DE102019101668A1

DE102019101668A1 - Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019101668A1
Application number: DE102019101668.1A
Authority: DE
Inventors: Tobias Billinger; Mohamed Montassar Saidani
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-01-23
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2020-07-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine (1) eines Kraftfahrzeugs (2), bei welchem in wenigstens einen Brennraum (3) der Verbrennungskraftmaschine (1) Luft und Kraftstoff eingebracht werden und in dem wenigstens einen Brennraum (3) Kraftstoff verbrannt wird. Abgas der Verbrennungskraftmaschine (1) wird einem Katalysator (6) und einem Partikelfilter (7) zugeführt. Während einer Betriebsphase der Verbrennungskraftmaschine (1), innerhalb welcher der Katalysator (6) eine Temperatur unterhalb einer Anspringtemperatur des Katalysators (6) aufweist, wird eine Menge an Kraftstoff in den wenigstens einen Brennraum (3) eingebracht, welche zu einem Verbrennungsluftverhältnis λ > 1 bezogen auf die innerhalb des wenigstens einen Brennraums (3) verbrennende Menge an Kraftstoff führt. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug (2) mit einer Verbrennungskraftmaschine (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, bei welchem in wenigstens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine Luft und Kraftstoff eingebracht werden und in dem wenigstens einen Brennraum Kraftstoff verbrannt wird. Abgas der Verbrennungskraftmaschine wird einem Katalysator und einem Partikelfilter zugeführt. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine.
Aufgrund zunehmend strengerer gesetzlicher Anforderungen im Hinblick auf die Abgase von Kraftfahrzeugen wird seitens der Entwickler beziehungsweise Hersteller ein immer größerer Aufwand betrieben, um die gesetzlichen Anforderungen einzuhalten. Daher wird häufig auch bei einem Kraftfahrzeug mit als Ottomotor betriebener Verbrennungskraftmaschine in der Abgasanlage zusätzlich zu einem Katalysator ein Ottopartikelfilter vorgesehen.
Beispielsweise beschreibt die DE 10 2015 212 514 A1 eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine. Hierbei sind in einem Abgaskanal ein Drei-Wege-Katalysator und in Strömungsrichtung des Abgases nachfolgend ein Partikelfilter angeordnet. Die Brennkraftmaschine wird mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben. Des Weiteren wird der Beladungszustand des Partikelfilters ermittelt. Wenn das Erfordernis besteht, die Abgastemperatur auf eine Regenerationstemperatur des Partikelfilters anzuheben, wird die Verbrennungskraftmaschine mit einem fetten Gemisch (Ä < 1) betrieben. Zusätzlich wird Sekundärluft in den Abgaskanal eingebracht.
Sowohl der Katalysator als auch der Partikelfilter sind sehr sensibel, und es ist erforderlich, diese gemäß genau vorgegebenen Prozessparametern zu betreiben, um die gewünschten Ergebnisse im Hinblick auf das Konvertieren von Schadstoffen mittels des Katalysators und das Zurückhalten von Partikeln mittels des Partikelfilters zu erhalten. Hohe Belastungen des Abgases mit Schadstoffen und Partikeln zu Zeitpunkten, wenn diese Systeme noch nicht betriebsbereit sind, können demnach zum kurzfristigen Überschreiten von Grenzwerten führen. Dies ist beispielsweise im Anschluss an einen Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine der Fall. Denn unmittelbar nach dem Kaltstart haben sowohl der Katalysator als auch der Partikelfilter noch eine Temperatur, welche im Wesentlichen der Umgebungstemperatur entspricht. Jedoch benötigt der Katalysator eine Mindesttemperatur, ab welcher die katalytischen Reaktionen in dem Katalysator in einem nennenswerten Ausmaß stattfinden. Diese Mindesttemperatur wird auch als Anspringtemperatur des Katalysators bezeichnet.
Wenn die Verbrennungskraftmaschine als Ottomotor betrieben wird, so wird für eine ideale Umsetzung beziehungsweise Konvertierung der in dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine enthaltenen Schadstoffe dafür gesorgt, dass in den Brennräumen der Verbrennungskraftmaschine ein Verbrennungsluftverhältnis von Ä = 1 eingestellt wird. Dieses Verbrennungsluftverhältnis von Ä = 1 wird auch als stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis bezeichnet, bei welchem die tatsächlich für die Verbrennung des Kraftstoffs zur Verfügung stehende Luftmasse gleich der für eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffs benötigten, also stöchiometrischen Luftmasse, ist. Demgegenüber bedeutet ein Verbrennungsluftverhältnis von λ > 1 einen Luftüberschuss und ein Verbrennungsluftverhältnis von λ < 1 einen Luftmangel.
