DE10203025B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors (2), bei der ein Lader (7) zur Erhöhung des Drucks einer dem Verbrennungmotor (2) zugeführten Luft vorgesehen ist, bei der ein Katalysator (10) zur Aufbereitung der Abgase des Verbrennungsmotors (2) vorgesehen ist, bei der ein Verbrennungszeitpunkt des Verbrennungsmotors (2) beeinflussbar ist, bei der in Abhängigkeit von einer Temperatur des Katalysators (10) zur Heizung des Katalysators (10) auf eine Betriebstemperatur der Lader (7) aktiviert wird, bei welcher der Verbrennungszeitpunkt in Richtung „spät” verschoben wird, wobei es sich um einen Verbrennungsmotor (2) mit Fremdzündung handelt, bei dem der Zeitpunkt der Verbrennung durch Erzeugung eines Zündfunkens an einer Zündkerze (3) beeinflußt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einspritzventil (4) vorgesehen ist, welches Kraftstoff direkt in einen Verbrennungsraum (14) des Verbrennungsmotors (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 Verbrennungsmotors (2) bei...

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung bzw. einem Verfahren nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche. Aus der Patentschrift DE 43 27 882 C1 ist bereits ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors bekannt, welches dazu dient, einen Katalysator schnell auf eine Betriebstemperatur aufzuheizen. Dazu wird die dem Motor zugeführte Luftmasse erhöht und der Zündwinkel in Richtung „spät” verstellt, um eine durch die erhöhte Luftzuführung gesteigerte Leistung des Motors wieder zu kompensieren. Durch diese Maßnahme wird mehr Abgas und wärmeres Abgas erzeugt, was zu einer schneller Aufheizung des Katalysators führt.
  • In der Offenlegungsschrift JP 2000 038 951 A ist eine Steuerung für einen Verbrennungsmotor beschrieben, dem ein Turbolader zugeordnet ist. Bei dem Verbrennungsmotor handelt es sich um einen fremdgezündeten Motor, wobei der Zündzeitpunkt durch die Erzeugung eines Zündfunkens an einer Zündkerze beeinflusst werden kann. In Abhängigkeit von der Temperatur eines im Abgasbereich des Verbrennungsmotors angeordneten Katalysators wird zur beschleunigten Aufheizung des Katalysators der Turbolader aktiviert und der Verbrennungszeitpunkt durch einen Eingriff in die Zündung nach „spät” verschoben.
  • In der Offenlegungsschrift DE 40 37 183 A1 ist ein System zur Steuerung einer Zweitakt-Brennkraftmaschine beschrieben, bei dem ein Temperatursensor vorgesehen ist, der die Abgastemperatur misst. Wenn die Abgastemperatur unterhalb der Betriebstemperatur eines im Abgasbereich angeordneten Katalysators liegt, werden der Zündzeitpunkt und der Kraftstoff-Einspritzzeitpunkt nach „spät” verstellt. Zum Ausgleich für den Leistungsabfall aufgrund der Spätverstellung des Zündzeitpunkts wird die Kraftstoff-Einspritzmenge erhöht.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren haben zunächst 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. Insbesondere ergibt sich der Vorteil, dass bei der als Benzinmotor mit Benzindirekteinspritzung ausgestalteten Verbrennungmotor extrem späte Zündzeitpunkt möglich sind. Diese können in der Größenordnung von 35° nach dem oberen Totpunkt des Kolbens erfolgen. Dadurch kann die Aufheizung des Katalysators stark beschleunigt werden.
  • Weitere Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die Maßnahmen der abhängigen Patentansprüche.
  • Um eine schnelle Erwärmung zu gewährleisten, wird der Lader auch in Betriebsbereichen aktiviert, in denen er nicht aktiviert würde, wenn der Katalysator seine Betriebstemperatur hat.
  • Der Verbrennungszeitpunkt, das heißt der Zeitpunkt zu dem die Verbrennung im Motor gestartet wird, kann besonders spät nach dem oberen Totpunkt eines Kolbens ausgelöst werden.
  • Zeichnung
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Ansicht eines Verbrennungsmotors,
  • 2 eine schematische Ansicht eines Abgasturboladers.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In der 1 wird schematisch ein Verbrennungsmotor 2 und zwar speziell 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 Pläuel 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 Verbrennungsmotors 2 wird der Zeitpunkt der Verbrennung so gesteuert, dass die durch Verbrennung freiwerdende Energie möglichst vollständig in Bewegung des Kolbens 12 umgesetzt wird. Wenn die bei der Verbrennung freiwerdende Energie nicht in Bewegung umgesetzt wird, so wird sie 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 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 10 wird durch einen am Katalysator 10 angeordneten Temperatursensor 11 gemessen.
  • 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 diese nicht durch rein mechanische Mittel durch die Kurbelwellenstellung vorgegeben werden. Zu diesem Zweck ist das Steuergerät 1 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.
  • Das Steuergerät 1 aktiviert in Abhängigkeit von einer Temperatur des Katalysators 10 den Lader 7 und trifft gleichzeitig Maßnahmen, die eine schnellere Aufheizung des Katalysators 10 bewirken. Bei einem normalen Betrieb wird der Lader 7 nur dann aktiviert, wenn eine erhöhte Leistungsfähigkeit des Verbrennungsmotors 2 gefordert ist. In der Regel wird im Leerlauf- oder im Teillastbetrieb die dem Verbrennungsmotor 2 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 bewirkt somit eine Leistungssteigerung des Verbrennungsmotors 2, die in den Betriebszuständen Leerlauf und Teillast nicht gewünscht ist.
  • Als Ausgestaltung der Erfindung ist nun vorgesehen, den Lader 7 auch in Betriebszuständen zu aktivieren, in denen bei aufgeheiztem Katalysator 10 normalerweise keine Aktivierung des Laders 7 erfolgt. Es hat sich herausgestellt, dass durch die 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 der 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. Diesen 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 2.
  • 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 Verbrennungsmotors 2, 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 Zündkerze 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 stehende 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 7 darin, dass 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 ist dieser Anteil abermals erhöht, da 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 2 wird in ein derartiger Abgasturbolader schematisch dargestellt. Gezeigt wird wieder der Ansaugkanal 8 mit dem Lader 7, der eine Druckerhöhung der dem Verbrennungmotor 2 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 20 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 jedoch üblicherweise durch ein Bypass-Ventil 21. Bei geöffnetem Bypass-Ventil 21 strömt je nach Strömungswiderstand von Bypassventil 21 und Abgasturbine 20 der gesamte Abgasstrom an der Abgasturbine 20 vorbei. Erst bei teilweise oder vollständigem Schließen des Bypass-Ventils 21 wird ein zunehmend größerer Abgasstrom über die Abgasturbine 20 geleitet und über die Welle 22 ein Antrieb des Laders 7 bewirkt.
  • Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dieses Bypass-Ventil 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 21 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 Abgasturbine 20 des aktivierten Abgasturboladers aufgrund der von der Abgasturbine 20 abgegebenen mechanischen Leistung zur Verdichtung der Verbrennungsluft gesenkt, insgesamt ergibt sich jedoch gegenüber nicht aktiviertem Lader 7 aufgrund eines höheren Abgasmassenstroms sowei eines größeren eingebrachten Stromes an chemisch gebundener Energie, der aus der verbrennungsstöchiometriebedingten Anpassung des Kraftstoffmassenstroms an den erhöheten Luftmassenstrom resultiert, als Gesamteffekt ein höherer Abgasenthalpiestrom zur Aufheizung des Katalysators 10.
  • 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 größeren Prozentsatz der freiwerdenden Energie nicht in mechanische Energie umgesetzt und ist zur beschleunigten Aufheizung des Katalysators 10 zu nutzen, das heißt es ergibt hier 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 10 verwendet wird, abermals deutlich erhöht werden. All diese Maßnahmen führen dazu, dass eine besonders schnelle Aufheizung des Katalysators 10 bewirkt wird.

