DE102017204722B4

DE102017204722B4 - Abgasqualitätskontrolle

Info

Publication number: DE102017204722B4
Application number: DE102017204722.4A
Authority: DE
Inventors: Jens Gröger; Georg Louven; Helmut Ruhland
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-03-21
Filing date: 2017-03-21
Publication date: 2019-01-03
Anticipated expiration: 2037-03-22
Also published as: DE102017204722A1

Abstract

Verfahren zum Steuern einer Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern in einer Anordnung mit einem Abgastrakt, wobei die Abgase aller Zylinder in einen gemeinsamen Abgaskrümmer geleitet werden, mindestens einer Abgasnachbehandlungseinrichtung und mindestens einer Abgasrückführungsleitung, die den Abgastrakt durch ein Ventil trennbar fluide mit dem Ansaugtrakt verbindet, in der mindestens ein Zylinder optional in einem anderen Betriebsmodus betrieben werden kann als die anderen, und einer Steuereinrichtung, mit den Schritten:- Betreiben der Brennkraftmaschine,- Leiten von Abgas mittels der Abgasrückführungsleitung in den Ansaugtrakt,- Betreiben mindestens eines Zylinders mit einem unterstöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Gemisch,- Modulieren des Betriebsmodus der weiteren Zylinder mittels der Steuereinrichtung derart, dass das Abgas aller Zylinder stöchiometrisch ist, dadurch gekennzeichnet, dass das unterstöchiometrische Luft-Kraftstoff-Gemisch bereitgestellt wird, wenn Werte eines an der Brennkraftmaschine angeordneten Klopfsensors von voreingestellten Werten abweichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern, wobei alle Zylinder wahlweise derart betrieben werden können, dass das Abgas aller Zylinder stöchiometrisch ist.
In Kraftfahrzeugen mit einem Abgasrückführungssystem wird das Klopfverhalten von Brennkraftmaschinen häufig durch Steuern des rückgeleiteten Abgases beeinflusst, besonders, weil durch rückgeleitetes Abgas kühlere Verbrennungstemperaturen bereitgestellt werden können. Die Rückleitung von Abgas ist aus dem Stand der Technik bekannt ( DE 10 2013 009 476 A1 , DE 10 2011 100 677A1 ). Es ist bekannt, bei Brennkraftmaschinen mit mehreren Zylindern das Abgas eines einzelnen Zylinders in alle Zylinder rückzuleiten, wobei dazu eine besondere Anordnung von Abgasleitungen bereitgestellt wird ( US 9 200 599 B2 , US 8 893 687 B2 ). In der DE 10 2015 111 200 A1 wird ebenfalls ein dedizierter Zylinder mit entsprechend nur diesem Zylinder zugeordneter Abgasrückführungsleitung verwendet, um die Temperatur eines Abgaskatalysators zu steuern. Wird dieser einzelne Zylinder unterstöchiometrisch betrieben, wird also fettes Abgas in die anderen Zylinder geleitet, kann das Klopfverhalten der Brennkraftmaschine wirksam beeinflusst werden. Dabei ist dieser Ansatz jedoch aufwändig, da er ein besonderes Design der Brennkraftmaschine erfordert, die auch die Wärmeentwicklung im Abgastrakt berücksichtigen muss. Es besteht damit die Aufgabe, das Klopfverhalten einer Brennkraftmaschine auf effizientere Art und Weise zu beeinflussen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Neben- und Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern in einer Anordnung mit einem Abgastrakt, mindestens einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, mindestens einer Abgasrückführungsleitung, die den Abgastrakt durch ein Ventil trennbar fluide mit dem Ansaugtrakt verbindet, in der mindestens ein Zylinder optional in einem anderen Betriebsmodus betrieben werden kann als die anderen, und einer Steuereinrichtung. Das Verfahren umfasst die Schritte:

