DE19809798A1

DE19809798A1 - Minderung der Schadstoffemission während der Kaltstartphase im Kraftfahrzeug durch Optimierungsmaßnahmen

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Publication number: DE19809798A1
Application number: DE1998109798
Authority: DE
Original assignee: WWU WISSENSCHAFTLICHE WERKSTAT
Current assignee: WWU WISSENSCHAFTLICHE WERKSTAT
Priority date: 1997-11-30
Filing date: 1998-03-09
Publication date: 1999-10-07
Also published as: DE19826179A1; DE19753006A1; DE19753006C2; ZA9810857B

Abstract

Die Kaltstartphase bedeutet selbst in den neuesten, niedrig emittierenden Kraftfahrzeugen die Betriebsetappe, in der die anteilmäßig größten Emissionen während der Fahrt auftreten. Besonders kritisch ist die Kaltstartphase, wenn fahrerbedingt zusätzliche "Gasspitzen" gegeben werden. In diesen Fällen tritt eine zusätzliche Erhöhung der Schadstoffemission auf. Aus diesem Grund wird vorgeschlagen, die zukünftigen Kraftfahrzeuge mit einem automatischen Startsystem auszurüsten. Dieses Startsystem könnte vom Fahrer nicht mehr beeinflußt werden. Es sichert durch Beobachtung der äußeren Umweltbedingungen, wie Temperatur, Druck und Feuchte sowie evtl. weiterer Kenngrößen ständig die optimalen Startparameter. DOLLAR A Durch diese Maßnahme werden die jeweiligen vergleichbaren Kaltstartphasen in einem Kraftfahrzeug beobachtet und die Alterung der abgasrelevanten Bauteile anhand des Kaltstartverhaltens festgestellt. Im warmen Betriebszustand ist die Erkennung von Alterungserscheinungen durch die sehr niedrigen Konzentrationswerte schwieriger. DOLLAR A Durch die unvermeidliche Alterung verschlechtert sich das Emissionsverhalten des Kraftfahrzeuges grundsätzlich. Um diese Verschlechterung, die meist durch die Verlängerung der Kaltstartphase und durch die Erhöhung der Emissionsspitzen in Erscheinung treten, festzustellen, wird ein Emissionsmeßgerät in das Abgassystem des Kraftfahrzeuges installiert. Dieses Meßgerät liefert der bordeigenen MSR-Einrichtung Meßsignale, die mit dem abgelegten Kennfeld ...

Description

1. Schadstoffausstoß während der Kaltstartphase

Die wichtigsten Abgasvorschriften schreiben für die zukünftigen Kraftfahrzeuge strenge Grenzwerte vor. So darf ein ULEV-Kraftfahrzeug (Ultra-Low-Emission Vehicles) an unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC-Verbindungen) lediglich 0,040 g/Meile, an Stickoxiden (NO_x) 0,20 g/Meile und an Kohlenmonoxid 1,7 g/Meile ausstoßen. In Europa schreibt die Abgasnovellierung 2000/1/ für die Euro 3-Kraftfahrzeuge ähnlich strenge Werte vor. Ab 2005, durch Einführung von Euro 4 werden die Grenzwerte weiter verschärft.

Diese Grenzwerte beziehen sich auf Messungen auf dem Rollenprüfstand. Dabei werden vorkonditionierte, d. h. vorgealterte, Kraftfahrzeuge auf speziellen Prüfständen nach vorgeschriebenen künstlichen Fahrtzyklen getestet. Verschiedene Quellen behandeln zwar diese wichtige Phase des Kraftfahrzeugbetriebes unter dem Aspekt der Emissionsüberwachung /2, 3 und 4/, sie geben jedoch keine Empfehlung zur Optimierung dieser Etappe.

Die Abgasemission setzt sich während eines Fahrzyklus aus zwei wesentlichen Teilen zusammen:

- aus der Kaltstartphase mit hohen Emissionswerten
- aus einer anschließenden Phase im warmen Betriebszustand mit niedrigen Konzentrationsverläufen

Der Hauptanteil der Schadstoffemission entsteht in den ersten 1-2 Minuten, da die Oxidation im Verbrennungssystem noch nicht vollständig und vollkommen abläuft und der Katalysator wegen fehlender Betriebstemperatur die Schadstoffe noch nicht in ausreichendem Maße konvertiert, siehe Fig. 1.

2. Stand der Technik für die Optimierung der Kaltstartphase hinsichtlich der Schadstoffemission

Kraftfahrzeuge haben einen Zündmechanismus, der ohne Kontrolle der tatsächlichen Emissionen den Startvorgang auslöst. Die sehr hohen Emissionswerte, die in der Kaltstartphase auftreten, können noch dadurch erhöht werden, daß der Fahrer zusätzlich Gas gibt. Dabei kann der Motor bereits in den ersten Sekunden mit Vollgas belastet werden. Die Folge davon ist eine Schadstoffemission, deren Konzentration die gesetzlichen Grenzwerte um ein Vielfaches überschreitet. Selbst ein ULEV-Fahrzeug emittiert durch das falsche Startverhalten so viel Schadstoffe, daß die anschließende niedrige Emissionsphase im warmen Betrieb diese erste, stark belastende Phase nicht wieder ausgleichen kann, siehe Fig. 2. Andere Fehler, wie hochtouriges Vorwärmen des Kraftfahrzeuges oder ungeduldiges, pumpendes Treten am Gaspedal führen ebenfalls zu Verschlechterungen der Emissionseigenschaften im Kraftfahrzeug.

