DE102022121621A1 - Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators in der Abgasanlage eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors - Google Patents

Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators in der Abgasanlage eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators (28) und/oder eines Partikelfilters (30) in einer Abgasanlage (20) eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors (10). Das Verfahren umfasst:
- Einspritzen einer ersten Kraftstoffmenge (m1) in einen Brennraum (12) des Verbrennungsmotors (10),
- Entzünden dieser ersten Kraftstoffmenge (m1) mittels einer Zündkerze (16), wobei die erste Kraftstoffmenge (m1) bei einem Luftüberschuss in dem Brennraum (12) verbrennt, und
- Einspritzen einer zweiten Kraftstoffmenge (m2) in den Brennraum (12) nach Zündung der ersten Kraftstoffmenge (m1), wobei die zweite Kraftstoffmenge (m2) exotherm mit dem Restsauerstoff aus dem Luftüberschuss in dem Brennraum (12) nach Verbrennung der ersten Kraftstoffmenge (m1) reagiert.
Die Erfindung betrifft ferner einen Verbrennungsmotor (10) mit einem Motorsteuergerät, welches dazu eingerichtet ist, ein solches Verfahren durchzuführen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators und/oder eines Partikelfilters in der Abgasanlage eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors sowie einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor mit einer Abgasanlage zur Durchführung eines solchen Verfahrens gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
  • Die kontinuierliche Verschärfung der Abgasgesetzgebung stellt hohe Anforderungen an die Fahrzeughersteller, welche durch entsprechende Maßnahmen zur Verringerung der motorischen Rohemissionen und durch eine entsprechende Abgasnachbehandlung gelöst werden. Mit Einführung der Gesetzgebungsstufe EU6 wurde für Ottomotoren ein Grenzwert für eine Partikelanzahl vorgeschrieben, der in vielen Fällen den Einsatz eines Ottopartikelfilters notwendig macht. Solche Rußpartikel entstehen besonders nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors aufgrund einer unvollständigen Verbrennung in Kombination mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis nach dem Kaltstart, kalter Zylinderwände sowie der heterogenen Gemischverteilung in den Brennräumen des Verbrennungsmotors. Im Gegensatz zur Beladung eines Dieselpartikelfilters erfolgt die Rußbeladung eines Ottopartikelfilters im Wesentlichen in Abhängigkeit der Brennraumtemperatur und nimmt mit zunehmender Brennraumtemperatur ab. Die Kaltstartphase ist somit maßgeblich für die Einhaltung der gesetzlich vorgeschriebenen Partikelgrenzwerte sowohl bezüglich der Partikelmasse als auch bezüglich der Partikelanzahl. Bei kalten Außentemperaturen, insbesondere bei Umgebungstemperaturen unterhalb von 0°C werden bei einem Ottomotor aufgrund der geringen Gemischhomogenisierung und Verdampfung des Kraftstoffs sowie der Startanreicherung besonders hohe Partikelemissionen emittiert. Zudem führt ein Kaltstart mit einem unterstöchiometrischen, fetten Verbrennungsluftverhältnis zu höheren Emissionen an Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC), da eine Konvertierung in Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf aufgrund des kalten Katalysators noch nicht möglich ist. Im Fahrbetrieb wird bei Kraftfahrzeugen mit einem Ottopartikelfilter dieser Ottopartikelfilter dann weiter mit Ruß beladen. Damit der Abgasgegendruck nicht zu stark ansteigt, muss dieser Ottopartikelfilter kontinuierlich oder periodisch regeneriert werden. Der Anstieg des Abgasgegendrucks kann zu einem Mehrverbrauch des Verbrennungsmotors, Leistungsverlust und einer Beeinträchtigung der Laufruhe bis hin zu Zündaussetzern führen. Um eine thermische Oxidation des im Ottopartikelfilter zurückgehaltenen Rußes mit Sauerstoff durchzuführen, ist ein hinreichend hohes Temperaturniveau in Verbindung mit gleichzeitig vorhandenem Sauerstoff in der Abgasanlage des Ottomotors notwendig. Da moderne Ottomotoren normalerweise ohne Sauerstoffüberschuss mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ=1) betrieben werden, sind dazu zusätzliche Maßnahmen erforderlich. Dazu kommen als Maßnahmen beispielsweise eine Temperaturerhöhung durch eine Zündwinkelverstellung, eine zeitweise Magerverstellung des Ottomotors, das Einblasen von Sekundärluft in die Abgasanlage oder eine Kombination dieser Maßnahmen infrage. Bevorzugt wird bislang eine Zündwinkelverstellung in Richtung spät in Kombination mit einer Magerverstellung des Ottomotors angewandt, da dieses Verfahren ohne zusätzliche Bauteile auskommt und in den meisten Betriebspunkten des Ottomotors eine ausreichende Sauerstoffmenge liefern kann. Eine konventionelle Spätverstellung des Zündwinkels ermöglicht jedoch nur einen begrenzten Temperaturgradienten zum Aufheizen des Katalysators, welcher für die zur Erreichung der Abgasgesetzgebung EU7 notwendige Aufheizgeschwindigkeit nicht ausreicht. Zudem begrenzen die Motorlaufruhe und die Aufheizung der dem Katalysator vorgelagerten Bauteile in der Abgasanlage, insbesondere das Aufheizen einer Turbine eines Abgasturboladers, die maximale Zündwinkel-Spätverstellung. Alternativ oder zusätzlich können solche innermotorischen Heizverfahren auch dazu eingesetzt werden, um einen Partikelfilter in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors auf eine Regenerationstemperatur zur Oxidation der im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußpartikel aufzuheizen.
