EP1540153A1 - Brennkraftmaschine mit gasfördersystem und betriebsverfahren hierfür - Google Patents

Brennkraftmaschine mit gasfördersystem und betriebsverfahren hierfür

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Publication number
EP1540153A1
EP1540153A1 EP03798145A EP03798145A EP1540153A1 EP 1540153 A1 EP1540153 A1 EP 1540153A1 EP 03798145 A EP03798145 A EP 03798145A EP 03798145 A EP03798145 A EP 03798145A EP 1540153 A1 EP1540153 A1 EP 1540153A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pump
internal combustion
combustion engine
turbine
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03798145A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Normann Freisinger
Thorsten HERGEMÖLLER
Roland Kemmler
Hans-Georg Lehmann
Martin Matt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Publication of EP1540153A1 publication Critical patent/EP1540153A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/22—Control of additional air supply only, e.g. using by-passes or variable air pump drives
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01N3/30—Arrangements for supply of additional air
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/021—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine
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    • F02D41/024—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine in relation with the state of the exhaust gas treating apparatus to increase temperature of the exhaust gas treating apparatus
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    • F02D41/06—Introducing corrections for particular operating conditions for engine starting or warming up
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02D9/00—Controlling engines by throttling air or fuel-and-air induction conduits or exhaust conduits
    • F02D9/02—Controlling engines by throttling air or fuel-and-air induction conduits or exhaust conduits concerning induction conduits
    • F02D2009/0201—Arrangements; Control features; Details thereof
    • F02D2009/0279—Throttle valve control for intake system with two parallel air flow paths, each controlled by a throttle, e.g. a resilient flap disposed on a throttle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D2009/0201—Arrangements; Control features; Details thereof
    • F02D2009/0283—Throttle in the form of an expander
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine with a gas delivery system with the features of the preamble of claim 1 and an operating method therefor with the features of the preamble of claim 12.
  • the gas delivery system includes a turbine drivable by an air stream and a pump driven by the turbine that can deliver gas into the exhaust system.
  • This gas delivery system is used at the start of the internal combustion engine to supply secondary air to the exhaust system so that unburned fuel components can be oxidized.
  • the released heat of combustion is used to heat up the exhaust gas purification system, which means it is quicker to operate.
  • the turbine is driven by an air flow which is caused by a pressure drop present in the intake line above a throttle element.
  • the object of the invention is to specify an internal combustion engine with a gas delivery system and an operating method therefor with which low-emission internal combustion engine operation and good utilization of the gas delivery system are made possible.
  • the internal combustion engine according to the invention is characterized in that, when the internal combustion engine is started, its fuel injection quantity can be set as a function of the delivery rate of the pump. Fuel injection preferably takes place only when a minimum delivery rate of the pump is reached, so that the start of fuel injection is dependent on the delivery rate of the pump. It is thereby achieved that sufficient secondary air can be added to the exhaust system at the start of fuel injection by means of the pump in order to be able to re-oxidize unburned fuel residues. When post-oxidations occur, incompletely burned fuel is oxidatively converted. The heat of reaction released quickly brings the exhaust gas purification system up to operating temperature, especially downstream of the secondary air addition point. Effective exhaust gas cleaning can thus be achieved quickly.
  • harmful hydrocarbon emissions can be reduced in the start-up phase.
  • the start of fuel injection is not coordinated with the delivery rate of the pump and, for example, fuel is injected into the combustion chambers of the internal combustion engine before the pump has a minimum delivery rate, the unburned fuel in the exhaust system does not have sufficient air oxygen as a reaction partner for post-oxidation, so that more or less large amounts of HC are emitted.
  • the air / fuel ratio ( ⁇ ) required for post-oxidation is too high, and post-oxidation cannot take place either. The consequence is that the catalytic converters start up late, so that pollutants are emitted over a relatively long time.
  • the turbine can be driven by a partial flow of the combustion air sucked in by the internal combustion engine via the intake line, the partial flow being caused by a pressure gradient present above the throttle element.
  • the rotational speed of the internal combustion engine can be set before the start of fuel injection by controlling the internal combustion engine or by controlling an auxiliary unit assigned to the internal combustion engine.
  • the speed of the internal combustion engine is preferably increased at the start of the starting process. This enables the internal combustion engine to quickly empty the intake manifold area and the intake manifold pressure to drop rapidly. The air mass drawn in per intake stroke thus decreases rapidly, so that an air / fuel ratio which is favorable for the operation of the internal combustion engine and for post-oxidation can be set at the start of the fuel injections. If the turbine of the gas delivery system is driven by the pressure gradient present above the throttle element in the intake manifold, the pump according to the invention also quickly achieves a sufficient delivery rate.
  • the throttle element in the intake line can be set as a function of a pressure in the intake line.
  • the throttle element can be adjusted so that the turbine of the gas delivery system rapidly increases speed. The pump also quickly achieves a sufficient delivery rate.
  • the turbine can be driven by an air flow which is generated by a gas conveying unit which is arranged in the turbine inlet line or in the turbine outlet line or is connected to the turbine inlet line or to the turbine outlet line.
  • the gas delivery unit is designed as an electrically driven gas delivery unit.
  • the electrical drive of the gas delivery unit permits precise control of this unit and thus of the entire gas delivery system.
  • the gas delivery unit is designed as an evacuable gas container arranged in the turbine outlet line.
  • the evacuated gas container is opened, air is drawn into the container via the turbine and the turbine is driven with it.
  • the measure according to the invention therefore enables one of the Differential pressure across the throttle element independent operation of the gas delivery system.
  • the gas flow conveyed by the pump can be set as a function of an air / fuel ratio in the exhaust system.
  • the conveyed gas stream is preferably set so that advantageous conditions for the post-oxidation exist downstream of the secondary air addition point.
  • the setting is preferably carried out in such a way that a ⁇ value of approximately 1.2 is set.
  • the gas flow delivered by the pump can be fed to an exhaust manifold assigned to the exhaust system and / or directly to a catalytic converter assigned to the exhaust system.
  • Secondary air can thus be made available to the exhaust gas purification system where there are favorable conditions with regard to the occurrence of post-oxidation.
  • the secondary air is preferably supplied to the exhaust manifold. If the internal combustion engine is operated rich after the starting process, secondary air can be added to the input of a catalytic converter installed in the underbody position to oxidize the unburned exhaust gas components.
  • exhaust gas can be supplied to the pump via the pump inlet line, and the exhaust gas flow conveyed by the pump can be supplied to the intake line. Exhaust gas recirculation is thus implemented by the gas delivery system. In addition to the secondary air supply, which is mainly carried out in the starting phase, the gas delivery system therefore fulfills another task and is therefore better utilized.
  • a vacuum container connected via the pump inlet line can be evacuated from the pump.
  • the vacuum generated by the pump in the vacuum tank can be used to drive servo units be used.
  • the gas delivery system thus fulfills another task and is better used.
  • the method according to the invention is characterized in that the fuel injection quantity is set as a function of the delivery capacity of the pump when the internal combustion engine is started. Fuel injection is preferably started when the pump has reached a minimum delivery rate. This ensures that no unburned fuel components get into the exhaust system without at the same time providing atmospheric oxygen for their post-oxidation. By adapting the fuel injection quantity to the delivery capacity of the pump, the ⁇ value in the exhaust manifold is optimal for post-oxidation.
  • the throttle element is kept largely closed during the starting process before the start of fuel injection and is only opened after a minimum delivery rate of the pump has been reached. This ensures that conditions in the exhaust system are achieved very quickly, which enable effective post-oxidation of unburned fuel components.
  • the speed of the internal combustion engine is increased during the starting process before the start of fuel injection.
  • the air present in the intake manifold can be drawn off quickly, so that favorable ⁇ values are very quickly available both for the operation of the internal combustion engine and in the exhaust system.