- Betreiben der Brennkraftmaschine,
- Leiten von Abgas mittels der Abgasrückführungsleitung in den Ansaugtrakt,
- Betreiben mindestens eines Zylinders mit einem unterstöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Gemisch,
- Modulieren des Betriebsmodus der weiteren Zylinder mittels der Steuereinrichtung derart, dass das Abgas aller Zylinder stöchiometrisch ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit einer Anordnung mit durchgeführt, die im Vergleich zum Stand der Technik vorteilhafterweise kein spezielles Design erfordert, um das Abgas eines einzelnen Zylinders rückzuleiten. Damit ist es kostengünstiger als herkömmliche Verfahren, für die besondere Anordnung von Abgasleitungen bereitgestellt werden.
Die Idee der Erfindung besteht im Wesentlichen darin, bedarfsweise mindestens einen Zylinder mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch zu betreiben. Auf diese Weise wird von diesem Zylinder ein an Wasserstoff und Kohlenmonoxid reiches Abgas produziert, das als rückgeleitetes Abgas das Klopfverhalten der Brennkraftmaschine günstig beeinflusst. Die übrigen Zylinder werden mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben. Das Betreiben verschiedener Zylinder mit unterschiedlichen Luft-Kraftstoff-Gemischen (fett und mager) wirkt sich ebenfalls günstig auf das Klopfverhalten der Brennkraftmaschine aus.
Auf diese Weise wird weiterhin idealerweise erreicht, dass das Abgas insgesamt stöchiometrisch ist, das für den Betrieb eines Drei-Wege-Katalysator geeignet ist. Bevorzugt wird als Abgasnachbehandlungseinrichtung ein Drei-Wege-Katalysator verwendet.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Abgasrückführungsleitung zu einem Niederdruck-Abgasrückführungssystem gehört und in einem weiteren Verfahrensschritt die Menge des über das Niederdruck-Abgasrückführungssystem rückgeführten Abgases gesteuert wird. Die entsprechende Niederdruck-Abgasleitung weist ein Steuerventil auf, dessen Öffnungsgrad von der Steuereinrichtung gesteuert wird.
Weiterhin ist es ebenfalls bevorzugt, wenn die Abgasrückführungsleitung zu einem Hochdruck-Abgasrückführungssystem gehört und in einem weiteren Verfahrensschritt die Menge des über das Hochdruck-Abgasrückführungssystem rückgeführten Abgases gesteuert wird. Die entsprechende Hochdruck-Abgasleitung weist ein Steuerventil auf, dessen Öffnungsgrad von der Steuereinrichtung gesteuert wird. Dabei kann die Anordnung sowohl ein Niederdruck-Abgasrückführungssystem und ein Hochdruck-Abgasrückführungssystem umfassen als auch nur eines dieser Systeme.
Bevorzugt wird ein Zylinder mit einem unterstöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben.
Ebenfalls bevorzugt können in dem Verfahren zwei Zylinder mit einem unterstöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben werden. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das die Brennkraftmaschine mehr als zwei Zylinder aufweist, so dass das Abgas insgesamt noch stöchiometrisch wird.
Es ist auch möglich, dass mehr als zwei Zylinder mit einem unterstöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben werden, solange insgesamt noch mindestens ein Zylinder mit einem überstöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben wird, so dass das Abgas insgesamt noch stöchiometrisch wird. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist die Anzahl der mit einem unterstöchiometrischen Gemisch betriebenen Zylinder gleich der Anzahl der mit einem überstöchiometrischen Gemisch betriebenen Zylinder ist.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Anordnung zum Ausführen des Verfahrens umfassend eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern in einer Anordnung mit einem Abgastrakt, mindestens einer Abgasnachbehandlungseinrichtung und mindestens einer Abgasrückführungsleitung, die den Abgastrakt durch ein Ventil trennbar fluide mit dem Ansaugtrakt verbindet, in der mindestens ein Zylinder optional in einem anderen Betriebsmodus betrieben werden kann als in den anderen, und einer Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung besonders ausgebildet, um den Betrieb der einzelnen Zylinder mit einem unterstöchiometrischen oder überstöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Gemisch zu steuern.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Anordnung.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.
2 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.
