DE102018000433A1 - Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten, einen von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt (22), wenigstens einen mit der den Ansaugtrakt (22) durchströmenden Luft versorgbaren Brennraum (14), einen von Abgas aus dem Brennraum (14) durchströmbaren Abgastrakt (16), einen in dem Abgastrakt (16) angeordneten ersten Drei-Wege-Katalysator (18) und einen in dem Abgastrakt (16) stromab des ersten Drei-Wege-Katalysators (18) angeordneten zweite Drei-Wege-Katalysator (20) aufweisenden Verbrennungskraftmaschine (10), bei welchem zumindest ein Teil der den Ansaugtrakt (22) durchströmenden Luft aus dem Ansaugtrakt (22) abzweigt und unter Umgehung des Brennraums (14) in den Abgastrakt (16) an wenigstens einer stromab des ersten Drei-Wege-Katalysators (18) und stromauf des zweiten Drei-Wege-Katalysators (20) angeordneten Stelle (E) eingeleitet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs und vorzugsweise eines Kraftwagens, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
  • Ein solches Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, ist beispielsweise bereits der DE 10 2015 212 514 A1 als bekannt zu entnehmen. Die auch als Verbrennungsmotor bezeichnete und beispielsweise als Ottomotor ausgebildete Verbrennungskraftmaschine umfasst dabei einen von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt und wenigstens einen oder mehrere Brennräume, welche beispielsweise als Zylinder ausgebildet sind. Der jeweilige Brennraum ist dabei mit der den Ansaugtrakt durchströmenden Luft versorgbar. Außerdem weist die Verbrennungskraftmaschine einen von Abgas aus dem jeweiligen Brennraum durchströmbaren Abgastrakt und wenigstens einen in dem Abgastrakt angeordneten ersten Drei-Wege-Katalysator auf, mittels welchem das Abgas nachbehandelt werden kann. Die Verbrennungskraftmaschine umfasst außerdem einen zweiten Drei-Wege-Katalysator, mittels welchem das Abgas nachbehandelt werden kann. Der zweite Drei-Wege-Katalysator ist in dem Abgastrakt stromab des ersten Drei-Wege-Katalysators angeordnet.
  • Bei dem Verfahren wird zumindest ein Teil der den Ansaugtrakt durchströmenden Luft aus dem Ansaugtrakt abgezweigt und unter Umgehung des Brennraums in den Abgastrakt an wenigstens einer stromauf des zweiten Drei-Wege-Katalysators und stromab des ersten Drei-Wege-Katalysators angeordneten Stelle eingeleitet. Unter dem Merkmal, dass die Luft unter Umgehung des Brennraums in den Abgastrakt eingeleitet wird, ist zu verstehen, dass die Luft den Brennraum umgeht. Mit anderen Worten strömt die Luft nicht durch den Brennraum und nimmt somit nicht an einer im Brennraum ablaufenden Verbrennung Teil, sondern die Luft wird - ohne durch den Brennraum zu strömen - in den Abgastrakt eingeleitet. Dies wird auch als Sekundärlufteinblasung bezeichnet.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass sich ein besonders emissionsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisieren lässt.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
  • Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders emissionsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden kann, weist das erfindungsgemäße Verfahren einen ersten Schritt auf, bei welchem ein unterstöchiometrischer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine eingestellt wird. Darunter ist zu verstehen, dass die auch als Verbrennungsmotor bezeichnete Verbrennungskraftmaschine mit unterstöchiometrischem Gemisch, das heißt mit fettem Gemisch, betrieben wird. Insbesondere ist darunter folgendes zu verstehen: Im Rahmen des Verfahrens wird die Verbrennungskraftmaschine in ihrem befeuerten Betrieb betrieben. Während des befeuerten Betriebs wird innerhalb eines jeweiligen Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine in dem beispielsweise als Zylinder ausgebildeten Brennraum ein Kraftstoff-Luft-Gemisch gebildet, welches einfach auch als Gemisch bezeichnet wird. Unter dem unterstöchiometrischen Betrieb ist nun zu verstehen, dass das jeweilige Gemisch ein fettes beziehungsweise unterstöchiometrisches Gemisch ist, sodass das auch als λ (Lambda) bezeichnete Verbrennungsluftverhältnis kleiner als 1 ist. Somit gilt während des unterstöchiometrischen Betriebs: A < 1. Durch den unterstöchiometrischen Betrieb können insbesondere temperaturbedingte Schäden der Verbrennungskraftmaschine vermieden werden.
  • Des Weiteren umfasst das erfindungsgemäße Verfahren einen zweiten Schritt, bei welchem eine Menge der Luft, die an der Stelle in den Abgastrakt unter Umgehung des Brennraums eingeleitet wird, derart eingestellt wird, dass das Abgas zumindest in dem zweiten Drei-Wege-Katalysator einen Sauerstoffgehalt aufweist, wie er bei stöchiometrischem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine in dem Abgas, insbesondere in dem zweiten Drei-Wege-Katalysator, vorliegen würde. Dadurch werden in dem zweiten Drei-Wege-Katalysator hinsichtlich des Sauerstoffgehalts beziehungsweise hinsichtlich der Zusammensetzung des Abgases Bedingungen eingestellt, wie sie bei stöchiometrischem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine in dem ersten Drei-Wege-Katalysator herrschen würden, wobei diese Bedingungen auch als λ-1-Bedingungen bezeichnet werden. Unter einem beziehungsweise dem stöchiometrischen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ist zu verstehen, dass die Verbrennungskraftmaschine bei dem stöchiometrischen Betrieb mit stöchiometrischem Gemisch betrieben wird, sodass das Verbrennungsluftverhältnis (λ) 1 beträgt. Mit anderen Worten gilt in dem stöchiometrischen Betrieb beziehungsweise während des stöchiometrischen Betriebs: A = 1.
  • Die erfindungsgemäß vorgesehenen Schritte werden dabei durchgeführt, wenn eine in dem Abgastrakt herrschende Temperatur, insbesondere des Abgases und/oder des ersten Drei-Wege-Katalysators, eine dem ersten Drei-Wege-Katalysator zugeordnete Grenztemperatur überschreitet, welche mindestens 850 Grad Celsius beträgt. Mit anderen Worten werden die Schritte durchgeführt, wenn eine Temperatur des ersten Drei-Wege-Katalysators die Grenztemperatur überschreitet. Alternativ oder zusätzlich werden die erfindungsgemäß vorgesehenen Schritte durchgeführt, wenn die Verbrennungskraftmaschine mit einer Drehzahl von mehr als 3.000 Umdrehungen pro Minute betrieben wird. Unter der Drehzahl ist insbesondere eine Drehzahl zu verstehen, mit welcher sich eine beispielsweise als Kurbelwelle ausgebildete Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine während des befeuerten Betriebs, relativ zu wenigstens einem Motorgehäuse der Verbrennungskraftmaschine, dreht. Alternativ oder zusätzlich werden die erfindungsgemäß vorgesehenen Schritte durchgeführt, wenn die Verbrennungskraftmaschine mit einer Last von mehr als 80 Prozent der Volllast der Verbrennungskraftmaschine betrieben wird. Mit anderen Worten werden die erfindungsgemäß vorgesehenen Schritte durchgeführt, wenn eine Last beziehungsweise ein Drehmoment, die beziehungsweise das von der Verbrennungskraftmaschine über deren Abtriebswelle, insbesondere während des befeuerten Betriebs, bereitgestellt wird, größer als 80 Prozent der Volllast beziehungsweise des maximalen Drehmoments der Verbrennungskraftmaschine ist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können temperaturbedingte Schäden der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere des ersten Drei-Wege-Katalysators, besonders vorteilhaft vermieden werden. Gleichzeitig können in dem zweiten Drei-Wege-Katalysator herrschende und für eine vorteilhafte Abgasnachbehandlung nachteilhafte Bedingungen vermieden werden, sodass trotz des unterstöchiometrischen Betriebs der Verbrennungskraftmaschine eine besonders vorteilhafte Konvertierung des Abgases beziehungsweise eine besonders vorteilhafte Abgasnachbehandlung gewährleistet werden kann.