  • the starting speed can be increased by reducing the compression work of the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine is preferably throttled, ie the exhaust valves remain open for a certain period or fully during the compression cycle. It is also advantageous to switch off or disconnect from Auxiliary units which are driven by the internal combustion engine.
  • the turbine is driven at least temporarily by an air flow which is conveyed by a gas delivery unit which is arranged in the turbine inlet line or the turbine outlet line or is connected to the turbine inlet line or the turbine outlet line.
  • a gas delivery unit which is arranged in the turbine inlet line or the turbine outlet line or is connected to the turbine inlet line or the turbine outlet line.
  • the air flow delivered by the pump is set as a function of an air / fuel ratio in the exhaust system. This ensures that favorable conditions are created for the desired post-reactions and post-reactions can thus proceed in the desired manner.
  • a ⁇ value of 1.2 is preferably set in the exhaust manifold.
  • one of at least two addition points is selected at which the air flow conveyed by the pump is added to the exhaust gas. Due to the fact that secondary air can be supplied to the exhaust system at at least two points, it is possible to react flexibly to the conditions in the exhaust system, which primarily depend on the operating state of the internal combustion engine.
  • a definable part of the exhaust system is cooled with the air flow conveyed by the pump if a predefinable threshold value for a temperature in the exhaust system is exceeded.
  • the gas delivery system additionally fulfills a cooling function, as a result of which it is better utilized, the exhaust system can be operated more reliably, and other cooling measures can be dispensed with.
  • exhaust gas is at least temporarily removed from the exhaust system by the pump and fed to the intake line.
  • the exhaust gas flow supplied to the intake line is preferably set as a function of the operating state of the internal combustion engine.
  • the gas delivery system thus fulfills an exhaust gas recirculation function, so that the exhaust gas recirculation can be designed independently of the pressure conditions in the exhaust system and in the intake system of the internal combustion engine.
  • the exhaust gas recirculation quantity can be adjusted as required by the dependency on the operating state.
  • a vacuum container assigned to the internal combustion engine is evacuated from the pump via the pump inlet line to operate a vacuum-operated servo system.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of an embodiment of the internal combustion engine according to the invention with a gas delivery system
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram of a further embodiment of the internal combustion engine according to the invention with a gas delivery system
  • 3 shows a schematic block diagram of a further embodiment of the internal combustion engine according to the invention with a gas delivery system
  • FIG. 4 shows a schematic block diagram of a further embodiment of the internal combustion engine according to the invention with a gas delivery system
  • FIG. 5 shows a schematic block diagram of a further embodiment of the internal combustion engine according to the invention with a gas delivery system.
  • an internal combustion engine 1 exemplarily designed as a four-cylinder, reciprocating piston engine with spark ignition, hereinafter referred to simply as an engine, with an associated gas delivery system, intake system and exhaust system.
  • the engine 1 draws in air via the intake line 2 with a throttle element 6 arranged therein and releases exhaust gas to the environment via the exhaust manifold 3 and the connected exhaust line 4.
  • a catalytic converter 5, hereinafter abbreviated as a catalytic converter, for exhaust gas purification is arranged in the exhaust line 4.
  • the catalytic converter is designed here as a starting catalytic converter arranged close to the engine.
  • a gas delivery system is assigned to the engine 1, which comprises a turbine 7 and a pump 8. The pump 8 can be driven by the turbine 7 via a drive shaft.
  • a turbine inlet line 9 is connected to the turbine 7 on the inlet side and a turbine outlet line 10 is connected on the outlet side.
  • the respective other end of the lines 9, 10 is connected upstream or downstream of the throttle element 6 to the intake line 2, so that the turbine 7 is connected in parallel to the throttle element.
  • the air flow conveyed by the turbine 7 can be regulated by a controllable valve 20 in the turbine outlet line 10.
  • a pump inlet line 11, which is connected here to the environment, is connected to the pump on the input side. On the outlet side there is a places 13, 14 in the exhaust manifold 3, or in the exhaust line 4 branching pump outlet line 12 connected to the pump.
  • the engine 1 is also assigned an unspecified injection system for injecting fuel, either directly into the combustion chambers of the engine 1 or into the intake area of the individual cylinders. Furthermore, the engine 1 has an engine control unit (not shown) for controlling or regulating the operation of the engine 1 and the systems associated with the engine 1. For this purpose, various sensors and measuring sensors, not shown, such as pressure sensors, an air mass meter in the intake line 2 and exhaust gas and temperature sensors in the exhaust line 4 are arranged in the intake system and in the exhaust system. The signals from the sensors are recorded and evaluated by the engine control unit. A starter (not shown) is also assigned to engine 1, the operation of which initiates the starting process and maintains it until autonomous engine operation.
  • the gas delivery system is used to achieve a low-emission start or warm-up of the engine 1. It is essential for this that the catalytic converter 5 arranged in the exhaust gas line 4 reaches sufficient effectiveness as quickly as possible, ie its so-called light-off temperature.
  • the engine is operated with a rich air / fuel ratio from a specific point in time of the starting process and the reducing constituents in the rich exhaust gas thus obtained are burned upstream of the catalytic converter 5 by post-oxidation.
  • the air / fuel ratio of the mixture supplied to engine 1 is referred to as engine ⁇ or ⁇ M.
  • the combustion heat released during the post-oxidation heats the catalytic converter 5, so that it quickly performs its cleaning function can meet.
  • the exhaust gas receives the oxygen content necessary for the post-oxidation to take place.
  • the supply of secondary air takes place via the pump 8 driven by the turbine 7.
  • a switching unit (not shown) in the pump outlet line 12
  • the addition point 13 in the exhaust gas collector 3 is released for the secondary air additions and the addition point 14 is shut off.
  • the pressure gradient present above the throttle element 6, which is caused by the flow of the air drawn in by the engine 1, is used to drive the turbine. This pressure drop acts via the turbine inlet line 9 and the turbine outlet line 10 and therefore causes an air flow through the turbine 7 and thus a drive of the turbine 7 and the coupled pump 8.
  • the prerequisite for the post-oxidation to occur is the presence of a flammable mixture.
  • the aim is to start the post-oxidations as early as possible when starting the engine 1.
  • the fuel injection quantity is set as a function of the delivery capacity of the pump 8 during the starting process.
  • no fuel is initially injected at the start of the starting process, since at this point in time the pump 8 is still not delivering any secondary air.
  • the reason for this is that the pressure drop across the throttle element 6 is initially still missing or too low.
  • the speed of the engine 1 is typically comparatively low during the starting process, typically around 200 rpm, the build-up of a pressure drop over the throttle element takes place comparatively slowly.
  • the throttle element is set as a function of the negative pressure present in the intake line 2 downstream of the throttle element 6.
  • the throttle element is completely closed.
  • the fuel injection is preferably only started when the pump 8 has reached a minimum delivery rate, which can be determined, for example, with the aid of a speed sensor on the pump 8.
  • the time period from the start of the starter actuation to the start of fuel injection can advantageously also be set in a time-controlled manner.
  • a table stored in the engine control unit can be used, in which the time periods until the start of the fuel injection are stored.
  • the coolant temperature of the engine 1 or the ambient temperature can also be taken into account.
  • An ignitable mixture is thus present in the combustion chambers of engine 1 and engine 1 can continue to run without starter support.
  • the engine speed, the amount of air sucked in and the pressure drop across the throttle element 6 increase.
  • the throttle element 6 is opened when a predeterminable vacuum value is reached.
  • the amount of secondary air conveyed by the pump 8 into the exhaust manifold 3 is controlled using the Adjustment valve 20 in the turbine outlet line 10 limited so that favorable conditions result in the exhaust manifold 3 for the course of post-oxidations.
  • the time period until a sufficient amount of secondary air is delivered can be shortened even further if the starting speed of the engine 1 is increased during the starting process.
