DE19646651C1 - Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es sind fremdgezündete Brennkraftmaschinen (DE 43 10 145 A1) bekannt, bei denen die Zylinder gruppenweise mit magerem und fettem Gemisch versorgt werden, um durch das Zusammenwirken des bei der mageren Verbrennung verbleibenden Luftüber­ schusses mit den bei der fetten Verbrennung verbleibenden Verschwelungszwischenprodukten im Katalysatorbereich auch dann eine ausreichende Betriebstemperatur für die Umwandlung der Schadstoffe zu erreichen, wenn die Brennkraftmaschine im Leerlauf oder Teillastbetrieb betrieben wird. Ein zu frühzeitiges Zusammenkommen der aus der mageren und fetten Verbrennung resultierenden Teilgasströme, und eine damit verbundene, zu frühzeitige Reaktion wird bei der bekannten Lösung dadurch vermieden, daß die beiden Teilgasströme zunächst getrennt geführt und erst nahe dem Katalysator auf eine gemeinsame Abgasleitung zusammengeführt werden. Der bauliche Aufwand einer solchen Konstruktion ist nicht unerheblich und im Hinblick auf die Platzverhältnisse in Kraftfahrzeugen insbesondere dann problematisch, wenn nicht aus anderen Gründen bereits getrennt verlaufende Abgasstränge zur Anwendung kommen müssen. Auch ist die große Masse und Oberfläche vor dem Katalysator aus Erwärmungsgründen unerwünscht, und es ist mit einer solchen Anlage kein befriedigender Magerbetrieb mit dem Ziel der Kraftstoff­ einsparung möglich.

Ferner ist es bekannt, eine Brennkraftmaschine während jeweils vorbestimmter Zeitintervalle abwechselnd mit magerem und fettem Gemisch zu betreiben, um während der fetten Phase die zur katalytischen Reduktion notwendigen, überschüssigen Reaktionspartner für die Stickoxidreduktion zu produzieren (DE 195 06 980 A1), da im Magerbetrieb diese Reaktionspartner großteils im Abgasrohr vorverbrannt werden, bevor sie den Reduktionskatalysator erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Reaktionsmechanismen zur Sicherstellung einer zufrieden­ stellenden katalytischen Nachbehandlung der Abgase auf einem anderen Wege mit verringertem baulichen Aufwand zu erreichen, und dies insbesondere für mager betriebene Motoren.

Bei der entsprechenden, im Anspruch 1 umrissenen Lösung wird zunächst von dem Gedanken Gebrauch gemacht, auf eine starre Aufteilung von fett- und magerbetriebenen Zylindergruppen zu verzichten, da ein solcher Arbeitsbetrieb, auch wenn er nicht über alle Betriebsbereiche des Motores beibehalten wird, insbesondere bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen zu unterschiedlichen Beanspruchungen der Einspritzorgane führt, mit der Gefahr einer Verkokung der auf der Fettseite einge­ setzten Einspritzdüsen.

Desweiteren sind im Betrieb die Abgasmengen und Abgas­ zusammensetzungen bekanntlich schwankend, und es verfügt auch der Katalysator über ein Speichervolumen für Reaktions­ produkte, so die anfallenden Stickoxide. Dem wird dadurch Rechnung getragen, daß entsprechend dem Bedarf für den fetten Betrieb ein oder mehrere Zylinder eingesetzt werden, auch in Abhängigkeit von der Zahl der Zylinder der Brennkraft­ maschine, wodurch die fettbeaufschlagten Zylinder mit entsprechend hoch angefettetem Gemisch gefahren werden können, so daß ungeachtet der auftretenden Vermischungen im Abgasstrang auch bei insgesamt vergleichsweise geringem Bedarf an Verschwelungszwischenprodukten im Katalysator noch die angestrebten Reaktionen zur Stickstoffoxidreduktion stattfinden können.

Es ist mit anderen Worten im Rahmen der Erfindung durch die Zahl der fettbetriebenen Zylinder, den jeweiligen Anfettungs­ grad und eine Diskontinuität in bezug auf den Betrieb der mit fettem Gemisch versorgten einzelnen Zylinder ein weiter Rahmen der Anpassung an die jeweiligen Betriebsumstände gegeben, und damit die Möglichkeit, trotz voraufgegangener Reaktionen im Abgasstrang am Katalysator noch Verhältnisse zu erhalten, die eine effektive Arbeit des Katalysators gewährleisten. Dies gilt auch für den Magerbetrieb, und für Betriebsweisen, bei denen je nach Betriebsbedingung zwischen stöchiometrischem Betrieb und unterschiedlichen Magermischungen hin- und hergeschaltet wird.

