DE19643027A1 - Verfahren zur Verminderung der Schadstoffemissionen eines Ottomotors - Google Patents

Description

Zur Verminderung der bei einem Ottomotor insbesondere nach einem Kaltstart entstehenden Kohlenwasserstoff- und/oder Kohlenmonoxidemissionen wurde bisher Frischluft in die Abgasleitung meist kurz hinter den Auslaßventilen einge­ blasen. Bei einer genügend hohen Abgastemperatur oxidieren die genannten Schadstoffkomponenten mit dem Sauerstoff dieser zusätzlich in die Abgasleitung eingeblasenen Luft, was eine Verminderung der Kohlenwasserstoff- und der Kohlen­ monoxidemissionen bewirkt. Da die hierbei stattfindenden Reaktionen exotherm ablaufen und Wärme freisetzen, wird beispielsweise bei einem Kaltstart das Abgassystem und insbesondere der Katalysator schneller aufgeheizt, der damit schneller seine Betriebstemperatur erreicht. Dadurch wird nochmals eine Verminderung der Emissionen an Kohlen­ wasserstoff, Kohlenmonoxid und Stickoxiden erreicht.

Das Einblasen der Frischluft erfolgt in der Regel über eine elektrisch oder mechanisch angetriebene Pumpe, deren Massenstrom annähernd konstant ist. Eine optimale Umsetzung der unverbrannten oder teilverbrannten Abgaskomponenten erfordert über den Gesamtlastbereich des Motors stets einen Luftüberschuß, der möglichst bei einem Lambdawert im Abgas zwischen 1,2 und 1,3 liegen soll und der sich aus den Ver­ brennungsluftverhältnissen des Motors sowie der in die Abgasleitung eingeblasenen Frischluft zusammensetzt. Da sich der Massenstrom durch den Verbrennungsmotor und somit der Abgasmassenstrom in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und des Lastzustandes des Motors, also zwischen Leerlauf­ betrieb und Vollast bei höchster Drehzahl, um das bis zu 80-fache ändern kann, war die Einhaltung eines günstigen Lambdawertes in der Abgasleitung bisher nicht möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Lambda­ wert im Abgasstrom in allen Betriebsbereichen des Motors möglichst konstant zu halten.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur Minderung des Kohlenwasserstoff- und/oder Kohlenmonoxid- und/oder Stickoxidgehaltes in den Abgasen eines Ottomotors, bei dem in die Abgasleitung Frischluft mittels einer Pumpe eingeblasen wird und wobei der Frisch­ luftmassenstrom zur Einhaltung eines Luftüberschusses im Abgas zwischen Lambda = 1,1 und Lambda = 1,4, vorzugsweise Lambda = 1,2 und Lambda = 1,3 in Abhängigkeit vom Abgas­ massenstrom gesteuert wird. Durch diese Maßnahme wird eine optimale Nachreaktion verbrannter und teilverbrannter Brenn­ stoffanteile im Abgas gewährleistet. In Kaltstartphasen ergibt sich hierdurch eine schnellere Aufheizung des Kata­ lysators, der somit früher seine Betriebstemperatur erreicht und damit früher wirksam wird. Der jeweils zu berücksichti­ gende Motorluftdurchsatz sowie der Brennstoffdurchsatz als Sollwert für die Steuerung des Frischluftmassenstroms kann nun nach den unterschiedlichsten Parametern des Motor­ betriebes erfolgen. Hierzu können die Motordrehzahl und der Luftmassenstrom gewählt werden. Bei einer elektroni­ schen Motorsteuerung, in der zusätzlich zu den vorstehend genannten Parametern weitere Parameter, wie beispielsweise Lufttemperatur, Kühlwassertemperatur, Kraftstoffmenge bzw. Einspritzzeit, Zeit seit Motorstart, Saugrohrdruck, Drossel­ klappenwinkel etc. sowie die tatsächliche Lastanforderung durch das "Gaspedal" zur Erzeugung von Stellsignalen berück­ sichtigt werden, kann in gleicher Weise auch ein den jewei­ ligen Abgasmassenstrom repräsentierendes Stellsignal zur Regelung des Frischluftmassenstroms abgegriffen werden.

