DE19962024A1

DE19962024A1 - Verbrennungskraftmaschine und Verfahren für wechselweisen Otto- und Dieselbetrieb

Info

Publication number: DE19962024A1
Application number: DE1999162024
Authority: DE
Inventors: Istvan Geiger
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1999-12-22
Filing date: 1999-12-22
Publication date: 2001-06-28
Anticipated expiration: 2019-12-23
Also published as: DE19962024B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine und ein Verfahren für wechselweisen Otto- und Dieselbetrieb, mit einem Katalysator zur Reinigung der Abgase, die die Schadstoffe Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NO¶x¶) und teilverbrannte oder unverbrannte Kohlenwasserstoffe (N¶y¶H¶z¶) und bei Dieselmotoren zusätzlich Rußpartikel aufweisen, sowie mit einer Lambda-Sonde. Sie löst die Aufgabe, das Abgas weitestgehend rußfrei und von Stickoxiden (NO¶x¶) und Kohlenmonoxid (CO) gereinigt zu halten. Dazu weist sie eine eine Brennkammer bildende Kolben-Zylinder-Anordnung (1) mit einem gegenüber dem beim Ottobetrieb gegebenen maximalen Verdichtungsverhältnis wesentlich höheren Verdichtungsverhältnis auf, in der sowohl die Betriebsmittel für den Ottobetrieb (Zündkerze 3, Gemisch-Einlaßventil E¶0¶) als auch Betriebsmittel für den Dieselbetrieb (Einspritzdüse 4, Lufteinlaßventil E¶D¶) und ein gemeinsames Auslaßventil (A) angeordnet sind, wobei das Zeitverhalten des Einlaßventils (E¶0¶) für das Luft-Dieselkraftstoff-Gemisch eine verlängerte Dehnung aufweist. Wechselweise sind die Zündkerze (3) und das Einlaßventil (E¶0¶) für das Gemisch oder die Einspritzdüse (4) und das Einlaßventil (E¶D¶) für die Verbrennungsluft durch ein Steuergerät (8) in Abhängigkeit von der NOx-Beladung des Katalysators (5) außer Betrieb und wieder in Betrieb setzbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine und ein Verfahren für einen wechselweisen Otto- und Dieselbetrieb, mit einem Katalysator zur Reinigung der Abgase, die neben den unschädlichen Bestandteilen CO₂ und H₂O die schädlichen Bestandteile Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NO, NO_x) und teilverbrannte oder unverbrannte Kohlenwasserstoffe (C_yH_z) sowie bei Dieselmotoren zusätzlich Rußpartikel (C) enthalten, insbesondere für ein Fahrzeug.

Die wesentlichen Merkmale des Diesel-Betriebes sind Luftverdichtung, Dieseleinspritzung, Selbstzündung und Qualitätsregelung. Für die Dieseleinspritzung, die Luft-Diesel-Gemischbildung, die Selbstzündung und die Verbrennung steht lediglich eine kurze Zeitspanne im Millisekundenbereich zur Verfügung. Die Abgase von Dieselmotoren enthalten im wesentlichen Stickoxide (NO, NO_x) und Rußpartikel (C) und kleinere Mengen Kohlenwasserstoffe (C_yH_z) und Kohlenmonoxid (CO). Der Kohlenmonoxid-Anteil ist insgesamt sehr niedrig. Da der Dieselmotor zwar bei der Verbrennung fette (λ<1) Gemischzonen aufweist, jedoch insgesamt mit mageren Mischungsverhältnissen arbeitet, ist genügend Sauerstoff zur CO-Oxydation vorhanden. Wegen des inhomogenen Luft-Dieselkraftstoff-Gemisches ist λ_Flammenfront » λ_Motor. Mit steigendem Drehmoment muß bei konstanter Drehzahl immer mehr Dieselkraftstoff in der selben Zeit bzw. bei höherer Drehzahl in kürzerer Zeit eingespritzt werden. Dadurch entsteht eine größere Inhomogenität im Brennraum, das Gemisch an der Flammenfront wird überfettet, und es beginnt sich Ruß zu bilden. Das Drehmoment des Dieselmotors wird durch die Rußbildung begrenzt. Ruß tritt bei der Verbrennung unter extremem Luftmangel auf und ist die Folge einer unvollständigen Verbrennung oder Pyrolyse (thermische Spaltung) von Kohlenwasserstoffen. Mit zunehmender Leistungsabgabe steigt somit die Ruß-Emission und überdies auch die NO_x-Emission, wobei der Ruß in einem Abgasfilter eliminiert und die Stickoxide durch entsprechende Mengen CO (oder CH) reduziert werden können. Durch eine Erhöhung der Verbrennungstemperatur läßt sich der Verbrennungsgrad des Dieselkraftstoffes und damit dessen Wirkungsgrad bedeutend steigern, was jedoch auch die NO_x-Emission bedeutend ansteigen läßt. Die Rußbildung sowie die Emission von CO und von CH werden hingegen reduziert.