Eine weitere diesbezügliche Möglichkeit besteht darin, die Anfettung erst gegen Ende bzw. nach Ablauf des jeweiligen Verbrennungsprozesses in einem Zylinder vorzunehmen, durch zusätzliche Einspritzung in die Endphase der Verbrennung oder erst nach deren Ablauf. Im Rahmen eines rechnergesteuerten Betriebes einer Brennkraftmaschine lassen sich die angesprochenen Maßnahmen ohne Zusatzeinrichtung und auch mit vertretbarem regelungstechnischen Aufwand erreichen. Zweckmäßigerweise wird die nachspritzende Düse dann im näch­ sten, oder einem der darauffolgenden Arbeitsspiele wieder mager betrieben, und die Nacheinspritzung von einer anderen Düse übernommen, um eine Verkokung der jeweils fett einspritzenden Düse zu vermeiden.

Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet also auf Basis der Überlegung, eine Anfettung in z. B. nur einem Zylinder mit einer so großen Übermenge zu betreiben, daß die dabei entste­ henden Kohlenwasserstoffe großteils bis zum Katalysator erhalten bleiben. Neben der Verkokung der Düsen wird durch den Wechsel der bzw. des fett zu betreibenden Zylinder(s) auch eine Verkokung der entsprechenden Zylinder vermieden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spieles näher erläutert, das eine fremdgezündete Brennkraft­ maschine mit Ansaug- und Abgastrakt zeigt.

In der schematisierten Darstellung ist mit 1 der Motorblock einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine bezeichnet, die dreizylindrig ausgeführt ist und auf deren Zylinder Saugrohre 2 bis 4 ausmünden, die über einen Luftfilter 5 und dazwischen liegende Luftführungskanäle 6 mit Frischluft beaufschlagt werden.

Die Saugrohre 2 bis 4 sind jeweils bevorzugt nahe ihrem zylinderseitigen Einlaß mit Kraftstoffeinspritzventilen 7 bis 9 versehen, auf die eine Kraftstoffleitung 10 mit entsprechenden Anschlüssen ausmündet und die über ein Steuergerät 11 und entsprechende Steuerleitungen 12 bis 14 ansteuerbar sind.

Auslaßseitig sind den Zylindern, analog zu den Saugrohren 2 bis 4, Auslaßstutzen 15 bis 17 zugeordnet, die mit einem ent­ sprechenden Sammelrohr einen Abgaskrümmer 18 bilden, an den ein gemeinsamer Abgaskanal 19 anschließt, in dem der Katalysator 20 und der Schalldämpfer 21 liegen.

Stromauf des Katalysators 20 ist im Auslaßkanal 19 eine Lambdasonde 22 angeordnet, die über eine Steuerleitung 23 an das Steuergerät 11 angeschlossen ist. In diesem werden auch die weiteren, den erfindungsgemäßen Verfahrensablauf beeinflussenden Steuergrößen erfaßt und rechnerisch in entsprechende Steuerbefehle für die Kraftstoffeinspritz­ ventile 7 bis 9 umgesetzt, wobei dieser zylinderspezifischen Kraftstoffeinspritzung gegebenenfalls, was hier nicht näher dargestellt ist, einen zylinderspezifische Steuerung der angesaugten Kraftstoffluftmenge überlagert sein kann, ergänzend zur leistungsabhängigen Steuerung der gesamten Ansaugluftmenge.

