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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Vermindern
schädlicher
und toxischer Abgase von einem Verbrennungsmotor, der mindestens
einen Zylinder aufweist, welchem ein Luft-/Kraftstoffgemisch zugeführt wird,
wenn eine Kurbelwelle des Verbrennungsmotors veranlasst wird, zu
rotieren.
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In
Verbrennungsmotoren ist es wünschenswert,
die schädlichen
und toxischen Substanzen zu vermindern, die in den Abgasen des Verbrennungsmotors
auftreten, um hierdurch die Umweltbelastung zu vermindern und gesetzliche
Anforderungen zu erfüllen,
die an Verbrennungsmotoren gestellt werden. Die Substanzen, die
in den Abgasen auftreten, umfassen Kohlenmonoxid CO, Kohlenwasserstoffe
HC und Stickoxide NOx.
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Um
diese Substanzen aus den Abgasen zu vermindern, ist der Verbrennungsmotor
mit einem Katalysator ausgestattet, der mittels einer chemischen
Reaktion diese Substanzen in Substanzen umwandelt, welche die Umwelt
nicht schädlich
beeinträchtigen.
Die chemische Reaktion in dem Katalysator tritt nur auf, wenn der
Katalysator eine vorbestimmte Arbeitstemperatur erreicht hat, die
nach einer vorbestimmten Laufzeit des Verbrennungsmotors erreicht
wird. Wenn daher der Verbrennungsmotor kalt gestartet wird, findet
keine Verminderung der toxischen Substanzen in dem Katalysator statt.
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Ein
weiteres Problem, das auftritt, wenn der Verbrennungsmotor kalt
gestartet wird, ist dass eine relativ große Menge des Kraftstoffs in
Bezug auf die zugeführte
Luft, d.h. ein fettes Luft-/Kraftstoffgemisch, zu dem Verbrennungsmotor
zugeführt
werden muss, damit der Verbrennungsmotor in der Lage ist, zu starten,
und damit der Verbrennungsmotor in der Lage ist, im Leerlauf mit
einer im Wesentlichen konstanten Drehzahl zu laufen. Dieses fette
Luft-/Kraftstoffgemisch wird ebenso zugeführt, damit der Verbrennungsmotor
in der Lage ist, bei einer Beschleunigung ein erhöhtes Drehmoment
bereitzustellen. Auf diese Weise wird ein Laufen des Verbrennungsmotors
sichergestellt, bevor der Verbrennungsmotor seine Betriebstemperatur
erreicht hat.
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Die
Abwesenheit der Abgasreinigung durch den Katalysator und das fette
Luft-/Kraftstoffgemisch bedeuten, dass die Niveaus von Kohlenmonoxid
CO, Kohlenwasserstoffen HC und Stickoxiden NOx, welche von dem Verbrennungsmotor
ausgestoßen
werden, beim Kaltstarten des Verbrennungsmotors hoch sind.
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Es
wurden bereits Versuche unternommen, um die Kraftstoffmenge in Bezug
auf die zugeführte Luft
zu vermindern, d.h. den Verbrennungsmotor mit einem magereren Luft-/Kraftstoffgemisch
beim Kaltstarten des Verbrennungsmotors zu betreiben. Allerdings
hat dies bedeutet, dass der Verbrennungsmotor im Leerlauf sehr ungleichmäßig gearbeitet
hat, und dass die Fahrbarkeit des Verbrennungsmotors gering gewesen
ist. Der Grund, warum die Drehzahl während des Leerlaufs variiert,
ist dass das durch den Verbrennungsmotor bereitgestellte Drehmoment sehr
empfindlich gegenüber
Variationen des Lambdawerts des zu dem Zylinderraum des Verbrennungsmotors
zugeführten
Luft-/Kraftstoffgemisch
ist, wenn das Luft-/Kraftstoffgemisch mager ist. Die Definition
des Lambdawerts oder des Luftüberschusskoeffizienten,
wie er ebenso bezeichnet wird, ist die tatsächliche Menge der zugeführten Luft
geteilt durch die theoretisch erforderliche Menge von Luft für eine vollständige Verbrennung.