Gegenwärtig gibt es keine Methode, die die für die Emission wichtigste Etappe des Kraftfahrzeugbetriebes, den Kaltstart,

- selbsttätig und
- optimal

führen kann. Selbsttätig bedeutet, daß der Fahrer den Startvorgang nicht mehr beeinflussen kann. Dieser Vorgang läuft automatisch und unabhängig vom Fahrer ab. Optimal bedeutet, daß die Kaltstartphase meßtechnisch ständig beobachtet und in einem geschlossenen Regelkreis den jeweiligen Bedingungen optimal angepaßt, d. h. geregelt wird.

3. Ausführliche Beschreibung der empfohlenen Technik 3.1 Verfahren zur einheitlichen und vom Fahrer unabhängigen Steuerung des Startvorganges

In Zukunft sollten die Kraftfahrzeuge mit einer automatischen Startvorrichtung ausgerüstet werden. Nach Zünden des Verbrennungsmotors muß eine, von einer MSR-Einrichtung gesteuerte Vorrichtung die Führung der Startphase übernehmen. Der Fahrer hat keine Möglichkeit, diesen Vorgang, z. B. durch Gasgeben, zu beeinflussen.

Beim Startvorgang müssen die äußeren Bedingungen von der MSR-Einrichtung des Startsystems erfaßt und der Startvorgang muß diesen Bedingungen entsprechend optimal eingestellt werden. So sind Druck, Temperatur, Feuchte, evtl. Windstärke- und Richtung, Vorhandensein von Vereisungen am Kraftfahrzeug etc. wichtige Einflußgrößen für die optimale Steuerung des Startvorganges.

Besonders vorteilhaft ist die Einbindung der Meßsignale des kraftfahrzeugeigenen On-Board-Diagnosesystems zur Bestimmung des Motorzustandes, s. Fig. 3.

3.2. Verfahren zur Optimierung des Kaltstartvorganges

Das Kraftfahrzeug ist ein aus vielen Einzelelementen zusammengesetztes System, das einem Alterungsprozeß ausgesetzt ist. Diese Alterung wird durch stochastisch auftretende Ereignisse während der Fahrt noch weiter beeinflußt. Solche Alterungserscheinungen sind z. B. thermische Effekte im Katalysator. Es ist unvermeidlich, daß die aktive Fläche am Katalysator mit der Zeit einer Alterung unterworfen ist. Durch diese Alterung geht die Konvertierungsrate im Katalysator zurück. Die Folge davon ist eine Verlängerung der Kaltstartphase und/oder die Zunahme der Emissionsspitze während der Kaltstartphase. Nach Aufwärmen des Katalysators geht die Emission zurück, die ausgestoßene absolute Menge an Schadstoffen belastet jedoch bereits die Atmosphäre.

Es ist daher angebracht, den Kaltstartvorgang zu optimieren. Wird durch ein beliebiges Meßsystem im Kraftfahrzeug festgestellt, daß ungünstige Veränderungen im Emissionsverhalten während der Kaltstartphase aufgetreten sind, so muß der Kaltstartvorgang an den neuen, durch die Alterung verursachten Zustand angepaßt werden.

Diese Anpassung kann folgendermaßen erfolgen:
Während des Zulassungsverfahrens oder der letzten Einstellungsprozedur in der Vertragswerkstatt wird das Kaltstartverhalten in der bordeigenen MSR-Einrichtung gespeichert.

Bei jedem Startvorgang wird die Schadstoffemission von einem im Abgassystem befindlichen Gasanalysegerät erfaßt. Das Gasanalysegerät mißt z. B. den HC-Ausstoß mit der erforderlichen Genauigkeit und Auflösung, sowohl hinsichtlich der Konzentration als auch der Zeit. Die gemessene Konzentration wird als Signalverlauf gespeichert.

Bei Abweichungen von einem gespeicherten und als "gut" befundenen Signalverlauf werden zusätzliche Vorrichtungen aktiviert, die z. B. die Aufwärmphase des Katalysators beschleunigen, um den Wendepunkt des Konzentrationsverlaufes nach Abklingen der Emissionsspitzen zeitlich nach vorne zu rücken, s. Fig. 4.