Für den Betrieb der Brennkraftmaschine wird in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand - und in Abhängigkeit von der Zahl der Zylinder der Brennkraftmaschine - zumindest in den abgastechnisch kritischen Lastbereichen eine Versorgung zumindest der Mehrzahl der Zylinder mit magerem Gemisch vorgesehen, der eine Versorgung eines oder einzelner Zylinder mit fettem Gemisch derart überlagert ist, daß insgesamt ein Betrieb mit einem annähernd stöchiometrischen Luftkraftstoff­ verhältnis erreicht wird, wobei das durch die magere Grund­ versorgung erreichte Defizit durch quasi punktuelle Versor­ gung mit fettem Gemisch mit der Folge ausgeglichen wird, daß durch die zeitlich und/oder zylinderspezifisch punktuelle Überfettung im Katalysator Verschwelungszwischenprodukte anfallen, die mit den im Katalysator gespeicherten Stickoxiden reagieren, weswegen in die zeitliche und/oder mengenmäßige Bestimmung der Einspritzmenge für den und/oder die mit fettem Gemisch betriebenen Zylinder auch das jeweils im Katalysator gespeicherte und freisetzbare Reaktionsvolumen an Stickoxyden eingeht.

Da bei mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen die Ansaugvoraus­ setzungen auf die einzelnen Zylinder unterschiedlich sind und einzelne Zylinder einen geringeren Füllungsgrad erreichen als andere, erweist es sich insbesondere für die Düsendimensio­ nierung als vorteilhaft, diese einen geringeren Füllungsgrad aufweisenden Zylinder bevorzugt für den Betrieb mit fettem Gemisch heranzuziehen, auch wenn insgesamt wechselnde Zylinder mit fettem Gemisch betrieben werden. Sofern jedoch die Düsenverkokung beim Direkteinspritzer gegebenenfalls zeitweilig ein Problem darstellt, kann die Überfettung entsprechend zeitweilig auf den Zylindern mit höherem Füllungsgrad vorgenommen werden.

Ein bezüglich der Versorgung mit fettem Gemisch in Intervallen er folgender Betrieb kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß bezogen auf den jeweils abwechselnd zur Versorgung mit fettem Gemisch in Frage kommenden Zylindern Versorgungspausen vorgesehen werden, beispielsweise derart, daß bezogen auf einen Vierzylinder-Viertakt-Motor alle Zylinder über einen Arbeitszyklus mager betrieben werden, und daß im darauffolgenden Arbeitszyklus für einen Zylinder ein fetter Betrieb vorgesehen wird. Hierdurch läßt sich die Anfettung punktuell steigern, und auch ihre Zumeßgenauig­ keit, und es wird im Katalysator kurzzeitig eine besonders hohe Reaktionsfähigkeit erreicht.

Claims (12)

1. Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Brennkraft­ maschine mit Lambdasonde, zylinderspezifischer Kraftstoffeinspritzung, über die Lambdasonde vorgegebener Einspritzgesamtmenge und rechnerischer Verteilung der Einspritzgesamtmenge auf die einzelnen Zylinder derart, daß ein Teil der Zylinder mit magerem und ein anderer Teil der Zylinder mit fettem Gemisch versorgt und in der Summation über alle Zylinder ein vorgegebenes Luft- Kraftstoff-Verhältnis erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, daß wechselnde Zylinder mit fettem Gemisch betrieben werden und die die Anfettung des Gemisches bestimmende Übermenge für den oder die mit fettem Gemisch jeweils betriebenen Zylinder rechnerisch auf das jeweils im Katalysator gespeicherte und freisetzbare Reaktions­ volumen zur Stickoxidreduktion abgestimmt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich ein Zylinder mit fettem Gemisch betrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zylinder mit fettem Gemisch betrieben werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine lediglich in Intervallen auf zumindest einem ihrer Zylinder mit fettem Gemisch betrieben wird.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit fettem Gemisch jener (jene) Zylinder betrieben wird (werden), der (die) im Quervergleich aller Zylinder einer Brennkraftmaschine die schlechteste Luftversorgung aufweist (aufweisen).

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit fettem Gemisch jener (jene) Zylinder betrieben wird (werden), der (die) die beste Luftversorgung aufweist (aufweisen).

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anfettung des Gemisches durch eine zusätzliche Einspritzung in die Endphase der Verbrennung des jeweiligen Zylinders erreicht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anfettung des Gemisches durch eine zusätzliche Einspritzung nach Ablauf der Verbrennung im jeweiligen Zylinder erreicht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgegebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgegebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis teilweise stöchiometrisch ist.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die im Katalysator gespeicherte Stickoxidmenge in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern ein Maß für die Anfettung des Gemisches bildet.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anfettung des Gemisches von einem Prozessor gesteuert wird, der die im Katalysator gespeicherte Stickoxidmenge rechnerisch integriert und in Abhängigkeit von Betriebsparametern reduziert.