DE10203025A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors

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Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors (2) vorgeschlagen, wobei ein Lader (7) zur Erhöhung des Drucks einer dem Motor zugeführten Luft vorgesehen ist. Weiterhin ist ein Katalysator (10) zur Aufbereitung von Abgasen des Motors vorgesehen. In Abhängigkeit von der Temperatur des Katalysators (10) wird der Lader (7) aktiviert und der Zeitpunkt der Verbrennung wird in Richtung "spät" verschoben.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung bzw. einem Verfahren nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche. Aus der DE 43 27 882 ist bereits ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors bekannt, welches dazu dient, einen Katalysator schnell auf eine Betriebstemperatur aufzuheizen. Dazu wird der dem Motor zugeführte Luftmassenstrom (in Verbindung mit einer Anpassung des Kraftstoffmassenstromes) erhöht und der Zündwinkel so weit als möglich bzw. sinnvoll in Richtung "spät" verstellt. Durch diese Maßnahme bei unverändertem Motordrehmoment der Abgasmassenstrom und die Abgastemperatur erhöht (Anhebung des Abgasenthalpiestromes), was zu einer schnellen Aufheizung des Katalysators führt.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren haben den Vorteil einer zusätzlich beschleunigten Erwärmung des Katalysators. Weiterhin hat sich herausgestellt, dass die Verbrennung besonders schadstoffarm erfolgt. Im Ergebnis wird so der Schadstoffausstoß des Verbrennungsmotors in der Warmlaufphase deutlich verringert.
  • Weitere Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die Maßnahmen der abhängigen Patentansprüche. Um die Aufheizung des Abgaskatalysators bei aufgeladenen Motoren zusätzlich zu beschleunigen, wird während der Katalysatoraufheizphase der Lader aktiviert (und zwar auch in Motorbetriebsbereichen, in denen ansonsten keine Aufladung vorgesehen ist), so daß sich durch die Aufladung eine weitere Anhebung des Abgasenthalpiestromes ergibt. Aufgrund des durch die späte Einleitung des Verbrennungsvorganges (Beginn der Verbrennung deutlich nach Erreichen des oberen Kolbentotpunktes) ohnehin in Bezug auf die abgegebene mechanische Leistung sehr stark erhöhten Abgasmassenstromes liegen auch für den Fall der Aufladung durch einen Abgasturbolader Bedingungen vor, die eine Aktivierung der Aufladung erlauben. Die Erfindung kann sowohl bei Dieselmotoren wie auch Benzinmotoren angewendet werden. Besonders vorteilhaft ist die Anwendung bei einem Benzinmotor mit Benzindirekteinspritzung, da bei einer geteilten Einspritzung extrem späte Zündzeitpunkte möglich sind. Diese können in der Größenordnung von 35° nach dem oberen Totpunkt des Kolbens erfolgen. Durch diese letztere Maßnahme allein wird die Aufheizung des Katalysators ebenfalls stark beschleunigt.
    • Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
  • Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Verbrennungsmotors,
  • Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Abgasturboladers. Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In der Fig. 1 wird schematisch ein Verbrennungsmotor, insbesondere ein Ottomotor mit Benzindirekteinspritzung dargestellt. Der Motor 2 weist einen Zylinder 13 auf, in dem ein Kolben 12 angeordnet ist. Durch den Zylinder 13 und den Kolben 12 wird ein Brennraum 14 geschaffen, in den eine Zündkerze 3 und ein Einspritzventil 4 münden. Durch das Einspritzventil 4 kann ein Kraftstoff, insbesondere Benzin in den Brennraum 14 eingespritzt werden. Durch die Zündkerze 3 wird ein Hochspannungsfunke erzeugt, der zur Zündung eines Benzin-Luftgemischs dient. Die Zuführung von Luft zum Brennraum 14 erfolgt durch einen Ansaugkanal 8. Der Einlaß von Luft in den Zylinder 13 wird dabei von dem Einlaßventil 5 gesteuert. Weiterhin ist ein Lader 7 gezeigt, der dazu dient, den Druck der Luft im Ansaugkanal 8 zu erhöhen. Es wird so erreicht, dass eine größere Luftmenge in den Zylinder 13 eingebracht werden kann. Der Kolben 12 bewegt sich im Zylinder 13 in einer Auf- und Abbewegung und ist über ein nicht dargestelltes Pleuel mit einer Kurbelwelle verbunden.
