DE69700906T2 - Verringern der anspringzeit eines katalytischen umwandlers - Google Patents

Verringern der anspringzeit eines katalytischen umwandlers

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Description

    Erfindungsbereich
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, der über einen Katalysator und über ein Abgas-Zündsystem (EGI; Exhaust Gas Ignition) verfügt, um bei der Verminderung der Anspringzeit des Katalysators zu helfen, wobei das EGI- System eine während eines Kaltstarts des Motors wirksame Vorrichtung umfaßt, um die Mischung in der brennbaren Ladung anzureichern; damit der Motor ein Abgas erzeugt, daß ausreichend Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält, um nach Zugabe von Luft zu der Abgasmischung im kalten Zustand zündfähig zu sein; und Vorrichtungen zum Zünden der Mischung oberhalb des Katalysators, um eine Flamme zum Erhitzen des Katalysators zu erzeugen.
    • Hintergrund der Erfindung
  • EP-A-0 588 877 beschreibt ein grundlegendes EGI-System, welches den Betrieb eines Motors in einer Art und Weise einschließt, die eine beinahe sofortige Zündung eines oberhalb des Katalysators positionierten Nachbrenners erlaubt. Damit die Abgasmischung im kalten Zustand zündfähig ist muß sie Wasserstoff enthalten, und dieser wird in der Verbrennungskammer durch die reversible Wasser-Gas-Reaktion erzeugt:
  • CO + H&sub2;O CO&sub2; + H&sub2;;
  • in welcher Kohlenmonoxid mit Dampf reagiert, um Wasserstoff und Kohlendioxid zu erzeugen.
  • Um eine Abgasmischung zu erreichen die genügend Wasserstoff enthält, um im kalten Zustand zündfähig zu sein, war es notwendig eine extrem fette Mischung in die Verbrennungskammer zu liefern, und aufgrund der Höhe dieser Anreicherung gab es Bedenken wegen Verschmutzungen der Zündkerzen und übermäßiger Zylinderabnutzung.
    • Erfindungsgegenstand
  • Die vorliegende Erfindung strebt daher die Bereitstellung eines Motors an, der ein EGI- System besitzt in welchem die Verbrennungsbedingungen optimiert sind, um den Erhalt einer zündfähigen Mischung im Nachbrenner mit minimaler Zugabe von überschüssigem Kraftstoff zur brennbaren Ladung zu erreichen.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Im Einklang mit einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verbrennungsmotor bereitgestellt, der einen Katalysator und ein Abgas-Zündsystem (EGI) besitzt, um bei der Verminderung der Anspringzeit des Katalysators zu helfen, wobei das EGI-System Vorrichtungen zur Anreicherung der Gemischzusammensetzung der während eines Kaltstarts des Motors zu den Zylindern des Motors gelieferten brennbaren Ladung umfaßt; um Abgase zu erzeugen die ausreichend Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthalten, um nach Zugabe von Luft zur Abgasmischung im kalten Zustand zündfähig zu sein, und Vorrichtungen zur Zündung der Mischung oberhalb des Katalysators, um eine Flamme zum Erhitzen des Katalysators zu erzeugen; wobei der Motor weiterhin Vorrichtungen umfaßt, um die Zündungseinstellung des Motors - während des Betriebs des EGI-Systems - vorzuverlegen, um in der verbrannten Ladung vor dem Öffnen des Auslaßventils eine niedrigere Temperatur zu erreichen, und um die Zündungseinstellung - am Endes des Betriebs des EGI-Systems - auf ihre normalen Einstellungen zurückzuverlegen.
  • Im Einklang mit einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verbrennungsmotor bereitgestellt, der einen Katalysator und ein Abgas-Zündsystem (EGI) besitzt, um bei der Verminderung der Anspringzeit des Katalysators zu helfen, wobei das EGI-System Vorrichtungen zur Anreicherung der Gemischzusammensetzung der während eines Kaltstarts des Motors zu den Zylindern des Motors gelieferten brennbaren Ladung umfaßt; um Abgase zu erzeugen die ausreichend Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthalten, um nach Zugabe von Luft zur Abgasmischung im kalten Zustand zündfähig zu sein, und Vorrichtungen zur Zündung der Mischung oberhalb des Katalysators, um eine Flamme zum Erhitzen des Katalysators zu erzeugen; wobei der Motor weiterhin Vorrichtungen umfaßt, um die Öffnungszeit der Auslaßventile des Motors - während des Betriebs des EGI-Systems - zu verzögern, um in der verbrannten Ladung vor dem Öffnen des Auslaßventils eine niedrigere Temperatur zu erreichen, und um die Synchronisierung der Auslaßventile - am Endes des Betriebs des EGI-Systems - auf ihre normalen Einstellungen zurückzustellen.