Wird die Verbrennungskraftmaschine mit einem Verbrennungsluftverhältnis von λ = 1 betrieben, führt dies dazu, dass im Anschluss an den Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine eine große Menge an Partikeln erzeugt wird. Denn in den zu Beginn des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine noch kalten Brennräumen der Verbrennungskraftmaschine findet dann vermehrt eine unvollständige Verbrennung des Kraftstoffs statt, welche zur Bildung von Rußpartikeln führt. Diese große Partikelanzahl im Anschluss an den Kaltstart belastet den Partikelfilter, und es kann zu einer Überschreitung des Grenzwerts für den Partikelausstoß des Kraftfahrzeugs kommen. Dies liegt daran, dass die Filtrationsrate des Partikelfilters, also der Anteil an in dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine enthaltenen Partikeln, welcher mittels des Partikelfilters zurückgehalten wird, konstant ist. Enthält das die Brennräume der Verbrennungskraftmaschine verlassende Abgas vergleichsweise viele Partikel, so kann der Grenzwert für den Partikelausstoß zumindest kurzfristig überschritten werden. Dies geschieht jedoch während einer Betriebsphase der Verbrennungskraftmaschine, innerhalb welcher von dem Katalysator noch keine nennenswerte Konversion beziehungsweise Umsetzung von im Abgas enthaltenen Schadstoffen stattfindet.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem sich eine Verringerung der Partikelemission des Kraftfahrzeugs erreichen lässt, und ein zur Durchführung dieses Verfahrens ausgebildetes Kraftfahrzeug anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der Beschreibung.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs werden in wenigstens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine Luft und Kraftstoff eingebracht, und in dem wenigstens einen Brennraum wird Kraftstoff verbrannt. Abgas der Verbrennungskraftmaschine wird einem Katalysator und einem Partikelfilter zugeführt. Während einer Betriebsphase der Verbrennungskraftmaschine, innerhalb welcher der Katalysator eine Temperatur unterhalb einer Anspringtemperatur des Katalysators aufweist, wird eine Menge an Kraftstoff in den wenigstens einen Brennraum eingebracht, welche zu einem Verbrennungsluftverhältnis λ > 1 bezogen auf die innerhalb des wenigstens einen Brennraums verbrennende Menge an Kraftstoff führt. Dadurch findet in dem wenigstens einen Brennraum eine Verbrennung des Kraftstoffs mit Luftüberschuss statt. Dies hat wiederum zur Folge, dass bei der Verbrennung des Kraftstoffs in dem wenigstens einen Brennraum weniger Partikel entstehen, als wenn in dem wenigstens einen Brennraum eine Menge an Kraftstoff verbrannt wird, welche zu einem Verbrennungsluftverhältnis von λ = 1 führt.
Diesem Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Katalysator während dieser Betriebsphase, innerhalb welcher der Katalysator seine Anspringtemperatur noch nicht erreicht hat, ohnehin nicht in der Lage ist, nennenswert die Schadstoffe umzusetzen beziehungsweise zu konvertieren. Wenn der Katalysator hingegen seine Anspringtemperatur aufweist, so ist im Betrieb des Katalysators vorzugsweise eine Konvertierung zumindest eines betrachteten Schadstoffs von mindestens 50 Prozent erreichbar.
Ein Betrieb des Katalysators derart, dass in dem wenigstens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine ein Verbrennungsluftverhältnis von λ = 1 eingestellt wird, wird im Normalbetrieb der Verbrennungskraftmaschine gerade im Hinblick darauf ausgewählt, dass durch einen solchen Betrieb ideale Bedingungen für die Umsetzung beziehungsweise die Konvertierung der in dem Abgas enthaltenen Schadstoffe vorliegen sollen. Diese idealen Bedingungen liegen Normalbetrieb der Verbrennungskraftmaschine in dem sogenannten Lambdafenster vor, also in einem engen Bereich um das Verbrennungsluftverhältnis von λ = 1 herum.