Der Ottomotor arbeitet mit einem homogenen Luft-Kraftstoff-Gemisch, das durch äußere Gemischbildung aufbereitet wird. Die Einstellung der gewünschten Leistung geschieht durch eine Veränderung der Füllung mit Hilfe der Stellung der Drosselklappe. Die Verbrennung wird durch eine elektrische Zündung über eine Zündkerze eingeleitet. Voraussetzung für eine normale Flammenausbreitung sind ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis innerhalb des Bereiches λ = 0,8 bis 1,4 und Vermeidung einer Selbstzündung. Bei Luftmangel an der Flammenfront (λ < 1) entsteht grundsätzlich CO als Produkt einer unvollständigen Oxydation. Wegen des homogenen Luft-Kraftstoff-Gemisches ist λ_Flammenfront = 1. Die Abgase von Otto-Motoren enthalten im wesentlichen Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NO_x) und Kohlenwasserstoffe (C_yH_z) in verschieden aufgebauten Verbindungen.

Zur Abgasreinigung in Kraftfahrzeugen werden Katalysatoren eingesetzt, die die Eigenschaft besitzen, die Geschwindigkeit bestimmter Reaktionen zu erhöhen, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Durch geeignete Katalysatormaterialien kann erreicht werden, daß die Oxydationsreaktionen für CO und HC im Abgas auch noch bei tieferen Temperaturen ablaufen können (Oxidationskatalysatoren). Bei fetten Gemischen kann der zur Oxydation nötige Sauerstoff durch eine Zumischung von Sekundärluft hinter dem Auslaßventil eingebracht werden.

Darüber hinaus ist mit entsprechenden Katalysatoren auch eine Reduktion der Stickoxide möglich (Reduktionskatalysator). Dazu müssen allerdings reduzierende Komponeneten, wie Wasserstoff oder Kohlenmonoxid, im Abgas vorhanden sein, während sich nennenswerte Sauerstoffkonzentrationen verbieten. Es ist somit der Betrieb des Motors mit einem fetten Gemisch erforderlich.

Sollen alle drei Schadstoffkomponenten (CO, HC und NO_x) durch eine Nachreaktion im Abgassystem vermindert werden, so kann dies durch Einsatz eines Dreiwegekatalysators geschehen. Wie bereits erwähnt, kann die Reduktion von Stickoxid nur dann erfolgen, wenn genügend reduzierende Stoffe (z. B. CO) im Abgas vorhanden sind. Bei einem Luftüberschuß verbinden sich diese Komponenten bevorzugt mit Sauerstoff, so daß eine Reduktion von NO_x nicht mehr stattfinden kann. Deshalb ist eine Regelung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in einem engen Bereich um λ = 1 erforderlich, mit dem dann die Umsetzung der drei Schadstoffkomponenten im hohen Maße erreicht wird. Die Einstellung dieses Wertes wird über eine in den Abgasstrom vor dem Katalysator eingesetzte Lambda-Sonde als Sauerstoffmeßgerät geregelt. Die Reinigungsgrade erreichen Werte bis zu etwa 90%.

Der für einen Magermotorbetrieb als neue Katalysatorgeneration entwickelte NO_x- Speicher-Katalysator kann über sehr viele Arbeitstakte NO_x speichern und in weniger Arbeitstakten dieses wieder regenerieren. Kurz bevor die Speicherfähigkeit des Katalysators ausgeschöpft ist, muß ausreichend CO zur Regeneration des Katalysators zur Verfügung gestellt werden. Für die Umsetzung von 1 mol NO_x werden 2 mol CO benötigt, d. h. für 1 Gramm zu regenerierendes NO2 sind 1,22 Gramm CO erforderlich. Diese CO-Menge bei einem niedrigen O₂-Anteil kann nur der Otto-Betrieb ohne nennenswerten Anstieg des Anteils an Ruß-Partikeln bereitstellen.

Die Abgasreinigung von Dieselkraftmaschinen ist problematisch, da auch bei bereits niedrigen Lastzuständen hohe Abgasmengenströme vorliegen. Dadurch wird die sog. Raumgeschwindigkeit des Katalysators erhöht und NO_x durchgeblasen. Durch die niedrigere Abgastemperatur des Dieselbetriebes kühlt sich der Katalysator im Teillastbereich stark ab. Beim Otto-Betrieb liegt die Abgastemperatur bei niedrigen Lastzuständen höher, und der Abgasmassenstrom wird durch die Drosselklappe stark reduziert.

