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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erwärmung eines
Katalysators für Verbrennungsmotoren
mit Direkteinspritzung.
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Um
die Verschmutzung der Atmosphäre durch
Abgase von Verbrennungsmotoren zu reduzieren, insbesondere solcher,
welche die Fortbewegung von Kraftfahrzeugen sicherstellen, ist es
bekannt, die Abgasleitungen solcher Motoren mit einem katalytischen
Topf oder Katalysator auszustatten, welcher zur Funktion hat, schädliche,
chemische Substanzen in weniger schädliche Substanzen, ja sogar
harmlose, zu transformieren.
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Gleichzeitig
kennt man auch einen Katalysator, genannt "Drei-Wege" oder "trifunktionell", deswegen so genannt, da er eine dreifache
Funktion der Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC),
Oxidation von CO zu CO2 und Reduktion von Stickoxiden
(NOx) zu gasförmigem Stickstoff sicherstellt.
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Im
Allgemeinen ist der Katalysator fern des Motors platziert, zunächst um
ihn thermisch zu schützen,
aber auch aus Gründen
der Fahrzeugarchitektur und der Motorleistungen. Daraus ergibt sich,
dass er sich relativ langsam bei Anlassen mit kaltem Motor erwärmt und
folglich schädliche
Gase erst später
behandeln kann. Deshalb wurden unterschiedliche Strategien formuliert,
die darauf abzielen, das Steigen der Temperatur des Katalysators
zu beschleunigen, so dass er auch so schnell wie möglich die Schadstoffe
der Stöchiometrie
behandeln kann.
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Eine
der bekannten Strategien der Erwärmung
besteht im Erzeugen unterschiedlicher Mischungsverhältnisse,
wobei der Motor in Betrieb mit "fetten" Zylindern (welche
eine fette Luft-/Kraftstoffmischung verbrennen) und "mageren" Zylindern (welche
ein solches mageres Gemisch verbrennen) gebracht wird. Diese Strategie führt zur
Erzeugung in der Abgasleitung von oxydanten Gasen und reduzierenden
Gasen (HC und CO).
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Die
reduzierenden Gase, welche von den fetten Zylindern stammen, kommen
so zur Reaktion mit dem von den mageren Zylindern stammenden Sauerstoff,
was dann eine exotherme Reaktion hervorruft, die rasch die Temperatur
des Katalysators erhöht.
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Jedoch
bleibt die Effizienz dieser Strategie in dem Fall von Motoren mit
indirekter Einspritzung von Kraftstoff in Zuleitungsröhren und
mit homogenem Betrieb der Verteilung des Kraftstoffs in den Zylindern gering,
da das Mischungsverhältnis
der mageren Zylindern kaum unterhalb von 0,8 sinken kann, insbesondere
wenn der Motor kalt ist. Folglich ist wenig Sauerstoff in dem Abgas
vorhanden, derart, dass die exotherme Reaktion schwach ist.
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Aus
dem Dokument
FR 2 755 186 ist
bekannt, die Effizienz der exothermen Reaktion noch zu verbessern,
indem die erste Gruppe der Motorzylinder, die mit magerem Gemisch
versorgt werden, im Bereich der Schicht- oder Direkteinspritzung
betrieben werden, und indem die zweite Gruppe der Motorzylinder,
die mit fettem Gemisch versorgt werden, im homogenen Bereich betrieben
werden.
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Jedoch
hat man beim Anwenden des Verfahrens des vorzitierten, vorveröffentlichten
Dokuments festgestellt, dass es aus Gründen der Unterschiedlichkeit
des Mischungsverhältnisses
in den unterschiedlichen Zylindern des Motors zu Leistungsabweichungen
führt,
welche den Fahrkomfort verschlechtern, da die durch die Zylindergruppen
geleisteten Leistungen nicht die gleichen sind.
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Die
vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, ein Verfahren zur Erwärmung eines
Katalysators vorzuschlagen, welches erlaubt, ausgehend von der bekannten
Strategie, von der eine kurze Beschreibung folgt, eine sehr schnelle
Erwärmung
eines Katalysators zu erhalten, der in die Abgasleitung eines Benzindirekteinsprit zungsmotors
eingezweigt ist, während
gleichzeitig der Fahrkomfort beibehalten wird.
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Die
Erfindung hat folglich zum Gegenstand ein Verfahren zur Erwärmung eines
Katalysators, welcher einen Verbrennungsmotor mit Benzindirekteinspritzung
ausstattet, welcher mehrere Zylinder umfasst, beim Anlassen dieses
Motors, dieses Verfahren
- – besteht im Versorgen einer
ersten Gruppe von Zylindern mit magerem Gemisch und einer zweiten
Gruppe der Zylinder mit fettem Gemisch und besteht gleichermaßen im Versorgen
der ersten Gruppe der Zylinder mit geschichtetem Gemisch und der
zweiten Gruppe der Zylinder mit homogenem Gemisch,
- – wobei
dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es im Übrigen darin
besteht, die Leistung aller der Zylinder der Motoren während der Phase
der Erwärmung
des Katalysators zu vereinheitlichen.