Auch eine Steuerung als Funktion der Katalysatortemperatur, entweder direkt gemessen mit einem Temperaturfühler oder aber rechnerisch ermittelt mit Hilfe eines bereits im Motor­ steuergerät integrierten Abgastemperaturmodells ist zweck­ mäßig.

Zur Steuerung des Frischluftmassenstroms sind unterschied­ liche Verfahrensweisen möglich. Die Änderung kann beispiels­ weise über eine Änderung der Pumpendrehzahl erfolgen. Bei der Verwendung einer mehrstufigen Pumpe oder bei der Ver­ wendung mehrerer parallel geschalteter Pumpen ist ein stufenweises Veränderung des Frischluftmassenstroms über ein stufenweises Zu- und Abschalten der einzelnen Pumpen­ stufen bzw. der einzelnen Pumpen möglich. Bei der Verwen­ dung mehrerer parallel geschalteter Pumpen kann dieses stufenweise Zu- und Abschalten der Pumpen auch noch mit einer Drehzahlregelung der Pumpen selbst kombiniert werden.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Frischluftstrom über eine Änderung des freien Strömungsquerschnitts der Frischluftleitung geregelt wird. Die Querschnittsänderung kann hierbei in bezug auf die Pumpe sowohl saugseitig als auch druckseitig erfolgen, wobei in diesen Fällen zweckmäßigerweise eine Pumpe mit konstantem Luftdurchsatz eingesetzt wird.

In weiterer Ausgestaltung ist hierbei erfindungsgemäß vor­ gesehen, daß der freie Strömungsquerschnitt kontinuierlich verändert wird. Dies kann beispielsweise durch entsprechend gestaltete, mit einem Stellantrieb versehene Stellventile bewirkt werden, wobei über den Stellantrieb und/oder über die Öffnungscharakteristik des Stellventils eine Anpassung an den als Sollwert vorgegebenen Abgasmeßstrom möglich ist.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der freie Strömungsquerschnitt stufenweisen verändert wird. Dies ist beispielsweise über entsprechend ausgebildete Schaltventile mit einer definierten Anzahl von Schaltstel­ lungen mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten möglich.

In vielen Fällen ist es hierbei ausreichend, wenn der zuzu­ führende Frischluftmassenstrom in zwei unterschiedlichen Größen zugeführt wird, um in den heute vorgeschriebenen Abgastestzyklen eine ausreichende Schadstoffreduzierung zu erreichen. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren in einfacher Weise umgesetzt werden durch die Verwendung einer zweistufigen Pumpe, bei der die einzelnen Stufen zu- und abschaltbar sind.

Bei der Verwendung einer Pumpe mit konstantem Luftdurchsatz wird dies dann verwirklicht mit einem Schaltventil in der Frischluftleitung, das zwei unterschiedliche Strömungsquer­ schnitte freigibt. Da in den bereits heute verwendeten Einblassystemen ein Abschaltventil angeordnet ist, das bei nichtlaufender Pumpe aber laufendem Motor geschlossen wird, um ein Rückströmen des heißen Abgases in die Pumpe zu vermeiden, kann dies durch ein Schaltventil verwirklicht werden, das den vollständigen Strömungsquerschnitt freigibt und dann in eine zusätzliche Zwischenstellung mit geringerem Strömungsquerschnitt sowie in die vollständige Schließstel­ lung schaltbar ist.

Die Erfindung wird anhand einer schematischen Zeichnung in Form eines Blockschaltbildes näher erläutert.