  • Der Erfindung liegt dabei die folgende Erkenntnis zugrunde: Der reale Betrieb eines Verbrennungsmotors ist geprägt von sich ständig ändernden Lasten, sodass das Drehmoment, welches von der Verbrennungskraftmaschine über ihre Abtriebswelle bereitgestellt wird, stark variiert. Dies wird auch als transientes Verhalten oder transienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bezeichnet. Wenn die einfach auch als Motor bezeichnete Verbrennungskraftmaschine eine sehr hohe Leistung oder ein sehr hohes Drehmoment abgeben soll, entstehen üblicherweise sehr hohe Abgastemperaturen. Da der erste Drei-Wege-Katalysators in Strömungsrichtung des den Abgastrakt durchströmenden Abgases stromauf des zweiten Drei-Wege-Katalysators angeordnet ist, ist der erste Drei-Wege-Katalysator näher an dem Brennraum angeordnet als der zweite Drei-Wege-Katalysator. Somit können in dem ersten Drei-Wege-Katalysator sehr hohe erste Temperaturen herrschen, während in dem zweiten Drei-Wege-Katalysator, welcher gegenüber dem ersten Drei-Wege-Katalysator weiter von dem Brennraum entfernt angeordnet ist, gegenüber den ersten Temperaturen geringere zweite Temperaturen herrschen.
  • Durch den unterstöchiometrischen Betrieb können übermäßig hohe Temperaturen des Abgases und somit übermäßig hohe Temperaturen in dem ersten Drei-Wege-Katalysator vermieden werden, sodass einer Überhitzung und einer Zerstörung von Abgaskomponenten wie beispielsweise einem Krümmer, einem Abgasturbolader und dem ersten Drei-Wege-Katalysator vorgebeugt werden kann. Der unterstöchiometrische Betrieb wird auch als Fettbetrieb bezeichnet, da im Rahmen des unterstöchiometrischen Betriebs die Verbrennungskraftmaschine mit fettem Gemisch betrieben wird. Der Fettbetrieb, der aus Bauteilschutzgründen und insbesondere zum Schutz des ersten Drei-Wege-Katalysators vor Überhitzung durchgeführt wird, wird bei höheren Drehzahlen von 3.500 bis 4.000 Umdrehungen pro Minute und dabei insbesondere im oberen rechten Eck des Drehzahl-Drehmoment-Kennfelds der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt. Um jedoch motorische Emissionen besonders gut konvertieren zu können, müssten im jeweiligen Drei-Wege-Katalysator Bedingungen herrschen, wie sie bei stöchiometrischem Betrieb, das heißt bei stöchiometrischem Kraftstoff-Luft-Gemisch vorliegen würden. Bei dem Fettbetrieb herrscht jedoch zunächst Sauerstoffmangel im Abgas, sodass Kohlenwasserstoff- und Kohlenstoffmonoxidemissionen (HC, CO) mittels des ersten Drei-Wege-Katalysators nicht mehr vollständig konvertiert werden können. Üblicherweise resultiert daher aus dem kurzzeitigen Fettbetrieb ein Anstieg von CO-Emissionen.
  • Ein solcher Anstieg von CO-Emissionen und von HC-Emissionen kann durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden werden, da es mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich ist, während des Fettbetriebs zum Schutz des ersten Drei-Wege-Katalysators im zweiten Drei-Wege-Katalysator dauerhaft λ-1-Bedingungen zu erzeugen, um eine bestmögliche Emissionskonvertierung zu erhalten. Gleichzeitig kann ein besonders hohes Leistungsvermögen der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden, da der Fettbetrieb durchgeführt werden kann.
  • Grundsätzlich ist es denkbar, auf einen Fettbetrieb vollständig zu verzichten und einen A = 1-Betrieb im gesamten Motorkennfeld einzusetzen. Hieraus resultieren jedoch Leistungsreduzierungen aufgrund eines eingeschränkten Kennfeldbereichs. Ferner ist es denkbar, einen besonders klopffesten Kraftstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine zu verwenden und dabei einen λ = 1-Betrieb im gesamten Motorkennfeld vorzusehen, wobei hierdurch eine verbesserte Verbrennungsschwerpunktlage bei hohen Leistungen realisiert und die Abgastemperaturen gering gehalten werden können. Derartig klopffeste Kraftstoffe sind jedoch nicht oder nur sehr eingeschränkt verfügbar und es kann nur eine geringe Verbesserung realisiert werden. Ferner ist es denkbar, einen A = 1-Betrieb mit einer Wassereinspritzung zu kombinieren. Hierzu sind jedoch entsprechende Maßnahmen erforderlich, um eine solche Wassereinspritzung zu realisieren. Ferner wäre der Einsatz von entmineralisiertem Wasser erforderlich. Außerdem wäre ein zweites Einspritzsystem mit zusätzlichem Tank und zusätzlicher Pumpe erforderlich, woraus ein sehr hohes Gewicht der Verbrennungskraftmaschine insgesamt resultieren würde. Außerdem käme es zu einem starken Wassereintrag in die Verbrennungskraftmaschine und in die Abgasanlage, was zu weiteren Problemen führen könnte.
  • Die zuvor genannten Probleme und Nachteile können durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden werden, sodass auf bauraum-, gewichts- und kostengünstige Weise hohe Leistungen realisiert und übermäßige Emissionen vermieden werden können. Das Einleiten der Luft in den Abgastrakt wird auch als Einblasen von Luft, Frischlufteinblasung oder Sekundärlufteinblasung bezeichnet, da die Luft, die in den Abgastrakt eingeleitet wird, den Brennraum umgeht und als Sekundärluft genutzt wird, um trotz beziehungsweise während des unterstöchiometrischen Betriebs zumindest im zweiten Drei-Wege-Katalysator Bedingungen beziehungsweise einen Sauerstoffgehalt im Abgas einzustellen, wie er bei stöchiometrischem Betrieb im Abgas im ersten Drei-Wege-Katalysator, vorliegen würde.
  • Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn als die Grenztemperatur mindestens 900 Grad Celsius, insbesondere mindestens 930 Grad Celsius, verwendet wird. Dadurch können Zeitanteile des Fettbetriebs besonders gering gehalten werden, sodass ein besonders kraftstoffverbrauchsarmer Betrieb darstellbar ist.
  • Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Drehzahl mehr als 3.500 Umdrehungen pro Minute, insbesondere mehr als 4.000 Umdrehungen pro Minute, beträgt. Auch hierdurch können die Zeitanteile des Fettbetriebs besonders gering gehalten werden, sodass ein besonders kraftstoffverbrauchsarmer Betrieb realisiert werden kann. Insbesondere werden die erfindungsgemäß vorgesehenen Schritte durchgeführt, wenn die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise der Abtriebswelle in einem Bereich von einschließlich 3.500 Umdrehungen pro Minute bis einschließlich 4.000 Umdrehungen pro Minute liegt.
  • Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Luft aus dem Ansaugtrakt an einer Stelle abgezweigt wird, welche stromauf einer in dem Ansaugtrakt angeordneten Drosselklappe und stromab eines in dem Ansaugtrakt angeordneten Verdichters eines Abgasturboladers der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Die Stelle wird auch als Abzweigstelle bezeichnet. Da die Abzweigstelle in Strömungsrichtung der den auch als Einlasstrakt bezeichneten Ansaugtrakt durchströmenden Luft stromauf der Drosselklappe und stromab des Verdichters angeordnet ist, ist die abgezweigte Luft mittels des Verdichters verdichtete Luft, sodass in kurzer Zeit eine besonders große Menge der Luft in den Abgastrakt eingeleitet werden kann. Außerdem kann mittels der Drosselklappe ein besonders vorteilhaftes Rückstau- beziehungsweise Aufstauverhalten bewirkt werden, sodass eine besonders große Menge an Luft in den Abgastrakt eingeleitet werden kann.
  • Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass ein stromab des Verdichters und stromab der Drosselklappe in dem Ansaugtrakt herrschender Druck ermittelt wird. Dabei wird der Abgasturbolader, insbesondere dessen Umgehungseinrichtung, in Abhängigkeit von dem ermittelten Druck derart betrieben, dass ein aus dem Abzweigen der Luft resultierender Ladedruckabfall kompensiert und der mittels des Abgasturboladers bewirkte Ladedruck zumindest im Wesentlichen konstant gehalten wird. Somit unterbleibt ein aus dem Abzweigen der Luft resultierender Ladedruckabfall, sodass ein damit einhergehender Leistungs- beziehungsweise Lastabfall der Verbrennungskraftmaschine unterbleibt.
  • Die Umgehungseinrichtung wird üblicherweise auch als Waste-Gate bezeichnet und umfasst üblicherweise wenigstens einen Umgehungskanal, welcher üblicherweise auch als Waste-Gate-Kanal bezeichnet wird. Der Abgasturbolader umfasst dabei eine in dem Abgastrakt angeordnete Turbine, welche ein von dem Abgas antreibbares Turbinenrad aufweist. Dabei umfasst der Verdichter ein in dem Ansaugtrakt angeordnetes Verdichterrad, mittels welchem die Luft verdichtet werden kann. Das Verdichterrad ist dabei von dem Turbinenrad antreibbar. Über den Umgehungskanal ist das Turbinenrad von zumindest einem Teil des den Abgastrakt durchströmenden Abgases zu umgehen. Dies bedeutet, dass das das Turbinenrad umgehende Abgas das Turbinenrad nicht antreibt, sondern das den Umgehungskanal durchströmende und dadurch das Turbinenrad umgehende Abgas wird an dem Turbinenrad vorbeigeführt, ohne das Turbinenrad anzutreiben. Dabei ist dem Umgehungskanal ein Ventilelement der Umgehungseinrichtung zugeordnet, wobei das Ventilelement üblicherweise auch als Waste-Gate-Ventil bezeichnet wird. Mittels des Ventilelements kann eine den Umgehungskanal durchströmende Menge des Abgases eingestellt werden, wodurch der Ladedruck des Abgasturboladers einstellbar ist. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass das Ventilelement in Abhängigkeit von dem ermittelten Druck bewegt wird, wodurch der Ladedruck in Abhängigkeit von dem ermittelten Druck eingestellt wird. Würden keine entsprechenden Maßnahmen getroffen, so könnte das Abzweigen der Luft aus dem Ansaugtrakt zu einem Abfall des Ladedrucks führen. Erfindungsgemäß ist es nun jedoch vorgesehen, die Umgehungseinrichtung derart zu betreiben, dass ein solcher Ladedruckabfall unterbleibt, sodass das Abzweigen der Luft ohne Leistungseinbußen erfolgen kann. Dadurch kann ein besonders vorteilhafter Betrieb gewährleistet werden.
  • Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der in dem Ansaugtrakt herrschende Druck derart ermittelt wird, dass der Druck mittels eines Drucksensors gemessen wird. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass der Druck mittels einer elektronischen Recheneinrichtung der Verbrennungskraftmaschine berechnet wird.
  • Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das Einleiten der Luft in den Abgastrakt unterbleibt, wenn der Ladedruck, der mittels des Abgasturboladers bei Einleiten der Luft in den Abgastrakt maximal bereitgestellt werden könnte, einen Grenzdruck unterschreitet, der für einen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine mit einer Soll-Leistung erforderlich ist. Mit anderen Worten wird eine Soll-Leistung der Verbrennungskraftmaschine ermittelt, welche die Soll-Leistung über die Abtriebswelle bereitstellt. Die Soll-Leistung wird von einem Steuergerät der Verbrennungskraftmaschine und/oder von einem Fahrer eines mit der Verbrennungskraftmaschine ausgestatteten Kraftfahrzeugs angefordert. Des Weiteren wird beispielsweise der zuvor genannte Grenzdruck in Abhängigkeit von der Soll-Leistung ermittelt. Der Grenzdruck ist ein Grenzwert des Ladedrucks, der den Grenzwert aufweisen muss, um die Soll-Leistung zu erzielen beziehungsweise damit die Verbrennungskraftmaschine mit der Soll-Leistung betrieben werden kann. Wird nun ermittelt, dass der Ladedruck aufgrund dessen, dass Luft aus dem Ansaugtrakt abgezweigt und in den Abgastrakt eingeleitet wird, den Grenzdruck nicht erreichen kann, sodass die Verbrennungskraftmaschine nicht mit der gewünschten beziehungsweise geforderten Soll-Leistung betrieben werden kann beziehungsweise betrieben werden könnte, so unterbleibt das Abzweigen der Luft aus dem Ansaugtrakt beziehungsweise das Einleiten der Luft in den Abgastrakt, sodass dann der Ladedruck den Grenzdruck erreichen und die Verbrennungskraftmaschine mit der gewünschten Soll-Leistung betrieben werden kann, was allerdings nur in wenigen Ausnahmefällen und nur zum Schutz von Bauteilen des Verbrennungsmotors und des Abgastrakts zur Anwendung kommt.
  • Eine weitere Einschränkung der Freigabe kann insofern erfolgen, als das Einleiten der Luft in den Abgastrakt unterbleibt, wenn eine Temperatur des zweiten Drei-Wege-Katalysators einen Schwellenwert überschreitet. Hierdurch können übermäßig hohe Temperaturen des zweiten Drei-Wege-Katalysators sicher vermieden werden.
  • Um die Menge der in den Abgastrakt einzuleitenden Luft besonders präzise einstellen und in der Folge einen besonders emissionsarmen Betrieb realisieren zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass mittels einer stromauf des zweiten Drei-Wege-Katalysators angeordneten Lambda-Sonde und/oder mittels einer stromab des zweiten Drei-Wege-Katalysators angeordneten Lambda-Sonde wenigstens ein den Sauerstoffgehalt in dem Abgas charakterisierender Wert erfasst wird, wobei die Menge der Luft in Abhängigkeit von dem erfassten Wert eingestellt, insbesondere geregelt, wird.
  • Schließlich hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn bei dem Einstellen der Menge ein Gasspeicherverhalten und/oder ein Totzeitverhalten des zweiten Drei-Wege-Katalysators berücksichtigt wird.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Die Zeichnung zeigt in:
    • 1 eine schematische Draufsicht einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei die Verbrennungskraftmaschine mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben wird; und
    • 2 ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen des Verfahrens zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine.
  • In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt in einer schematischen Draufsicht eine Verbrennungskraftmaschine 10 für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen als Personenkraftwagen ausgebildeten Kraftwagen. Dies bedeutet, dass das Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst und mittels der Verbrennungskraftmaschine 10 antreibbar ist. Aus 1 ist erkennbar, dass die Verbrennungskraftmaschine 10 wenigstens ein als Zylindergehäuse, insbesondere als Zylinderkurbelgehäuse, ausgebildetes Motorgehäuse 12 aufweist, durch welches mehrere Brennräume 14 in Form von Zylindern der Verbrennungskraftmaschine gebildet sind. Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist dabei als fremdgezündete Verbrennungskraftmaschine, das heißt als fremdgezündeter Verbrennungsmotor, ausgebildet und wird einfach auch als Motor bezeichnet. Insbesondere ist die Verbrennungskraftmaschine 10 als Ottomotor ausgebildet. In dem jeweiligen Brennraum 14 ist ein jeweiliger Kolben translatorisch bewegbar aufgenommen. Dabei sind die Kolben gelenkig mit einer in 1 nicht gezeigten und insbesondere als Kurbelwelle ausgebildeten Abtriebswelle verbunden, welche um eine Drehachse relativ zu dem Motorgehäuse 12 drehbar ist. Durch die gelenkige Kopplung können die translatorischen Bewegungen der Kolben in eine rotatorische Bewegung der Abtriebswelle um ihre Drehachse umgewandelt werden, sodass die Verbrennungskraftmaschine 10 über die Abtriebswelle jeweilige Drehmomente beziehungsweise Leistungen zum Antreiben des Kraftfahrzeugs bereitstellen kann. Im Folgenden wird anhand von 1 und 2 ein Verfahren zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 10 beschrieben, wobei die Verbrennungskraftmaschine 10 im Rahmen des Verfahrens in ihrem befeuerten Betrieb betrieben wird. Während des befeuerten Betriebs wird der jeweilige Brennraum 14 zumindest mit Kraftstoff, insbesondere mit flüssigem Kraftstoff, und mit Luft versorgt, sodass sich innerhalb eines jeweiligen Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine 10 in dem jeweiligen Brennraum 14 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch bildet. Das jeweilige Kraftstoff-Luft-Gemisch wird auch als Gemisch bezeichnet, wobei der befeuerte Betrieb eine Vielzahl an aufeinanderfolgenden Arbeitsspielen der Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst.