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Dank
dieser Eigenschaften wird es möglich zu
erhalten, auch in der Phase der Erwärmung des Motors, einen Fahrkomfort,
der sich nicht von dem unterscheidet, der während dem gesamten Betrieb des
Motors sichergestellt ist, trotz der Tatsache, dass man dies durch
Absenken des Mischungsverhältnisses
in den Zylindern der ersten Gruppe auf einen Wert zustande bringt,
welcher 0,5 annehmen kann, und durch beträchtliches Erhöhen der
Quantitäten von
reduzierenden Gasen und oxidanten Gasen, wobei die exotherme Reaktion,
welche in der Lage ist, den Katalysator zu erwärmen, folglich sehr stark wird.
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Gemäß anderen
Eigenschaften der Erfindung:
- – ist die
Versorgung mit geschichtetem mageren Gemisch der ersten Gruppe der
Zylinder durch Einspritzen von Benzin während der Kompressionsphase
dieser ersten Gruppe von Zylindern verwirklicht;
- – sind
die Mischungsverhältnisse
der in die Zylinder der ersten Gruppe eingebrachten Gemische und
die Anzahl der Zylinder derselben so gewählt, dass das mittlere globale
Mischungsverhältnis, mit
welchem all die Zylinder des Motors versorgt werden, leicht mager
sind, vorzugsweise gleich zu 0,9;
- – ist
die Vereinheitlichung der Leistung verwirklicht, indem die Zündung der
Zylinder der zweiten Gruppe von Zylindern verzögert wird;
- – besteht
es, in dem Fall, wo der Motor mit einer regulierten Luftversorgung
ausgestattet ist, im Vereinheitlichen der Leistung der Zylinder
durch Erhöhung
der Luftmasse, die in die Zylinder der ersten Gruppe eingebracht
wird und/oder durch Reduzieren der Luftmasse, die in die Zylinder
der zweiten Gruppe eingebracht wird;
- – wird
es umgesetzt, nachdem auf Temperaturbringen des Katalysators bis
zu einer vorherbestimmten Temperatur, vorzugsweise gleich 200° C.
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Andere
Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden im Verlauf der Beschreibung
ersichtlich werden, die folgen wird, welche allein beispielhaft
gegeben ist, und sich auf die beigefügte Zeichnung bezieht, auf
welcher:
- – die
einzige Figur ein stark vereinfachtes Schema eines Verbrennungsmotors
mit Direkteinspritzung ist, dessen Katalysator durch das Verfahren gemäß der Erfindung
erwärmt
werden kann.
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Auf
dieser einzigen Figur hat man schematisch einen einzigen Zylinder 1 eines
Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung dargestellt, wobei in die
Verbrennungskammer 2 desselben Benzin mit Hilfe eines Einspritzers 3 eingespritzt
werden kann. Luft kann in die Verbrennungskammer 2 über einen Ansaugkrümmer 4 unter
der Steuerung eines Einlassventils 5 kommen. Das in der
Verbrennungskammer 2 vorhandene Gemisch kann durch einen
Zylinder 6 komprimiert und durch eine Zündkerze 7 entzündet werden.
Die Abgase gelangen unter der Steuerung eines Auslassventils 9 in
eine Abgasleitung 8, wobei die Abgasleitung 8 einen
Katalysator 10 umfasst, der damit bertraut ist, die Abgase
zu reinigen. Ein Rechner 11 steuert den Betrieb von unterschiedlichen
Einrichtungen mit Hilfe eines geeigneten Programms. Er verwaltet
insbesondere die durch den Einspritzer 3 eingespritzte
Kraftstoffmasse und die Zeitpunkte der Zündung des Gemischs durch die Zündkerze 4.
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Um
die Zeichnung zu vereinfachen, hat man nur einen einzigen Zylinder
des Motors dargestellt, welcher in Wirklichkeit mehrere umfasst
(z.B. 4), wobei in den Verbrennungskammern desselben selektiver
Weise ein fettes Gemisch oder ein mageres Gemisch unter der Steuerung
des Rechners 11 verbrennen kann, insbesondere beim Kaltstart
des Motors, um eine schnelle Erwärmung
des Katalysators 10 zu erlauben. Man wird bemerken, dass
das Verfahren gemäß der Erfindung
sich auf gleiche Weise anwendet, wenn der Motor mit mehreren Katalysatoren
ausgestattet ist, die in Reihe oder parallel montiert sind.
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Eine
erste Gruppe von Zylindern des Motors wird mit magerem, geschichtetem
Gemisch versorgt, während
eine zweite Gruppe von Zylindern ein fettes, homogenes Gemisch empfängt. Um
die erste Gruppe von Zylindern zu versorgen, wird Kraftstoff während der
Phase der Kompression des Gemischs in ihre Verbrennungskammer eingespritzt,
wodurch der Kraftstoff nicht die Zeit hat, sich mit Luft auf homogene
Weise vor der Zündung
der Zündkerze 7 zu
vermischen; das Gemisch ist also geschichtet.