Um eine Verbrennungskraftmaschine mit einem katalytischen Systems zur Abgasreinigung zu schaffen, mit dem unter erheblicher Erweiterung des stöchiometrischen Verhältnisses des Lambda-Wertes die Abgase praktisch vollständig entgiftet werden können, ist in dem DE 86 11 580.4 U1 vorgeschlagen worden, das Prinzip der Fremdzündung mit dem der Selbstzündung zu kombinieren, indem für das jeweilige Prinzip ein separater Verbrennungsraum mit jeweils einer diesem zugeordneten, regelbaren Kraftstoffaufbereitungsanlage vorgesehen ist. Die Abgase aus den Verbrennungsräumen werden zur katalytischen Entgiftung über die Abgasleitungen einem gemeinsamen Katalysator, wie er für Verbrennungskraftmaschinen nach dem Fremdzünder-Prinzip eingesetzt wird, zugeführt. In vorteilhafter Weise werden bei dieser Verbrennungskraftmaschine der stöchiometrische Wert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses verlassen und die enge gegenseitige Abhängigkeit, insbesondere von CO und NO_x, aufgehoben. Dadurch kann auch das Abgas des nach dem Selbstzünder-Prinzip arbeitenden Teils der Verbrennungskraftmaschine weitestgehend entgiftet werden. Insbesondere kann der durch eine Erhöhung der Verbrennungstemperatur und damit des Wirkungsgrades dieses Teils der Maschine erhöhte NO_x-gehalt durch die Zuführung einer entsprechenden Menge an CO aus dem Fremdzünder- Verbrennungsraum vollständig reduziert werden und umgekehrt. Wesentlich ist, daß dazu quantitativ jeweils so viel NO_x und CO in dem jeweiligen Verbrennungsraum erzeugt werden, daß bei ihrer Zusammenführung eine katalytisch vollständige Oxydation bzw. Reduktion sichergestellt ist. Die Verbrennungskraftmaschine ist sehr aufwendig.

Ferner ist aus der DOS 1962114 eine Verbrennungskraftmaschine mit einem zusätzlichen Lufteinlaßventil in der Brennkammer bekannt, über das aus einem Drucklufterzeuger während einer Zeitspanne, die durch den Zündzeitpunkt und das Ende des Arbeitshubes bestimmt ist, zeitweise oder dauernd zusätzlich Druckluft in die Brennkammer gelangt, um den CO- und NO_x-Anteil im Abgas infolge der durch die Druckluft erreichten Senkung der Verbrennungstemperaturen zu verringern.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine das Selbstzünder- und das Fremdzünder-Prinzip kombinierende Verbrennungskraftmaschine für wechselweisen Otto- und Dieselbetrieb und ein Verfahren unter Verwendung eines katalytischen Systems zur Reinigung der Abgase nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, bei der das Abgas weitestgehend rußfrei und von Stickoxiden (NO_x) und Kohlenmonoxid (CO) gereinigt ist, und ein Verfahren für den wechselweisen Betrieb anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 10 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den jeweils nachgeordneten Unteransprüchen beschrieben.

Danach weist die Verbrennungskraftmaschine eine eine Brennkammer bildende Zylinder-Kolben-Anordnung mit einem Verdichtungsverhältnis auf, das gegenüber dem beim Otto-Betrieb gegebenen maximalen Verdichtungsverhältnis von 12 erheblich größer und gegenüber dem Dieselbetrieb erheblich kleiner ist. In dem die Brennkammer bildenden Teil des Zylinderkopfes sind eine Zündkerze und ein Einlaßventil für ein homogenes Luft-Dieselkraftstoff-Gemisch mit einem geregelten stöchiometrischen Luft- Dieselkraftstoff-Verhältnis von im Mittel λ = 1 für den Otto-Betrieb sowie eine Einspritzdüse für Dieselkraftstoff und wenigstens ein Einlaßventil für die zu dessen Verbrennung in der Brennkammer benötigte Luft für einen Lambda-Wert von im Mittel sehr viel größer als λ = 1 sowie ein gemeinsames Auslaßventil für das jeweils zum Katalysator geleitete Abgas angeordnet. Das Zeitverhalten des Einlaßventils für das Luft-Dieselkraftstoff-Gemisch weist eine verlängerte Dehnung auf, d. h., es bleibt zur Kompensation des für den Otto-Betrieb zu hohen Verdichtungsverhältnisses länger geöffnet. Die sowohl beim Otto-Betrieb als auch beim Dieselbetrieb entstehenden Abgase werden über das Auslaßventil zum Katalysator geleitet. Die Umschaltung vom Otto-Betrieb auf Dieselbetrieb und umgekehrt ist durch eine Außerbetriebsetzung der für die jeweilige Betriebsart erforderlichen Betriebsmittel, also für den Otto-Betrieb die Zündkerze und das Gemisch-Einlaßventil mit der verlängerten Dehnung und für den Dieselbetrieb die Einspritzdüse und das Luft-Einlaßventil, und die Inbetriebnahme der jeweils anderen Betriebsmittel gegeben. Die Umschaltung wird durch ein Steuergerät in Abhängigkeit von der NO_x-Beladung des Katalysators vorgenommen.