  • Ein elektrisches Aufheizen des Katalysators ist kostenintensiv, hat einen hohen elektrischen Energiebedarf und kann zudem eine zusätzliche Sekundärluftpumpe zur Ausbildung eines Trägerluftstroms erfordern, welche ebenfalls einen hohen Kostenaufwand mit sich bringt.
  • Ein Aufheizen über ein Sekundärluftsystem erzeugt über eine exotherme Reaktion im Abgastrakt einen hohen Temperaturgradienten zum schnellen Aufheizen eines Katalysators, Allerdings wird die benötigte Luftmenge extern von einer Sekundärluftpumpe, vorzugsweise durch einen vom Verbrennungsmotor angetriebenen Kompressor erzeugt. Die zur exothermen Umsetzung benötigten Abgaskomponenten werden innermotorisch über eine fette Verbrennung mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis bereitgestellt. Dadurch entstehen erhöhte Rohemissionen, die zu einer Überschreitung des gesetzlichen Grenzwertes führen können, bis in der Abgasanlage eine hinreichende Temperatur zur exothermen Umsetzung der unverbrannten Abgaskomponenten führen können. Ferner führt ein Sekundärluftsystem durch die zusätzlichen Bauteile zu Mehrkosten.
  • Ein weiteres bekanntes Verfahren zum Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponenten, insbesondere eines in der Abgasanlage angeordneten Katalysators ist ein sogenannter Lambda-Split-Betrieb, d.h. ein Motorbetrieb, bei welchem eine erste Gruppe von Brennräumen mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis und eine zweite Gruppe von Brennräumen mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben werden. Ein solcher Lambda-Split-Betrieb ermöglicht zwar den Verzicht auf ein Sekundärluftsystem, kann aber ein effizientes Aufheizen des Katalysators nur bedingt erreichen, da der Grad der Mager- und Fettverstellung der Einzelzylinder durch die Motorlaufruhe begrenzt ist. Zudem ist prinzipbedingt durch die zylinderselektive Magerverstellung gegenüber einer globalen Magerverstellung ein geringerer Restsauerstoffstrom verfügbar, der somit einen geringeren Massenstrom unverbrannter Kohlenwasserstoffe zur Umsetzung erlaubt. Zudem ist ein Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponenten erst dann ermöglichen, wenn eine Mindesttemperatur für eine exotherme Umsetzung der unverbrannten Abgaskomponenten aus den unterstöchiometrisch betriebenen Brennräumen mit dem Restsauerstoff aus den überstöchiometrisch betriebenen Brennräumen erreicht ist. Insbesondere in einer Kaltstartphase erfolgt hier bis zum Erreichen der Mindesttemperatur keine Konvertierung der Schadstoffe und kein Aufheizen des Katalysators, sodass diese Methode allein auch nicht hinreichend für ein ausreichend schnelles Aufheizen des Katalysators ist.
