DE69719443T2 - Verfahren zur Steuerung des Einlasses einer Viertaktbrennkraftmaschine mit Direkteinspritzung - Google Patents

Verfahren zur Steuerung des Einlasses einer Viertaktbrennkraftmaschine mit Direkteinspritzung

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Viertaktverbrennungsmotoren mit direkter Benzineinspritzung.
  • Genauer zielt die vorliegende Verbindung auf die Regelung des Einlasses im Hinblick darauf ab, gleichzeitig den Verbrauch und die Schadstoffemissionen solcher Motoren zu vermindern.
  • Diese Ziele scheinen auf den ersten Blick kaum verträglich zu sein, da eine starke Verminderung des Verbrauchs eine Verbrennung bei verdünnter Beschickung erfordert, was im allgemeinen nicht verträglich mit einer Nachbehandlung der Gasabströme ist.
  • Genauer erfordert eine starke Verminderung des Verbrauchs der Motoren mit gesteuerter Zündung die Verwendung einer Verbrennung mit verdünnter Beschickung (Luft und/oder EGR bzw. Abgasrückführung), um die Verluste durch Pumpen der eingeführten Charge zu vermindern und den polytropen Koeffizienten der Gase zu erhöhen und folglich die Leistung des Motorzyklusses mit vier Takten.
  • Hingegen können die Verbrennungsmotoren mit sehr verdünntem Gemisch nicht von einer Nachbehandlung der gasförmigen Abströme durch trifunktionale Katalyse profitieren, um die auf dem Niveau der Schadstoffemissionen der Fahrzeuge gültigen Regelungen zu erfüllen, da die Fettheit beim Auslass kleiner als 1 ist.
  • Konzepte erster Generation sind bereits auf den Markt durch Autohersteller eingeführt worden, dies sind die Magergemischmotoren (Honda VTE, Toyota Carina ...). Diese ermöglichen Verbrauchsgewinne im städtischen Betrieb in der Größenordnung von 10% im Verhältnis zu traditionellen Motoren. Um den Vorgaben von Schadstoffemissionen gerecht zu werden, greifen diese Magergemischmotoren im allgemeinen auf einen traditionellen stöchiometrischen Betrieb während der Kaltstartphasen oder während der Beschleunigungen zurück. Diese Strategie ermöglicht es, die Emissionen des Fahrzeugs zu regeln, indem auf ein konventionelles Entgiftungssystem durch trifunktionale Katalyse zurückgegriffen wird, aber sie unterdrückt jeden Gewinn beim Verbrauch beim Fahrzeug während diesen Betriebsphasen.
  • Die Lösungen zweiter Generation, die im Laufe der Zeit jenen der ersten Generation folgten, sind mit der Entwicklung der Direktbenzineinspritzung verbunden. Gekoppelt mit einem Beherrschen der geschichteten Verbrennung ermöglichen es die Systeme zweiter Generation, Gewinne beim Stadtverbrauch in der Größenordnung von 20% dank der Unterdrückung der Verluste durch Pumpen des Motorzyklusses mit vier Takten vorzusehen.
  • Ganz wie die ersten Konzepte können diese Motoren auf die trifunktionale Katalyse nur auf Kosten der Annullierung der erwarteten Verbrauchsgewinne zurückgreifen.
  • In allgemeiner Weise ausgedrückt, sind die beiden Hauptprobleme, die mit der Entgiftung der Motoren mit Benzindirekteinspritzung verbunden sind, welche bei geschichteter Verbrennung arbeiten, die folgenden:
  • Die Stickoxidemissionen können nicht leicht durch Katalyse von NOx nachbehandelt werden und müssen daher an der Quelle ausreichend gering sein.
  • Die Temperatur der Auspuffgase ist zu niedrig für einen schnellen Start des Oxidationskatalysators zur Umwandlung des Kohlenmonoxids und der unverbrannten Kohlenwasserstoffe.
  • Gegenüber dem zweiten Problem sind vor allem elektrische Heizsysteme des Oxidationskatalysators bereits vorgesehen worden. Hingegen sind diese Systeme kostspielig an Energie, was vor allem ein Problem beim Start des Fahrzeugs darstellt.