Die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine ermöglicht einen sauberen Otto- Betrieb trotz des für diesen erhöhten Verdichtungsverhältnisses als auch einen sauberen Dieselbetrieb im Wechselbetrieb. Für den Dieselbetrieb, der grundsätzlich das Primat beim Betreiben der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine hat, wird eine Luftmenge zugeführt, die einen Lambda-Wert von im Mittel erheblich größer als λ = 1, insbesondere als λ = 2, ergibt, so daß eine wesentliche Voraussetzung für eine vollständige Verbrennung des Dieselkraftstoffes erfüllt ist und eine Rußbildung verhindert werden kann. Mit steigender Verbrennungstemperatur wird bekanntermaßen der Verbrennungsgrad des Diesel-Kraftstoffs verbessert, so daß bei dem genannten Luftangebot die Rußbildung und die Emission von CO und von C_yH₂ reduziert werden. Durch die vollständigere Verbrennung des Dieselkraftstoffs - und auch bei einer erhöhten Leistungsabgabe - wird jedoch auch die NOx-Emission gesteigert. Erfindungsgemäß werden nun die im Katalysator gespeicherten Stickoxide durch eine entsprechende Zufuhr von Kohlenmonoxid CO reduziert. Dieses im Katalysator benötigte CO wird durch eine Umschaltung auf den Otto-Betrieb bei einem Luft- Dieselkraftstoff-Verhältnis von im wesentlichen λ = 1 erhalten. Eine Glühkerze für den Dieselbetrieb wird nicht benötigt.

Zweckmäßigerweise wird demnach erst dann auf den Dieselbetrieb umgeschaltet, wenn die Verbrennungskraftmaschine durch eine vorherige Phase im Otto-Betrieb auf eine entsprechend hohe Brenntemperatur gebracht worden ist, so daß eine Rußbildung weitestgehend unterbleibt. Das bedeutet, daß die Verbrennungskraftmaschine zur Sicherstellung eines sauberen Dieselbetriebes im kalten Zustand im Otto-Betrieb gestartet wird, wodurch die Startsicherheit der Verbrennungskraftmaschine gegeben bzw. das Kaltstartverhalten optimiert ist, und nach Erreichen der Betriebstemperatur auf Dieselbetrieb umgeschaltet wird (sauberer Dieselbetrieb) und danach und zwar dann, wenn die CO-Menge im Abgas nicht mehr zur Beseitigung (Reduktion) der NO_x ausreicht, zur Anreicherung von CO im Abgas (Abgasnachbehandlung) wieder auf Otto- Betrieb umgeschaltet wird, wobei die wechselweise Umschaltung von einem Arbeitstakt zum änderen erfolgen kann, es jedoch ausreichend ist, nach einer Vielzahl von Arbeitstakten im Dieselbetrieb einen oder einige wenige sog. Regenerationstakte im Otto-Betrieb zu fahren.

Vergleichbar mit der vorbeschriebenen Reduzierung der NO_x-Beladung kann auch eine Schwefel-Beladung mit Hilfe eines Abgastemperatur-Managements (Otto-Betrieb) reduziert werden.

In eben dieser Weise kann auch ein Rußpartikelfilter gereinigt werden. Die Rußpartikel werden im Otto-Betrieb mit hoher Abgastemperatur gezündet, wobei eine Überhöhung der Temperatur mit einer kontrollierten O₂-Zufuhr verhindert wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1a eine Verbrennungskraftmaschine für wechselweisen Otto- und Dieselbetrieb im Dieselbetrieb,

Fig. 1b die Verbrennungskraftmaschine im Otto-Betrieb,

Fig. 2a ein Motorkennfeld für die Verbrennungskraftmaschine im Dieselbetrieb,

Fig. 2b ein Motorkennfeld für die Verbrennungskraftmaschine im Otto-Betrieb,

Fig. 2c ein Diagramm mit den Luft-Dieselkraftstoff-Wert-bezogenen Komponenten O₂, CO und Rußpartikel im Otto- und im Dieselbetrieb und

Fig. 3 eine schematische Darstellung des wechselweisen Betriebes.