  • Bei sich weiter verschärfenden Abgasgesetzgebungen besteht ein technischer Lösungsansatz darin, die Kaltstartemissionen von Ottomotoren zu senken, da diese einen signifikanten Anteil der Emissionen im gesamten Fahrzyklus ausmachen. Diese Anforderung gewinnt an Bedeutung, wenn die Gültigkeitsstrecke einer innerstädtischen Real-Driving-Emissions-Fahrt weiter abgesenkt wird, da hierdurch der Anteil des Kaltstarts an Gewicht gewinnt. Als Lösung können entweder die Rohemissionen des Verbrennungsmotors gesenkt und/oder die Konvertierungsleistung der Abgasnachbehandlung verbessert werden. Eine Möglichkeit, die Effizienz der Abgasnachbehandlung in der Kaltstartphase zu erhöhen liegt darin, einen Drei-Wege-Katalysator schneller auf seine Betriebstemperatur aufzuheizen. Hierzu können innermotorisch, wie eine Verstellung des Zündwinkels, sowie außermotorische Maßnahmen, wie beispielsweise externe Heizelemente oder Abgasbrenner eingesetzt werden.
  • Aus der EP 1 108 873 B1 ist ein Verfahren zum Aufheizen eines Abgaskatalysators in der Abgasanlage eines Otto-Magermotors beschrieben, bei dem ein für den Motorbetrieb durch einen mittels Motorparametern variable erste Hochdruck-Kraftstoffeinspritzung in einem vorbestimmten Drehwinkelbereich der Kurbelwelle vor dem oberen Totpunkt des Kolbens gebildetes Magergemisch durch eine Zündkerze fremdgezündet wird. Dabei wird die Brenndauer des Magergemischs durch eine zweite, variable Hochdruck-Kraftstoffeinspritzung in einem vorbestimmten Drehwinkelbereich der Kurbelwelle nach dem oberen Totpunkt des Kolbens verlängert und der Zündzeitpunkt in Richtung „spät“ verstellt, um die Abgastemperatur des Verbrennungsmotors zu erhöhen.
  • Die US 7 168 238 B2 beschreibt ein Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors mit einer Verstellung des Zündwinkels in Richtung spät und einer homogen stöchiometrischen Verbrennung des Kraftstoffs in den Brennräumen des Verbrennungsmotors, wobei die in den Brennraum eingespritzte Kraftstoffmenge auf zwei Einzeleinspritzungen aufgeteilt wird. Dabei erfolgt die spätere, zweite Einzeleinspritzung kurz vor dem Zünd-OT des Kolbens, um eine fette Gemischzone um die Zündkerze zu erreichen, sodass eine Entflammung des eingespritzten Kraftstoffs vereinfacht und auch bei einem späten Zündwinkel eine hohe Laufruhe des Verbrennungsmotors erreicht wird.
  • Ferner ist aus der US 2013/0 087 999 A1 ein Verfahren zum Aufheizen von Abgasnachbehandlungskomponenten in einer Abgasanlage eines selbstzündenden Verbrennungsmotors bekannt, bei welchem die Bauteiltemperatur eines Oxidationskatalysators und eines Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden effizient geregelt werden können.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein schnelles und effizientes Aufheizen eines Katalysators in der Abgasanlage eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors zu ermöglichen und die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators, insbesondere eines Drei-Wege-Katalysators, in einer Abgasanlage eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors gelöst, umfassend:
    • - Einspritzen einer ersten Kraftstoffmenge in einen Brennraum des Verbrennungsmotors,
    • - Entzünden dieser ersten Kraftstoffmenge mittels einer Zündkerze, wobei die erste Kraftstoffmenge bei einem Luftüberschuss in dem Brennraum verbrennt, und
    • - Einspritzen einer zweiten Kraftstoffmenge in den Brennraum nach Zündung der ersten Kraftstoffmenge, wobei die zweite Kraftstoffmenge exotherm mit dem Restsauerstoff aus dem Luftüberschuss in dem Brennraum nach Verbrennung der ersten Kraftstoffmenge reagiert.