  • Das jeweilige Gemisch wird mittels einer als Zündkerze ausgebildeten Fremdzündeinrichtung gezündet, das heißt fremdgezündet, und dadurch verbrannt, woraus Abgas resultiert. Das Abgas kann aus dem jeweiligen Brennraum 14 aus- und in einen Abgastrakt 16 der Verbrennungskraftmaschine 10 einströmen. Mittels des Abgastrakts 16, welcher von dem jeweiligen Abgas aus dem jeweiligen Brennraum 14 durchströmbar ist, wird das Abgas von den Brennräumen 14 abgeführt. In vollständig hergestelltem Zustand des Kraftfahrzeugs ist das Motorgehäuse 12 in einem Motorraum des Kraftfahrzeugs angeordnet. In dem Abgastrakt 16 ist dabei ein erster Drei-Wege-Katalysator 18 angeordnet, welcher ebenfalls in dem Motorraum angeordnet ist und daher auch als motornaher Drei-Wege-Katalysator oder Front-Drei-Wege-Katalysator bezeichnet wird.
  • In dem Abgastrakt 16 ist ferner ein zweiter Drei-Wege-Katalysator 20 angeordnet, welcher in Strömungsrichtung des den Abgastrakt 16 durchströmenden Abgases stromab des Drei-Wege-Katalysators 18 angeordnet ist. Der jeweilige Drei-Wege-Katalysator 18 beziehungsweise 20 wird im Folgenden auch einfach als Katalysator oder als TWC bezeichnet, wobei der Drei-Wege-Katalysator 18 als Front-TWC und der Drei-Wege-Katalysator 20 als UB-TWC bezeichnet wird. Der Drei-Wege-Katalysator 20 ist außerhalb des Motorraums und in Fahrzeughochrichtung unterhalb eines Unterbodens (UB) oder in Stirnwandposition des Kraftfahrzeugs angeordnet, wobei der Unterboden durch einen Aufbau des Kraftfahrzeugs gebildet ist. Insbesondere kann der Aufbau als selbsttragende Karosserie ausgebildet sein. Der jeweilige TWC ist von dem Abgas durchströmbar und wird verwendet, um das Abgas nachzubehandeln, insbesondere um im Abgas etwaig enthaltenes Kohlenstoffmonoxid (CO) zu oxidieren und um Abgas etwaig enthaltene, unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) zu oxidieren.
  • Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst ferner einen in 1 besonders schematisch dargestellten und von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt 22, der von der Luft, mit welcher die Brennräume 14 versorgbar beziehungsweise zu versorgen sind, durchströmbar ist. Mit anderen Worten wird die den Ansaugtrakt 22 durchströmende Luft mittels des Ansaugtrakts zu den und in die Brennräume 14 geleitet, wobei der Ansaugtrakt 22 auch als Einlasstrakt bezeichnet wird.
  • Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst außerdem einen in 1 besonders schematisch dargestellten Abgasturbolader 24, welcher einen in dem Ansaugtrakt 22 angeordneten Verdichter und eine in dem Abgastrakt 16 angeordnete Turbine 26 aufweist. Die Turbine 26 umfasst ein Verdichterrad, welches von dem den Abgastrakt 16 durchströmenden Abgas antreibbar ist. Der Verdichter umfasst ein Verdichterrad, mittels welchem die den Ansaugtrakt 22 durchströmende Luft verdichtet werden kann beziehungsweise verdichtet wird. Dabei sind das Turbinenrad und das Verdichterrad mit einer gemeinsamen Welle drehfest verbunden, sodass das Verdichterrad über die Welle von dem Turbinenrad angetrieben werden kann beziehungsweise angetrieben wird. Dadurch kann im Abgas enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt werden. Mittels des Verdichters kann die den Ansaugtrakt 22 durchströmende Luft auf wenigstens einen Ladedruck beziehungsweise auf unterschiedliche Ladedrücke verdichtet werden. Dabei umfasst der Abgasturbolader 24 eine der Turbine 26 zugeordnete Umgehungseinrichtung, mittels welcher der Ladedruck eingestellt werden kann. Mit anderen Worten können mittels der Umgehungseinrichtung unterschiedliche Werte des Ladedrucks eingestellt werden.
  • Hierzu umfasst die Umgehungseinrichtung wenigstens einen Umgehungskanal, über welchen das Turbinenrad von zumindest einem Teil des den Abgastrakt 16 durchströmenden Abgases zu umgehen ist. Dies bedeutet, dass das den Umgehungskanal durchströmende Abgas das Turbinenrad umgeht und somit nicht antreibt. Je mehr Abgas das Turbinenrad umgeht, desto geringfügiger wird das Turbinenrad von dem Abgas angetrieben und desto geringer ist der Ladedruck. Dies bedeutet im Umkehrschluss, dass, je weniger Abgas das Turbinenrad umgeht beziehungsweise je mehr Abgas das Turbinenrad anströmt und dadurch antreibt, desto höher ist der Ladedruck. Dabei umfasst die Umgehungseinrichtung wenigstens ein dem Umgehungskanal zugeordnetes Ventilelement, mittels welchem eine den Umgehungskanal durchströmende Menge des Abgases und dadurch der Ladedruck einstellbar sind.
  • In 1 ist darüber hinaus besonders schematisch eine elektronische Recheneinrichtung 30 der Verbrennungskraftmaschine 10 veranschaulicht, wobei die elektrische Recheneinrichtung 30 auch als Steuergerät oder Motorsteuerung bezeichnet wird. Beispielsweise wird mittels der Motorsteuerung das Ventilelement betrieben, insbesondere geregelt, sodass über das Ventilelement mittels der Motorsteuerung der Ladedruck eingestellt, insbesondere geregelt, werden kann.
  • Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst des Weiteren eine Abzweigeinrichtung 32 mit wenigstens einer Abzweigleitung 34, welche auch als Bypass oder Verdichterluft-Bypass bezeichnet wird. Die Abzweigleitung 34 ist an einer Abzweigstelle fluidisch mit dem Ansaugtrakt 22 und an einer Einleitstelle E fluidisch mit dem Abgastrakt 16 verbunden. Die Abzweigstelle, welche in 1 mit A bezeichnet ist, ist in Strömungsrichtung der den Ansaugtrakt 22 durchströmenden Luft stromab des Verdichters und stromauf der Drosselklappe angeordnet. Die Einleitstelle E ist in Strömungsrichtung des den Abgastrakt 16 durchströmenden Abgases stromab des Front-TWC und stromauf des UB-TWC angeordnet. Im Rahmen des Verfahrens wird mittels der Abzweigeinrichtung 32, insbesondere mittels der Abzweigleitung 34, zumindest ein Teil der den Ansaugtrakt 22 durchströmenden Luft an der Abzweigstelle A aus dem Ansaugtrakt 22 abgezweigt und unter Umgehung der Brennräume 14 an der Einleitstelle E in den Abgastrakt 16 eingeleitet. Darunter ist zu verstehen, dass die abgezweigte und die Abzweigleitung 34 durchströmende Luft nicht durch die Brennräume 14 strömt, sondern die abgezweigte und die Abzweigleitung 34 durchströmende Luft umgeht die Brennräume 14 und strömt an der einfach auch als Stelle bezeichneten Einleitstelle E in den Abgastrakt 16 ein. Bei der die Abzweigleitung 34 durchströmenden und an der Einleitstelle E in den Abgastrakt 16 eingeleitete Luft handelt es sich somit um Verdichterluft, welche auch als Ladeluft bezeichnet wird. Die Verdichterluft beziehungsweise die Ladeluft ist mittels des Verdichters verdichtete Luft. Dieses Abzweigen der Luft aus dem Ansaugtrakt 22 und das Einleiten der Luft in den Abgastrakt 16 wird auch als Sekundärlufteinblasung oder Verdichterlufteinblasung (VLE) bezeichnet.