  • In der französischen Patentanmeldung EN 95/07384, eingereicht im Namen der Anmelderin, ist eine Art beschrieben, den Einlassluftdurchsatz eines Viertaktdirekteinspritzmotors zu regeln. Dieses Dokument zeigt eine einfache Lösung, die eine zuverlässige Abwägung eines Betriebsmodus zu einem anderen ermöglicht, was ein optimiertes Management der Verbrennung realisiert. Es ist ebenfalls durch das Dokument Patent Abstracts of Japan Vol. 096, Nr. 005, 31. Mai 1996 und JP 08004522 ein Verfahren zur Regelung des Einlasses eines Viertaktmotors mit Direktbenzineinspritzung in zwei Brennkammern bekannt, das darin besteht, unterschiedlich durch einen Einlass wenigstens zwei Zylinder oder Gruppen von Zylindern arbeiten zu lassen, um die Schadstoffemissionen beim Auslass zu vermindern, wobei der erste Zylinder oder Gruppe von Zylindern bei einer Fettheit oberhalb oder gleich der Einheit bzw. Gleichheit arbeitet und der zweite Zylinder bzw. Gruppe von Zylindern unter-stöchiometrisch arbeitet.
  • Dieses Verfahren weist dennoch den Nachteil auf, einerseits ein Kompromiss zwischen der Verbrauchsverminderung und der Verminderung der Schadstoffemissionen zu sein und andererseits, eine bestimmte Entgiftungsschwelle der Auspuffgase nicht überschreiten zu können.
  • Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, vor allem die oben dargelegten Probleme unter Erhalt eines Verbrauchsgewinns der Direktbenzineinspritzmotoren und unter Erfüllen der Schadstoffemissionsverpflichtungen dank einer spezifischen Zylinder-zu- Zylinder-Motorregelung zu verbessern.
  • Zu diesem Zweck ist ein Verfahren zur Regelung des Einlasses eines Viertaktmotors mit Direktbenzineinspritzung in wenigstens zwei Brennkammern, das darin besteht, durch einen unterschiedlichen Einlass von Luft und Treibstoff wenigstens zwei Zylinder oder Gruppen von Zylindern unterschiedlich arbeiten zu lassen, wobei der ersten Zylinder oder Zylindergruppe bei einer Fettheit größer oder gleich zur Einheit arbeitet, wobei ein Oxidations-Reduktions-Katalysator einer ersten Zylindergruppe zugeordnet ist und wobei der zweite Zylinder oder Zylindergruppe bei Magergemisch arbeitet, um den Verbrauch unter Verminderung der Auspuffschadstoffemissionen zu verhindern, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Teil wenigstens der Auspuffgase des ersten Zylinders oder Zylindergruppe zum allgemeinen Einlass des Motors rezykliert.
  • Im Übrigen ordnet man einen Hauptkatalysator dem Auspuff des zweiten Zylinders oder Zylindergruppe zu.
  • Gemäß einer speziellen Anordnung der Erfindung ordnet man den Hauptkatalysator hinter dem Oxidations-Reduktions-Katalysator und am Ausgang des Auspuffs des zweiten Zylinders oder Zylindergruppe an.
  • Interesswanterweise rezykliert man einen Teil wenigstens der Auspuffgase des ersten Zylinders oder Zylindergruppe zum allgemeinen Einlass des Motors.
  • Spezieller werden die rezyklierten Auspuffgase vor einem Mittel zur Behandlung der Gase aufgenommen, das mit dem ersten Zylinder oder Zylindergruppe verbunden ist.
  • Andere Merkmale, Details, Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der Beschreibung, welche folgt und veranschaulichend gemacht wird und keinesfalls begrenzend in Bezug auf die angefügten Figuren klarer werden, darunter:
  • - die Fig. 1 ist ein vereinfachtes Schema einer Ausführungsform der Erfindung; und
  • - die Fig. 2 ist ein vereinfachtes Schema einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
  • Die Fig. 1 zeigt schematisch einen Motor 1, der vier Zylinder 21, 22, 23, 24 umfasst, welcher jeder einen Lufteinlass 31, 32, 33, 34 hat.