Gleichzeitig entstehen aber gerade dann, wenn der Katalysator die Temperatur unterhalb seiner Anspringtemperatur aufweist, aufgrund der schlechten Verbrennungsbedingungen deutlich mehr Partikel während der Verbrennung als dann, wenn zumindest der wenigstens eine Brennraum eine höhere Temperatur aufweist. Durch die schlechten Bedingungen im Hinblick auf die Verbrennung entstehen bei dem Verbrennungsluftverhältnis von λ = 1 also besonders viele Partikel, welche den Partikelfilter belasten. Dabei ist diese Belastung des Partikelfilters während dieser Betriebsphase der Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise zu diesem Zeitpunkt gar nicht nötig. Denn der Katalysator ist ohnehin noch nicht in der Lage, in nennenswertem Umfang Schadstoffe zu konvertieren.
Dadurch, dass vorliegend während der Betriebsphase die Menge an Kraftstoff in den wenigstens einen Brennraum eingebracht wird, welche zu dem Verbrennungsluftverhältnis λ > 1 bezogen auf die innerhalb des wenigstens einen Brennraums verbrennende Menge an Kraftstoff führt, lässt sich folglich eine deutliche Verringerung der Partikelemissionen des Kraftfahrzeugs erreichen.
Vorzugsweise führt während der gesamten Betriebsphase, innerhalb welcher der Katalysator die Temperatur unterhalb der Anspringtemperatur aufweist, die Menge an in den wenigstens einen Brennraum eingebrachtem Kraftstoff zu einem Verbrennungsluftverhältnis λ > 1 bezogen auf die innerhalb des wenigstens einen Brennraums verbrennende Menge an Kraftstoff. Indem also während der gesamten Betriebsphase, in welcher der Katalysator seine Anspringtemperatur noch nicht erreicht hat, bezogen auf den innerhalb des wenigstens einen Brennraums verbrennenden Kraftstoff ein Luftüberschuss eingestellt wird, lässt sich während der gesamten Betriebsphase eine Entstehung von übermäßig vielen Partikeln verhindern. Denn es wird während einer Zeitspanne, in welcher aufgrund der Temperatur des wenigstens einen Brennraums in dem Brennraum für die vollständige Verbrennung von Kraftstoff ungünstige Bedingungen vorliegen, die innerhalb des Brennraums stattfindende Verbrennung mit dem Luftüberschuss durchgeführt.
Vorzugsweise führt während der Betriebsphase die Menge an in den wenigstens einen Brennraum eingebrachtem Kraftstoff zu einem Verbrennungsluftverhältnis λ > 1,2 bezogen auf die innerhalb des wenigstens einen Brennraums verbrennende Menge an Kraftstoff. Denn bei einem derartigen, deutlichen Luftüberschuss bezogen auf die in dem wenigstens einen Brennraum stattfindende Verbrennung des Kraftstoffs lässt sich die Entstehung von Partikeln besonders weitgehend verhindern.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn während der Betriebsphase, innerhalb welcher der Katalysator die Temperatur unterhalb der Anspringtemperatur aufweist, in den wenigstens einen Brennraum eine weitere Menge an Kraftstoff eingebracht wird, welche zumindest überwiegend stromabwärts des wenigstens einen Brennraums und stromaufwärts des Katalysators verbrennt. Diese weitere Menge an Kraftstoff, welche im Wesentlichen nicht an der Verbrennung innerhalb des Brennraums teilnimmt, führt einerseits zu einer Erhöhung der Abgastemperatur stromabwärts des wenigstens einen Brennraums und stromaufwärts des Katalysators. Dadurch kann erreicht werden, dass der Katalysator seine Anspringtemperatur besonders rasch erreicht.
Die weitere Menge an Kraftstoff kann durch eine späte Nacheinspritzung in den wenigstens einen Brennraum eingebracht werden. Dementsprechend kann die nicht mehr an der Verbrennung teilnehmende weitere Menge an Kraftstoff während eines Arbeitstakts oder Expansionstakts eines den Brennraum aufweisenden Zylinders der Verbrennungskraftmaschine und/oder während eines Ausstoßtakts des Zylinders in den Brennraum eingebracht werden. Im Gegensatz zu einem Einbringen der weiteren Menge des Kraftstoffs in eine Abgasanlage des Kraftfahrzeugs stromabwärts des wenigstens einen Brennraums ist die späte Nacheinspritzung mit weniger Aufwand zu realisieren. Denn es braucht keine zusätzliche Dosiereinrichtung zum Einbringen von Kraftstoff in das Abgas vorgesehen zu werden.
