DE10359693B4 - Abgasnachbehandlung - Google Patents
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Abstract
Motorsteuerungssystem
in einem Fahrzeug, mit:
einem Verbrennungsmotor (12, 12A, 12B, 12C, 12D) mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung,
einem Controller zum Steuern der Ab- und Wiederzuschaltung von Zylindern des selbst zündenden Verbrennungsmotors (12, 12A, 12B, 12C, 12D) mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung,
einer NOx-Falle (10, 11), die mit dem Auspuff (14) des Verbrennungsmotors (12, 12A, 12B, 12C, 12D) mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung gekoppelt ist,
wobei der Controller einen Teil der Zylinder (24) in dem Verbrennungsmotor (12, 12A, 12B, 12C, 12D) mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung abschaltet, um die Abgastemperatur zu erhöhen,
wobei Kraftstoff in die abgeschalteten Zylinder (24) eingespritzt wird, um Produkte einer partiellen Oxidation zu erzeugen, und
wobei die Produkte einer partiellen Oxidation nach einer Wiederzuschaltung von Ventilen (20, 22) des zuvor abgeschalteten Zylinders (24) in den Auspuff (14) des Verbrennungsmotors (12, 12A, 12B, 12C, 12D) mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung freigegeben werden, um die NOx-Falle (10,...
einem Verbrennungsmotor (12, 12A, 12B, 12C, 12D) mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung,
einem Controller zum Steuern der Ab- und Wiederzuschaltung von Zylindern des selbst zündenden Verbrennungsmotors (12, 12A, 12B, 12C, 12D) mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung,
einer NOx-Falle (10, 11), die mit dem Auspuff (14) des Verbrennungsmotors (12, 12A, 12B, 12C, 12D) mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung gekoppelt ist,
wobei der Controller einen Teil der Zylinder (24) in dem Verbrennungsmotor (12, 12A, 12B, 12C, 12D) mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung abschaltet, um die Abgastemperatur zu erhöhen,
wobei Kraftstoff in die abgeschalteten Zylinder (24) eingespritzt wird, um Produkte einer partiellen Oxidation zu erzeugen, und
wobei die Produkte einer partiellen Oxidation nach einer Wiederzuschaltung von Ventilen (20, 22) des zuvor abgeschalteten Zylinders (24) in den Auspuff (14) des Verbrennungsmotors (12, 12A, 12B, 12C, 12D) mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung freigegeben werden, um die NOx-Falle (10,...
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft die Steuerung von Verbrennungsmotoren. Im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und ein System zum Steuern eines Verbrennungsmotors mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung, wie etwa eines Dieselmotors, oder irgendeines Motors mit Kraftstoffeinspritzung in die Zylinder, um den katalytischen Wirkungsgrad zu verbessern.
- Die gegenwärtigen gesetzlichen Vorschriften auf dem Kraftfahrzeugmarkt haben zu einem zunehmenden Bedarf geführt, bei aktuellen Fahrzeugen Emissionen zu verringern. Katalytische Umformer und NOx-Fallen oder Absorptions-/Adsorptionseinheiten sind dabei die vorwiegenden Werkzeuge, die zur Reduktion von Emissionen in Fahrzeugen verwendet werden.
- Ein katalytischer Umformer oxidiert Emissionen von Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO) in einem Fahrzeug zu relativ gutartigen Verbindungen, wie etwa Kohlendioxid (CO2) und Wasser. Ein katalytischer Umformer umfasst typischerweise eine spezifische Katalysatorformulierung, die Platin, Palladium und Rhodium enthält, um gleichzeitig Stickoxide (NOx), HC und CO zu reduzieren. Der Umwandlungswirkungsgrad eines Katalysators hängt von der Temperatur des Katalysators und dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis ab.