  • Bevorzugt wird die Dauer des Auslaßventil-Ereignisses reduziert, doch alternativ ist die Phasenverschiebung einer Auslaßnocke möglich, um die Öffnungs- und Schließzeiten der Auslaßventile um die selbe Dauer zu verschieben, ohne die Dauer des Ventilereignisses zu beeinflussen.
  • Es ist selbstverständlich möglich die Ventilsynchronisierung ebenso wie die Zündzeitpunktverstellung zu verändern, um die Wasserstofferzeugung zu optimieren, welche von der Temperatur des verbrannten Gases vor dem Öffnen des Auslaßventiles abhängig ist.
  • Es gab frühere Vorschläge zur Veränderung der Zündzeitpunktsverstellung, um das Anspringen eines Katalysators zu verschnellern, doch diese unterscheiden sich in den folgenden Hinsichten vom Vorschlag der vorliegenden Erfindung. Zum Ersten war es die Absicht von Systemen nach dem bekannten Stand der Technik, heißere Abgase zu emittieren und den Verbrennungsprozeß im Abgassystem fortzusetzen, um die zum Erhitzen des Katalysators notwendige Wärme zu erzeugen. Im Gegensatz dazu sucht die vorliegende Erfindung in dem Moment, da die Auslaßventile öffnen, die Temperatur der Verbrennungsladung zu verringern, um die Erzeugung von Wasserstoff für eine nachfolgende Zündung im Nachbrenner zu begünstigen. Also würden die Vorschläge nach dem bekannten Stand der Technik die Zündung hemmen, um das Einsetzen der Verbrennung zu verzögern, anstatt sie - wie in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen - vorzuverlegen. Der zweite wichtige Unterschied ist, daß in der vorliegenden Erfindung die Synchronisationsabweichung von Zünd- und/oder Ventilsynchronisierung nur wenige Sekunden dauert, währenddessen die Flamme im Nachbrenner gezündet wird; und danach auf ihre normalen Einstellungen zurückgestellt wird, wenn die Flamme einmal verloschen ist; wohingegen der bekannte Stand der Technik auf derartige Synchronisationsabweichungen angewiesen ist, um den Katalysator aufzuheizen; und die Synchronisationsabweichung aufrecht erhalten wird, bis der gesamte Katalysator seine Anspringtemperatur erreicht hat.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird nun anhand eines Beispieles unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben werden, in denen:
  • Abb. 1 ein Blockdiagramm eines Motors zeigt, der über ein EGI-System verfügt, und
  • Abb. 2 die Veränderung des Wasserstoff- und Sauerstoffanteils in den Abgasen im Nachbrenner mit der Veränderung der in den Brennkammern des Motors verwendeten Gemischzusammensetzung zeigt.
    • Genaue Beschreibung der Erfindung
  • Abb. 1 zeigt einen Motor 12, der über ein Ansaugsystem verfügt, das eine Hauptdrossel 24, einen Luft-Massendurchflußmesser und eine Kraftstoffeinspritzung 20 umfaßt. Die Kraftstoffeinspritzung 20 wird durch ein Motor-Managementsystem 21 geregelt, welches als eines seiner Eingangssignale das Ausgangssignal des Luft- Massendurchflußmessers 22 empfängt. Der Motor besitzt ein Auspuffrohr 14, das zu einem Katalysator 10 führt, der über zwei Katalysator-Matrixbausteine 10a und 10b verfügt, die durch eine Nachbrennkammer 16 voneinander getrennt werden, welche einen Zünder 18 enthält. Der Zünder 18 wird als Zündkerze gezeigt, kann alternativ aber auch eine Glühkerze sein. Luftpumpe 30 speist oberhalb des Katalysators 10 durch ein Ventil 32 zusätzliche Luft in das Auspuffrohr.
