DE60019284T2

DE60019284T2 - Verfahren zur abgasreinigung von brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE60019284T2
Application number: DE60019284T
Authority: DE
Inventors: Lars Allevag; Göran ALMKVIST; Ingmar BREDSTRÖM; Karin Thorn
Original assignee: Volvo Car Corp
Current assignee: Volvo Car Corp
Priority date: 1999-06-11
Filing date: 2000-06-09
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2020-06-10
Also published as: SE9902217D0; EP1185770B1; EP1185770A1; SE521981C2; WO2000077369A1; SE9902217L; US20020189240A1; US6681562B2; DE60019284D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung von Emissionen in den Abgasen von Brennkraftmaschinen, die zumindest einen Zylinder aufweisen, welchem ein Luft/Kraftstoffgemisch zugeführt wird, wenn eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zur Drehung veranlasst werden soll, zumindest ein Einlassventil, zumindest ein Auslassventil, Steuerteile zum Steuern des Öffnens und Schließens der Einlass- und Auslassventile, und einen Kolben, der sich zwischen einer oberen Totpunktposition und einer unteren Totpunktposition in dem Zylinder hin- und herbewegt, wobei das Auslassventil so gesteuert wird, dass es öffnet, bevor der Kolben durch die untere Totpunktposition hindurchgegangen ist, und schließt, bevor das Einlassventil öffnet (siehe beispielsweise die EP-A-735246 oder die US-A-5,845,613).
Bei Brennkraftmaschinen ist es wünschenswert, die unerwünschten Emissionen zu verringern, die in den Abgasen der Brennkraftmaschine vorhanden sind, um so die Umweltverschmutzung zu verringern, und den gesetzlichen Anforderungen für Brennkraftmaschinen zu genügen. Die unerwünschten Emissionen, die in den Abgasen vorhanden sind, umfassen unter anderem Kohlenmonoxid CO, Kohlenwasserstoffverbindungen HC, und Stickoxide NOx.
Um diese Emissionen in den Abgasen zu verringern, ist die Brennkraftmaschine mit einem Katalysator versehen, der mit Hilfe einer chemischen Reaktion die erwähnten Emissionen vollständig verbrennt. Die chemische Reaktion in dem Katalysator tritt nur dann auf, wenn der Katalysator eine vorbestimmte Arbeitstemperatur erreicht hat, die nach einer vorbestimmten Betriebszeit der Brennkraftmaschine erreicht wird. Beim Kaltstart der Brennkraftmaschine ist daher keine Verringerung der erwähnten Emissionen in dem Katalysator vorhanden.
Es gibt bekannte Anordnungen, die den Katalysator erwärmen, wenn ein Kaltstart der Brennkraftmaschine erfolgt, damit schnell eine gewünschte Arbeitstemperatur des Katalysators erreicht wird, um es so zu ermöglichen, die Emissionen in dem Abgas der Brennkraftmaschine zu einem frühen Zeitpunkt zu verringern. Bei einer derartigen bekannten Anordnung ist ein elektrisches Heizelement in dem Katalysator angeordnet. Diese Anordnung macht den Katalysator kompliziert und teuer in der Herstellung.
Ein weiteres Problem, das beim Kaltstart von Brennkraftmaschinen auftritt, besteht darin, dass eine relativ große Kraftstoffmenge im Vergleich zur zugeführten Luft, also ein fettes Luft/Kraftstoffgemisch, der Brennkraftmaschine zugeführt werden muss, damit die Brennkraftmaschine startet, und die Brennkraftmaschine mit im wesentlichen konstanter Drehzahl im Leerlauf arbeiten kann. Dieses fette Luft/Kraftstoffgemisch wird auch zu dem Zweck zugeführt, damit die Brennkraftmaschine dazu fähig ist, ein erhöhtes Drehmoment zur Verfügung zu stellen, wenn das Gaspedal betätigt wird. Das Fahrverhalten der Brennkraftmaschine wird auf diese Art und Weise sichergestellt, bevor die Brennkraftmaschine ihre Betriebstemperatur erreicht hat.