- Der Funktionstemperaturbereich für einen typischen Katalysator zum Einfangen von NOx und zur Dreiwegeumwandlung ist in
1 gezeigt. Diese Arbeitstemperaturfenster passen zu den Auspuffarchitektu ren von Motoren mit Benzindirekteinspritzung und zu den Betriebsarten des Fahrzeugs. Wie es bei diesem Beispiel gezeigt ist, wird der Spitzen-Wirkungsgrad der NOx-Umwandlung im Temperaturbereich zwischen 250°C und 450°C erhalten. Diese Temperaturen können auf der Grundlage der spezifischen Formulierung von Edelmetallen und NOx einfangenden Materialien etwas variieren und sind hoch genug, um gleichzeitig die HC- und CO-Emissionen zu säubern. Die gezeigte Katalysatorformulierung fängt während eines Betriebes mit magerem Luft/Kraftstoff-Verhältnis NOx effektiv ein, indem NO zu NO2 katalytisch umgeformt wird und dieses dann chemisch als eine Nitratverbindung (NO3-Verbindung) an einer Washcoat-Oberfläche gespeichert wird. Wenn alle NOx-Speicherstellen gefüllt sind, wird in dem katalytischen Unformer eine reduzierende (sauerstoffarme, CO-reiche) Abgasumgebung erzeugt. Die reduzierende Umgebung bewirkt, dass das gespeicherte Nitrat (NO3) als gasförmiges NO2 frei gegeben wird. Das NO2 kann an einer Edelmetallstelle, wie etwa Platin, weiter zu Stickstoff N2 reduziert werden, wenn genügend Reduktionsmittel, wie etwa HC, CO und H2, vorhanden sind. - Die typischen Edelmetall-Katalysatorformulierungen behalten bis zu Temperaturen von 900°C sehr hohe Umwandlungswirkungsgrade. Die NOx-Speicherverbindungen, wie etwa Barium oder Kalium, die den Dreiwegekatalysatoren hinzugefügt werden, sind gewöhnlich bis zu Temperaturen von etwa 850°C stabil.
- Die Leistung einer NOx-Falle bei diesen Motoranwendungen ist durch die niedrigeren Abgastemperaturen und die Schwierigkeit, häufige fette Abgasmischungen für den Katalysator bereit zu stellen, stark begrenzt. Die sehr niedrigen Abgastemperaturen eines Dieselmotors sind das Ergebnis eines sehr mageren Betriebes und höherer Verdichtungs- und Ausdehnungsverhältnisse. Diese sind die gleichen Ursachen, die für den höheren Kraftstoffwirkungsgrad im Vergleich mit fremd gezündeten Benzinmotoren sorgen.
- Luft/Kraftstoff-Verhältnisse (LKV) können als mager oder fett oder irgendwo dazwischen definiert werden. Ein Luft/Kraftstoff-Gemisch wird durch ein Verhältnis dargestellt, welches Äquivalenzverhältnis genannt und durch das Symbol λ dargestellt wird. Das Äquivalenzverhältnis ist durch die folgende Gleichung definiert:
- Ein relativ kleines Luft/Kraftstoff-Verhältnis unter 14,7 (λ < 1) wird als fettes Gemisch charakterisiert, und ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis über 14,7 (λ > 1) kann als mageres Gemisch charakterisiert werden. Traditionelle Fahrzeugbenzinmotoren werden bei Stöchiometrie betrieben, da die meisten vorgeschriebenen Abgase bei Stöchiometrie reduziert werden können. Wenn Fahrzeugmotoren mit mageren Gemischen betrieben werden, wie etwa Motoren mit Diesel- oder Benzindirekteinspritzung, die mager geschichtet betrieben werden, können die erzeugten NOx-Verbindungen durch traditionelle Dreiwegekatalyse nicht ausreichend reduziert werden. Daher haben diese Motoren Probleme, die zunehmend strengen Abgasemissionsvorschriften zu erfüllen.
- Die nachveröffentlichte
DE 103 22 961 A1 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses in einem mager laufenden Motor, bei dem unter bestimmten Bedingungen ein Teil der Zylinder ein mageres Luft-/Kraftstoffgemisch verbrennt. In die anderen Zylinder wird kein Kraftstoff eingespritzt, und diese Zylinder pumpen somit nur Luft. Um die Temperatur eines Katalysators zu erhöhen, kann eine geringe Menge Kraftstoff in einen Zylinder eingespritzt werden, in dem keine Verbrennung stattfindet. Dieser Kraftstoff wird im Zylinder nicht gezündet, sondern tritt durch und reagiert im Abgassystem mit überschüssigem Sauerstoff, wodurch der Katalysator aufgeheizt wird. - Auch die ebenfalls nachveröffentlichte
DE 103 22 962 A1 offenbart ein Verfahren, bei dem unter bestimmten Bedingungen eine Gruppe von Zylindern ein mageres Luft-/Kraftstoffgemisch verbrennt, und eine zweite Zylindergruppe ohne Kraftstoffeinspritzung lediglich Luft pumpt. Damit die Betriebstemperatur eines Katalysators erreicht wird, können einige Zylinder mit Spätzündung betrieben werden, was zu hohen Abgastemperaturen führt. - Aus der
