DE19710833A1 - Verfahren zum schadstoffarmen Betrieb eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum schadstoffarmen Be­ trieb eines Verbrennungsmotors mit wenigstens einem Betriebs­ modus mit einem magerem Luft-/Kraftstoffverhältnis und einem Betriebsmodus mit im wesentlichen stöchiometrischem Luft- /Kraftstoffverhältnis, bei dem Maßnahmen zur Reduktion der Stickoxidrohemissionen vorgesehen sind.

Zur Einhaltung der gesetzlich vorgeschriebenen Emissions­ grenzwerte von Kraftfahrzeugen, insbesondere der Stickoxid­ grenzwerte, sind eine Vielzahl von Maßnahmen, sowohl zur Re­ duktion der Stickoxidbildung während des Verbrennungsprozes­ ses (Stickoxidrohemissionen) als auch durch nachträgliche Ab­ gasreinigung (z. B. durch einen Dreiwegekatalysator oder eine Stickoxidfalle), bekannt.

Eine bekannte Maßnahme zur Verminderung der Stickoxidrohemis­ sionen stellt eine Einrichtung zur Abgasrückführung (Exhaust Gas Recirculation) dar, bei der in bestimmten Motorbetriebs­ bereichen ein Teil der Abgase dem Verbrennungsprozeß wieder zugeführt wird, wodurch zu einer Reduktion des Stickoxidge­ haltes im Abgas kommt.

Die Abgasrückführeinrichtung stellt ein relativ aufwendiges System dar, durch das das Motor-/Abgassystem komplizierter, wartungsaufwendiger, teurer und schwerer wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Reduktion der Stickoxidroh­ emissionen insbesondere im stöchiometrischen Betriebsmodus zu schaffen, bei dem auf den Einsatz einer Abgasrückführ­ einrichtung verzichtet werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Stickoxidreduktion während des Betriebs im stöchiometrischen Modus in einem vorgegebenen Drehzahl-/Drehmomentbereich durch eine Zündzeitpunktverstellung vom wirkungsgradoptimalen Zeit­ punkt in Richtung "spät" bewirkt wird, und im Betriebsmodus mit magerem Gemisch der Zündzeitpunkt im wesentlichen wir­ kungsgradoptimal eingestellt wird.

Durch die Zündzeitpunktverstellung in Richtung "spät" wird der Verbrennungsprozeß in den einzelnen Zylindern so beein­ flußt, daß die Stickoxidrohemissionen auch ohne Einsatz einer Abgasrückführeinrichtung in im Hinblick auf die Abgasgrenz­ werte ausreichendem Maße vermindert werden können. Diese Maß­ nahme läßt sich mit einem im Vergleich zur Abgasrückung er­ heblich geringeren Aufwand implementieren, da der Zündzeit­ punkt bei den weit verbreiteten elektronischen Zündanlagen von einer elektronischen Motorsteuerung frei bestimmt werden kann.

Allerdings führt eine derartige "Spätverstellung" des Zündzeitpunktes grundsätzlich zu einer Verschlechterung des Motorwirkungsgrades. Deshalb kann in zweckmäßiger Ausgestal­ tung der Erfindung vorgesehen sein, daß der Verbrennungsmotor in einem gegenüber dem ersten vorgegebenen Drehzahl- /Drehmomentbereich niedrigere Drehzahlen und/oder Drehmomente umfassenden zweiten Drehzahl-/Drehmomentbereich mit einem ma­ geren Gemisch betrieben wird und daß der Verbrennungsmotor während des normalen Betriebs eines den Verbrennungsmotor aufweisenden Kraftfahrzeuges häufiger in diesem zweiten als im ersten Drehzahl-/Drehmomentbereich betrieben wird. Damit die erfindungsgemäße Maßnahme zur Stickoxidreduktion keinen nachteiligen Einfluß auf die Kraftstoffökonomie hat, kann also vorgesehen sein, daß der Motor in einem möglichst großen zweiten Drehzahl-/Drehmomentbereich mit einem mageren Gemisch betrieben wird, so daß sich die Wirkungsgradverschlechterung im ersten Bereich im Hinblick auf den Gesamtkraftstoffver­ brauch kaum auswirkt.

Neben den genannten Drehzahl-/Drehmomentbereichen können zweckmäßigerweise weitere Drehzahl-/Drehmomentbereiche vorge­ sehen sein, in denen der Motor z. B. mit einem fetten Gemisch betrieben wird, um den Drehzahl- bzw. Drehmomentanforderungen z. B. im Vollastbetrieb zu genügen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispiel­ haft näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt ein schematisches Drehzahl-/Dreh­ momentdiagramm zur Steuerung eines Kraftfahrzeugverbren­ nungsmotors gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei das Motordrehmoment M auf der Y-Achse gegenüber der Motordrehzahl n auf der X-Achse aufgetragen ist.

Ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug weist in bekannter Weise eine elektronische Motorsteuerung auf. Die Motorsteue­ rung bestimmt aus den Eingangsgrößen verschiedener Sensoren die aktuelle Motordrehzahl und das aktuell angeforderte Dreh­ moment. Abhängig von diesen Größen werden in bekannter Weise anhand eines vorgegebenen Tabellenspeichers oder anhand vor­ gegebener funktionaler Zusammenhänge verschiedene Motorparame­ ter bestimmt, insbesondere die Stellung von in den Zylin­ dereinlaßsystemen befindlichen asymmetrischen Drallklappen, eine Vorgabe für die Zusammensetzung des Luft-/Kraftstoff­ gemisches (mager, stöchiometrisch oder fett) und Zündzeit­ punktvorgabewerte für die einzelnen Zylinder.