  • This is achieved according to the invention by reducing the compression work of the engine 1. With a variable compression ratio, this is reduced in the starting phase of the starting process. It is also advantageous to dethrottle the engine 1 by opening the exhaust valves in the compression cycle. It is also advantageous to temporarily disconnect auxiliary units that are driven by engine 1. For example, a generator or a coolant pump can be disconnected. This reduces the mechanical power loss of the engine 1 and the speed during the starting process is increased.
  • the starting process can be regarded as ended and the secondary air addition into the exhaust gas collector 3 is ended.
  • the secondary air additions can be terminated by closing the adjusting valve 20 or closing a switching means (not shown) in the pump outlet line 12.
  • the gas delivery system is used to reduce emissions when the engine 1 is operating richly outside the starting process, for example when accelerating. g or at full load. Under these conditions, there is a sufficient pressure drop across the throttle element to operate the turbine 7.
  • secondary air is fed into the exhaust gas from the pump 8 at the addition point 14 of a catalyst 5, which in this case is preferably arranged remote from the engine.
  • An exhaust gas ⁇ of about ⁇ A 1.0 is set. Under these conditions, reducing exhaust gas constituents are oxidized by the catalytic converter 5 and pollutant reduction is achieved even during acceleration or full load operation.
  • the gas delivery system is used to cool part of the exhaust system.
  • comparatively cool ambient air can be blown into the air gap of an air-gap-insulated exhaust manifold or catalytic converter housing by the pump 8.
  • This function of the gas delivery system is preferably activated when a decisive temperature in the exhaust system is exceeded. Overheating or damage to the exhaust system is thus avoided and the function of cleaning-effective components is maintained.
  • Fig. 2 shows schematically the arrangement of the engine 1 and the gas delivery system in a further preferred embodiment.
  • the designation of components with the same effect corresponds to that in FIG. 1.
  • a further gas delivery unit is assigned to the gas delivery system here.
  • This is designed as an electrically driven air pump 15, which is connected to a branch of the turbine inlet line 9.
  • a shutoff valve 21 is provided in the turbine inlet line 9, with which the connection to Intake line 2 can be shut off upstream of the throttle element 6. With the help of the air pump 15, the turbine 7 can be started more quickly when the engine 1 is started.
  • the shutoff valve 21 is closed at the start of the starting process, the valve 20 is opened and the air pump is switched on.
  • FIG. 3 schematically shows the arrangement of the engine 1 and the gas delivery system in a further preferred embodiment.
  • the designation of components with the same effect corresponds to that in FIG. 1.
  • a further gas delivery unit is assigned to the gas delivery system , This is designed as an evacuable gas container 16, which is arranged in a secondary branch of the turbine outlet line 10.
  • the gas container can be shut off on the inlet or outlet side with a shut-off valve 22 or 23.
  • the turbine 7 can be started more quickly during the starting process of the engine 1.
  • the shutoff valve 22 is opened on the inlet side of the evacuated gas container 16 at the start of the starting process.
  • the valves 20 and 23 remain closed.
  • valve 23 is opened and the valve 22 closed during normal engine operation.
  • the gas container 16 can be sufficiently evacuated for a new starting process.
  • FIG. 4 schematically shows the arrangement of the engine 1 and the gas delivery system in a further preferred embodiment.
  • the designation of components having the same effect corresponds to that in FIG. 1.
  • the gas delivery system has a branch of the pump inlet line 11 which is provided with a valve 24 and which is connected to the exhaust line 4 stands .
  • the part of the pump inlet line 11 which is connected to the environment can also be shut off by the valve 25 arranged therein.
  • a branch of the pump outlet line 12 leading downstream of the throttle element 6 into the intake line 2 is provided. This branch can also be shut off by the adjustable valve 26.
  • exhaust gas can be delivered by the pump 8 at the addition point 18 into the intake line 2 during normal engine operation.
  • the valve 24 is opened and the valve 25 is closed.
  • the valve 26 is opened in accordance with the exhaust gas recirculation rate to be implemented.
  • the pump 8 is driven by the air flow via the turbine 7 caused by the differential pressure across the throttle element 6.
  • a higher exhaust gas recirculation rate can be achieved with the embodiment of FIG. 4. The reason for this is the active exhaust gas delivery realized by the pump 8. All other functions of the gas delivery system are present analogously to the embodiment in FIG. 1.
  • FIG. 5 schematically shows the arrangement of the engine 1 and the gas delivery system in a further preferred embodiment.
  • the pump inlet line 11 is here at one evacuable gas container 17 connected.
  • a connection to the environment that can be shut off via a valve 27 continues to exist.
  • the pump 8 can evacuate the gas tank during normal engine operation.
  • the valve 27 is closed.
  • the air drawn off from the gas container 17 can be supplied to the exhaust gas via the pump outlet line 12 or via a branch, not shown, are released to the environment.
  • vacuum-operated servo systems which are not specified here and which are connected to the gas container 17 can be operated. All other functions of the gas delivery system are present analogously to the embodiment in FIG. 1.

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Abstract

1. Brennkraftmaschine mit Gasfördersystem und Betriebsverfahren hierfür. 2.1. Es wird eine Brennkraftmaschine (1) mit einem Gasfördersystem mit einer durch einen Luftstrom antreibbaren Turbine (7) und einer durch die Turbine (7) antreibbaren Pumpe (8), mit welcher dem Abgassystem (3, 4, 5) Gas zugeführt werden kann, sowie ein Betriebsverfahren hierfür vorgeschlagen. 2.2. Erfindungsgemäss wird bei einem Startvorgang der Brennkraftmaschine (1) deren Kraftstoffeinspritzmenge in Abhängigkeit von der Förderleistung der Pumpe (8) eingestellt. 2.3. Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Personenkraftwagen einem Verbrennungsmotor mit Kraftstoffeinspritzung.

Description

DaimlerChrysler AG
Brennkraftmaschine mit Gasfördersystem und Betriebsverfahren hierfür
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Gasfördersystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Betriebsverf hren hierfür mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 12.
Aus der US-Patentschriftschrift US 6,094,909 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Gasfördersystem bekannt . Das Gasfördersystem umfasst eine von einem Luftstrom antreibbare Turbine und eine durch die Turbine angetriebene Pumpe, die Gas in das Abgassystem fördern kann. Dieses Gasfδrdersystem wird beim Start der Brennkraftmaschine eingesetzt, um Sekundärluft dem Abgassystem zuzuführen damit unverbrannte Kraftstoffbestandteile oxidiert werden können. Die freigesetzte Verbrennungswärme dient der Aufheizung des Abgas- reinigungssystems, das damit rascher betriebsf hig ist. Die Turbine wird durch einen Luftström angetrieben, der durch ein über einem Drosselelement in der Ansaugleitung vorhandenes Druckgefälle hervorgerufen wird. Die Zufuhr von Sekundärluft erfolgt jedoch erst in ausreichendem Umfang, wenn die Turbine bzw. die von ihr angetriebene Pumpe eine ausreichende Drehzahl aufweist, was einige Zeit benötigt, so dass nach dem Start der Brennkraftmaschine nicht sofort vom Gasfördersystem Sekundärluft zur Verfügung gestellt werden kann. Außer für die Förderung von Sekundärluft beim Brennkraftmaschinenstart sind für das Gasfδrdersystem keine weiteren Funktionen vorgesehen. Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Brennkraftmaschine mit einem Gasfördersystem und ein Betriebsverfahren hierfür anzugeben, mit welchen ein emissionsarmer Brennkraftmaschinenbetrieb und eine gute Ausnutzung des Gasfördersystems ermöglicht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst .
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass bei einem Startvorgang der Brennkraftmaschine deren Kraftstoffeinspritzmenge in Abhängigkeit von der Förderleistung der Pumpe einstellbar ist. Vorzugsweise erfolgt erst bei Erreichen einer Mindestförderleistung der Pumpe eine Kraftstoffeinspritzung, so dass der Beginn der Kraftstoffeinspritzung von der Förderleistung der Pumpe abhängig ist. Dadurch wird erreicht, dass dem Abgassystem mit Beginn der Kraftstoffeinspritzung mit Hilfe der Pumpe Sekundärluft in ausreichender Menge zugegeben werden kann, um unverbrannte KraftStoffreste nachzuoxidieren zu können. Mit dem Ablaufen von Nachoxidationen wird unvollständig verbrannter Kraftstoff oxidativ umgesetzt. Die freiwerdende Reaktionswärme bringt das Abgasreinigungssystem, insbesondere stromab der Sekundärluftzugabestelle rasch auf Betriebstemperatur. Somit kann rasch eine wirksame Abgasreinigung erzielt werden. Insbesondere können schädliche Kohlenwasserstoffemissionen (HC-Emissionen) in der Startphase vermindert werden. Wird dagegen der Beginn der Kraftstoffeinspritzung nicht auf die Förderleistung der Pumpe abgestimmt, und beispielsweise Kraftstoff in die Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt, bevor die Pumpe eine Mindestförderleistung aufweist, liegt für unverbrannten Kraftstoff im Abgassystem der für Nachoxidationen notwendige Luftsauerstoff als Reaktionspartner nicht in ausreichendem Maße vor, so dass mehr oder weniger große Mengen HC emittiert werden. Wird dagegen im Verhältnis zur Förderleistung der Pumpe zu wenig Kraftstoff eingespritzt, so ist das für Nachoxidationen erforderliche Luft-/KraftstoffVerhältnis (λ) im Abgassystem zu groß, und Nachoxidationen können ebenfalls nicht ablaufen. Folge ist ein spätes Anspringen der Abgaskatalysatoren, so dass über eine verhältnismäßig lange Zeit Schadstoffe emittiert werden.
In Ausgestaltung der Erfindung ist die Turbine durch einen Teilström der von der Brennkraftmaschine über die Ansaugleitung angesaugten Verbrennungsluft antreibbar, wobei der Teilstrom durch ein über dem Drosselelement vorhandenes Druckgefälle hervorgerufen wird. Durch diese Maßnahme können Zusatzaggregate zum Antrieb der Turbine des Gasfördersystems entfallen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist beim Startvorgang die Drehzahl der Brennkraftmaschine vor Beginn der Kraftstoffeinspritzung durch eine Ansteuerung der Brennkraftmaschine oder durch Ansteuerung eines der Brennkraftmaschine zugeordneten Nebenaggregats einstellbar. Vorzugsweise wird die Drehzahl der Brennkraftmaschine mit Beginn des Start- Vorgangs angehoben. Dies ermöglicht ein rasches Leersaugen des Saugrohrbereiches durch die Brennkraftmaschine und ein rasches Absinken des Saugrohrdrucks. Die je Ansaugtakt angesaugte Luftmasse verringert sich somit rasch, so dass mit Beginn der Kraftstoffeinspritzungen ein für den Brennkraftmaschinenbetrieb und für Nachoxidationen günstiges Luft- /KraftstoffVerhältnis eingestellt werden kann. Wenn die Turbine des Gasfördersystems durch das über dem Drossel- element im Saugrohr vorhandene Druckgefälle angetrieben wird, erreicht durch die erfindungsgemäße Maßnahme die Pumpe zudem rasch eine ausreichende Förderleistung. Folglich kann bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt der Startphase Sekundärluft in ausreichender Menge in das Abgassystem gefördert werden, wodurch wiederum rasch eine effektive Abgasreinigung erfolgen kann. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Drossel- element in der Ansaugleitung in Abhängigkeit von einem Druck in der Ansaugleitung einstellbar. Insbesondere wenn die Turbine des Gasfördersystems durch das über dem Drossel- element im Saugrohr vorhandene Druckgefälle angetrieben wird, kann je nach der von der Brennkraftmaschine angesaugten Luftmenge das Drosselelement so eingestellt werden, dass die Turbine des Gasfördersystems rasch Drehzahl aufnimmt. Damit erreicht die Pumpe ebenfalls rasch eine ausreichende Förderleistung.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Turbine durch einen Luftström antreibbar, welcher von einer Gasfδrdereinheit erzeugt wird, die in der Turbinen- einlassleitung oder in der Turbinenauslassleitung angeordnet ist, bzw. an die Turbineneinlassleitung oder an die Turbinenauslassleitung angeschlossen ist. Mit dieser Maßnahme kann das Hochlaufen der Turbine und damit eine ausreichende Förderleistung der Pumpe unabhängig von dem über dem Drosselelement in der Ansaugleitung anstehenden Differenzdruck erreicht werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Gasfördereinheit als elektrisch angetriebene Gasfördereinheit ausgebildet . Der elektrische Antrieb der Gasfördereinheit gestattet eine genaue Ansteuerung dieser Einheit und damit des gesamten Gasfördersystems.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Gasfδrdereinheit als ein in der Turbinenauslassleitung angeordneter evakuierbarer Gasbehälter ausgebildet . Wird der evakuierte Gasbehälter geöffnet, wird Luft über die Turbine in den Behälter gezogen und die Turbine damit angetrieben. Dabei ist praktisch keine Hilfsenergie aufzuwenden. Die erfindungs- gemäße Maßnahme ermöglicht daher in einfacher Weise einen vom Differenzdruck über dem Drosselelement unabhängigen Betrieb des Gasfördersystems.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der von der Pumpe geförderte Gasstrom in Abhängigkeit eines Luft-/Kraftstoff- Verhältnisses im Abgassystem einstellbar. Der geförderte Gasstrom wird vorzugsweise so eingestellt, dass für die Nachoxidation vorteilhafte Bedingungen stromab der Sekundärluftzugabestelle vorliegen. Vorzugsweise wird die Einstellung so vorgenommen, dass sich ein λ-Wert von etwa 1,2 einstellt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der von der Pumpe geförderte Gasstrom einem dem Abgassystem zugeordneten Abgassammler und/oder direkt einem dem Abgassystem zugeordneten katalytischen Konverter zuführbar. Damit kann dem Abgasreinigungssystem Sekundärluft dort zur Verfügung gestellt werden, wo günstige Bedingungen bezüglich des Ablaufens von Nachoxidationen vorliegen. Beim Brennkraftmaschinenstart wird die Sekundärluft vorzugsweise dem Abgassammler zugeführt . Wird die Brennkraftmaschine nach dem Startvorgang fett betrieben, kann zur Oxidation der unverbrannten Abgasbestandteile Sekundärluft eingangseitig eines in Unterbodenposition eingebauten Katalysators zugegeben werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Pumpe über die Pumpeneinlassleitung Abgas zuführbar, und der von der Pumpe geförderte Abgasstrom ist der Ansaugleitung zuführbar. Damit wird durch das Gasfördersystem eine Abgasrückführung realisiert. Das Gasfördersystem erfüllt demnach neben der hauptsächlich in der Startphase vorgenommenen Sekundärluftzufuhr eine weitere Aufgabe und ist daher besser ausgenutzt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist von der Pumpe ein über die Pumpeneinlassleitung angeschlossener Unterdruckbehälter evakuierbar. Der im Unterdruckbehälter von der Pumpe erzeugte Unterdruck kann zum Antrieb von Servoeinheiten verwendet werden. Das Gasfördersystem erfüllt damit eine weitere Aufgabe und ist besser ausgenutzt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass bei einem Startvorgang der Brennkraftmaschine die Kraftstoffeinspritzmenge in Abhängigkeit von der Förderleistung der Pumpe eingestellt wird. Vorzugsweise wird mit der Kraftstoffeinspritzung begonnen, wenn die Pumpe eine Mindestförderleistung erreicht hat. Dadurch ist gewährleistet, dass keine unverbrannten Kraftstoffbestandteile in das Abgassystem gelangen, ohne dass zugleich zu deren Nachoxidation Luftsauerstoff zur Verfügung gestellt wird. Durch Anpassen der Kraftstoffeinspritzmenge an die Förderleistung der Pumpe wird für einen für Nachoxidationen optimalen λ-Wert im Abgassammler gesorgt.
