DE2608152C3 - Verfahren zum Betrieb einer gemischverdichtenden Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist bekannt einzelne Zylinder unterschiedlich zu beschicken, um entweder den Anteil an schädlichen Abgasbestandteilen zu reduzieren, den Aibeitspunkt einer Nachbrenneinrichtung zu steuern oder den Warmlauf zu fördern. So ist es aus der DE-OS 24 60 203 bekannt, bei niedriger Teillast ein fettes Gemisch in mindestens die Hälfte der Zylinder und ein mageres Gemisch in die übrigen Zylinder einzufüllen, während bei mittlerer Teillast und Vollast der Anteil der mit

ίο einem mageren Gemisch gespeisten Zylinder zunimmt. Diese Betriebsweise wird gewählt, damit für alle Betriebsbereiche eine einwandfreie Nachverbrennung gewährleistet wird. Da jedoch mit zunehmender Belastung oder zunehmendem Leistungsbedarf die Anzahl der mit magerem Gemisch gespeisten Zylinder zunimmt, ergibt sich zwangsläufig gegenüber einer Füllung mit optimaler Leistungsausbeute ein empfindlicher Leistungsabfall, wobei darüber hinaus keine kontinuierliche Leistungsänderung möglich ist und schließlich für den niederen Teillastbereich erhebliche Schadstoffmengen im Abgas anfallen, weil in diesem Bereich mit einem fetten Gemisch gefahren wird. Schließlich ergibt sich außerdem durch die ungleichförmige Belastung der einzelnen Zylinder im unteren

2ϊ Drehzahlbereich ein unrunder Lauf der Maschine. — Es ist ferner aus der DE-OS 24 24 603 bekannt, für alle Betriebsbereiche die Hälfte der Zylinder mit einem fetten und die andere Hälfte mit einem mageren Gemisch zu speisen, um die Emission an Stickoxiden zu

!') vermindern, indem die beiden Zylindergruppen jeweils mit einem Luft-Brennstoffverhältnis außerhalb eines für den Stickoxidanteil kritischen maximalen Bereichs liegen. Auch hier ergibt sich ein unrunder Lauf im unteren Drehzahlbereich und eine ungünstige Lei-

i> stungsausbeute, da zumindest jeweils die Hälfte der Zylinder nicht voll ausgenutzt werden kann. — Schließlich ist es aus der DE-OS 22 04 292 bekannt, in der Anwärmphase, d. h. für die ersten Minuten des Einsatzes nach dem Kaltstart alle Zylinder zunächst mit einem tetten und dann zunehmend abgemagerten Gemisch zu versorgen, das bei Erreichen der Betriebstemperatur für alle auf ein stöchiometrisches Verhältnis umgestellt wird. Für alle Betriebsbereiche, mit Ausnahme der Anwärmphase im Kaltstartbereich, wird somit

4) mit einem stöchiometrischen Luft-Brennstoffgemisch gefahren, was bedeutet, daß der Anteil an Stickoxiden in den Abgasen Maximalwerte annimmt, während die Anteile an Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid Minimalwerte annehmen.

Bei der Festlegung der Betriebsweise einer Brennkraftmaschine unter Berücksichtigung der Leistungsanforderungen sowie der Minimierung von giftigen Abgasbestandteilen sind die nachfolgenden, zum Teil zu gegensätzlichen Maßnahmen führenden Erfahrungen zu berücksichtigen:

Die Emission von Stickoxiden nimmt einen Maximalwert an, wenn das Luft-Brennstoffverhältnis bei 16 :1 liegt und nimmt rasch ab, wenn es niedriger oder höher als 16 : 1 wird.

Die Emission von Kohlenwasserstoffen nimmt allmählich ab, wenn das Luft-Brennstoffverhältnis auf 19:1 ansteigt und nimmt dann leicht zu, wenn es diesen Wert übersteigt.

