DE4325503C1 - Teillast-Betriebsverfahren für eine gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschine, insbesondere auf Fahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem nach Merkmalen des Ober­ begriffes des Patentanspruches 1 bekannten Teillast-Be­ triebsverfahren.

Aus der DE-B 28 24 472 ist es für einen vorbestimmten Ar­ beitsbereich einer Brennkraftmaschine bekannt, das bei einer Drehzahl der Maschine unter konstanter Füllung und konstanter Luftzahl erreichbare Drehmoment ausschließlich über eine entsprechende Zündzeitpunkteinstellung zu steuern.

Aus einem Fachartikel ab Seite 347 der VDI-Fortschritts­ berichte, Reihe 12, Nr. 122, zum 10. Internationalen Wiener Motorensymposium (27.-28.04.1989) ist es ferner bekannt, bei einem Kaltstart die Abgastemperaturen einer Brennkraftmaschine mit Katalysator bei niedriger Last und Drehzahl durch relativ spät nach OT gewählte Zünd­ zeitpunkte zu erhöhen, mit dem Ziel einer rascheren Auf­ heizung des Katalysators zum Zwecke einer früher ein­ setzenden Konversion.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungs­ gemäße Teillast-Betriebsverfahren in Richtung einer effi­ zienten Motor- und Abgas-Heizung unter Beachtung relativ günstiger Rohemissionen zu verbessern ohne Komforteinbuße beim Fahrbetrieb in diesem Teillastbereich bei Heizungs­ betrieb.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den im Kennzeichen des Pa­ tentanspruches 1 angegebenen Merkmalen. Der Vorteil der Erfindung liegt in der Wahlmöglichkeit einer extrem spä­ ten Zündzeitpunkteinstellung, die einerseits ab einem Kaltstart der Brennkraftmaschine bei Magergemisch von konstanter Füllung eine stabile, erhöhte Leerlaufdrehzahl für eine relativ große Abgasmasse von hoher Temperatur zum schnellen Aufheizen der Maschine und des Abgases er­ gibt; und die andererseits bei einem Fahrbetrieb im Be­ reich dieser Leerlaufdrehzahl und darüber durch die Kop­ pelung mit dem jeweiligen Lastwunsch eine komfortable Drehmomentsteuerung ermöglicht, die schließlich mit der vorgeschlagenen Begrenzung der Zündwinkel-Änderungs­ geschwindigkeit sichergestellt ist.

Die erfindungsgemäße Kombination einer spät nach OT ge­ steuerten/geregelten Zündzeitpunkteinstellung für eine Leerlaufdrehzahlregelung mit einer lastwunschabhängig ge­ steuerten/geregelten Zündzeitpunkteinstellung zur Dreh­ momentsteuerung in einem unteren Teillast-Fahrbereich mit Heizungsbetrieb ermöglicht in vorteilhafter Weise eine effiziente Motor- und Abgas-Heizung bei relativ günstigen Rohemissionen ohne Komforteinbuße beim Fahrbetrieb in diesem Teillastbereich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Zur Erzielung eines erwarteten Anzugverhaltens im Fahrbetrieb ist die der Drehmoment­ steuerung dienende Zündzeitpunkteinstellung kennfeld­ abhängig gesteuert/geregelt unter Einbeziehung für den Maschinenbetrieb relevanter Temperaturen. Weiter wird nach einem Kaltstart bei Erreichen vorbestimmter, mit dem Motor- und Abgas-Heizvorgang relevanter Temperaturen die erhöhte Leerlaufdrehzahl der Maschine selbsttätig abge­ steuert/abgeregelt auf die übliche Leerlaufdrehzahl der betriebswarmen Maschine. Diese Ab-Steuerung bzw. -Rege­ lung kann ferner auch zeitabhängig oder in Kombination mit relevanten Temperaturen erfolgen. In Verbindung mit einer zeitabhängigen Steuerung ist es auch denkbar, die Brennkraftmaschine bei niedrigen Außentemperaturen aus­ reichend vor dem Fahrbetrieb automatisch zu starten und bei erhöhter Leerlaufdrehzahl zu betreiben. Bei entspre­ chender Wahl einer erhöhten Leerlaufdrehzahl ist die Auf­ heizung der Brennkraftmaschine so wirksam, daß in vor­ teilhafter Weise eine gesonderte Heizeinrichtung zur Mo­ tor- und/oder Fahrzeuginnenraumerwärmung entfallen kann.