Falls der Lambdawert größer als
1 ist, ist das Luft-/Kraftstoffgemisch mager, und falls der Lambdawert
geringer als 1 ist, ist das Luft-/Kraftstoffgemisch
fett.
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Es
ist möglich,
den von einem Kraftstoffeinspritzventil mithilfe des Kraftstoffeinspritzsystems des
Verbrennungsmotors zugeführten
Kraftstoff sorgfältig
zu. steuern, um hierdurch einen im Wesentlichen konstanten Lambdawert
für das
zugeführte Luft-/Kraftstoffgemisch
zu erhalten. Wenn der Verbrennungsmotor kalt ist, wird allerdings
Kraftstoff an den vergleichsweise kalten Wänden in dem Einlasskanal und
in dem Zylinder kondensieren. Der an den Wänden kondensierte Kraftstoff
wird während
des Leerlaufs verdampfen und dem Luft-/Kraftstoffgemisch folgen,
welches in den Einlasskanal strömt
und zu dem Zylinderraum zugeführt
wird. Falls die Verdampfung des an den Wänden kondensierten Kraftstoffs
ungleichmäßig ist,
aufgrund von Druckveränderungen,
Temperaturgradienten oder der Strömungsgeschwindigkeit des Luft-/Kraftstoffgemisch
in dem Einlasskanal, wird es eine Variation des Lambdawerts des
zu dem Zylinderraum zugeführten Luft-/Kraftstoffgemischs
geben.
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Da
das durch den Verbrennungsmotor bereitgestellte Drehmoment während des
Leerlaufs bei einem Kaltstart variieren wird, wird die Drehzahl
des Verbrennungsmotors ebenso variieren. Die Drehzahl des Verbrennungsmotors
bedeutet hier die Drehzahl der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors.
Wenn die Drehzahl variiert, variiert ebenso der Druck in dem Einlasskanal,
was wiederum zu einer Variation der Verdampfung des kondensierten
Kraftstoffs führt,
sodass es eine Variation in dem Lambdawert des zu dem Zylinderraum
zugeführten
Luft-/Kraftstoffgemischs gibt. Die ungleichmäßige Drehzahl des Verbrennungsmotors
wird hierdurch intensiviert.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, schädliche und toxische Abgase
von einem Verbrennungsmotor bei Kaltstarts zu verhindern.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einem Verbrennungsmotor
zu ermöglichen,
mit einer im Wesentlichen konstanten Drehzahl im Leerlauf zu arbeiten,
wenn ein mageres Luft-/Kraftstoffgemisch zu dem Verbrennungsmotor
zugeführt
wird.
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Dies
wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art erzielt, welches
die folgenden Schritte aufweist: ein Luft-/Kraftstoffgemisch mit
einem Lambdawert von größer als
1 wird dem Zylinder zugeführt, und
der Druck in dem Einlasskanal wird mittels eines Elektromotors/Generators,
der mit der Kurbelwelle gekoppelt ist, derart gesteuert, dass wenn
der Druck in dem Einlasskanal einen vorbestimmten Druck überschreitet,
der Elektromotor/Generator derart gesteuert wird, dass der Druck
in dem Einlasskanal abnehmen kann, und wenn der Druck in dem Einlasskanal
unterhalb einen vorbestimmten Druck fällt, wird der Elektromotor/Generator
derart gesteuert, dass der Druck in dem Einlasskanal ansteigen kann.
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Durch
Steuern des Drucks in den Einlasskanälen des Verbrennungsmotors
mithilfe eines Elektromotors/Generators kann der Druck in den Einlasskanälen im Wesentlichen
konstant aufrecht erhalten werden. Der Lambdawert des zu den Zylindern
zugeführten
Luft-/Kraftstoffgemisch wird daher im Wesentlichen konstant aufrechterhalten,
was bedeutet, dass das durch den Verbrennungsmotor bereitgestellte
Drehmoment im Wesentlichen konstant sein wird. Die Drehzahl des
Verbrennungsmotors wird ebenso im Wesentlichen konstant sein, was
bedeutet, dass schädliche
und toxische Abgase, insbesondere Kohlenwasserstoffe, von dem Verbrennungsmotor
abnehmen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend auf der Basis einer veranschaulichenden
Ausführungsform,
die in den beigefügten
Zeichnungen gezeigt ist, ausführlicher
erläutert,
wobei:
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors und eines Elektromotors/Generators
zum Ausführen
des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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2 zeigt
ein Flussdiagramm, dass das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt, und
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3 zeigt
ein Diagramm des HC-Gehalts in den Abgasen als eine Funktion der
Zeit für
einen Verbrennungsmotor, der unter Einsatz des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung betrieben wird, und für
einen Verbrennungsmotor, der gemäß herkömmlichen
Verfahren betrieben wird.