Claims (4)

  1. Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors (2), bei der ein Lader (7) zur Erhöhung des Drucks einer dem Verbrennungmotor (2) zugeführten Luft vorgesehen ist, bei der ein Katalysator (10) zur Aufbereitung der Abgase des Verbrennungsmotors (2) vorgesehen ist, bei der ein Verbrennungszeitpunkt des Verbrennungsmotors (2) beeinflussbar ist, bei der in Abhängigkeit von einer Temperatur des Katalysators (10) zur Heizung des Katalysators (10) auf eine Betriebstemperatur der Lader (7) aktiviert wird, bei welcher der Verbrennungszeitpunkt in Richtung „spät” verschoben wird, wobei es sich um einen Verbrennungsmotor (2) mit Fremdzündung handelt, bei dem der Zeitpunkt der Verbrennung durch Erzeugung eines Zündfunkens an einer Zündkerze (3) beeinflußt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einspritzventil (4) vorgesehen ist, welches Kraftstoff direkt in einen Verbrennungsraum (14) des Verbrennungsmotors (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 Verbrennungsmotors (2) 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.
  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 Verbrennungsmotors (2) erfolgt.
  4. Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors (2), bei dem ein Lader (7) zu Erhöhung des Drucks einer dem Motor zugeführten Luft vorgesehen ist, bei dem ein Katalysator (10) zur Aufbereitung von Abgasen des Verbrennungmotors (2) vorgesehen ist, bei dem ein Zeitpunkt einer Verbrennung des Verbrennungsmotors (2) beeinflussbar ist, bei dem in Abhängigkeit von einer Temperatur des Katalysators (10) zur Heizung des Katalysators (10) auf eine Betriebstemperatur der Lader (7) aktiviert wird, bei dem der Zeitpunkt der Verbrennung in Richtung „spät” verschoben wird, wobei es sich um einen Verbrennungsmotor (2) mit Fremdzündung handelt, bei dem der Zeitpunkt der Verbrennung durch Erzeugung eines Zündfunkens an einer Zündkerze (3) beeinflusst wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einspritzventil (4) vorgesehen ist, welches Kraftstoff direkt in einen Verbrennungsraum (14) des Verbrennungmotors (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 Verbrennungsmotors (2) 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.
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