DE4330722A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Absenkung des Emissionsausstoßes und zur Regelung der Leistung einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Absenkung des Emissionsausstoßes und zur Regelung der Leistung einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit einer im Abgaskanal angeordneten Abgasturbine gemäß dem Oberbegriff des Haupt­ anspruchs.

Aus der DE-OS 31 03 732 eine Abgas-Strömungsrückstau-Anlage bekannt, bei der im Abgaskanal ein Drosselelement angeordnet ist, welches zur Erzeugung einer Schichtladung im Zylinder in Abhängigkeit von der Motorlast gesteuert wird.

Außerdem ist aus der DE-OS 39 23 370 ist ein sogenannter Turbo­ compoundantrieb für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei dem die Leistung einer im Abgaskanal angeordneten Turbine mittels einer Leistungsübertragungseinrichtung, die eine Untersetzung und eine Freilaufkupplung aufweist, auf die Kurbelwelle der Brennkraft­ maschine übertragen wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Regelung der Leistung einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit verbessertem Wirkungsgrad und gutem Übergangsverhalten bei Laständerungen zu schaffen. Es ist weiterhin die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit verringertem Emissionsausstoß und verbessertem Warmlaufverhalten zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei Ottomotoren wird bislang die Leistung über eine Ansaugluft­ drosselung im Saugrohr mittels einer Drosselklappe geregelt. Im Teillastgebiet entstehen durch diese Drosselmaßnahmen Verluste, die zu einer Absenkung des motorischen Wirkungsgrades führen. Zusätzliche Maßnahmen zur Schadstoffreduzierung, wie die äußere Abgasrückführung, können gegebenenfalls zu einer in gewissen Grenzen ablaufenden Lastregelung beitragen. Das instationäre Übergangsverhalten bei Laständerung kann sich verschlechtern, da ein erhitztes Saugrohr oder noch nachströmendes Abgas aus den Abgasrückführungskanälen zu Füllungsverlusten am Motor führt. Generell ist eine Vermengung von Abgas mit Frischladung bei Abgasrückführung als Nachteil anzusehen, weil dadurch ein größerer Zündverzug entsteht und sich eine homogene Vermischung des Frischgases mit der relativ zähen Abgasströmung schwierig gestaltet.

Eine andere Möglichkeit zur teilweisen oder gesamten Last­ regelung der Brennkraftmaschine besteht darin, eine Einrichtung mit variablem Durchsatzverhalten im Abgaskanal anzuordnen. Durch das Aufstauen des Abgases verbleibt nach dem Ausschubtakt eine gewisse Restgasmenge im Zylinder. Im Ansaugtakt wird dann das zähe Abgas von der Frischladung in Form einer Deckschicht über­ lagert. Diese Deckschicht hat idealerweise, zumindest in der Nähe der Zündkerze, eine stöchiometrische Luft/Kraftstoffver­ teilung, so daß die Entflammungsphase und der Brennverlauf nicht verschleppt wird.

Mit steigender Motorlast wird nun der Abgasdurchsatz erhöht, so daß sich die im Zylinder verbleibende Restgasmenge verringert und dadurch die Frischgasmenge erhöht. Somit kann durch Steue­ rung der Einrichtung mit variablem Durchsatzverhalten die dem Zylinder zugeführte Frischladung und somit die Leistung der fremdgezündeten Brennkraftmaschine beeinflußt werden.

Der Einsatz einer Abgasturbine mit variablem Durchsatzverhalten bringt den Vorteil, daß die beim Aufstauen des Abgases freiwer­ dende Drosselenergie umgewandelt und über ein Untersetzungs­ getriebe mit Freilaufkupplung an die Kurbelwelle übertragen werden kann. Dadurch wird insbesondere bei großer Abgas­ drosselung der Wirkungsgrad des Gesamtprozesses erhöht.