EP 0 746 675 B1 ist ein Verfahren zur Steuerung einer Mehrzylinderbrennkraftmaschine in der Kaltstart- und Warmlaufphase bekannt, bei dem ebenfalls ein Teil der Zylinder nur Luft pumpt, ohne dass Benzin eingespritzt wird. Die komprimierte Luft reagiert nach dem Verlassen der Zylinder mit Abgasen, wobei Wärme abgegeben wird. Zudem müssen die übrigen Zylinder ein höheres Drehmoment erzeugen und werden somit heißer, was ebenfalls zu einer erhöhten Abgastemperatur beiträgt. - Die
DE 196 11 363 C1 offenbart eine mehrzylindrische Kolbenbrennkraftmaschine mit zwei Zylindergruppen, denen jeweils ein Abgasstrang mit einem Katalysator zugeordnet ist. Im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine ist eine Zylindergruppe abschaltbar. Die Katalysatoren der beiden Zylindergruppen sind parallel geschaltet und die Abgasstränge in Strömungsrichtung hinter den Katalysatoren über einen Rohrabschnitt verbunden, so dass auch der Katalysator einer abgeschalteten Zylindergruppe durch die Abgase der anderen Zylindergruppe beheizt wird. - Die
DE 101 58 792 A1 offenbart ein Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Abgassauerstofffühlers für einen Motor mit Zylinderabschaltung. Um sicherzustellen, dass der Abgassauerstofffühler auch dann, wenn ein Teil der Zylinder abgeschaltet ist, stets eine Mindestbetriebstemperatur besitzt, wird seine Temperatur überwacht und im Fall des Absinkens unter einen Schwellwert wird ein integrierter Fühlerheizer zugeschaltet, und/oder einzelne abgeschaltete Zylinder werden wieder in Betrieb genommen. - Aus der
DE 198 04 429 A1 ist ein Verfahren zum schnellen Erreichen der Aktivierungstemperatur eines Katalysators einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine bekannt. Bei einem der Zylinder kann die Zündung ausgeblendet werden. In diesen Zylinder wird dann trotzdem Kraftstoff eingespritzt, der zum Katalysator durchtritt, dort gezündet wird und dadurch den Katalysator erhitzt. - Die
DE 195 00 761 A1 offenbart eine mehrzylindrische Kolbenbrenn kraftmaschine mit mindestens zwei Zylindergruppen und katalytischer Abgasreinigung. Jede Zylindergruppe besitzt einen eigenen Katalysator. Falls eine der beiden Gruppen abgeschaltet ist, kann der Katalysator der anderen Gruppe trotzdem mit heißem Abgas von der angeschalteten Zylindergruppe beaufschlagt werden, um sicherzustellen, dass er eine Betriebstemperatur beibehält bzw. erreicht. - Die
DE 101 05 075 A1 offenbart ein Verfahren zum Steuern des Rußabbrandes in einem Dieselmotor. Um den in einem Rußfilter abgelagerten Ruß abzubrennen, wird die Temperatur der in den Rußfilter eintretenden Motorabgase erhöht, was beispielsweise durch eine selektive Zylinderabschaltung erreicht werden kann. - Die nachveröffentlichte
DE 102 22 769 A1 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung eines Motorstartvorgangs, mit dessen Hilfe vermieden werden soll, dass eingespritzter Kraftstoff sich bei einem Kaltstart an der Zylinderwand niederschlägt, anstatt mit Sauerstoff ein Gemisch zu bilden, und dann eventuell direkt an dem noch kalten Katalysator vorbei ins Abgas gelangt. Es wird nur in einem Teil der Zylinder Kraftstoff eingespritzt, so dass der Katalysator schneller eine Betriebstemperatur erreicht, und somit sich eventuell an einer kalten Zylinderwand niederschlagender Kraftstoff von dem Katalysator in unschädlichere Substanzen konvertiert wird. - Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Motorsteuerungssystem für einen Verbrennungsmotor mit Zylinderabschaltung und ein dazugehöriges Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches die Fahrzeugemissionen weiter verringert. Insbesondere soll die Effizienz der NOx-Falle verbessert werden.
- Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 7 gelöst.
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Steuerung einer Zylinderabschaltung in einem Motor, um die Abgastemperatur für einen verbesserten Wirkungsgrad eines katalytischen Umformers oder einer NOx-Falle zu steuern. Von noch größerer Bedeutung ist, dass die abgeschalteten Zylinder als Reaktoren für eine partielle Oxidation verwendet werden, um fette Verbrennungsprodukte zu erzeugen, die ausgestoßen werden können, um die NOx-Emissionen, die in der NOx-Falle gespeichert sind, zu reinigen und zu reduzieren.
- Es gibt abhängig von der Anzahl von Ventilen pro Zylinder und den Nocken- und Ventilbetätigungsanordnungen mehrere Verfahren zum Steuern einer Ventilstrangaktivierung bei Verbrennungsmotoren. Die vorliegende Erfindung kann mit jeder mechanischen Anordnung verwendet werden, die Zylinder in einem Verbrennungsmotor abschaltet, die Verbrennungsmotoren mit oben gesteuerten oder hängenden Ventilen und oben liegenden Nocken umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind.