Das Fehlen der Emissionssteuerung in dem Katalysator und das fette Luft/Kraftstoffgemisch führen dazu, dass der Anteil an Kohlenmonoxid CO, Kohlenwasserstoffverbindungen HC und Stickoxiden NOx, die von der Brennkraftmaschine abgegeben werden, hoch ist, wenn ein Kaltstart der Brennkraftmaschine erfolgt.
Es wurden bereits Versuche unternommen, die Kraftstoffmenge im Vergleich zur zugeführten Luft zu verringern, also die Brennkraftmaschine mit einem magereren Luft/Kraftstoffgemisch zu betreiben, wenn ein Kaltstart der Brennkraftmaschine erfolgt. Allerdings hat dies dazu geführt, dass die Brennkraftmaschine im Leerlauf sehr ungleichmäßig läuft, und auch das Fahrverhalten der Brennkraftmaschine schlecht ist. Der Grund dafür, dass sich die Drehzahl im Leerlauf ändert, besteht darin, dass das von der Brennkraftmaschine erzeugte Drehmoment sehr empfindlich auf Änderungen des Lambda-Wertes des Luft/Kraftstoffgemisches reagiert, das dem Zylinderraum der Brennkraftmaschine zugeführt wird, wenn das Luft/Kraftstoffgemisch mager ist. Die Definition des Lambda-Wertes, oder auch als Luftüberschussfaktor bekannt, ist die tatsächliche, zugeführte Luftmenge, dividiert durch die Luftmenge, die theoretisch für eine vollständige Verbrennung erforderlich ist. Ist der Lambda-Wert größer als Eins, ist das Luft/Kraftstoffgemisch mager, und wenn der Lambda-Wert kleiner als Eins ist, ist das Luft/Kraftstoffgemisch fett.
Der Kraftstoff, der von einem Kraftstoffeinspritzventil zugeführt wird, kann exakt mit Hilfe des Kraftstoffeinspritzsystems der Brennkraftmaschine gesteuert oder geregelt werden, um so einen im wesentlichen konstanten Lambda-Wert für das zugeführte Luft/Kraftstoffgemisch zu erhalten. Wenn die Brennkraftmaschine kalt ist, kondensiert jedoch Kraftstoff auf den vergleichsweise kalten Wänden im Einlasskanal und im Zylinder. Der Kraftstoff, der sich auf den Wänden niedergeschlagen hat, wird im Leerlauf verdampft, und wird von dem Luft/Kraftstoffgemisch mitgeführt, das in den Einlasskanal fließt, und dem Zylinderraum zugeführt wird. Wenn die Verdampfung des Kraftstoffs ungleichmäßig ist, der sich auf den Wänden niedergeschlagen hat, infolge von Druckänderungen, Temperaturgradienten, oder der Flussrate des Luft/Kraftstoffgemisches im Einlasskanal, tritt eine Änderung des Lambda-Wertes des dem Zylinderraum zugeführten Luft/Kraftstoffgemisches auf.
Da sich das von der Brennkraftmaschine erzeugte Drehmoment im Leerlauf ändert, wenn ein Kaltstart erfolgt, ändert sich die Drehzahl der Brennkraftmaschine. Hierbei ist mit Drehzahl der Brennkraftmaschine die Drehzahl der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gemeint. Ändert sich die Drehzahl, so ändert sich auch der Druck im Einlasskanal, was wiederum dazu führt, dass sich die Verdampfung des niedergeschlagenen Kraftstoffs ändert, so dass eine Änderung des Lambda-Wertes des Luft/Kraftstoffgemisches auftritt, das dem Zylinderraum zugeführt wird. Auf diese Weise wird die Schwankung der Drehzahl der Brennkraftmaschine verstärkt.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, Kohlenmonoxid CO, Kohlenwasserstoffverbindungen HC und Stickoxide NOx in den Abgasen einer Brennkraftmaschine bei deren Kaltstart zu verringern.