Die in Fig. 1a und in Fig. 1b dargestellte Verbrennungskraftmaschine weist eine eine Brennkammer bildende Zylinder-Kolben-Anordnung 1 mit einem Verdichtungsverhältnis von im wesentlichen 14 auf. Im Zylinderkopf 2 sind eine Zündkerze 3 und ein Einlaßventil E₀ für ein Luft-Dieselkraftstoff-Gemisch, eine Einspritzdüse 4 und ein Einlaßventil E_D für die zur Verbrennung des Dieselkraftstoffes benötigte Luft sowie ein gemeinsames Auslaßventil A für das jeweils zu einem NO_x-Speicherkatalysator (Katalysator) 5, einem Drei-Wege-Katalysator mit Lambda-Regelung, geleitete Abgas angeordnet. Das Einlaßventil E₀ für den Otto-Betrieb, das einen kleineren Durchmesser als das Einlaßventil für den Dieselbetrieb E_D, hat, weist in seinem Zeitverhalten eine verlängerte Dehnung auf und ist somit länger geöffnet als für das Einlassen des Luft- Dieselkraftstoff-Gemisches erforderlich, um das für den Otto-Betrieb zu hohe Verdichtungsverhältnis zu kompensieren. Die Steuerung der Einlaßventile E₀ und E_D und deren Außerbetriebsetzung und Inbetriebnahme bei einer Umschaltung von der einen auf die andere Betriebsart erfolgt jeweils über eine mit diesen in Wirkverbindung stehende und durch deren Achsen dargestellte Nockenwelle 6 und 7, die wiederum mit einem Steuergerät 8 gekoppelt sind.

Die Verbrennungskraftmaschine weist im Luft-Ansaugtrakt 9 einen Luftsensor 10 und einen durch das Abgas betriebenen Turbolader 11 auf. Hinter dem Turbolader 11 ist der Luft-Ansaugtrakt 9 geteilt und weist in einem mit dem Einlaßventil E₀ in Verbindung stehendem Ansaugstrang 9a eine Drosselklappe 12 und eine Einspritzdüse 13 auf. In einem weiteren, mit dem Einlaßventil E_D in Verbindung stehenden Ansaugstrang 9b ist ein Ladeluftkühler 14 zur Abkühlung der im Turbolader 11 komprimierten Luft eingesetzt.

Im Dieselbetrieb wird die durch den Turbolader 11 komprimierte Luft über den Ansaugstrang 9b und den Ladeluftkühler 14 angesaugt und steht am Einlaßventil E_D zur Verfügung (Fig. 1a). Der Dieselkraftstoff wird über die Einspritzdüse 4 in den Brennraum gespritzt. Das Abgas wird über ein Abgasrohr 15 und eine in diesem angeordnete Abgasturbine 11a zur Betreibung des Turboladers 11 dem Katalysator 5 zugeleitet, in diesem gereinigt und danach hinter diesem ausgestoßen, wobei im Strom des gereinigten Abgases ein Abgassensor 16 eingebracht ist.

Im Otto-Betrieb wird die angesaugte Luft über den Ansaugstrang 9a und die Drosselklappe 12 dem Einlaßventil E₀ zugeführt, wobei zwischen der Drosselklappe 12 und dem Einlaßventil E₀ die Einspritzdüse 13 zum Einspritzen des Dieselkraftstoffs in den Luftstrom zur Aufbereitung eines homogenen Luft-Dieselkraftstoff-Gemisches angeordnet ist. Der eingesetzte Katalysator 5 ist in seinem Aufbau und seiner Wirkungsweise Stand der Technik. Er kann über sehr viele Arbeitstakte NO_x speichern und sich in wenigen Arbeitstakten durch CO wieder regenerieren. Dabei spielen die im Katalysator 5 vorhandene (Gesamt-) NO_x-Menge in g (Beladungsmenge), die je Arbeitstakt von der Verbrennungskraftmaschine ausgestoßene NO_x-Menge in g, der Konvertierungsgrad des Katalysators 5 bzw. dessen Aufnahmekapazität für NO_x in g/ Arbeitstakt und der Regenerierungsgrad bei Vorhandensein einer entsprechenden CO Menge die wesentliche Rolle.