Die Emission von Kohlenmonoxid nimmt rasch ab,

b5 wenn sich das Luft-Brennstoffverhältnis von der fetten Seite her dem Wert 16 : 1 nähert und w^;rd konstant, wenn es diesen Wert übersteigt.
Das Ausgangsdrehmoment der Maschine nimmt

beträchtlich ab, wenn das Luft-Brennstoffverhältnis zunimmt, also abgemagert wird.

Der Brennstoffverbrauch nimmt bei einem Luft-Brennstoffverhältnis im Bereich von 16:1 einen Minimalwert an und steigt erheblich, wenn das Verhältnis sich von 16 :1 entfernt.

Eine Abgasrückführung bedingt im gesamten Bereich der Luft-Brennstoffverhältnisse eine Abnahme der Stickoxidemission und des Drehmoments sowie eine Zunahme des Brennstoffverbrauchs.

Diese Feststellungen sind im wesentlichen unabhängig davon, in welchem Betriebszustand sich eine Maschine befindet. Wertet man die Ergebnisse gemeinsam, so wäre die wirksamste Lösung in bezug auf die Erzielung eines möglichst geringen Gehalts an giftigen Abgasbestandteilen ein magerer Betrieb, d. h. ein Betrieb mit einem überstöchiometrischen Luft-Brennrtoffgemisch am günstigsten. Ein solches Gemisch bedeutet aber eine geringere Leistungsiusbeute und erforderte für gleiche Leistung gegenüber einer im stöchiometrischen Bereich gefahrenen Maschine ein größeres Maschinenvolumen, das wiederum zu einer größeren Abgasmenge führt und im übrigen einen höheren Brennstoffverbrauch bedeutet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so weiterzubilden, daß bei möglichst geringem Ausstoß an giftigen Abgasbestandteilen in allen Betriebsbereichen eine im wesentlichen stufenlose Anpassung an zunehmendem Leistungsbedarf möglich ist.

Diese Aufgabe ist durch die gekennzeichneten Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Im Falle der Erfindung werden zunächst einmal grundsätzlich alle Zylinder mit einem mageren Gemisch gefüllt, wobei für den Fall erhöhten Leistungsbedarfs eine zunehmende Anzahl von Zylindern für eine wählbare Anzahl von Verbrennungstakten zusätzlich mit Brennstoff gespeist wird. Die Anpassung an erhöhten Leistungsbedarf ist also besonders feinfühlig möglich, da nicht nur einzelne Zylinder zusätzlich mit Brennstoff versorgt werden, sondern darüber hinaus auch noch diese zusätzliche Einspeisung auf bestimmte ausgewählte Verbrennungstakte beschränkt werden kann. Durch das Arbeiten mit einem mageren Gemisch im unteren Drehzahlbereich ergeben sich in diesem Bereich nur geringe Anteile an Schadstoffen in den Abgasen. Entsprechend ergeben sich auch in den höheren Drehzahlbereichen geringere Anteile an Schadstoffen, da jeweils außerhalb df;s stöchiometrischen Bereichs gefahren wird. Ferner läuft die Maschine

κι im unteren Drehzahlbereich weich und gleichförmig, da keine ungleichförmige Beschickung der einzelnen Zylinder erfolgt. Diese setzt erst in einem höheren Drehzahl- und Leistungsbereich ein, in dem mit Rücksicht auf die höhere Drehzahl gewisse Ungleich-

i) förmigkeiten keine wesentliche Auswirkung mehr haben.

