DE19723791C1 - Verfahren zur Entgiftung von Abgasen einer Kolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entgiftung von Ab­ gasen einer Kolbenbrennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Den Zylindern einer Kolbenbrennkraftmaschine wird jeweils über eine Einlaßleitung Frischgas zugeführt. In den Zylin­ dern wird zum Antrieb der Brennkraftmaschine ein Kraft­ stoff/Luft-Gemisch verbrannt, welches aus der angesaugten Frischluft und einer jeweils einer Zündung zugemessenen Kraftstoffmenge gebildet ist. Die Abgase der Zylinder wer­ den über eine Auslaßleitung abgeführt und vor dem Ausstoß in die Umwelt durch einen Katalysator geleitet, welcher die Schadstofffracht des Abgasstromes entfernt. Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird durch die fortlaufende Abgaspro­ duktion der Zylinder ein Druck erzeugt, welcher den Abgas­ strom durch den Katalysator zwingt.

Zum Gaswechsel in den Zylindern sind in dem Einlaßkanal und in dem Auslaßkanal jeweils Gaswechselventile angeordnet, welche von einer Steuereinrichtung gesteuert werden. Zur Frischladung wird ein Einlaßventil während des Ansaughubes des Kolbens von seinem Ventilsitz abgehoben, und zum Aus­ schieben der Abgase des vorherigen Arbeitsspieles öffnet das Auslaßventil. Der Frischgas-Durchsatz wird von den Gas­ wechselventilen bestimmt, welche von der Steuereinrichtung in Abhängigkeit von der Betriebslast der Kolbenbrennkraft­ maschine mit variabel einstellbarem Öffnungshub und/oder Öffnungsdauer gesteuert werden.

Beim Abschalten der Kolbenbrennkraftmaschine wird üblicher­ weise die Kraftstoffzufuhr unterbrochen und (bei fremdge­ zündeten Brennkraftmaschinen) die Zündung ausgeschaltet, so daß die Kolben in den Zylindern nicht mehr durch Kraft­ stoffverbrennung getrieben werden und die Brennkraftmaschi­ ne zum Stillstand kommt. Dabei verbleiben jedoch die Abgase der letzten befeuerten Arbeitsspiele der Zylinder vor dem Abschalten der Kolbenbrennkraftmaschine in den Brennräumen der Zylinder bzw. in dem stromauf des Katalysators liegen­ den Teil der Abgasleitung. Diese Abgase können ungereinigt aus der Kolbenbrennkraftmaschine während des Stillstandes entweichen, ebenso wie gegebenenfalls nach den letzten Ver­ brennungstakten verbleibende, unverbrannte Kraftstoffreste. Die Entgiftung durch den Katalysator ist bei Wiederinbe­ triebnahme der Brennkraftmaschine nicht möglich, da der Ka­ talysator in der Zwischenzeit abgekühlt ist und die Um­ wandlungsreaktion der Giftstoffe eine bestimmte Reaktions­ temperatur erfordert. Während der Warmlaufphase der Brenn­ kraftmaschine können die Abgase bis zum Erreichen der Be­ triebstemperatur des Katalysators diesen ungereinigt durchströmen, wodurch in dieser Betriebsphase der Brenn­ kraftmaschine hohe Abgasemissionen entstehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Entgiftung von Abgasen zu schaffen, durch das eine deutliche Reduzierung der Schadstoffemission in der Startphase der Kolbenbrennkraftmaschine erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Die Einstellung des maximalen Durchsatzes bewirkt eine Spü­ lung der Zylinder und der Auslaßleitung mit Frischluft. Das Trägheitsmoment der Kolbenbrennkraftmaschine, insbesondere das Trägheitsmoment eines mit der Kurbelwelle umlaufenden Schwungrades, gestattet beim Abschalten einen Nachlauf von einigen Umdrehungen der Kurbelwelle, in denen die mitlau­ fenden Kolben in den Zylindern Frischluft durch die für ma­ ximalen Durchsatz eingestellt geöffneten Einlaßleitungen ansaugen und in die gleichfalls maximal geöffneten Auslaß­ leitungen pumpen. Die nachgepumpte Frischluft drückt dabei die schadstoffhaltigen Abgase der letzten befeuerten Arbeitsspiele der Zylinder und gegebenenfalls unverbrannte Kraftstoffreste der unmittelbar nach Abstellen der Brenn­ kraftmaschine folgenden unbefeuerten Arbeitsspiele zur Entgiftung durch den Katalysator. Der größtmögliche Frischluftdurchsatz der Einlaß- und Auslaßleitungen infolge des maximalen Öffnungshubes und/oder der maximalen Öffnungsdauer der Gaswechselventile ermöglicht das Aus­ schieben einer großen Abgasmenge während der verbleibenden Umdrehungen der Kurbelwelle nach dem Abschalten der Brenn­ kraftmaschine.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend an­ hand der Zeichnung näher erläutert.