Die (bekannte) Funktionsweise des Katalysators 5 besteht darin, daß eine bestimmte Menge NOx-Emission im Katalysator gespeichert wird, die bei Bedarf durch CO reduziert werden kann. Bei Erreichen von (beispielsweise) vorbestimmt 70% der maximalen Speicherkapazität des Katalysators 5 für NO_x wird CO zur Regenerierung des Katalysators 5 zur Verfügung gestellt, indem erfindungsgemäß bei gleicher Drehzahl und gleichem Drehmoment vom Diesel- auf Otto-Betrieb umgestellt wird. Der momentane Ladezustand des Katalysators wird dabei durch eine Hochrechnung der Betriebsdaten der Verbrennungskraftmaschine im Rechner eines Steuergerätes 8 ermittelt. Dazu verfügt der Rechner über Kennfelder der Verbrennungskraftmaschine (Motorkennfelder) für den Diesel-Betrieb (Fig. 2a) und den Otto-Betrieb (Fig. 2b), in denen geschwindigkeitsbezogen (z. B. auf 130 km/h - jeweils größerer Kreis in den Fig. 2a und 2b -) das Drehmoment in Abhängigkeit von der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine - in beiden Betriebsarten gleich - und der ermittelte NO_x- Ausstoß und der CO-Ausstoß jeweils je Arbeitstakt enthalten sind. Im Dieselbetrieb ergibt sich bei der beispielsweisen Geschwindigkeit von 130 km/ h ein NO_x-Ausstoß von 100 g/ h und ein CO-Ausstoß von im wesentlichen 20 g/ h, während im Otto-Betrieb ein NO_x-Ausstoß nicht vorhanden ist und der CO-Ausstoß etwa 700 g/h beträgt. Diese Menge ist mehr als ausreichend, um die NO_x-Menge zu reduzieren. Fig. 2c zeigt, daß nur im Otto-Betrieb bei einem niedrigem O₂-Anteil ohne nennenswerten Anstieg der C- Partikel-Menge diese CO-Menge zur Verfügung gestellt werden kann.

Anhand der Daten des jeweiligen Motorkennfeldes und der vorbestimmten Beladungsmenge des Katalysators 5 mit NO_x löst das Steuergerät 8 die Umschaltung von Dieselbetrieb auf Otto-Betrieb nach einer durch eine Hochrechnung ermittelten Taktzahl aus, wobei sich die gespeicherte NO_x-Menge aus der emittierten No_x-Menge je Arbeitstakt und dem Konvertierungsgrad des Katalysators 5 ergibt. Das Steuergerät 8 ermittelt auf diese Weise die Taktzahl im Dieselbetrieb, nach der die vorbestimmte NO_x- Menge - vorbestimmt 70% der Speicherkapazität für NO_x - im Katalysator 5 vorhanden ist, und steuert bei Erreichen dieser Taktzahl die Umschaltung.

Im Otto-Betrieb wird CO emittiert und im Abgas angereichert. Dieses CO wird für eine Reduktion des NO_x und damit für die Regenerierung des Katalysators 5 genutzt. Aus der Menge CO, die für die Reduktion des im Katalysator 5 gespeicherten NO_x abzüglich einer Rest-NO_x-Beladungsmenge von (beispielsweise) vorbestimmt 10% erforderlich ist, der emittierten CO-Menge je Arbeitstakt und dem (Reduktions-) Regenerierungsgrad, der drehzahlabhängig ist, ermittelt der Rechner des Steuergerätes 8 wiederum die Taktzahl, während der das zur Reduktion des NO_x erforderliche CO emittiert und nach der die Regenerierung des Katalysators (vorbestimmt) abgeschlossen ist und steuert die Umschaltung auf Dieselbetrieb, nach der wieder NO_x emittiert und von neuem im Katalysator 5 gespeichert wird.

Die Umschaltung auf die jeweils andere Betriebsart erfolgt somit in Abhängigkeit vom Beladungszustand des Katalysators 5 mit NO_x und zwar bei gleichbleibendem Drehmoment.

Um letztere Bedingung zu erfüllen, ermittelt der Rechner des Steuergerätes 8 anhand der Motorkennfelder parallel für beide Betriebsarten die Einflußgrößen und stellt diese zur Verfügung. Das bedeutet, daß die jeweils nicht aktive Betriebsweise im Rechner in Abhängigkeit von den Fahrbedingungen stets simuliert vollzogen wird. Auch wird die Stellung der Drosselklappe 12 während des Dieselbetriebes an die jeweiligen Fahr- und damit Betriebsbedingungen der Verbrennungskraftmaschine angepaßt, so daß bei einer Umschaltung auf Otto-Betrieb die momentan für die Gemischbildung benötigte Luftmenge zur Verfügung steht.

