DE102020111684A1 - Kaltstartbetrieb einer mehrzylindrigen Vorkammerbrennkraftmaschine - Google Patents

Kaltstartbetrieb einer mehrzylindrigen Vorkammerbrennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung (30) für eine mehrzylindrige Vorkammerbrennkraftmaschine (1) eines Kraftfahrzeugs mit einem Abgaskatalysator (2), dazu eingerichtet, einen Betriebszustand (32) der Brennkraftmaschine zu ermitteln, und in Abhängigkeit von dem ermittelten Betriebszustand wenigstens einen Zylinder (4.1, 4.2, 4.3) der Brennkraftmaschine als ersten Zylinder mit einem unterstöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Gemisch und wenigstens einen Zylinder (4.4) als zweiten Zylinder (4.4) ohne Kraftstoffeinspritzung zu betreiben. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine (1) und ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für eine mehrzylindrige Vorkammerbrennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit einem Abgaskatalysator und eine solche Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei Vorkammerzylindern und wenigstens einem Abgaskatalysator.
  • Bekannte Vorkammermotoren sind im Vergleich zu konventionellen Zündkerzenmotoren in ihrem Betriebsfenster bei niedrigen Lasten und/oder kalten Temperaturen sowie allgemein bei späten Schwerpunktlagen eingeschränkt, sodass instabile Zündzustände auftreten können.
  • Späte Zündwinkel (und damit späte Schwerpunktlagen), die zum Katalysatorheizen bei einem Kaltstart benötigt werden, um auf diese Weise einen möglichst einen hohen Enthalpiestrom auf den Katalysator zu erzeugen, sind nicht einstellbar: in diesen Fällen kann es zu Zündaussetzern kommen.
  • Der Grund hierfür ist, dass sich wegen des erschwerten Gasaustauschs in der Vorkammer dort hohe Restgasanteile befinden, die das Gemisch schwer zündbar machen. Insbesondere bei späten Zündwinkeln verschlechtern sich die Zündbedingungen aufgrund sinkender Temperatur und sinkenden Drucks in der Brennkammer und durch das expandierende Restgas in der Vorkammer weiter.
  • Die zündungsgekoppelte Einspritzung, die bei vielen Zündkerzenmotoren gegenwärtig Anwendung findet, kann das geschilderte Problem bekannter Vorkammerbrennverfahren nicht lösen.
  • Ein Katalysatorheizbetrieb stellt bei Vorkammermotoren folglich aufgrund der späten Zündwinkel, teilweise in der Expansionsphase des Zylinders, eine besondere Herausforderung dar. Die schlechten Zündbedingungen führen in der Vorkammer häufig zu Zündaussetzern oder lassen sich überhaupt nicht einstellen.
  • Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine mehrzylindrige Vorkammerbrennkraftmaschine bzw. ein Verfahren zum Betrieb einer mehrzylindrigen Vorkammerbrennkraftmaschine zu verbessern. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, Katalysatorheizen beim Kaltstart auch für eine mehrzylindrige Vorkammerbrennkraftmaschine, insbesondere für einen PKW, zu ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Steuervorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1, eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen von Anspruch 10 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 11. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Gemäß einem Aspekt wird eine Steuervorrichtung für eine mehrzylindrige Vorkammerbrennkraftmaschine (also eine Vorkammerbrennkraftmaschine mit wenigstens zwei Zylindern) eines Kraftfahrzeugs mit einem Abgaskatalysator bereitgestellt.
  • Die Steuervorrichtung ist insbesondere dazu eingerichtet:
    1. (i) einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine zu ermitteln, und/oder
    2. (ii) in Abhängigkeit von dem ermittelten Betriebszustand wenigstens einen ersten Zylinder der Brennkraftmaschine mit einem unterstöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Gemisch und wenigstens einen zweiten Zylinder ohne Kraftstoffeinspritzung zu betreiben, und/oder
    3. (iii) einen Frischgasdurchsatz durch den wenigstens einen zweiten Zylinder so zu bestimmen, dass ein Kraftstoffüberschuss aus der Verbrennung des unterstöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Gemischs in dem wenigstens einen ersten Zylinder derart kompensiert wird, dass dem Abgaskatalysator ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Gemisch zugeführt wird.
  • Dadurch kann das Gemisch in der Vorkammer und gegebenenfalls auch in der Brennkammer der weiter befeuerten Zylinder (d.h. der als erster Zylinder betriebenen Zylinder), nötigenfalls auch stark, angefettet werden, was zu einer erheblichen Verbesserung der Zündfähigkeit führt und auch späte Zündwinkel auch mit einer Vorkammer zulässt, weil im Gegenzug entsprechend mehr Oxidator (i.e. der Sauerstoff im durchgesetzten Frischgas) durch den/die nicht eingespritzten und nicht befeuerten Zylinder (d.h. als zweiter Zylinder betriebener Zylinder) zum motornahen Katalysator zugeführt wird, um den Kraftstoffüberschuss im Abgas der befeuerten Zylinder zu kompensieren.