Die einzige Zeichnungsfigur zeigt in schematischer Darstel­ lung einen Längsschnitt durch einen Zylinder 2 einer Kol­ benbrennkraftmaschine 1. Die Kolbenbrennkraftmaschine 1 weist mehrere Zylinder auf, in denen jeweils ein Kolben 3 längsbeweglich angeordnet ist und einen Brennraum 4 be­ grenzt. Dem Brennraum 4 jedes Zylinders 2 ist über eine Einlaßleitung 3 Frischluft zuführbar, welche mit Kraftstoff einer nicht dargestellten Kraftstoff-Zumeßvorrichtung ge­ mischt wird. Das Kraftstoff/Luft-Gemisch wird im Brennraum 4 verbrannt und verdrängt dabei den Kolben 3, welcher mit einem Schubkurbeltrieb 12 eine Kurbelwelle 5 antreibt, wel­ che in einem Kurbelgehäuse 13 unterhalb der Zylinder 2 ge­ lagert ist. Nach dem Arbeitstakt des Kolbens 3 werden die Verbrennungsabgase über eine Auslaßleitung 17 aus dem Brennraum 4 ausgeschoben. Vor dem Ausstoß in die Umwelt wird der Abgasstrom 20 durch einen Katalysator 8 geleitet. Die Auslaßleitungen 17 aller Zylinder 2 sind zu einem ge­ meinsamen Abgasrohr zusammengefaßt, in dem der Katalysator 8 angeordnet ist. Ebenso werden die Einlaßleitungen 16 aller Zylinder 2 von einem gemeinsamen Saugrohr gespeist, durch das ein Frischluftstrom 19 durch die Saugwirkung der Kolben 3 gefördert wird.

Der Zugang des Einlaßkanals 16 und des Auslaßkanals 17 ist durch Abheben eines Einlaßventils 6 bzw. eines Auslaß­ ventils 7 durch Abheben von einem vorzugsweise im Brenn­ raumdach 14 liegenden Ventilsitz 15 zum Gaswechsel im Brennraum 4 freigebbar. Grundsätzlich öffnet dabei das Einlaßventil 6 während des Ansaughubes des Kolbens 3 und das Auslaßventil 7 während des Ausstoßhubes, wobei es im Bereich der Totpunkte der Kolbenbewegung zu Überschneidun­ gen der Öffnungszeiten kommt. Die Ventiltriebe 11 zum öffnenden Abheben und schließenden Aufsetzen des jeweiligen Gaswechselventils 6, 7 werden von einer Steuereinheit 9 betätigt. Der Durchsatz wird von den Gaswechselventilen 6, 7 bestimmt, deren Öffnungshub und/oder Öffnungsdauer variabel einstellbar ist, wobei das Steuergerät 9 in jedem Betriebspunkt der Kolbenbrennkraftmaschine 1 den jeweils optimalen Massendurchsatz beim Ladungswechsel einstellt. Die Lastanforderung 18 an die Brennkraftmaschine 1 wird dem Steuergerät 9 durch ein veränderliches Lastsignal ange­ zeigt, welches von einem entsprechenden Signalgeber, bei­ spielsweise einem Gaspedal, erzeugt wird. Abhängig von der Arbeitsweise des verwendeten Ventiltriebes 11 kann der Durchsatz der Gaswechselventile 6, 7 durch Beeinflussung des Öffnungshubes oder, wie beispielsweise im Anwendungs­ fall von Elektromagnetventilen, der Öffnungsdauer von der Steuereinheit 9 eingestellt werden.