  • Das System funktioniert im Wesentlichen in der selben Art und Weise wie das in EP-0 588 887 beschriebene, welches hierin durch Erwähnung eingeschlossen ist. Während Kaltstartvorgängen wird die Einspritzung 20 durch das Kraftstoff-Meßsystem 21 geregelt, um eine Mischung zum Motor zu liefern welche signifikant fetter ist als eine stöchiometrische. Als eine Folge bewahren die Abgase eine brennbare Komponente, welche unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Wasserstoff einschließt. Wird Luft zu den Abgasen gegeben, so wird die resultierende Mischung zündfähig, selbst wenn sie kalt ist. Die Mischung wird in der Nachbrennkammer 16 durch den Zünder 18 gezündet, und brennt zur Erhitzung des zweiten Bausteins 10b, wodurch die zum Erreichen seiner Anspringtemperatur benötigte Zeit vermindert wird.
  • Abb. 2 der beigefügten Zeichnungen ist ähnlich zur Abb. 2 von EP-A-0 588 887, welches eine vollständigere Erklärung des zur Darstellung von Wasserstoff führenden Verbrennungsmechanismus liefert; und der Bedeutung von Wasserstoff für die Fähigkeit, die Verbrennungsgase - sofort nachdem der Motor gestartet wurde - im Nachbrenner zu zünden, solange das Abgassystem und die Verbrennungsgase immer noch kalt sind.
  • Abb. 2 zeigt eine Karte, wie die Konzentrationen von Wasserstoff und Sauerstoff im Nachbrenner mit der zum Motor gelieferten Luft/Kraftstoffmischung alleine - und mit der gesamten, zum Motor und dem Abgassystem zusammen gelieferten Luft/Kraftstoffmischung - variiert. Die vertikale Achse stellt einen Bereich von fetten, zum Motor gelieferten Gemischen dar; die rechte Seite der horizontalen Achse stellt einen Bereich von insgesamt mageren Gemischen dar, wenn die zusätzliche Luft im Abgas in das chemische Gleichgewicht Gesamtluft zu Kraftstoff eingeschlossen wird. Der Nachbrenner sollte immer innerhalb des Bereichs der rechten Seite der vertikalen Achse betrieben werden, um sicherzustellen daß im Nachbrenner Überschußluft vorhanden ist, um mit all diesen brennbaren Gasen - Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen - vollständig zu reagieren.
  • In dem Diagramm sind Linien konstanter Sauerstoff- und Wasserstoff-Konzentrationen im Nachbrenner unter verschiedenen Betriebsbedingungen von Motor und Nachbrenner eingezeichnet. In diese Karte könnten ebenso Linien konstanter Kohlenmonoxid- und konstanter Kohlenwasserstoff-Konzentrationen eingezeichnet werden, wurden jedoch ausgelassen. Es wurde festgestellt daß der Wertebereich, welcher eine Kaltzündung der den Nachbrenner erreichenden Gase zuläßt, in die Fläche fällt die in der Zeichnung schraffiert ist. Um etwaige Fehler mit einzukalkulieren wird ein Betrieb innerhalb des mit EGI (Exhaust Gas Ignition; Abgaszündung) bezeichneten Fensters bevorzugt.
  • Aus dem Diagramm kann entnommen werden, daß die Mindestbedingungen für eine Zündfähigkeit der Abgas/Luft-Mischung erfordern, daß die Wasserstoff-Konzentration 5 Volumenprozent übersteigen muß, und gleichzeitig die Sauerstoff-Konzentration 6 Volumenprozent übersteigen muß.
  • Es sollte verständlich sein, daß die in der Zeichnung angezeigten Absolutwerte des Luft/Kraftstoffverhältnisses - abhängig von der Stöchiometrie und der Zusammensetzung des Kraftstoffes - für verschiedene Kraftstoffe unterschiedlich sein würden. Ungeachtet der Art des verwendeten Kohlenwasserstoff-Kraftstoffes würden die Absolutwerte der Wasserstoff- und Sauerstoff-Konzentrationen, die bei Umgebungstemperatur für eine zuverlässige Zündung und stabile Verbrennung im Nachbrenner notwendig sind, jedoch die selben bleiben.
  • Die konstante Sauerstoff- und Wasserstoff-Konzentrationen- darstellenden, gestrichelten Linien der Zeichnung sind die selben Linien wie in Abb. 2 von EP-A-0 588 887, welche mit festen Werten von Zündzeitpunktverstellung und Ventileinstellung gemessen wurden. Diese Werte wurden zu dieser Zeit ausgewählt um die Abgastemperatur zu maximieren, und entsprechen einer Temperatur des verbrannten Gases von etwa 1600ºK am Ende des Arbeitshubes.