Ein anderes ziel der Erfindung besteht darin, zu ermöglichen, dass eine Brennkraftmaschine mit einem mageren Luft/Kraftstoffgemisch arbeiten kann.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, die Arbeitstemperatur des Katalysators so schnell wie möglich zu erreichen.
Dies wird durch ein Verfahren jener Art erzielt, das in der Einleitung angegeben ist, und welches folgende Schritte umfasst: ein Luft/Kraftstoffgemisch mit einem Lambda-Wert von größer als Eins wird dem Zylinder zugeführt, und das Einlassventil wird so gesteuert, dass es während des Ansaughubes öffnet, nachdem der Kolben durch die obere Totpunktposition hindurchgegangen ist.
Durch Zuführen eines Luft/Kraftstoffgemisches von mehr als Eins zum Zylinder werden die Emissionen der von der Brennkraftmaschine abgegebenen Abgase verringert. Die Brennkraftmaschine arbeitet mit im Wesentlichen konstanter Drehzahl im Leerlauf, wenn das Einlassventil so gesteuert wird, dass es öffnet, nachdem der Kolben durch die obere Totpunktposition hindurchgegangen ist, und wenn das Auslassventil so gesteuert wird, dass es schließt, bevor das Einlassventil öffnet. Auf diese Weise wird verhindert, dass Abgase in den Einlasskanal fließen, was dazu führt, dass eine gleichmäßige Verdampfung des Kraftstoffs erzielt wird, der sich auf den Wänden des Einlasskanals niedergeschlagen hat. Durch Öffnen des Einlassventils, nachdem der Kolben die obere Totpunktposition durchquert hat, wird eine kräftige Wirbelbildung des dem Zylinderraum zugeführten Luft/Kraftstoffgemisches erzielt. Durch Steuern des Auslassventils so, dass es öffnet, bevor der Kolben die untere Totpunktposition durchquert hat, wird der Expansionshub des Kolbens in dem Zylinder unterbrochen, und fließen sehr heiße Abgase durch den Auslasskanal und weiter zum Katalysator, der auf diese Weise schnell erwärmt wird.
Die Erfindung wird genauer nachstehend anhand einer beispielhaften Ausführungsform beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, wobei
1 einen Schnitt durch eine Brennkraftmaschine zeigt,
2 ein Diagramm der Öffnungs- und Schließzeiten sowohl von Einlass- und Auslassventilen zeigt, und
3 ein Diagramm der Erwärmungszeit des Katalysators bei einer herkömmlich gesteuerten Brennkraftmaschine und einer Brennkraftmaschine zeigt, die nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung gesteuert wird.
1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1, die zumindest einen Zylinder 2 aufweist, welchem ein Luft/Kraftstoffgemisch zugeführt wird, wenn eine Kurbelwelle 3 der Brennkraftmaschine 1 zur Drehung veranlasst wird. Zumindest ein Einlassventil 4 ist so angeordnet, dass es Einlasskanäle 5 öffnet und schließt, die an den Zylinder 2 angeschlossen sind, und durch welche ein Luft/Kraftstoffgemisch zugeführt wird, wenn die Brennkraftmaschine 1 arbeitet. Die Brennkraftmaschine 1 weist weiterhin Steuerteile 8 auf, die so angeordnet sind, dass sie das Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile 4, 6 steuern. Bei der in 1 gezeigten, beispielhaften Ausführungsform bestehen die Steuerteile 8 aus Nockenwellen, die so eingestellt werden können, dass der Öffnungs- und Schließzeitpunkt der Einlass- und Auslassventile 4, 6 geändert werden können. Dies wird beispielsweise durch eine Regelanordnung 9 erzielt, die schematisch in 1 dargestellt ist, und auf eine an sich bekannte Art und Weise die Nockenwellen hydraulisch dreht. Es sind auch andere Steuerteile 8 möglich, beispielsweise elektromagnetisch gesteuerte Ventile. Ein Kolben 10, der sich zwischen einer oberen und einer unteren Totpunktposition in dem Zylinder 2 hin- und herbewegt, ist auf der Kurbelwelle 3 mit Hilfe einer Verbindungsstange 11 angebracht. Die Brennkraftmaschine 1 ist vorzugsweise eine Vierzylinder-Viertakt-Maschine.