  • Dabei umfasst die Abzweigeinrichtung 32 eine Einstelleinrichtung 36 mit wenigstens einem Einstellelement 38, welches als Ventil, insbesondere als Bypass-Ventil, ausgebildet ist. Das Einstellelement 38 ist stromauf der Drosselklappe und stromab des Verdichters angeordnet. Mittels der Einstelleinrichtung 36, insbesondere mittels des Einstellelements 38, kann eine Menge der aus dem Ansaugtrakt 22 an der Abzweigstelle A abzuzweigenden und in den Abgastrakt 16 an der Einleitstelle E einzuleitenden Luft eingestellt, insbesondere geregelt, werden. Somit ist die Einstelleinrichtung 36 als Regeleinrichtung, insbesondere als Luftregeleinrichtung, ausgebildet, mittels welcher die Menge der abzuzweigenden oder abgezweigten Verdichterluft geregelt werden kann.
  • Aus 1 ist erkennbar, dass die Menge der abzuzweigenden beziehungsweise abgezweigten Luft über die Einstelleinrichtung 36, insbesondere über das Einstellelement 38, von der Motorsteuerung eingestellt, insbesondere geregelt, wird. Insbesondere wird die Menge der abzuzweigenden Luft mittels einer Vorsteuerung eingestellt, insbesondere geregelt.
  • Um nun ein besonders hohes Leistungsvermögen der Verbrennungskraftmaschine 10 sowie einen besonders emissionsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 realisieren zu können, umfasst das Verfahren einen ersten Schritt, bei welchem ein unterstöchiometrischer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 eingestellt wird. Unter dem unterstöchiometrischen Betrieb ist zu verstehen, dass die Verbrennungskraftmaschine 10 während des unterstöchiometrischen Betriebs mit unterstöchiometrischem, das heißt fettem, Gemisch betrieben wird, sodass das Verbrennungsluftverhältnis (λ) kleiner als 1 ist. Das Verfahren umfasst einen zweiten Schritt, bei welchem die Menge der Luft, die an der Abzweigstelle A aus dem Ansaugtrakt 22 abgezweigt und an der Einleitstelle E in den Abgastrakt 16 eingeleitet wird, derart eingestellt, insbesondere geregelt, wird, dass das Abgas zumindest in dem Drei-Wege-Katalysator 20 einen Sauerstoffgehalt aufweist, wie er bei stöchiometrischem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 in dem Abgas vorliegen würde.
  • Die Schritte des Verfahrens werden dabei durchgeführt, wenn eine in dem Abgastrakt herrschende Temperatur, insbesondere eine Temperatur des Abgases und/oder eine Temperatur des Drei-Wege-Katalysators 18, eine dem Drei-Wege-Katalysator 18 zugeordnete Grenztemperatur von mindestens 850 Grad Celsius, insbesondere von mindestens 900 Grad Celsius und vorzugsweise von mindestens 930 Grad Celsius, übersteigt und/oder wenn die Verbrennungskraftmaschine 10 mit einer Drehzahl von mehr als 3.000 Umdrehungen pro Minute, insbesondere mit einer Drehzahl in einem Bereich von einschließlich 3.500 Umdrehungen pro Minute bis einschließlich 4.000 Umdrehungen pro Minute, betrieben wird und/oder wenn die Verbrennungskraftmaschine 10 mit einer Last von mehr als 80 Prozent der Volllast der Verbrennungskraftmaschine 10 betrieben wird.
  • Außerdem ist aus 1 besonders gut erkennbar, dass in dem Abgastrakt 16 Lambda-Sonden 40, 42, 44 und 46 angeordnet sind. Die Lambda-Sonde 40 ist dabei in Strömungsrichtung des den Abgastrakt 16 durchströmenden Abgases stromauf des Drei-Wege-Katalysators 18 und stromab der Turbine 26 angeordnet, während die Lambda-Sonde 42 stromab des Drei-Wege-Katalysators 18 und stromauf des Drei-Wege-Katalysators 20 angeordnet ist. Die Lambda-Sonde 40 ist als Regelsonde ausgebildet, während die Lambda-Sonde 42 beispielsweise als Sprungsonde ausgebildet ist. Die Lambda-Sonden 40 und 42 werden zum Betreiben, insbesondere zum Regeln, des Drei-Wege-Katalysators 18, insbesondere hinsichtlich dessen Drei-Wege-Funktion, genutzt, insbesondere bei einem stöchiometrischen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 mit stöchiometrischem Gemisch (λ = 1). Die Lambda-Sonde 44 ist stromab der Lambda-Sonde 42 und dabei stromab des Drei-Wege-Katalysators 18 sowie stromauf des Drei-Wege-Katalysators 20 angeordnet, während die Lambda-Sonde 46 stromab des Drei-Wege-Katalysators 20 angeordnet ist. Beispielsweise bei stöchiometrischem Betrieb werden die Lambda-Sonden 44 und 46 zum Betreiben, insbesondere Regeln, des Drei-Wege-Katalysators 20, insbesondere hinsichtlich dessen Drei-Wege-Funktion, genutzt. Nun ist es ferner vorgesehen, dass zumindest eine, mehrere oder alle der Lambda-Sonden 40, 42, 44 und 46 genutzt werden, um die Menge der aus dem Ansaugtrakt 22 abzuzweigenden und in den Abgastrakt 16 einzuleitenden Luft einzustellen. Optional ist ferner ein Temperatursensor 48 vorgesehen, mittels welchem eine stromab des Drei-Wege-Katalysators 20 oder in dem Drei-Wege-Katalysator 20 herrschende Temperatur, insbesondere des Abgases und/oder des Drei-Wege-Katalysators 20, erfasst, das heißt gemessen, werden kann. Dabei ist es denkbar, dass die Menge der abzuzweigenden beziehungsweise abgezweigten Luft in Abhängigkeit von der mittels des Temperatursensors 48 erfassten Temperatur eingestellt, insbesondere geregelt, wird.
  • Der Abgastrakt 16 umfasst ferner einen Mittelschalldämpfer 50, welcher stromab des Drei-Wege-Katalysators 20 und stromauf eines Endschalldämpfers 52 des Abgastrakts 16 angeordnet ist. Der unterstöchiometrische Betrieb wird auch als Fettbetrieb bezeichnet, da das Verbrennungsluftverhältnis kleiner als 1 ist, sodass das jeweilige Gemisch auch als fettes Gemisch oder fett bezeichnet wird. Bei dem Verfahren wird während des Fettbetriebs auch als Frischluft bezeichnete Luft nach dem Verdichter und vor der Drosselklappe aus dem Ansaugtrakt 22 entnommen und an der Einleitstelle E in den auch als Abgasanlage bezeichneten Abgastrakt 16 eingeleitet. Der Drei-Wege-Katalysator 20 ist dabei beispielsweise ein Unterbodenkatalysator mit Drei-Wege-Funktionalität. Ein zum Abzweigen und Einleiten der Luft vorteilhafter beziehungsweise erforderlicher Ladedruck wird über entsprechendes Betreiben beziehungsweise Anstellen des Ventilelements der Umgehungseinrichtung realisiert.