  • Die vorliegende Erfindung gründet auf der Erkenntnis, daß eine Optimierung der Wasserstofferzeugung wichtiger ist als das Maximieren der Gastemperatur im Nachbrenner.
  • Durch die Wasser-Gas-Reaktion wird Wasserstoff innerhalb der Brennkammer nur bei Temperaturen im Bereich von 1000ºK oder mehr erzeugt. Sobald das Auslaßventil öffnet, fallen Temperatur und Druck bedeutend ab und bringen die Wasser-Gas- Reaktion zu einem Ende, wodurch die Wasserstoff-Konzentration auf dem Niveau eingefroren wird, das am Ende des Arbeitshubes des Motors erreicht wurde. Die Wasser-Gas-Reaktion ist reversibel und das Gleichgewicht der Reaktionen hängt von der Temperatur ab; wobei bei niedrigen Temperaturen die Erzeugung von Wasserstoff begünstigt wird, und bei höheren Temperaturen die Erzeugung von Kohlenmonoxid begünstigt wird.
  • Die Leichtigkeit mit der die Abgase im Nachbrenner gezündet werden, wird daher paradoxerweise erhöht, indem eine weitest mögliche Verringerung der Temperatur des verbrannten Gases erlaubt wird, bevor die Auslaßventile geöffnet werden; was für jede gegebene Gemischzusammensetzung folglich eine höhere Wasserstoff-Konzentration begünstigt. Dies ist das genaue Gegenteil der früheren Annahme, daß die verbrannten Gase ausgelassen werden sollten wenn sie so heiß wie möglich sind, um die Temperatur der den Nachbrenner erreichenden Gase zu maximieren.
  • Es ist bekannt daß die Temperatur des verbrannten Gases in der Brennkammer gerade bevor die Auslaßventile öffnen - reduziert werden kann, indem die Zündzeitpunktverstellung vorverlegt und die Auslaßventil-Öffnungszeit zurückverlegt wird. In der vorliegenden Erfindung kann einer, oder bevorzugt beide dieser Schritte genutzt werden, um die Wasserstofferzeugung zu optimieren; und dadurch eine Abgaszündung mit einer niedrigeren Kraftstoff-Anreicherung der Verbrennungsladung des Motors zu erlauben. In der Zeichnung ist der Effekt eines Vorverlegens der Zündzeitpunktverstellung und eines Zurückverlegens der Auslaßventil-Öffnung daher - für ein Gesamtverhältnis Luft zu Kraftstoff von etwa 15 entlang der X-Achse - eine Anhebung der 5%-Wasserstoff-Linie über die ursprüngliche, gestrichelte Linie auf die Positionen der gefüllten Symbole. Diese Punkte entsprechen Temperaturen von 1600ºK, 1400ºK und 1200ºK in den verbrannten Gasen vor dem Öffnen des Auslaßventils, und berücksichtigen auch die Gegenwart von zusätzlichem, unverbranntem Kohlenwasserstoff im Abgassystem, das von einer Benetzung der kalten Wände der Verbrennungskammer mit kondensiertem Kraftstoff herrührt. Wenn solcher zusätzlicher Kohlenwasserstoff durch eine Kohlenwasserstoffe absorbierende Falle entfernt wird - oder durch die Anordnung der Nachbrennkammer zwischen zwei Bausteinen des Katalysators, in welchem Fall der erste Baustein als Kohlenwasserstoffe absorbierende Falle wirken kann - so wird weniger Luft in das Abgassystem zugegeben werden müssen, um das Gesamtverhältnis von Luft zu Kraftstoff aufrecht zu erhalten. Folglich werden die Linien mit konstant 5% Wasserstoff bei 1600ºK, 1400ºK und 1200ºK weiter angehoben werden; und zwar in die von den durchgezogenen Linien und offenen Symbolen in der Zeichnung dargestellten Positionen, was einer noch niedrigeren Kraftstoff-Anreicherung der zu den Zylindern des Motors gelieferten, brennbaren Ladung entspricht, um im Nachbrenner ein zündfähiges Gemisch zu erreichen.