Eine beispielhafte Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 2 gezeigt, die ein Diagramm der Öffnungs- und Schließzeiten sowohl der Einlass- als auch Auslassventile 4, 6 zeigt. Während des Ansaughubes wird ein Luft/Kraftstoffgemisch mit einem Lambda-Wert von größer als Eins dem Zylinder 2 zugeführt. Der Lambda-Wert liegt im Wesentlichen im Bereich von 1,1 bis 1,4, und bevorzugt im Bereich von 1,1 bis 1,2. Der Gehalt an Kohlemonoxid CO, Kohlenwasserstoffverbindungen HC und Stickoxiden NOx in den Abgasen hängt unter anderem vom Mischverhältnis des Luft/Kraftstoffgemisches ab, das dem Zylinder 2 zugeführt wird. Dieses Mischverhältnis wird normalerweise durch einen Lambda-Wert angegeben. Die Definition des Lambda-Wertes, der auch als Luftüberschussfaktor bekannt ist, ist die tatsächliche Luftmenge, die zugeführt wird, dividiert durch die Luftmenge, die theoretisch benötigt wird. Ist der Lambda-Wert größer als Eins, ist das Luft/Kraftstoffgemisch mager, und wenn der Lambda-Wert kleiner als Eins ist, ist das Luft/Kraftstoffgemisch fett. Das Ziel besteht darin, ein mageres Luft/Kraftstoffgemisch zu liefern, wenn die Brennkraftmaschine kalt ist, so dass der Anteil an Kohlenmonoxid CO, Kohlenwasserstoffverbindungen HC, und Stickoxiden NOx, die von der Brennkraftmaschine 1 in Form von Abgasen abgegeben werden, niedrig ist.
Damit der Betrieb der Brennkraftmaschine 1 nicht ungleichmäßig wird, wenn ein mageres Luft/Kraftstoffgemisch zugeführt wird, aus den in der Einleitung der Beschreibung angegebenen Gründen, wird das Einlassventil 4 so gesteuert, dass es öffnet, nachdem der Kolben 10 die obere Einlassventils 4 so, dass es während des Ansaughubes bei einem Kurbelwellenwinkel von 20° bis 100° hinter der oberen Totpunktposition öffnet, vorzugsweise bei einem Kurbelwellenwinkel von 30° nach der oberen Totpunktposition, wird ein Unterdruck in dem Zylinder 2 erzeugt. Erforderlich für die Erzeugung eines Unterdrucks im Zylinder 2 ist jedoch, dass das Auslassventil 6 so gesteuert wird, dass es schließt, bevor das Einlassventil 4 öffnet. Das Auslassventil 6 wird vorzugsweise so gesteuert, dass es schließt, wenn sich der Kolben 10 am oberen Totpunkt befindet. Sowohl das Auslassventil 6 als auch das Einlassventil 4 werden daher zum selben Zeitpunkt geschlossen, wenn sich der Kolben 10 nach unten in Richtung zur unteren Totpunktposition bewegt, was dazu führt, dass ein Unterdruck im Zylinder 2 erzeugt wird. Es ist allerdings möglich, das Auslassventil 6 zu schließen, nachdem der Kolben 10 die obere Totpunktposition durchquert hat, da das Einlassventil 4 so gesteuert wird, dass es öffnet, nachdem der Kolben 10 die obere Totpunktposition durchquert hat. Wenn dann das Einlassventil 4 geöffnet wird, fließt das Luft/Kraftstoffgemisch in den Zylinder 2 mit einer hohen Flussrate, infolge des Unterdrucks im Zylinder 2. Diese hohe Flussrate trägt zu einer wünschenswerten Wirbelbildung und daher Mischung des Luft/Kraftstoffgemisches bei. Durch Öffnen des Einlassventils 4 wird, wie voranstehend beschrieben, verhindert, dass Abgase in den Einlasskanal 5 fließen. Würden Abgase in den Einlasskanal 5 fließen, würde dies die Verdampfung von Kraftstoff beeinflussen, der sich auf den Wänden des Einlasskanals 5 niedergeschlagen hat, was zu einer Änderung des Drehmoments der Kurbelwelle 3 der Brennkraftmaschine 1 führen würde, und daher zu einem ungleichmäßigen Betrieb der Brennkraftmaschine 1. In diesem Zusammenhang ist mit dem Kurbelwellenwinkel der Winkel gemeint, um welchen sich die Kurbelwelle 3 gedreht hat, seit dem sich der Kolben 10 in der oberen Totpunktposition befand. Wenn sich der Kolben 10 in der oberen Totpunktposition befindet, ist daher der Kurbelwellenwinkel gleich Null.