Eine Anhebung der Verbrennungs- und damit Abgas-Tempera­ tur durch reduzierten Restgasgehalt ist ferner bei einer Brennkraftmaschine mit variabler Nockenwellenverstellung erreichbar bei angepaßter Überschneidung der geöffne­ ten/geschlossenen Ein- und Auslaßventile. Weitere Ein­ richtungen wie eine Sekundärlufteinblasung und/oder ein Vorkatalysator erhöhen ebenfalls vorteilhaft die Tempera­ tur des Abgases nach dem Motorheizen, wodurch ein von der Brennkraftmaschine entfernt angeordneter Katalysator re­ lativ rasch auf seine Anspringtemperatur gebracht ist.

Schließlich ist das erfindungsgemäße Teillast-Betriebs­ verfahren vorteilhaft mit einem vorhandenen geregelten Leerlaufsteller oder einer gegebenen, mittels einer elek­ tronischen Motorsteuerung betätigten Drosselklappe durch­ führbar, wobei im wesentlichen die jeweilige Software le­ diglich um die Steuer-/Regel-Strategie des erfindungs­ gemäßen Verfahrens zur Motor- und Abgasheizung zu ergän­ zen ist.

Die Erfindung ist im folgenden näher beschrieben.

Zur Verminderung der Umweltbelastung bei gleichzeitiger Verbesserung des Betriebsverhaltens einer Otto-Brenn­ kraftmaschine ab einem Kaltstart wird ein bekanntes Teil­ last-Betriebsverfahren in Richtung einer effizienten Mo­ tor- und Abgas-Heizung unter Beachtung relativ günstiger Rohemissionen verbessert, ohne eine Komforteinbuße beim Fahrbetrieb in diesem Lastbereich hinnehmen zu müssen.

Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik, daß ein relativ spät nach OT gewählter Zündzeitpunkt eine ver­ schleppte Verbrennung mit relativ hohen Abgastemperaturen bewirkt, wird zunächst für eine effiziente Motor- und Ab­ gas-Heizung bei relativ günstigen Rohemissionen vorge­ schlagen, daß ein Ansaug-Querschnitt der Brennkraft­ maschine ab einem (Kalt-)Start unterhalb einer vorbe­ stimmten Maschinentemperatur auf einen maximalen Teil- Querschnitt geöffnet und gehalten wird und daß eine er­ höhte Leerlaufdrehzahl bei im wesentlichen konstanter Füllung mit einer Luftzahl Lambda = 0,95-1,20 mittels bis zu 50° nach OT einstellbarem Zündzeitpunkt geregelt wird. Der vorbeschriebene Ansaug-Teil-Querschnitt kann bei einer Brennkraftmaschine mit einem geregelten Leer­ laufsteller durch maximales Öffnen seines Luftdurchganges erzielt werden. Bei einer Brennkraftmaschine mit im Hauptansaugkanal mittels elektronischer Motorsteuerung (EML) betätigbarer Drosselklappe wird diese entsprechend dem maximalen Teil-Querschnitt teilweise geöffnet.

Die vorbeschriebene Maßnahme eines vorzugsweise mageren Gemisches von konstanter Füllung in Verbindung mit einer extrem spät nach OT gewählten Zündzeitpunkteinstellung ergibt neben einer relativ günstigen Rohemission eine stabile, erhöhte Leerlaufdrehzahl für eine relativ große Abgasmasse von hoher Temperatur, die einerseits dem schnellen Aufheizen der Maschine und andererseits dem schnellen Aufheizen eines maschinenfern angeordneten Ka­ talysators zur früheren Konversion dient. Mit der schnel­ len Maschinen- bzw. Motor-Aufheizung werden wesentlich früher ab einem Kaltstart verbrauchsgünstige Betriebs­ temperaturen der Brennkraftmaschine erzielt. Für ein schnelles Motor-Heizen auf Betriebstemperatur mit sofor­ tiger Nutzung der in einem Motorkühlmittel enthaltenen Wärme für eine Fahrzeug-Innenraumheizung haben sich er­ höhte Leerlaufdrehzahlen zwischen 1100 und 1400 U/min als vorteilhaft erwiesen.

