DE19739847A1 - Brennkraftmaschine insbesondere für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei dem ein Kraftstoff/Luft-Gemisch in einem Brennraum verbrannt wird, und bei dem das bei der Verbrennung entstehende Abgas mittels eines Katalysators behandelt wird, wobei der Katalysator zur Reduzierung von Stickstoffoxiden und zur Oxidation von Kohlenwasserstoffen und/oder Kohlenmonoxiden geeignet ist. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit Mitteln zur Verbrennung eines Kraf tstoff/Luft-Gemisches in einem Brennraum, und mit einem Katalysator zur Behandlung des bei der Verbrennung entstehenden Abgases, wobei der Katalysator einen Speicherkatalysator und einen Oxidationskatalysator aufweist.

Ein derartiges Verfahren und eine derartige Brennkraftmaschine sind aus der deutschen Patentschrift DE 195 06 980 C2 bekannt. Dort werden die bei der Verbrennung entstehenden Abgase einem Katalysator zugeführt, der unter anderem zur Reduzierung von Stickstoffoxiden vorgesehen ist. Ein derartiger Katalysator wirkt einerseits als Oxidationskatalysator. Dies bedeutet, daß bei Sauerstoffmangel den Stickstoffoxiden der Sauerstoff entzogen und damit die bei der Verbrennung entstehenden Kohlenwasserstoffe und die ebenfalls entstehenden Kohlenmonoxide oxidiert werden. Bei Sauerstoffüberschuß könnte der Oxidationskatalysator an sich ebenfalls die Stickstoffoxide reduzieren. Aufgrund des im Überschuß vorhandenen Sauerstoffs findet diese Reaktion jedoch nicht statt und der Oxidationskatalysator verwendet statt dessen den Überschußsauerstoff. Andererseits wirkt der genannte Katalysator als Speicherkatalysator. Dies bedeutet, daß bei Sauerstoffüberschuß der Speicherkatalysator die bei der Verbrennung entstehenden Stickstoffoxide aufnimmt. Bei Sauerstoffmangel gibt der Speicherkatalysator die aufgenommenen Stickstoffoxide wieder ab.

Durch die Verwendung des Oxidationskatalysators und des Speicherkatalysators in dem genannten Katalysator wird erreicht, daß die bei Sauerstoffüberschuß von dem Oxidationskatalysator nicht verwertbaren Stickstoffoxide von dem Speicherkatalysator aufgenommen und zwischengespeichert werden. Bei Sauerstoffmangel können dann die von dem Speicherkatalysator wieder abgegebenen Stickstoffoxide von dem Oxidationskatalysator reduziert werden.

Der Speicherkatalysator kann jedoch nur eine begrenzte Masse an Stickstoffoxiden aufnehmen. Dies hat zur Folge, daß der Speicherkatalysator nach einer gewissen Beladungszeit, in der er die Stickstoffoxide aufnimmt, wieder entladen werden muß. Dieses Entladen wird bei Sauerstoffmangel erreicht. Es wird also die Brennkraftmaschine derart gesteuert und/oder geregelt, daß ein fettes Kraftstoff/Luft-Gemisch entsteht. Unter diesen Bedingungen gibt der Speicherkatalysator die Stickstoffoxide wieder ab, die in dem Oxidationskatalysator zur Oxidation der Kohlenwasserstoffe und/oder der Kohlenmonoxide verwendet werden. Als Reaktionsprodukte entstehen dann Stickstoff, Wasser und Kohlendioxid.

Es hat sich herausgestellt, daß bei einer derartigen Entladung des Speicherkatalysators häufig ein Überschuß an Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid vorhanden ist. Dieser Überschuß kann von dem aus den Stickstoffoxiden freiwerdenden Sauerstoff nicht oxidiert werden, so daß Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenmonoxid als Schadstoffe in die Umwelt gelangen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, das bzw. die in jedem Fall eine vollständige Oxidation der Kohlenwasserstoffe und/oder der Kohlenmonoxide ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Katalysator Luft zugeführt wird. Bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß vor dem Oxidationskatalysator Mittel zur Zuführung von Luft vorgesehen sind.