  • Wenn ein Luft-Kraftstoffgemisch im Brennraum 14 verbrannt wird, so wird eine Druckerhöhung im Brennraum 14 bewirkt, die in eine entsprechende Bewegung des Kolbens 12 umgesetzt wird. Bei einem normalen Betrieb des Motors wird der Zeitpunkt der Verbrennung so gesteuert, dass die durch Verbrennung freiwerdende Energie so weit als möglich in Bewegung des Kolbens (mechanische Arbeit) umgesetzt wird. Der bei der Verbrennung nicht in mechanische Arbeit umgesetzte Energieanteil wird in Wärme umgesetzt. Ein wesentlicher Teil dieser Wärme ist dabei in dem Verbrennungsprodukt, das heißt im Abgas, enthalten. Das Abgas wird aus dem Brennraum 14 über das Auslaßventil 6 durch den Auslaßkanal 9 weggeführt und in einem nachfolgend angeordneten Katalysator 10 nachbehandelt. Dieser Katalysator 10 muß auf eine bestimmte Mindestbetriebstemperatur (i. d. R. ca. 300-350°C) aufgeheizt werden, damit die Umsetzung der im Abgas enthaltenen Schadstoffkomponenten einsetzen kann und somit eine Reinigung der Abgase erzielt wird. Die Temperatur des Katalysators wird durch einen am Katalysator angeordneten Temperatursensor 11 gemessen oder aber in Abhängigkeit relevanter Randbedinungen mit Hilfe der Motorsteuerungssoftware modelliert.
  • Weiterhin ist noch ein Steuergerät 1 vorgesehen, welches die hier angezeigten Komponenten steuert, wie beispielsweise den Lader 7 aktiviert, Zündfunken an der Zündkerze 3 auslöst, Einspritzungen durch das Einspritzventil 4 verursacht oder die Schaltzeitpunkte der Ventile 5, 6 beeinflußt, sofern letztere nicht auf rein mechanischem Wege in Abhängigkeit von der Kurbelwellenstellung vorgegeben werden. Zu diesem Zweck ist das Steuergerät mit hier nicht dargestellten Leitungen mit den genannten Komponenten verbunden. Weiterhin erhält das Steuergerät 1 eine Vielzahl von Sensordaten, insbesondere auch das Temperatursignal des Temperatursensors 11.
  • Erfindungsgemäß wird nun vorgesehen, dass von dem Steuergerät 1 in Abhängigkeit von einer Temperatur des Katalysators 10 der Lader 7 aktiviert wird und gleichzeitig Maßnahmen getroffen werden, die eine schnellere Aufheizung des Katalysators 10 bewirken. Bei einem normalen Betrieb wird der Lader 7 nur dann aktiviert, wenn eine erhöhte Leistungsfähigkeit des Motors gefordert ist. In der Pegel wird im Leerlauf- oder im Teillastbetrieb die dem Verbrennungsmotor zugeführte Luft nicht durch einen Lader 7 vorverdichtet, da in diesen Betriebszuständen keine erhöhte Füllung des Zylinders 13 mit Verbrennungsluft gewünscht ist. Die Aktivierung des Laders 7 bewirkt nämlich eine erhöhte Befüllung des Zylinders 13 mit Luft und somit eine Leistungssteigerung des Motors, die in den Betriebszuständen Leerlauf und Teillast, nicht gewünscht ist. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, den Lader 7 zum Zweck der Katalysatoraufheizung auch in solchen Betriebszuständen zu aktivieren, in denen bei aufgeheiztem Katalysator normalerweise keine Aktivierung des Laders 7 erfolgt. Es hat sich herausgestellt, dass die bei Aktivierung des Laders 7 in diesen Betriebszuständen dann zusätzlich zur Verfügung stehende Verbrennungsluft dazu benutzt werden kann, eine besonders schnelle Aufheizung des Katalysators 10 zu bewirken, da zum einen Abgasmassenstrom und zum anderen die Temperatur des Abgases erhöht werden kann. Weiterhin erfolgt die Verbrennung im Brennraum 14 bei einem aktivierten Lader 7 auch im Leerlauf- und Teillastbereich vermutlich besonders schadstoffarm. Diese beiden Effekte einer Aktivierung des Laders 7 auch im Leerlauf- und Teillastbetrieb führen somit im Gesamtergebnis zu einem deutlich verringerten Schadstoffausstoß während einer Warmlaufphase des Verbrennungsmotors.