- Die Steuerung der Zylinderabschaltung in einem Verbrennungsmotor mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung hängt von der Anordnung der Zylinderbank und der Zündreihenfolge des Verbrennungsmotors ab. Beispielsweise erlauben bestimmte V6- und V12-Motoranordnungen eine Abschaltung einer gesamten Zylinderbank (einer Seite des Motors), während bei einem Reihen-Sechszylinder-Motor drei benachbarte Zylinder abgeschaltet werden können. Diese Arten von Motoren erlauben eine günstige Gruppierung der Abgasströme zur Verbesserung der Nachbehandlungsleistung.
- Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Dieselmotor (Selbstzünder) mit acht Zylindern durch Abschaltung von vier Zylindern als Vierzylindermotor betrieben werden. Die Zylinder werden bei der bevorzugten Ausführungsform durch ein elektrohydraulisches Abschaltungssystem abgeschaltet, welches Motoröldruck verwendet und durch Solenoide gesteuert ist, um die Sperrstifte von speziellen Motorventilstößeln, die in einem Motor mit oben gesteuerten Ventilen verwendet werden, unter Druck zu setzen. Bei aufgebrachtem Druck lassen es die Sperrstifte zu, dass der Stößel als Totgang-Einrichtung wirkt, um eine Aktivierung, d.h. Zuschaltung, von Auslass- und Einlassventilen zu verhindern.
- Unter mageren Betriebsbedingungen, wie sie in Dieselmotoren oder Benzinmotoren mit Direkteinspritzung, die unter mager geschichteten Bedingungen arbeiten, zu finden sind, wird eine NOx-Falle verwendet, um NOx-Emissionen aus dem Abgasstrom einzufangen. Periodisch (sobald die NOx-Falle gesättigt ist oder bei einem vorbestimmten Schwellenwert) wird das Luft/Kraftstoff-Gemisch verstellt, um eine kurze, fette Abgasspitze bereit zu stellen und somit die in der NOx-Falle gespeicherten NOx-Emissionen frei zu geben und chemisch zu reduzieren. Das überschüssige Kohlenmonoxid und die überschüssigen Kohlenwasserstoffe, die durch das fette Luft/Kraftstoff-Gemisch erzeugt werden, stellen die Reduktionsmittel bereit, die mit den frei gegebenen NOx-Emissionen reagieren sollen und diese zu Stickstoff N2 und Sauerstoff O2 reduzieren sollen. Die Häufigkeit der Regeneration der NOx-Falle wird als Funktion der Kapazität der NOx-Falle kalibriert.
- Eine Zylinderabschaltung wird dazu verwendet, die Abgastemperaturen zu erhöhen und überschüssige Abgasluft zu reduzieren, wodurch das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in die NOx-Falle hinein fett eingerichtet wird. Die abgeschalteten Zylinder können bei der vorliegenden Erfindung als Reaktoren für eine partielle Oxidation (POx-Reaktoren) verwendet werden, um fette Abgasprodukte zur Reinigung der NOx-Falle bereit zu stellen.
- Die POx-Produkte werden durch Einfangen von Verbrennungsprodukten in den abgeschalteten Zylindern und durch Einspritzen zusätzlichen Kraftstoffes während sukzessiver Zylinderereignisse erzeugt. Die Menge und die zeitliche Abstimmung der POx-Einspritzvorgänge kann mit Tests durch ein Motordynamometer optimiert werden, um die beste Reduktionsmittelbildung mit minimalem Drehmomenteinfluss bereit zu stellen. Da die Zylinder geschlossen sind und die ursprünglichen Inhalte bekannt sind, kann der zusätzliche Kraftstoff genau dosiert werden, um die gewünschten chemischen Eigenschaften des Reduktionsmittels zu erzielen. Das wiederholte Mischen der Verbrennungsprodukte mit geringem Umfang von zusätzlicher Verbrennung während sukzessiver Takte verbessert auch die Luftausnutzung in dem Zylinder. Die Luftausnutzung ist bei Motoren mit Direkteinspritzung und heterogener Verbrennung, seien es selbst gezündete oder fremd gezündete Motoren, ein begrenzender Faktor. Anders als Motoren mit einer Einspritzung durch Einlassöffnungen wird bei Motoren mit homogener Ladung der Kraftstoff direkt in die Zylinder eingespritzt, und es ist wenig Zeit für ein Verdampfen des Kraftstoffes und ein Mischen mit Luft vorhanden. Infolgedessen sollten Motoren mit heterogener Verbrennung mager an stöchiometrischen Gemischen arbeiten, um starken Ruß, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenstoffpartikelemissionen zu vermeiden. Die Beschränkung der Luftausnutzung wird in den abgeschalteten Zylindern überwunden, indem zugelassen wird, dass die verbrannten Zylindergase und die verbleibende Luft gründlich gemischt und während mehrerer sukzessiver Motortakte inkrementell verbrannt werden.
- Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
1 ist eine Grafik von Katalysatorwirkungsgrad über Temperatur für die vorliegende Erfindung; -
2 ist eine schematische Zeichnung einer NOx-Falle, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird; - Die
3A –3E sind schematische Zeichnungen von unterschiedlichen Motoranordnungen, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden; - Die
4A –4E sind schematische Zeichnungen und Grafiken des bevorzugten Verfahrens bei der vorliegenden Erfindung; -
5 stellt eine schematische Zeichnung und Grafiken des Betriebes eines V6-Motors mit mehreren NOx-Fallen dar; -
6 stellt eine schematische Zeichnung und Grafiken des Betriebes eines V6-Motors mit einer einzigen NOx-Falle dar; und -
7 ist ein Flussdiagramm eines bevorzugten Verfahrens der vorliegenden Erfindung. -
2 ist ein Funktionsdiagramm einer NOx-Falle10 , die Metalloxide (MeO) als Einfangmittel für NOx-Verbindungen während magerer Betriebsbedingungen benutzt und NOx-Verbindungen während fetter Bedingungen frei gibt. Das Reduktionsmittel Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe in dem relativ fetten Abgasstrom verbinden sich mit dem NOx, und es findet eine Umwandlung in Stickstoff und Sauerstoff statt. - Die
3A –3E umfassen alternative Anordnungen von Verbrennungsmotoren12 mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung der vorliegenden Erfindung. Der Verbrennungsmotor12 ist vorzugsweise ein Dieselmotor, aber jeder Verbrennungsmotor, einschließlich Benzinmotoren mit Direkteinspritzung, liegt im Umfang der vorliegenden Erfindung.3A ist eine schematische Zeichnung eines Sechszylinder- Verbrennungsmotors12A mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung. Der Verbrennungsmotor12A ist mit Auspuffkrümmern14 und doppelten NOx-Fallen10 gekoppelt. Während des Betriebes des Verbrennungsmotors12A kann jeder Zylinder in diesem abgeschaltet werden, aber bei der bevorzugten Ausführungsform wird eine gesamte Zylinderbank (angrenzende Zylinder) abgeschaltet.3B ist ähnlich wie3A eine schematische Zeichnung eines Sechszylinder-Verbrennungsmotors12B mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung. Der Verbrennungsmotor12B ist mit einem Auspuffkrümmer14 und einer NOx-Falle10 gekoppelt. Bei alternativen Anordnungen der Verbrennungsmotoren12A –B kann oberstromig von der NOx-Falle10 ein Turbolader eingebaut sein. -
3C ist eine schematische Zeichnung eines Achtzylinder-Verbrennungsmotors12C mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung und acht Zylindern1 –8 . Der Verbrennungsmotor12C ist mit Auspuffkrümmern14 und doppelten NOx-Fallen10 gekoppelt, um Abgaswege für optionale Turbolader13 vorzusehen. Jeder Zylinder in dem Verbrennungsmotor12C kann abgeschaltet werden, aber bei der bevorzugten Ausführungsform werden während des Betriebes des Verbrennungsmotors12C die Zylinder1 ,4 ,6 und7 abgeschaltet.3D ist ähnlich wie3C eine schematische Zeichnung eines Achtzylinder-Verbrennungsmotors12D mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung. Der Verbrennungsmotor12D ist mit Auspuffkrümmern14 und einer NOx-Falle10 gekoppelt. - Bei alternativen Ausführungsformen kann eine NOx-Falle
11 aus einzelnen Monolithen, die in3E zu sehen ist, verwendet werden, wobei die NOx-Falle11 mit den separaten Bänken eines Verbrennungsmotors12 gekoppelt ist und separate Abgasströmungen aufweist, die durch Auspuffkrümmer14 bereit gestellt werden. Bei einer NOx-Falle11 mit separaten Abgasströmungsbereichen können diese unabhängig voneinander regeneriert werden. - Während des Startbetriebes des Verbrennungsmotors
12 wird die Abgastemperatur niedriger sein als die erforderliche Zündtemperatur des Dreiwegekatalysators und/oder der NOx-Falle10 . Es wird mehrere Motortakte des Verbrennungsmotors12 dauern, bis dieser die erforderliche Zündtemperatur im Abgasstrom erreicht. Die vorliegende Erfindung wird einen Teil der Zylinder in dem Verbrennungsmotor12 abschalten, um die Last auf die aktivierten d.h. zugeschalteten Zylinder zu erhöhen, was zu einer relativ schnellen Abgastemperaturzunahme im Vergleich mit dem Verbrennungsmotor12 führt, der in einer Betriebsart mit vollem Hubraum arbeitet. Dieser Vorteil wird bei mit Diesel beaufschlagten Motoren verstärkt, die Schwierigkeiten haben, genug Abgaswärme zu erzeugen, um verbesserte Wirkungsgrade in Abgasnachbehandlungseinrichtungen zu unterstützen. Die vorliegende Erfindung wird auch die abgeschalteten Zylinder als POx-Reaktoren benutzen, um fette Abgasprodukte zur Spülung bzw. Reinigung der NOx-Falle10 bereit zu stellen. -