Der Erfindung liegt ein neues Konzept zugrunde, das sich aus der Beobachtung ergibt, daß die größte Schadstoffemission im Bereich des Stadtverkehrs

2(i erfolgt und hier der Grad der Verunreinigung der Umwelt am größten ist, während man in außerstadtischen Bereichen relativ hohe Schadstoffe in den Abgasen zulassen kann, weil sie in bezug auf die Umgebung keine kritische Konzentration erreichen

2Ί können. Dieses Konzept erlaubt es, genau dort, wo häufig hohe Leistung verlangt wird, nämlich auf Schnellstraßen sowie in bergiger Landschaft, durch Verbrennen eines fetten Gemisches die notwendige Leistung bereitzustellen, während dort, wo solche

jo Leistungswerte nicht erforderlich sind, d. h. also im innerstädtischen Verkehr, bei geringerer Leistungsausbeute mit einem mageren Gemisch gefahren werden kann, so daß die Gefahr der Luftverunreinigung erheblich herabgemindert wird. Entgegen der bisheri-

r> gen Technik kann somit in den unteren Drehzahlberei chen mit einem mageren und in dem Bereich mit höheren Drehzahlen und höherem Leistungsbedarf mit einem fetten Gemisch gearbeitet werden. Das Ergebnis dieser Beobachtungen ist in den nachfolgenden Tabellen festgehalten:

Tabelle 1

Leistungsbedarf

Niedrig Mittel Hoch

hohe Motor- andere
drehzahl Drehzahlen

Abgegebene Menge von Abgasen (Q) S

Stadtfahrt

Häufigkeit des Leistungsbedarfs- L

wcrts in einem typischen
Fahrverlauf (F)

Produkt von Q und F (QF)
Einfluß von QF auf die
Umweltschädigung (EQF)

Überlandschnellfahrt
F

QF
EOF

M	L	S	L
L	L	S	L
S	L	L	L
S	L	L	L
S	S	S	S

5 Fortsel/uiiü	26 08 1	52	6
Leistungsbcdarf	Niedrig	Mittel	Hoch hohe Motor- andere drehzahl Drehzahlen
Stadtschnellfahrt F OF HQF Anmerkung (1) S - klein. M = mittel. L = groß.	L M L Anmerkung (2)	L L L	S L S L S L
	Fahrkategorie	FinfluB der Luftverschmut- zungsstoffe auf die Umwelt schädigung (E)
Stadtfahrl Überlandschnellfahrt Stadtschnellfahrt	L S L

Wie man aus Tabelle 1 ersieht, nimmt die Abgasmenge bei zunehmender Leistung zu. Im Stadtverkehr sind häufig niedrige und mittlere Leistungen gefragt, während hohe Leistungen bei hohen Drehzahlen kaum gefordert werden. Allerdings sind hohe Leistungen bei anderen Drehzahlen relativ häufig erforderlich. Dementsprechend ist der Einfluß bei niedrigem und mittleren Leistungsbedarf sowie bei hohem Leistungsbedarf bei Geschwindigkeiten unterhalb hoher Drehzahlen auf die Umweltverschmutzung groß, weil QF in der Tabelle groß oder mitte! ist, wohingegen der Einfluß bei hohem Leistungsbedarf und hoher Drehzahl gering ist, weil QF klein ist.

Auf der anderen Seite werden bei Überlandfahrten, insbesondere Schnellfahrten niedrige Leistungswerte nicht gefordert, während mittlere und hohe Leistungswerte häufig gefragt sind. Der mittlere Leistungswert wird dabei hauptsächlich für Fahnen auf ebener Straße erwartet. Da Schnellstraßen zwischen zwei zu verbindenden Städten im allgemeinen auf dem Lande liegen und dort der mögliche Einfluß auf die Umwelt verhältnismäßig gering ist, ist der Einfluß von niedrigen, mittleren und hohen Leistungswerten auf die Umwelt bei Fahnen mit hoher Geschwindigkeit auf Schnellstraßen im außerstädtischen Bereich gering. Bei Fahrten auf innerstädtischen Schnellstraßen liegen die Geschwindigkeiten im langsamen und mittleren Bereich, da auf diesen Straßen Geschwindigkeitsbegrenzungen herrschen und während der H?.nntvprkehrsstiinden mil dichtem Verkehr zu rechnen ist. Der jeweilige Leistungsbedarf auf innerstädtischen Straßen hängt stark von den Verkehrszeiten innerhalb eines Tages ab, wobei niedrige und mittlere Leistungswene sowie hohe Leistungswerte bei niedriger Drehzahl gefordert werden. Wie die Tabelle 1 zeigt ist im städtischen Bereich der Einfluß auf die Umwelt bei hohem Leistungsbedarf und hoher Drehzahl klein, während der Einfluß bei niedrigen Drehzahlen und niedrigen und mittleren Bedarfswerten auf die Umwelt groß ist.

