DE102022125529A1

DE102022125529A1 - Verfahren und Einspritzsystem zur Reduktion von Rohabgasemissionen bei einem Kaltstart eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102022125529A1
Application number: DE102022125529.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Willing; Michael Wessels
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2022-10-04
Filing date: 2022-10-04
Publication date: 2024-04-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit einer Abgasnachbehandlungsanlage bei einem Kaltstart und ein Einspritzsystem eines Verbrennungsmotors mit Abgasnachbehandlungsanlage zur Reduzierung der Rohabgasemissionen. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit einer Abgasnachbehandlungsanlage bei einem Kaltstart weist mehrere Schritte auf. Zunächst erfolgt die Bereitstellung eines Kaltstartkraftstoffs. Anschließend wird der Verbrennungsmotor gestartet und der Kaltstartkraftstoff dazu in einen Gemischbildungsabschnitt eingespritzt, wobei der Kaltstartkraftstoff während des Einspritzvorgangs oder davor verdampft wird. Wird die Betriebstemperatur des Abgasnachbehandlungssystems des Verbrennungsmotors erreicht, so wird das Einspritzen des Kraftstoffs auf das Einspritzen eines konventionellen Kraftstoffs umgestellt. Als konventioneller Kraftstoff wird dabei ein handelsüblicher Benzinkraftstoff verstanden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors bei einem Kaltstart zur Reduzierung der Rohabgasemissionen und ein Einspritzsystem eines Verbrennungsmotors.
Um den immer strengeren Richtlinien zur Eindämmung der Emissionen bei Verbrennungsmotoren, insbesondere in Fahrzeugen, entsprechen zu können, sind neue Ansätze zur Emissionsminderung notwendig. Ein wesentlicher Fokus liegt dabei auf performanten Abgasnachbehandlungssystemen, welche die Emissionen im Abgas deutlich reduzieren können. Derartige Abgasnachbehandlungssysteme benötigen jedoch eine bestimmte Arbeitstemperatur, weshalb sie bei Kaltstarts des Verbrennungsmotors (im Folgenden auch Motor genannt) nicht sofort einsatzfähig sind. Ein Teil der Entwicklung hat daher zum Ziel, die Aufheizphase der Abgasnachbehandlungssysteme zu verkürzen, um diese Systeme früher einsetzen zu können.
Das Patentdokument DE 102014118588 A1 offenbart diesbezüglich ein Verfahren und Systeme für das Zuführen eines gasförmigen Kraftstoffs als mehrfache Kraftstoffeinspritzung, sodass die Aufwärmphase eines Abgaskatalysators, also eines Abgasnachbehandlungssystems während eines Motorkaltstarts beschleunigt wird. Nichtsdestotrotz bleibt das Problem der Rohabgasemissionen während der zwar verkürzten aber dennoch weiter vorhandenen Aufwärmphase bestehen.
Vor dem genannten Stand der Technik ist es Ziel der vorliegenden Erfindung die Rohabgasemissionen während der Aufwärmphase bis zur Betriebsbereitschaft eines Abgasnachbehandlungssystems zu verringern.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit einer Abgasnachbehandlungsanlage bei einem Kaltstart weist mehrere Schritte auf. Zunächst erfolgt die Bereitstellung eines Kaltstartkraftstoffs, welcher sich von konventionellen handelsüblichen Kraftstoffen für Verbrennungsmaschinen dahingehend unterscheidet, dass er bei der Verbrennung weniger Rohemissionen verursacht. Als Kaltstartkraftstoffe kommen dabei insbesondere Alkane mit niedrigen Siedepunkten von weniger als 0°C, bevorzugt weniger als -15°C und besonders bevorzugt weniger als -30°C infrage. Als Beispiele entsprechender Alkane sei Butan und Propan genannt. Alternativ zu Alkanen kann ebenfalls Benzin mit niedrigen Siedeenden und wenigen Aromaten wie beispielsweise Ethanol sein. Ein derartiger Kraftstoff hat beispielsweise ein 95% Siedeende bei unter 50°C. Kraftstoff gemäß der DIN EN 228 darf das 95% Siedeende erst bei 190°C aufweisen.