  • Es wurde gefunden daß ein Vorverlegen des Zündzeitpunktverstellung von 10º die Temperatur des verbrannten Gases am Ende des Arbeitshubes um etwa 150ºK vermindert, während ein Zurückverlegen der Auslaßventil-Öffnung um 10º die Temperatur des verbrannten Gases am Ende des Arbeitshubes um etwa 50ºK verminderte. Die Erfindung schlägt eine Synchronisationsabweichung von Zünd- und/oder Abgasventil-Öffnungs-Synchronisierung nur während des Zeitabschnitts vor, in dem das EGI-System zur Optimierung der Wasserstofferzeugung in Betrieb ist. Das durch die schraffierte Fläche im Diagramm dargestellte, zündfähige Gebiet wird als Ergebnis nach oben ausgedehnt; was ein Anheben des EGI-Kalibrierfensters erlaubt, damit dieses in einem Bereich geringerer Kraftstoff-Anreicherung der Motor- Verbrennungsladung liegt.
  • Es sollte erwähnt werden daß es eine weitverbreitete Praktik ist, im Leerlauf die Zündzeitpunktsverstellung von ihrem MBT-Wert (Mean Best Torque, mittleres bestes Drehmoment) zurückzuverlegen. In der Erfindung wird die Synchronisationsänderung während der EGI in der Richtung sein, in der die Synchronisation auf ihren MBT-Wert zurückgestellt wird.

Claims (4)

1. Ein Verbrennungsmotor (12), der einen Katalysator (10b) und ein Abgas- Zündsystem (EGI) besitzt, um bei der Verminderung der Anspringzeit des Katalysators zu helfen, wobei das EGI-System Vorrichtungen (21) zur Anreicherung der Gemischzusammensetzung der während eines Kaltstarts des Motors zu den Zylindern des Motors gelieferten brennbaren Ladung umfaßt; um Abgase zu erzeugen die ausreichend Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthalten, um nach Zugabe von Luft zur Abgasmischung im kalten Zustand zündfähig zu sein, und Vorrichtungen (18) zur Zündung der Mischung oberhalb des Katalysators (10b), um eine Flamme zum Erhitzen des Katalysators zu erzeugen; dadurch gekennzeichnet, daß der Motor weiterhin Vorrichtungen (21) umfaßt, um die Zündungseinstellung des Motors - während des Betriebs des EGI-Systems - vorzuverlegen, um in der verbrannten Ladung vor dem Öffnen des Auslaßventils eine niedrigere Temperatur zu erreichen, und um die Zündungseinstellung - am Endes des Betriebs des EGI-Systems - auf ihre normalen Einstellungen zurückzuverlegen.
2. Ein Verbrennungsmotor (12), der einen Katalysator (10b) und ein Abgas- Zündsystem (EGI) besitzt, um bei der Verminderung der Anspringzeit des Katalysators zu helfen, wobei das EGI-System Vorrichtungen (21) zur Anreicherung der Gemischzusammensetzung der während eines Kaltstarts des Motors zu den Zylindern des Motors gelieferten brennbaren Ladung umfaßt; um Abgase zu erzeugen die ausreichend Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthalten, um nach Zugabe von Luft zur Abgasmischung im kalten Zustand zündfähig zu sein, und Vorrichtungen (18) zur Zündung der Mischung oberhalb des Katalysators (10b), um eine Flamme zum Erhitzen des Katalysators zu erzeugen; dadurch gekennzeichnet, daß der Motor weiterhin Vorrichtungen (21) umfaßt, um die Öffnungszeit der Auslaßventile des Motors - während des Betriebs des EGI-Systems - zu verzögern, um in der verbrannten Ladung vor dem Öffnen des Auslaßventils eine niedrigere Temperatur zu erreichen, und um die Synchronisierung der Auslaßventile - am Ende des Betriebs des EGI- Systems - auf ihre normalen Einstellungen zurückzustellen.
3. Ein Motor nach Anspruch 2, in welchem die Schließzeit des Auslaßventils konstant gehalten wird, wodurch die Dauer des Auslaßventil-Ereignisses reduziert wird.
4. Ein Motor nach Anspruch 2 oder 3, welcher weiterhin Vorrichtungen umfaßt, um die Zündungseinstellung des Motors - während des Betriebs des EGI-Systems- vorzuverlegen, um in der verbrannten Ladung vor dem Öffnen des Auslaßventils eine weitere Erniedrigung der Temperatur zu erreichen, und um die Zündungseinstellung - am Ende des Betriebs des EGI-Systems - auf ihre normalen Einstellungen zurückzuverlegen.
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