  • Gemäß der Erfindung teilt man die Einlässe in wenigstens zwei unabhängige Gruppen, welche jede ihr eigenes System 4, 5 zur Regelung des Luftdurchsatzes hat.
  • Für einen Motor wie in Fig. 1 dargestellt, d. h. mit vier Zylindern, kann man zum Beispiel die Einlässe von zwei Zylindern 22 und 23 in einem ersten Plenum 4 und die Einlässe der zweiten anderen Zylindern 21, 24 in einem zweiten Plenum 5 vereinen.
  • So besteht die Erfindung bei Betrieben mit Teillasten darin, die erste Gruppe von Zylindern 22, 23 bei einer Fettheit nahe der Stöchiometrie, sogar bei einer Stöchiometrie über der Einheit arbeiten zu lassen; für die zweite Gruppe von Zylindern 21, 24 wird ein geschichteter Einlass mit einem vollen Lufteintritt gleichzeitig vorgesehen.
  • So kann ein beträchtlicher Gewinn beim Verbrauch aufgrund der Tatsache der geschichteten Verbrennung in der zweiten Gruppe von Zylindern erhalten werden.
  • Im übrigen kann der Auslass der verschiedenen Zylinder in folgender Weise organisiert werden:
  • Die erste Gruppe von Zylindern 22, 23 weist entweder einen gemeinsamen Auslass oder jede eine Leitung 6, 7 auf, wobei sich die Leitungen schließlich genau vor einem ersten Mittel zur Behandlung der Gase 8 wie einem an sich bekannten Dreiwegekatalysator vereinen.
  • Der Auslass der zweiten Gruppe von Zylindern 21, 24 kann aus zwei Leitungen 9, 10 bestehen, wobei jede zu einem Zylinder gehört und welche sich schließlich in einer Zone 11 vereinen.
  • Vorzugsweise ist die Zone 11 hinter dem ersten Behandlungsmittel der Gase 8 und vor dem zweiten Behandlungsmittel der Gase 12, im folgenden des Textes Hauptkatalysator genannt, gelegen.
  • Mit einer solchen Auslassanordnung ist es möglich, eine konventionelle Entgiftung der durch die erste Gruppe von Zylindern 22, 23 ausgestoßenen Gase dank eines ersten Katalysators 8 zu erhalten.
  • Zu diesem Vorteil kommt ein Gewinn beim Verbrauch, der dank der zweiten Gruppe von Zylindern erhalten wird, welche im geschichteten Modus mit einem sehr mageren Gemisch arbeitet.
  • Eine solche Zylinder-zu-Zylinder- und vor allem Zyklus-zu-Zyklus-Regelung der Einspritzung wurde möglich dank der Direktbenzineinspritzung in die Zylinder, welche vor allem alle Regelungsprobleme der Fettheit entfernt, die der Befeuchtung der Wände verbunden sind.
  • Im übrigen kann gemäß der Erfindung die Gesamtmotorlast nicht gleichmäßig zwischen den Gruppen von Zylindern verteilt werden.
  • Es ist so möglich, die Charge bzw. Beschickung über die im geschichteten Modus arbeitenden Zylinder zu minimieren, welche bereits eine gute Leistung besitzen, und die Beschickung auf den Zylindern 22, 23, welche bei der Stöchiometrie arbeiten, zu erhöhen, um die Leistung unter Herabsetzen der Niederdruckschleife des Motordiagramms (Druck, Volumen) zu verbessern.
  • Um den Katalysator 8 beim Starten des Fahrzeugs schnell zu starten, ist es im übrigen möglich, die erste Gruppe von Zylindern 22, 23 bei einer Fettheit stark über 1 arbeiten zu lassen. Dies ermöglicht es, die Stickoxidemissionen des Motors zu minimieren, aber vor allem Wasserstoffemissionen zu erzeugen, welche es ermöglichen werden, den Hauptkatalysator 12, der hinter dem Katalysator 8 angeordnet ist, schnell zu starten.