4A ist eine schematische Zeichnung des partiellen Oxidationsprozesses, der bei Takt Null eines Zylinders24 verwendet wird. Der Zylinder24 ist mit der Kraftstoffeinspritzpulsweite (PW)28 mit Kraftstoff beaufschlagt worden, die erforderlich ist, um das angeforderte Motordrehmoment zu liefern. Das Einlassventil20 und das Auslassventil22 des Zylinders24 werden dann abgeschaltet, um Verbrennungsprodukte in der Zylinderkammer24 einzufangen. Die Verbrennungsprodukte werden unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Stickoxide sowie Stickstoff enthalten. Wie es in der Grafik26 zu sehen ist, wurde der normale Kraftstoffeinspritzpuls28 wenige Grade vor dem obe ren Totpunkt (OT) implementiert, und die entsprechende Zunahme des Zylinderdrucks führt zu der relativen Drehmomentverteilung, die als Grafik30 gezeigt ist. - Die
4B ,4C und4D sind Schaubilder der Kraftstoffbeaufschlagungsstrategien für die anschließenden Ausdehnungshübe des abgeschalteten Zylinders24 bei Takten n + 1, 2... letzter. -
4B ist ein Schaubild des Ausdehnungshubes des Zylinders24 bei Takten 1 bis n, wobei n vorzugsweise drei oder weniger ist. Für diese Zylindertakte gibt es noch genügend Sauerstoff in den eingefangenen Verbrennungsgasen, so dass zusätzliche Kraftstoffpulse zusätzliches Drehmoment erzeugen können. Daher werden die kleineren Kraftstoffpulse spät im Ausdehnungshub eingespritzt, um Drehmomentstörungen. zu minimieren. Wie es in Grafik32 zu sehen ist, wird der relativ kleinere Kraftstoffeinspritzpuls34 relativ spät in dem Ausdehnungshub implementiert, um nur eine relativ kleine Drehmomentabgabe zu erzeugen, wie es durch Grafik36 gezeigt ist. - In
4C können die zusätzlichen Kraftstoffeinspritzpulse im Ausdehnungshub näher zu dem OT vorgerückt werden, da die Menge von überschüssigem Sauerstoff in der Kammer reduziert ist. Nach Grafik46 sind die Einspritzpulse42 und/oder44 nach dem OT implementiert, um die Drehmomentstörungen zu minimieren, wie es durch Grafik46 gezeigt ist. Ähnlich zeigt Grafik50 in4D einen kleinen Einspritzpuls52 bei OT und einen zusätzlichen Einspritzpuls54 wenige Grade nach OT, um zusätzliche POx-Produkte zu erzeugen, während Drehmomentstörungen minimiert werden, wie es durch Grafik56 gezeigt ist. - In Grafik
60 in4E ist das eingefangene Luft/Kraftstoff-Verhältnis (LKV) der Gase in den Zylindern24 für anschließende Zylindertakte oder Zeit veranschaulicht. Da mehrere Zylindertakte für die abgeschalteten Zylinder ausgeführt werden, wird den abgeschalteten Zylindern mehr Kraftstoff hinzugefügt, wodurch die Umgebung in dem Zylinder mit POx-Produkten, wie etwa Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Stickstoff angereichert wird. Die POx-Produkte können dann dem Abgasstrom des Motors12 bei Wiederzuschaltung der Auslass- und Einlassventile22 und20 hinzugefügt werden. Die POx-Produkte können dann dazu verwendet werden, die NOx-Falle10 zu regenerieren. - In
5 ist der Motor12A mit doppelten NOx-Fallen10 gezeigt. In dem Motor12A ist eine Zylinderbank abgeschaltet worden. Grafik70 veranschaulicht die Leistungserzeugung für den Motor12A und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis über die Zeit. Linie72 veranschaulicht die zunehmende Kraftstoffbeaufschlagung für den Leistungsbedarf der aktiven Zylinder, und Linie74 veranschaulicht das fettere Luft/Kraftstoff-Verhältnis in den aktiven Zylindern. Wenn eine Zylinderbank abgeschaltet ist, muss die Leistungsabgabe der verbleibenden aktiven Bank zunehmen, um den Leistungsabfall zu kompensieren. Im Fall eines Dieselmotors steht die Leistungsabgabe des Motors direkt mit der dem Dieselmotor zugeführten Kraftstoffmenge in Beziehung. - Grafik
80 in5 veranschaulicht die Erzeugung von Produkten einer partiellen Oxidation in den abgeschalteten Zylindern. Linie82 veranschaulicht das Luft/Kraftstoff-Verhältnis (LKV) in den Zylindern, und Linie84 veranschaulicht den dem/den abgeschalteten Zylinder/Zylindern hinzugefügten Kraftstoff. Wie es zuvor beschrieben wurde, werden die POx-Produkte dazu verwendet, die NOx-Fallen zu regenerieren. Die aktiven Bänke des Sechszylinder-Motors werden abgewechselt, wie es notwendig ist, um jede der NOx-Fallen10 zu regenerieren. Spezifische Zeitpunkte und Abfolgen können kalibriert werden, um sicher zu stellen, dass die NOx-Fallen10 regeneriert werden. - In