Das Einlassventil 4 kann so gesteuert werden, dass es schließt, nachdem der Kolben 10 die untere Totpunktposition erreicht hat.
Wenn eine kalte Brennkraftmaschine 1 gestartet wird, ist auch ein Katalysator 12 kalt, der bei der Brennkraftmaschine 1 vorgesehen ist. Wie in der Einleitung der Beschreibung erwähnt, muss der Katalysator 12 eine bestimmte Arbeitstemperatur erreichen, damit der Katalysator 12 wirksam die toxischen Emissionen in den Abgasen der Brennkraftmaschine 1 verringern kann. Das Zünden des Luft/Kraftstoffgemisches, das dem Zylinder 2 zugeführt wird, wird bei einem Kurbelwellenwinkel von 10° vor bis 30° nach der oberen Totpunktposition durchgeführt, vorzugsweise bei einem Kurbelwellenwinkel von 0° bis 10° nach der oberen Totpunktposition. Durch Steuern des Auslassventils 6 gemäß dem Vorschlag des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung, so dass dieses öffnet, bevor der Kolben 10 die untere Totpunktposition während des Expansionshubes durchlaufen hat, wird die Expansion unterbrochen, und fließen daher sehr heiße Abgase durch den Auslasskanal 7 und weiter zum Katalysator 12. Daher wird der Katalysator 12 sehr schnell auf die gewünschte Arbeitstemperatur durch die heißen Abgase erwärmt. Es hat sich herausgestellt, dass dann, wenn das Auslassventil 6 so gesteuert wird, dass es sich bei einem Kurbelwellenwinkel von 90° bis 130° hinter der oberen Totpunktposition öffnet, vorzugsweise bei einem Kurbelwellenwinkel von 100° hinter der oberen Totpunktposition, die Arbeitstemperatur des Katalysators 12 sehr schnell erreicht wird. Die Öffnungszeit des Auslassventils 6 ist daher relativ lang. 3 zeigt ein Diagramm der Erwärmungszeit des Katalysators 12 für eine herkömmlich gesteuerte Brennkraftmaschine und für eine Brennkraftmaschine 1, die nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung gesteuert wird. Die durchgezogene Kurve in 3 betrifft die Erwärmungszeit des Katalysators 12 für eine Brennkraftmaschine, die nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung gesteuert wird, und die gestrichelte Linie betrifft die Erwärmungszeit des Katalysators für eine herkömmlich gesteuerte Brennkraftmaschine. Wie aus dem Diagramm von 3 hervorgeht, erreicht der Katalysator 12 der Brennkraftmaschine, die mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung gesteuert wird, die Arbeitstemperatur To schneller als der Katalysator der herkömmlichen gesteuerten Brennkraftmaschine.
