DE10308127A1

DE10308127A1 - Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasreinigungsanlage

Info

Publication number: DE10308127A1
Application number: DE2003108127
Authority: DE
Inventors: Stefan Hubig; Helmut Oswald
Original assignee: Adam Opel GmbH
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2004-09-09

Abstract

Die Verbrauchsnachteile beim zügig gefahrenen Ottomotor lassen sich verringern, ohne dabei die Schädigung temperaturempfindlicher Bauteile zu riskieren, wenn der Ottomotor mit einer Abgasreinigungsanlage bei stöchiometrischem Verhältnis oder bei Luftüberschuss (lambda >= 1) betrieben wird und dem Abgas zusätzliche Luft zugeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Ottomotors mit einer Abgasreinigungsanlage unter Regelung der Temperatur. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Betrieb von Ottomotoren mit Abgasreinigungsanlagen, welche mit magerem Luft-/Kraftstoffgemisch betrieben werden.

Kraftfahrzeuge werden heutzutage überwiegend mit Verbrennungsmotoren angetrieben, wobei Dieselmotoren und Ottomotoren zum Einsatz kommen. Hierbei weisen Dieselmotoren meist einen höheren Wirkungsgrad und damit einen geringeren spezifischen Kraftstoffverbrauch auf als Ottomotoren. Ottomotoren haben zwar in der Regel einen höheren spezifischen Kraftstoffverbrauch als vergleichbare Dieselmotoren, bieten aber den Vorteil eines geringeren konstruktiven Aufwands, einer höheren Leistungsdichte und besserer Komforteigenschaften. In Anbetracht dieser Vorteile werden verschiedene Technologien diskutiert, um auch den Kraftstoffverbrauch von Ottomotoren weiter zu verbessern.

Moderne Dieselmotoren weisen ein Leistungsbild auf, das dasjenige herkömmlicher Benzinmotoren nahezu erreicht. Auch bei „sportlicher" Fahrweise zeigen diese Motoren relativ gute Kraftstoffverbräuche. Die neuen, schadstoffarmen Benzinmotoren weisen zwar ebenfalls gute Leistungs- und Verbrauchswerte auf, zeigen jedoch insbesondere bei schneller Fahrweise, d.h. bei hohen Motorlasten, einen hohen Kraftstoffverbrauch.

Zur Verbrennung der Kraftstoffe ist ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff erforderlich. Luft ist ein Gasgemisch, das zu 21 Vol.-% aus Sauerstoff besteht. Die weiteren Bestandteile sind überwiegend Stickstoff sowie geringe Mengen von Edelgasen. Eine vollständige Verbrennung von 1 kg Kraftstoff erfordert etwa 14.5 kg Luft. Wird dem Motor exakt die zur vollständigen Verbrennung erforderliche Luftmenge zugeführt, spricht man von stöchiometrischem Gemisch. Das Verhältnis zwischen der tatsächlichen Luftmenge und dem theoretischen Luftbedarf zur vollständigen Verbrennung des Kraftstoffs wird durch das Luftverhältnis λ beschrieben, das der Quotient aus zugeführter Luftmenge und theoretischem Luftbedarf ist.

Bei stöchiometrischem Gemisch beträgt das Luftverhältnis λ = 1. Bei Luftüberschuß (λ > 1) spricht man von magerem Luftverhältnis, bei Luftmangel (λ < 1) von fettem Luftverhältnis. Bei einem homogenen Gemisch ist die Zündfähigkeit nur gewährleistet, wenn das Luftverhältnis etwa zwischen λ = 0,5 und λ = 1,4 liegt.

Bei der vollständigen Verbrennung von Kohlenwasserstoffen (HC) entstehen im Idealfall CO₂ und H₂O. Aufgrund nicht idealer Bedingungen enthält das reale motorische Abgas aber auch Produkte der unvollständigen Verbrennung, wie CO, und unverbrannte Kohlenwasserstoffe. Zusätzlich entstehen Stickoxide, die als NO_x bezeichnet werden.