  • Unter einem fremdgezündeten Verbrennungsmotor ist in diesem Zusammenhang ein Ottomotor zu verstehen, dessen Verbrennungsgemisch durch einen Funken einer Zündkerze entzündet wird. Insbesondere ist in diesem Zusammenhang ein Ottomotor zu verstehen, welcher in einem Normalbetrieb mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird, sodass die Abgase des Verbrennungsmotors auf bekannte Art und Weise durch einen Drei-Wege-Katalysator oxidiert bzw. reduziert werden können. Insbesondere ermöglicht der Drei-Wege-Katalysator eine Oxidation von unverbrannten oder teilverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC), Wasserstoff (H2) und/oder Kohlenstoffmonoxid (CO) und eine Reduktion von Stickoxiden (NOx). Unter einer Einspritzung ist der Einspritzzeitraum eines Einspritzevents vom Beginn der Einspritzung bis zum Einspritzende zu verstehen. Unter einer Zündung der Kraftstoffmenge ist eine Einbringung eines Zündfunkens in den Brennraum zu verstehen, infolge dessen die erste Kraftstoffmenge zu brennen beginnt. Die erste Einspritzmenge wird auch als Haupteinspritzmenge oder Haupteinspritzung und die zweite Einspritzmenge als Nacheinspritzmenge oder Nacheinspritzung bezeichnet.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass eine schnelle und effiziente Aufheizung des Katalysators ohne zusätzliche, kostenintensive Bauteile wie einem elektrischen Heizelement, einem Abgasbrenner oder einer Sekundärluftpumpe, erreicht wird. Dabei kann der Katalysator in allen Betriebssituationen, in denen der Katalysator ausgekühlt ist beziehungsweise eine Temperatur unterhalb der Light-Off-Temperatur des Katalysators aufweist und der Verbrennungsmotor aktiv ist, aufgeheizt werden. Dabei wird der Verbrennungsmotor mit einer Einspritzstrategie betrieben, in der eine definierte zweite Kraftstoffmenge nach Einspritzung und Zündung der Haupteinspritzmenge in den Brennraum eingespritzt wird. Dabei wird der notwendige Sauerstoff für die exotherme Umsetzung der zweiten Einspritzmenge dadurch bereitgestellt, dass die erste Einspritzmenge mit einem Luftüberschuss verbrannt wird und auch nach Abschluss der Verbrennung der ersten Kraftstoffmenge noch Restsauerstoff zur Umsetzung der zweiten Kraftstoffmenge in dem Brennraum vorhanden ist. Mit der Einspritzung der zweiten Kraftstoffmenge nach der Gemischzündung der ersten Kraftstoffmenge wird der Kraftstoff der zweiten Kraftstoffmenge in der heißen Umgebung des Brennraums verdampft und zumindest teilweise im Brennraum oxidiert. Eine weitere Teilmenge der zweiten Kraftstoffmenge kann durch einen geöffneten Auslass erst in der Abgasanlage exotherm umgesetzt werden und erzeugt dadurch einen heißeren Abgasstrom, welcher den Katalysator schneller auf seine Light-Off-Temperatur aufheizen kann.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten zusätzlichen Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch genannten Verfahrens zum Aufheizen eines Katalysators in der Abgasanlage eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors möglich.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Kraftstoffmenge verbrannt wird, während ein Auslassventil des Brennraums geöffnet ist. Dadurch kann ein Teil der Verbrennung der zweiten Kraftstoffmenge in der Abgasanlage erfolgen, wodurch ein besonders heißes Abgas zum Aufheizen des Katalysators auf seine Light-Off-Temperatur oder eine oberhalb der Light-Off-Temperatur liegende Betriebstemperatur realisiert werden. Dadurch ist ein besonders schnelles und effizientes Aufheizen des Katalysators möglich. Insbesondere können durch eine Teilverbrennung der zweiten Kraftstoffmenge in der Abgasanlage die Wärmeverluste durch die Wände des Abgaskanals stromaufwärts des Katalysators minimiert werden,
  • In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Kraftstoffmenge zwischen 80% und 95%, vorzugsweise zwischen 85% und 90%, der Gesamteinspritzmenge und die zweite Kraftstoffmenge zwischen 5% und 20%, vorzugsweise zwischen 10° und 15% der Gesamteinspritzmenge beträgt. Durch die vergleichsweise hohe erste Kraftstoffmenge kann eine Verbrennung realisiert werden, welche eine hohe Effizienz in der Erzeugung eines Antriebsmoments aufweist. Ferner kann durch die zweite Kraftstoffmenge ein effizientes Aufheizen des Katalysators sichergestellt werden. Ferner ist eine Aufteilung der Einspritzmenge in dem dargestellten Verhältnis vorteilhaft im Hinblick auf die Rohemissionen sowie die Laufruhe des Verbrennungsmotors.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens zum Aufheizen eines Katalysators ist vorgesehen, dass die erste Kraftstoffmenge 150°KW vor Zünd-OT oder früher, insbesondere in einen Saughub des Kolbens, in den Brennraum des Verbrennungsmotors eingespritzt wird. Dadurch besteht hinreichend Zeit zwischen der Einspritzung und der Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs in dem Brennraum, um eine Gleichverteilung des Kraftstoffs und eine vollständige Verdampfung des Kraftstoffs vor der Zündung zu erreichen. Dadurch können die Emissionen des Verbrennungsmotors, insbesondere die Emissionen an Rußpartikeln, minimiert werden.