Um eine im Aufheizbetrieb laufende Brennkraftmaschine auch sofort ohne Verzicht einer Aufheizwirkung betriebs­ bereit zu haben, wird unter Beibehaltung der späten Zünd­ zeitpunkteinstellung nach OT im Fahrbetrieb ab dem Kalt­ start die Zündzeitpunkteinstellung bei im wesentlichen maximal offen gehaltenem Ansaug-Teil-Querschnitt last­ wunschabhängig, z. B. über das Fahrpedal, ge­ steuert/geregelt zur Antriebs-Drehmomentsteuerung. Auf diese Weise kann dem Erwarten des Fahrzeuglenkers eines bestimmten Anzugverhaltens der im Fahrzeug installierten Brennkraftmaschine vorteilhaft einfach entsprochen wer­ den. Eine komfortable Drehmomentsteuerung wird vor allem durch eine drehzahl- und/oder lastwunschabhängig be­ grenzte Zündwinkel-Änderungsgeschwindigkeit sicherge­ stellt. Die Drehmomentsteuerung wird weiter durch eine kennfeldabhängig gesteuerte/geregelte Zündzeitpunktein­ stellung vorteilhaft unterstützt, wobei ein Drehzahlen und Lastpunkte der Teillast umfassendes Kennfeld mit Tem­ peraturen der Maschine und der Ansaugluft verknüpft wird. Hierbei dient die Korrelation der beiden vorgenannten Temperaturen zu einem Drehzahl-/Lastpunkt der Anpassung einer späten Zündeinstellung. Diese wird bei einer Stör­ größenaufschaltung, z. B. Zuschaltung eines Nebenaggrega­ tes, entsprechend geringer sein bzw. entsprechend nach früher zurückgenommen.

Nach Erreichen vorbestimmter Temperaturen des Abgases, eines maschinenfernen Katalysators in der Abgasanlage so­ wie der Brennkraftmaschine einzeln oder in Kombination wird der maximale Ansaug-Teil-Querschnitt auf einen der jeweiligen Leerlaufbelastung (mit und ohne zusätzliche Hilfsaggregate) der Brennkraftmaschine entsprechenden Wert gesteuert/geregelt vermindert, wobei zugleich der Zündzeitpunkt in Richtung Früheinstellung angepaßt wird. Die vorbeschriebene Querschnitts-Anpassung kann allein temperaturabhängig oder zusätzlich auch zeitabhängig er­ folgen. Eine gegebene Zeitsteuerung kann in Verbindung mit einer Zeitschaltuhr auch zu einem selbsttätigen, vor­ bestimmten Anlassen der Brennkraftmaschinen bei niedrigen Außentemperaturen dienen.

Der Verbrauch beim erfindungsgemäßen Aufheizbetrieb einer Brennkraftmaschine mit variabler Nockenwellenverstellung läßt sich vorteilhaft durch eine auf maximale Abgastempe­ ratur gesteuerte/geregelte Überschneidung von Ein- und Auslaßventilen senken, wobei mit dieser Überschneidung insbesondere der Restgasgehalt im Brennraum reduziert wird.

Ferner kann die Abgastemperatur nach dem Auslaßventil durch eine Sekundärlufteinblasung bei fetterem Motor­ lambda gesteigert werden, wodurch eine anteilsmäßig über die Temperatur des Katalysators bestimmte Aufheizphase sich zeitlich verkürzen läßt. Eine die Abgastemperatur erhöhende Wirkung hat ferner ein Vorkatalysator.

Mit dem erfindungsgemäßen Teillast-Betriebsverfahren zur Motor- und Abgas-Heizung ist im Fahrbetrieb eines Fahr­ zeuges insbesondere bei stop and go gewährleistet, daß die Abgasreinigung immer funktioniert, weil der Katalysa­ tor nicht unter seine Betriebstemperatur absinkt und fer­ ner in einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine im­ mer ein hohes Wärmepotential zur Innenraumheizung gegeben ist. Mit der Erfindung werden sowohl die Abgasreinigung als auch das Wärmepotential für eine Fahrzeugheizung vom Fahrzyklus relativ unabhängig. Im übrigen ist die mit einer erfindungsgemäß betreibbaren Brennkraftmaschine er­ zielte Standheizung lambdageregelt und damit deren Abgase über einen Katalysator konvertierbar.

Zur Erzeugung eines ausreichenden Unterdruckes für Servoeinrichtungen des Fahrzeuges bei maximal offenem An­ saug-Teil-Querschnitt ist in einer mit dem Leer­ laufsteller verbundenen Bypassleitung oder in einer zur Drosselklappe der Ansauganlage vorgesehenen Bypassleitung jeweils eine Saugpumpe vorgesehen, die als Strahlpumpe oder als Venturirohr ausgebildet sein kann.

