DE19830974B4

DE19830974B4 - Kaltstartverfahren für eine drosselfreie Mehrzylinder-Kolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19830974B4
Application number: DE19830974A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. Salber; Martin Dr.-Ing. Pischinger; Thomas Prof. Dr.-Ing. Esch; Jürgen Dipl.-Ing. Hagen
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 1998-07-10
Filing date: 1998-07-10
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2018-07-11
Also published as: DE19830974A1; US6334417B1; JP2000038952A

Abstract

Kaltstartverfahren für eine Mehrzylinder-Kolbenbrennkraftmaschine mit Abgaskatalysator, Anlasser, einer Motorsteuerung zur Ansteuerung von Kraftstoffeinspritzeinrichtungen, Zündung und voll variabel elektromagnetisch betätigbaren Gaswechselventilen an den einzelnen Zylindern, bei dem zum Start die Kurbelwelle über den Anlasser gedreht wird, die Gaswechselventile so angesteuert werden, daß zumindest einige Zylinder zunächst kompressionslos bleiben, dadurch gekennzeichnet, dass für die verbleibenden Zylinder die zugehörigen Gaswechselventile, die Kraftstoffeinspritzeinrichtung und die Zündung in den ersten Arbeitszyklen auf "Spätes EinlaßÖffnen" verstellt werden, bis die Betriebstemperatur des Abgaskatalysators erreicht ist.

Description

Beim Kaltstart einer im Otto-Verfahren betriebenen Kolbenbrennkraftmaschine werden in einer ersten, etwa 40 Sekunden dauernden Phase, deutlich erhöhte Mengen an Kohlenwasserstoffen freigesetzt. Dies ist in erster Linie dadurch begründet, daß der in der Abgasanlage angeordnete Katalysator seine Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat und so die katalytische Umsetzung der im Abgas enthaltenen Schadstoffe, insbesondere die Kohlenwasserstoffe, Stickoxide und Kohlenmonoxide, nur ungenügend erfolgt. Erst im weiteren Betrieb sinkt diese erhöhte Kohlenwasserstoffemission entsprechend dem Ansteigen der Betriebstemperatur des Katalysators ab.

Aus DE-OS 15 26 547 ist eine elektrische Ventilsteuereinrichtung für Brennkraftmaschinen mit elektromagnetisch gegen die Kraft einer Ventilfeder öffenbaren Gaswechselventilen bekannt, bei der über einen mechanischen, mit der Kurbelwelle in Verbindung stehenden Umlaufschalter die einzelnen Magneten für den Öffnungsvorgang bestromt werden. Mit einer derartigen Steuereinrichtung ist die Ansteuerung eines vollvariabel steuerbaren elektromagnetischen Ventiltriebs nicht möglich.

Aus DE 37 30 001 A1 ist ein Ventilbetätigungsmechanismus bekannt, der einen über eine Nockenwelle steuerbaren Ventilhebel aufweist, der mit mechanischen Mitteln die Veränderung der Hubhöhe und/oder in gewissen Grenzen eine Veränderung des Öffnungs- und Schließzeitpunktes ermöglicht. Dieser Mechanismus ist über die Nockenwelle mit der Kurbelwelle verknüpft, so daß Eingriffe zur Änderung der Ventilbetätigung nur in engen Grenzen möglich sind. In dieser Vorveröffentlichung wird ein Kaltstartverfahren beschrieben, bei dem durch einen Steuereingriff auf den Ventilbetätigungsmechanismus zur Verminderung der Kompression während der Startphase das Gaseinlaßven til bis in den Kompressionshub offengehalten werden soll, so daß ein Teil der Zylinderladung wieder ausgeschoben wird. Der gerade für die Startphase gewünschte Betrieb mit fettem Gemisch sowie eine schnelle Aufheizung eines nachgeschalteten Abgaskatalysators wird hiermit beeinträchtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch ein besonderes Kaltstartverfahren eine Reduzierung der Abgasemissionen unmittelbar nach dem Kaltstart einer Kolbenbrennkraftmaschine zu erreichen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Kaltstartverfahren für eine Mehrzylinder-Kolbenbrennkraftmaschine mit Abgaskatalysator, durch die im Anspruch 1 angegebenen Verfahrensschritten. Danach können die Gaswechselventile im Normalfall mit "Frühem Einlaß Öffnen" angesteuert werden, wenn der Abgaskatalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat.