Durch die Zuführung der Luft ist es möglich, daß die Kohlenwasserstoffe und die Kohlenmonoxide von dem aus den Stickstoffoxiden freiwerdenden sowie von dem in der zugeführten Luft vorhandenen Sauerstoff oxidiert werden können. Auch ein Überschuß an Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxiden kann somit durch die zugeführte Luft abgebaut werden. Es wird damit erreicht, daß die gesamten Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxide in Wasser und Kohlendioxid umgewandelt werden. Schädliche Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenmonoxide werden somit nicht mehr in die Umwelt abgegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann einerseits bei einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden, bei der der Kraftstoff in das Ansaugrohr eingespritzt wird, und die vorzugsweise mit einem mageren Kraftstoff/Luft-Gemisch betrieben wird. Andererseits kann das erfindungsgemäße Verfahren bei einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden, bei der der Kraftstoff direkt in den Brennraum eingespritzt wird.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Luft während einer Betriebsphase zugeführt wird, in der die Brennkraftmaschine einen Sauerstoffmangel aufweist. Dies ist genau diejenige Betriebsphase, in der der Überschuß an Kohlenwasserstoffen und/oder Kohlenmonoxiden am stärksten auftritt. Durch die Zuführung von Luft in dieser Betriebsphase wird gewährleistet, daß die Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxide vollständig oxidiert werden.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Pumpe zur Zuführung der Luft vorgesehen. Auf diese Weise wird die Zuführung der Luft auch dann sicher erreicht, wenn in dem Katalysator aufgrund der durchströmenden Abgase ein Überdruck vorhanden ist. Des weiteren kann die Pumpe mittels eines Steuergeräts in Abhängigkeit von der jeweiligen Betriebsphase steuerbar, also ein- und ausschaltbar sein.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein insbesondere von einem Steuergerät steuerbares Ventil vor dem Oxidationskatalysator angeordnet. Auf diese Weise kann sehr genau die Zuführung der Luft zu dem Oxidationskatalysator gesteuert und/oder geregelt werden.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn ein Rückschlagventil vor dem Oxidationskatalysator angeordnet ist. Auf diese Weise wird sicher verhindert, daß Abgase aus dem Katalysator entweichen, bevor sie oxidiert worden sind, und/oder daß Abgase zu der Pumpe gelangen.

Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs.

In der Figur ist eine Brennkraftmaschine 1 dargestellt, bei der ein Kolben 2 in einem Zylinder 3 hin- und herbewegbar ist. Der Zylinder 3 ist mit einem Brennraum 4 versehen, an den über Ventile 5 ein Ansaugrohr 6 und ein Abgasrohr 7 angeschlossen sind. Des weiteren sind dem Brennraum 4 ein Einspritzventil 8 und eine Zündkerze 9 zugeordnet.

In einer ersten Betriebsart, dem Schichtbetrieb der Brennkraftmaschine 1, wird der Kraftstoff von dem Einspritzventil 8 während einer durch den Kolben 2 hervorgerufenen Verdichtungsphase in den Brennraum 4 eingespritzt, und zwar örtlich in die unmittelbare Umgebung der Zündkerze 9 sowie zeitlich unmittelbar vor dem oberen Totpunkt des Kolbens 2. Dann wird mit Hilfe der Zündkerze 9 der Kraftstoff entzündet, so daß der Kolben 2 in der nunmehr folgenden Arbeitsphase durch die Ausdehnung des entzündeten Kraftstoffs angetrieben wird.