Ein Verbrennungsmotor mit Fremdzündung, der hier nur durch einen Zylinder 1 mit Kolben 2 schematisch angedeutet ist, weist je Zylinder einen Luftansaugkanal 3 mit zugeordneter Kraftstoffeinspritzdüse 4 sowie Abgaskanal 5 auf. Da ein Ottomotor in den üblichen Anwendungsfällen mehrere Zylinder aufweist, werden die Abgaskanäle 5 der einzelnen Zylinder in unmittelbarer Nähe zu den einzelnen Zylindern zu einer Abgasleitung 6 zusammengefaßt, durch die der Abgasstrom zu einem Katalysator 7 geführt wird.

Der Motor insgesamt wird bei dem dargestellten Ausführungs­ beispiel über eine elektronische Motorsteuerung 8 angesteu­ ert, in der die einzelnen für den Betrieb relevanten Be­ triebsdaten erfaßt und zu entsprechenden Stellsignalen verarbeitet werden. Hierzu gehören in erster Linie die Motordrehzahl "n" und der durch das "Gaspedal" 9 vom Fahrer vorgegebene Lastwunsch, aber auch die im Luftansaugkanal 3 erfaßten Daten der Ansauglufttemperatur, der Ansaugluft­ massenstrom und der Saugrohrdruck. Dies ist durch die ent­ sprechenden Signalleitungen zur Motorsteuerung 8 schema­ tisch angedeutet. Auch die Abgastemperatur wird zweck­ mäßigerweise erfaßt. Die von der elektronischen Motorsteue­ rung 8 erfolgenden Ansteuerungen der einzelnen Motoraggre­ gate und Motorelemente wie Zündung, Kraftstoffeinspritzzeit und Kraftstoffeinspritzmenge sind bekannt und werden hier nicht näher dargestellt.

Dem Verbrennungsmotor ist eine beispielsweise elektrisch angetriebene Luftpumpe 10 zugeordnet, durch die über eine Zuleitung 11 Frischluft in den Abgastrakt 5, 6 eingeführt werden kann. Die Frischluft kann hierbei entweder in die Abgassammelleitung 6 eingeblasen werden. Zweckmäßig ist es jedoch, wenn über einen entsprechend ausgebildeten Ver­ teiler die Frischluft jeweils zu den einzelnen Abgaskanälen 5 unmittelbar hinter den Gasauslaßventilen des jeweiligen Zylinders eingeblasen wird.

Ist die Luftpumpe 10 mit einem drehzahlregelbaren Antriebs­ motor ausgerüstet, dann kann der über die Frischluftlei­ tung 11 in den Abgastrakt 5, 6 einzuleitende Frischluft­ massenstrom über eine entsprechende Drehzahländerung des Antriebs der Luftpumpe 10 erfolgen. Die Ansteuerung erfolgt hierbei über die elektronische Motorsteuerung in Abhängig­ keit von dem jeweils vorgegebenen, den Abgasmassenstrom repräsentierenden Sollwert.

Wird eine Luftpumpe 10 mit konstanter Fördermenge eingesetzt, dann muß in der Frischluftleitung 11, wie hier dargestellt, ein Schaltventil 12 eingesetzt werden, das mit einem entspre­ chenden Stellantrieb versehen ist.

Für eine kontinuierliche Veränderung des Frischluftmassen­ stroms ist eine entsprechende Öffnungscharakteristik des Ventils einerseits und eine entsprechende stufenlose Verstel­ lung über den Ventilantrieb andererseits notwendig. Dies kann beispielsweise über einen elektrischen Stellmotor erfolgen, der ebenso wie für das vorstehende Beispiel der drehzahlregelbaren Luftpumpe über die Motorsteuerung 8 angesteuert wird.

Will man eine weniger aufwendige Schaltungsanordnung ein­ setzen, dann kann das Schaltventil 12 so ausgebildet sein, daß der freie Strömungsquerschnitt in drei Schaltstellungen veränderbar ist, nämlich "vollgeöffnet", "teilgeöffnet" und "geschlossen".