Anschließend wird der Verbrennungsmotor gestartet und der Kaltstartkraftstoff dazu in einen Gemischbildungsabschnitt eingespritzt, wobei der Kaltstartkraftstoff während des Einspritzvorgangs oder davor verdampft wird. Durch die im Vergleich zu konventionellen Kraftstoffen günstigeren Eigenschaften des Kaltstartkraftstoffs kann ein sauberer emissionsarmer Verbrennungsvorgang sichergestellt werden. Dieser wird insbesondere dadurch begünstigt, dass der Kaltstartkraftstoff in verdampfter Form vorliegt, wodurch eine deutlich bessere Gemischaufbereitung erzielt werden kann. In der Folge kann eine Bildung eines Wandfilms des Kraftstoffgemischs verhindert werden und ein homogener Kaftstoff/Luft-Mix gewährleistet werden. Dies wiederum führt zu einer besonders sauberen Verbrennung. Wird die Betriebstemperatur des Abgasnachbehandlungssystems des Verbrennungsmotors erreicht, so wird das Einspritzen des Kraftstoffs auf das Einspritzen eines konventionellen Kraftstoffs umgestellt. Als konventioneller Kraftstoff wird dabei ein handelsüblicher Benzinkraftstoff verstanden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Einspritzen des Kaltstartkraftstoffs mittels eines Kaltstartkraftstoffinjektors. Dieser gewährleistet eine saubere und reproduzierbare und gut einstellbare Einspritzung des Kraftstoffs und kann auf die besonderen Bedürfnisse des Kaltstartkraftstoffs im Vergleich zu konventionellen Kraftstoffen angepasst sein.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der das Verdampfen des Kaltstartkraftstoffs durch einen Kaltstartkraftstoffverdampfer erfolgt. Durch das Vorsehen eines Kaltstartkraftstoffverdampfers kann sichergestellt werden, dass das Kaltstartkraftstoffgemisch im Brennraum unabhängig von äußeren Bedingungen, wie beispielsweise der Temperatur, in einer für eine saubere Verbrennung optimalen Form vorliegt.
Bevorzugt erfolgt das Verdampfen des Kaltstartkraftstoffs während des Einspritzvorgangs durch einen Kaltstartkraftstoffinjektor. Dabei ist der Kaltstartkraftstoffinjektor beheizbar, wodurch der Kaltstartkraftstoffverdampfer in dem Kaltstartkraftstoffinjektor integriert ist. Alternativ dazu wird der Kaltstartkraftstoff vor dem Einspritzen in den Gasbildungsabschnitt durch einen entsprechend vor dem Kaltstartkraftstoffinjektor positionierten Kaltstartkraftstoffverdampfer verdampft. Der Kaltstartkraftstoffverdampfer ist somit dem Kaltstartkraftstoffinjektor vorgelagert positioniert, sodass der Kaltstartkraftstoff zunächst den Kaltstartkraftstoffverdampfer passiert bevor er zu dem Kaltstartkraftstoffinjektor gelangt.
Das erfindungsgemäße Einspritzsystem eines Verbrennungsmotors mit einer Abgasnachbehandlungsanlage weist ein Kaltstartteileinspritzsystem, ein Normalbetriebteileinspritzsystem und einen Gemischbildungsabschnitt auf. Das Kaltstartteileinspritzsystem ist dabei dazu ausgebildet, einen Kaltstartkraftstoff während einer Kaltstartphase in dem Gemischbildungsabschnitt bereitzustellen, während das Normalbetriebteileinspritzsystem dazu ausgebildet ist, einen konventionellen Kraftstoff nach einer Kaltstartphase in dem Gemischbildungsabschnitt bereitzustellen. Das Normalbetriebteileinspritzsystem ist dabei als ein bereits aus dem Stand der Technik bekanntes Einspritzsystem herkömmlicher Verbrennungsmotoren ausgeführt. Anhand der Teileinspritzsysteme ist es somit möglich die Kaltstartphase mit einem Kaltstartkraftstoff durchzuführen und anschließend nach Erreichen der Betriebsfähigkeit des Abgasnachbehandlungssystems auf den Normalbetrieb mit einem konventionellen Kraftstoff zurückzugreifen.
Die beiden Teileinspritzsysteme können dabei sowohl vollständig unabhängig voneinander vorgesehen sein oder aber bestimmte Elemente wie beispielsweise einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen des Kraftstoffs in den Gemischbildungsabschnitt teilen. Voneinander vollständig unabhängige Teileinspritzsysteme haben den Vorteil, dass sie an die individuellen Herausforderungen der Kraftstoffe und des Betriebs angepasst vorgesehen werden können. Die unterschiedlichen Voraussetzungen der Kraftstoffe können beispielsweise zu unterschiedlichen Formen und Ausrichtungen der Injektoren führen. Teileinspritzsysteme, welche sich bestimmte Elemente Teilen, haben dahingegen den Vorteil hinsichtlich der Anzahl der zu verwendeten Bauteile und den Bauraumbedarf.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Kaltstartteileinspritzsystem wenigstens einen Kaltstartkraftstofftank, dazu ausgebildet einen Kaltstartkraftstoff zu speichern und bereitzuhalten, einen Kaltstartkraftstoffverdampfer, dazu ausgebildet den Kaltstartkraftstoff zu verdampfen, einen Kaltstartkraftstoffinjektor dazu ausgebildet den Kaltstartkraftstoff in den Gemischbildungsabschnitt einzuspritzen, und/oder eine Kaltstartkraftstoffleitung, dazu ausgebildet wenigstens den Kaltstartkraftstofftank, den Kaltstartkraftstoffverdampfer und den Kaltstartkraftstoffinjektor fluidisch miteinander zu verbinden.