Insgesamt führt das Verfahren durch das im Zylinder verbleibende heiße Restgas zu einer schnelleren Motorerwärmung beim Kaltstart und gleichzeitig zu einer Senkung des gesamten Emissionsaus­ stoßes. Bedingt durch den erhöhten Abgasgegendruck steigt der Wärmeübergang am Katalysator, wodurch ein früheres Ansprechen der katalytischen Abgasnachbehandlung erreicht wird. Die erhöhte Ausschubarbeit des Kolbens wird durch eine geringere Saugarbeit des Kolbens kompensiert, so daß der Ladungswechsel insgesamt auf einem höheren Druckniveau abläuft. Das im Zylinder verbleibende Restgas führt über die bekannten Vorgänge Absenkung des Sauer­ stoffpartialdruckes und einer Zunahme der spezifischen Wärme­ kapazität in der Zylinderfüllung zu einer geringeren Stickoxid­ bildung im Abgas. Außerdem werden die Kohlenwasserstoffanteile im Abgas verringert, weil diese vor allem im Bereich des Feuer­ stegs gebildet werden und daher größtenteils zusammen mit dem Restgas im Brennraum verbleiben.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen gehen aus den Ansprüchen und der Beschreibung hervor.

Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung , die eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine zeigt, näher beschrieben.

Der insgesamt mit 1 bezeichneten Brennkraftmaschine wird über eine in der Ansaugleitung 2 optional angeordneten einstellbaren Drosselklappe 13 Frischluft zugeführt. Nach der Zugabe von Kraftstoff wird das Luft/Kraftstoffgemisch in einem der Zylinder 3 durch einen Zündfunken gezündet. Das Abgas wird dann an­ schließend über einen Abgaskanal 4 abgeführt. Im Abgaskanal 4 ist ein Katalysator 5 und stromab vom Katalysator 5 eine Abgas­ turbine 6 mit variablem Durchsatzverhalten angeordnet. Die variable Turbinengeometrie kann durch ein verstellbares Leit­ gitter, durch variable Düsen- oder Spiralquerschnitte oder auf eine beliebige bekannte Art und Weise realisiert werden. Die Abgasturbine 6 ist über ein Untersetzungsgetriebe, beispiels­ weise einem Riementrieb 7, mit der Kurbelwelle 8 der Brennkraft­ maschine 1 gekoppelt. Im Untersetzungsgetriebe 7 ist außerdem eine nicht näher gezeigte Freilaufkupplung vorgesehen.

Ein Steuergerät 9 ist über Datenleitungen mit einem Leistungs­ stellglied 10 der Brennkraftmaschine 1, mit der Abgasturbine 6, mit der gegebenenfalls notwendigen Drosselklappe 13 und eventu­ eller Betätigungseinrichtungen 11, 12 für die Gaswechselventile verbunden. Außerdem können dem Steuergerät 9 alle benötigten Betriebsparameter der Brennkraftmaschine 1 zur Verfügung ge­ stellt werden. Der Fahrer kann seine Leistungsanforderung über das Leistungsstellglied 10, beispielsweise einem Fahrpedal, an das Steuergerät 9 übermitteln. Im Steuergerät 9 wird dann in Abhängigkeit von der Stellung des Leistungsstellgliedes 10 ein Sollwert für den Durchsatz der Abgasturbine 6 ermittelt und an der Abgasturbine 6 entsprechend eingestellt. Im Leerlauf wird der Durchsatz der Abgasturbine 6 auf den Minimalwert einge­ stellt, so daß der Abgasstrom eine maximale Drosselung erfährt. Dadurch verbleibt eine maximale Restgasmenge im Zylinder 3 und über die Drosselklappe 13 wird eine minimale Frischluftmenge zugeführt.

Mit zunehmender Leistungsanforderung wird der Durchsatz der Abgasturbine 6 und der Drosselklappe 13 durch das Steuergerät 9 erhöht. Dadurch wird die Drosselung des Abgasstromes reduziert, die Menge des in den Zylindern 3 verbleibenden Restgases verringert und somit eine größere Frischladung eingebracht. Bei Vollast wird schließlich der Durchsatz der Abgasturbine 6 auf den Maximalwert eingestellt, so daß auch die den Zylinder 3 zugeführte Frischladung ihren Maximalwert erreicht. Somit ist es möglich, durch die Steuerung des Durchsatzes der Abgasturbine 6 die den Zylindern 3 zugeführte Frischluftmenge und damit die Leistung der Brennkraftmaschine 1 zu beeinflussen. Durch dieses Verfahren kann im Teillastbereich und insbesondere im Schubbetrieb der Ansaugunterdruck abgesenkt werden, so daß weniger Öl über die Kolben in den Brennraum gezogen wird.