  • Insbesondere ist für eine möglichst schnelle Katalysatorheizung auch eine erhebliche Anfettung der befeuerten Zylinder bis zu Lambda < 0,75 vorgesehen, weil mit dem/den zweiten Zylinder(n) ausreichend Oxidator zugeführt werden kann, um den entsprechenden Überschuss unverbrannter Kohlenwasserstoffe in den Abgasen des/r ersten Zylinder(s) im Sinne eines stöchiometrischen Betriebs des Abgaskatalysators zu kompensieren.
  • Insbesondere wird der zweite Zylinder nicht gezündet, während er ohne Kraftstoffeinspritzung betrieben wird.
  • Unter einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine ist vorliegend insbesondere eine Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei Zylindern zu verstehen.
  • Unter einem ersten Zylinder (vorliegend auch „als erster Zylinder betriebener Zylinder“ genannt) ist vorliegend insbesondere ein Zylinder zu verstehen, der in einem bestimmten Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine im Sinne der Erfindung mit einem angefetteten, also unterstöchiometrischen, Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben wird.
  • Unter einem zweiten Zylinder (vorliegend auch „als zweiter Zylinder betriebener Zylinder“ genannt) ist vorliegend insbesondere ein Zylinder zu verstehen, der in diesem Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine ohne Kraftstoffeinspritzung und/oder ohne Zündung im Zylinder betrieben wird.
  • Die Steuervorrichtung kann vorliegend insbesondere separat für die Brennkraftmaschine und/oder als systemtechnisch separater Teil einer Steuereinrichtung für die Brennkraftmaschine und/oder als Teil einer übergeordneten Steuereinrichtung des Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Insbesondere kann die Steuervorrichtung auf alles Ausführung der Erfindung benötigten Sensoren und/oder Betriebsmodelle der Brennkraftmaschine und/oder ihrer Komponenten und/oder des Kraftfahrzeugs zugreifen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit einem Abgaskatalysator bereitgestellt, aufweisend (a) wenigstens zwei Zylinder mit jeweils einer Vorkammer, in welcher eine Zündung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches vorgesehen ist, und/oder (b) eine Luftzuführung zur Versorgung der Zylinder mit Frischgas, und/oder (c) eine Abgasabführung zur Führung von Abgasen aus den Zylindern, vereinigt hin zu dem Abgaskatalysator, und/oder (d) eine Steuervorrichtung gemäß einer Ausführung der Erfindung.
  • Unter einer Abgasabführung ist vorliegend insbesondere ein Abgaskrümmer und/oder eine Abgasleitung zu verstehen, die den Zylinderausgang an den Auslassventilen mit dem Abgaskatalysator verbindet.
  • Unter einer Luftzuführung ist vorliegend insbesondere ein Frischluftsaugrohr oder eine Ladeluftleitung und/oder eine AGR-Leitung zu verstehen.
  • Der Abgaskatalysator ist insbesondere ein, insbesondere motornaher, Oxidationskatalysator, beispielsweise ein, insbesondere geregelter, Dreiwege-Katalysator.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei Zylindern mit jeweils einer Vorkammer und einer Haupt-Brennkammer bereitgestellt, wobei die Brennkraftmaschine einen Abgaskatalysator aufweist.
  • Das Verfahren weist zumindest die folgenden Verfahrensschritte auf:
    1. (I) Ermitteln eines Betriebszustands der Brennkraftmaschine, und/oder
    2. (II) Betreiben wenigstens eines ersten Zylinders der Brennkraftmaschine mit einem unterstöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Gemisch und wenigstens eines zweiten Zylinders ohne Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit von dem ermittelten Betriebszustand, und/oder
    3. (III) Bestimmen eines Frischgasdurchsatz durch den wenigstens einen zweiten Zylinder, sodass ein Kraftstoffüberschuss aus der Verbrennung des unterstöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Gemischs in dem wenigstens einen ersten Zylinder derart kompensiert wird, dass dem Abgaskatalysator ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Gemisch zugeführt wird.
  • Der Erfindung liegt unter anderem die Überlegung zugrunde, dass späte Zündwinkel und damit späte Schwerpunktlagen, die zum Katalysatorheizen bei Kaltstart benötigt werden, um so möglichst einen hohen Enthalpiestrom auf den Katalysator zu erzeugen, nicht einstellbar sind, weil es sonst zu Zündaussetzern kommt. Der Grund hierfür ist, dass sich in der Vorkammer hohe Restgasanteile befinden, die das Gemisch schwer zündbar machen, insbesondere wenn die Zündung nicht bei maximaler Kompression des Gemischs, sondern später, erfolgt. Zudem ist auch bekannt, dass das Gemisch in der Vorkammer häufig überstöchiometrisch (mager) ist und deshalb schlechtere Zündfähigkeiten aufweist.
  • Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Idee, während des Katalysatorheizens (oder generell bei Verbrennungs-instabilen Betriebspunkten) die spezifische Last der einzelnen Zylinder anzuheben, um die Zündfähigkeit zu verbessern, und/oder den Brennraum anzufetten, um insbesondere die Zündung in der Vorkammer zu verbessern. Dies kann vorliegend insbesondere erreicht werden, indem bei einem Mehrzylindermotor wenigstens ein Zylinder abgeschaltet wird und nur zur Luftförderung dient. Insbesondere bleiben in diesem Fall die Ein- und Auslassventile angesteuert, im Gegensatz zu einer normalen Zylinderabschaltung. Dies ermöglicht insbesondere, die restlichen Zylinder anzureichern und ein unterstöchiometrisches Luft-Kraftstoff-verhältnis zu erzeugen und/oder die spezifische Last auf den restlichen Zylindern anzuheben. Insgesamt ist das Luft-Kraftstoff-Verhältnis nach der Vereinigung und Durchmischung der Gasströme aus allen Zylindern vor dem Abgaskatalysator stöchiometrisch, wenn die durchgesetzte Frischgas- bzw. Luftmasse durch den nicht befeuerten, zweiten Zylinder geeignet auf die Anfettung der anderen, ersten Zylinder abgestimmt ist.
  • Die Umsetzung mit geeigneten Verhältnissen von Anfettung der ersten Zylinder und Luftmassendurchsatz zueinander durch den zweiten Zylinder kann insbesondere mittels einer Software der Steuerungsvorrichtung mit entsprechendem Algorithmus an sich fachmännisch erfolgen. Insbesondere darf dazu der Ventiltrieb der zweiten Zylinder nicht abgeschaltet werden, da die Luftförderung benötigt wird. Gemäß einer Ausführung erfolgt die Zylinderabschaltung rollierend, d.h. beispielsweise wird in jedem Arbeitsspiel ein anderer Zylinder deaktiviert, um die gleichmäßige Erwärmung des Motors beim Kaltstart sicher zu stellen und ein Auskühlen einzelner Zylinder zu vermeiden. Eine beispielhaft mögliche Abfolge, bei welcher in einem 4-Zylinder-Motor für jeden Zylinder immer vier Arbeitsspiele stattfinden, bis dieser Zylinder für ein Arbeitsspiel nur mit Luftdurchsatz betrieben wird, ist später anhand einer Figur näher beschreiben. In diesem beispielhaften Fall würde jeder im befeuerte Zylinder eine Lastanhebung um 20% erfahren.
  • Gemäß einer Ausführung ist der ermittelte Betriebszustand ein Kaltstart des Kraftfahrzeug und/oder ein instabiler Zündzustand wenigstens eines der Zylinder der Brennkraftmaschine. Dadurch kann die Brennkraftmaschine auch im Katalysatorheizbetrieb oder anderen Verbrennungs-instabilen Betriebszuständen mit optimal gereinigten Abgasen betrieben werden.
  • Ein Kaltstart kann vorliegend als instabiler Zündzustand angesehen werden, insbesondere weil bei Vorkammermotoren die ansonsten üblichen Gemisch- und Zündvorgaben zu Zündaussetzern führen können.
  • Die instabile oder ausbleibende Verbrennung kann beispielsweise mittels eines Motorbetriebsmodells in Abhängigkeit von Verbrennungsparametern und/oder mittels einer geeigneten Sensierung zu Verbrennungsparametern ermittelt werden.
  • Gemäß einer Ausführung ist die Steuervorrichtung dazu eingerichtet, während des Vorliegens des Kaltstart-Betriebszustands und/oder des instabilen Zündzustands ein Lastniveau des wenigstens einen ersten Zylinders anzuheben. Dadurch können die Wandverluste, speziell an dem zweiten Zylinder gesenkt und generell der Wirkungsgrad der ersten Zylinder und damit der spezifische Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine verbessert werden.
  • Gemäß einer Ausführung ist die Steuervorrichtung dazu eingerichtet, den Frischgasdurchsatz mittels einer Ansteuerung einer Öffnungszeit eines Einlassventils und/oder eines Auslassventils des wenigstens einen zweiten Zylinders zu bestimmen. Dadurch kann vorhandene Aktorik zur Einstellung des benötigten Luftmassendurchsatzes einfach angesteuert und verwendet werden.
  • Gemäß einer Ausführung ist die Steuervorrichtung dazu eingerichtet, den Frischgasdurchsatz in Abhängigkeit von einem Frischgasdruck in einer Luftzuführung des wenigstens einen zweiten Zylinders und/oder von einer Geometrie des Einlassventils und/oder des Auslassventils zu bestimmen. Dadurch kann die Ansteuerung des geeigneten Luftmassendurchsatzes auf Basis von in gängigen Motor-Betriebsmodellen vorgehaltenen Druckwerten für bestimmte (insbesondere jegliche) Motorlastfälle einfach ermittelt werden.
  • Gemäß einer Ausführung ist die Steuervorrichtung dazu eingerichtet, in unterschiedlichen Arbeitsspielen der Brennkraftmaschine unterschiedliche Zylinder der Brennkraftmaschine als zweiten Zylinder zu betreiben. Dadurch kann insbesondere die Motorerwärmung beim Kaltstart wie gewünscht gestaltet werden.