  • Die Menge der Luft, die an der Abzweigstelle A abgezweigt und an der Einleitstelle E eingeleitet wird, wird auch als Luftmenge bezeichnet, welche beispielsweise über den Ladedruck und einen mittels des Einstellelements 38 einstellbaren Öffnungsquerschnitt eingestellt, insbesondere geregelt, wird. Wird das auch als Bypassventil bezeichnete Einstellelement 38 geöffnet, so registriert die Motorsteuerung zum Beispiel über einen stromauf der Drosselklappe und stromab des Verdichters angeordneten Drucksensor einen insbesondere nur kurzzeitigen Einbruch des Ladedrucks, da dadurch, dass das Bypassventil geöffnet wird, Luft an der Abzweigstelle A aus dem Ansaugtrakt 22 abgezweigt wird. Durch entsprechendes Verstellen, insbesondere Anstellen, des Ventilelements der Umgehungseinrichtung wird ein Massenstrom des das Turbinenrad antreibenden Abgases erhöht, sodass das Verdichterrad stärker angetrieben wird. Auf diese Weise wird der auch als Abfall bezeichnete Einbruch des Ladedrucks kompensiert, sodass der Ladedruck zumindest im Wesentlichen konstant gehalten wird. Zusätzlich kann eine Fein-Korrektur eines in dem Ansaugtrakt 22 herrschenden und auch als Ist-Saugrohrdruck bezeichneten Ist-Drucks, welcher insbesondere stromab der Drosselklappe herrscht, über eine Positionsveränderung der Drosselklappe bewirkt werden, wobei der Ist-Druck über einen stromab der Drosselklappe angeordneten weiteren Drucksensor ermittelt, insbesondere erfasst, werden kann.
    Die jeweilige Lambda-Sonde 40, 42, 44 und 46 stellt ein jeweiliges, elektrisches Signal bereit, welches auch als λ-Signal bezeichnet wird und einen jeweiligen, mittels der jeweiligen Lambda-Sonde 40, 42, 44 beziehungsweise 46 erfassten und in dem Abgas vorliegenden Sauerstoffgehalt charakterisiert. Zur Freigabe und Abschaltung der Verdichterlufteinblasung wird das Ä-Signal der Regel-Lambda-Sonde 40 verwendet. Weitergehend ließen sich die zeitlichen Lambda-Verläufe inklusive Extrapolationen weiterhin ausnutzen, um die Freigabe der VLE zu optimieren.
  • Mittels der Lambda-Sonde 44 werden ein Sauerstoffgehalt in dem Abgas und/oder ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis stromauf des Drei-Wege-Katalysators 20 und insbesondere stromab des Drei-Wege-Katalysator 18 ermittelt. Alternativ oder zusätzlich wird mittels der Lambda-Sonde 46 ein Sauerstoffgehalt im Abgas beziehungsweise ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Abgas stromab des Drei-Wege-Katalysators 20 bestimmt. Der jeweilige Sauerstoffgehalt beziehungsweise das jeweilige Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird durch das jeweilige, von der Lambda-Sonde 44, 46 bereitgestellte Signal charakterisiert. In Abhängigkeit von den jeweiligen, von der jeweiligen Lambda-Sonde 44 und/oder 46 bereitgestellten Signal wird das Einstellelement 38 so betrieben, insbesondere so geregelt, dass sich an dem beziehungsweise im Drei-Wege-Katalysator 20 ein Kraftstoff-Luft-Verhältnis von λ = 1 ergibt beziehungsweise, sodass das Abgas zumindest in dem Drei-Wege-Katalysator 20 einen Sauerstoffgehalt aufweist, wie er bei stöchiometrischem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 in dem Abgas vorliegen würde. Da die beschriebene Luftmenge in Abhängigkeit von dem von der Lambda-Sonde 44 bereitgestellten Signal und/oder in Abhängigkeit von dem von der Lambda-Sonde 46 bereitgestellten Signal eingestellt, insbesondere geregelt, wird, erfolgt eine sogenannte Sekundär-A-Regelung der Luftmenge. Die Sekundär-λ-Regelung ist zusätzlich zu einer konventionell vorgesehenen primären λ-Regelung vorgesehen, in deren Rahmen das Kraftstoff-Luft-Verhältnis in dem jeweiligen Brennraum 14 beziehungsweise für das jeweilige Gemisch in dem jeweiligen Brennraum 14 eingestellt beziehungsweise geregelt wird. Auf diese Weise wird gerade so viel Luft an der Einleitstelle E in den Abgastrakt 16 eingeblasen, dass etwaig im Abgas enthaltenes Kohlenstoffmonoxid zumindest größtenteils mittels des Drei-Wege-Katalysators 20 konvertiert wird. Gleichzeitig kann die Luftmenge möglichst gering gehalten werden, um einen zusätzlichen, von dem Verdichter bereitzustellenden Energieaufwand zur Erzeugung des Ladedrucks gering zu halten. Ferner ist es denkbar, den zusätzlichen Drei-Wege-Katalysator 20 näher an dem Brennraum 14 zu positionieren oder weiter weg und dabei mit dem Mittelschalldämpfer 50 zu kombinieren. Um die zusätzlich in den auch als Abgasstrang bezeichneten Abgastrakt 16 eingeblasene Luft hinreichend mit dem Abgas beziehungsweise mit dessen Volumenstrom zu vermischen, kann ein Mischelement verwendet werden, welches beispielsweise an der Einleitstelle E und/oder stromab der Einleitstelle E und stromauf des Drei-Wege-Katalysators 20 und/oder in dem Drei-Wege-Katalysator 20 angeordnet ist.
  • Mithilfe des Verfahrens kann erreicht werden, den Fettbetrieb weiterhin nutzen zu können und damit eine hohe spezifische Motorleistung der Verbrennungskraftmaschine 10 zu ermöglichen und gleichzeitig den Drei-Wege-Katalysator 18 vor Überhitzung zu schützen. Durch die Regelung des Drei-Wege-Katalysators 20 auf A = 1 wird zudem die gleichzeitige Konvertierung beziehungsweise Eliminierung von CO, HC, NH3 und NOx erreicht, die beispielsweise mittels des Drei-Wege-Katalysators 18 nicht umgesetzt werden können. Wird der Drei-Wege-Katalysator 20 zusätzlich zu dem Drei-Wege-Katalysator 18 genutzt, so stellt der Drei-Wege-Katalysator 20 ein zusätzlich zu dem Drei-Wege-Katalysator 18 vorgesehenes Katalysatorvolumen dar, welches zudem die Konvertierung der Abgasemissionen bei hohen Massendurchsätzen auch bei stöchiometrischem Betrieb ohne Sekundärlufteinblasung unterstützen kann.
  • Ferner ist grundsätzlich eine Verdichterlufteinblasung stromauf des Front-TWC denkbar. Der Front-TWC wäre aufgrund seiner Eigenschaften grundsätzlich geeignet, die Emissionen bei einer Verdichterlufteinblasung zu konvertieren, aufgrund des ohnehin hohen Temperaturniveaus ist der Wirkbereich des Verfahrens stark eingeschränkt.
  • Im Gegensatz zur Wassereinspritzung ist es möglich, ohne die Verwendung eines Sekundärmediums und dessen Infrastruktur hohe Leistungen und geringe Emissionen realisieren zu können, wobei einfache und bewährte Bauteile genutzt werden können. Auf diese Weise können die Teileanzahl, das Gewicht, die Kosten und ein Aufwand zur Überwachung beziehungsweise Diagnose der Verbrennungskraftmaschine 10 besonders gering gehalten werden. Das beschriebene Verfahren ist ohne Weiteres kombinierbar mit hybridischen Motorantrieben, insbesondere Ottomotorantrieben, da das Leistungsvermögen des Verfahrens gerade in Bereichen, in denen elektrische Antriebe Schwächen aufweisen, vorteilhaft ist, insbesondere im Hinblick auf hohe Drehzahlen und Lasten. Für das Verfahren etwaig erforderliche Funktionserweiterungen im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren sind in der Motorsteuerung modular darstellbar und von herkömmlichen Verfahren weitgehend entkoppelt, sodass keine tiefgehenden Anpassungen der grundlegenden Funktionsstruktur der Motorsteuerung erforderlich sind.
