DE4438735C2 - Verfahren zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine (BKM) - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens einer Brennkraftmaschine. Mit dem Ziel eines besseren Kaltstartverhaltens wird allgemein eine Verminderung des hohen Schadstoffausstoßes und eine Verbesserung der Kraftstoffausnutzung (Wirkungsgrad) verfolgt. Daneben ergeben sich weitere, untergeordnete Vorteile, insbesondere eine Verbesserung der Laufruhe und die Verringerung von Vorwärmzeiten. Im Moment wird der Kaltstart vor allem durch die Anreicherungsstrategie betrieben; dieses führt zu hohem HC- und CO-Emissionen.

Aus der DE-Z MTZ 53 (1992) 7/8, S. 326-338 sind zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens im wesentlichen zwei Klassen von Maßnahmen bekannt: Die erste Klasse arbeitet mit dem Vorheizen der Ansaugluft oder von Bestandteilen der BKM, z. B. des ganzen Motorblocks. Zu diesen Maßnahmen gehört z. B. auch das Vorheizen des Brennraums durch Kompressionswärme, die durch Kompression von Luft im Brennraum gewonnen wird. Die zweite große Klasse von Maßnahmen bezieht sich auf eine verbesserte Abgasnachbehandlung, um die in erhöhtem Maße freigesetzten Abgase zu beseitigen. Gegenwärtig werden z. B. folgende Maßnahmen von der Industrie entwickelt: Nachverbrennung von CO und Kohlenwasserstoffen (HC) durch eine Brennerflamme im Auslaßkanal der BKM; vorübergehendes Auffangen der Kohlenwasserstoffe in einer sogenannten HC-Falle, solange der Katalysator noch nicht betriebswarm ist; Vorheizen des Katalysators mittels einer auf diesen gerichteten Brennerflamme (10-20 kW Leistung). Diese oben beschriebenen Maßnahmen jedoch klammern das eigentliche Problem der unzureichenden innermotorischen Verbrennung beim Kaltstart aus.

Die erste Klasse von Maßnahmen benötigt naturgemäß eine gewisse Vorwärmzeit und außerdem einen zusätzlichen Energieaufwand, bevor die BKM gestartet werden kann. Gegenüber diesen Methoden besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die Vorwärmzeit und den Energieaufwand (weitgehend) überflüssig zu machen.

Die zweite Klasse von Maßnahmen ist nicht in der Lage, die schlechte Kraftstoffausnutzung (Wirkungsgrad) einer normalen BKM beim Kaltstart zu verbessern, da sie sich nur auf die Abgasnachbehandlung bezieht. Demgegenüber besteht die Aufgabe dieser Erfindung darin, die Kraftstoffausnutzung beim Kaltstart deutlich zu verbessern und gleichzeitig die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Außerdem ergibt sich eine verbesserte Laufruhe der BKM während der Warmlaufphase, was ebenfalls nicht durch die zweite Klasse der Maßnahmen erreicht werden kann. Daneben wird ein ggf. nachgeschalteter Katalysator durch Anwendung dieser Erfindung aufgrund einer erhöhten Abgastemperatur schneller auf Betriebstemperatur gebracht, ohne daß dazu ein zusätzlicher Energieaufwand notwendig ist.

Die Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Zufuhr von Zusatzgas oder Abfuhr von Kraftstoffgemisch eine Steigerung des Turbulenzgrades im Kraftstoffgemisch im Brennraum bewirkt wird und daß durch die gesteigerte Turbulenz im Kraftstoffgemisch der an der Brennraumwandung haftende Wandfilm abgebaut wird. Der Grad der Turbulenz ist hierbei höher, als der bei einer normalen, d. h. einer nicht modifizierten Brennkraftmaschine.

Das Kaltstartverhalten eines Motors kann wesentlich dadurch verbessert werden, daß die Brennraumwände schnell auf eine hohe Temperatur, ähnlich dem warmen Zustand, aufgeheizt werden. Die hohe Wandtemperatur ist erwünscht, um die Ablagerung von Kraftstoffen und anderen Substanzen an den Wänden im Brennraum (Wandfilm) zu vermeiden. Der Kraftstoffwandfilm führt bekanntlich unmittelbar zu hohen HC-Emissionen und einer schlechten Kraftstoffausnutzung. Neben der Heizung der Wandflächen kann es beim Otto-Motor von Vorteil sein, die Zündkerzentemperatur schnell auf Betriebstemperatur zu bringen, um Fehlzündungen zu vermeiden. Fehlzündungen sind ebenfalls eine typische Ursache hoher HC-Emission und schlechter Kraftstoffausnutzung. Fehlzündungen werden nach dem vorgeschlagenen Verfahren vor allem auch dadurch vermieden, daß durch den Abbau des Kraftstoffwandfilms im Brennraum eine entsprechend erhöhte Kraftstoffdichte im Gas erreicht wird. Dadurch wird bekanntlich die Zündfähigkeit verbessert und die Notwendigkeit verringert, das Gemisch gezielt kraftstoffreich von außen einzustellen (Anreicherungsstrategie). Diese häufig zur Vermeidung von Fehlzündungen eingesetzte Anreicherungsstrategie führt unmittelbar zu hohen CO- und HC-Emissionen. Dieses wird durch die Erfindung vermieden, da die Anreicherung des Gemisches (weitgehend) überflüssig gemacht wird, da Fehlzündungen wie beschrieben auf andere Weise vermieden werden.