Zudem kann durch das Einbringen der weiteren Menge an Kraftstoff mittels der späten Nacheinspritzung eine Verdampfung des Kraftstoffs zumindest weitgehend ohne Partikelbildung erreicht werden. Denn bei der Zugabe der weiteren Menge des Kraftstoffs in den Arbeitstakt und/oder Ausstoßtakt des Zylinders liegen sehr hohe Abgastemperaturen in dem wenigstens einen Brennraum vor. Das Zugeben der weiteren, innerhalb des wenigstens einen Brennraums nicht verbrennenden Menge an Kraftstoff während der Betriebsphase, in welcher der Katalysator seine Anspringtemperatur noch nicht erreicht hat, ist also auch im Hinblick auf die Verringerung der Partikelemission des Kraftfahrzeugs vorteilhaft.
Es werden also insbesondere wenigstens zwei Einspritzungen vorgenommen. Zum einen zumindest eine erste Einspritzung der Menge an Kraftstoff, welche zu dem Verbrennungsluftverhältnis von λ > 1 (insbesondere von λ > 1,2) bezogen auf den innerhalb des Brennraums verbrennenden Kraftstoff führt. Und zum anderen wird wenigstens eine von der ersten Einspritzung separate zweite Einspritzung vorgenommen, mittels welcher der stromabwärts des wenigstens einen Brennraums und stromaufwärts des Katalysators verbrennende Kraftstoff in den Brennraum eingebracht wird.
Vorzugsweise wird eine Summe der weiteren Menge an Kraftstoff und der innerhalb des wenigstens einen Brennraums verbrennenden Menge an Kraftstoff derart bemessen, dass bezogen auf eine dem wenigstens einen Brennraum zugeführte Luftmasse ein Verbrennungsluftverhältnis λ = 1 eingestellt wird. Es kann also insbesondere eine Gesamtmenge an in den wenigstens einen Brennraum eingebrachtem Kraftstoff so aufgeteilt werden, dass der in dem wenigstens einen Brennraum verbrennende Anteil dieser Gesamtmenge zu dem Verbrennungsluftverhältnis λ > 1, insbesondere zu dem Verbrennungsluftverhältnis λ > 1,2 führt. Der nicht in dem Brennraum verbrennende weitere Anteil an der Gesamtmenge führt dann bezogen auf die dem wenigstens einen Brennraum zugeführte Luftmasse zu dem Verbrennungsluftverhältnis von λ = 1.
Auf diese Weise wird erreicht, dass in dem Katalysator für eine Umsetzung beziehungsweise Konvertierung von Schadstoffen günstige Verhältnisse vorliegen. Des Weiteren führt die Enthalpie der stromabwärts des wenigstens einen Brennraums verbrennenden Menge an Kraftstoff zu einem besonders raschen Aufheizen des Katalysators. Folglich begünstigt diese Art des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine das rasche Erreichen der Anspringtemperatur oder Light-off-Temperatur des Katalysators.
Vorzugsweise wird das Verfahren im Anschluss an einen Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt. Denn im Anschluss an den Kaltstart, bei welchem eine Temperatur der Verbrennungskraftmaschine noch vergleichsweise niedrig ist und insbesondere im Wesentlichen der Umgebungstemperatur entspricht, liegen für die Verbrennung von Kraftstoff innerhalb des wenigstens einen Brennraums ungünstige Bedingungen im Hinblick auf die Entstehung von Partikeln vor, wenn die Verbrennungskraftmaschine mit einem Verbrennungsluftverhältnis von λ = 1 betrieben wird. Daher ist im Anschluss an den Kaltstart das Einstellen des Verbrennungsluftverhältnisses von λ > 1 bezogen auf die innerhalb des wenigstens einen Brennraums verbrennende Menge an Kraftstoff, insbesondere des Verbrennungsluftverhältnisses von λ > 1,2 besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Verringerung der Partikelemission des Kraftfahrzeugs.