Die Brennkraftmaschine 1 kann mit Hilfe eines Abgasturboladers oder eines mechanischen Kompressors (nicht gezeigt) aufgeladen werden. Bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine 1 wird Energie von dem Kompressor oder dem Turbolader geliefert, so dass die Verbrennungstemperatur nach der Expansion in dem Zylinder noch weiter zunimmt. Daher kann der Katalysator noch schneller erwärmt werden.
Das Verfahren gemäß der Erfindung wird vorzugsweise eingesetzt, wenn die Temperatur des Katalysators 12 niedriger ist als dessen Arbeitstemperatur To. Ein Sensor (nicht gezeigt) kann bei dem Katalysator 12 vorgesehen sein, um die Temperatur des Katalysators 12 zu bestimmen. Alternativ kann die Temperatur der Brennkraftmaschine 1 gemessen werden, um so die Temperatur des Katalysators 12 abzuschätzen. Wenn die Arbeitstemperatur To des Katalysators 12 erreicht wurde, werden die Einlass- und Auslassventile 4, 6 und die Zündung so gesteuert, dass die Brennkraftmaschine 1 optimal für die vorhandenen Betriebsbedingungen arbeitet.

Claims

Verfahren zum Verringern von Emissionen in den Abgasen einer Brennkraftmaschine (1), die zumindest einen Zylinder (2) aufweist, welchem eine Luft/Kraftstoffmischung zugeführt wird, wenn eine Kurbelwelle (3) der Brennkraftmaschine (1) zur Drehung veranlasst wird, zumindest ein Einlassventil (4), zumindest ein Auslassventil (6), Steuerteile (8) zum Steuern des Öffnens und Schließens der Einlass- und Auslassventile (4, 6), und einen Kolben (10), der sich zwischen der Position eines oberen Totpunktes und der Position eines unteren Totpunktes in dem Zylinder (2) hin- und herbewegt, wobei das Auslassventil (6) so gesteuert wird, dass es öffnet, bevor der Kolben (10) die Position des unteren Totpunktes durchquert hat, und schließt, bevor das Einlassventil (4) öffnet, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: eine Luft/Kraftstoffmischung mit einem Wert von Lambda von größer als 1 wird dem Zylinder (2) zugeführt, und das Einlassventil (4) wird so gesteuert, dass es öffnet, während des Einlasshubs, nachdem der Kolben (10) die Position des oberen Totpunktes durchquert hat.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (6) so gesteuert wird, dass es bei einem Kurbelwellenwinkel von 90° bis 130° nach der Position des oberen Totpunkts öffnet, vorzugsweise bei einem Kurbelwellenwinkel von 100° nach der Position des oberen Totpunktes.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (6) so gesteuert wird, dass es schließt, wenn sich der Kolben (10) in der Position des oberen Totpunktes befindet.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (4) so gesteuert wird, dass es bei einem Kurbelwellenwinkel von 20° bis 100° nach der Position des oberen Totpunkts öffnet, bevorzugt bei einem Kurbelwellenwinkel von 30° nach der Position des oberen Totpunktes.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündung der Luft/Kraftstoffmischung, die dem Zylinder (2) zugeführt wird, bei einem Kurbelwellenwinkel von 10° vor bis 20° nach der Position des oberen Totpunkts durchgeführt wird, bevorzugt bei einem Kurbelwellenwinkel von 0° bis 10° nach der Position des oberen Totpunktes.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert von Lambda der Luft/Kraftstoffmischung, die dem Zylinder (2) zugeführt wird, im wesentlichen innerhalb des Bereiches von 1,1 bis 1, 4 liegt, und bevorzugt innerhalb des Bereiches von 1,1 bis 1, 2.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren im Wesentlichen beim Kaltstart der Brennkraftmaschine (1) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Steuerteile (8) zum Steuern des Öffnens und des Schließens der Einlass- und Auslassventile (4, 6) einstellbar sind, sodass die Öffnungs- und Schließzeit der Einlass- und Auslassventile (4, 6) geändert werden kann.