  • Anders ausgedrückt versucht man gemäß der Erfindung, eine eher magere mittlere Fettheit auf dem Hauptkatalysator unter Kombination eines Betriebs der ersten Gruppe von Zylindern 22, 23 bei einer Fettheit stark über 1, um Wasserstoff zu erzeugen, mit Betrieb der zweiten Gruppe von Zylindern 21, 24 bei sehr magerem Gemisch (geschichtete Verbrennung) zu erhalten, um den notwendigen Sauerstoff zum Starten des Hauptkatalysators 12 zuzuführen. Gemäß diesem Betrieb schließt die Zone 11 daher ein vorwiegend mageres Gemisch ein. Eine Fettheit unter etwa 0,7 wird gewöhnlich jene des Betriebs der zweiten Zylindergruppe 21, 24 sein.
  • Um genauer zu sein, behandelt der Hauptkatalysator 12 im Wesentlichen die Gase aus der zweiten Gruppe von Zylindern.
  • Die Fig. 2 veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung, welche die gleichen Elemente umfasst, wie jene, welche in Bezug mit der Fig. 1 beschrieben werden. Darüber hinaus ist eine Leitung 13 gemäß dieser Ausführungsform vorgesehen. Die Leitung 13 mündet einerseits auf dem gemeinsamen Ausgang der Auslasse 6, 7 der ersten Zylindergruppe und andererseits auf dem Niveau des zu allen Zylindern gemeinsamen Einlasses 14. Es handelt sich daher um eine Leitung rezyklierter Gase, welche es ermöglicht, Auspuffgase zu entnehmen, die durch die Zylinder 22, 23 mit der höchsten Betriebsfettheit ausgestoßen werden und diese Gase zum Einlass zurückzuführen.
  • Die Wahl des Entnahmepunktes der rezyklierten Gase ermöglicht es vorteilhaft, den Durchsatz der Gase zum Einlass zu minimieren, da am gewählten Punkt die Auspuffgase die kohlendioxidreichsten sind (CO&sub2;).
  • Ein Abzweigen in die Zone 11 zum Beispiel wäre unter diesen Gesichtspunkt viel weniger interessant.
  • Wohlgemerkt ist die vorliegende Erfindung nicht nur auf Motoren mit Zylindern wie oben beschrieben anwendbar. Insbesondere die Sechszylindermotoren mit jeweils zwei Gruppen von drei Zylindern können gemäß der Erfindung eingesetzt werden. Ebenso müssen die Gruppen von Zylindern nicht jede die gleiche Anzahl von Zylindern umfassen.

Claims (5)

1. Verfahren zur Regelung des Einlasses eines Viertaktmotors mit Direktbenzineinspritzung in wenigstens zwei Brennkammern, das darin besteht, durch einen unterschiedlichen Einlass von Luft und Treibstoff wenigstens zwei Zylinder oder Gruppen von Zylindern unterschiedlich arbeiten zu lassen, wobei der ersten Zylinder oder Zylindergruppe (22, 23) bei einer Fettheit größer oder gleich zur Einheit arbeitet, wobei ein Oxidations-Reduktions-Katalysator (8) einer ersten Zylindergruppe zugeordnet ist und wobei der zweite Zylinder oder Zylindergruppe (21, 24) bei Magergemisch arbeitet, um den Verbrauch unter Verminderung der Auspuffschadstoffemissionen zu verhindern, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Teil wenigstens der Auspuffgase des ersten Zylinders oder Zylindergruppe zum allgemeinen Einlass (14) des Motors rezykliert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Hauptkatalysator (12) dem Auspuff des zweiten Zylinders oder Zylindergruppe (21, 24) zuordnet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man den Hauptkatalysator (12) hinter dem Oxidations-Reduktions-Katalysator (8) und hinter einer Zone (11) anordnet, wo sich die Auspuffe des ersten und des zweiten Zylinders oder Zylindergruppe (21, 24) wieder vereinen.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die rezyklierten Auspuffgase vor einem Mittel (8) zur Behandlung der Gase aufgenommen werden, das mit dem ersten Zylinder oder Zylindergruppe (22, 23) verbunden ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zylindergruppe bei einer Fettheit unter oder gleich 0,7 arbeitet.
DE69719443T 1996-10-28 1997-10-15 Verfahren zur Steuerung des Einlasses einer Viertaktbrennkraftmaschine mit Direkteinspritzung Expired - Lifetime DE69719443T2 (de)

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