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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors mit einem Katalysator sowie einen Verbrennungsmotor mit einem Katalysator.
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Zur Effizienzsteigerung von Verbrennungsmotoren, insbesondere Ottomotoren, sind Turbolader bekannt. Neben Effizienzvorteilen haben solche hochaufgeladenen Verbrennungsmotoren jedoch den Nachteil eines sehr heißen Abgases im hochlastigen Arbeitsbereich des Verbrennungsmotors.
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Dies bringt Probleme beim Schutz der abgasführenden Bauteile mit sich.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors sowie einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, bei dem die Abgastemperatur trotz der Verwendung von Turboladern begrenzt werden kann.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Verbrennungsmotors mit einem Turbolader, mit einem Katalysator, insbesondere einem Drei-Wege-Katalysator, wenigstens einem ersten Zylinder und wenigstens einem zweiten Zylinder, mit den folgenden Schritten:
- a) Verringern des Verbrennungsluftverhältnisses des dem wenigstens einen ersten Zylinder zugeführten Kraftstoffgemischs um einen ersten Abweichungsbetrag im Vergleich zu einem optimalen Verbrennungsluftverhältnis, und
- b) gleichzeitiges Erhöhen des Verbrennungsluftverhältnisses des dem wenigstens einen zweiten Zylinder zugeführten Kraftstoffgemischs um einen zweiten Abweichungsbetrag im Vergleich zu einem optimalen Verbrennungsluftverhältnis.
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Der Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, dass es möglich ist, eine schnelle Abkühlung des Abgases dadurch zu erreichen, dass das den Zylindern zugeführte Luft-Kraftstoffgemisch, kurz Kraftstoffgemisch angefettet, d.h. das Verbrennungsluftverhältnis verringert wird. Ebenso hat auch eine Abmagerung des Kraftstoffgemisches, d. h. eine Erhöhung des Verbrennungsluftverhältnisses, eine kühlende Wirkung auf das Abgas.
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Eine reine Abmagerung oder reine Anfettung des Kraftstoffgemisches führt zwar zu niedrigeren Abgastemperaturen, jedoch würde dann das dem Katalysator zugeführte Abgas aufgrund der Abweichung vom stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis eine ungünstige stoffliche Zusammensetzung, insbesondere ein ungünstiges Verhältnis von Sauerstoff, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid und Stickoxiden aufweisen, sodass der Katalysator nicht optimal funktionieren kann.
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Die Erfindung verhindert eine solche Situation dadurch, dass der Verbrennungsmotor gleichzeitig mit einem abgemagerten und einem angefetteten Kraftstoffgemisch betrieben wird. Dies wird dadurch erreicht, dass einem Zylinder ein angefettetes Kraftstoffgemisch und einem anderen Zylinder gleichzeitig ein abgemagertes Kraftstoffgemisch zugeführt wird. Der Katalysator kann daher weiterhin die Schadstoffe bestmöglich aus dem Abgas entfernen.
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Vorzugsweise sind der erste Abweichungsbetrag und der zweite Abweichungsbetrag derart gewählt, dass die zum Katalysator geleiteten Verbrennungsabgase des ersten Zylinders und des zweiten Zylinders zusammen im zeitlichen Mittel den Verbrennungsabgasen einer Verbrennung mit dem optimalen Verbrennungsluftverhältnis entsprechen. Dabei werden insbesondere die Verbrennungsabgase des ersten und des zweiten Zylinders demselben Katalysator zugeführt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der Katalysator immer innerhalb seines optimalen Betriebsbereiches betrieben wird, da die stoffliche Zusammensetzung des Abgases am Katalysator im zeitlichen Mittel die gleiche ist, wie die stoffliche Zusammensetzung des Abgases einer Verbrennung mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis.
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Beispielsweise liegt das optimale Verbrennungsluftverhältnis bei einem vorbestimmten Wert, insbesondere bei 1, oder das optimale Verbrennungsluftverhältnis wird in einem Fenster, insbesondere zwischen 0,97 und 1,03 in Abhängigkeit der Motorsituation variiert. Bei der Verwendung eines Fensters berechnen sich die Abweichungsbeträge in Bezug auf die der vorliegenden Motorsituation entsprechenden Werte des optimalen Verbrennungsluftverhältnisses. Die Motorsituation hängt z. B. von der Last des Motors, der Drehzahl des Motors und weiteren Faktoren ab. Auf diese Weise wird erreicht, dass keine tiefergehenden Eingriffe in die Motorsteuerung vorgenommen werden müssen, da das optimale Verbrennungsluftverhältnis ohnehin stets bestimmt wird.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung werden die Verbrennungsluftverhältnisse von einer Motorsteuereinheit des Verbrennungsmotors eingestellt, sodass keine weiteren Steuereinheiten notwendig sind.