Da der Betrieb einer Maschine im unterstöchiometrischen Bereich zu erheblichen schädlichen Abgasbestandteilen führt, ist die Beschickung der Zylinder mit einem unterstöchiometrischen Gemisch sehr vorsichtig zu handhaben. Dabei ist zu berücksichtigen, daß bestimmte Konstellationen, die zu einer Anreicherung

der Schadstoffe führen, so selten auftreten, daß sie nicht beachtet zu werden brauchen. Dies trifft zum Beispiel zu für die Bereitstellung einer hohen Leistung in einem Notfall, also wenn man plötzlich beschleunigen muß und hierfür ein Gemisch benötigt, das zwangsläufig zu erhöhtem Schadstoffanteil führt. Ein solcher Vorgang ist so selten, daß er bei den Überlegungen nicht berücksichtigt zu werden braucht.

Es ist relativ leicht. Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid der Abgase zu oxidieren. Es ist hingegen schwierig. Stickoxide zu reduzieren. Daher wäre es vernünftig, die Bildung von Stickoxiden in der Brennkammer zu unterdrücken, die Bildung von unverbranntem Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid gegebenenfalls nachzuverbrennen. Wenn gleichzeitig mit über- und unterstöchiometrischen Gemischen gearbeitet wird, kann die Bildung großer Mengen von Stickoxiden durch diese beiden Gemischarten unterdrückt werden, weil in diesen beiden Gemischbereichen der Anfall an Stickoxiden gering ist, während die bei unterstöchiometrischen Gemisch gebildeten unverbrannter Kohlenwasserstoff und das Kohlenmonoxid durch eine Überschußoxidation aus dem Betrieb mit überstöchiometrischen Gemisch beseitigt werden kann. Bei einem stärkeren Anfall an Stickoxiden, insbesondere also bei hohem Leistungsbedarf, können Gegenmaßnahmen zur Unterdrückung der Stickoxide getroffen werden, indem zum Beispiel gemäß Unteranspruch 2 eine Abgasrückführung erfolgt durch die die Verbrennungstemperatur erniedrigt wird, deren Höhe einen wesentlichen Einfluß auf die Bildung von Stickoxiden hat

Ferner ist es hierzu möglich, die Zahl der Verbrennungsvorgänge eines unterstöchiometrischen Gemisches zu beschränken.

Die Erfindung wird hinsichtlich der durch sie erzielbaren Ergebnisse anhand der F i g. 1 und 2 näher erläutert die in graphischer Darstellung die Beziehung zwischen dem Drehmoment und dem Ansaugleitungsunterdruck bzw. die Beziehung zwischen Luft-Brennstoffgemisch und schädlichen Abgasbestandteilen verdeutlichen.

Die in den F i g. 1 und 2 dargestellten Ergebnisse wurden mit einer Vierzylinder-Brennkraftmaschine erzielt die in der folgenden Weise betrieben wurde.