Für einen optimalen Betrieb der Brennkraftmaschine 1 sollten auch die Steuerzeiten der Gaswechselventile angepaßt werden. Vor allem im Teillastbereich sollte hierbei keine Überschneidung zu­ gelassen werden. Das heißt, das Einlaßventil wird erst geöffnet, wenn das Auslaßventil geschlossen ist. Hierzu gibt das Steuer­ gerät 9 die entsprechenden Signale an die Betätigungseinrich­ tungen 11, 12, die eine Phasenverschiebung für die Steuerzeiten der nicht dargestellten Einlaß- und Auslaßventile bewirkt. Darüber hinaus kann die Betätigungseinrichtung 11, 12 über das Steuergerät 9 auch als Einrichtung zur Einstellung variabler Steuerzeiten der nicht dargestellten Einlaß- und Auslaßventile ausgeführt sein, wodurch sich der thermodynamische Ablauf weiter verbessert. Für optimierte Steuerzeiten gilt, daß das Einlaßventil erst nach OT öffnet, wenn das Auslaßventil vollständig geschlossen ist und das im Zylinder verbleibende gespannte Restgas Expansionsarbeit über den Kolben verrichtet hat. Das Einlaßventil muß nach UT wieder so rechtzeitig geschlossen werden, daß angesaugtes Gemisch nicht in den Einlaßkanal zurück geschoben wird und so eine unnötige Ladungsverschiebung auftritt.

Die bei der Abgasdrosselung freiwerdende Drosselenergie wird von der Abgasturbine 6 in mechanische Energie umgewandelt und über ein Untersetzungsgetriebe 7 mit Freilaufkupplung an die Kurbel­ welle 8 übertragen. Dadurch wird insbesondere bei großer Abgas­ drosselung der Wirkungsgrad des Gesamtprozesses erhöht. Die Freilaufkupplung ist notwendig, damit unter ungünstigen Bedingungen ein Antrieb der Abgasturbine 6 durch die Kurbelwelle 8 verhindert werden kann und somit Leistung an der Kurbelwelle 8 von der Abgasturbine 6 abgenommen wird.

Neben der gezeigten Leistungsregelung über eine Abgasturbine 6 mit variablem Durchsatzverhalten ist es auch denkbar, die Abgas­ drosselung über eine einfache, im Abgaskanal 4 angeordnete Drosselklappe vorzunehmen. Auch wäre es denkbar, bei einer Ventilsteuerung mit variablen Steuerzeiten, bei der die Auslaßventile direkt über die Betätigungseinrichtung 12 durch das Steuergerät 9 angesteuert werden, durch frühzeitiges Schließen einen Abgasrückstau zu erreichen. Beide Anordnungen würden aber nicht die beschriebene Erhöhung des Wirkungsgrades des Gesamtprozesses bewirken, sondern sich lediglich als Verfahren zur Reduzierung des Emissionsausstoßes eignen.

Claims (3)

1. Fremdgezündete Brennkraftmaschine mit einer in einem Abgas­ kanal angeordneten Abgasturbine zur Umsetzung von Abgasenergie, mit einer Leistungsübertragungseinrichtung zur Übertragung der Turbinenleistung auf die Kurbelwelle, wobei die Leistungsüber­ tragungseinrichtung ein Untersetzungsgetriebe und eine Freilauf­ kupplung aufweist, und mit einem Leistungsstellglied, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abgasturbine (6) mit variablem Durchsatzverhalten verwendet wird und daß ein Steuergerät (9) zur Einstellung des Durchsatzes der Abgasturbine (6) in Abhängigkeit von der Stellung des Leistungsstellgliedes (10) vorgesehen ist.

2. Fremdgezündete Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich in der Ansaugleitung (2) eine durch das Steuer­ gerät (9) einstellbare Drosselklappe (13) angeordnet ist.

3. Verfahren zur Regelung der Leistung einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der Stellung des Leistungsstellgliedes (10) ein Sollwert für den Durchsatz der Abgasturbine (6) vorge­ geben wird und daß der Durchsatz der Abgasturbine (6) auf diesen Sollwert eingestellt wird, wobei der Sollwert ausgehend von einem Minimalwert im Leerlauf bis zu einem Maximalwert im Voll­ lastbetrieb der fremdgezündeten Brennkraftmaschine (1) erhöht wird.