  • Gemäß einer Ausführung ist die Steuervorrichtung dazu eingerichtet, jeden Zylinder nur für ein oder zwei Arbeitsspiele am Stück als zweiten Zylinder zu betreiben. Dadurch kann insbesondere sichergestellt werden, dass einzelne Zylinder nicht auskühlen. Alternativ kann auch eine größere Anzahl von Arbeitsspielen am Stück vorgesehen sein, insbesondere wenn eine Auskühlung dadurch nicht zu befürchten ist.
  • Gemäß einer Ausführung ist die Steuervorrichtung dazu eingerichtet, alle Zylinder zyklisch rollierend als zweiten Zylinder zu betreiben. Dadurch kann eine gleichmäßige Motorerwärmung sichergestellt werden.
  • Insbesondere wird also während einer vorbestimmten Anzahl von Arbeitsspielen der Brennkraftmaschine zunächst ein Zylinder A als zweiter Zylinder betrieben, anschließend ein Zylinder B, usw. Nachdem auch der letzte Zylinder als zweiter Zylinder betrieben war, wird direkt oder nach einer vorbestimmten Anzahl von Arbeitsspielen ohne einen Betrieb eines Zylinders als zweiter Zylinder wieder Zylinder A als zweiter Zylinder betrieben, gefolgt von Zylinder B, usw. Unter anderem der in diesem Absatz beschriebene Betrieb ist mit einem zyklisch rollierenden Betrieb gemeint.
  • Gemäß einer Ausführung ist die Steuervorrichtung dazu eingerichtet, zwischen zwei Zyklen eines rollierenden Betriebs, in welchem alle Zylinder, insbesondere nacheinander, als zweiter Zylinder betrieben werden, eine vorbestimmte Anzahl von Arbeitsspielen zu schalten, in welchen kein Zylinder als zweiter Zylinder betrieben wird.
  • Dadurch kann eine ausreichend schnelle Motorerwärmung, beispielsweise während eines Katalysatorheizungs-Betriebszustands sichergestellt werden. Trotzdem kann dem Katalysator wegen der trägen Vermischung in der Abgasführung der Brennkraftmaschine ein annähernd stöchiometrisches Gemisch zugeführt werden.
  • Wenn vorliegend von einem Betrieb eines Zylinders als zweiter Zylinder die Rede ist, ist insbesondere vorgesehen, dass im gleichen Arbeitsspiel zumindest ein, insbesondere alle anderen, Zylinder als erster Zylinder, d.h. insbesondere mit einem unterstöchiometrischen Gemisch und/oder mit Lastanhebung, betrieben werden.
  • Unter einem Zyklus rollierenden Betriebs ist vorliegend insbesondere eine Anzahl aufeinanderfolgender Arbeitsspiele der Brennkraftmaschine zu verstehen, innerhalb welcher alle Zylinder einmal als zweiter Zylinder betrieben werden, wobei (ein) ggf. nachfolgende(s) Arbeitsspiel(e) ohne Betrieb eines Zylinders als zweiter Zylinder zum jeweiligen Zyklus gehören.
  • Gemäß einer Ausführung ist die Steuervorrichtung dazu eingerichtet, bei dem/n als erste(r) Zylinder betriebenen Zylinder(n) den Zündzeitpunkt zu verzögern und/oder die Kraftstoffeinspritzmenge zu erhöhen.
  • Dadurch kann ein Katalysatorheizbetrieb realisiert werden, wenn beispielsweise aufgrund einer Ermittlung einer Temperatur einer Abgasnachbehandlungskomponente (wie zum Beispiel eines Katalysators) und/oder einer Außentemperatur und/oder einer Abstellzeit des Kraftfahrzeugs ein Kaltstart der Brennkraftmaschine ermittelt werden.
  • Beispielsweise wird der Katalysatorheizbetrieb dann nicht mehr angesteuert, wenn seit dem Start des Motors eine vorbestimmte Zeit vergangen ist (sodass von einer ausreichend hohen Temperatur des Katalysators sicher ausgegangen werden kann) und/oder eine ausreichende Temperatur des Katalysators direkt gemessen und/oder mittels eines Betriebsmodells ermittelt wird.
  • Dazu können beispielsweise die relevanten Temperaturen - direkt mittels Sensoren und/oder indirekt mittels eines Modells - ermittelt werden. Zusätzlich oder alternativ können aber auch indirekte Parameter dazu herangezogen werden, einen Katalysatorheizungsbetrieb zu ermitteln: beispielsweise kann ein Katalysatorheizbetrieb angenommen werden, wenn die Zündung des Fahrzeugs aktiviert wird, und/oder die Brennkraftmaschine des Fahrzeugs gestartet wird, und/oder eine Tür des Fahrzeugs, insbesondere die Fahrertür, entriegelt und/oder geöffnet wird, und/oder eine Sitzbelegungserkennung des Fahrzeugs eine Belegung des Fahrersitzes erkennt, und/oder ein Rückhaltegurt, insbesondere am Fahrersitz, anlegt wird. Alternativ kann der Katheizbetrieb auch mittels einer Fernbedienung manuell oder automatisch aktiviert werden.