Während des Ansaughubs wurde in jeden der Zylinder Brennstoff eingespritzt, und zwar in der Reihenfolge 1, 2, 3 und 4, wobei die einzuspritzende Brennstoffmenge in Abhängigkeit von der angesaugten Luft festgelegt wurde. Die Einspritzmenge wurde so eingestellt, daß ein mageres Luft-Brennstoffgemisch mit einem Luft-Brennstoffverhältnis zwischen 17:1 bis 22 : 1 (das optimale Verhältnis liegt bei 18 : 1) für normale Arbeitsbedingung der Maschine erhalten wurde, bei denen der Ansaugleitungsunterdruck unterhalb 660 mm Hg liegt und die Maschinenbelastung gering ist. Bei hohen Leistungsbedarf, bei dem der Ansaugleitungsdruck über 660 mm Hg liegt, wird im zweiten und im dritten Zylinder die gleiche Gemischmenge wie zuvor zugeführt, während der erste und vierte Zylinder eine Brennstoffmenge erhält, die das Luft-Brennstoffverhältnis auf 11:1 bis 14, 7:1 (das optimale Verhältnis liegt bei 13:1) anreicherte. Dabei wurde die vergrößerte Brennstoffmenge dem ersten und vierten Zylinder bei jedem Ansaugtakt dieser Zylinder zugeführt. Da die Zündfolge 1, 3, 4, 2 beträgt, wechselt die Verbrennung von magerem Luft-Brennstoffgemisch und fettem Luft-Brennstoffgemisch ab. Durch die Verbrennung des fetten Luft-Brennstoffgemisches im ersten und vierten Zylinder wird die Leistung erhöht. Liegt das Luft-Brennstoffverhältnis in der Größenordnung von 13:1, kann die Erzeugung von Stickoxiden auf einem niedrigen Wert gehalten werden. Die Mengen an Kohlenmonoxiden und Kohlenwasserstoffen, die sich aus der Verbrennung des fetten Luft-Brennstoffgemisches ergeben, kann dadurch vermindert werden, daß die Abgase aus der Verbrennung des mageren und des fetten Gemisches vereinigt und nachverbrannt werden. Bei der Speisung des ersten und vierten Zylinders mit einem fetten Luft-Brennstoffgemisch kann ein Teil der Abgase in diese Zylinder zurückgeführt werden. Diese Rückführung findet statt, wenn der Ansaugleitungsdruck über 660 mm Hg liegt. Durch diese Abgasrückführung wird der Stickoxidgehalt in diesen Zylindern vermindert Da das Gemisch ausreichend fett ist, wird dabei die Zündwilligkeit nicht beeinträchtigt. Auch wird durch die Abgasrückführung die Leistungsausbeute nur wenig vermindert.

Bei normalen Arbeitsbedingungen, wenn alle Zylinder mit einem mageren Luft-Brennstoffgemisch gefahren werden, kann die Zündung des Gemisches jeweils zum optimalen Zeitpunkt erfolgen. Andererseits kann der Zündzeitpunkt beim ersten und vierten Zylinder bei hohem Leistungsbedarf auf einen Zeitpunkt geändert werden, der für die Verbrennung eines fetten Luft-Brennstoffgemisches optimal ist. Dabei kann der Zündzeitpunkt außerdem in Abhängigkeit von der ^r) Drehzahl des Motors und in Abhängigkeit von Ansaugleitungsunterdruck beeinflußt werden. Die Nachstellung des Zündzeitpunkts erfolgt nur für die Dauer einer bestimmten Zeitspanne. Danach kehrt langsam der Zündzeitpunkt wieder zum optimalen

in Zündzeitpunkt zurück. Als Folge hiervon tritt im ersten und vierten Zylinder während der Übergangsperiode von der Verbrennung des mageren Luft-Brennstoffgemisches zur Verbrennung eines fetten Luft-Brennstoffgemisches kein plötzlicher Anstieg der Ausgangslei-

j stung auf, wodurch ein weicher Übergang sichergestellt ist.