6 ist der Motor12B mit einer einzigen NOx-Falle10 gezeigt. In dem Motor12B ist eine Zylinderbank abgeschaltet worden. Grafik90 veranschaulicht die Leistungserzeugung für den Motor12B und das Luft/Kraftstoffverhältnis über die Zeit. Linie92 veranschaulicht die zunehmende Kraftstoffbeaufschlagung für den Leistungsanforderungsbedarf der aktiven Zylinder, und Linie94 veranschaulicht das fettere Luft/Kraftstoff-Verhältnis in den aktiven Zylindern. Wenn eine Zylinderbank abgeschaltet ist, muss die Leistungsabgabe der verbleibenden aktiven Bank zunehmen, um den Leistungsabfall zu kompensieren. - Grafik
100 in6 veranschaulicht die Erzeugung von Produkten einer partiellen Oxidation in den abgeschalteten Zylindern. Linie102 veranschaulicht das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im Zylinder, und Linie104 veranschaulicht den dem/den abgeschalteten Zylinder/Zylindern hinzugefügten Kraftstoff. Wie es zuvor beschrieben wurde, werden die POx-Produkte dazu verwendet, die NOx-Fallen zu regenerieren. Spezifische Zeitpunkte und Abfolgen können kalibriert werden, um sicher zu stellen, dass die NOx-Falle10 regeneriert wird. - In
7 ist ein bevorzugtes Betriebsverfahren für die vorliegende Erfindung gezeigt. Das Verfahren beginnt bei Block150 , bei dem der Dieselmotor12 mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung mit vollem Hubraum arbeitet. Bei Block152 tastet das Verfahren verschiedene Motorprozessparameter ab, wie etwa RPM (Drehzahl), Last, Motortemperatur, Saugrohrdruck und/oder Abgastemperaturen. Block154 bestimmt anhand des Leistungsbedarfes des Verbrennungsmotors12 , ob der Verbrennungsmotor12 mit abgeschalteten Zylindern arbeitet. Wenn die erforderliche Motorleistung größer ist als die Ausgangsleistung des Verbrennungsmotors12 im Betrieb mit abgeschalteten Zylindern, wird der Verbrennungsmotor12 mit allen Zylindern betrieben. Wenn der Leistungsbedarf innerhalb der Ausgangsleistung bei Betrieb mit abgeschalteten Zylindern liegt, kann der Verbrennungsmotor12 mit abgeschalteten Zylindern arbeiten. - Eine Steuerung der aktiven Zylinder wird bei den Blöcken
156 und158 für die aktiven Zylinder ausgeführt. Eine Steuerung der abgeschalteten Zylinder beginnt bei Block160 . Bei Block161 werden die Luft/Kraftstoff-Verhältnisse (LKV) in den Zylindern bestimmt, und es wird die Temperatur der NOx-Falle bestimmt. Die Speicherung oder Sättigung der NOx-Falle10 wird bei Block162 bestimmt. Block164 bestimmt, ob die NOx-Masse, die an der NOx-Falle10 chemisch gespeichert ist, größer ist als die Soll-NOx-Masse. Die Soll-NOx-Masse ist ein Wert unter dem Sättigungsniveau der NOx-Falle10 . Wenn die NOx-Masse kleiner als die Soll-NOx-Masse ist, wird das Verfahren zu Block160 zurückkehren. Sonst wird bei Block166 die In-Zylinder-POx-Betriebsart frei gegeben. Bei Block168 (a–d beziehen sich auf die Anzahl von abgeschalteten Zylindern) werden die Anfangsparameter nach der Abschaltung (Takt Null) gesetzt. Die Anfangswerte des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses (LKV) im Zylinder, Kraftstoffmenge (mm3), Abgasrückführung und andere Variablen, können dazu verwendet werden, die Kraftstoffmenge und den Einspritzzeitplan zur POx-Erzeugung für die anschließenden Zylindertakte zu bestimmen, wie es in4 beschrieben ist. - Der Motortaktzähler wird bei Block
170 inkrementiert. Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis (LKV) in den Zylindern kleiner als das Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnis (Soll-LKV) ist, wird dann das Verfahren zu Block170 zurückkehren, um mehr Dieselkraftstoff in die abgeschalteten Zylinder einzuspritzen. Wenn das Luft/ Kraftstoff-Verhältnis in den abgeschalteten Zylindern das erforderliche Niveau erreicht hat, werden dann bei Blöcken176 und178 die Zylinder wiederzugeschaltet, wobei die POx-Produkte in den Abgasstrom ausgestoßen werden, um die NOx-Falle zu regenerieren. Die Auslassventile werden anschließend bei Block180 geschlossen und die evakuierten Zylinder zur POx-Erzeugung werden durch die angeforderte Motorbetriebsart gesteuert. - Zusammengefasst betrifft die Erfindung ein Motorsteuerungssystem in einem Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung, einem Controller zum Steuern des Hubraums des Verbrennungsmotors mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung, wobei der Controller einen Teil der Zylinder in den Verbrennungsmotor mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung abschaltet, um die Abgastemperatur zu erhöhen.