3 eine Fließdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In der in 1 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 1 weist eine Brennkraftmaschine 2 vier Zylinder 3 auf. Die Brennkraftmaschine 2 ist besonders eine fremdgezündete Brennkraftmaschine. Die Anzahl der Zylinder kann auch eine andere größer als eins sein. Von den Zylindern 3 führen Abgasleitungen 4 von der Brennkraftmaschine 2 weg in einen Abgastrakt 5. In dem Abgastrakt 5 ist ein Dreiwegekatalysator 6 angeordnet. Stromaufwärts von dem Dreiwegekatalysator 6 zweigt eine Niederdruck-Abgasrückführungsleitung 7 vom Abgastrakt 4 ab. In der Niederdruck-Abgasrückführungsleitung 7 ist eine erste Abgaskühlereinrichtung 8 angeordnet. Die Niederdruck-Abgasrückführungsleitung 7 weist ein Niederdruck-Abgasrückführungsventil 9 auf. Am Punkt 10 mündet die Niederdruck-Abgasrückführungsleitung 7 in den Ansaugtrakt 11. Im Abgastrakt 5 können weitere katalytische Einrichtungen zur Abgasnachbehandlung angeordnet sein. Im Abgastrakt 5 kann eine Turbine eines Turboladers angeordnet sein (nicht gezeigt), wobei dann im Ansaugtrakt 11 ein dazugehöriger Verdichter angeordnet ist. Im Ansaugtrakt 11 sind stromaufwärts von der Brennkraftmaschine 2 weiterhin ein Ladeluftkühler 12 und eine Drosselklappe 13 angeordnet. Der Ansaugtrakt 11 stellt Ladeluft für die Brennkraftmaschine 2 bereit. Der Ansaugtrakt 11 verzweigt unmittelbar stromaufwärts der Brennkraftmaschine 2 in mehrere Ansaugleitungen 14, die jeweils mit einem Zylinder 3 verbunden sind. Dabei kann Kraftstoff über Einspritzeinrichtungen der Ladeluft zugeführt und in den Ansaugtrakt 11 geleitet werden. Um einzelne Zylinder 3 mit einem fetteren Kraftstoff-Luft-Gemisch betreiben zu können, kann Kraftstoff über nicht gezeigte Einspritzeinrichtungen in die Ansaugleitungen 14 oder direkt in die Zylinder 3 zylinderindividuell eingespritzt werden.
In der Anordnung 1 sind verschiedene Sensoren angeordnet, die mit einer Steuereinrichtung 15 verbunden sind. Stromaufwärts vom Dreiwegekatalysator 6 ist eine Lambdasonde 16 angeordnet, und im Bereich der Brennkraftmaschine 2 bzw. innerhalb der Brennkraftmaschine 2 sind ein Klopfsensor 17 und ein Temperatursensor 18 angeordnet. Weitere Sensoren können an verschiedenen Stellen im Abgastrakt angeordnet sein, z.B. stromaufwärts des Abzweigs der Niederdruck-Abgasrückführungsleitung eine weitere Lambdasonde 16. Die Steuereinrichtung 15 ist weiterhin mit Steuermitteln des Niederdruck-Abgasrückführungsventils 9, der Drosselklappe 13 und nicht gezeigten Einspritzeinrichtungen für Kraftstoff verbunden.
Die in 2 gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 1 weist zusätzlich zu der von 1 eine Hochdruck-Abgasrückführungsleitung 19 auf. In der Hochdruck-Abgasrückführungsleitung 19 sind ein Hochdruck-Abgasrückführungsventil 20 und eine zweite Abgaskühlereinrichtung 21 angeordnet. Die Steuereinrichtung 15 ist mit Steuermitteln des Hochdruck-Abgasrückführungsventils 20 verbunden.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der Darstellung von 3 wird in einem ersten Schritt S1 die Brennkraftmaschine 2 betrieben. Dabei wird ein mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch für die Verbrennung in den Zylindern 3 bereitgestellt. Die Steuereinrichtung 15 empfängt während des Betriebs Signale von den Sensoren. In einem zweiten Schritt S2 wird Abgas mittels der Niederdruck-Abgasrückführungsleitung 8 in den Ansaugtrakt 11 geleitet. Die Menge des rückgeleiteten Abgases steuert die Steuereinrichtung 15 u.a. in Abhängigkeit von den Werten des Klopfsensors 17 und des Temperatursensors 18, indem die Steuermittel des oder der Abgasrückführventile angesteuert werden, um in Schritt S2 die Menge des der Ladeluft zugemischten Abgases zu regulieren.
In einem dritten Schritt S3 wird ein Zylinder 3 ausgewählt, der mit einem fetten Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben wird. Dazu wird in den ausgewählten Zylinder beispielsweise eine größere Kraftstoffmenge eingespritzt oder stromaufwärts des ausgewählten Zylinders 3 in den Ansaugtrakt bzw. die entsprechende Ansaugleitung geleitet. Die übrigen drei Zylinder 3 werden weiterhin mit einem mageren Gemisch betrieben. In einem vierten Schritt S4 wird der Betriebsmodus der weiteren Zylinder 3 mittels der Steuereinrichtung 15 derart nachgesteuert, dass das Abgas aller Zylinder 3 stöchiometrisch ist. Der Sauerstoffgehalt des Abgases wird von der Lambdasonde 16 erfasst. Weiterhin fließen besonders Werte des Klopfsensors 17 in die Steuerung des Betriebsmodus der einzelnen Zylinder ein. Weicht das Klopfen der Brennkraftmaschine 2 von voreingestellten Schwellenwerten ab, werden von der Steuereinrichtung 15 Signale an Steuermittel der Kraftstoffeinspritzung gesendet, um in Schritt S4 das Kraftstoff-Luft-Gemisch für die einzelnen Zylinder 3 derart einzustellen, dass dem Klopfen entgegengewirkt wird. Dazu kann beispielsweise ein weiterer Zylinder 3 mit einem unterstöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben werden oder die Kraftstoffmenge des Kraftstoff-Luft-Gemischs für einen oder mehrere Zylinder 3 leicht erhöht werden.
Bezugszeichenliste

