DE4418112A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die zur Verbrennung eines Gemischs mit hohem Luftverhältnis ausgelegt ist - Google Patents
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die zur Verbrennung eines Gemischs mit hohem Luftverhältnis ausgelegt istInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
Insbesondere zwecks Verringerung des Kraftstoffverbrauchs ist es
bekannt, Brennkraftmaschinen nur dann, wenn eine hohe Leistung
verlangt wird, bei stöchiometrischem Luft-Kraftstoff-Verhältnis
(λ = 1) zu betreiben, dagegen bei niedriger Last und Leerlauf
ein magereres Luft-Kraftstoff-Verhältnis einzustellen. So
beschreibt die DE-OS 36 23 195, F02D 33/00, ein entsprechendes
Kraftstoffaufbereitungssystem für eine Brennkraftmaschine, bei
dem mittels einer im Abgassystem angeordneten Lambda-Sonde das
zugeführte Luft-Kraftstoff-Gemisch nur außerhalb des Leerlaufs
und der niedrigen Teillast, also bei höherer Maschinenlast, auf
ein stöchiometrisches Luft-Kraft-Verhältnis geregelt wird, das
sowohl die Erzeugung eines hohen Drehmoments durch die Maschine
als auch eine wirksame Beseitigung schädlicher Abgasbestandteile
in einem nachgeschalteten Dreiwege-Katalysator garantiert,
während bei niedrigen Lastanforderungen eine Umschaltung des
Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf einen Wert von λ = 1,15 oder
darüber erfolgt. Dieser höhere Wert des Luftverhältnisses ist
gewählt, weil bei Maschinen der dort behandelten Art, die an
sich nicht für Magerbetrieb ausgelegt sind, bei diesem Luftver
hältnis ein Minimum des Kraftstoffverbrauchs vorliegt.
Für Brennkraftmaschinen, die zur Verbrennung eines mageren Luft-
Kraftstoff-Gemischs ausgelegt sind, vor allem durch Sicher
stellung einer wirksamen Strömung in den Brennräumen (Wirbeler
zeugung), stellt sich bei diesem höheren Lambda-Wert jedoch kein
Minimum des Kraftstoffverbrauchs ein; dieser sinkt vielmehr in
Richtung höherer Luftverhältnisse weiter ab, und zwar ebenso wie
der NOx-Gehalt der Abgase der Maschine. Daher legt man die
Maschine bewußt zur Verbrennung auch eines sehr mageren Luft-
Kraftstoff-Gemischs (λ = 1,45 oder höher) aus, d. h. so, daß
auch bei derart mageren Gemischen Zündaussetzer sicher vermieden
sind. Eine derartige Maschine, die nach dem im Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 angegebenen Verfahren betrieben wird, ist aus
der EP 0 447 765 A1, F02D 33/02, bekannt. Soweit dort eine
Füllungsänderung erfolgt, geschieht dies durch Freigabe bzw.
Absperrung eines von zwei Einlaßkanälen je Brennraum, der als
Wirbelkanal ausgebildet ist, mittels einer Drosselklappe.
Beim Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine ("Mager
motor") nach diesem Verfahren, d. h. mit Umschaltung zwischen
Zufuhr eines etwa stöchiometrischen Gemischs und eines sehr
mageren Gemischs, ist zwar ein Dauerbetrieb bei einem Luft-
Kraftstoff-Verhältnis zwischen diesen genannten Betriebswerten
vermieden, in dem die NOx-Erzeugung in der Brennkraftmaschine
ihr Maximum hat, jedoch wird dieser Bereich während der Um
schaltvorgänge durchfahren. Dieses "Durchfahren- des Zwischen
bereichs des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses muß mit endlicher
Geschwindigkeit erfolgen, da die Brennkraftmaschine, wie darge
legt, bei stöchiometrischem Betrieb (λ = 1,0) ein erheblich
größeres Drehmoment erzeugt als bei Betrieb mit dem sehr mageren
Luft-Kraftstoffverhältnis. Ein schlagartiger Umschaltvorgang
würde demgemäß zu einem unerwünschten Ruck bzw. Schlag infolge
momentaner Drehmomentänderung führen, was insbesondere bei
Kraftfahrzeug-Antriebsmaschinen zu einer Komforteinbuße führen
würde. Für die Wiedereinschaltung einer Brennkraftmaschine nach
Schubabschaltung ist es aus diesem Grunde bekannt (US-PS 4 276
863, F02D 17/00), nicht sofort alle Brennräume der Maschine
wieder zu aktivieren, sondern in zeitlicher Aufeinanderfolge.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes
Verfahren unter Wahrung seiner Vorteile dahingehend zu verbes
sern, daß unerwünschte Drehmomentensprünge bei den Umschaltungen
vermieden sind.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kenn
zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausbil
dungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.