Vorzugsweise wird das Verfahren im Anschluss an den Kaltstart bei einer mittleren Last bis hohen Last der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt. Das Verfahren ist demgemäß besonders dann sinnvoll für eine Verringerung der Partikelemission des Kraftfahrzeugs einsetzbar, wenn die Verbrennungskraftmaschine einen von einem Leerlauf der Verbrennungskraftmaschine verschiedenen Betriebszustand aufweist beziehungsweise das Kraftfahrzeug nicht lediglich rollt, ohne dass von der Verbrennungskraftmaschine hierfür Antriebsleistung bereitgestellt wird. Die mittlere bis hohe Last der Verbrennungskraftmaschine kann des Weiteren insbesondere dann vorliegen, wenn die Last der Verbrennungskraftmaschine größer ist als etwa 25 Prozent einer Volllast der Verbrennungskraftmaschine.
Vorzugsweise führt dann, wenn der Katalysator seine Anspringtemperatur erreicht hat, die in den wenigstens einen Brennraum eingebrachte Menge an Kraftstoff zu einem Verbrennungsluftverhältnis λ = 1 bezogen auf die innerhalb des wenigstens einen Brennraums verbrennende Menge an Kraftstoff. Es wird also vorzugsweise dann, wenn der Katalysator seine Anspringtemperatur erreicht hat, die Verbrennungskraftmaschine mit dem Verbrennungsluftverhältnis von λ = 1 bezogen auf die in dem Brennraum stattfindende Verbrennung von Kraftstoff betrieben. Dann kann der Katalysator besonders gut seine Funktion erfüllen, nämlich im Abgas enthaltene Schadstoffe konvertieren.
Vorzugsweise wird als der Katalysator ein Drei-Wege-Katalysator verwendet. Denn mittels des Drei-Wege-Katalysators lässt sich ein Ausstoß des Kraftfahrzeugs von Kohlenmonoxid (CO), Stickoxiden (NOx) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) besonders weitgehend verringern.
Das Verfahren ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Verbrennungskraftmaschine als Ottomotor betrieben wird. Denn dann lässt sich bereits aufgrund der Betriebsweise der Verbrennungskraftmaschine ein vergleichsweise geringer Partikelausstoß realisieren. Und die dennoch entstehenden Partikel werden von dem in der Abgasanlage des Kraftfahrzeugs angeordneten Partikelfilter sehr weitgehend zurückgehalten.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst eine Verbrennungskraftmaschine, welche wenigstens einen Brennraum aufweist. In den wenigstens einen Brennraum sind Luft und Kraftstoff einbringbar, und der Kraftstoff ist in dem wenigstens einen Brennraum verbrennbar. Eine Abgasanlage des Kraftfahrzeugs weist einen Katalysator und einen Partikelfilter auf. Eine Steuerungseinrichtung des Kraftfahrzeugs ist dazu ausgebildet, während einer Betriebsphase der Verbrennungskraftmaschine, innerhalb welcher der Katalysator eine Temperatur unterhalb einer Anspringtemperatur des Katalysators aufweist, ein Einbringen einer Menge an Kraftstoff in den wenigstens einen Brennraum zu bewirken, welche zu einem Verbrennungsluftverhältnis λ > 1 bezogen auf die innerhalb des wenigstens einen Brennraums verbrennende Menge an Kraftstoff führt. Die Steuerungseinrichtung ist also dazu ausgebildet, die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu bewirken. Dementsprechend lässt sich mittels des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs eine Verringerung der Partikelemission erreichen.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug und umgekehrt.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. 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.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 in schematischer Darstellung eine Verbrennungskraftmaschine und eine Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs; und
2 stark schematisiert das Kraftfahrzeug, welches die Verbrennungskraftmaschine und die Abgasanlage gemäß 1 aufweist.

In 1 ist stark schematisiert eine Verbrennungskraftmaschine 1 eines Kraftfahrzeugs 2 (vergleiche 2) gezeigt. Die Verbrennungskraftmaschine 1 weist eine Mehrzahl von Zylindern auf, deren Brennräume 3 in 1 nur schematisch angedeutet sind. Im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 findet in dem jeweiligen Brennraum 3 eine Verbrennung von Kraftstoff mittels des in der Luft enthaltenen Sauerstoffs statt. Das aus der Verbrennung resultierende Abgas wird einer Abgasanlage 4 des Kraftfahrzeugs 2 zugeführt. In einer Abgasleitung 5 der Abgasanlage 4 sind ein Katalysator 6 und in Strömungsrichtung des Abgases durch die Abgasleitung 5 gesehen stromabwärts des Katalysators 6 ein Partikelfilter 7 angeordnet. Vorliegend wird die Verbrennungskraftmaschine 1 als Ottomotor betrieben. Dementsprechend ist der Partikelfilter 7 als Ottopartikelfilter ausgebildet. Und der Katalysator 6 ist vorzugsweise als Drei-Wege-Katalysator ausgebildet. Um eine Konvertierung beziehungsweise Umsetzung von in dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 1 enthaltenen Schadstoffen wie Kohlenmonoxid, Stickoxiden und unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu erreichen, wird die Verbrennungskraftmaschine 1 üblicherweise mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ = 1 betrieben. Es wird also in dem jeweiligen Brennraum 3 eine tatsächliche Luftmasse zur Verfügung gestellt, welche der stöchiometrischen Luftmasse entspricht, also der für eine vollständige Verbrennung sämtlicher Moleküle des Kraftstoffs mit Luftsauerstoff erforderlichen Luftmasse.