  • Bei einem Benzinmotor, bei dem der Verbrennungszeitpunkt durch den Zündfunken an der Zündkerze 3 vorgegeben wird, muß weiterhin noch beachtet werden, dass an der Zündkerze 3 ein brennfähiges Gemisch vorliegen muß. Bei einem normalen Betrieb des Motors, bei dem die bei der Verbrennung freiwerdende Energie möglichst vollständig in mechanische Bewegung des Kolbens 12 umgesetzt werden soll, erfolgt der Zündzeitpunkt vor dem oberen Totpunkt des Kolbens 12, wodurch bewirkt wird, dass kurz nach dem oberen Totpunkt des Kolbens 12 der Druck im Brennraum 14 einen Maximalwert annimmt, der dann in eine entsprechende Bewegung des Kolbens 12 umgesetzt wird. Um die Temperatur des Abgases zu erhöhen, ist es möglich, den Zeitpunkt des Zündfunkens an der Kerze 3 in Richtung "spät" zu verlegen, so dass die Verbrennung erst dann erfolgt, wenn sich der Kolben 12 bereits deutlich nach unten bewegt hat. Es wird dann ein geringerer Anteil der Verbrennungsenergie in mechanische Arbeit umgesetzt und das Abgas erfährt eine entsprechende Temperaturerhöhung. Es hat sich nun gezeigt, dass durch die Aktivierung des Laders 7 und somit durch die Erhöhung der zur Verbrennung zur Verfügung stehenden Luftmasse ein relativ höherer Anteil der bei der Verbrennung entstehenden Energie in die Abgasanlage abgeführt werden kann. Neben der erhöhten Luftmenge liegt somit ein weiterer Effekt der Aktivierung des Laders darin, dass er besonders späte Zeitpunkte für die Verbrennung im Brennraum 14 möglich sind, das heißt der relative Anteil der Energie, die als Wärme ins Abgas fließt, kann erhöht werden. Weiterhin kann dieser Anteil abermals erhöht werden, wenn es sich um einen Benzinmotor mit Benzindirekteinspritzung handelt. Dabei wird die Betriebsart "Homogen Split" verwendet. Bei dieser Betriebsart erfolgt eine erste Einspritzung von Kraftstoff in den sogenannten Ansaugtakt, das heißt bei geöffnetem Einlaßventil 5, wenn Luft durch den Ansaugkanal 8 in den Brennraum 14 hineinströmt. Eine weitere Einspritzung erfolgt dann bei geschlossenem Einlaßventil 5, insbesondere kurz bevor der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht. Es wird so in der Nähe der Zündkerze 3 eine erhöhte Anreicherung von Kraftstoff bewirkt, so dass an der Zündkerze 3 auch dann noch ein brennfähiges Gemisch vorliegt, wenn der Kolben 12 nach seinem oberen Totpunkt sich bereits wieder deutlich in der Abwärtsbewegung befindet. Durch diese Betriebsart "Homogen Split" ist es möglich, mit einem Zündfunken, der 30 bis 35° nach dem oberen Totpunkt liegt, eine Verbrennung in dem Brennraum 14 zu erzeugen. Es wird so abermals der Anteil der freiwerdenden Verbrennungsenergie, die sich als Wärme in dem Abgas wiederfindet, deutlich erhöht. Durch die Aufladung der zugeführten Luft durch den Lader 7 und die extrem späten Zündzeitpunkte durch die Betriebsart "Homogen Split", läßt sich so der Brennvorgang im Brennraum 14 so beeinflussen, dass eine extrem schnelle Aufheizung des Katalysators 10 erfolgt.