Bei diesem Kaltstartverfahren wird mit Vorteil ausgenutzt, daß bei den üblicherweise als sogenannte Schwinger ausgebildeten elektromagnetischen Ventiltrieben bei stromlos gesetzten Elektromagneten die Gaswechselventile in einer dem halben Ventilhub entsprechenden Position stehen und damit geöffnet sind. Damit wird es möglich, über den Anlasser die Kurbelwelle zunächst ohne Kompression zu drehen, so daß sich zum einen bereits ein Schmierfilm aufbauen kann und zum anderen wegen des fehlenden Kompressionswiderstandes eine höhere Kurbelwellendrehzahl bei gleicher Anlasserbaugröße wie bei einer konventionellen Kolbenbrennkraftmaschine erreicht wird. Es ist dann möglich, die Elektromagneten bereits anzusteuern und so die Gaswechselventile bereits anzuschwingen und zwar so, daß die Gaswechselventile zumindest teilgeöffnet sind und so die Kurbelwelle ohne oder zumindest mit verminderter Kompression gedreht werden kann. Sobald der Anlasser die Kurbelwelle dreht, werden über die Motorsteuerung an wenigstens einem Zylinder die zugehörigen Gaswechselventile, die Kraftstoffein spritzeinrichtung und die Zündung in einem vorgebbaren Arbeitstaktzyklus angesteuert. Dadurch, daß in den ersten Arbeitstaktzyklen von einem oder mehreren Zylindern der Betrieb mit "spätem Einlaß öffnen" erfolgt, wird die Aufheizphase verkürzt, da sich auch das Abgastemperaturniveau schneller erhöht, so daß der nachgeschaltete Abgaskatalysator schneller seine Betriebstemperatur erreicht und damit auch die Konvertierung der in den Abgasen enthaltenen Schadstoffen früher einsetzt.
Der Vorteil einer Ansteuerung der Gaseinlaßventile bei den befeuerten Zylindern jeweils mit spätem Einlaßöffnen, besteht auch darin, daß sich eine höhere Einströmgeschwindigkeit der Zylinderladung ergibt, die die Gemischbildung deutlich verbessert. Bei den Startarbeitsspielen führt dies zu einer verbesserten Verbrennungsstabilität und folglich zu einer erhöhten Startsicherheit. Bei Motoren mit äußerer Gemischbildung wird durch das schnellere Einströmen der Ladung zusätzlich die Bildung des Kraftstoffwandfilms reduziert. In der Nachstartphase mindestens bis zum Erreichen der Katalysatorbetriebstemperatur wird der Motor vorzugsweise weiter mit einem späten Öffnen des Einlaßventils betrieben. Dadurch wird eine stabile Verbrennung erzielt, die wiederum einen späten Zündzeitpunkt und einen Magerbetrieb ermöglicht, um so die Katalysatoraufheizung bei möglichst niedrigen Rohemissionen zu beschleunigen. Parallel wird in dieser sogenannten Nachstart- oder Katalysatorheizphase das Auslaßventil vorzugsweise spät geöffnet. Dabei liegt der Öffnetzeitpunkt des Auslaßventils nach dem unteren Totpunkt.
Die voll variabel ansteuerbaren elektromagnetischen Antriebe der Gaswechselventile erlauben es hierbei auch, für die Kaltstartphase für die befeuerten Zylinder einen anderen Arbeitstaktzyklus vorzugeben als er später im Normalbetrieb benötigt wird. So ist es beispielsweise möglich, in der Kaltstartphase zunächst im Zweitaktzyklus zu arbeiten und später dann für den normalen Betrieb im Viertaktzyklus.
Dabei ist es auch möglich, in der Startphase zunächst nicht alle Zylinder zu "aktivieren", sondern zunächst nur einen oder zwei Zylinder zu "aktivieren", die dann mit der erhöhten Lastanforderung betrieben werden können, so daß sich das Temperaturniveau der aus den einzelnen Zylindern austretenden Abgase sehr viel schneller erhöht. Durch einen alternierenden Betrieb, d. h. einen Wechsel der jeweils arbeitenden Zylinder, kann zugleich erreicht werden, daß die Kolbenbrennkraftmaschine sich insgesamt gleichmäßig erwärmt.
In zweckmäßiger Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die Gasauslaßventile der jeweils arbeitenden Zylinder über die Motorsteuerung beim Expansionshub nach dem unteren Totpunkt frühestens dann geöffnet werden, wenn der Zylinderinnendruck dem Druck im Gasauslaßkanal entspricht. Während sich bei konventionellen Ventilsteuerzeiten für den Öffnungszeitpunkt des Gasauslaßventils ein Rückströmen bereits ausgeschobener Abgasmengen in den Zylinder ergibt, was wiederum zu einer Reduzierung der Zylinderinnentemperatur und somit zu einer Reduzierung der Nachreaktion im Zylinder führt, wird entsprechend der erfindungsgemäßen Ausgestaltung das Gasauslaßventil so lange geschlossen gehalten, bis ein Rückströmen von Abgas verhindert wird und die Zeit für die Nachreaktion im Zylinder deutlich verlängert ist. Die Reaktionsenergie führt zu einer zusätzlichen Erhöhung der Abgastemperaturen. Der Zeitpunkt "Auslaß öffnet" nach dem unteren Totpunkt ist daher mit Hilfe empirisch ermittelter, der Motorsteuerung vorgegebener Daten oder mit Hilfe entsprechender Sensoren entsprechend zu optimieren. Höhere Abgastemperaturen führen darüber hinaus zu einer Verringerung der im oberen Totpunkt vorhandenen Abgasmasse und somit zu einer möglichen Reduzierung des Restgasanteils bei verbesserter Laufruhe in dieser Betriebsphase.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß der Zündzeitpunkt für die arbeitenden Zy lindern in den ersten Arbeitszyklen nach "Spät" verstellt wird, was aufgrund der verbesserten Laufruhe möglich ist und zu höheren Abgastemperaturen führt.
Die Motorsteuerung enthält zweckmäßigerweise für den Kaltstart eine Steuertabelle und/oder Betriebskennfelder, über die die "Kaltstartstrategie" vorgegeben ist und nach der die Ansteuerung für die ersten Arbeitsspiele "abgefahren" wird. Auch das Umschalten zwischen verschiedenen Taktverfahren während der Startphase, beispielsweise das Umschalten zwischen Zweitakt-, Viertakt-, Achttakt- oder auch Zwölftaktverfahren, kann über ein thermodynamisch optimiertes Kennfeld der Motorsteuerung erfolgen.
Das vorstehend beschrieben Kaltstartverfahren ist nicht auf die Anwendung bei elektromagnetischen Ventiltrieben beschränkt, sondern kann bei allen Systemen eingesetzt werden, die eine freie Wahl der Ventilöffnungs- und schließzeiten ermöglichen, so beispielsweise auch hydraulische Ventiltriebe.