Durch die Zufuhr von Gas-wird eine Verkürzung der Aufheizdauer der Brennrauminnenwände vor allem durch eine Erhöhung der Flammengeschwindigkeit erreicht. Die Erhöhung der Flammengeschwindigkeit erfolgt durch eine Steigerung der Turbulenz während der Verbrennung. Eine Steigerung der Turbulenz im Brennraum wird z. B. durch eine Gaszufuhr während des Kompressionstaktes erreicht.

Vorteilhaft wird die Erzeugung der turbulenten Strömung während der Kompressionsphase vorgenommen, und zwar insbesondere zu einem oder mehreren Zeitpunkten bei einem bestimmten Hinterdruck und für eine bestimmte Dauer. Der Abbau des an der Brennraumwandung befindlichen Wandfilms erfolgt zum einen durch eine turbulente Vermischung des im Brennraum befindlichen Gases mit dem Gas, das sich in unmittelbarer Nähe der Brennraumwandung befindet. Wird während des Kompressionstaktes eine erhöhte Turbulenz im Brennraum erzeugt, dann ist gewährleistet, daß diese auch in der Verbrennungsphase fortbesteht. Während der Verbrennungsphase wird durch die Turbulenz eine höhere Flammengeschwindigkeit erzeugt, die eine höhere Temperatur während der Verbrennung bewirkt, wodurch die Brennraumwand sich schneller aufheizt und hierdurch der Wandfilm abgelöst wird. Außerdem führt die erhöhte Flammengeschwindigkeit bekanntlich selbst zu erhöhter Turbulenz und erzeugt daher eine Rückkopplung, die den Effekt verstärkt. Durch die erhöhte Temperatur erfolgt die Verbrennung aber auch näher an der Wand und bewirkt dort eine Verminderung des Wand-Quenching. Hierunter versteht man den Löscheffekt der Flammen in Wandnähe.

Die Verminderung des Wand-Quenching bewirkt, daß zusätzlicher Kraftstoff, der sich in Wandnähe befindet (insb. abdampfender Wandfilm), in verstärktem Maße verbrannt wird. Insgesamt wird damit eine größere Kraftstoffmenge im Brennraum umgesetzt. Dadurch steigt nicht nur die Temperatur während der Verbrennungsphase, sondern auch die Temperatur des Gases und der Wandoberflächen gemittelt über das gesamte Arbeitsspiel. Dieses führt ebenfalls zur weiteren Reduzierung der Wandfilme. Dieses stellt somit einen weiteren Rückkopplungseffekt dar, der den Gesamteffekt verstärkt. Die gesteigerte Gesamtumsetzung des Kraftstoffs führt auch unmittelbar zu einer Reduzierung der HC-Emissionen und zu besserer Kraftstoffausnutzung.

Eine erhöhte Turbulenz bringt aber nicht nur Vorteile während des Kompressionstaktes, sondern führt in allen drei anderen Takten ebenfalls zum Abbau des Wandfilmes durch turbulente Vermischung von Gas und wandnahen Schichten aus Kraftstoffdampf.

Damit steigt auch die freigesetzte motorische Arbeit erheblich, bzw. es kann zur Erzeugung derselben Leistung weniger Kraftstoff eingesetzt werden. Nach der Warmlaufphase ist die Flammengeschwindigkeit wieder zu drosseln, da es ansonsten zum Klopfen des Motors (explosionsartige Verbrennung) kommen kann.

