DE10217589A1 - Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine

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Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht durch das Mischen von Frischluft mit Abgasen hoher HC/CO-Konzentration, den Katalysator (24) schnell auf seine Betriebstemperatur zu bringen. Hierzu wird Ansaugluft durch die Brennkammer bei geöffneten Ventilen in den Abgastrakt gefördert.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern, einer Motorsteuerung, die Ein- und Auslassventile der Zylinder und eine Kraftstoffeinspritzung steuert, sowie einer Aufladeeinrichtung, die einen Ladedruck erhöht.
  • Die Konvertierungsrate eines Katalysators hängt ganz wesentlich von seiner Betriebstemperatur ab. Erst ab ungefähr 250°C setzt eine nennenswerte Konvertierung der Schadstoffe ein. Ideale Betriebsbedingungen für hohe Umsetzraten und lange Lebensdauer herrschen in einem Temperaturbereich von ungefähr 400°C bis 800°C. Um nach einem Kaltstart möglichst rasch die Betriebstemperatur des Katalysators zu erreichen, sind verschiedene Ansätze bekannt. So wird der Katalysator beispielsweise motornah eingebaut, wodurch aufgrund der hohen Abgastemperatur und der geringen abgestrahlten Wärme sich die Betriebstemperatur rasch einstellt. Jedoch ist der so angeordnete Katalysator einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt, insbesondere da bei Betriebstemperaturen von über 1000°C Schäden an dem Katalysator und dem Katalysatormaterial auftreten können. Oxidationskatalysatoren werden entweder durch magere Verbrennung oder durch zusätzliche Lufteinblasung mit Luftüberschuss betrieben, um CO- und HC-Verbindungen zu oxidieren. Zur zusätzlichen Lufteinblasung ist es bekannt, eine externe Sekundärlufteinleitung kurz hinter dem Auslassventil vorzusehen, über die Luft in die Abgase gefördert wird. Die Mischung aus Frischluft mit Abgasen hoher HC/CO- Konzentration führt zu einer katalytischen Nachverbrennung.
  • Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Aufheizen des Katalysators im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, das zuverlässig mit einfachen Mitteln einen raschen Anstieg der Betriebstemperatur ermöglicht, ohne die Gefahr einer thermischen Beschädigung des Katalysators.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine Verbrennung mit einem fetten Luft-Kraftstoffgemisch in den Zylindern. Nachfolgend an die Verbrennung werden in einer vorbestimmten Zeitspanne ein oder mehrere Ein- und Auslassventile des Zylinders geöffnet. In dieser Stellung sind Ansaugtrakt und Abgastrakt der Brennkraftmaschine über die Brennkammer des Zylinders miteinander verbunden. Die Aufladeeinrichtung fördert in diesem Zeitabschnitt Luft aus dem Ansaugtrakt direkt in den Abgastrakt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entsteht abgasseitig von der Brennkraftmaschine ein Gemisch aus Abgas bei einer Verbrennung mit einem fetten Luft-Kraftstoffgemisch und Frischluft. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann darauf verzichtet werden, abgasseitig eine Sekundärzuführung vorzusehen. Vielmehr werden die auch für den regulären Betrieb der Brennkraftmaschine und der Abgasnachbehandlung vorgesehenen Einrichtungen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren angesteuert, um bei niedrigen Abgastemperaturen ein rasches Erreichen der Betriebstemperatur sicherzustellen.
  • Bevorzugt werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Ein- und Auslassventile derart angesteuert, dass in einer Zusammenführung der Abgase von den einzelnen Zylinder ein mageres Gesamt-Kraftstoff-Luftgemisch entsteht. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also sichergestellt, dass ein fettes Luftkraftstoffgemisch verbrannt wird, und somit maximale Leistung vorliegt, während dem noch nicht aufgewärmten Katalysator ein mageres Gemisch zugeführt wird. Das magere Gemisch führt zu einer katalytischen Nachverbrennung, die als exotherme Reaktion zum schnelleren Aufheizen des Katalysators führt.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der nach einem Schließen der Auslassventile in der Brennkammer herrschende Ladedruck durch eine entsprechende Anpassung der Zündung ausgeglichen, damit das Sollmoment des Motors erreicht wird. Die Anpassung der Zündung erfolgt in an sich bekannter Weise, in dem der Zündzeitpunkt zurückgenommen wird, d. h. in Richtung "spät" verstellt wird. Dies bewirkt eine zusätzliche Erhöhung der Abgastemperatur, was wiederum zum Aufwärmen des Katalysators beiträgt.