In Ausgestaltung des Verfahrens wird beim Startvorgang vor dem Beginn der Kraftstoffeinspritzung das Drosselelement überwiegend geschlossen gehalten und erst nach Erreichen einer Mindestförderleistung der Pumpe geöffnet. Dadurch wird erreicht, dass sehr rasch Bedingungen im Abgassystem erreicht werden, welche eine wirksame Nachoxidation von unverbrannten KraftStoffbestandteilen ermöglichen.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Drehzahl der Brennkraftmaschine beim Startvorgang vor dem Beginn der Kraftstoffeinspritzung angehoben. Durch Erhöhung der Startdrehzahl kann die im Saugrohr vorhandene Luft rasch abgezogen werden, so dass sehr rasch sowohl für den Brennkraft- maschinenbetrieb als auch im Abgassystem günstige λ-Werte vorhanden sind. Die Startdrehzahl kann durch eine Verminderung der Kompressionsarbeit der Brennkraftmaschine erhöht werden. Vorzugsweise wird die Brennkraftmaschine entdrosselt, d.h. beim Kompressionstakt bleiben die Auslassventile für eine bestimmte Dauer oder ganz geöffnet. Vorteilhaft ist ferner eine Abschaltung oder Abkopplung von Nebenaggregaten, welche durch die Brennkraftmaschine angetrieben werden.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Turbine wenigstens zeitweise von einem Luftstrom angetrieben, welcher von einer Gasfördereinheit, die in der Turbineneinlassleitung oder der Turbinenauslassleitung angeordnet bzw. an die Turbineneinlassleitung oder die Turbinenauslassleitung angeschlossen ist, gefördert wird. Damit kann ein rasches Hochlaufen der Turbine in der Anlaufphase unabhängig vom Differenzdruck über dem Drosselelement in der Ansaugleitung erreicht werden und somit von der Pumpe sehr rasch Sekundärluft gefördert werden. Die Gasfördereinheit wird vorzugsweise von einer elektrisch betriebenen Pumpe oder von einem Druckbehälter bzw. Unterdruckbehälter gebildet.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird der von der Pumpe geförderte Luftström in Abhängigkeit von einem Luft- /Kraftstoffverhältnis im Abgassystem eingestellt. Damit wird erreicht, dass für die angestrebten Nachreaktionen günstige Bedingungen geschaffen werden und Nachreaktionen somit in der gewünschten Weise ablaufen können. Vorzugsweise wird im Abgassammler ein λ-Wert von 1,2 eingestellt.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine eine von wenigstens zwei Zugabestellen ausgewählt, an welcher der von der Pumpe geförderte Luftstrom dem Abgas zugegeben wird. Durch die Tatsache, dass Sekundärluft an wenigstens zwei Stellen dem Abgassystem zugeführt werden kann, kann flexibel auf die Bedingungen im Abgassystem, welche in erster Linie vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine abhängen, reagiert werden.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird mit dem von der Pumpe geförderten Luftstrom ein festlegbarer Teil des Abgassystems gekühlt, wenn ein vorgebbarer Schwellenwert für eine Temperatur im Abgassystem überschritten wird. Mit dieser Ausgestaltung der Erfindung erfüllt das Gasfördersystem zusätzlich eine Kühlfunktion, wodurch es besser ausgenutzt wird, das Abgassystem zuverlässiger betrieben werden kann, und anderweitige Kühlmaßnahmen entbehrlich werden.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird von der Pumpe wenigstens zeitweise Abgas dem Abgassystem entnommen und der Ansaugleitung zugeführt. Dabei wird der der Ansaugleitung zugeführte Abgasstrom vorzugsweise in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine eingestellt. Damit wird vom Gasfördersystem eine Abgasrückführfunktion erfüllt, so dass die Abgasrückführung unabhängig von den Druckverhältnissen im Abgassystem und im Ansaugsystem der Brennkraftmaschine gestaltet werden kann. Durch die Abhängigkeit vom Betriebszustand kann die Abgasrückführmenge bedarfsgerecht eingestellt werden.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird ein der Brennkraftmaschine zugeordneter Unterdruckbehälter zum Betrieb eines unterdruckbetriebenen Servosystems von der Pumpe über die Pumpeneinlassleitung evakuiert . Durch diese weitere Funktion des Gasfördersystems kann aus diesem System zusätzlicher Nutzen gezogen werden, und eine bauteilemäßige Vereinfachung erreicht werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen und zugehörigen Beispielen näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 Fig. 1 ein schematisches Blockbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Gasfördersystem,
Fig. 2 ein schematisches Blockbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Gasfördersystem, Fig. 3 ein schematisches Blockbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Gasfördersystem,
Fig. 4 ein schematisches Blockbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Gasfδrdersystem,
Fig. 5 ein schematisches Blockbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Gasfördersystem.
In Fig. 1 ist eine hier beispielhaft als vierzylindriger, Hubkolbenmotor mit Fremdzündung ausgeführte Brennkraftmaschine 1, im Folgenden vereinfachend als Motor bezeichnet, mit zugeordnetem Gasfördersystem, Ansaugsystem und Abgassystem dargestellt. Der Motor 1 saugt beim Betrieb Luft über die Ansaugleitung 2 mit einem darin angeordneten Drosselelement 6 an und gibt Abgas über den Abgassammler 3 und die angeschlossene Abgasleitung 4 an die Umgebung ab. In der Abgas- leitung 4 ist ein katalytischer Konverter 5, im Folgenden abkürzend als Katalysator bezeichnet, zur Abgasreinigung angeordnet. Der Katalysator ist hier als motornah angeordneter Startkatalysator ausgebildet. Dem Motor 1 ist ein Gasfördersystem zugeordnet, welches eine Turbine 7 und eine Pumpe 8 umfasst. Die Pumpe 8 ist über eine Antriebswelle von der Turbine 7 antreibbar. An die Turbine 7 ist einlassseitig eine Turbineneinlassleitung 9 und auslassseitig eine Turbinenauslassleitung 10 angeschlossen. Das jeweils andere Ende der Leitungen 9, 10 ist stromauf, bzw. stromab des Drossel- elements 6 an die Ansaugleitung 2 angeschlossen, so dass die Turbine 7 parallel zum Drosselelement geschaltet ist. Der von der Turbine 7 geförderte Luftstrom kann dabei von einem regelbaren Ventil 20 in der Turbinenauslassleitung 10 geregelt werden. An die Pumpe ist eingangsseitig eine hier mit der Umgebung in Verbindung stehende Pumpeneinlassleitung 11 angeschlossen. Auslassseitig ist eine sich zu den Zugabe- stellen 13, 14 im Abgassammler 3, bzw. in der Abgasleitung 4 verzweigende Pumpenauslassleitung 12 an die Pumpe angeschlossen.
Dem Motor 1 ist ferner ein nicht näher angegebenes Einspritzsystem zur Einspritzung von Kraftstoff, entweder direkt in die Brennräume des Motors 1 oder in den Einlassbereich der einzelnen Zylinder, zugeordnet. Ferner verfügt der Motor 1 über ein nicht dargestelltes Motorsteuergerät zur Steuerung bzw. Regelung des Betriebs des Motors 1 und der dem Motor 1 zugeordneten Systeme. Hierfür sind im Ansaugsystem und im Abgassystem verschiedene nicht dargestellte Sensoren und Messaufnehmer, wie beispielsweise Drucksensoren, ein Luftmassenmesser in der Ansaugleitung 2 und Abgas- und Temperatursensoren in der Abgasleitung 4, angeordnet. Die Signale der Sensoren werden vom Motorsteuergerät erfasst und ausgewertet. Dem Motor 1 ist weiter ein nicht dargestellter Anlasser zugeordnet, dessen Betrieb den Startvorgang einleitet und bis zum autarken Motorbetrieb aufrechterhält .