1: Anordnung
2: Brennkraftmaschine
3: Zylinder
4: Abgasleitungen
5: Abgastrakt
6: Dreiwegekatalysator
7: Niederdruck-Abgasrückführungsleitung
8: erste Abgaskühlereinrichtung
9: Niederdruck-Abgasrückführungsventil
10: Einmündung der Abgasrückführungsleitung in den Ansaugtrakt
11: Ansaugtrakt
12: Ladeluftkühler
13: Drosselklappe
14: Ansaugleitungen
15: Steuereinrichtung
16: Lambdasonde
17: Klopfsensor
18: Temperatursensor
19: Hochdruck-Abgasrückführungsleitung
20: Hochdruck-Abgasrückführungsventil
21: zweite Abgaskühlereinrichtung

Claims

Verfahren zum Steuern einer Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern in einer Anordnung mit einem Abgastrakt, wobei die Abgase aller Zylinder in einen gemeinsamen Abgaskrümmer geleitet werden, mindestens einer Abgasnachbehandlungseinrichtung und mindestens einer Abgasrückführungsleitung, die den Abgastrakt durch ein Ventil trennbar fluide mit dem Ansaugtrakt verbindet, in der mindestens ein Zylinder optional in einem anderen Betriebsmodus betrieben werden kann als die anderen, und einer Steuereinrichtung, mit den Schritten: - Betreiben der Brennkraftmaschine, - Leiten von Abgas mittels der Abgasrückführungsleitung in den Ansaugtrakt, - Betreiben mindestens eines Zylinders mit einem unterstöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Gemisch, - Modulieren des Betriebsmodus der weiteren Zylinder mittels der Steuereinrichtung derart, dass das Abgas aller Zylinder stöchiometrisch ist, dadurch gekennzeichnet, dass das unterstöchiometrische Luft-Kraftstoff-Gemisch bereitgestellt wird, wenn Werte eines an der Brennkraftmaschine angeordneten Klopfsensors von voreingestellten Werten abweichen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Abgasnachbehandlungs-einrichtung ein Drei-Wege-Katalysator verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Abgasrückführungsleitung zu einem Niederdruck-Abgasrückführungssystem gehört und in einem weiteren Verfahrensschritt die Menge des über das Niederdruck-Abgasrückführungssystem rückgeführten Abgases gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Abgasrückführungsleitung zu einem Hochdruck-Abgasrückführungssystem gehört und in einem weiteren Verfahrensschritt die Menge des über das Hochdruck-Abgasrückführungssystem rückgeführten Abgases gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Zylinder mit einem unterstöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, wobei zwei Zylinder mit einem unterstöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Anzahl der mit einem unterstöchiometrischen Gemisch betriebenen Zylinder gleich der Anzahl der mit einem überstöchiometrischen Gemisch betriebenen Zylinder ist.
Anordnung (1) zum Ausführen eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1-7, umfassend eine Brennkraftmaschine (2) mit mehreren Zylindern (3) in einer Anordnung mit einem Abgastrakt (5), mindestens einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) und mindestens einer Abgasrückführungsleitung (7), die den Abgastrakt (5) durch ein Ventil (9) trennbar fluide mit dem Ansaugtrakt (11) verbindet, in der mindestens ein Zylinder (3) optional in einem anderen Betriebsmodus betrieben werden kann als in den anderen, einem Klopfsensor (17) und einer Steuereinrichtung (15), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (15) ausgebildet ist, den Betrieb der einzelnen Zylinder (3) in Abhängigkeit von den Werten des Klopfsensors (17) mit einem unterstöchiometrischen oder überstöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Gemisch zu betreiben.
Kraftfahrzeug mit einer Anordnung gemäß Anspruch 8.