  • Bei einer Direkteinspritzung werden die Auslassventile des Zylinders geschlossen bevor die Einspritzung von Kraftstoff einsetzt. Bei einer Saugrohreinspritzung erfolgt das Schließen der Auslassventile bevor der eingespritzte Kraftstoff die Brennkammer erreicht hat.
  • Die Aufladeeinrichtung kann einen von der Motorsteuerung gesteuerten Kompressor oder einen Abgasturbolader aufweisen. Der Abgasturbolader kann zusätzlich mit einer elektrisch angetriebenen Turbine oder einem elektrisch angetriebenen Kompressor versehen sein.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben. Es zeigt:
  • Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und einem elektrisch angetriebenen Kompressor vor dem Abgasturbolader,
  • Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und einem elektrisch angetriebenen Kompressor nach dem Abgasturbolader,
  • Fig. 3 Steuerzeiten für Ein- und Auslassventil bei einer Direkteinspritzung und
  • Fig. 4 Steuerzeiten für ein Ein- und Auslassventile bei einem Saugrohreinspritzer.
  • Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht, ein Blockschaltbild einer Mager-Brennkraftmaschine mit einer Abgasnachbehandlungsanlage, bei der das erfindungsgemäße Verfahren verwendet wird. In den Fig. 1 und 2 sind lediglich die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Komponenten dargestellt. Der Brennkraftmaschine 10 wird über einen Ansaugkanal 12 ein Luft-/Kraftstoffgemisch zugeführt. Die Ansaugluft tritt auf ihrem Weg zur Brennkraftmaschine durch einen Verdichter 14 eines Abgasturboladers. Stromabwärts von dem Verdichter 14 befindet sich eine Ladeluftkühlung 16. Zusätzlich zu dem Verdichter 14 des Abgasturboladers ist ein elektromotorisch betriebener Verdichrer 18 vorgesehen. Hierbei handelt es sich um einen elektrisch angetriebenen Kompressor. Der Kompressor sorgt für eine zusätzliche Verdichtung der Ladeluft und somit für einen erhöhten Ladedruck.
  • Der Ansaugtrakt ist zusätzlich mit einer Absperr- /Umschalteinrichtung 20 versehen, die in ihrer geöffneten Position in dem Verdichter 14 von der direkten Zufuhr über die Ansaugleitung abtrennt und eine Zufuhr der Frischluft lediglich über den Verdichter 18 des Kompressor zulässt. In der geöffneten Stellung sind also Verdichter von Kompressor und Verdichter des Abgasturboladers in Serie geschaltet. Ist die Absperr-/Umschalteinrichtung geschlossen, so kann Frischluft direkt über den Ansaugtrakt 12 von dem Verdichter 14 angesaugt werden, wobei hier bedarfsweise der Kompressor zugeschaltet werden kann.
  • Die Abgase aus der Brennkraftmaschine 10 werden über die Turbine 22 des Abgasturboladers einem Katalysator 24 zugeführt. Der Katalysator 24 weist einen Oxidationskatalysator auf. Bei einem Ottomotor ist beispielsweise als Drei-Wege-Katalysator der Katalysator mit Lambda-Regelung ausgestaltet.
  • Zu der Turbine 22 des Abgasturboladers ist eine Umgehungsleitung 26 vorgesehen.
  • Alternativ zu dem stromaufwärts des Abgasturboladers vorgesehenen Kompressor 28 kann dieser gemäß Fig. 2 auch stromabwärts von dem Verdichter des Abgasturboladers 30 angeordnet sein. Im geöffneten Zustand der Umschalteinrichtung 32 wird die von dem Verdichter des Abgasturboladers verdichtete Luft durch den Verdichter 28 des Kompressor geleitet, wo sie unter hinzuschalten des elektromotorischen Antriebs 34 die Ladeluft weiter verdichtet. Nachfolgend tritt die Ladeluft durch den Ladeluftkühler 36 und wird zur Brennkraftmaschine geführt, wo sie unter Einspritzung von Kraftstoff als Luft- /Kraftstoffgemisch in den Zylindern verbrannt wird. Die Abgase aus der Verbrennung treten über die Turbine 40 und/oder die Umgehungsleitung 42 in ein System zur Abgasnachbehandlung 44 ein.