In einer zweiten Betriebsart, dem Homogenbetrieb der Brennkraftmaschine 1, wird der Kraftstoff von dem Einspritzventil 8 während einer durch den Kolben 2 hervorgerufenen Ansaugphase in den Brennraum 4 eingespritzt. Durch die gleichzeitig angesaugte Luft wird der eingespritzte Kraftstoff verwirbelt und damit in dem Brennraum 4 im wesentlichen gleichmäßig verteilt. Danach wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch während der Verdichtungsphase verdichtet, um dann von der Zündkerze 9 entzündet zu werden. Durch die Ausdehnung des entzündeten Kraftstoffs wird der Kolben 2 angetrieben.

Im Schichtbetrieb, wie auch im Homogenbetrieb wird durch den angetriebenen Kolben eine Kurbelwelle 10 in eine Drehung versetzt, über die letztendlich die Räder des Kraftfahrzeugs angetrieben werden.

Die im Schichtbetrieb und im Homogenbetrieb von dem Einspritzventil 8 in den Brennraum 4 eingespritzte Kraftstoffmasse wird von einem Steuergerät 11 insbesondere im Hinblick auf einen geringen Kraftstoffverbrauch und/oder eine geringe Abgasentwicklung gesteuert und/oder geregelt. Zu diesem Zweck ist das Steuergerät 11 mit einem Mikroprozessor versehen, der in einem Speichermedium, insbesondere in einem Read-Only-Memory ein Programm abgespeichert hat, das dazu geeignet ist, die genannte Steuerung und/oder Regelung durchzuführen.

Das Abgasrohr 7 ist mit einem Katalysator 12 verbunden, der mit einem Speicherkatalysator 13 zur Speicherung von Stickstoffoxiden sowie mit einem Oxidationskatalysator 14 zur Oxidation insbesondere von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxiden versehen ist. Der Speicherkatalysator 13 ist in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Oxidationskatalysator 14 angeordnet.

In Abhängigkeit von dem durch das Steuergerät 11 eingestellten Verhältnis des Kraftstoff/Luft-Gemisches ergibt sich in dem Brennraum 4 der Brennkraftmaschine 1 entweder ein Sauerstoffüberschuß, also ein mageres Gemisch, oder ein Sauerstoffmangel, also ein fettes Gemisch, oder ein stöchiometrisches Verhältnis des Kraftstoffs und der Luft. Das fette Gemisch wird insbesondere im Homogenbetrieb der Brennkraftmaschine 1 eingestellt, während das magere Gemisch zur Verbrauchsminderung insbesondere im Schichtbetrieb vorhanden ist.

Bei Sauerstoffüberschuß könnte der Oxidationskatalysator 14 an sich die dem Katalysator 12 zugeführten Stickstoffoxide reduzieren und damit den Stickstoffoxiden den Sauerstoff entziehen. Aufgrund des Sauerstoffüberschuß nimmt der Oxidationskatalysator 14 jedoch den im Überschuß vorhandenen Sauerstoff auf. Die von dem Oxidationskatalysator 14 nicht verwendeten Stickstoffoxide werden von dem Speicherkatalysator 13 aufgenommen und gespeichert. Dies stellt einen
Beladevorgang des Speicherkatalysators 13 dar, bei dem die Stickstoffoxide dem Katalysator 12 zufließen.

Bei Sauerstoffmangel gibt der Speicherkatalysator 13 die gespeicherten Stickstoffoxide wieder ab. Dies stellt einen Entladevorgang des Speicherkatalysators 13 dar, bei dem die Stickstoffoxide aus dem Katalysator 12 abfließen. Aufgrund des Sauerstoffmangels ist nicht ausreichend Sauerstoff vorhanden, weshalb der Oxidationskatalysator 14 den Stickstoffoxiden den Sauerstoff entzieht, um damit die bei der Verbrennung entstehenden Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxide zu oxidieren.