  • Unter einem Maß der Verzögerung des Zündzeitpunkts ist vorliegend insbesondere zu verstehen, um wieviel niedriger ein Druck und/oder eine Temperatur des Zündgemischs in der Vorkammer zum verzögerten Zündzeitpunkt sind, verglichen mit beispielsweise den Druck- und/oder Temperaturverhältnissen bei einer Zündung kurz vor oder am oberen Umkehrpunkt des Zylinders.
  • Unter einem Maß der Erhöhung der Kraftstoffeinspritzmenge ist vorliegend insbesondere zu verstehen, wieviel mehr unverbrannte Kohlenwasserstoff nach der Verbrennung in den Abgasen verbleiben, verglichen mit beispielsweise einem Wert bei nicht an einen Kaltstart angepasster Kraftstoffeinspritzmenge und ansonsten zumindest im Wesentlichen identischem Lastfall der Brennkraftmaschine.
  • Insbesondere wird der Kraftstoff mittels einer eines Einspritzventils jenseits der Vorkammer in den Brennraum des Zylinders direkt eingespritzt.
  • Gemäß einer Ausführung ist die Steuervorrichtung dazu eingerichtet, eine Einspritzung des Kraftstoffes bei dem/n als erste(r) Zylinder betriebenen Zylinder(n) auf zwei Einspritzzeitpunkte zu verteilen.
  • Dies kann zu einem besseren Katalysatorheizbetrieb beitragen, insbesondere indem der Vorkammer durch eine zweite Einspritzung ein fetteres Gemisch zugeführt wird als dem nicht separierten Teil der Brennkammer des Zylinders, insbesondere zum Zündzeitpunkt.
  • Gemäß einer Ausführung weist jeder der Zylinder eine Kraftstoffeinspritzung auf, die dazu eingerichtet ist, Kraftstoff in eine Brennkammer des Zylinders jenseits der Vorkammer einzuspritzen.
  • Dadurch kann die Vorkammer passiv und damit sehr einfach aufgebaut sein. Insbesondere bei PKW-Motoren sind die Vorkammern sehr klein, sodass eine aktive Ausführung mit eigener Einspritzung sehr komplex ist, insbesondere auch vor dem Hintergrund der im Vergleich mit größeren Motoren sehr hohen Drehzahlen.
  • Gemäß einer Ausführung weist die Brennkraftmaschine mehr als zwei Zylinder auf, wobei die Steuervorrichtung insbesondere dazu eingerichtet ist, die Kraftstoffeinspritzmenge und/oder den/die Einspritzzeitpunkt(e) und/oder den Zündzeitpunkt gleich laufend für alle Zylinder oder separat und/oder unterschiedlich für unterschiedliche Zylinder anzusteuern. Dies ermöglicht eine Umschaltung des Betriebs einzelner, mehrerer oder aller Zylinder zwischen einem Betrieb als erster Zylinder und/oder als zweiter Zylinder und/oder als dritter Zylinder.
  • Insbesondere weist gemäß dieser Ausführung die Brennkraftmaschine drei, vier, sechs, acht oder zwölf Zylinder auf.
  • Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.
    • 1 zeigt in einer schematischen Ansicht einen Ausschnitt einer Vierzylinder-Vorkammer-Brennkraftmaschine mit einer Luftzuführung, einer Abgasabführung, einem Abgaskatalysator sowie einer Steuervorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung.
    • 2 zeigt in einer tabellarischen Darstellung ein rollierendes Betriebsschema der Brennkraftmaschine aus 1 über zwei Arbeitszyklen mit jeweils fünf Arbeitsspielen.
    • 3 zeigt ein Diagramm des Druckverlaufs in einem als erster Zylinder betriebenen Zylinder der Brennkraftmaschine aus 1, eingezeichnet über den Kurbelwinkel.
  • In 1 ist ein Ausschnitt einer Brennkraftmaschine 1 für ein Kraftfahrzeug mit einem Abgaskatalysator 2 dargestellt. Der Ausschnitt zeigt schematisch einen Motorblock 10 mit vier Zylindern 4.1, 4.2, 4.3 und 4.4.
  • Alle Zylinder 4 weisen jeweils eine Vorkammer 6 und eine Brennkammer 8 auf. Die Vorkammer 6 ist außerhalb der Brennkammer 8, normalerweise am Zylinderkopf, angeordnet. Das von der Vorkammer 6 abgegrenzte Volumen ist mit dem durch die Brennkammer 8 abgegrenzten Volumen mittels einer Ausnehmung an der Begrenzungswandung der Brennkammer 8 des Zylinderkopfes verbunden.
  • In der Vorkammer 6 ist jeweils ein Zündkopf einer Zündkerze 11 angeordnet. Die Zündkerze ist dazu eingerichtet, eine in der Vorkammer befindliches Luft-Kraftstoff-Gemisch zu zünden.