  • Ferner ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens zum Aufheizen eines Katalysators vorgesehen, dass die zweite Kraftstoffmenge 60°KW nach Zünd-OT oder später in den Brennraum des Verbrennungsmotors eingespritzt wird. Durch eine späte Nacheinspritzung kann eine hohe Wärmemenge in die Abgasanlage eingebracht werden, wodurch ein besonders schnelles und effizientes Aufheizen des Katalysators erreicht wird.
  • In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die erste Kraftstoffmenge auf zwei oder mehr Teileinspritzungen, vorzugsweise auf genau zwei Teileinspritzungen, aufgeteilt wird. Durch eine Aufteilung der Kraftstoffmenge auf zwei oder mehrere Teileinspritzungen kann die Eindringtiefe des Kraftstoffstrahls in den Brennraum reduziert werden. Dadurch kann eine Wandbenetzung der Zylinderwände des Brennraums reduziert werden, wodurch die Rohemissionen des Verbrennungsmotors verringert werden können. Ferner führt eine Aufteilung der Einspritzmenge auf zwei oder mehr Teileinspritzungen zu einer besseren Gleichverteilung des Kraftstoffs im Brennraum, wodurch die Rohemissionen verringert und die Kraftstoffeffizienz erhöht werden können.
  • Ferner ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, dass die zweite Kraftstoffeinspritzmenge auf zwei oder mehr Teileinspritzungen, insbesondere auf genau zwei Teileinspritzungen, aufgeteilt wird. Auch bei der zweiten Kraftstoffeinspritzmenge, also der späten Nacheinspritzung, führt eine Aufteilung der Einspritzmenge auf zwei Einspritzungen zu einer Reduzierung der Eindringtiefe des Kraftstoffstrahls in den Brennraum und zu einer geringeren Wandbenetzung der Brennraumwände. Durch die Aufteilung auf zwei Einspritzungen kann das Verdampfen des Kraftstoffs bei der späten Nacheinspritzung begünstigt werden, sodass ein größerer Anteil der Kraftstoffmenge verdampft und bereits voroxidiert werden kann. Dies erhöht die Effizienz des Verfahrens und reduziert ebenfalls die Rohemissionen des Verbrennungsmotors.
  • In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens zum Aufheizen eines Katalysators in der Abgasanlage eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors ist vorgesehen, dass zusätzlich ein Zündwinkel für die Zündung der ersten Kraftstoffmenge in Richtung „spät“ verschoben wird. Durch eine Verstellung des Zündwinkels in Richtung „spät“ wird der Verbrennungsschwerpunkt verschoben, wodurch ein heißeres Abgas in die Abgasanlage ausgeschoben wird. Dadurch kann das Aufheizen des Katalysators weiter beschleunigt werden. Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Verschiebung des Zündwinkels gegenüber einem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors um mindestens 15°KW, vorzugsweise um mindestens 20°KW, erfolgt.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor zwei oder mehr Brennräume aufweist, wobei sämtliche Brennräume des Verbrennungsmotors mit dem gleichen Verbrennungsluftverhältnis betrieben werden. Dadurch können die Rohemissionen des Verbrennungsmotors und die Laufruhe des Verbrennungsmotors gegenüber einem Lambda-Split-Betrieb verbessert werden. Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor zwei oder mehr Brennräume aufweist, wobei sämtliche Brennräume des Verbrennungsmotors mit den gleichen Einspritzparametern, insbesondere mit den gleichen Einspritzzeiten und den gleichen Einspritzmengen, betrieben werden.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Einspritzen der zweiten Kraftstoffmenge entfällt und die erste Kraftstoffmenge mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis umgesetzt wird, wenn der Katalysator eine Schwellentemperatur erreicht oder überschritten hat. Dadurch können die Kraftstoffeffizienz nach Erreichen der Schwellentemperatur des Katalysators verbessert und die Rohemissionen des Verbrennungsmotors verringert werden.
  • Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Brennraum, einem an dem Brennraum angeordneten Kraftstoffinjektor sowie einer an dem Brennraum angeordneten Zündkerze, wobei ein Auslass des Brennraums mit einer Abgasanlage verbunden ist, in welcher ein Katalysator angeordnet ist, sowie mit einem Motorsteuergerät mit einer Speichereinheit und einer Recheneinheit sowie einem in der Speichereinheit abgelegten, maschinenlesbaren Programmcode, wobei das Motorsteuergerät dazu eingerichtet ist, ein solches Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators in der Abgasanlage eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors durchzuführen, wenn der maschinenlesbare Programmcode durch die Recheneinheit ausgeführt wird.
  • Die verschiedenen, in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • 1 einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor mit einem Kraftstoffeinspritzsystem, einer Zündkerze, einem Motorsteuergerät und einem an den Verbrennungsmotor angeschlossenen Abgassystem zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Aufheizen eines Katalysators in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors,
    • 2 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
    • 3 einen Verlauf des Brennraumdrucks und der Einspritzung des Kraftstoffs während eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Aufheizen eines Katalysators in der Abgasanlage des fremdgezündeten Verbrennungsmotors, und
    • 4 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Aufheizen eines Katalysators in der Abgasanlage eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors.
  • 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 mit einem Brennraum 12 oder vorzugsweise mehreren Brennräumen 12. Der Brennraum 12 wird durch einen Zylinder 50 und eine in dem Zylinder 50 beweglich gelagerten Kolben 52 sowie durch einen Zylinderkopf 68 begrenzt. Der Kolben 52 ist über Kolbenringe 54 gegenüber dem Zylinder 50 abgedichtet und über eine Pleuelstange 56 mit einer Kurbelwelle 58 verbunden. Dabei wird über die Pleuelstange eine oszillierende Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens 52 in eine Drehbewegung der Kurbelwelle 58 übertragen. In dem Zylinderkopf 68 sind ein Kraftstoffinjektor 14 zur Einspritzung eines Kraftstoffs in den Brennraum 12 und eine Zündkerze 16 zur Zündung eines brennfähigen Kraftstoff-Luft-Gemischs angeordnet.
  • Der Brennraum 12 ist über einen Auslass 18 mit einer Abgasanlage 20 verbunden. Die Abgasanlage 20 umfasst einen Abgaskanal 22 und mindestens einen in dem Abgaskanal 22 angeordneten Katalysator 28, insbesondere einen Drei-Wege-Katalysator zur Oxidation von unverbrannten Abgaskomponenten wie Kohlenwasserstoffen, Kohlenstoffmonoxid oder Wasserstoff und einer Reduktion von Stickoxiden. Bevorzugt sind in der Abgasanlage 20 in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 22 eine Turbine 26 eines Abgasturboladers 24, ein oder mehrere Drei-Wege-Katalysatoren 28 und ein Partikelfilter 30 angeordnet. In der Abgasanlage 20 ist stromabwärts der Turbine 26 des Abgasturboladers 24 und stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators 28 eine erste Lambdasonde 42 und stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 28 eine zweite Lambdasonde 44 angeordnet. Ferner können in der Abgasanlage 20 ein oder mehrere Abgassensoren 46 oder Temperatursensoren 48 angeordnet sein.
  • Der Verbrennungsmotor 10 steht mit einem Motorsteuergerät 60 in Wirkverbindung, welches unter anderem den Einspritzzeitpunkt, die Einspritzmenge, die Anzahl der Einspritzevents pro Verbrennungszyklus und den Zündzeitpunkt steuert. Ferner wird durch das Motorsteuergerät 60 das Verbrennungsluftverhältnis in dem Brennraum 12 oder den Brennräumen 12 geregelt. Das Motorsteuergerät 60 umfasst eine Speichereinheit 62 und eine Recheneinheit 64. In der Speichereinheit 62 ist ein maschinenlesbarer Programmcode 66 abgelegt, welcher ein Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators 28 in der Abgasanlage 20 des fremdgezündeten Verbrennungsmotors 10 einleitet, wenn der maschinenlesbare Programmcode 66 durch die Recheneinheit 64 ausgeführt wird.
  • In 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel für einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor 10 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt können in oder an der Abgasanlage 20 externe Heizmittel 32, wie ein elektrisches Heizelement 34, ein Abgasbrenner 36 oder ein Sekundärluftverdichter 38, angeordnet sein. Bevorzugt entfallen diese externen Heizmittel 32 jedoch wie in 1 dargestellt, da das vorgeschlagene Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators 28 auch ohne externe Heizmittel 32 ein schnelles Aufheizen des Katalysators 28 ermöglicht. Zur Einleitung von Sekundärluft aus dem Sekundärluftverdichter 38 oder von einem heißen Brennerabgas des Abgasbrenners 36 kann am Abgaskanal 22, vorzugsweise stromabwärts der Turbine 26 des Abgasturboladers 24 und stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators 28, eine Einleitstelle 40 für die Sekundärluft oder das Brennerabgas ausgebildet sein.