Mit zunehmender Betriebslast und zunehmender Kurbelwellen­ drehzahl vergrößert das Steuergerät 9 den Öffnungshub und/oder verlängert die Steuerzeiten der Gaswechselventile 6, 7 und erhöht dadurch den Frischgasdurchsatz beim Gas­ wechsel zur Abgabe der angeforderten Leistung der Brenn­ kraftmaschine 1. Mit abnehmender Lastanforderung 18 wird entsprechend der Öffnungshub der Gaswechselventile 5, 6 verringert bzw. die Öffnungsdauer verkürzt und der Frisch­ gasdurchsatz somit reduziert.

Um beim Abschalten der Brennkraftmaschine 1 die Abgase der letzten befeuerten Arbeitsspiele der Zylinder 2 zu entgif­ ten, stellt das Steuergerät 9 den maximalen Durchsatz der Gaswechselventile 6, 7 ein. Das Abschalten der Brennkraft­ maschine 1 erfolgt durch eine Betätigung eines Zünd­ schlosses 10, welches bei Betätigung ein Abschaltsignal er­ zeugt und dem Steuergerät 9 zuführt. Nach Eingang des Ab­ schaltsignales veranlaßt das Steuergerät 9 neben den üb­ lichen Abschaltmaßnahmen, nämlich Sperrung der Kraftstoff- Zufuhr und (bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen), Ab­ schalten der Zündung, weiterhin die erfindungsgemäße Ein­ stellung des maximalen Durchsatzes der Gaswechselventile 6, 7. Nach dem Abschalten dreht die nun nicht mehr ange­ triebene Kurbelwelle 5 aus Trägheitsgründen einige Um­ drehungen weiter, wobei die Kolben Frischluft in die Aus­ laßleitungen 17 pumpen. Dabei werden die in den Brennräumen 4 und in den Auslaßleitungen 17 befindlichen Abgase in Richtung des Katalysators 8 gedrängt. Infolge des maximalen Öffnungshubes der Gaswechselventile 6, 7 und dem damit erreichten maximalen Durchtrittsquerschnitt kann der angesaugte Frischluftstrom 19 den Brennraum 4 ungehindert durchströmen, so daß gleichzeitig die Abbremsung der Kur­ belwelle 5 gemindert ist. Die schwache Abbremsung der Kur­ belwelle 16 erhöht die verbleibende Umdrehungszahl, so daß mit der entsprechend höheren Pumpleistung der Kolben eine größere Spülluftmenge gefördert werden kann. Der Durchsatz einer möglichst großen Spülluftmenge im Nachlauf der aus­ drehenden Brennkraftmaschine 1 wird ebenso durch die Ein­ stellung der maximal möglichen Ventilöffnungszeiten geför­ dert. Bestmögliche Resultate bei der Entgiftung der Abgase der letzten befeuerten Arbeitsspiele der Zylinder werden erreicht, wenn sowohl der variable Öffnungshub als auch die Öffnungsdauer der Gaswechselventile 6, 7 nach dem Abschal­ ten der Brennkraftmaschine 1 auf maximalen Durchsatz einge­ stellt werden. Zusätzlich kann der verbleibende Umdrehungs­ winkel der Kurbelwelle 5 im Nachlauf nach dem Ausschalten der Brennkraftmaschine 1 dadurch vergrößert werden, daß Nebenaggregate, welche von der Kurbelwelle 5 angetrieben werden und somit die Kurbelwelle bremsen, abgekuppelt wer­ den. Das Abkuppeln der Nebenaggregate, wie zum Beispiel eine Lichtmaschine, kann durch das Steuergerät 9 erfolgen.

Es kann jedoch auch vorteilhaft ein Nachlaufsteuergerät vorgesehen sein, welches nach Zuführung des Abschaltsignals des Zündschlosses 10 in Betrieb genommen wird und bis zum endgültigen Stillstand der Kurbelwelle 5 aktiv bleibt. Das Nachlaufsteuergerät erhöht kurzfristig die Drehzahl der Kurbelwelle 5 mit einer Nachlaufautomatik, beispielsweise durch Einflußnahme auf das Massenträgheitsmoment des Kur­ belwellentriebes, etwa an einem mit der Kurbelwelle 5 um­ laufenden Schwungrad. Durch das Nachlaufsteuergerät kann auch die Abkopplung der Nebenaggregate erfolgen.