Über das Steuergerät 8 werden insbesondere bei der Umschaltung auf die jeweils andere Betriebsart die Zündung ein- bzw. ausgeschaltet, die Einspritzdüsen 4 und 13 aktiviert bzw. desaktiviert und die Inbetriebnahme bzw. Außerbetriebsetzung der Einlaßventile E₀ und E_D veranlaßt. Letzteres wird getrennt für die beiden Einlaßventile in Verbindung mit der Nockenwelle 6 für das Einlaßventil E₀ und in Verbindung mit der Nockenwelle 7 für das Einlaßventil E_D mit Hilfe einer Steuervorrichtung nach der DE 39 20 938 C2 durchgeführt.

Die Verbrennungskraftmaschine wird im kalten Zustand im Otto-Betrieb gestartet (Fig. 1b). Bei Erreichen der Betriebstemperatur wird auf den dominierenden Dieselbetrieb umgeschaltet (Fig. 1a).

In Fig. 3 ist der wechselweise Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bei einer konstanten Geschwindigkeit schematisch dargestellt. Von oben nach unten zeigen die Diagramme,

- daß die NO_x-Beladung des Katalysators 5 (von einer vorbestimmten Restmenge) während des Dieselbetriebes bis auf eine vorbestimmte maximale Beladungsmenge zunimmt,
- daß der O₂-Anteil im Abgas gleichbleibend hoch ist,
- daß der CO-Anteil gleichbleibend niedrig ist,
- daß das Einlaßventil E_D für die Verbrennungsluft aktiv ist,
- daß die Führungsgrößen des Dieselbetriebes aktiviert und wirksam sind, wobei die verbrannte Dieselkraftstoffmenge gleich bleibt,
- daß das Einlaßventil E₀ für das homogene Gemisch inaktiv und geschlossen ist und
- daß simuliert die zur Erzeugung des gleichen Drehmomentes erforderlichen Führungsgrößen (auch die Dieselkraftstoffmenge) für den Otto-Betrieb eingestellt sind und auf Abruf tatsächlich aktiv und wirksam sind.

Bei Erreichen der vorbestimmten maximalen Beladungsmenge (vorbestimmt 70%) von der Speicherkapazität des Katalysators 5 (Zeitpunkt I) schaltet das Steuergerät die Verbrennungskraftmaschine auf Otto-Betrieb um. Durch das nunmehr emittierte CO (vorstehend beschrieben) wird das NO_x im Katalysator 5 nach und nach reduziert, bis die Restmenge (vorbestimmt 10%) erreicht ist und die Regenerierung des Katalysators 5 vorbestimmt abgeschlossen ist (Zeitpunkt II). Während dieses Otto-Betriebes werden die für einen Dieselbetrieb bei gleicher Geschwindigkeit und gleichem Drehmoment erforderlichen Führungsgrößen, insbesondere die momentane Dieselkraftstoffmenge, je Arbeitstakt berechnet und simuliert eingestellt und bei der erneuten Umstellung auf Dieselbetrieb (Zeitpunkt II) aktiviert und wirksam.

Kurz vor der Umstellung auf Otto-Betrieb (Zeitpunkt I) wird die im Dieselbetrieb für einen Otto-Betrieb ermittelte Dieselkraftstoffmenge je Arbeitstakt in den Ansaugstrang 9a eingespritzt, in dem auch die zur Gemischbildung erforderliche Luftmenge durch die ständig gesteuerte Drosselklappe (vorstehend beschrieben) zur Verfügung steht. Diese Einspritzung kurz vor der Umschaltung ist notwendig, damit das Gemisch bei Aktivierung und Öffnung des Ventils E₀ sofort in die Brennkammer eingelassen werden kann und dort für die Verbrennung zur Verfügung steht. Der Zündzeitpunkt vor dem oberen Totpunkt (α vor OT) wird ebenfalls ständig an die Fahrbedingungen (simuliert) angepaßt. Das Ventil E₀ ist während des Otto-Betriebes aktiv, das Einlaßventil E_D hingegen inaktiv und geschlossen. Vor dem Umschalten auf Dieselbetrieb braucht kein Dieselkraftstoff eingespritzt zu werden, da ja direkt und synchron mit der Verbrennungsluft in den Brennraum eingespritzt wird.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Zylinder-Kolben-Anordnung