  • In der Brennkammer 8 jenseits der Vorkammer 6 ist ein Einspritzkopf einer Kraftstoffeinspritzung angeordnet, die als Einspritzventil 12 ausgebildet ist. Das Einspritzventil 12 ist dazu eingerichtet, Kraftstoff in die Brennkammer 8 des Zylinders jenseits der Vorkammer 6 einzuspritzen.
  • Die Brennkraftmaschine 1 weist eine Luftzuführung 14 zur Versorgung der Zylinder 4 mit Frischgas (also aus der Umgebung durch einen Luftfilter 15 angesaugter Luft) auf, und eine Abgasabführung 16 zur Sammlung und gemeinsamen Führung von Abgasen aus den Zylindern 4 hin zu dem Abgaskatalysator 2.
  • Ferner weist die Brennkraftmaschine 1 eine Steuervorrichtung 30 auf, die dazu eingerichtet ist, anhand geeigneter Parameter wie beispielsweise einer Zylindertemperatur und/oder einer Motortemperatur und/oder einer Abstelldauer und einer Außentemperatur einen instabilen Zündzustand als Betriebszustand 32 des Kraftfahrzeugs zu ermitteln.
  • Ferner ist die Steuervorrichtung 30 insbesondere dazu eingerichtet, eine geeignete Kraftstoffeinspritzmenge in den Zylinder 4 und/oder einen oder zwei oder mehrere geeignete Einspritzzeitpunkte 34 bzw. 34.2 (vgl. 3) für jeden als erster Zylinder betriebenen Zylinder 4.1, 4.2 und 4.3 bei einem instabilen Zündzustand 32 zu ermitteln und anschließend anzusteuern, wenn ein solcher ermittelt wird.
  • Wenn die Steuervorrichtung 30 als Betriebszustand einen instabilen Zündzustand 32 der Brennkraftmaschine 1 ermittelt hat, kann beispielsweise der Zündzeitpunkt 38 der als erster Zylinder betriebenen Zylinder 4.1, 4.2 und 4.3 verzögert und die Kraftstoffeinspritzmenge erhöht werden.
  • Zudem werden die als erster Zylinder betriebenen Zylinder 4.1, 4.2 und 4.3 bei einem instabilen Zündzustand 32 mit einem angefetteten, unterstöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben, um dem instabilen Zündungszustand 32 abzuhelfen und ggf. auch einen höheren Wärmeeintrag am Katalysator sicherzustellen. Dieser Betrieb ist durch den symbolischen Blitz für die Zündung an der Zündkerze 11 und die symbolische Wolke für die Kraftstoffeinspritzung am Einspritzventil 12 dargestellt.
  • Zudem wird das Lastniveau der als erster Zylinder betriebenen Zylinder 4.1, 4.2 und 4.3 bei einem instabilen Zündzustand 32 in dem Maße erhöht, als ein wegfallender Leistungsbetrag eines als zweiter Zylinder betriebenen Zylinders 4.4 wegfällt, der dann nur dem Luftdurchsatz von der Luftzuführung 14 hin zu der Abgasabführung 16 dient. Dieser Betrieb ist durch den fehlenden symbolischen Blitz für die nicht erfolgende Zündung an der Zündkerze und die fehlende symbolische Wolke für die nicht erfolgende Kraftstoffeinspritzung am Einspritzventil dargestellt.
  • Die Luftdurchsatzmasse 36 durch den zweiten Zylinder 4.4 wird mittels der Steuervorrichtung 30 danach bestimmt, wieviel unverbrannter Kraftstoff aus der Verbrennung in den ersten Zylindern 4.1, 4.2 und 4.3 durch einen zusätzlichen Sauerstoffeintrag in die Abgase kompensiert werden muss, um am Abgaskatalysator einen zumindest im Wesentlichen stöchiometrischen Abgaseintrag zu ermöglichen.
  • Im Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, den angefetteten Betrieb nur dann anzusteuern, wenn ein Betriebszustand ermittelt wird, der durch eine instabile oder ausbleibende Verbrennung in wenigstens einem der Zylinder gekennzeichnet ist. Ob ein solcher Betriebszustand vorliegt, kann beispielsweise fachmännisch aus einem Motorbetriebsmodell ausgelesen werden.
  • Die Steuervorrichtung 30 ist im Ausführungsbeispiel dazu eingerichtet, die gesamte Überfettung der Abgase aller als erster Zylinder betriebenen Zylinder 4.1, 4.2 und 4.3 mittels des Eintrags einer geeigneten Sauerstoffmenge durch den Frischgaseintrag über die als zweiter Zylinder betriebenen Zylinder 4.4 auszugleichen. Dazu werden im Ausführungsbeispiel die Ein- und Auslassventile geeignet angesteuert.
  • Analog zum Zylinder 4.4, der in der Darstellung der 1 als zweiter Zylinder betrieben wird, können mittels der Steuervorrichtung auch ein oder mehrere der anderen Zylinder 4.1, 4.2 und 4.3 als zweiter Zylinder betrieben werden. In diesem Fall kann dann beispielsweise der Zylinder 4.4 als erster Zylinder betrieben werden.