Betrachtet man einen Umschaltvorgang von Magerbetrieb auf Be
trieb mit stöchiometrischem Luft-Kraftstoff-Verhältnis, so er
folgt bei der Erfindung kein Betrieb längs der - in dieser Rich
tung ansteigenden - Drehmomenten-Kurve über dem Luft-Kraftstoff-
Verhältnis, sondern durch eine zeitweilige Füllungsreduzierung
wird der im Magerbetrieb erzeugte Wert des Drehmoments bis zum
Bereich λ = 1,0 beibehalten und dann durch vollständige oder
teilweise Rücknahme der Füllungsreduzierung die angeforderte
Leistung bzw. das angeforderte Drehmoment der Maschine einge
stellt. Dies kann das von der Maschine maximal abgegebene Dreh
moment sein; in vielen Fällen handelt es sich jedoch um ein
kleineres Drehmoment, das aber verständlicherweise über dem bei
Magerbetrieb abgegebenen Drehmoment liegt.
Auch beim Übergang vom stöchiometrischen zum Magerbetrieb würde
sich ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen ein Sprung im abgege
benen Drehmoment, hier im Sinne einer Verringerung desselben,
ergeben, der erfindungsgemäß durch zeitweilige Füllungsvergröße
rung vermieden wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden also hohe HC-Gehalte
im Abgas durch Verwendung einer für Magerbetrieb ausgelegten,
d. h. Zündaussetzer bei hohen Werten von Lambda vermeidenden
Brennkraftmaschine und hohe NOx-Gehalte im Abgas durch schnelles
"Überspringen" des definierten Zwischenbereichs des Kraftstoff-
Luft-Gemischs vermieden, ohne daß ein störender Drehmomenten
sprung in Kauf genommen werden muß.
Wie in den Unteransprüchen zum Ausdruck gebracht, gibt es eine
Vielzahl von Möglichkeiten für die Füllungsänderung. Hier können
elektrisch angesteuerte Drosselklappen Einsatz finden, wobei
bevorzugt brennraumindividuelle Maßnahmen Einsatz finden. Hierzu
gehören brennraumindividuelle Drosselklappen, die eine indivi
duelle Beeinträchtigung der Füllungen einzelner Brennräume oder
Brennraumgruppen ermöglicht; andere Maßnahmen beziehen sich auf
die Veränderung von Ladungswechsel-Ventilsteuerzeiten, und zwar
sowohl was die Öffnungszeiten als auch die Öffnungshübe anbe
langt. Auch ist es möglich, bei Mehrventilmaschinen, d. h.
solchen mit zumindest zwei Ein- und/oder Auslaßventilen, ein
zelne Ventile zeitweilig wirksam bzw. unwirksam zu machen. In
ähnlicher Richtung geht die zeitweilige Desaktivierung bzw.
Aktivierung ganzer Brennräume oder Brennraumgruppen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand der
Zeichnung erläutert, deren Fig. 1 und 2 den Verlauf verschie
dener interessierender Maschinengrößen über dem Luft-Kraftstoff-
Verhältnis Lambda bzw. der Drehzahl n zeigen, während Fig. 3 in
Draufsicht schematisch ein Ausführungsbeispiel einer zur Durch
führung des Verfahrens geeigneten Brennkraftmaschine zeigt.
Betrachtet man zunächst Fig. 1, so sind dort untereinander die
Verläufe des NOx-Anteils im Abgas, des spezifischen Kraftstoff
verbrauchs be und des von der Maschine erzeugten Drehmoments Md
über dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ aufgetragen. Im obersten
Diagramm ist durch die ausgezogene Kurve a der NOx-Gehalt der
Abgase nach Passieren eines Katalysators und durch die unter
brochen gezeichnete Kurve b dieser Schadstoffgehalt vor dem
Katalysator, d. h. unmittelbar hinter den Auslaßventilen der
Maschine, dargestellt. Man erkennt, daß bei Betrieb der Maschine
mit λ = 1,0 und darüber der NOx-Gehalt der "gereinigten" Abgase
gemäß Kurve a zumindest weitgehend übereinstimmt mit dem ent
sprechenden Gehalt der ungereinigten Abgase entsprechend Kurve
b, so daß schon aus diesem Grunde ein Magerbetrieb, in diesem
Ausführungsbeispiel bei λ = 1,45, von Vorteil ist.