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Um stets optimale Bedingungen am Katalysator zu erreichen, kann der erste Abweichungsbetrag im Wesentlichen gleich dem zweiten Abweichungsbetrag sein. Dabei werden z.B. die Absolutwerte der Abweichungsbeträge verglichen.
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Zur präzisen Steuerung der Temperatur des Abgases sind der erste Abweichungsbetrag und/oder der zweite Abweichungsbetrag in Abhängigkeit der Last des Verbrennungsmotors, der Temperatur des Abgases und/oder der Temperatur des Katalysators gewählt.
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Vorzugsweise werden der erste Abweichungsbetrag und/oder der zweite Abweichungsbetrag verkleinert, insbesondere auf null gesetzt, wenn die Temperatur des Katalysators einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Dies dient zum Schutz des Katalysators, da durch die unterschiedlichen Verbrennungsluftverhältnisse in den einzelnen Zylindern die exothermen Reaktionen im Katalysator vergrößert werden, wodurch die thermische Belastung des Katalysators steigt.
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Die Zunahme an exothermen Reaktionen entsteht dadurch, dass der Katalysator zwar im Mittel Abgas mit einer optimalen stofflichen Zusammensetzung erhält, die tatsächliche stoffliche Zusammensetzung jedoch um diesen optimalen Wert herum schwankt. Dadurch werden die Ausgleichsfunktionen bzw. -reaktionen des Katalysators beansprucht, die auf exothermen Reaktionen basieren.
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Zum Schutz des Katalysators ist es auch denkbar, dass der erste Abweichungsbetrag und/oder der zweite Abweichungsbetrag spätestens nach einer vorbestimmen Zeitdauer ab Beginn der Anpassung des entsprechenden Verbrennungsluftverhältnisses verkleinert, insbesondere auf null gesetzt wird.
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Ferner wird die Aufgabe gelöst durch einen Verbrennungsmotor mit einem Katalysator, insbesondere einem Drei-Wege-Katalysator, wenigstens einem ersten Zylinder, wenigstens einem zweiten Zylinder und einer Motorsteuereinheit, wobei die Motorsteuereinheit dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
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Der Verbrennungsmotor ist beispielsweise ein Ottomotor.
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Vorzugsweise kann der Verbrennungsmotor einen Turbolader aufweisen, um die Effizienz des Verbrennungsmotors zu steigern.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors, und
- - 2 einen Graphen des zeitlichen Verlaufs des Verbrennungsluftverhältnisses, das den Zylindern des Verbrennungsmotors nach 1 zugeführt wird, zur Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 ist ein Verbrennungsmotor 10 dargestellt, der einen Motorblock 12 mit mehreren Zylindern 14, einen Turbolader 16, einen Katalysator 18 und eine Motorsteuereinheit 20 aufweist.
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Der Verbrennungsmotor 10 ist beispielsweise ein Ottomotor, der durch den Turbolader 16 hochaufgeladen ist.
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Ein Luftzufuhrrohr 22 führt den Zylindern 14 Luft zu und ein Abgasrohr 24 führt das bei der Verbrennung entstandene Abgas von den Zylindern 14 ab.
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Im Abgasrohr 24 ist der Katalysator 18 vorgesehen, dem somit die Abgase aller Zylinder 14 zugeführt werden und der die Abgase der Zylinder 14 reinigt. Der Katalysator 18 ist insbesondere ein Drei-Wege-Katalysator.
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Zwischen dem Luftzufuhrrohr 22 und dem Abgasrohr 24 ist der Turbolader 16 vorgesehen, der in bekannter Weise als Abgasturbolader ausgebildet ist.
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Die Motorsteuereinheit 20 ist sowohl mit dem Motorblock 12, genauer gesagt den Einspritzventilen bzw. -düsen (nicht gezeigt) verbunden und steuert diese.
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Gleichzeitig ist die Motorsteuereinheit 20 mit dem Katalysator 18 verbunden und erhält vom Katalysator 18 beispielsweise Messwerte über die Temperatur des Abgases und/oder die Temperatur des Katalysators 18. Denkbar ist auch, dass die Abgastemperatur und/oder die Temperatur des Katalysators anhand eines Modells von der Motorsteuereinheit 20 bestimmt werden. In diesem Fall sind keine Temperatursensoren notwendig.
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Darüber hinaus kann die Motorsteuereinheit 20 noch mit weiteren Komponenten verbunden sein und weitere Parameter, beispielsweise die Last des Verbrennungsmotors, die Drehzahl, etc. erhalten.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel hat der Verbrennungsmotor 10 vier Zylinder 14, die in zwei Gruppen eingeteilt sind. Die Zylinder Nr. 1 und 3 bilden die ersten Zylinder 26 und die Zylinder Nr. 2 und 4 bilden die zweiten Zylinder 28.