Vorzugsweise ist der Gemischbildungsabschnitt im Saugrohr des Verbrennungsmotors oder in einem Brennraum des Verbrennungsmotors selbst vorgesehen, wobei im letztgenannten Fall der Kaltstartkraftstoff also direkt in den Brennraum des Verbrennungsmotors eingespritzt wird.
Ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor insbesondere eines Fahrzeugs weist ein erfindungsgemäßes Einspritzsystem auf.
Es sei darauf hingewiesen, dass die vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ebenfalls als Offenbarung für vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Einspritzsystems zu verstehen sind und umgekehrt.
Im Folgenden werden Aspekte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Sie zeigen:

1 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens
2 zeigt eine schematische Abbildung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Einspritzsystems

Gemäß dem in 1 dargestellten Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens, lassen sich zunächst zwei Bereiche einteilen, ein normaler Motorbetrieb und eine Kaltstartphase. Als normaler (Motor-) Betrieb ist dabei der Betrieb eines herkömmlichen Verbrennungsmotors mit einem herkömmlichen Einspritzsystem und einem konventionellen Kraftstoff zu verstehen. Dies ist der Betrieb der nach der Aufheizphase also nach Erreichen der Betriebstemperatur und damit der Betriebsfähigkeit des Abgasnachbehandlungssystems, erfolgt.
In der Kaltstartphase erfolgt zunächst das Bereitstellen eines Kaltstartkraftstoffs beispielsweise in einem dafür vorgesehenen Kaltstartkraftstofftanks 21 bevor das Starten des Motors erfolgt. Der Kaltstartkraftstoff wird dabei in verdampfter Form vorzugsweise mittels eines Kaltstartkraftstoffsinjektors 24 in einen Gemischbildungsabschnitt 15 eingespritzt und entsprechend mit Sauerstoff/Luft gemischt, um ein optimales Kaltstartkraftstoffgemisch bereitzustellen. Das Kaltstartkraftstoffgemisch verbrennt im Vergleich zu konventionellen Kraftstoffgemischen sauberer, wodurch weniger Emissionen emittiert werden. Wird eine vorbestimmte Temperatur erreicht, ab der das Abgasnachbehandlungssystem funktionsfähig ist, wird der Betrieb auf eine Versorgung mit einem konventionellen Kraftstoff umgestellt.
2 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Einspritzsystems. Dieses setzt sich aus zwei Teilsystemen zusammen, dem Normalbetriebteileinspritzsystem 10 und dem Kaltstartkraftstoffteileinspritzsystem 20. Beide dieser Teilsysteme verfügen über einen entsprechend dimensionierten Kraftstofftank 11, 21, eine Kraftstoffleitung 12, 22 und einen Kraftstoffinjektor 14, 24, wobei der Kaltstartkraftstofftank 11, der Kaltstartkraftstoffinjektor 24 und die Kaltstartkraftstoffleitung 22 anders ausgeführt sein können als ihre entsprechenden Pendants des Normalbetriebteileinspritzsystems. Die Kraftstoffinjektoren 14, 24 spritzen den jeweiligen Kraftstoff in den Gemischbildungsabschnitt 15 ein.
In der Kaltstartphase, bis zum Erreichen der Betriebsfähigkeit der Abgasnachbehandlungsanlage wird dabei lediglich das Kaltstartkraftstoffteileinspritzsystem 20 betrieben, wobei der Kaltstartkraftstoff vom Kaltstartkraftstofftank 11 über die Kaltstartkraftstoffleitung 22 zu einem Kaltstartkraftstoffverdampfer 23 gelangt, in dem der Kaltstartkraftstoff verdampft wird. Anschließend wird der verdampfte Kaltstartkraftstoff an den Kaltstartkraftstoffinjektor 24 geleitet von dem aus er in den Gemischbildungsabschnitt 15 gelangt. Der Gemischbildungsabschnitt 15 kann dabei beispielsweise das Saugrohr oder direkt der Brennraum eines Verbrennungsmotors sein.