Im Anschluss an einen Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine 1 weist jedoch der Katalysator 6 noch nicht seine Anspringtemperatur oder Light-off-Temperatur auf, in welcher eine Konvertierung der Schadstoffe in nennenswertem Maße stattfindet. Demgegenüber führt nach dem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine 1 ein Verbrennungsluftverhältnis von λ = 1 in dem jeweiligen Brennraum 3 dazu, dass eine vergleichsweise große Anzahl von Rußpartikeln entsteht. Dies kann dazu führen, dass die Filtrationsrate des Partikelfilters 7 nicht groß genug ist, um eine ausreichend große Anzahl der Partikel zurückzuhalten. Es kann also im Anschluss an den Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine 1 vorkommen, dass die Emissionen des Kraftfahrzeugs 2 Grenzwerte vorübergehend nicht einhalten, welche im Hinblick auf die mittels des Katalysators 6 konvertierbaren Schadstoffe und im Hinblick auf die Partikel gelten.
Nachfolgend wird erläutert, wie durch Anpassung des Verbrennungsluftverhältnisses λ, welches das Verhältnis der tatsächlich für die Verbrennung des Kraftstoffs zur Verfügung stehenden Luftmasse zu der für die vollständige Verbrennung der Kraftstoffmoleküle erforderlichen stöchiometrischen Luftmasse beschreibt, eine Reduktion der Partikelemissionen des Kraftfahrzeugs 2 im Anschluss an den Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine 1 erreichbar ist.
Es wird nämlich vorübergehend das Verbrennungsluftverhältnis λ deutlich erhöht, beispielsweise auf einen Wert von λ > 1,2. Dieser Zustand wird so lange beibehalten, bis der Katalysator 6 seine Anspringtemperatur erreicht hat und somit beginnt, die Schadstoffe in nennenswertem Ausmaß, insbesondere zu mehr als 50 Prozent, umzusetzen. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Katalysator 6 während dieser Betriebsphase der Verbrennungskraftmaschine 1, innerhalb welcher der Katalysator 6 eine Temperatur unterhalb seiner Anspringtemperatur aufweist, ohnehin nicht in der Lage ist, in nennenswertem Ausmaß Schadstoffe umzusetzen beziehungsweise zu konvertieren.
Das üblicherweise für den Betrieb des Katalysators 6 eingestellte Verbrennungsluftverhältnis von λ = 1 wird aber gerade im Hinblick darauf ausgewählt, dass in dem sogenannten Lambdafenster um den Wert von λ = 1 herum eine besonders weitgehende Verringerung des Schadstoffausstoßes des Kraftfahrzeugs 2 erreichbar ist. Gerade nach dem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine 1 entstehen jedoch aufgrund der schlechten Umgebungsbedingungen in den Brennräumen 3, insbesondere aufgrund der noch vergleichsweise niedrigen Temperaturen der Brennräume 3, deutlich mehr Partikel als während der Verbrennung von Kraftstoff im späteren Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1. Aufgrund der schlechten Verbrennung des Kraftstoffs in den Brennräumen 3 entstehen somit nach dem Kaltstart besonders viele Partikel, welche den Partikelfilter 7 belasten. Eine hohe Belastung des Partikelfilters 7 ist zu diesem Zeitpunkt beziehungsweise in dieser Zeitspanne im Anschluss an den Kaltstart jedoch gar nicht nötig. Findet also in dem jeweiligen Brennraum 3 eine Verbrennung mit Luftüberschuss statt, so lässt sich eine deutliche Verringerung der Partikelemissionen des Kraftfahrzeugs 2 erreichen.