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Selbstverständlich können die Gruppen auch anders eingeteilt werden. Auch kann der Verbrennungsmotor 10 mehr oder weniger als vier Zylinder haben und es können mehr als zwei Gruppen vorgesehen sein.
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Die Motorsteuereinheit 20 kann das den Zylindern 14 zugeführte Kraftstoffgemisch steuern, und somit das Verbrennungsluftverhältnis λ des Kraftstoffgemisches kontrollieren. Dabei kann die Motorsteuereinheit 20 das Verbrennungsluftverhältnis λ für jeden Zylinder 14 individuell bestimmen.
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In 2 ist ein beispielhafter Verlauf des Verbrennungsluftverhältnisses λ, das den verschiedenen Zylindern 14 über eine bestimmte Zeitdauer hinweg zugeführt wird, schematisch dargestellt.
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Die gestrichelte Linie entspricht dem Verbrennungsluftverhältnis λ1,3 des Kraftstoffgemischs, das den ersten Zylindern 26 (Zylinder Nr. 1 und 3) zugeführt wird. Dagegen zeigt die durchgezogene Linie den Verlauf des Verbrennungsluftverhältnisses λ2,4 des Kraftstoffgemischs, das den zweiten Zylindern 28 (Zylinder Nr. 2 und 4) zugeführt wird.
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Zu Beginn des gezeigten Zeitausschnittes, d. h. vor dem Zeitpunkt t1 , ist der Verbrennungsmotor 10 im Normalbetrieb und das Verbrennungsluftverhältnis λ1,3 , λ2,4 ist für alle Zylinder 14 gleich.
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Im Normalbetrieb liegt das Verbrennungsluftverhältnis bei einem optimalen Verbrennungsluftverhältnis λο . Das optimale Verbrennungsluftverhältnis λο liegt beispielsweise in einem Fenster zwischen 0,97 und 1,03 und wird in Abhängigkeit der Motorsituation von der Motorsteuereinheit 20 variiert. Unter einer Motorsituation wird dabei die Kombination aus verschiedenen Motorparametern, wie die Last des Motors, die Drehzahl, etc. verstanden. Die Motorsteuereinheit 20 wählt also ein für eine entsprechende Motorsituation optimales Verbrennungsluftverhältnis λο aus.
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Im in 2 gezeigten Beispiel liegt das optimale Verbrennungsverhältnis bei 1 und ist als strichpunktierte Linie angedeutet.
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Zum Zeitpunkt t1 steigt jedoch die Motorlast des Verbrennungsmotors 10 so stark an, dass sich die Abgastemperatur bei Verwendung des optimalen Verbrennungsluftverhältnisses λο so stark erhöhen würde, dass abgasführende Bauteile Schaden nehmen könnten.
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Um dies zu verhindern, verändert die Motorsteuereinheit 20 nun das Verbrennungsluftverhältnis λ1,3 der ersten Zylinder 26 und das Verbrennungsluftverhältnis λ2,4 der zweiten Zylinder 28.
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Dabei verringert die Motorsteuereinheit 20 das Verbrennungsluftverhältnis λ1,3 der ersten Zylinder 26 um einen ersten Abweichungsbetrag a1 , sodass den ersten Zylindern 26 ein angefettetes Kraftstoffgemisch zugeführt wird. Der erste Abweichungsbetrag a1 gibt somit die Abweichung des Verbrennungsluftverhältnisses λ1,3 der ersten Zylinder 26 vom optimalen Verbrennungsluftverhältnis λο an.
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Das Verbrennungsluftverhältnis λ1,3 der ersten Zylinder 26 ergibt sich somit als λ1,3 = λο - a1 .
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Gleichzeitig erhöht die Motorsteuereinheit das Verbrennungsluftverhältnis λ2,4 der zweiten Zylinder 28 um einen zweiten Abweichungsbetrag a2, wodurch das den zweiten Zylindern 28 zugeführte Kraftstoffgemisch abgemagert wird.
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Das Verbrennungsluftverhältnis λ2,4 der zweiten Zylinder 28 ergibt sich somit als λ2,4 = λο + a2.
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Die Größe der Abweichungsbeträge a1 , a2 wird von der Motorsteuereinheit 20 in Abhängigkeit verschiedener Größen, wie der Last des Verbrennungsmotors 10, der Temperatur des Abgases und/oder der Temperatur des Katalysators 18 gewählt.
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Zum Beispiel werden die Abweichungsbeträge größer gewählt, wenn die Last des Verbrennungsmotors 10 groß ist.
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Im Ausführungsbeispiel der 2 werden die Abweichungsbeträge a1 und a2 bis zum Zeitpunkt t2 kontinuierlich vergrößert.