Wird die entsprechende Betriebstemperatur des Abgasnachbehandlungssystems erreicht, wird in den normalen Motorbetrieb gewechselt, wodurch kein Kaltstartkraftstoff mehr über das Kaltstartkraftstoffteileinspritzsystem 20 in den Gemischbildungsabschnitt 15 gelangt. Stattdessen erfolgt nun die Kraftstoffzufuhr aus dem Kraftstofftank 11 über die Kraftstoffleitung 12 zu dem Injektor 14 der den konventionellen Kraftstoff in den Gemischbildungsabschnitt 15 einspritzt.
Es ist ebenfalls denkbar eine Übergangsphase vorzusehen, bei der beide Kraftstoffarten gleichzeitig in einem einstellbaren Verhältnis durch die beiden Teilsysteme in den Gemischbildungsabschnitt eingespritzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014118588 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit einer Abgasnachbehandlungsanlage bei einem Kaltstart aufweisend die folgenden Schritte, (A) Bereitstellen eines Kaltstartkraftstoffs, (B) Starten des Verbrennungsmotors, (C) Verdampfen des Kaltstartkraftstoffs, (D) Einspritzen des verdampften Kaltstartkraftstoffs in einen Gemischbildungsabschnitt (15), (E) Umstellen des Einspritzens des Kaltstartkraftstoffs auf ein Einspritzen eines konventionellen Kraftstoffs, sobald die Abgasnachbehandlungsanlage betriebsbereit ist.
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei als Kaltstartkraftstoff ein Kraftstoff mit einem Siedepunkt von weniger als 0°C, bevorzugt weniger als -15°C, insbesondere bevorzugt -40°C eingesetzt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Kaltstartkraftstoff Alkane, insbesondere Butan oder Propan eingesetzt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, wobei der Kaltstartkraftstoff ein Siedeende von weniger als 50°C aufweist und insbesondere als Kaltstartkraftstoff Ethanol eingesetzt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verdampfen des Kaltstartkraftstoffs vor dem Einspritzen des Kaltstartkraftstoffs in den Gemischbildungsabschnitt (15) erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei das Einspritzen des Kaltstartkraftstoffs in den Gemischbildungsabschnitt (15) durch einen Kaltstartkraftstoffinjektor (24) erfolgt und der Kaltstartkraftstoffinjektor (24) vorzugsweise beheizbar ist und somit das Verdampfen des Kaltstartkraftstoffs dem Kaltstartkraftstoffinjektor (24) während des Einspritzens durchgeführt wird.
Einspritzsystem eines Verbrennungsmotors mit einer Abgasnachbehandlungsanlage, aufweisend ein Kaltstartteileinspritzsystem (20), ein Normalbetriebteileinspritzsystem (10) und einen Gemischbildungsabschnitt (15), wobei das Kaltstartteileinspritzsystem (20) dazu ausgebildet ist, einen Kaltstartkraftstoff während einer Kaltstartphase in dem Gemischbildungsabschnitt (15) bereitzustellen, und das Normalbetriebteileinspritzsystem (10) dazu ausgebildet ist, einen Kraftstoff nach einer Kaltstartphase in dem Gemischbildungsabschnitt (15) bereitzustellen.
Einspritzsystem gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Kaltstartteileinspritzsystem (20) einen Kaltstartkraftstofftank (21), dazu ausgebildet einen Kaltstartkraftstoff zu speichern und bereitzuhalten, einen Kaltstartkraftstoffverdampfer (23), dazu ausgebildet den Kaltstartkraftstoff zu verdampfen, einen Kaltstartkraftstoffinjektor (24), dazu ausgebildet den Kaltstartkraftstoff in den Gemischbildungsabschnitt (15) einzuspritzen, und/oder eine Kaltstartkraftstoffleitung (22), dazu ausgebildet wenigstens den Kaltstartkraftstofftank (21), den Kaltstartkraftstoffverdampfer (23) und den Kaltstartkraftstoffinjektor (24) fluidisch miteinander zu verbinden, aufweist.
Einspritzsystem gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Kaltstartkraftstoffverdampfer (23) dem Kaltstartkraftstoffinjektor (24) vorgelagert ist.
Einspritzsystem gemäß dem vorhergehenden Anspruch 8, wobei der Kaltstartkraftstoffverdampfer (23) in dem Kaltstartkraftstoffinjektor (24) in Form eines beheizbaren Kaltstartkraftstoffinjektor (24) integriert ist.
Einspritzsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich der Gemischbildungsabschnitt (15) im Saugrohr des Verbrennungsmotors oder in einem Brennraum des Verbrennungsmotors selbst befindet.
Verbrennungsmotor, insbesondere für ein Fahrzeug, aufweisend ein Einspritzsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 11.