Wie man aus der F i g. 1 erkennt, kann auf diese Weise das Drehmoment, wie es durch die ausgezogene Linie dargestellt ist, durch Umschalten einer Hälfte der

2t) Zylinder von der Verbrennung eines mageren Luft-Brennstoffgemisches auf die Verbrennung eines fetten Luft-Brennstoffgemisches bei einem Ansaugleitungsunterdruck über 660 mm Hg um 20% erhöht werden. Wie die Fig. 2 verdeutlicht, können die Anteile an schädlichen Abgasbestandteilen für alle Betriebsweisen der Maschine auf niedrigen Werten gehalten werden.

Anders als im vorliegenden Fall kann bei hohem Leistungsbedarf jedem Zylinder in abwechselndem Zyklus zusätzlicher Brennstoff zugeführt werden.

jo Wieder in einem anderen Fall wird bei hohen Leistungsanforderungen während ausgewählter Ansaugtakte aller in einer bestimmten Periode wiederholten Zyklen den Zylindern eine erhöhte Brennstoffmenge zugeführt, wobei die Wiederholungsperiode verkürzt

j) wird, wenn die Motorbelastung ansteigt. So kann zum Beispiel einmal pro acht Brennstoffeinspritzungen ein fettes Brennstoffgemisch bereitgestellt werden, wobei die Häufigkeit der Zuführung des fetten Luft-Brennstoffgemisches allmählich zunimmt, bis alle Zylinder ein zusätzliches Luft-Brennstoffgemisch erhalten, um ein unterstöchiometrisches Verhältnis zu erzielen.

Grundsätzlich erlaubt die Erfindung die Berücksichtigung einer Vielzahl von Parametern, wobei sie bei Hubkolben- und Drehkolbenmaschinen mit Brennstoffeinspritzung wie auch mit Vergaserspeisung anwendbar ist und auch ohne weiteres die Anwendung von Vorkammern, Schichtladung usw. zuläßt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb einer gemisch verdichteten fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit mehreren nacheinander arbeitenden Brennkammern, deren Abgase zusammengeführt werden, und bei dem in Abhängigkeit vom Leistungsbedarf einzelnen Zylindern ein über- bzw. unterstöchiometrisches Luft-Brennstoffgemisch zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß allen Brennkammern im Leerlauf- und unteren Teillastbereich stets ein überstöchiometrisches Luft-Brennstoffgemisch und mit steigendem Leistungsbedarf mindestens einer Brennkammer in einer wählbaren Anzahl von Verbrennungsvorgängen in Abhängigkeit von der jeweils abgesaugten Luftmenge zusätzlicher Brennsioff in einer Menge geliefert wird, daß das Luft-Brennstoffverhältnis auf ein unterstöchiometrisches fettes Gemisch angereichert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder mit angereichertem fetten Gemisch arbeitenden Brennkammer Abgas zugeführt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß erst oberhalb einer vorbestimmten Leistungsschwelle zusätzlicher Brennstoff zugeführt und der Anteil der mit fettem Gemisch ablaufenden Verbrennungsvorgänge an der wählbaren Anzahl nacheinander ablaufender Verbrennungsvorgänge leistungsbedarfabhängig ansteigt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß erst oberhalb einer vorbestimmten Leistungsschwelle zusätzlicher Brennstoff zugeführt und der Anteil der mit fettem Gemisch ablaufenden Verbrennungsvorgänge an der wählbaren Anzahl von nacheinander ablaufenden Verbrennungsvorgängen konstant und vorbestimmt ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahl der mit zusätzlichem Brennstoff gespeisten Brennkammern ohne Vorbestimmung erfolgt und die ohne zusätzlichen Brennstoff bleibenden Brennkammern in der wählbaren Anzahl von nacheinander ablaufenden Verbrennungsvorgängen einbezogen sind.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Brennstoff einer vorbestimmten Brennkammer zugeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch durch Beschicken aller Brennkammern mit einem überstöchiometrischen Gemisch und Abmagerung durch Luftzufuhr und das angereicherte fette Gemisch durch Stoppen der Luftzufuhr bereitgestellt wird.