  • Insbesondere kann mit der Steuervorrichtung 30 daher ein Verfahren nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung durchgeführt werden, wie es anhand von 2 erläutert ist.
  • 2 zeigt eine tabellarischen Darstellung eines rollierenden Betriebsschemas der Brennkraftmaschine 1 aus 1 über zwei Arbeitszyklen mit jeweils fünf Arbeitsspielen I-V und VI-X.
  • Im ersten Arbeitsspiel I zu Beginn des ersten Arbeitszyklus' werden alle vier Zylinder 4.1, 4.2, 4.3 und 4.4 herkömmlich (Bezugszeichen N) betrieben, d. h. insbesondere ohne Anfettung.
  • Im zweiten Arbeitsspiel II des ersten Arbeitszyklus' wird der Zylinder 4.1 als zweiter Zylinder betrieben, die anderen Zylinder als erste Zylinder.
  • Im dritten Arbeitsspiel III des ersten Arbeitszyklus' wird der Zylinder 4.3 als zweiter Zylinder (Bezugszeichen B) betrieben, die anderen Zylinder als erste Zylinder (Bezugszeichen A).
  • Im vierten Arbeitsspiel IV des ersten Arbeitszyklus' wird der Zylinder 4.4 als zweiter Zylinder betrieben, die anderen Zylinder als erste Zylinder. Diese Konstellation ist in 1 ausführlich beschrieben.
  • Im fünften Arbeitsspiel V zum Abschluss des ersten Arbeitszyklus' wird der Zylinder 4.2 als zweiter Zylinder betrieben, die anderen Zylinder als erste Zylinder.
  • Diese Betriebsreihenfolge wiederholt sich im zweiten Arbeitszyklus mit den Arbeitsspielen VI-X und für alle weiteren Arbeitszyklen während des instabilen Zündzustands 32.
  • Damit werden nacheinander alle Zylinder zyklisch rollierend als zweiter Zylinder betrieben, womit eine gleichmäßige Wärmeentwicklung der Brennkraftmaschine 1 sichergestellt werden kann.
  • Alternativ können in den Arbeitsspielen I und VI alle Zylinder 4.1 bis 4.4 als erste Zylinder betrieben werden, wenn der Frischluftdurchsatz 36 durch die in den jeweils nachfolgenden Arbeitsspielen II-V bzw. VII-X als zweiter Zylinder betriebenen Zylinder diese zusätzliche Anfettung zusätzlich kompensiert.
  • In 3 ist ein Diagramm eines Verlaufs 40 des Drucks p (in bar) in dem Zylinder 4.1 aus 1 über den Kurbelwinkel KW (in Grad) eingezeichnet.
  • Der dargestellte Druckverlauf 40 bezieht sich auf die Verhältnisse während eines instabilen Zündzustands 32. In diesem Betriebszustand 32 sind zu den nachfolgend beschriebenen Zeitpunkten (entsprechend Kurbelwinkeln KW) Kraftstoff-Einspritzungen bzw. die Zündung des Gemischs vorgesehen:
    • Bei ca. -300° KW ist ein erster Einspritzzeitpunkt 34 vorgesehen, an welchem eine erste Kraftstoffmenge in der Brennkammer 8 eingespritzt wird. Diese kann sich in der Brennkammer verteilen, bis zu einem zweiten Einspritzzeitpunkt 34 bei ca. - 120° KW die restliche, zweite Kraftstoffmenge in die Brennkammer 8 eingespritzt wird. Diese wird bis zu einem Zündzeitpunkt 38 bei ca. 25° KW so verwirbelt, dass sich in der Vorkammer 6 ein überfettes Gemisch bildet.
  • Dieses kann zuverlässig gezündet werden, obwohl - wie dem Druckverlauf 40 entnommen werden kann - zum Zündzeitpunkt 38 die Druckbedingungen nicht mehr optimal sind, weil nur noch ca. die Hälfte des Maximaldrucks am oberen Totpunkt der Zylinderkolben-Bewegung in der Brennkammer 8 und damit auch in der Vorkammer 6 vorliegt.