  • In 3 sind ein Verlauf des Brennraumdrucks und ein Verlauf der Einspritzung des Kraftstoffs in einen Brennraum 12 während eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Aufheizen eines Katalysators 28 in der Abgasanlage 20 des fremdgezündeten Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Dabei ist ein Verlauf über 720° KW, also einen Verbrennungszyklus und einen Ladungswechselzyklus in dem entsprechenden Brennraum 12 dargestellt. Die Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum wird dabei auf eine erste Haupteinspritzung und eine späte Nacheinspritzung aufgeteilt. Die Haupteinspritzung findet in einem Saughub des Kolbens 52 nach einem Ladungswechsel statt, dabei wird der Kraftstoff in den Brennraum 12 eingespritzt, während sich der Kolben 52 abwärts bewegt und frische Luft in den Brennraum 12 einströmt. Die Haupteinspritzung umfasst zwei Einspritzevents, in denen eine erste Kraftstoffmenge m1 in den Brennraum 12 eingebracht wird. Dabei wird etwa 85% - 90% der gesamten Kraftstoffmenge mg eines Verbrennungszyklus in den Brennraum eingebracht. Die erste Einspritzmenge m1 wird gemeinsam mit der Frischluft verdichtet und vorzugsweise kurz vor Erreichen des oberen Totpunkts des Kolbens 52 gezündet. Nach einem teilweisen oder vollständigen Verbrennen der ersten Kraftstoffmenge wird ca. 60° - 120°KW nach Erreichen des oberen Totpunkts eine zweite Kraftstoffmenge m2 in den Brennraum 12 eingespritzt, welche aufgrund der hohen Brennraumtemperatur schnell verdampft, zumindest teilweise im Brennraum 12 des Verbrennungsmotors 10 verbrennt. Diese zweite Kraftstoffmenge m2 wird vorzugsweise auf zwei Kraftstoffeinspritzevents aufgeteilt, sodass die Kraftstoffeinspritzung vier Kraftstoffeinspritzevents pro Arbeitszyklus des Brennraums 12 aufweist. Das Aufheizen des Katalysators 28 in der Abgasanlage kann durch eine Verstellung des Zündwinkels in Richtung „spät“ unterstützt werden, wodurch die Effizienz des Verfahrens steigt.
  • In 4 ist ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Aufheizen eines Katalysators 28 in der Abgasanlage 20 eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Dabei wird in einem Verfahrensschritt <100> eine Temperatur TKAT des Katalysators 28 ermittelt und mit einer ersten Schwellentemperatur TS1 verglichen. Liegt die Temperatur TKAT unterhalb der ersten Schwellentemperatur TS1, so wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Aufheizen des Katalysators 28 eingeleitet. Dazu wird in einem Verfahrensschritt <110> eine erste Kraftstoffmenge m1 in den Brennraum 12 des Verbrennungsmotors 10 eingespritzt. Diese erste Kraftstoffmenge m1 wird in einem Verfahrensschritt <120> mittels einer Zündkerze 16 gezündet, wobei die erste Kraftstoffmenge m1 bei einem Luftüberschuss in dem Brennraum 12 verbrennt. In einem Verfahrensschritt <130> wird eine zweite Kraftstoffmenge m2 nach der Zündung der ersten Kraftstoffmenge m1 in den Brennraum 12 eingespritzt, wobei die zweite Kraftstoffmenge m2 exotherm mit dem Restsauerstoff aus dem Luftüberschuss in dem Brennraum 12 nach der Verbrennung der ersten Kraftstoffmenge m1 reagiert. In einem Verfahrensschritt <140> gelangt die bei der exothermen Umsetzung der zweiten Kraftstoffmenge m2 erzeugte Wärme in die Abgasanlage 20 und heizt dort den Katalysator 28 auf. Das Verfahren wird in einem Verfahrensschritt <150> beendet und auf einen Normalbetrieb des Verbrennungsmotors 10 mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis bei der Haupteinspritzung und einem Abschalten der Nacheinspritzung umgestellt, wenn die Temperatur TKAT des Katalysators 28 eine zweite Schwellentemperatur TS2 erreicht oder überschreitet.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Verbrennungsmotor
    12
    Brennraum
    14
    Kraftstoffinjektor
    16
    Zündkerze
    18
    Auslass
    20
    Abgasanlage
    22
    Abgaskanal
    24
    Abgasturbolader
    26
    Turbine
    28
    Drei-Wege-Katalysator
    30
    Partikelfilter
    32
    externes Heizmittel
    34
    elektrisches Heizelement
    36
    Abgasbrenner