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 1,
der mit vier Zylindern 2 ausgestattet ist. In jedem Zylinder 2 ist
ein Hubkolben 3 angeordnet, der mit einer rotierbaren Kurbelwelle 4 verbunden
ist. Mit jedem Zylinder 2 ist mindestens ein Einlasskanal 5 verbunden.
In 1 ist nur ein Einlasskanal 5 gezeigt.
Mit den Einlasskanälen 5 sind vier
Kraftstoffeinspritzdüsen 6 verbunden,
die durch eine Steuereinheit 7 gesteuert werden. Die Steuereinheit 7 ist
ebenso mit einer Anzahl von Sensoren 8 in dem Verbrennungsmotor 1 gekoppelt,
welche Sensoren die Temperatur des Verbrennungsmotors 1, seine
Drehzahl etc. erfassen. Es ist ebenso möglich, Drucksensoren 9 in
den Einlasskanälen 5 anzuordnen,
um den Druck in den Einlasskanälen 5 zu
erfassen. Diese Drucksensoren sind mit der Steuereinheit 7 verbunden.
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Ein
Elektromotor/Generator 10, der als integrierter Startermotor
und Generator (ISG) arbeitet, ist mit der Kurbelwelle 4 des
Verbrennungsmotors 1 gekoppelt. Als eine Alternative zu
einem direkten Koppeln des Elektromotors/Startermotors 10 mit
der Kurbelwelle 4 ist es möglich, einen Riemen, eine Kette oder
ein Zahnradgetriebe zum Koppeln des Elektromotors/Generators 10 mit
der Kurbelwelle 4 zu verwenden. Der Elektromotor/Generator 10 ist mit
einer Batterie 12 über
ein Steuergerät 13 verbunden.
Das Steuergerät 13 ist
mit der Steuereinheit 7 verbunden und empfängt Informationen
von der Steuereinheit 7 darüber, wie der Elektromotor/Generator 10 betrieben
werden soll.
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Wenn
der Verbrennungsmotor 1 in Betrieb ist, gelangt Luft über ein
Lufteinlassrohr 15 zu einem Einlasskrümmer 14. Von dem Einlasskrümmer 14 fließt die Luft
weiter zu den Einlasskanälen 5,
wo die Luft mit Kraftstoff gemischt wird, der in die Einlasskanäle 5 mittels
der Kraftstoffeinspritzdüsen 6 gespritzt wird.
Das Luft-/Kraftstoffgemisch fließt dann in die Zylinder 2 und
wird durch eine Zündkerze
(nicht gezeigt), die in dem jeweiligen Zylinder angeordnet ist, gezündet. Schließlich tritt
das verbrannte Luft-/Kraftstoffgemisch in der Form von Abgasen in
die Atmosphäre
durch ein Abgassystem 16 aus, das mit dem Verbrennungsmotor 1 verbunden
ist.
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Wie
in dem einleitenden Teil der Beschreibung erläutert worden ist, enthält das verbrannte Luft-/Kraftstoffgemisch
Substanzen, die eine schädliche
Wirkung auf die Umwelt haben können.