  • Die auf diese Art aus den ersten Zylindern 4.1, 4.2, 4.3 in die Abgasabführung 18 entweichenden, fetten Abgase 37 werden mit der zugeführten Frischgasmasse 36 aus dem als zweiter Zylinder betriebenen Zylinder 4.4 durchmischt und anschließend dem Abgaskatalysator 2 zugeführt, der daher im stöchiometrischen Betrieb eine optimale Abgasnachbehandlung ausführen kann.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennkraftmaschine
    2
    Abgaskatalysator
    4.1
    in 1 als erster Zylinder betriebener Zylinder
    4.2
    in 1 als erster Zylinder betriebener Zylinder
    4.3
    in 1 als erster Zylinder betriebener Zylinder
    4.4
    in 1 als zweiter Zylinder betriebener Zylinder
    6
    Vorkammer
    8
    Brennkammer
    10
    Motorblock
    11
    Zündkerze
    12
    Einspritzventil
    14
    Luftzuführung
    15
    Luftfilter
    16
    Abgasabführung
    30
    Steuervorrichtung
    32
    Kaltstart-Betriebszustand
    34
    Einspritzzeitpunkt
    36
    Frischgasmasse
    37
    Abgasmasse
    38
    Zündzeitpunkt
    40
    Druckverlauf
    A
    erster Zylinder
    B
    zweiter Zylinder
    N
    herkömmlich betriebener Zylinder
    p
    Druck in der Brennkammer
    KW
    Kurbelwinkel

Claims (11)

  1. Steuervorrichtung (30) für eine mehrzylindrige Vorkammerbrennkraftmaschine (1) eines Kraftfahrzeugs mit einem Abgaskatalysator (2), dazu eingerichtet, - einen Betriebszustand (32) der Brennkraftmaschine zu ermitteln, und - in Abhängigkeit von dem ermittelten Betriebszustand wenigstens einen Zylinder (4.1, 4.2, 4.3) der Brennkraftmaschine als ersten Zylinder mit einem unterstöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Gemisch und wenigstens einen Zylinder (4.4) als zweiten Zylinder (4.4) ohne Kraftstoffeinspritzung zu betreiben, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung dazu eingerichtet ist, einen Frischgasdurchsatz (36) durch den wenigstens einen zweiten Zylinder so zu bestimmen, dass ein Kraftstoffüberschuss aus der Verbrennung des unterstöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Gemischs in dem wenigstens einen ersten Zylinder derart kompensiert wird, dass dem Abgaskatalysator ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Gemisch zugeführt wird.
  2. Steuervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte Betriebszustand ein Kaltstart des Kraftfahrzeug und/oder ein instabiler Zündzustand (32) wenigstens eines der Zylinder der Brennkraftmaschine ist.
  3. Steuervorrichtung gemäß Anspruch 2, dazu eingerichtet während des Vorliegens des Kaltstart-Betriebszustands und/oder des instabilen Zündzustands ein Lastniveau des wenigstens eines ersten Zylinders anzuheben.
  4. Steuervorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dazu eingerichtet den Frischgasdurchsatz mittels einer Ansteuerung einer Öffnungszeit eines Einlassventils und/oder eines Auslassventils des wenigstens einen zweiten Zylinders zu bestimmen.
  5. Steuervorrichtung gemäß Anspruch 4, dazu eingerichtet den Frischgasdurchsatz in Abhängigkeit von einem Frischgasdruck in einer Luftzuführung des wenigstens einen zweiten Zylinders und/oder von einer Geometrie des Einlassventils und/oder des Auslassventils zu bestimmen.
  6. Steuervorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dazu eingerichtet, in unterschiedlichen Arbeitsspielen (I-X) der Brennkraftmaschine unterschiedliche Zylinder (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) der Brennkraftmaschine als zweiten Zylinder zu betreiben.
  7. Steuervorrichtung gemäß Anspruch 6, dazu eingerichtet, jeden Zylinder nur für ein oder zwei Arbeitsspiele am Stück als zweiten Zylinder zu betreiben.
  8. Steuervorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7, dazu eingerichtet, alle Zylinder zyklisch rollierend als zweiten Zylinder zu betreiben.
  9. Steuervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dazu eingerichtet, zwischen zwei Zyklen eines rollierenden Betriebs, in welchem alle Zylinder als zweiter Zylinder betrieben werden, eine vorbestimmte Anzahl von Arbeitsspielen (I, VI) zu schalten, in welchen kein Zylinder als zweiter Zylinder betrieben wird.
  10. Brennkraftmaschine (1) für ein Kraftfahrzeug mit einem Abgaskatalysator (2), aufweisend - wenigstens zwei Zylinder (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) mit jeweils einer Vorkammer (6), in welcher eine Zündung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches vorgesehen ist, - eine Luftzuführung (14) zur Versorgung der Zylinder mit Frischgas, - eine Abgasabführung (16) zur Führung von Abgasen aus den Zylindern, vereinigt hin zu dem Abgaskatalysator, gekennzeichnet durch eine Steuervorrichtung (30) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
  11. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine (1) mit wenigstens zwei Zylindern (4) mit jeweils einer Vorkammer (6) und mit einem Abgaskatalysator (2), aufweisend zumindest die folgenden Verfahrensschritte: - Ermitteln eines Betriebszustands (32) der Brennkraftmaschine, und - Betreiben wenigstens eines Zylinders (4.1, 4.2, 4.3) der Brennkraftmaschine als erster Zylinder mit einem unterstöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Gemisch und wenigstens eines Zylinders (4.4) als zweiter Zylinder ohne Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit von dem ermittelten Betriebszustand, - Bestimmen eines Frischgasdurchsatzes (36) durch den wenigstens einen zweiten Zylinder, sodass ein Kraftstoffüberschuss aus der Verbrennung des unterstöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Gemischs in dem wenigstens einen ersten Zylinder derart kompensiert wird, dass dem Abgaskatalysator ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Gemisch zugeführt wird.
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