Der im Vergleich zum Dieselmotor erhöhte Kraftstoffverbrauch des Ottomotors bei hohen Lasten liegt daran, dass Ottomotoren zur Erzielung des maximalen Drehmoments und der maximalen Leistungen in Vollast meist mit Luftverhältnissen von λ < 0,9 betrieben werden. Durch diese Anfettung tritt eine Abkühlung des Luft/Kraftstoff-Gemischs ein, wodurch in der Folge der Luftdurchsatz ansteigt. Gleichzeitig sinkt die Klopfneigung, so dass die Leistung durch eine Frühanstellung der Zündung weiter ansteigt. Ein direkt einspritzender, aufgeladener Dieselmotor wird hingegen auch bei Vollast mit ca. λ = 1,5 betrieben und hat daher bedingt und durch das niedrigere Drehzahlniveau auch bei der vollen Ausnutzung der Motorleistung noch akzeptable Kraftstoffverbräuche. Neben den hohen Laufleistungen von Dieselmotoren ist dies ein Grund für ihre Popularität.

Neben der Leistung und dem Verbrauch sind heute vor allem gesetzlich vorgeschriebene Abgasgrenzwerte sowie ein gesteigertes ökologisches Verbraucherbewußtsein für den Erfolg eines Motors ausschlaggebend. Weltweit gibt es unterschiedliche Gesetzgebungen zur Limitierung der im Abgas von Verbrennungsmotoren enthaltenen Schadstoffe. Allen gemeinsam ist eine auch in Zukunft fortge setzte stetige Absenkung der Grenzwerte. Diese Anforderungen können nur durch Optimierung des Gesamtsystems aus motorischer Verbrennung, Abgasnachbehandlungssystem und Motormanagement erfüllt werden. Als weitere Herausforderung werden auch an die Dauerhaltbarkeit von Abgasnachbehandlungssystemen immer höhere Ansprüche gestellt. Die Emissionen von konventionellen Ottomotoren können durch Abgasnachbehandlung mit einem Drei-Wege-Katalysator sehr wirkungsvoll verringert werden.

Allerdings sind die Katalysatoren – insbesondere, wenn sie motornah eingesetzt werden – gegen zu hohe Temperaturen empfindlich. Ein Dreiwegekatalysator sollte beispielsweise nicht längerfristig mit Temperaturen über 950°C betrieben werden. Noch temperaturempfindlicher sind andere Bestandteile des Abgasreinigungssystems.

Als weitere temperaturempfindliche Bauteile sind beispielsweise der Auslaßkrümmer oder eine Lambdasonde zu nennen. In der Folge muß vom verbrauchsgünstigeren λ = 1-Betrieb (Magerbetrieb) auf Fettbetrieb umgeschaltet werden, um die Schädigung temperaturempfindlicher Bauteile zu vermeiden. Hierbei muß häufig schon im Teillastbereich angefettet werden, zum Teil bis auf herunter auf Werte von λ = 0,7 unter Vollast.

Eine zügige Fahrweise führt daher beim Ottomotor, speziell in Verbindung mit einem motornah angeordneten Katalysator, zu einem deutlich erhöhten Kraftstoffverbrauch.

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die Verbrauchsnachteile beim zügig gefahrenen Ottomotor zu verringern, ohne dabei die Schädigung temperaturempfindlicher Bauteile zu riskieren.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, den Ottomotor im gesamten Lastbereich nur stöchiometrisch oder mager zu betreiben und den Bauteilschutz von Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems durch Zugabe von Luft in das Abgas zu realisieren.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Ottomotors mit einer Abgasreinigungsanlage bei stöchiometrischem Verhältnis oder bei Luftüberschuß (λ ≥ 1), wobei dem Abgas zusätzliche Luft zugeführt wird.