Claims (10)
- Motorsteuerungssystem in einem Fahrzeug, mit: einem Verbrennungsmotor (
12 ,12A ,12B ,12C ,12D ) mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung, einem Controller zum Steuern der Ab- und Wiederzuschaltung von Zylindern des selbst zündenden Verbrennungsmotors (12 ,12A ,12B ,12C ,12D ) mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung, einer NOx-Falle (10 ,11 ), die mit dem Auspuff (14 ) des Verbrennungsmotors (12 ,12A ,12B ,12C ,12D ) mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung gekoppelt ist, wobei der Controller einen Teil der Zylinder (24 ) in dem Verbrennungsmotor (12 ,12A ,12B ,12C ,12D ) mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung abschaltet, um die Abgastemperatur zu erhöhen, wobei Kraftstoff in die abgeschalteten Zylinder (24 ) eingespritzt wird, um Produkte einer partiellen Oxidation zu erzeugen, und wobei die Produkte einer partiellen Oxidation nach einer Wiederzuschaltung von Ventilen (20 ,22 ) des zuvor abgeschalteten Zylinders (24 ) in den Auspuff (14 ) des Verbrennungsmotors (12 ,12A ,12B ,12C ,12D ) mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung freigegeben werden, um die NOx-Falle (10 ,11 ) zu regenerieren. - Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (
12 ,12A ,12B ,12C ,12D ) mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung ein Dieselmotor ist. - Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Produkte einer partiellen Oxidation Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Kohlenwasserstoffe oder Stickstoff umfassen.
- Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (
12C ,12D ) mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung ein Achtzylinder-Motor ist. - Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (
12A ,12B ) mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung ein Sechszylinder-Motor ist. - Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens einen Turbolader (
13 ), der mit dem Auspuff (14 ) des Verbrennungsmotors (12 ,12A ,12B ,12C ,12D ) mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung gekoppelt ist. - Verfahren zum Steuern eines Dieselverbrennungsmotors (
12 ,12A ,12B ,12C ,12D ) mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung, mit den Schritten, dass: der Dieselverbrennungsmotor (12 ,12A ,12B ,12C ,12D ) mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung in einer Betriebsart betrieben wird (160 ), in der ein Teil der Zylinder (24 ) abgeschaltet ist, Kraftstoff in abgeschaltete Zylinder (24 ) in dem Verbrennungsmotor (12 ,12A ,12B ,12C ,12D ) mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung eingespritzt wird, um Produkte einer partiellen Oxidation zu erzeugen, und die Produkte einer partiellen Oxidation nach einer Wiederzuschaltung von Ventilen (20 ,22 ) des zuvor abgeschalteten Zylinders (24 ) in einen Abgasstrom des Dieselverbrennungsmotors (12 ,12A ,12B ,12C ,12D ) mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung freigegeben werden, um eine katalytische Einrichtung (10 ,11 ) zu regenerieren. - Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Einrichtung (
10 ,11 ) eine NOx-Falle ist. - Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle Zylinder des Dieselverbrennungsmotors (
12 ,12A ,12B ,12C ,12D ) mit Zylinderabschaltung durch Ventildeaktivierung wieder zugeschaltet werden, nachdem die Abgastemperatur eine definierte Temperatur erreicht hat (156 ). - Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgastemperatur überwacht wird (
152 ).
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