Vorzugsweise wird das Verbrennungsluftverhältnis mit dem Wert von λ > 1,2 während der in dem jeweiligen Brennraum 3 stattfindenden Verbrennung eingestellt, indem eine Steuerungseinrichtung 8 des Kraftfahrzeugs 2 bewirkt, dass eine insgesamt in den jeweiligen Brennraum 3 pro Arbeitsspiel eingebrachte Menge oder Masse an Kraftstoff aufgeteilt wird. Das in dem jeweiligen Brennraum 3 zündfähige Kraftstoff-Luft-Gemisch kann entweder in einem Ansaugkanal der Verbrennungskraftmaschine 1 gebildet werden oder durch direktes Einspritzen von Kraftstoff in den jeweiligen Brennraum 3. Entsprechende Einspritzvorrichtungen sind der Übersichtlichkeit halber in 1 nicht dargestellt. Es kann nun eine Haupteinspritzung an Kraftstoff in den jeweiligen Brennraum 3 vorgenommen werden, welche zu dem Verbrennungsluftverhältnis λ > 1,2 bezogen auf die innerhalb des wenigstens einen Brennraums 3 verbrennende Menge an Kraftstoff führt. Im Anschluss an die Verbrennung wird dann eine weitere Menge an Kraftstoff in den jeweiligen Brennraum 3 eingebracht, welche zumindest überwiegend nicht mehr innerhalb des Brennraums 3 verbrennt, sondern stromabwärts des Brennraums 3 und stromaufwärts des Katalysators 6. Eine derartige, zumindest überwiegend nicht mehr an der Verbrennung teilnehmende Einspritzung wird auch als späte Nacheinspritzung bezeichnet.
Die insgesamt in den jeweiligen Brennraum 3 eingebrachte Menge an Kraftstoff, also die Summe der weiteren Menge an Kraftstoff, welche insbesondere über die späte Nacheinspritzung in den Brennraum 3 eingebracht wird, und der innerhalb des wenigstens einen Brennraums 3 verbrennenden Menge an Kraftstoff wird vorzugsweise so bemessen, dass bezogen auf die dem jeweiligen Brennraum 3 zugeführte Luftmasse ein Verbrennungsluftverhältnis von λ = 1 eingestellt wird. Dadurch wird einerseits dafür gesorgt, dass der Katalysator 6 rasch aufgeheizt wird. Zudem ist dann auch eine bessere Konvertierung der im Abgas der Verbrennungskraftmaschine 1 enthaltenen Schadstoffe an dem Katalysator 6 erreichbar.
Zum Einstellen des jeweils gewünschten Verbrennungsluftverhältnisses werden der Steuerungseinrichtung 8, welche beispielsweise als Motorsteuergerät ausgebildet sein kann, Messwerte einer Lambdasonde 9 zugeführt. Die Lambdasonde 9 ist stromaufwärts des Katalysators 6 und stromabwärts der Verbrennungskraftmaschine 1 in der Abgasleitung 5 angeordnet. Eine weitere, vorliegend nicht gezeigte Lambdasonde für die Feinregelung des Verbrennungsluftverhältnisses kann im Bereich des Katalysators 6 oder stromabwärts des Katalysators 6 in der Abgasleitung 5 angeordnet sein. Mittels eines Temperatursensors 10 kann vorliegend von der Steuerungseinrichtung 8 festgestellt werden, wann der Katalysator 6 seine Anspringtemperatur erreicht hat. Der Temperatursensor 10 kann hierfür die Temperatur des Abgases im Bereich des Katalysators 6 erfassen.
Wenn der Katalysator 6 seine Anspringtemperatur erreicht hat, so bewirkt die Steuerungseinrichtung 8 vorzugsweise ein Einbringen von Kraftstoff in den jeweiligen Brennraum 3 der Verbrennungskraftmaschine 1, welches bezogen auf die tatsächlich in dem jeweiligen Brennraum 3 verbrennende Menge an Kraftstoff zu einem Verbrennungsluftverhältnis λ = 1 führt. Es wird also vorzugsweise im Anschluss an den Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine 1 der Katalysator 6 wieder mit dem Verbrennungsluftverhältnis von λ = 1 betrieben.