Claims (12)

1. Teillast-Betriebsverfahren für eine gemisch­ verdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschine, insbesondere auf Fahrzeugen

• - mit last- und/oder drehzahlabhängiger Änderung der Füllung, der Luftzahl Lambda und des Zünd­ zeitpunktes, der
• - bei im Leerlaufbereich relativ weit geöffnetem Ansaug-Querschnitt relativ spät nach OT eines Referenzzylinders wählbar ist,
  dadurch gekennzeichnet,
  daß der Ansaug-Querschnitt ab einem Start der Brennkraftmaschine unterhalb einer vorbestimm­ ten Maschinentemperatur auf einen maximalen Teil-Querschnitt geöffnet und gehalten wird und
• - daß eine erhöhte Leerlaufdrehzahl bei im we­ sentlichen konstanter Füllung mit einer Luft­ zahl Lambda zwischen 0,95 und 1,20 mittels bis zu 50° nach OT einstellbarem Zündzeitpunkt ge­ regelt wird, wobei
• - bei gleichzeitigem Fahrbetrieb im anschließen­ den Teillastbereich unter Last oder Schub bei weiterhin im wesentlichen maximal offen gehal­ tenem Ansaug-Teil-Querschnitt das Brennkraft­ maschinen-Drehmoment mittels einer last­ wunschabhängigen, späten Zündzeitpunkteinstel­ lung gesteuert/geregelt wird, wobei ferner
• - eine mit der jeweiligen Zündzeitpunkteinstel­ lung verbundene Zündwinkel-Änderungsgeschwin­ digkeit zumindest drehzahl- oder lastwunschab­ hängig begrenzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Drehmomentsteuerung dienende ge­ steuerte/geregelte Zündzeitpunkteinstellung kenn­ feldabhängig ist, wobei ein Drehzahlen und Last­ punkte der unteren Teillast umfassendes Kennfeld mit Temperaturen der Maschine und der Ansaugluft verknüpft wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der maximale Ansaug-Teil-Querschnitt nach Erreichen vorbestimmter Temperaturen des Ab­ gases, eines Katalysators und der Brennkraft­ maschine einzeln oder in Kombination auf einen der jeweiligen Leerlaufbelastung der Brennkraftmaschine entsprechenden Wert gesteuert/geregelt vermindert wird bei gleichzeitiger Anpassung des Zündzeitpunk­ tes in Richtung Früheinstellung.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale An­ saug-Teil-Querschnitt nach Ablauf einer vorbestimm­ ten Zeitspanne ab dem Kaltstart der Brennkraftma­ schine auf einen verminderten Wert ge­ steuert/geregelt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zum schnellen Aufheizen der Brennkraftmaschine und des Abgases die Leerlauf­ drehzahl bei im wesentlichen maximal geöffnetem Teil-Querschnitt zündzeitpunktabhängig auf einen Wert zwischen 1.100 und 1.400 U/min ge­ steuert/geregelt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei einer Brennkraftmaschine mit variabler Nockenwellenverstellung im Aufheizbetrieb eine Überschneidung von Ein- und Auslaßventilen auf maximale Abgastemperatur gesteuert/geregelt wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei einer Brennkraftmaschine mit Sekundärlufteinblasung diese im Aufheizbetrieb zu­ geschaltet wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei einer Brennkraftmaschine mit einem Vorkatalysator im Aufheizbereich die Abgase über diesen geführt werden.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei einer Störgrößenaufschaltung (Zuschaltung eines Nebenaggregates) der Zündzeit­ punkt entsprechend in Richtung "Früh" zurückgenom­ men wird.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansaug-Teil-Querschnitt mittels eines Leerlaufstellers gesteuert/geregelt ist.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansaug-Teil-Querschnitt mittels einer im Ansaug-Kanal der Brennkraft­ maschine über eine elektronische Motorsteuerung ge­ steuerte/geregelte Drosselklappe einstellbar ist.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß in einer mit dem Leerlaufsteller verbundenen Bypasslei­ tung oder in einer zur Drosselklappe vorgesehenen Bypassleitung eine Saugpumpe (Strahlpumpe, Ven­ turirohr) angeordnet ist.