Der Speicherkatalysator 13 kann nicht unbegrenzt Stickstoffoxide speichern. Aus diesem Grund muß der Beladevorgang zeitlich begrenzt sein. Danach muß der Speicherkatalysator 13 wieder entladen werden. Diese Be- und Entladung wird von dem Steuergerät 11 durch eine entsprechende Sauerstoffzufuhr gesteuert und/oder geregelt. Die jeweilige Sauerstoffzufuhr wird durch den entsprechenden Betrieb der Brennkraftmaschine 1 im Homogenbetrieb oder im Schichtbetrieb erreicht. Insbesondere wird zur Beeinflussung der Sauerstoffzufuhr eine im Ansaugrohr 6 vorhandene Drosselklappe 15 verwendet.

Zwischen dem Speicherkatalysator 13 und dem Oxidationskatalysator 14 sind Mittel vorgesehen, mit denen dem Katalysator 12 Luft zugeführt werden kann.

Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen die Mittel aus einem Rohr 16, das den Katalysator 12 mit einer steuerbaren Pumpe 17 verbindet. In dem Rohr 16 ist des weiteren ein steuerbares Ventil 18 eingebaut. Die Pumpe 17 kann beispielsweise von dem Steuergerät 11 ein- und ausgeschaltet werden. Das Ventil 18 kann beispielsweise ebenfalls von dem Steuergerät 11 geöffnet und geschlossen werden.

Alternativ ist es auch möglich, als Mittel anstelle des steuerbaren Ventils 18 ein Rückschlagventil oder dergleichen vorzusehen und/oder die Pumpe 17 nicht steuerbar auszugestalten, also andauernd eingeschaltet zu belassen.

Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel wird beim Entladen des Speicherkatalysators 13, also bei Sauerstoffmangel, die Pumpe 17 eingeschaltet und das Ventil 18 geöffnet. Damit gelangt Luft und somit auch zusätzlicher Sauerstoff zu dem Oxidationskatalysator 14. Da bei Sauerstoffmangel, also bei einem fetten Kraftstoff/Luft- Gemisch, vermehrt Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenmonoxide entstehen, werden diese einerseits durch den aus den Stickstoffoxiden freiwerdenden Sauerstoff sowie andererseits durch den zusätzlichen Sauerstoff aus der Luft oxidiert.

Beim Beladen des Speicherkatalysators 13 wird das Ventil 18 geschlossen. Die Pumpe 17 kann weiterlaufen oder abgeschaltet werden.

Alternativ ist es möglich, auch beim Beladen des Speicherkatalysators 13, also bei Sauerstoffüberschuß und damit bei einem mageren Kraftstoff/Luft-Gemisch das Ventil 18 geöffnet und die Pumpe 17 eingeschaltet zu belassen. In diesem Fall kann das Ventil 18 durch das bereits genannte Rückschlagventi1 ersetzt werden, das insbesondere verhindert, daß Abgase zu der Pumpe 17 gelangen.

Claims (6)

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei dem ein Kraftstoff/Luft-Gemisch in einem Brennraum (4) verbrannt wird, und bei dem das bei der Verbrennung entstehende Abgas mittels eines Katalysators (12) behandelt wird, wobei der Katalysator (12) zur Reduzierung von stickstoffoxiden und zur Oxidation von Kohlenwasserstoffen und/oder Kohlenmonoxiden geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Katalysator (12) Luft zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft während einer Betriebsphase zugeführt wird, in der die Brennkraftmaschine (1) einen Sauerstoffmangel aufweist.

3. Brennkraftmaschine (1) insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit Mitteln zur Verbrennung eines Kraftstoff/Luft-Gemisches in einem Brennraum (4), und mit einem Katalysator (12) zur Behandlung des bei der Verbrennung entstehenden Abgases, wobei der Katalysator (12) einen Speicherkatalysator (13) und einen Oxidationskatalysator (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Oxidationskatalysator (14) Mittel zur Zuführung von Luft vorgesehen sind.

4. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pumpe (17) zur Zuführung der Luft vorgesehen ist.

5. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein insbesondere von einem Steuergerät (11) steuerbares Ventil (18) vor dem Oxidationskatalysator (14) angeordnet ist.

6. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rückschlagventil vor dem Oxidationskatalysator (14) angeordnet ist.