  • 2 zeigt ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen des Verfahrens, wobei anhand von 2 eine Funktionsstruktur der Verdichterlufteinblasung zur CO-Oxidation erkennbar ist. Ein Block 54 veranschaulicht die Betriebsstrategie zur Verdichterlufteinblasung (VLE). Insbesondere werden bei dem Block 54 Freigabebedingungen geprüft, anhand derer beziehungsweise bei deren Erfülltsein die Verdichterlufteinblasung durchgeführt wird. Hierbei wird insbesondere ein jeweiliger Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine 10 überprüft. Die Freigabe-Bedingungen umfassen, dass das sogenannte Primär-Lambda der Verbrennung unterstöchiometrisch, das heißt fett, ist, dass ein Bauteilschutz aktiv ist und dass sich der Abgastrakt 16 beziehungsweise eine die TWC umfassende Nachbehandlungsanlage nicht in einer Regenerationsphase befinden. Ferner erfolgt bei dem Block 54 eine Freigabe zur Verdichterlufteinblasung für die Anwendungsfälle: CO-Oxidation und Kühlen UB-TWC vor Abstellen der Verbrennungskraftmaschine 10 durch Verdichterlufteinblasung, Mit anderen Worten kann zusätzlich zur Verdichterlufteinblasung während eines fetten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 vorgesehen sein, dass auch dann, wenn eine vorliegende Anforderung für ein Abstellen der Verbrennungskraftmaschine 10 erkannt wird, die Verdichterlufteinblasung durchgeführt wird, insbesondere dann, wenn wenigstens eine Temperatur des Abgastrakts 16 einen vorgebbaren Schwellenwert überschreitet. Bei dem Block 54 kann optional eine Zeitverzögerung der Freigabe zur Verdichterlufteinblasung vorgesehen sein.
  • Ein Pfeil 56 veranschaulicht eine vorrangige Anforderung einer Schutzfunktion, welche einem Block 58 übergeben wird. Der Block 58 veranschaulicht eine Diagnose der Verdichterlufteinblasung. Unter einer Anforderung zum Abstellen der Verbrennungskraftmaschine 10 soll dabei zum einen eine Anforderung des Fahrers für ein Abstellen der Verbrennungskraftmaschine verstanden werden, die der Fahrer insbesondere durch das Drehen des Zündschlüssels, oder durch das Drücken des Zündknopfes oder durch das Verschieben des Wählhebels in die Parkposition stellt. Zum anderen kann eine Anforderung für ein Abstellen der Verbrennungskraftmaschine von einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs ausgelöst werden, wie beispielsweise in einem Stoppbetrieb bei vorhandener Start-Stopp-Funktion oder in einem Freilaufbetrieb oder einem Schubbetrieb des Kraftfahrzeugs.
  • Ein Block 60 veranschaulicht die zuvor beschriebene Vorsteuerung der Verdichterlufteinblasung, wobei ein Pfeil 62 die Freigabe der Vorsteuerung veranschaulicht. Mögliche Varianten der Vorsteuerung sind die Vorsteuerung auf Basis des stationären Kennfelds, insbesondere hinsichtlich Last und/oder Drehzahl, und/oder die Vorsteuerung auf Basis einer Vorsteuer-Kennlinie, insbesondere abhängig von dem Verbrennungsluftverhältnis in dem jeweiligen Brennraum 14. Nachgeschaltet kann eine Druckkorrektur durch eine Berücksichtigung eines stromauf des Einstellelements 38 herrschenden Drucks erfolgen. Ein Pfeil 63 veranschaulicht einen von der Vorsteuerung bereitgestellten Vorsteuer-Anteil. Ein Block 64 veranschaulicht einen Regler zum Regeln der Verdichterlufteinblasung, wobei ein Pfeil 66 die Freigabe des Reglers veranschaulicht. Mittels des Reglers wird die zuvor beschriebene Sekundär-Lambda-Regelung durchgeführt, wobei beispielsweise wenigstens ein Sauerstoffgehalt des Abgases, auf dessen Basis die Sekundär-Lambda-Regelung durchgeführt wird, gemessen beziehungsweise erfasst oder aber berechnet wird. Das Wirkprinzip des Reglers umfasst beispielsweise einen Pl-Regler, wobei die Reglerverstärkungen Kp und Ki des Pl-Reglers nicht konstant gewählt werden, sondern insbesondere von einer Regeldifferenz, die am Pl-Regler anliegt, abhängen. Ferner veranschaulicht ein Pfeil 68 den Anteil des Reglers, wobei der Anteil der Vorsteuerung und der Anteil des Reglers bei einem Block 70 zu einer durch einen Pfeil 72 veranschaulichten Ansteuerung addiert werden. Die Ansteuerung wird dem Block 58 zugeführt.
  • Im Rahmen der durch den Block 58 veranschaulichten Diagnose erfolgt beispielsweise eine Stellgrößenbeschränkung und/oder eine Schutzfunktion. Eine durch einen Pfeil 74 veranschaulichte Ausgangsgröße des Blocks 58 ist beispielsweise eine Position des Einstellelements 38, sodass das Einstellelement 38 beziehungsweise dessen Position mittels der genannten Ausgangsgröße beziehungsweise in Abhängigkeit von der genannten Ausgangsgröße eingestellt beziehungsweise betrieben, insbesondere geregelt, wird.
  • Insgesamt ist erkennbar, dass die Verdichterlufteinblasung bei Erfülltsein wenigstens eines Kriteriums oder mehrerer Kriterien freigegeben und in der Folge durchgeführt wird. Beispielsweise ist die Verdichterlufteinblasung zur Schadstoffreduzierung abhängig von relevanten Motorgrößen freizugeben. Die wichtigste Größe ist hierbei das Verbrennungsluftverhältnis beziehungsweise der Sauerstoffgehalt im Abgas, das beziehungsweise der sich aus der Verbrennung in den Brennräumen 14, geregelt über die primäre Lambda-Regelung, ergibt. Bei unterstöchiometrischem Betrieb, das heißt dann, wenn das Verbrennungsluftverhältnis kleiner als 1 ist, erfolgt die Freigabe zur Verdichterlufteinblasung. Weitere zu berücksichtigende Größen sind beispielsweise Diagnosewerte wie zum Beispiel Bauteilschutzanforderungen und/oder Temperaturen von Komponenten des Abgastrakts 16.
  • Eine Verzögerung der Freigabe der Verdichterlufteinblasung durch Applikation und/oder durch ein Berechnungsmodell kann vorteilhaft sein, um eine geeignete zeitliche Zusammenführung der Verdichterluft mit dem mit Kraftstoff angereicherten Gemisch zu gewährleisten.
  • Ferner kann eine Einschränkung der Freigabe der Verdichterlufteinblasung vorgesehen sein. Berücksichtigt werden sollten somit auch Zustände, bei denen die Verdichterlufteinblasung verhindert werden sollte. Kann nicht ausreichend Ladedruck zur Verfügung gestellt werden, um eine hinreichende Leistungsabgabe der Verbrennungskraftmaschine 10 sicherzustellen, wenn die Verdichterlufteinblasung durchgeführt würde, wie bei einer Ladedruckbegrenzung oder wenn das Ventilelement der Umgehungseinrichtung vollständig geschlossen ist, so unterbleibt die Verdichterlufteinblasung, um eine hinreichende Fahrsicherheit beziehungsweise einen Fahrerwunsch erfüllen zu können. Alternativ oder zusätzlich könnte ein Einschränkungsgrund sein, dass der UB-TWC seine obere Temperaturgrenze erreicht hat, was mittels eines Temperatursensors erfasst und/oder modelliert, das heißt berechnet werden kann. Durch Verhindern beziehungsweise Abschalten der Verdichterlufteinblasung kann somit ein Überhitzen des UB-TWC vermieden werden.
  • Als Zusatzfunktionalität ist ferner denkbar: Eine separate Freigabe zur Verdichterlufteinblasung dient der Sicherheit vor Abstellen des Motors bei rotglühender Abgasanlage, zum Beispiel infolge von lang andauerndem Hochlastbetrieb auch mit der Verdichterlufteinblasung. Ist die erhöhte Abgasanlagentemperatur bei einem stöchiometrischen Betrieb mittels des Temperatursensors und/oder mittels einer geeigneten Modellierungssoftware erkannt, kann die Verdichterluft durch Spülen mittels Gasmassenstrom zur Kühlung dienen.