2

Zylinderkopf

3

Zündkerze

4

Einspritzdüse

5

NO_x

-Speicherkatalysator

6

Nockenwelle

7

Nockenwelle

8

Steuergerät

9

Luft-Ansaugtrakt

9

a Ansaugstrang

9

b Ansaugstrang

10

Luftsensor

11

Turbolader

12

Drosselklappe

13

Einspritzdüse

14

Ladeluftkühler

15

Abgasrohr
E₀

Einlaßventil (Otto)
E_D

Einlaßventil (Diesel)
A Auslaßventil

Claims

1. Verbrennungskraftmaschine für wechselweisen Otto- und Dieselbetrieb, mit einem Katalysator zur Reinigung der Abgase, die die Schadstoffe Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (No_x) und teilverbrannte oder unverbrannte Kohlenwasserstoffe (N_yH_z) und bei Dieselmotoren zusätzlich Rußpartikel aufweisen, sowie mit einer Lambda-Sonde, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine eine Brennkammer bildende Zylinder-Kolben-Anordnung (1) mit einem gegenüber dem beim Ottobetrieb gegebenen maximalen Verdichtungsverhältnis wesentlich höheren Verdichtungsverhältnis und gegenüber dem Dieselbetrieb erheblich geringeren Verdichtungsverhältnis aufweist, daß in dem die Brennkammer mitbildenden Teil des Zylinderkopfes (2) eine Zündkerze (3) und wenigstens ein erstes Einlaßventil (E₀) für ein Luft-Dieselkraftstoff-Gemisch und eine Einspritzdüse (4) für Dieselkraftstoff und wenigstens ein zweites Einlaßventil (E_D) für die zur Verbrennung des Dieselkraftstoffs benötigte Luft sowie ein gemeinsames Auslaßventil (A) für das jeweils zum Katalysator (5) geleitete Abgas angeordnet sind, und daß das Zeitverhalten des Einlaßventils (E₀) eine verlängerte Dehnung aufweist, und daß wechselweise die Zündkerze (3) und das erste Einlaßventil (E₀) oder die Einspritzdüse (4) und das zweite Einlaßventil (E_D) durch ein Steuergerät (8) in Abhängigkeit von der NOx-Beladung des Katalysators (5) außer Betrieb und wieder in Betrieb setzbar sind.

2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichtungsverhältnis im wesentlichen 14 beträgt.

3. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Luft-Dieselkraftstoff-Verhältnis einen Lambda-Wert von im Mittel λ » 1, vorzugsweise λ ≧ 2 hat.

4. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einblasen der Luft für den Dieselbetrieb zwei Einlaßventile (E_D) angeordnet sind.

5. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese einen Ansaugstrang (9a) für den Ottobetrieb und einen Ansaugstrang (9b) für den Dieselbetrieb aufweist.

6. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßventile E₀ und E_D von separaten Nockenwellen (7; 8) gesteuert werden.

7. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Einlaßventil (E₀) eine Einspritzdüse (13) und eine Drosselklappe (12) vorgeschaltet sind.

8. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (8) mit der Drosselklappe (12) und der Einspritzdüse (13) sowie mit den Nockenwellen (6) und (7) gekoppelt ist.

9. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Rechner des Steuergerätes (8) Motorkennfelder für den Dieselbetrieb und den Ottobetrieb abgelegt sind.

10. Verfahren zum wechselweisen Otto- und Dieselbetrieb einer das Selbstzünder- und das Fremdzünderprinzip kombinierenden Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung vom Otto- auf den Dieselbetrieb und umgekehrt bei gleicher Drehzahl und gleichem Drehmoment in Abhängigkeit von der NO_x-Beladung des Katalysators vorgenommen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung vom Diesel- auf den Ottobetrieb unterhalb der maximalen Speicherkapazität des Katalysators für NO_x vorgenommen wird, insbesondere im Bereich von 70 bis 90 % der Speicherkapazität, und vom Otto- auf den Dieselbetrieb nach der Reduktion des NO_x unter Berücksichtigung einer Restbeladungsmenge von bis zu 10% NO_x.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die NO_x- Beladung des Katalysators während des Dieselbetriebs durch die nach der Umschaltung auf den Ottobetrieb erfolgende Emission von CO reduziert wird.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Luft-Dieselkraftstoff-Verhältnis im Dieselbetrieb einen Lambda-Wert von im Mittel λ ≧ 2 und im Ottobetrieb von im Mittel λ = 0,8 bis 1 hat.

14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zur NO_x-Beladung bis zu der vorbestimmten Grenze unterhalb der Speicherkapazität und die zur Reduktion des NO_x durch CO erforderliche Taktzahl vom Rechner des Steuergerätes (8) ermittelt wird.

15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß während des Betriebes in einer der beiden Betriebsarten die momentan erforderliche Dieselkraftstoffmenge unter den gleichen Fahrbedingungen für die jeweils andere Betriebsart je Arbeitstakt berechnet und simuliert bereitgestellt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Ottobetrieb während des Dieselbetriebes ermittelte Dieselkraftstoffmenge je Arbeitstakt kurz vor der Umstellung auf den Ottobetrieb in den Ansaugstrang (9a) eingespritzt wird.