisches Gesamt-Verbrennungsluftverhältnis ergibt, d. h., Lambda = 1.
Der Einspritzzeitpunkt der nacheingespritzten Kraftstoffmenge liegt spät genug, dass der Druck im Zylinder in diesem Zeitpunkt so viel kleiner ist als der Einspritzdruck des Erdgases, dass genügend Gas in den Zylinder gelangt, und außerdem früh genug, dass das vorher gezündete Gemisch noch so heiß ist, dass es den nacheingespritzten Kraftstoff entzündet, entweder noch in der Brennkammer oder im Auslasskanal.
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

JP 08296485 A [0002]
DE 19929513 A1 [0002]
DE 19960145 A1 [0002]
DE 10305941 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Ottomotors mit Direkteinspritzung und einem Katalysator im Abgastrakt während eines Kaltstarts, wobei bis zum Erreichen der Betriebstemperatur des Katalysators in jedem Arbeitstakt ein Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird, dessen Verbrennungsluftverhältnis größer als ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis ist, wobei nach jedem Zünden des Gemisches eine Kraftstoffmenge in die Brennkammer nacheingespritzt wird, die zusammen mit der Kraftstoffmenge des schon eingespritzten Gemisches einer Kraftstoffmenge entspricht, die ein Soll-Verbrennungsluftverhältnis ergibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Ottomotor mit methanhaltigem Kraftstoff betrieben wird und dass die Nacheinspritzungen bei Kurbelwellenwinkeln von mindestens 120° nach OT durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nacheinspritzungen bei Kurbelwellenwinkeln von mehr als 150° oder mehr als 180° und nicht mehr als ungefähr 220° nach OT durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Soll-Verbrennungsluftverhältnis stöchiometrisch oder nahezu stöchiometrisch ist, vorzugsweise in einem Bereich von 0,97 < Lambda < 1,08.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator ein Drei-Wege-Katalysator ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff ein bei Normaldruck gasförmiger Kraftstoff wie Erdgas, Biogas, Biomethan etc. ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ottomotor ein Niederdruck-Gaseinspritzmotor mit Gaseinspritzdrücken im Bereich von 5 bis 15 bar ist, wobei der Einspritzzeitpunkt der nacheingespritzten Kraftstoffmenge derart gewählt wird, dass der Druck im Zylinder in diesem Zeitpunkt kleiner als der Einspritzdruck ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzzeitpunkt der nacheingespritzten Kraftstoffmenge derart gewählt wird, dass der nacheingespritzte Kraftstoff von dem vorher gezündeten Gemisch entzündet wird.
Motorsteuerung für einen Ottomotor, dadurch gekennzeichnet, dass der Ottomotor ein Ottomotor mit Direkteinspritzung von methanhaltigem Kraftstoff ist und dass die Motorsteuerung für Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.