Diese Substanzen umfassen Kohlenmonoxid CO, Kohlenwasserstoff HC
und Stickoxide Nox. Die Abgase werden daher in einem Katalysator 17 behandelt,
der in dem Abgassystem 16 angeordnet ist und der diese Substanzen
in Substanzen umwandelt, di eine schädliche Wirkung auf die Umwelt
nicht besitzen. Allerdings arbeitet der Katalysator 17 nur,
wenn er eine bestimmte Betriebstemperatur erreicht hat, die nach einer
bestimmten Aufwärmzeit
erreicht wird, nachdem der Verbrennungsmotor 1 gestartet
worden ist. Daher findet beim Kaltstarten des Verbrennungsmotors 1 keine
Umwandlung der oben genanten Substanzen in dem Katalysator 17 statt.
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Die
Menge von Kohlenmonoxid CO, Kohlenwasserstoffen HC und Stickoxiden
Nox in den Abgasen hängt
unter anderem von dem Mischungsverhältnis des zu den Zylindern 2 zugeführten Luft-/Kraftstoffgemisch
ab. Dieses Mischungsverhältnis
wird üblicherweise
durch einen Lambdawert angegeben. Die Definition des Lambdawerts
oder des Luftüberschusskoeffizienten,
wie er ebenso bekannt ist, ist die tatsächliche Menge der zugeführten Luft geteilt
durch die theoretisch erforderliche Luftmenge. Falls der Lambdawert
größer als
1 ist, ist das Luft-/Kraftstoffgemisch mager, und falls der Lambdawert
kleiner als 1 ist, ist das Luft-/Kraftstoffgemisch fett.
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Durch
Versorgen der Zylinder 2 mit einem Luft-/Kraftstoffgemisch, das einen Lambdawert
von größer als
1 besitzt, d.h. einem mageren Luft-/Kraftstoffgemisch, beim Kaltstarten
des Verbrennungsmotors 1 kann das Niveau von Kohlenwasserstoffen
in den Abgasen beträchtlich
vermindert werden. Falls ein mageres Luft-/Kraftstoffgemisch zu
dem Verbrennungsmotor 1 zugeführt wird, wenn dieser kalt
ist, d.h. wenn der Verbrennungsmotor seine Betriebstemperatur nicht
erreicht hat, entstehen Probleme, die eine ungleichmäßige Drehzahl
während
des Leerlaufs mit sich bringen, aus den in dem einleitenden Teil
der Beschreibung erläuterten
Gründen.
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Durch
Steuern des Elektromotors/Generators 10 derart, dass der
Druck in den Einlasskanälen 5 im
Wesentlichen konstant aufrechterhalten wird, wie dies gemäß der vorliegenden
Erfindung vorgeschlagen wird, ist es möglich, eine im Wesentlichen konstante
Drehzahl des Verbrennungsmotors 1 aufrecht zu erhalten,
wenn der Verbrennungsmotor 1 kalt ist und mit einem mageren
Luft-/Kraftstoffgemisch betrieben wird.
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Das
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung wird nachfolgend erläutert.
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Beim
Starten des Verbrennungsmotors 1 wird zuerst der Elektromotor/Generator 10 aktiviert und
treibt daher die Kurbelwelle 4 des Verbrennungsmotors 1 an.
Der Elektromotor/Generator 10 arbeitet als Startermotor (Anlassermotor)
für den
Verbrennungsmotor 1. Gleichzeitig werden Kraftstoff und Luft,
die in den Zylindern 2 gezündet werden, derart zugeführt, dass
die Kurbelwelle 4 veranlasst wird, zu rotieren. Um die
Kohlenwasserstoffe HC zu vermindern, die in den Abgasen auftreten,
werden die Zylinder 2 mit einem mageren Luft-/Kraftstoffgemisch
versorgt, das einen Lambdawert zwischen 1,1 und 1,4, bevorzugt zwischen
1,1 und 1,2 besitzt.
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Wenn
allerdings der Verbrennungsmotor kalt ist, wird Kraftstoff an den
vergleichsweise kalten Wänden
in den Einlasskanälen 5 kondensieren.
Der an den Wänden
kondensierte Kraftstoff wird während des
Leerlaufes des Verbrennungsmotors 1 verdampft und folgt
dem Luft-/Kraftstoffgemisch, das in die Einlasskanäle 5 fließt und zu
den Zylindern 2 zugeführt wird.