  • Dies gilt auch bei der Verwendung eines sogenannten Abgasturboladers als Lader 7. In der Fig. 2 wird in ein derartiger Abgasturbolader schematisch dargestellt. Gezeigt wird wieder der Ansaugkanal 8 mit dem Lader 7, der eine Druckerhöhung der dem Motor zugeführten Verbrennungsluft bewirkt. Angetrieben wird der Lader 7 mittels einer Welle 22, die mit einer Abgasturbine 20 verbunden ist. Die Abgasturbine 20 ist im Auslaßkanal 9 angeordnet. Die Abgasturbine wird von den Abgasen angetrieben, das heißt es handelt sich um ein Turbinenrad, welches im Abgasstrom angeordnet ist. Da die Abgasturbine 20 dem Abgas Energie entzieht, wird durch deren Aktivierung eine gewisse Abkühlung des Abgases bewirkt. Die Steuerung der Abgasturbine 20 erfolgt üblicherweise durch ein Beipaßventil. Bei geöffnetem Beipaßventil 21 strömt je nach Strömungswiderstand von Bypass-Ventil und Abgasturbine der größte Teil des Abgasstromes an der Turbine 20 vorbei. Erst bei teilweisem oder vollständigem Schließen des Beipaßventils 21 wird ein zunehmend größerer Abgasstrom über die Turbine 20 geleitet und über die Welle 22 ein Antrieb des Laders 7 bewirkt.
  • Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, diese Beipaßventil 21 auch in Betriebszuständen, in denen es normalerweise geöffnet ist, zu schließen, um die gewünschte schnelle Aufheizung des Katalysators 10 zu bewirken bzw. unabhängig von der ansonsten vorgesehenen Stellung des Bypass-Ventils dieses im Fall der Katalysatoraufheizung zu schließen und somit durch Nutzung der Aufladung den Vorgang der Katalysatoraufheizung zu beschleunigen. Zwar wird der Abgasenthalpiestrom beim Durchtritt durch die Turbine des aktivierten Abgasturboladers aufgrund der von der Abgasturbine abgegebenen mechanischen Leistung zur Verdichtung der Verbrennungsluft abgesenkt, insgesamt ergibt sich jedoch gegenüber nicht aktiviertem Lader aufgrund eines höheren Abgasmassenstromes sowie eines größeren eingebrachten Stromes an chemisch gebundener Energie, der aus der verbrennungsstöchiometriebedingten Anpassung des Kraftstoffmassenstromes an den erhöhten Luftmassenstrom resultiert, als Gesamteffekt ein höherer Abgasenthalpiestrom zur Aufheizung des Katalysators.
  • Durch den Einsatz des Laders 7 wird somit zunächst die Gesamtmenge der bei der Verbrennung freiwerdenden Energie erhöht. Weiterhin wird durch die Verschiebung der Verbrennungsgrenzen ein größerer Prozentsatz der freiwerdenden Energie nicht in mechanische Energie umgesetzt und ist zur beschleunigten Aufheizung des Katalysators nutzbar, das heißt es ergibt sich hierdurch ein zusätzlicher Gewinn, der sich nicht einfach durch die Erhöhung der Gesamtenergie des Verbrennungsprozesses erklärt. Besonders stark läßt sich der Prozentsatz der freiwerdenden Verbrennungsenergie für die Aufheizung des Katalysators 10 verschieben, wenn bei einem fremdgezündeten Motor (das heißt einem Benzinmotor) mit Direkteinspritzung von Kraftstoff in den Verbrennungsraum 14 die Betriebsart "Homogen Split" gewählt wird. Bei dieser Betriebsart kann der Anteil der freiwerdenden Verbrennungsenergie die für die Aufheizung des Katalysators verwendet wird, abermals deutlich erhöht werden. All diese Maßnahmen führen dazu, dass eine besonders schnelle Aufheizung des Katalysators 10 bewirkt wird.