Nachfolgend wird die Betriebsweise der in Fig. 1 dargestellten Anlage erläutert.
In einem ersten Einsatzgebiet wird das Gasfördersystem zur Erreichung eines emissionsarmen Starts bzw. Warmlaufs des Motors 1 eingesetzt. Hierfür ist wesentlich, dass der in der Abgasleitung 4 angeordnete Katalysator 5 möglichst rasch eine ausreichende Wirksamkeit, d.h. seine sogenannte Anspringtemperatur, erreicht. Zu diesem Zweck wird der Motor ab einem bestimmten Zeitpunkt des Startvorgangs mit fettem Luft- /Kraftstoffverhältnis betrieben und die reduzierenden Bestandteile im dabei erhaltenen fetten Abgas durch eine Nachoxidation stromauf des Katalysators 5 verbrannt. Im Folgenden wird das Luft-/Kraftstoffverhältnis des dem Motor 1 zugeführten Gemisches als Motor-λ bzw. λM bezeichnet. Die bei der Nachoxidation frei werdende Verbrennungswärme erwärmt den Katalysator 5, so dass dieser rasch seine Reinigungsfunktion erfüllen kann. Durch Zufuhr von Sekundärluft erhält das Abgas den für das Ablaufen der Nachoxidation notwendigen Sauerstoffanteil . Die Zufuhr von Sekundärluft erfolgt über die von der Turbine 7 angetriebene Pumpe 8. Durch Betätigung einer nicht dargestellten Schalteinheit in der Pumpenauslassleitung 12 wird die Zugabestelle 13 im Abgassammler 3 für die Sekundärluftzugäbe freigegeben und die Zugabestelle 14 abgesperrt . Zum Antrieb der Turbine wird das über dem Drosselelement 6 vorhandene Druckgefälle genutzt, welches von der Strömung der vom Motor 1 angesaugten Luft hervorgerufen wird. Dieses Druckgefälle wirkt über die Turbineneinlassleitung 9 und die Turbinenauslassleitung 10 und verursacht daher eine Luftströmung über die Turbine 7 und damit einen Antrieb der Turbine 7 und der angekoppelten Pumpe 8.
VorrausSetzung für das Ablaufen der Nachoxidationen ist das Vorliegen eines brennbaren Gemisches. Somit ist für einen emissionsarmen Motorstart die Abstimmung von Kraftstoffeinspritzmenge und Sekundärluftförderung von Bedeutung. Dabei wird ein möglichst frühes Einsetzen der Nachoxidationen beim Start des Motors 1 angestrebt .
Erfindungsgemäß wird beim Startvorgang die Kraftstoffeinspritzmenge in Abhängigkeit von der Förderleistung der Pumpe 8 eingestellt. Vorzugsweise wird mit Beginn des Anlassvorgangs zunächst kein Kraftstoff eingespritzt, da zu diesem Zeitpunkt von der Pumpe 8 noch keine Sekundärluft gefördert wird. Der Grund hierfür ist das zunächst noch fehlende bzw. zu geringe Druckgefälle über dem Drosselelement 6. Da beim Anlassvorgang die Drehzahl des Motors 1 mit typischerweise etwa 200 1/min vergleichsweise gering ist, findet der Aufbau eines Druckgefälles über dem Drosselelement vergleichsweise langsam statt. Um den Druckaufbau zu beschleunigen, wird das Drosselelement in Abhängigkeit von dem stromab des Drosselelements 6 in der Ansaugleitung 2 vorhandenen Unterdruck eingestellt. Vorzugsweise wird beim Startvorgang bei fehlendem Unterdruck das Drosselelement ganz geschlossen. Dies ist unmittelbar bei Beginn des Startvorgangs der Fall. Dadurch wird erreicht, dass die Luft im Leitungsvolumen zwischen Drosselelement 6 und Lufteinlass der Motorzylinder rasch vom Motor abgezogen wird. Somit baut sich rasch ein Differenzdruck über dem Drosselelement 6 auf, die Turbine 7 nimmt entsprechend rasch Drehzahl auf, und die Pumpe 8 fördert entsprechend rasch Sekundärluft .
Vorzugsweise wird mit der Kraftstoffeinspritzung erst begonnen, wenn die Pumpe 8 eine Mindestförderleistung erreicht hat, was beispielsweise mit Hilfe eines Drehzahl- sensors an der Pumpe 8 festgestellt werden kann. Die Zeitspanne von Beginn der Anlasserbetätigung bis zum Beginn der Kraftstoffeinspritzung kann in vorteilhafter Weise auch zeitgesteuert eingestellt werden. Dabei kann beispielsweise auf eine im Motorsteuergerät abgelegte Tabelle zurückgegriffen werden, in welcher die Zeitspannen bis zum Beginn der Kraftstoffeinspritzung abgelegt sind. Dabei können zusätzlich die Kühlmitteltemperatur des Motors 1 oder die Umgebungstemperatur berücksichtigt werden.
Die je Zeiteinheit eingespritzte Kraftstoffmenge wird vorzugsweise so eingestellt, dass sich ein Motor-λ von etwa λM = 0,8 ergibt. Damit liegt in den Brennräumen des Motors 1 ein zündfähiges Gemisch vor, und der Motor 1 kann ohne Anlasserunterstützung weiterlaufen. Mit Beginn dieses autarken Motorlaufs steigt die Motordrehzahl, die angesaugte Luftmenge und das Druckgefälle über dem Drosselelement 6 an. Entsprechend der unterdruckabhängigen Einstellung wird das Drosselelement 6 mit Erreichen eines vorgebbaren Unterdruckwerts geöffnet. Die von der Pumpe 8 in den Abgassammler 3 geförderte Sekundärluftmenge wird mit Hilfe des Einstellventils 20 in der Turbinenauslassleitung 10 so begrenzt, dass sich für den Ablauf von Nachoxidationen günstige Verhältnisse im Abgassammler 3 ergeben. Vorzugsweise wird die Sekundärluftmenge so eingestellt, dass sich für das Abgas ein Luft-/Kraftstoffverhältnis, im Folgenden als Abgas- λ bzw. λA bezeichnet, von etwa λA = 1,2 eingestellt.
Die Zeitspanne bis zur Förderung einer ausreichenden Sekundärluftmenge kann noch weiter verkürzt werden, wenn die Startdrehzahl des Motors 1 beim Anlassvorgang angehoben wird. Dies wird erfindungsgemäß durch Verminderung der Kompressionsarbeit des Motors 1 erreicht . Bei variablem Verdichtungsverhältnis wird dieses in der Anlassphase des Startvorgangs vermindert. Vorteilhaft ist ferner ein Entdrosseln des Motors 1 durch Öffnen der Auslassventile im Kompressionstakt. Ebenfalls vorteilhaft ist das zeitweise Abkoppeln von Nebenaggregaten, welche vom Motor 1 angetrieben werden. Beispielsweise können ein Generator oder eine Kühlmittelpumpe abgekoppelt werden. Dadurch vermindert sich die mechanische Verlustleistung des Motors 1 und die Drehzahl beim Anlassvorgang wird angehoben.
Nach Erreichen eines stabilen und autarken Motorlaufs und der Anspringtemperatur des Startkatalysators 5 kann der Startvorgang als beendet angesehen werden, und die Sekundärluft- zugäbe in den .Abgassammler 3 wird beendet. Die Beendigung der Sekundärluftzugäbe kann durch Schließen des Einstellventils 20 oder Schließen eines nicht dargestellten Schaltmittels in der Pumpenauslassleitung 12 erfolgen.