    38
    Sekundärluftverdichter
    40
    Einleitstelle
    42
    erste Lambdasonde
    44
    zweite Lambdasonde
    46
    Abgassensor
    48
    Temperatursensor
    50
    Zylinder
    52
    Kolben
    54
    Kolbenringe
    56
    Pleuelstange
    58
    Kurbelwelle
    60
    Motorsteuergerät
    62
    Speichereinheit
    64
    Recheneinheit
    66
    maschinenlesbarer Programmcode
    68
    Zylinderkopf
  • 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
    • EP 1108873 B1 [0007]
    • US 7168238 B2 [0008]
    • US 2013/0087999 A1 [0009]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators (28) und/oder eines Partikelfilters (30) in einer Abgasanlage (20) eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors (10), umfassend: - Einspritzen einer ersten Kraftstoffmenge (m1) in einen Brennraum (12) des Verbrennungsmotors (10), - Entzünden dieser ersten Kraftstoffmenge (m1) mittels einer Zündkerze (16), wobei die erste Kraftstoffmenge (m1) bei einem Luftüberschuss in dem Brennraum (12) verbrennt, und - Einspritzen einer zweiten Kraftstoffmenge (m2) in den Brennraum (12) nach Zündung der ersten Kraftstoffmenge (m1), wobei die zweite Kraftstoffmenge (m2) exotherm mit dem Restsauerstoff aus dem Luftüberschuss in dem Brennraum (12) nach Verbrennung der ersten Kraftstoffmenge (m1) reagiert.
  2. Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators (28) nach Anspruch 1, wobei die zweite Kraftstoffmenge (m2) verbrannt wird, während ein Auslassventil des Brennraums geöffnet ist.
  3. Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators (28) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Kraftstoffmenge (m1) zwischen 80% und 95% der Gesamteinspritzmenge (mG) und die zweite Kraftstoffmenge (m2) zwischen 5 % und 20% der Gesamteinspritzmenge (mG) beträgt.
  4. Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators (28) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Kraftstoffmenge (m1) 150°KW vor Zünd-OT oder früher in den Brennraum (12) des Verbrennungsmotors (10) eingespritzt wird.
  5. Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators (28) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zweite Kraftstoffmenge (m2) 60°KW nach Zünd-OT oder später in den Brennraum (12) des Verbrennungsmotors eingespritzt wird.
  6. Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators (28) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Kraftstoffmenge (m1) auf zwei oder mehr Teileinspritzungen aufgeteilt wird.
  7. Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators (28) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die zweite Kraftstoffmenge (m2) auf zwei oder mehr Teileinspritzungen aufgeteilt wird.
  8. Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators (28) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zusätzlich ein Zündwinkel für die Zündung der ersten Kraftstoffmenge (m1) in Richtung „spät“ verschoben wird.
  9. Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators (28) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Verbrennungsmotor (10) zwei oder mehr Brennräume (12) aufweist, wobei sämtliche Brennräume (12) des Verbrennungsmotors (10) mit dem gleichen Verbrennungsluftverhältnis und/oder den gleichen Einspritzparametern betrieben werden.
  10. Verbrennungsmotor (10) mit mindestens einem Brennraum (12), einem an dem Brennraum (12) angeordneten Kraftstoffinjektor (14) sowie einer an dem Brennraum (12) angeordneten Zündkerze, wobei ein Auslass (18) des Brennraums (12) mit einer Abgasanlage (20) verbunden ist, in welcher ein Katalysator (28) und/oder ein Partikelfilter (30) angeordnet sind, sowie mit einem Motorsteuergerät (60) mit einer Speichereinheit (62) und einer Recheneinheit (64) sowie einem in der Speichereinheit (62) abgelegten maschinenlesbaren Programmcode (66), wobei das Motorsteuergerät (60) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen, wenn der maschinenlesbare Programmcode (66) durch die Recheneinheit (64) ausgeführt wird.
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