Verwendet man, wie im Schaltschema dargestellt, für das Abschaltventil 12 ein unterdruckgesteuertes Abschaltventil, dann kann dieses über entsprechende Elektroumschaltventile 13 und 14 erfolgen, die über die Motorsteuerung angesteuert werden und die die erforderliche Schaltenergie zur Betätigung des Abschaltventils 12 über eine entsprechende Zweigleitung 15 aus dem Luftansaugkanal 3 abgreifen, in dem im Leerlauf sowie in der Teillast des Motors ein genügend hoher Unter­ druck herrscht.

Die zuletzt beschriebene Ausgestaltung mit einem stufenweise veränderbaren Schaltventil kann auch dann eingesetzt werden, wenn beispielsweise die Luftpumpe 10 entweder in ihrer Drehzahl stufenweise schaltbar ist oder aber als beispiels­ weise zweistufige Pumpe mit einzelnen zu- und abschaltbaren Pumpenstufen ausgebildet ist, so daß für die jeweilige Stufenschaltung auch noch über das stufenweise betätigbare Schaltventil Zwischenstufen einstellbar sind.

Sofern die Förderleistung der Luftpumpe 10 nicht genau genug quantifiziert werden kann, ist es zweckmäßig, wenn in der Frischluftleitung 11 vor oder hinter der Luftpumpe 10 oder in Strömungsrichtung hinter dem Schaltventil ein Sensor 17 angeordnet ist, der den Massenstrom der Frisch­ luft erfaßt, so daß dieser Meßwert über die Motorsteuerung 8 bei der Ansteuerung des Schaltventils 12 und/oder der Luftpumpe 10 mit berücksichtigt wird.

Fakultativ ist es mit einer Lambda-Sonde 16, die unmittel­ bar bei Motorstart etwa durch eine Zusatzheizung betriebs­ bereit ist, und die auch im Luftüberschußbereich hinrei­ chend genaue Meßwerte ergibt, möglich, ein entsprechendes Steuersignal zu erzeugen. Über dieses Steuersignal können dann die Luftpumpe 10 und/oder die Umschaltventile 13 und 14 angesteuert werden. Damit wird dann der in den Abgastrakt einzulassende Frischluftmassenstrom unmittelbar in Abhängig­ keit vom einzuhaltenden Lambdawert gesteuert.

Claims (8)

1. Verfahren zur Verminderung des Kohlenwasserstoff- und/ oder Kohlenmonoxid- und/oder Stickoxid-Gehaltes in den Abgasen eines Ottomotors, bei dem in die Abgasleitung Frischluft mittels wenigstens einer Pumpe eingeblasen wird, wobei der Frischluftmassenstrom zur Einhaltung eines Luft­ überschusses im Abgas zwischen Lambda = 1,1 und Lambda = 1,3 in Abhängigkeit vom Abgasmassenstrom gesteuert wird.

2. Verfahren zur Verminderung des Kohlenwasserstoff- und/ oder Kohlenmonoxid- und/oder Stickoxid-Gehaltes in den Abgasen eines Ottomotors, bei dem in die Abgasleitung Frischluft mittels wenigstens einer Pumpe eingeblasen wird, wobei der Frischluftmassenstrom zur Einhaltung eines Luft­ überschusses im Abgas zwischen Lambda = 1,1 und Lambda = 1,3 in Abhängigkeit vom vorgegebenen Lambdawert im Abgas ge­ steuert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Frischluftmassenstrom über eine Änderung der Pumpen­ drehzahl verändert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Frischluftmassenstrom über eine Änderung des freien Strömungsquerschnitts der Frischluftleitung geregelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Strömungsquerschnitt kontinu­ ierlich verändert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Strömungsquerschnitt stufen­ weise verändert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Frischluftstrom durch Schalten von wenigstens zwei Pumpenstufen verändert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Frischluftmassenstrom in der Frisch­ luftleitung erfaßt und bei der Steuerung der Pumpe und/oder Veränderung des freien Strömungsquerschnitts berücksichtigt wird.