  • In der Fig. 1 wird ein fremdgezündeter Motor dargestellt. Die Erfindung läßt sich jedoch ebenfalls bei selbstzündenden Motoren, das heißt Dieselmotoren, anwenden. Ein Dieselmotor unterscheidet sich in der schematischen Darstellung von der Fig. 1 nur darin, dass keine Zündkerze 3 vorgesehen ist. Alle anderen Komponenten eines derartigen Motors entsprechen den schematisch dargestellten Komponenten wie sie in der Fig. 1 gezeigt werden. Auch bei selbstgezündeten Motoren, das heißt Dieselmotoren, ist der erfindungsgemäße Effekt, dass durch Verdichtung der zugeführten Verbrennungsluft eine beschleunigte Erwärmung des Katalysators bewirkt werden kann, gegeben. Der Verbrennungszeitpunkt läßt sich bei Dieselmotoren durch den Zeitpunkt der Einspritzung kontrollieren. Auch hier ist es so, dass durch die Zuführung von vorverdichteter Luft in dem Brennraum die Gesamtmenge der bei Verbrennung freiwerdenden Energie erhöht werden kann. Weiterhin kann durch eine spätere Einspritzung des Kraftstoffs der Prozentsatz einem Freiwerden der Verbrennungsenergie, die für die Aufheizung des Katalysators verwendet wird, erhöht werden. Durch die Aktivierung des Laders sind dabei Einspritzzeitpunkte möglich, die deutlich später liegen, als die Einspritzzeitpunkte, die ohne die Aktivierung des Laders 7 möglich sind. Durch die Aktivierung des Laders 7 kann somit auch hier der Prozentsatz an Verbrennungsenergie, der zur Aufheizung des Katalysators verwendet wird, verschoben werden, so dass eine beschleunigte Aufheizung bewirkt wird.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors (2), bei ein Lader (7) zur Erhöhung des Drucks einer dem Motor (2) zugeführten Luft vorgesehen ist, und wobei ein Katalysator (10) zur Aufbereitung der Abgase des Motors (2) vorgesehen ist, wobei ein Verbrennungszeitpunkt des Motors (2) beeinflußbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit einer Temperatur des Katalysators (10) zur Heizung des Katalysators (10) auf eine Betriebstemperatur der Lader (7) aktiviert wird und dass der Verbrennungszeitpunkt in Richtung "spät" verschoben wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lader (7) auch in Betriebsbereichen aktiviert wird, in denen er nicht aktiviert wird, wenn der Katalysator (10) seine Betriebstemperatur erreicht hat.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt der Verbrennung nach dem oberen Totpunkt eines Kolbens (12) des Motors (2) erfolgt.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen selbstzündenden Verbrennungsmotor handelt und dass der Zeitpunkt der Verbrennung durch eine entsprechende Ansteuerung eines Einspritzventils (4) bewirkt wird.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Verbrennungsmotor mit Fremdzündung handelt, und dass der Zeitpunkt der Verbrennung durch Erzeugung eines Zündfunkens an einer Zündkerze (3) beeinflußt wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einspritzventil (4) vorgesehen ist, welches Kraftstoff direkt in einen Verbrennungsraum (14) des Motors (2) einspritzt, daß ein Einlaßventil (5) zwischen dem Brennraum (14) und einem Ansaugkanal (8) vorgesehen ist und dass eine erste Einspritzung in einer Ansaugphase des Motors bei geöffnetem Einlaßventil (5) erfolgt und dass eine zweite Einspritzung bei geschlossenem Einlaßventil (5) kurz vor dem Erreichen eines oberen Totpunktes eines Kolbens (12) erfolgt.
7. Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors (2), wobei ein Lader (7) zu Erhöhung des Drucks einer dem Motor zugeführten Luft vorgesehen ist und wobei ein Katalysator (10) zur Aufbereitung von Abgasen des Motors vorgesehen ist, wobei ein Zeitpunkt einer Verbrennung des Motors beeinflußbar, ist, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von einer Temperatur des Katalysators (10) zur Heizung des Katalysators (10) auf eine Betriebstemperatur der Lader (7) aktiviert wird und dass der Zeitpunkt der Verbrennung in Richtung "spät" verschoben wird.
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