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Zum Zeitpunkt t2 hat das Verbrennungsluftverhältnis λ1,3 der ersten Zylinder 26 den Wert 0,94 und das Verbrennungsluftverhältnis λ2,4 der zweiten Zylinder 28 den Wert 1,06 erreicht.
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Ab dem Zeitpunkt t1 wird somit keiner der Zylinder 14 des Verbrennungsmotors 10 mit einem Kraftstoffgemisch mit einem optimalen Verbrennungsluftverhältnis λο betrieben.
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Wenn jedoch alle vier Zylinder 14 gleichzeitig betrachtet werden, ergibt sich ein Verbrennungsluftverhältnis aus den beiden Verbrennungsluftverhältnissen λ1,3 und λ2,4 , das dem optimalen Verbrennungsluftverhältnis λο entspricht.
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Im zeitlichen Mittel, z. B. im Mittel über zwei Kurbelwellenumdrehungen, haben die Verbrennungsabgase am Katalysator 18, die eine Mischung der Verbrennungsabgase aller Zylinder 14 sind, somit eine Zusammensetzung, die der Zusammensetzung des Verbrennungsabgases entspricht, wenn alle vier Zylinder 14 mit dem optimalen Verbrennungsluftverhältnis λο betrieben würden.
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Allerdings kommt es aufgrund der verschiedenen Zündzeitpunkte der Zylinder 14 bei einer zeitlich genaueren Betrachtung bei den Verbrennungsabgasen zur Abweichung von der optimalen stofflichen Zusammensetzung des Abgases.
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Diese Abweichungen der stofflichen Zusammensetzung können vom Katalysator aufgrund von Speicherfähigkeiten ausgeglichen werden. Dazu finden am Katalysator 18 vermehrt Ausgleichsreaktionen statt, bei denen überschüssige Reaktionsgase, z.B. Sauerstoff vom Katalysator gespeichert bzw. abgegeben werden.
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Diese Vergrößerung der Aktivität der chemischen Reaktionen führt jedoch zu einer größeren Wärmeentwicklung am Katalysator 18. Um eine Überhitzung des Katalysators 18 zu vermeiden, werden beispielsweise spätestens nach einer vorbestimmten Zeitdauer, die in 2 dem Abstand zwischen den Zeitpunkten t1 und t3 entspricht, die unterschiedlichen Verbrennungsluftverhältnisse λ1,3 und λ2,4 wieder aneinander angepasst. Das heißt, dass die Abweichungsbeträge a1 , a2 verringert werden bis sie schließlich zum Zeitpunkt t4 null sind.
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Zum Zeitpunkt t4 werden somit alle Zylinder 14 wieder mit einem Kraftstoffgemisch mit dem optimalen Verbrennungsluftverhältnis λο betrieben.
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Denkbar ist jedoch auch, dass die Abweichungsbeträge a1 , a2 verringert und auf null zurückgefahren werden, wenn die Temperatur des Katalysators 18 einen bestimmten Schwellwert übersteigt.
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Dies könnte in dem in 2 gezeigten Beispiel auch zum Zeitpunkt t3 der Fall sein.
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Insgesamt können die ersten Zylinder 26 und die zweiten Zylinder 28 jedoch für einen genügend langen Zeitraum mit voneinander abweichenden Verbrennungsluftverhältnissen λ1,3 , λ2,4 betrieben werden, um besonders hohe Abgastemperaturen zu vermeiden, die beispielsweise bei hohen Lasten des Verbrennungsmotors 10, z. B. bei Beschleunigungsvorgängen entstehen würden.
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Denkbar ist selbstverständlich auch, dass mehrere Katalysatoren im Verbrennungsmotor vorgesehen sind, die jeweils mit einem Teil der Zylinder des Verbrennungsmotors verbunden sind. In diesem Fall bestehen also mehrere Baugruppen aus einem Katalysator und den dem jeweiligen Katalysator zugeordneten Zylindern, die in Bezug auf erfindungsgemäße Verfahren als unabhängig voneinander angesehen werden können. Daher wird das oben beschriebene Verfahren für jede dieser Baugruppen separat durchgeführt, sodass jeder der Katalysatoren mit Abgas mit einer im Mittel optimalen stofflichen Zusammensetzung beaufschlagt wird.
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Das Verfahren wurde mittels eines Beispiels beschrieben, bei dem die Abgastemperatur insgesamt verringert werden sollte. Das Verfahren kann allerdings auch dazu verwendet werden, die Abgastemperatur zweier unterschiedlich heißer Gasfluten („Twin-Scroll“) aneinander anzugleichen, indem die Verbrennungsluftverhältnisse der beteiligten Zylinder entsprechend aufeinander abgestimmt werden.