Die Verdampfung des an den Wänden
kondensierten Kraftstoffs ist aufgrund von Druckveränderungen
in den Einlasskanälen 5 ungleichmäßig. Dies führt zu einer
Variation des Lambdawerts des zu den Zylindern 2 zugeführten Luft-/Kraftstoffgemischs.
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Da
das durch den Verbrennungsmotor 1 bereitgestellte Drehmoment
während
eines Leerlaufs beim Kaltstart variieren wird, wird die Drehzahl
des Verbrennungsmotors 1 variieren. Wie oben erwähnt worden
ist, bedeutet die Drehzahl des Verbrennungsmotors 1 hier
die Drehzahl der Kurbelwelle 4 des Verbrennungsmotors 1.
Wenn die Drehzahl variiert, variiert ebenso der Druck in den Einlasskanälen 5,
was wiederum dazu führt,
dass die Verdampfung des an den Einlasskanälen 5 kondensierten
Kraftstoffs ebenso variiert, sodass es eine Variation in dem Lambdawert
des zu den Zylindern 2 zugeführten Luft-/Kraftstoffgemisch
gibt. Die ungleichmäßige Drehzahl
des Verbrennungsmotors 1 wird daher intensiviert.
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Zum
Steuern des Drucks in den Einlasskanälen 5 mithilfe des
mit der Kurbelwelle 4 gekoppelten Elektromotors/Generators 10,
wenn der Druck in den Einlasskanälen 5 einen
vorbestimmten Druck überschreitet,
treibt der Elektromotor/Generator 10 die Kurbelwelle 4 an,
um hierdurch den Druck in den Einlasskanälen 5 zu vermindern.
Diese Druckverminderung wird mittels der Kolben 3 in den
Zylindern 2 erzielt, die einen Unterdruck in den Zylindern 2 während des
Einlasshubes erzeugen. Der in den Zylindern 2 erzeugte
Unterdruck wird ebenso in den Einlasskanälen 5 erzeugt. Wenn
der Elektromotor/Generator 10 die Kurbelwelle 4 antreibt,
nimmt die Drehzahl der Kurbelwelle 4 zu, sodass der in
den Zylindern 2 erzeugte Unterdruck fällt, was bedeutet, dass der
Druck in den Einlasskanälen 5 abfällt. Wenn
der Druck in den Einlasskanälen 5 unterhalb
einen vorbestimmten Druck abfällt,
treibt die Kurbelwelle 4 den Elektromotor/Generator 1 derart
an, dass die Drehzahl der Kurbelwelle 4 abnimmt, was bedeutet,
dass der Druck in den Einlasskanälen 5 ansteigt.
Wenn der Druck in den Einlasskanälen 5 abfällt, nimmt
die Verdampfung des Kraftstoffs an den Wänden der Einlasskanälen 5 zu.
Dies führt
dazu, dass vergleichsweise mehr Kraftstoff zu den Zylindern 3 zugeführt wird,
da das Luft-/Kraftstoffgemisch fetter ist. Es gibt daher einen Anstieg
des Drehmoments der Kurbelwelle 4, was ebenso zu einer
erhöhten
Drehzahl der Kurbelwelle 4 führt. Der Elektromotor/Generator 10 wird
dann diesen Drehmomentanstieg mittels der Kurbelwelle 4,
welche den Elektromotor/Generator 10 antreibt, aufnehmen,
was somit die Kurbelwelle 4 bremst. Mit diesem Verfahren
kann ein im Wesentlichen konstanter Druck in den Einlasskanälen 5 erzielt
werden. Ein Drucksensor 9 kann bevorzugt in mindestens
einem der Einlasskanäle 5 angeordnet sein,
um den Druck in den Einlasskanälen 5 zu
messen. Der Drucksensor 9 ist mit der Steuereinheit 7 des
Verbrennungsmotors 1 gekoppelt, welche Steuereinheit 7 Signale
zu einem Steuergerät 13 für den Elektromotor/Generator 10 sendet.