Dies gilt auch hinsichtlich der Erzielung eines möglichst ge
ringen Kraftstoffverbrauchs be gemäß dem zweiten Diagramm in
Figur l, wenn es auch möglich ist, daß dieser Verbrauch bei sehr
mageren Gemischen wieder etwas ansteigt (in der Figur angedeu
tet). Auf jeden Fall ist der Verbrauch bei sehr mageren Ge
mischen niedriger als in hinsichtlich der NOx-Beseitigung
günstigeren Lambda-Bereichen.
Ein derartiger Magerbetrieb bei allen Lastanforderungen an die
Brennkraftmaschine ist jedoch deshalb unzweckmäßig, weil gemäß
dem untersten Diagramm der Fig. 1 das von der Maschine erzeugte
Drehmoment Md bei Magerbetrieb erheblich niedriger liegt als bei
Betrieb mit λ = 1,0 (und bei fetteren Gemischen, die aber im
Hinblick auf den relativ steilen Anstieg der Kraftstoffver
brauchskurve ausscheiden).
Aus diesem Grunde ist eine Umschaltung zwischen Magerbetrieb und
stöchiometrischem Betrieb vorgesehen, d. h. bei Teillast und
Leerlauf wird die Maschine mit einem mageren Luft-Kraftstoff-
Gemisch beliefert, und nur bei hoher Lastanforderung erfolgt
ein Betrieb mit einem etwa stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-
Gemisch.
Zwischen den beiden definierten Lambda-Werten erstreckt sich ein
Zwischenbereich c dieses Verhältnisses, der das Maximum der NOx-
Emission beinhaltet; der gewählte Lambda-Wert für den Mager
betrieb liegt deutlich auf dem abfallenden Ast der Kurven a und
b im obersten Diagramm der Fig. 1. Man ist daher daran inter
essiert, diesen Zwischenbereich c beim Umschalten gleichsam zu
überspringen, d. h. das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in dem ange
nommenen Fall unmittelbar zwischen den Werten 1,0 und 1,45 zu
verändern. Dabei ergibt sich jedoch der Nachteil, daß ein Dreh
momentensprung ΔMd auftritt, der sich als starker Ruck oder
Schlag äußert, da er bei der Umschaltung zwangsläufig schlag
artig auftritt, und zwar beim Übergang zum Betrieb mit λ = 1,0
als sprungartiger Drehmomentenanstieg, beim Übergang zum Mager
betrieb als stufenartiger Drehmomentenabfall.
Dem wird erfindungsgemäß dadurch entgegengewirkt, daß bei dem
Umschalten zwischen den beiden Grenzwerten des Zwischenbereichs
c (unter Vermeidung des Durchlaufens des entsprechenden Bereichs
der Drehmomentenkurve d) in dem linksschraffierten Bereich eine
Füllungsänderung vorgenommen wird, die einer schlagartigen Ände
rung um die Größe ΔMd entgegenwirkt, so daß im Zeitdiagramm
diese Drehmomentendifferenz nicht momentan, sondern mit einer
endlichen Steigung bzw. einem endlichen Abfall auftritt.
Diese Füllungsänderung kann auf ganz unterschiedlichen Wegen
erfolgen. In Fig. 2 ist angenommen, daß, ausgehend vom Mager
betrieb (Bereich e), bei Umschaltung auf Betrieb mit λ = 1
zunächst in einem Zwischenbereich f (der dem linksschraffierten
Bereich im unteren Diagramm der Fig. 1 entspricht) noch ein
Teil der Brennräume der Maschine mit magerem Gemisch, dagegen
ein Teil der Brennräume bereits mit einem stöchiometrischen
Gemisch beliefert wird. Im Bereich g werden dann alle Brennräume
mit stöchiometrischem Gemisch beliefert. Das Umgekehrte gilt
verständlicherweise beim Übergang zum Magerbetriebe.
Fig. 3 zeigt schematisch in Draufsicht eine Brennkraftmaschine,
bei der die Füllungsänderung durch jeweils einer Brennraumgruppe
zugeordnete, gemeinsam betätigte Drosselklappen vorgenommen
wird. Man erkennt die Brennräume 1, 2, 3 und 4, die über jeweils
zwei Einlaßventile 5, 6; 7, 8; 9, 10 und 11, 12 mit der Saug
rohranordnung 13 sowie über jeweils zwei Auslaßventile 14, 15;
16, 17; 18, 19 und 20, 21 mit dem Abgassystem 22 verbindbar
sind. Den Einlaßventilen 5 bis 12 sind Drosselklappen 23, 24, 25
und 26 strömungsmäßig vorgeschaltet, die paarweise über An
triebswellen 27 und 28 beispielsweise elektrisch bei den be
schriebenen Umschaltvorgängen so betätigbar sind, daß wahlweise
alle Brennräume 1 bis 4 mit Frischgas beliefert werden oder aber
nur ein Gruppe 1, 2 bzw. 3, 4 von Brennräumen.