Das Einschalten der Aktivierungs- oder Reserveelemente, die das Aufheizen des Katalysators fördern, kann man für den normalen Betrieb des Kraftfahrzeuges aus betriebs- und kostentechnischen Gründen meist nicht empfehlen. Die Vorheizung des Katalysators stellt eine große Belastung der Energieversorgung des Kraftfahrzeuges dar. Die Vorheizmethoden werden, ob elektrisch, mit Nachverbrennung oder durch Einblasen von warmer Luft den jeweiligen Grenzwerten angepaßt. Die Beschleunigung oder die Erhöhung der Temperatur des Aufheizvorganges würden nicht nur zu erhöhten Kosten sondern auch zu einer schnelleren Alterung der noch intakten Anlagenteile führen. Die hier dargestellten Optimierungsmaßnahmen sollten nur bei Verschlechterungen oder Alterungen aktiviert werden, wenn ein tatsächlicher Bedarf zur Einhaltung der ursprünglichen Emissionswerte besteht, siehe Fig. 5.

Literatur

/1/ Maßnahmen gegen die Verunreinigung der Luft durch Emissionen von Kraftfahrzeugen und zur Änderung der Richtlinien 70/156/EWG und 70/220/EWG des Rates. Europäisches Parlament, Sitzungsdokumente. 24. März 1997
/2/ Patentanmeldung: 197 53 006.0 vom 30. 11. 1997: Beurteilung von Grenzwertverletzungen bei niedrig emittierenden Kraftfahrzeugen wie ULEV und Euro III und IV, während der Fahrt
/3/ Klingenberg, H.: Automobil-Meßtechnik, Band C: Abgasmeßtechnik. Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York 1995. ISBN 3-540-59108-7
/4/ Schäfer, F., van Basshuysen R.: Schadstoffreduzierung und Kraftstoffverbrauch von Pkw-Verbrennungsmotoren. Springer-Verlag, Wien New York 1993. ISBN 3-211-82485-5

Claims

1. Kaltstartverfahren für Kraftfahrzeuge mit niedrigen Emissionswerten dadurch gekennzeichnet, daß das Starten von der bordeigenen MSR-Einrichtung aus, nach einem vorgegebenen Algorithmus gesteuert wird, wodurch für das betroffene Fahrzeug ein einheitliches und ständig vergleichbares und kontrollierbares Startverhalten gesichert, sowie jegliches Eingreifen wie zusätzliches Gasgeben oder Pumpen während des Startvorganges verhindert und somit der Fahrer außerstande gesetzt wird, in den Startvorgang einzugreifen

2. Kaltstartverfahren für Kraftfahrzeuge mit niedrigen Emissionswerten nach Hauptanspruchspunkt 1 dadurch gekennzeichnet, daß die wichtigsten Umweltparameter, wie Außentemperatur, Luftdruck und Feuchte sowie bei Bedarf weitere Kenngrößen, wie Windrichtung, Windstärke, Eisbildung am Auspuffsystem etc. bei der Steuerung des Startvorganges beobachtet werden.

3. Kaltstartverfahren für Kraftfahrzeuge mit niedrigen Emissionswerten nach Hauptanspruchspunkt 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Daten der Umgebung und der wichtigsten Kenngrößen des Motors und des gesamten Kraftfahrzeuges aus der bordeigenen Diagnoseeinheit, aus dem sog. On-Board-Diagnosesystem zu erhalten sind.

4. Kaltstartverfahren für Kraftfahrzeuge mit niedrigen Emissionswerten dadurch gekennzeichnet, daß ein Gasanalysegerat im Abgassystem den genauen Verlauf der Schadstoffemission mißt und diese Werte der bordeigenen MSR-Einrichtung meldet.

5. Kaltstartverfahren für Kraftfahrzeuge mit niedrigen Emissionswerten nach Hauptanspruchspunkt 4 dadurch gekennzeichnet, daß die bordeigene MSR-Einrichtung den aus dem Gasanalysator erhaltenen Meßwertverlauf an Schadstoffemission mit einem abgelegten "guten" Kennfeld aus der letzten Zulassung vergleicht.

6. Kaltstartverfahren für Kraftfahrzeuge mit niedrigen Emissionen dadurch gekennzeichnet, daß bei Abweichungen zwischen dem gespeicherten "guten" Kennfeld und dem jeweils gemessenen tatsächlichen Emissionsverlauf, bestimmt mit dem im Abgassystem sitzenden Gasanalysator, Optimierungsmaßnahmen unternommen werden, die in der Lage sind, das Kaltstartverhalten wieder in den während der Zulassung eingestellten optimalen Bereich zu bringen.

7. Kaltstartverfahren für Kraftfahrzeuge mit niedrigen Emissionswerten nach Hauptanspruchspunkt 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Optimierung des Kaltstartverfahrens hauptsächlich Maßnahmen umfaßt, die die Aufwärmung des Katalysators beschleunigen, die Temperatur des Aufwärmvorganges erhöhen, beliebige zusätzliche Schritte zum Aufheizen des Katalysators, Maßnahmen zur Nachverbrennung oder Methoden zur Zuschaltung weiterer Vorrichtungen beinhalten, die die Emission in den konzentrationsmäßig und zeitlich vorgeschriebenen Bereich bringen.