In einem weiteren Einsatzgebiet wird das Gasfördersystem zur Emissionsminderung bei fettem Betrieb des Motors 1 außerhalb des Startvorgangs, beispielsweise bei Beschleunigungsvor- g ngen oder bei Volllast, eingesetzt. Unter diesen Bedingungen liegt ein zum Betrieb der Turbine 7 ausreichendes Druckgefälle über dem Drosselelement vor. Von der Pumpe 8 wird bei diesem Einsatzfall des Gasfördersystems Sekundärluft an der Zugabestelle 14 eingangsseitig eines in diesem Fall vorzugsweise motorfern angeordneten Katalysators 5 ins Abgas geleitet. Dabei wird ein Abgas-λ von etwa λA = 1,0 eingestellt. Unter diesen Bedingungen werden reduzierende Abgasbestandteile vom Katalysator 5 oxidiert und eine SchadstoffVerminderung auch bei Beschleunigungs- oder Voll- lastbetrieb erreicht.
In einem weiteren Einsatzgebiet wird das Gasfördersystem zur Kühlung eines Teils des Abgassystems eingesetzt. Beispielsweise kann von der Pumpe 8 vergleichsweise kühle Umgebungsluft in den Luftspalt eines luftspaltisolierten Abgassammlers oder Katalysatorgehäuses geblasen werden. Vorzugsweise wird diese Funktion des Gasfördersystems bei Überschreiten einer maßgebenden Temperatur im Abgassystem aktiviert. Somit wird eine Überhitzung bzw. Schädigung des Abgassystems vermieden und die Funktion von reinigungswirksamen Komponenten aufrechterhalten.
Fig. 2 zeigt schematisch die Anordnung des Motors 1 und des Gasfördersystems in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. Die Bezeichnung wirkungsgleicher Bauteile entspricht dabei der in Fig. 1. Zusätzlich zu der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist dem Gasfördersystem hier eine weitere Gasfördereinheit zugeordnet. Diese ist als elektrisch angetriebene Luftpumpe 15 ausgebildet, welche an einen Abzweig der Turbineneinlassleitung 9 angeschlossen ist. Außerdem ist in der Turbineneinlassleitung 9 ein Absperrventil 21 vorgesehen, mit welchem die Verbindung zur Ansaugleitung 2 stromauf des Drosselelements 6 abgesperrt werden kann. Mit Hilfe der Luftpumpe 15 kann ein schnelleres Anlaufen der Turbine 7 beim Startvorgang des Motors 1 erreicht werden. Hierzu wird mit Beginn des Anlassvorgangs das Absperrventil 21 geschlossen, das Ventil 20 geöffnet und die Luftpumpe eingeschaltet . Somit wird praktisch sofort mit Beginn des Startvorgangs Luft über die Turbine 7 gefördert . Folglich kann unabhängig vom Differenzdruckaufbau über dem Drosselelement 6 bereits nach kurzer Zeit eine für Nachoxidationen ausreichende Sekundärluftmenge dem Abgassammler 3 zugeführt werden, und die Kraftstoffeinspritzung wird wie in der Ausführungsform der Fig. 1 vorgenommen. Ist ein ausreichender Differenzdruck über dem Drosselelement 6 aufgebaut, wird die Luftpumpe abgeschaltet und das Absperrventil 21 geöffnet . Die Turbine 7 wird dann mit dem durch die Leitungen 9, 10 strömenden Luftstrom angetrieben, der durch den Differenzdruck über dem Drosselelement 6 hervorgerufen wird. Alle weiteren Funktionen des Gasfördersystems sind analog zur Ausführungsform der Fig. 1 vorhanden.
Fig. 3 zeigt schematisch die Anordnung des Motors 1 und des Gasfördersystems in einer weiteren bevorzugten Ausführungs- form. Die Bezeichnung wirkungsgleicher Bauteile entspricht dabei der in Fig. 1. Zusätzlich zu der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist dem Gasfördersystem hier eine weitere Gasfördereinheit zugeordnet. Diese ist als evakuierbarer Gasbehälter 16 ausgebildet, welcher in einem Nebenzweig der Turbinenauslassleitung 10 angeordnet ist. Der Gasbehälter ist eingangsseitig bzw. ausgangsseitig mit einem Absperrventil 22 bzw. 23 absperrbar. Mit Hilfe des evakuierten Gasbehälters 16 kann ein schnelleres Anlaufen der Turbine 7 beim Startvorgang des Motors 1 erreicht werden. Hierzu wird mit Beginn des Anlassvorgangs das Absperrventil 22 einlassseitig des evakuierten Gasbehälters 16 geöffnet. Die Ventile 20 und 23 bleiben geschlossen. Somit wird praktisch sofort mit Beginn des Startvorgangs Luft über die Turbine 7 in den evakuierten Gasbehälter 16 gefördert. Folglich kann unabhängig vom Differenzdruckaufbau über dem Drosselelement 6 bereits nach kurzer Zeit eine für Nachoxidationen ausreichende Sekundärluftmenge dem Abgassammler 3 zugeführt werden, und die Kraftstoffeinspritzung wird wie in der Ausführungsform der Fig. 1 vorgenommen. Ist ein ausreichender Differenzdruck über dem Drosselelement 6 aufgebaut, wird das Ventil 20 geöffnet, und das Ventil 22 geschlossen. Die Turbine 7 wird dann mit dem Luftstrom durch die Turbineneinlasseitung 9 und den mit dem Ventil 20 versehenen Abzweig der Turbinenauslassleitung 10 angetrieben. Der Luftstrom wird nun durch den Differenzdruck über dem Drosselelement 6 hervorgerufen. Damit unabhängig vom Differenzdruckaufbau über dem Drosselelement 6 ein rascher Turbinenhochlauf erfolgen kann, muss der Gasbehälter 16 naturgemäß eine ausreichende Größe aufweisen. Alle weiteren Funktionen des Gasfördersystems sind analog zur Ausführungsform der Fig. 1 vorhanden. Für eine erneute Evakuierung des Gasbehälters 16 wird bei normalem Motorbetrieb das Ventil 23 geöffnet und das Ventil 22 geschlossen. Insbesondere bei einem Motorbetriebspunkt mit großem Unterdruck stromab des Drosselelements 6, wie beispielsweise bei einem Schiebebetrieb mit hoher Drehzahl, kann der Gasbehälter 16 für einen neuen Startvorgang ausreichend evakuiert werden.
Fig. 4 zeigt schematisch die Anordnung des Motors 1 und des Gasfördersystems in einer weiteren bevorzugten Ausführungs- form. Die Bezeichnung wirkungsgleicher Bauteile entspricht dabei der in Fig. 1. Mit der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform kann zusätzlich zu den Funktionen der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform eine Abgasrückführung realisiert werden. Hierzu verfügt das Gasfördersystem über eine mit einem Ventil 24 versehenen Abzweig der Pumpeneinlassleitung 11, welcher mit der Abgasleitung 4 in Verbindung steht . Der mit der Umgebung in Verbindung stehende Teil der Pumpeneinlassleitung 11 ist durch das darin angeordnete Ventil 25 ebenfalls absperrbar. Weiter ist ein stromab des Drosselelements 6 in die Ansaugleitung 2 führender Abzweig der Pumpenauslassleitung 12 vorgesehen. Dieser Abzweig kann durch das einstellbare Ventil 26 ebenfalls abgesperrt werden. Wird das Gasfördersystem nicht zur Sekundärluftförderung benötigt, kann bei normalem Motorbetrieb von der Pumpe 8 Abgas an der Zugabestelle 18 in die Ansaugleitung 2 gefördert werden. Hierzu wird das Ventil 24 geöffnet und das Ventil 25 geschlossen. Das Ventil 26 wird entsprechend der zu realisierenden Abgasrückführrate geöffnet. Die Pumpe 8 wird wie oben beschrieben durch den vom Differenzdruck über dem Drosselelement 6 verursachten Luftstrom über die Turbine 7 angetrieben. Gegenüber üblichen Abgasrückführsystemen mit passiver Abgasrückführung, bei denen die rückgeführte Abgas- menge durch den zwischen Abgasleitung und Ansaugleitung vorhandenen Differenzdruck bestimmt wird, kann mit der Ausführungsform der Fig. 4 eine höhere Abgasrückführrate realisiert werden. Der Grund hierfür ist die durch die Pumpe 8 realisierte, aktive Abgasförderung. Alle weiteren Funktionen des Gasfördersystems sind analog zur Ausführungsform der Fig. 1 vorhanden.