Dennoch lässt sich durch den vorübergehenden Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 mit dem Verbrennungsluftverhältnis λ > 1, insbesondere mit dem Verbrennungsluftverhältnis von λ > 1,2 bezogen auf die tatsächlich innerhalb des wenigstens einen Brennraums 3 verbrennende Menge oder Masse an Kraftstoff eine Partikelreduktion erreichen, also eine Verringerung der Partikelemission des Kraftfahrzeugs 2.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungskraftmaschine
2: Kraftfahrzeug
3: Brennraum
4: Abgasanlage
5: Abgasleitung
6: Katalysator
7: Partikelfilter
8: Steuerungseinrichtung
9: Lambdasonde
10: Temperatursensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015212514 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine (1) eines Kraftfahrzeugs (2), bei welchem in wenigstens einen Brennraum (3) der Verbrennungskraftmaschine (1) Luft und Kraftstoff eingebracht werden und in dem wenigstens einen Brennraum (3) Kraftstoff verbrannt wird, und bei welchem Abgas der Verbrennungskraftmaschine (1) einem Katalysator (6) und einem Partikelfilter (7) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Betriebsphase der Verbrennungskraftmaschine (1), innerhalb welcher der Katalysator (6) eine Temperatur unterhalb einer Anspringtemperatur des Katalysators (6) aufweist, eine Menge an Kraftstoff in den wenigstens einen Brennraum (3) eingebracht wird, welche zu einem Verbrennungsluftverhältnis λ > 1 bezogen auf die innerhalb des wenigstens einen Brennraums (3) verbrennende Menge an Kraftstoff führt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der gesamten Betriebsphase, innerhalb welcher der Katalysator (6) die Temperatur unterhalb der Anspringtemperatur aufweist, die Menge an in den wenigstens einen Brennraum (3) eingebrachtem Kraftstoff zu einem Verbrennungsluftverhältnis λ > 1 bezogen auf die innerhalb des wenigstens einen Brennraums (3) verbrennende Menge an Kraftstoff führt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während der Betriebsphase die Menge an in den wenigstens einen Brennraum (3) eingebrachtem Kraftstoff zu einem Verbrennungsluftverhältnis λ > 1,2 bezogen auf die innerhalb des wenigstens einen Brennraums (3) verbrennende Menge an Kraftstoff führt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass während der Betriebsphase in den wenigstens einen Brennraum (3) eine weitere Menge an Kraftstoff eingebracht wird, welche zumindest überwiegend stromabwärts des wenigstens einen Brennraums (3) und stromaufwärts des Katalysators (6) verbrennt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Summe der weiteren Menge an Kraftstoff und der innerhalb des wenigstens einen Brennraums (3) verbrennenden Menge an Kraftstoff derart bemessen wird, dass bezogen auf eine dem wenigstens einen Brennraum (3) zugeführte Luftmasse ein Verbrennungsluftverhältnis λ = 1 eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren im Anschluss an einen Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine (1) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren im Anschluss an den Kaltstart bei einer mittleren Last bis hohen Last der Verbrennungskraftmaschine (1) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn der Katalysator (6) seine Anspringtemperatur erreicht hat, die in den wenigstens einen Brennraum (3) eingebrachte Menge an Kraftstoff zu einem Verbrennungsluftverhältnis λ = 1 bezogen auf die innerhalb des wenigstens einen Brennraums (3) verbrennende Menge an Kraftstoff führt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als der Katalysator (6) ein Drei-Wege-Katalysator verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (1) als Ottomotor betrieben wird.
Kraftfahrzeug (2) mit einer Verbrennungskraftmaschine (1), welche wenigstens einen Brennraum (3) aufweist, in welchen Luft und Kraftstoff einbringbar sind, und in welchem der Kraftstoff verbrennbar ist, wobei eine Abgasanlage (4) des Kraftfahrzeugs (2) einen Katalysator (6) und einen Partikelfilter (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungseinrichtung (8) des Kraftfahrzeugs (2) dazu ausgebildet ist, während einer Betriebsphase der Verbrennungskraftmaschine (1), innerhalb welcher der Katalysator (6) eine Temperatur unterhalb einer Anspringtemperatur des Katalysators (6) aufweist, ein Einbringen einer Menge an Kraftstoff in den wenigstens einen Brennraum (3) zu bewirken, welche zu einem Verbrennungsluftverhältnis λ > 1 bezogen auf die innerhalb des wenigstens einen Brennraums (3) verbrennende Menge an Kraftstoff führt.