  • Fig. 3 zeigt die Öffnungszeit des Auslassventils 46 sowie die Öffnung des Einlassventils 48. Die Zeiten sind über den Kurbelwellenwinkel aufgetragen. Während des gekennzeichneten Bereichs 50 erfolgt ein Einblasen von Frischluft durch die Brennkammer. Der in Fig. 3 nur schematisch dargestellte Bereich 50 berücksichtigt, dass eine Anreicherung der Abgase mit Frischluft nicht unmittelbar nach der Öffnung des Einlassventils eintritt, sondern erst nach einer gewissen Zeitdauer 52, in der sich der Ladedruck in der Brennkraftkammer aufbaut.
  • Kurz bevor die Einspritzung des Kraftstoffs 54 einsetzt, wird das Auslassventil 46 geschlossen. In dem mit A gekennzeichneten Bereich der Kurbelwelle wird also Frischluft zusätzlich in den Abgastrakt eingeblasen. Um den Ladedruck für das Einblasen bereitzustellen, d. h. der Druck im Ansaugrohr ist größer als im Abgastrakt, können bei den Fig. 1 und 2 dargestellten Brennkraftmaschinen beispielsweise die elektrischen Verdichter 18 bzw. 28 zugeschaltet werden.
  • Fig. 4 zeigt die Steuerzeiten bei einer Brennkraftmaschine mit Saugrohreinspritzung. Auch bei dieser Ansteuerung erfolgt während des Abschnitts 56 ein Einblasen von Frischluft in den Abgastrakt. Das Auslassventil 58 schließt am Ende des Einblasvorgangs 56. Das Einlassventil 60 ist während des Einblasens 56 und einer kurzen Anlaufphase 62 geöffnet.
  • Bei einem Saugrohreinspritzer setzt das Einspritzen des Kraftstoffs 64 bereits während der Einblasphase 56 ein. Der eingespritzte Kraftstoff gelangt jedoch erst nach einer Flugzeit zu einem Zeitpunkt 66 in die Brennkammer des Zylinders. Das Intervall 66 besitzt hierbei keine Überschneidungen mit dem Intervall 56.
  • Neben den gezeigten Beispielen einer Direkteinspritzung und einer Saugrohreinspritzung kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei sonstigen Einspritzsystemen, beispielsweise bei Systemen mit variabler Ansteuerzeit und/oder Aufladung angewendet werden.

Claims (8)

1. Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators (24; 44) im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine (10; 38) mit mehreren Zylindern, einer Motorsteuerung, die Ein- und Auslassventile der Zylinder und die Krafteinspritzung steuert, und einer Aufladeeinrichtung, die einen Ladedruck erhöht, mit folgenden Verfahrensschritten:
- ein fettes Luft-Kraftstoffgemisch wird in einem der Zylinder verbrannt,
- in einer vorbestimmten Zeitspanne (50, 56) werden ein oder mehrere Ein- und Auslassventile des Zylinders geöffnet und
- über die Aufladeeinrichtung wird Luft aus dem Ansaugtrakt in den Abgastrakt durch die Brennkammer des Zylinders gefördert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung die Ein- und Auslassventile der Zylinder derart ansteuert, dass im Abgastrakt vor dem Katalysator ein mageres Gesamtkraftstoffluftgemisch entsteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung einen nach dem Schließen des Auslassventils in der Brennkammer herrschenden Ladedruck durch eine Anpassung des Zündzeitpunktes ausgleicht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung das oder die Auslassventile geschlossen werden bevor die Einspritzung des Kraftstoffs einsetzt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Brennkraftmaschine mit Saugrohreinspritzung das oder die Auslassventile geschlossen werden, bevor der eingespritzte Kraftstoff die Brennkammer erreicht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladeeinrichtung einen von der Motorsteuerung angesteuerten Kompressor aufweist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladeeinrichtung einen Abgasturbolader aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasturbolader zusätzlich eine elektrisch angetriebene Turbine aufweist.
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