Mit den Drallklappen (Swirl Control Valves) werden die Strö­ mungsverhältnisse im Zylindereinlaßkanal derart beeinflußt, daß die Verbrennungsstabilität insbesondere bei mageren Luft- /Kraftstoffverhältnissen verbessert wird, so daß der Motor kraftstoffsparend mit einem möglichst mageren Luft- /Kraftstoffverhältnis betrieben werden kann. Durch den Strö­ mungswiderstand der Drallklappen wird allerdings der maximale Luft-/Kraftstoffdurchsatz begrenzt, weshalb bei höheren Dreh­ zahlen-/Drehmomenten die Drallklappen mittels eines Stell­ glieds aus ihrer Wirkposition in eine Ausgangsposition ge­ bracht werden.

Gemäß der Figur sind sechs Drehzahl-/Drehmomentbereiche a, b, c, c*, d, e zu unterscheiden, deren Grenzkurven jeweils mit 1, 3, 4, 5 und 6 bezeichnet sind. Die Drehzahl-/Drehmoment­ bereiche werden im folgenden näher erläutert:
Bereich a:
Betrieb des Motors mit magerem Gemisch, wobei zur Gewährleistung einer stabilen Verbrennung mit möglichst magerem Gemisch die Drallklappe in ihre Wirkposition gebracht wird;
Bereich b:
Betrieb des Motors mit magerem Gemisch bei höhe­ ren Drehmomenten und/oder Drehzahlen, wobei die Drallklappe zur Verminderung von Strömungsverlu­ sten in ihre Ausgangsposition gebracht wird;
Bereich c:
Betrieb des Motors mit im wesentlichen stöchiome­ trischem Luft-/Kraftstoffverhältnis und mit in der Ausgangsposition befindlicher Drallklappe;
Bereich c*:
Betrieb des Motors wie im Bereich c, wobei jedoch der Zündzeitpunkt zur Reduktion der Stickoxide­ missionen vom wirkungsgradoptimalen Zündzeitpunkt in Richtung spät verstellt wird;
Bereich d:
stöchiometrischer Betrieb des Motors mit in Wirk­ position befindlicher Drallklappe (Schiebebe­ trieb);
Bereich e:
Betrieb mit angereichertem (fettem) Gemisch und in der Ausgangsposition befindlicher Drallklappe (Vollastanreicherung).

Abgesehen vom Bereich c* wird der Verbrennungsmotor in allen übrigen Drehzahl-/Drehmomentbereichen mit im wesentlichen wirkungsgradoptimalem Zündzeitpunkt betrieben. Der Bereich c* umfaßt, wie aus der Figur ersichtlich, einen relativ kleinen Drehzahl-/Drehmomentbereich. Innerhalb der vergleichsweise großen Drehzahl-/Drehmomentbereiche a, b wird der Motor im Ma­ germodus betrieben, in dem keine Maßnahmen zur Reduktion der Stickoxidrohemissionen erforderlich sind. Bei üblichen Mager­ verbrennungsmotoren kann der Bereich c* etwa innerhalb eines Fensters zwischen 3000 bis 5000 Umdrehungen pro Minute und einem Drehmoment zwischen 50 und 80 Nm liegen. Die optimale Größe hängt von der konkreten Ausbildung des Verbrennungsmo­ tors ab und wird vorzugsweise experimentell bestimmt.

Bei konventionellen Verbrennungsmotoren, die lediglich mit stöchiometrischem oder fettem Gemisch betrieben werden, müßten Maßnahmen zur Reduzierung der Stickoxidrohemissionen auch in Teilen der Bereiche a und b erfolgen. Bei einem kon­ ventionellen Motor wäre eine Spätverstellung als Maßnahme zur Stickoxidreduktion somit mit einem relativ großen Kraftstoff­ mehrverbrauch verbunden, so daß bei diesen konventionellen Verbrennungsmotoren der Einsatz einer Abgasrückführeinrich­ tung vorzuziehen wäre.

Wie anhand der beispielhaften Kurve 2, die den Fahrwiderstand im fünften Gang darstellt, deutlich wird, wird der Motor re­ lativ selten im Bereich c* betrieben, nämlich nur bei be­ stimmten Beschleunigungsvorgängen. Infolgedessen wirkt sich die Wirkungsgradverschlechterung im Bereich c* im Hinblick auf den Gesamtkraftstoffverbrauch kaum aus.

Claims (2)

1. Verfahren zum schadstoffarmen Betrieb eines Verbrennungs­ motors mit wenigstens einem Betriebsmodus mit einem magerem Luft-/Kraftstoffverhältnis und einem Betriebs­ modus mit im wesentlichen stöchiometrischem Luft-/Kraft­ stoffverhältnis, bei dem Maßnahmen zur Reduktion der Stickoxidrohemissionen vorgesehen sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stickoxidreduktion während des Betriebs im stöchiometrischen Modus in einem vorgegebenen Dreh­ zahl-/Drehmomentbereich (c*) durch eine Zündzeitpunktver­ stellung vom wirkungsgradoptimalen Zeitpunkt in Richtung "spät" bewirkt wird, und im Betriebsmodus mit magerem Gemisch der Zündzeitpunkt im wesentlichen wirkungsgrad­ optimal eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor in einem gegenüber dem ersten vor­ gegebenen Drehzahl-/Drehmomentbereich (c*) niedrigere Drehzahlen und/oder Drehmomente umfassenden zweiten Dreh­ zahl-/Drehmomentbereich (a, b) mit einem mageren Gemisch betrieben wird und daß der erste und der zweite Drehzahl- /Drehmomentbereich so gewählt sind, daß der Verbrennungs­ motor während des normalen Betriebs eines den Verbren­ nungsmotor aufweisenden Kraftfahrzeuges häufiger in die­ sem zweiten als im ersten Drehmoment-/Drehzahlbereich be­ trieben wird.