  • Beispielsweise erfolgt in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine 10 eine Vorsteuerung des Bypass-Ventils (Einstellelement 38). Vorsteuerwerte sind dabei applikativ als Festwerte hinterlegt oder können aus einem physikalisch motivierten Modellansatz resultieren.
  • Im Folgenden wird die Sekundär-Lambda-Regelung näher erläutert. Zusätzlich zur Vorsteuerung der Verdichterlufteinblasung ist eine Regelung des Sauerstoffgehalts beziehungsweise des Lambda-Werts am beziehungsweise im UB-TWC durch Einstellen des Einstellelements 38 sinnvoll, um eine zielführende Schadstoffreduzierung zu erreichen. Die primäre Lambda-Regelung regelt das Kraftstoff-Luft-Verhältnis am Front-TWC über die dem Motor zugeführte Luft- und Kraftstoffmenge je nach Anforderung. Die sekundäre Lambda-Regelung regelt das Kraftstoff-Luft-Verhältnis am Unterboden-TWC beziehungsweise den Sauerstoffgehalt im UB-TWC, insbesondere unter Berücksichtigung des vorliegenden Abgas-Lambdas durch Hinzu-Dosierung von Frischluft mittels der Verdichterlufteinblasung.
  • Besonders geeignet erscheint die Sekundär-Lambda-Regelung vor dem UB-TWC mit einer zusätzlichen Berücksichtigung des Gas-Speicher-Verhaltens des UB-TWC, die den Lambda-Regler geeignet resettiert oder alternativ die Reglerparameter anpasst. Die Berücksichtigung des Gasspeicherverhaltens des UB-TWC kann mithilfe einer Lambda-Messung nach dem UB-TWC und/oder mittels physikalisch motivierter Modellierung erfolgen.
  • Eine weitere Variante dazu ist die Regelung des Lambda-Wertes nach dem UB-TWC, wobei allerdings das genaue Totzeitverhalten durch das Gasspeicherverhalten des UB-TWC, mittels geeigneter Modellierungssoftware, bei der Regelung zu berücksichtigen ist. Eine softwaretechnisch aufwendige weitere Variante ist der Verzicht der zusätzlichen Lambda-Sensorik am UB-TWC und das Berechnen der für eine Regelung relevanten Größen aus einem geeigneten physikalischen Modellansatz.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Verbrennungskraftmaschine
    12
    Motorgehäuse
    14
    Brennraum
    16
    Abgastrakt
    18
    Drei-Wege-Katalysator
    20
    Drei-Wege-Katalysator
    22
    Ansaugtrakt
    24
    Abgasturbolader
    26
    Turbine
    30
    elektronische Recheneinrichtung
    32
    Abzweigeinrichtung
    34
    Abzweigleitung
    36
    Einstelleinrichtung
    38
    Einstellelement
    40
    Lambda-Sonde
    42
    Lambda-Sonde
    44
    Lambda-Sonde
    46
    Lambda-Sonde
    48
    Temperatursensor
    50
    Mittelschalldämpfer
    52
    Endschalldämpfer
    54
    Block
    56
    Pfeil
    58
    Block
    60
    Block
    62
    Pfeil
    63
    Pfeil
    64
    Block
    66
    Pfeil
    68
    Pfeil
    70
    Block
    72
    Pfeil
    74
    Pfeil
    A
    Abzweigstelle
    E
    Einleitstelle
  • 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 102015212514 A1 [0002]

Claims (8)

  1. Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten, einen von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt (22), wenigstens einen mit der den Ansaugtrakt (22) durchströmenden Luft versorgbaren Brennraum (14), einen von Abgas aus dem Brennraum (14) durchströmbaren Abgastrakt (16), einen in dem Abgastrakt (16) angeordneten ersten Drei-Wege-Katalysator (18) und einen in dem Abgastrakt (16) stromab des ersten Drei-Wege-Katalysators (18) angeordneten zweite Drei-Wege-Katalysator (20) aufweisenden Verbrennungskraftmaschine (10), bei welchem zumindest ein Teil der den Ansaugtrakt (22) durchströmenden Luft aus dem Ansaugtrakt (22) abgezweigt und unter Umgehung des Brennraums (14) in den Abgastrakt (16) an wenigstens einer stromab des ersten Drei-Wege-Katalysators (18) und stromauf des zweiten Drei-Wege-Katalysators (20) angeordneten Stelle (E) eingeleitet wird, gekennzeichnet durch die Schritte: wenn eine in dem Abgastrakt (16) herrschende Temperatur eine dem ersten Drei-Wege-Katalysator (18) zugeordnete Grenztemperatur von mindestens 850 Grad Celsius überschreitet und/oder wenn die Verbrennungskraftmaschine (10) mit einer Drehzahl von mehr als 3000 Umdrehungen pro Minute betrieben wird und/oder wenn die Verbrennungskraftmaschine (10) mit einer Last von mehr als 80 Prozent der Volllast der Verbrennungskraftmaschine (10) betrieben wird: - Einstellen eines unterstöchiometrischen Betriebs der Verbrennungskraftmaschine (10); und - Einstellen einer Menge der Luft, die an der Stelle (E) in den Abgastrakt (16) eingeleitet wird, derart, dass das Abgas zumindest in dem zweiten Drei-Wege-Katalysator (20) einen Sauerstoffgehalt aufweist, wie er bei stöchiometrischem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine (10) in dem Abgas vorliegen würde.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenztemperatur mindestens 900 Grad Celsius, insbesondere mindestens 930 Grad Celsius beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl mehr als 3500 Umdrehungen pro Minute, insbesondere mehr als 4000 Umdrehungen pro Minute, beträgt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft aus dem Ansaugtrakt (22) an einer Stelle (A) abgezweigt wird, welche stromauf einer in dem Ansaugtrakt (22) angeordneten Drosselklappe und stromab eines in dem Ansaugtrakt (22) angeordneten Verdichters eines Abgasturboladers (24) der Verbrennungskraftmaschine (10) angeordnet ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein stromab des Verdichters und stromauf der Drosselklappe in dem Ansaugtrakt (22) herrschender Druck ermittelt und der Abgasturbolader (24), insbesondere dessen Umgehungseinrichtung, in Abhängigkeit von dem ermittelten Druck derart betrieben wird, dass ein aus dem Abzweigen der Luft resultierender Ladedruckabfall kompensiert und der mittels des Abgasturboladers (24) bewirkte Ladedruck konstant gehalten wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck derart ermittelt wird, dass der Druck mittels eines Drucksensors gemessen wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer stromauf des zweiten Drei-Wege-Katalysators (20) angeordneten Lambdasonde (44) und/oder mittels einer stromab des zweiten Drei-Wege-Katalysators (20) angeordneten Lambdasonde (46) wenigstens ein den Sauerstoffgehalt im Abgas charakterisierender Wert erfasst wird, wobei die Menge der Luft in Abhängigkeit von dem erfassten Wert eingestellt, insbesondere geregelt, wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Einstellen der Menge ein Gasspeicherverhalten und/oder ein Totzeitverhalten des zweiten Drei-Wege-Katalysators (20) berücksichtigt wird.
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Citations (2)

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DE102015212514A1 (de) 2015-07-03 2017-01-05 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren zur Abgasnachbehandlung und Vorrichtung zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine
DE102016202799A1 (de) * 2016-02-24 2017-08-24 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren und Vorrichtung zur Schadstoffreduktion im Abgas einer Brennkraftmaschine, Fahrzeug

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Non-Patent Citations (1)

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Title
REIF; K. [Hrsg.]: Abgastechnik für Verbrennungsmotoren. Wiesbaden : Springer Vieweg, 2015 (Bosch Fachinformation Automobil). 88 bis 104. - ISBN 978-3-658-09521-5 *

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