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Durch
Steuern des Drucks in den Einlasskanälen 5 des Verbrennungsmotors 1 mithilfe
des Elektromotors/Generators 10 kann der Druck in den Einlasskanälen 5 im
Wesentlichen konstant aufrecht erhalten werden. Der Lambdawert des
zu den Zylindern 2 zugeführten Luft-/Kraftstoffgemischs
wird daher im Wesentlichen konstant aufrechterhalten, was bedeutet,
dass das durch den Verbrennungsmotor 1 bereitgestellte
Drehmoment im Wesentlichen konstant sein wird. Die Drehzahl des
Verbrennungsmotors 1 ist daher ebenso im Wesentlichen konstant.
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2 zeigt
ein Flussdiagramm, das das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt. Wenn der Elektromotor/Generator 10 gestartet
ist, ist es möglich,
mithilfe des Elektromotors/Generators 10 die Kurbelwelle 4 des
Verbrennungsmotors 1 um eine oder mehr Drehungen zu rotieren,
ohne dass Kraftstoff und Luft den Zylindern 2 zugeführt werden,
um einen Unterdruck in den Einlasskanälen 5 zu erzeugen.
Dies wird im Allgemeinen derart bezeichnet, dass der Verbrennungsmotor 1 „gekurbelt
(cranked)" wird.
Wenn das Luft-/Kraftstoffgemisch dann zugeführt wird, um den Verbrennungsmotor 1 zu
starten, wird eine stärkere
Verdampfung des Kraftstoffs in den Einlasskanälen 5 stattfinden,
als dies möglich wäre, falls
ein Unterdruck nicht durch Kurbeln erzeugt worden wäre. Die
stärkere
Verdampfung des Kraftstoffs führt
dazu, dass die Kohlenwasserstoffe HC in den Abgasen beim Starten
vermindert werden. Die Stickoxide NOx nehmen beim Starten ebenso aufgrund
der Tatsache ab, dass der Verbrennungsdruck in den Zylindern 2 als
Ergebnis des Kurbelns abnimmt.
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Wenn
der Verbrennungsmotor 1 abgestellt werden soll, kann ein
Temperatursensor 18, der an dem Katalysator 17 angeordnet
ist, die Temperatur des Katalysators 17 erfassen. Falls
die Temperatur des Katalysators 17 einer vorbestimmten
Temperatur entspricht oder diese überschreitet, treibt der Elektromotor/Generator 10 die
Kurbelwelle 4 für
eine Zeitdauer an, ohne dass Kraftstoff zu dem Verbrennungsmotor 10 zugeführt wird,
um hierdurch den in den Einlasskanälen 5 und den Zylindern 2 vorhandenen
Kraftstoff auszublasen. Die vorbestimmte Temperatur entspricht bevorzugt
der Betriebstemperatur des Katalysators 17. Der in den
Einlasskanälen 5 und den
Zylindern 2 ausgeblasene Kraftstoff wird in dem Abgassystem 16 des
Verbrennungsmotors 1 verdampft, und Kohlenwasserstoffe
HC werden in dem warmen Katalysator 17 vermindert. Wenn
der Verbrennungsmotor 1 als nächstes gestartet wird, wird es
daher keinen unverbrannten Kraftstoff in den Einlasskanälen 5 und
den Zylindern 2 geben, die das Niveau von Kohlenwasserstoffen
HC in den Abgasen erhöhen.
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3 zeigt
ein Diagramm des HC-Gehalts, d.h. des Gehalts von Kohlenwasserstoffen
in den Abgasen, als Funktion der Zeit T, für einen Verbrennungsmotor 1,
der unter Einsatz des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung
betrieben wird, und für
einen Verbrennungsmotor, der gemäß herkömmlichen
Verfahren betrieben wird. Die durchgezogene Linie stellt einen Verbrennungsmotor 1 dar,
der unter Einsatz des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung
betrieben wird, und die gestrichelte Linie stellt einen Verbrennungsmotor
dar, der gemäß herkömmlicher
Verfahren betrieben wird. Versuche haben gezeigt, dass das HC-Niveau
5 bis 10 mal niedriger in einem Verbrennungsmotor 1 ist,
der unter Einsatz des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung
betrieben wird, als in einem Verbrennungsmotor, der gemäß herkömmlichen
Verfahren betrieben wird.