Zusätzlich zu dieser zeitweiligen Füllungsregelung ist zur Ein
stellung des Frischgasdurchsatzes die allen Brennräumen gemein
same Drosselklappe 29 vorgesehen. In üblicher Weise ist bei 30
ein Luftmassenmesser angeordnet.
Bei Verwendung mehreren Brennräumen zugeordneter Katalysatoren
kann es aus Gründen der Vermeidung unerwünscht hoher NOx-Anteile
im in die Atmosphäre abgegebenen Abgas vorteilhaft sein, die
einzelnen Abgasleitungen derart voneinander zu trennen, daß die
Katalysatoren nur mager oder nur mit stöchiometrischem Gemisch
betriebenen Brennräume nachgeschaltet sind.
Mit der Erfindung ist demgemäß ein gattungsgemäßes Verfahren ge
schaffen, das beim Umschalten zwischen Magerbetrieb und stöchio
metrischem Betrieb andernfalls auftretende Drehmomentsprünge
kompensiert.
Claims (9)
1. Verfahren zum Betreiben einer mehrere Brennräume aufweisenden
Brennkraftmaschine, die zur Verbrennung auch eines mageren
Kraftstoff-Luft-Gemischs mit hohem Luftverhältnis ausgelegt
ist, mit lastabhängiger Umschaltung zwischen Zuführung eines
Gemischs mit zumindest annähernd stöchiometrischem Luftver
hältnis bei hoher Last und Zuführung eines Gemischs mit dem
hohen Luftverhältnis bei niedriger Last sowie mit Füllungs
änderung der Brennräume bei den Umschaltungen, dadurch ge
kennzeichnet, daß ein hohes Luftverhältnis (λ) auf dem ab
fallenden Ast des Verlaufs (b) der NOx-Emission der Maschine
über dem Luftverhältnis (λ) gewählt wird, so daß ein Maximum
dieses Verlaufs in einem Luftverhältnis-Zwischenbereich (c)
zwischen stöchiometrischem und hohem Luftverhältnis liegt,
der bei den Umschaltungen übersprungen wird, und daß bei den
Umschaltungen mit diesen an sich verbundene Sprünge (ΔMd) im
Verlauf des von der Maschine erzeugten Drehmoments (Md) über
dem Luftverhältnis (λ) lastabhängig durch die Füllungsände
rung verringert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Füllungsänderung durch zeitweilige, der mit der jeweiligen Umschaltung verbundenen Drehmomentänderung (ΔMd) entgegenwir kende Füllungsänderung aller Brennräume (1, 2, 3, 4) erfolgt.
Füllungsänderung durch zeitweilige, der mit der jeweiligen Umschaltung verbundenen Drehmomentänderung (ΔMd) entgegenwir kende Füllungsänderung aller Brennräume (1, 2, 3, 4) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Füllungsänderung durch zeitweilige Betätigung einer allen
Brennräumen (1, 2, 3, 4) gemeinsamen Drosselklappe erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Füllungsänderung durch zeitweilige brennraumindividuelle Maß
nahmen erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Füllungsänderung durch zeitweilige Änderung von kurbelwinkel
bezogenen Hubverläufen von Ladungswechselventilen (5-12; 14-21)
der Brennräume (1, 2, 3, 4) erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei
mehreren gleichartigen Ladungswechselventilen (5, 6; 7, 8; 9,
10; 11, 12) je Brennraum (1, 2, 3, 4) die Füllungsänderung
durch Aktivieren bzw. Desaktivieren von Ventilen erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Füllungsänderung durch Aktivieren bzw. Des
aktivieren einzelner Brennräume (1, 2, 3, 4) oder Brennraum
gruppen erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Füllungsänderung durch zeitweilige Betätigung von einzelnen
Brennräumen (1, 2, 3, 4) oder Brennraumgruppen zugeordneten
Drosselklappen (23, 24, 25, 26) erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Füllungsänderung durch Änderung der Anzahl der an der je
weiligen Umschaltung beteiligten Brennräume (1, 2, 3, 4)
erfolgt.
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DEP4318160.0 | 1993-06-01 | ||
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