Fig. 5 zeigt schematisch die Anordnung des Motors 1 und des Gasfördersystems in einer weiteren bevorzugten Ausführungs- form. Die Bezeichnung wirkungsgleicher Bauteile entspricht dabei der in Fig. 1. Im Vergleich zu der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist die Pumpeneinlassleitung 11 hier an einen evakuierbaren Gasbehälter 17 angeschlossen. Eine über ein Ventil 27 absperrbare Verbindung zur Umgebung besteht weiterhin. Wird das Gasfördersystem nicht zur Sekundärluftförderung benötigt, kann bei normalem Motorbetrieb von der Pumpe 8 der Gasbehälter evakuiert werden. Hierzu wird das Ventil 27 geschlossen. Die aus dem Gasbehälter 17 abgezogene Luft kann über die Pumpenauslassleitung 12 dem Abgas zugeführt werden oder über einen nicht dargestellten Abzweig an die Umgebung abgegeben werden. Mit dem im Gasbehälter 17 erzeugten Unterdruck können hier nicht näher angegebene, an den Gasbehälter 17 angeschlossene, unterdruckbetriebene Servosysteme betrieben werden. Alle weiteren Funktionen des Gasfördersystems sind analog zur Ausführungsform der Fig. 1 vorhanden.
Mit den erfindungsgemäßen Ausführungsformen von Brennkraftmaschine und Gasfördersystem lässt sich, wie dargestellt, ein emissionsarmer Betrieb der Brennkraftmaschine realisieren. Durch die zusätzlich zur Sekundärluftförderung vorhandenen Funktionen des Gasfördersystems wird dieses besser ausgenutzt, und Bauteile können eingespart werden. Dabei versteht sich, dass im Rahmen der Erfindung durch zusätzliche Leitungen oder Ventile im Gasfδrdersysteme Abwandlungen der dargestellten Ausführungsformen möglich sind.

Claims

DaimlerChrysler AGPatentansprüche
1. Brennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung, mit einer
Ansaugleitung (2) in der ein Drosselelement (6) angeordnet ist, einem Abgassystem (3, 4, 5) und einem Gasfördersystem mit
- einer durch einen Luftstrom antreibbaren Turbine (7) , an welche eine Turbineneinlassleitung (9) und eine Turbinenauslassleitung (10) angeschlossen ist und
- einer durch die Turbine (7) antreibbaren Pumpe (8) mit einer Pumpeneinlassleitung (11) und einer Pumpenauslassleitung (12), über welche dem Abgassystem (3, 4, 5) von der Pumpe (8) gefördertes Gas zuführbar ist, , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass bei einem Startvorgang der Brennkraftmaschine (1) deren Kraftstoffeinspritzmenge in Abhängigkeit von der Förderleistung der Pumpe (8) einstellbar ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Turbine (7) durch einen Teilstrom der von der Brennkraftmaschine (1) über die Ansaugleitung (2) angesaugten Verbrennungsluft antreibbar ist, wobei der Teil- strom durch ein über dem Drosselelement (6) vorhandenes Druckgefälle hervorgerufen wird.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass beim Startvorgang die Drehzahl der Brennkraftmaschine (1) vor Beginn der Kraftstoffeinspritzung durch eine Ansteuerung der Brennkraftmaschine (1) oder durch Ansteuerung eines der Brennkraftmaschine (1) zugeordneten Nebenaggregats einstellbar ist .
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass beim Startvorgang das Drosselelement (6) in Abhängigkeit von einem Druck in der Ansaugleitung (2) einstellbar ist.
5. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Turbine (7) durch einen Luftstrom antreibbar ist, welcher von einer Gasfördereinheit (15; 16) erzeugt wird, die in der Turbineneinlassleitung (9) oder in der Turbinenauslassleitung (10) angeordnet ist, bzw. an die Turbineneinlassleitung (9) oder an die Turbinenauslassleitung (10) angeschlossen ist.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Gasfördereinheit als elektrisch angetriebene Gasfördereinheit (15) ausgebildet ist.
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Gasfördereinheit als ein in der Turbinenauslassleitung (10) angeordneter evakuierbarer Gasbehälter (16) ausgebildet ist.
8. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der von der Pumpe (8) geförderte Gasstrom in Abhängigkeit eines Luft-/Kraftstoffverhältnisses im Abgassystem (3, 4, 5) einstellbar ist.
9. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der von der Pumpe (8) geförderte Gasstrom einem dem Abgassystem (3, 4, 5) zugeordneten Abgassammler (3) und/oder direkt einem dem Abgassystem (3, 4, 5) zugeordneten katalytischen Konverter (5) zuführbar ist.
10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Pumpe (8) über die Pumpeneinlassleitung (11) Abgas zuführbar ist, und der von der Pumpe (8) geförderte Abgasstrom der Ansaugleitung (2) zuführbar ist.
11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass von der Pumpe (8) ein über die Pumpeneinlassleitung (11) angeschlossener Unterdruckbehälter (17) evakuierbar ist .
12. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung und mit
- einer Ansaugleitung (2) in der ein Drosselelement (6) angeordnet ist,
- einem Abgassystem (3, 4, 5) und
- einem Gasfördersystem, welches eine durch einen Luftström antreibbaren Turbine (7) und eine durch die Turbine (7) antreibbaren Pumpe (8) umfasst, bei welchem wenigstens bei einem Startvorgang dem
Abgassystem (3, 4, 5) von der Pumpe (8) gefördertes Gas zugeführt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass beim Startvorgang der Brennkraftmaschine (1) die
Kraftstoffeinspritzmenge in Abhängigkeit von der
Förderleistung der Pumpe (8) eingestellt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , beim Startvorgang vor dem Beginn der Kraftstoffeinspritzung das Drosselelement (6) überwiegend geschlossen gehalten wird und erst nach Erreichen einer Mindest- förderleistung der Pumpe geöffnet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Drehzahl der Brennkraftmaschine (1) beim Startvorgang vor dem Beginn der Kraftstoffeinspritzung angehoben wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Turbine (7) wenigstens zeitweise von einem Luftstrom angetrieben wird, welcher von einer Gasfördereinheit (15; 16), die in der Turbineneinlassleitung (9) oder der Turbinenauslassleitung (10) angeordnet bzw. an die Turbineneinlassleitung (9) oder die Turbinenauslassleitung (10) angeschlossen ist, gefördert wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der von der Pumpe (8) geförderte Luftström in Abhängigkeit von einem Luft-/Kraftstoffverhältnis im Abgassystem (3, 4, 5) eingestellt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine (1) eine von wenigstens zwei Zugabestellen (13, 14) im Abgassystem (3, 4, 5) ausgewählt wird, an welcher der von der Pumpe (8) geförderte Luftstrom dem Abgas zugegeben wird.
18. Verfahren nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mit dem von der Pumpe (8) geförderten Luftström ein festlegbarer Teil des Abgassystems (3, 4, 5) gekühlt wird, wenn ein vorgebbarer Schwellenwert für eine Temperatur im Abgassystem (3, 4, 5) überschritten wird.
19. Verfahren nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass von der Pumpe (8) wenigstens zeitweise Abgas dem Abgassystem (3, 4, 5) entnommen und der Ansaugleitung (2) zugeführt wird .
20. Verfahren nach Anspruch 12 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein der Brennkraftmaschine (1) zugeordneter Unterdruckbehälter (17) zum Betrieb eines unterdruckbetriebenen Servosystems von der Pumpe (8) über die Pumpeneinlassleitung (11) evakuiert wird.
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