Durch die vollständige und aufgrund erhöhter Flammen­ geschwindigkeit schnellere Kraftstoffumsetzung, sowie durch die Vermeidung von Fehlzündungen, wird eine verbesserte Laufruhe während der Warmlaufphase erreicht. Die Laufruhe kann bei fremdgezündeten BKM in der Warmlaufphase stark beeinträchtigt sein. Im einzelnen erfolgt die Verbesserung der Laufruhe erfindungsgemäß wie folgt Zyklische Leistungs­ schwankungen entstehen zum einen durch eine von Zyklus zu Zyklus schwankende Zusammensetzung und Dichte der frischen Ladung, d. h. im wesentlichen des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses und des Restgasanteils. Dadurch schwankt schon die Ausgangssituation für die Verbrennung und damit auch die Verbrennung selbst. Die Zusammensetzung und Dichte der Ladung hängen vom Gaswechselprozeß im Aus- und Einlaßtakt ab und außerdem von (abdampfenden) Wandfilmen im Zylinder. Beides wird von den Druck- und Temperatur­ verhältnissen des Gases im Zylinder am Ende der jeweils vorausgehenden Verbrennungsphase beeinflußt und ist damit von der Verbrennung im vorigen Zyklus abhängig. Dadurch beeinflußt ein Zyklus den jeweils darauffolgenden, was sich zu erheblichen Schwankungen aufschaukeln kann. Dieses wird erfindungsgemäß dadurch reduziert, daß die Verbrennung schneller, d. h. mit erhöhter Flammengeschwindigkeit, und vollständiger abläuft, da das Wand-Quenching reduziert ist und aufgrund der schnelleren Verbrennung eine längere Nachbrennzeit zur Verfügung steht. Dadurch sind die Druck- und Temperaturwerte am Ende jeder Verbrennungsphase von Zyklus zu Zyklus ausgeglichener, so daß auch die Schwankungen im Gaswechselprozeß reduziert werden. Außerdem sind die Wandfilme und die damit verbundenen Effekte (Abdampfen) reduziert. Beides führt zu kleineren zyklischen Schwankungen in der Ladungszusammensetzung und damit der Leistung. Zum anderen können zyklische Schwankungen der Leistung auch bei konstanter Ladungszusammensetzung durch kleine zeitliche Schwankungen im Verlauf der Entflammungs- und Verbrennungsphase hervorgerufen werden, die durch kleine zyklische Schwankungen im Turbulenzgrad der Ladung entstehen. Der Turbulenzgrad wird erfindungsgemäß aber gewissermaßen von außen aufgeprägt und deutlich erhöht. Dadurch läuft die Verbrennungsphase deutlich schneller und zeitlich gleichmäßiger ab. Auch dieses führt zur Reduzierung zyklischer Leistungsschwankungen. Daneben führt auch die Vermeidung von Fehlzündungen trivialerweise zur Verbesserung der Laufruhe.

Während der Warmlaufphase besteht der Wandfilm auch aus Wasser, das sich durch Kondensation von im Abgas enthaltenem Wasser an der kalten Brennraumwandung niederschlägt. Die erhöhte Turbulenz und Temperatur bewirkt ein Abtrocknen des Filmes mit der Folge einer verbesserten Zündfähigkeit im nächsten Zyklus.

Ist das Gas ein Gemisch, das auch Kraftstoff enthält, wird hierdurch eine bessere Zündfähigkeit des Gemisches insgesamt erreicht und eine höhere Durchbrenngeschwindigkeit.

Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung erfolgt die Erzeugung der Turbulenz in der Nähe der Zündkerze; hierdurch wird erreicht, daß die Erzeugung der Turbulenz gezielt auf die frühere Entflammungsphase angewandt werden kann und die Turbulenz im Großteil des Brennraums nicht erheblich gesteigert zu werden braucht. Damit können die Maßnahmen zur Erzeugung der Turbulenz kleiner dimensioniert werden.

An Hand eines Beispiels wird die Wirkungsweise der Erfindung näher erläutert.

In einem Test wurde bei einem 1,8 l Vierzylinder-Ottomotor ein Luftpuls mit einem Hinterdruck von 3-5 bar und einer Dauer von z. B. 30 ms während des Kompressionstakts zugeführt. Bei einer Motorblocktemperatur von 20°C ergab sich vom Start an eine Senkung der HC-Emissionen auf das vom warmen Zustand gewohnte Niveau. Durch die Ermöglichung mageren Betriebs vom Start an (Luftzahl = 1,1) wurden die CO-Emissionen unter das Niveau im "normalen" warmen Betrieb (Luftzahl 1,0) abgesenkt. Weiterhin trat eine Steigerung des Wirkungsgrades über den Wert im warmen Betrieb und eine Verbesserung der Laufruhe auf.

Claims (6)

1. Verfahren zur Verbesserung des Kaltstart- und Warmlaufverhaltens einer Brennkraftmaschine mit folgenden Merkmalen:

• - durch Zufuhr von Zusatzgas oder Abfuhr von Kraftstoffgemisch wird eine Steigerung des Turbulenzgrads im Kraftstoffgemisch im Brennraum bewirkt;
• - durch die gesteigerte Turbulenz im Kraftstoffgemisch wird der an der Brennraumwandung haftende Wandfilm beschleunigt abgebaut.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der turbulenten Strömung während der Kompressionsphase erfolgt.

3. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung bzw. Entnahme des Gases in bzw. aus dem Brennraum zu einem oder mehreren Zeitpunkten bei einem bestimmten Hinterdruck und für eine vorbestimmte Dauer erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß durch Erzeugung einer erhöhten Turbulenz auch der Wandfilm aus Wasserkondensat abgebaut wird, wodurch die Zündfähigkeit des Gas-Kraftstoffgemisches im nächsten Zyklus verbessert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Gas ein Gemisch ist, das auch Kraftstoff enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der erhöhten Turbulenz in der Nähe der Zündkerze erfolgt.