Durch den erhöhten Nachlauf der Kurbelwelle 5 nach dem Ab­ schalten der Kolbenbrennkraftmaschine 1 wird eine genügend große Frischluftmenge zur Spülung angesaugt, welche das Ab­ gasvolumen in den Brennräumen 4, den Auslaßleitungen 17 und dem Abgasrohr stromauf des Katalysators 8 übersteigt. Der Frischluftstrom 19 drängt nach dem Abschalten der Brenn­ kraftmaschine 1 die Restabgase vollständig durch den Kata­ lysator 8, so daß ein von Schadstoffen befreiter Abgasstrom 20 stromab des Katalysators in die Umwelt entlassen wird. Ebenso werden unverbrannte Kraftstoffreste durch den Kata­ lysator 8 geleitet, welche insbesondere bei Gemischbil­ dungsverfahren mit Kraftstoffzumessung im Saugrohr auftre­ ten können. Das beschriebene Verfahren zur Entgiftung von Abgasen im Nachlauf eignet sich gleichermaßen für selbst­ zündende wie für fremdgezündete Kolbenbrennkraftmaschinen.

Die Betätigung der Gaswechselventile 6, 7 durch das Steuer­ gerät 9 erfolgt im Ausführungsbeispiel elektrisch. Dem Steuergerät 9 wird dabei als Bezugsmarke für die Steuervor­ gänge der Ventiltriebe 11 ein Signal mit Aussage über die Kolbenposition bzw. über den Kurbelwinkel des Schubkurbel­ triebes 12 zugeführt, welches von einem entsprechenden Signalgeber vorzugsweise bei Erreichen eines oder beider Totpunkte der Kolbenbewegung erzeugt wird. Das erfindungs­ gemäße Verfahren kann jedoch auch mit der gleichen vorteil­ haften Wirkung bei Kolbenbrennkraftmaschinen mit mechanisch arbeitenden Trieb- und Steuereinrichtungen, wie zum Beispiel Nockenwellenantrieben mit verdrehbaren oder zur Ventilhubänderung axial verschiebbaren Nockenwellen erfol­ gen.

Claims (5)

1. Verfahren zur Entgiftung von Abgasen einer Kolbenbrenn­ kraftmaschine (1) mit mindestens einem Zylinder (2), dem durch eine Einlaßleitung (16) Frischgas zur Ge­ mischbildung zugeführt wird und Abgas durch eine Aus­ laßleitung (17) abgeführt und vor dem Ausstoß in die Umwelt durch einen in einer Abgasanlage vorgesehenen Katalysator (8) geleitet wird, wobei der Frischgas- Durchsatz von Gaswechselventilen (6, 7) bestimmt wird, welche mit variabel einstellbarem Öffnungshub und/oder Öffnungsdauer von einer Steuereinrichtung (9) gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (9) beim Abschalten der Kolbenbrennkraftmaschine (1) den maximalen Durchsatz der Gaswechselventile (6, 7) ein­ stellt, wodurch die vor dem Abschalten der Kolbenbrenn­ kraftmaschine (1) während der letzten befeuerten Arbeitsspiele im Zylinder (2) erzeugten Abgase aufgrund des Restschwungmomentes der Kurbelwelle mittels Frisch­ luft durch die Abgasanlage in die Umgebung ausgestoßen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaswechselventile elektrisch von einem Steuergerät betätigt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zum Abschalten der Kol­ benbrennkraftmaschine (1) betätigtes Zündschloß (10) dem Steuergerät ein Abschaltsignal zuführt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Abschalten der Kolbenbrennkraftmaschine (1) die Last mindestens eines von einer Kurbelwelle (5) der Brennkraftmaschine (1) getriebenen Nebenaggregates von der Kurbelwelle (5) ab­ gekuppelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Nachlaufsteuergerät beim Abschalten der Kolbenbrennkraftmaschine in Betrieb genommen wird und bis zum Stillstand der Brennkraft­ maschine (1) aktiv bleibt.