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Im
Gegensatz dazu wird, um die zweite Gruppe der Zylinder zu versorgen,
Kraftstoff während der
Phase des Einlasses von Luft in ihre Verbrennungskammer eingespritzt.
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Wenn
man die Luftmasse in dem Zylinder i des Motors mit Mai bezeichnet,
kann man für
die einzuspritzende Kraftstoffmasse Mi schreiben: Mi = Mai·Ri·Ks in
welcher Ks eine Konstante ist (welche z.B. gleich etwa 14,7 sein
kann) und Ri das mittlere Mischungsverhältnis des
Zylinders i ist. Man vereinbart, dass das Gemisch mager ist, wenn
Ri < 1
und fett wenn Ri > 1 ist.
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Im Übrigen kann
man die folgende Gleichung für
das mittlere globale Mischungsverhältnis schreiben, mit welchem
alle die Zylinder des Motors versorgt werden: RKs
= ΣMi/ΣMai = Σ(Mai · Ri/ΣMai)
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Diese
Gleichung kann vereinfacht werden, wenn die in all diese Zylinder
des Motors eingelassene Luftmasse identisch ist. Man hat also Mai = Ma mit Ma = gesamte eingelassene Luftmasse.
Somit kann man schreiben: R = ΣRi/Anzahl der Zylinder
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Man
wählt die
Mischungsverhältnisse
der unterschiedlichen Zylinder der zwei Gruppen und folglich ihren
Verbrennungsmodus (geschichtet oder homogen), sowie die Anzahl der
Zylinder der zweiten Gruppe auf die Art, dass das mittlere globale
Mischungsverhältnis
der in alle die Zylinder eingebrachten Gemische leicht mager ist,
wobei ein vorteilhafter Wert des globalen Mischungsverhältnisses
z.B. 0,9 ist.
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Im Übrigen bestimmt
man die Menge der reduzierenden Gase in den Abgasen, welche von
der zweiten Gruppe der Zylinder herrühren derart, dass sie genügend ist,
die gewünschte
Exothermizität
in dem Katalysator 10 zu erhalten. Die Reaktion in den Abgasen
ist um so stärker,
um so größer die
Anzahl der Zylinder der zweiten Gruppe und um so mehr das Mischungsverhältnis in
den Zylindern dieser Gruppe erhöht
ist. Die Grenze der Leistung der exothermen Reaktion hängt von
oberen und unteren physikalischen Grenzen der Mischungsverhältnisse
ab, mit welchen man die Zylinder versorgen kann ohne die Verbrennung
zu sehr zu verschlechtern.
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Es
ist richtig zu bemerken, dass die Unterscheidung der Mischungsverhältnisse
in den verschiedenen Zylindern des Motors Leistungsabweichungen
hervorruft, die sehr nachteilig für den Fahrkomfort sind, da
die Zylinder der zweiten Gruppe mehr Leistung liefern als die der
ersten Gruppe.
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Gemäß der Erfindung
wird zu einer Vereinheitlichung der durch die Zylinder gelieferten
Leistungen geschritten. In der Konfiguration des Motors, wie sie
mit Hilfe der Figur beschrieben werden wird, wird diese Vereinheitlichung
verwirklicht, indem der Zeitpunkt der Zündung der Zylinder der zweiten
Gruppe während
der Periode der Erwärmung
des Katalysators verzögert
wird. Der Rechner 11 kann den Grad der Verzögerung der
anzuwendenden Zündung
in Abhängigkeit
insbesondere von dem Mischungsverhältnis bestimmen, mit welchem
die Zylinder der zweiten Gruppe versorgt werden und von der Leistung,
welche durch die in der ersten Gruppe geliefert werden.
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Diese
Vereinheitlichung der Leistung der Zylinder kann gleichermaßen verwirklicht
werden, indem die in die unterschiedlichen Zylinder eingebrachten
Luftmassen reguliert werden. Selbstverständlich kann diese Regulierung
nur angewandt werden, wenn der Motor mit einem System zur Steuerung
der in die jeweiligen Zylinder eingelassenen Luftmassen ausgestattet
ist. Unter diesen Bedingungen kann die Vereinheitlichung der Leistungen
durch Erhöhen
der Luftmasse in den Zylindern der ersten Gruppe und/oder durch
Vermindern der Luftmasse, die in die Zylinder der zweiten Gruppe
eingelassen wird, erhalten werden.
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Gemäß einer
wiederum anderen Eigenschaft der Erfindung wird das Verfahren angewandt,
wenn, nach Anlassen des Motors, der Katalysator eine vorherbestimmte
Temperatur erreicht hat. Es hat sich erwiesen, dass eine in dieser
Bezie hung adäquate Temperatur
etwa 200° C
ist, eine Temperatur, zu welcher die exothermen Reaktionen in der
Abgasleitung stattzufinden beginnen.
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Selbstverständlich wird
das Verfahren gemäß der Erfindung
angehalten, wenn der Rechner 11 eine Temperatur des Katalysators
feststellt, zu welcher dieser seine Aufgabe der Reinigung der Abgase normal
ausüben
kann.