Claims

Kaltstartverfahren für eine Mehrzylinder-Kolbenbrennkraftmaschine mit Abgaskatalysator, Anlasser, einer Motorsteuerung zur Ansteuerung von Kraftstoffeinspritzeinrichtungen, Zündung und voll variabel elektromagnetisch betätigbaren Gaswechselventilen an den einzelnen Zylindern, bei dem zum Start die Kurbelwelle über den Anlasser gedreht wird, die Gaswechselventile so angesteuert werden, daß zumindest einige Zylinder zunächst kompressionslos bleiben, dadurch gekennzeichnet, dass für die verbleibenden Zylinder die zugehörigen Gaswechselventile, die Kraftstoffeinspritzeinrichtung und die Zündung in den ersten Arbeitszyklen auf "Spätes EinlaßÖffnen" verstellt werden, bis die Betriebstemperatur des Abgaskatalysators erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaswechselventile in den nachfolgenden Arbeitszyklen mit "Frühem Einlaß Öffnen" angesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasauslaßventile der jeweils arbeitenden Zylinder über die Motorsteuerung beim Expansionshub nach dem unteren Totpunkt geöffnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils arbeitenden Zylinder über die Motorsteuerung auf unterschiedliche Taktverfahren umgeschaltet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß alle Zylinder zyklisch abwechselnd als arbeitende Zylinder angesteuert werden.