Durch die stöchiometrische oder magere Betriebsweise werden die Schadstoffemissionen und der Kraftstoffverbrauch weiter gesenkt. Es ist erfindungsgemäß vorteilhaft, den Ottomotor bei Luftüberschuß, d.h. bei λ > 1, zu betreiben. Beispielsweise können bei Volllast und/oder Bauteilschutzbedingungen durchaus Werte auch von λ ≥ 2 eingestellt werden. Besonders bevorzugt sind erfindungsgemäße Verfahren, bei denen der Ottomotor im kompletten Lastbereich bei λ-Werten zwischen 1,05 und 1,40 betrieben wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft auch bei stöchiometrischer Verbrennung betrieben werden. Daher sind erfindungsgemäße Verfahren, bei denen der Ot tomotor im kompletten Lastbereich bei λ ≥ 1 betrieben wird, ebenfalls bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Die erfindungsgemäße Verfahrensweise, bei der dem Abgas zusätzliche Luft zugeführt wird, kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden. Es ist zum einen möglich, passive Verfahrensvarianten durchzuführen, bei denen die Luft vom Abgasstrom angesaugt wird. Eine Regelung der Luftzufuhr kann hier durch Ventil und/oder Klappen erfolgen. Erfindungsgemäße Verfahren, bei denen die Zuführung der zusätzlichen Luft durch Luftansaugung in die Abgasleitung erfolgt, sind daher bevorzugt.

Die Ansaugung der zusätzlichen Luft nach dieser Verfahrensvariante kann beispielsweise vor temperaturempfindlichen Bauteilen erfolgen. Bevorzugt wird jedoch eine motornahe Luftansaugung, so dass erfindungsgemäß bevorzugte Verfahren dadurch gekennzeichnet sind, dass die Luftansaugung im Bereich der Auslaßventile erfolgt.

Alternativ zur passiven Führung des zusätzlichen Luftstroms kann die zusätzliche Luft auch aktiv in den Abgastrakt eingeblasen werden. Hier sind erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt, bei denen die Zuführung der zusätzlichen Luft durch Lufteinblasung in die Abgasleitung erfolgt.

Universeller einsetzbar und kostengünstiger ist eine Pumpe, die Umgebungsluft ansaugt und in die Abgasreinigungsanlage bläst. Mit besonderem Vorteil werden hier elektrisch angetrieben Pumpen eingesetzt, so dass bevorzugte erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet sind, dass die zusätzliche Lufteinblasung durch eine elektrisch angetriebene Luftpumpe erfolgt.

Die Zuführung der zusätzlichen Luft in die Abgasreinigungsanlage kann grundsätzlich an jeder Stelle zwischen Zylinderauslaß und dem temperaturempfindlichen Bauteil liegen. In erfindungsgemäß bevorzugten Verfahren wird die zusätzliche Luft der Abgasreinigungsanlage vor dem Katalysator zugeführt.

Wenn die Abgasreinigungsanlage einen zusätzlichen Stickoxidspeicher umfaßt, sind erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt, bei denen die zusätzliche Luft der Abgasreinigungsanlage vor und/oder zwischen dem Katalysator und dem Stickoxidspeicher zugeführt wird.

Durch die vor dem Katalysator angeordnete und gegebenenfalls auch über die hintere Lambdasonde läßt sich die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise diagnostizieren. Im Falle eines Fehlers kann dann der konventionelle Bauteileschutz durch Gemischanfettung aktiviert werden, um eine Beschädigung der Bauteile zu verhindern.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Ottomotors mit einer Abgasreinigungsanlage bei stöchiometrischem Verhältnis oder bei Luftüberschuss (λ ≥ 1), dadurch gekennzeichnet, dass dem Abgas zusätzliche Luft zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ottomotor im kompletten Lastbereich bei Werten zwischen λ = 1,03 und λ = 1,40 betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ottomotor im kompletten Lastbereich bei λ = 1 betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der zusätzlichen Luft durch Luftansaugung in die Abgasleitung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftansaugung im Bereich der Auslaßventile erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der zusätzlichen Luft durch Lufteinblasung in die Abgasleitung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Luft der Abgasreinigungsanlage vor dem Katalysator zugeführt wird.