WO2001098645A1 - Verfahren zum betrieb eines dieselmotors - Google Patents

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WO2001098645A1
WO2001098645A1 PCT/EP2001/006796 EP0106796W WO0198645A1 WO 2001098645 A1 WO2001098645 A1 WO 2001098645A1 EP 0106796 W EP0106796 W EP 0106796W WO 0198645 A1 WO0198645 A1 WO 0198645A1
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exhaust gas
injection
diesel engine
control unit
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Holger Adler
Klaus Allmendinger
Dirk Becker
Oliver Erlenmayer
Andreas Hasert
Hans-Hubert Hemberger
Anton Kerckhoff
Stefan Kurze
Michael Lenz
Thomas Liebscher
Ulrich Merten
Andreas Roll
Norbert Ruzicka
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Daimlerchrysler Ag
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a diesel engine of the type specified in the preamble of claim 1.
  • an air ratio ⁇ of the fuel to be burned and the separately supplied combustion air is set by a control unit according to predetermined values for the respective operating state of the engine.
  • the control means provided for this purpose are acted upon by the control unit.
  • the control unit determines the amount of fuel to be burned, which leads to the desired operating load of the diesel engine being reached.
  • a substoichiometric fuel / air ratio is often set and the diesel engine is operated with a lean mixture.
  • the control unit is given a setpoint of an operating parameter of the diesel engine, at which a specific fuel / air ratio is to be set according to default values for this special operating mode.
  • the special operating mode is the required desorption atmosphere by setting the Air / fuel ratio created.
  • a method is known for example from DE 197 53 718 Cl, which uses the evaluation of certain criteria for switching between two different combustion methods. If the switchover criterion is determined, the system switches over to the special operating mode for regeneration of a storage catalytic converter connected downstream of the diesel engine.
  • an engine control system that controls the operation of a diesel engine as a function of maps. Separate identifiers for an operating mode with lean combustion and an operating mode with rich, fuel-rich combustion are stored in an engine control unit. The duration of the regeneration of the device for exhaust gas aftertreatment is very long in the known methods. The switchover to the special operating mode and back can often also be felt by the driver of a motor vehicle driven by the engine, which is not desirable.
  • the present invention has for its object to provide a method for operating a diesel engine of the generic type, in which the operating conditions are improved in the special mode. This object is achieved with the features of claim 1.
  • At least one post-injection of fuel which is separated from the main injection, is provided, the period of post-injection being set so late during the cycle that the fuel injected is burned with the fuel that is already burning.
  • an exhaust gas with high temperature and enthalpy is formed.
  • This can promote the regeneration of particle filters in which overstoichiometric operation is provided, as well as efficient sulfur regeneration of NOx storage catalysts in sub-stoichiometric operation.
  • the method according to the invention creates exhaust gases which have a reducing effect on catalyst surfaces both in the case of superstoichiometric combustion, that is to say rich mixture formation, and in the case of substoichiometric combustion with a lean fuel / air mixture.
  • the entire fuel constriction to be burned is introduced in several partial injections, the amount of fuel that is dispensed before the post-injection that is also burning according to the invention being able to be metered into several main injections or any number of pre-injections.
  • the post-injection quantity that is also burning can advantageously also be metered in several post-injections.
  • the amount of fuel that burns with the post-injection is metered in a particularly advantageous manner in accordance with the operating state of the engine and thus ultimately through the setting of the Post injection quantity regulates the operating load of the engine.
  • the time of injection of the post-injection can expediently also be set by the control unit in accordance with the operating state.
  • the partial injections which take place before the co-burning post-injection represent a shaping of the injection course to which the post-injection can be adapted in terms of quantity and timing to the engine operation.
  • the control unit increases the amount of fuel of the post-injection that burns along with it while simultaneously reducing the main injection amount of successive cycles in a corresponding amount until the intended post-injection amount is reached during a switchover phase when switching to the special operating state and back. Accordingly, when switching back to the normal operating state, the post-injection quantity is reduced with an analog increase in the main injection quantity.
  • a transition from lean mixture formation with fuel / air ratios ⁇ ⁇ 1 to rich, fuel-rich combustion with air ratios ⁇ > 1 can be represented.
  • the transition from lean to rich combustion during the changeover phase can take place with continuously or discontinuously changed amounts of the main injection and the adapted co-burning post-injection.
  • An indexed torque of the diesel engine which is kept constant during the switchover phase, is used as the control variable for the change in the injection quantities. In this way, the switching or switching back of the operating states takes place completely smoothly and is not noticeable for the driver of a motor vehicle.
  • the added fuel is cracked in the exhaust gas atmosphere and the resulting hydrocarbon radicals help to reduce the exhaust emissions of the diesel engine.
  • the addition of fuel can be carried out by one or more additional post-injections, which takes place after the post-injections that also burn with the invention.
  • a fuel injection can be provided in the exhaust pipe of the diesel engine that can be metered in quantity and timing independently of engine operation.
  • the efficiency of the regeneration of NOx adsorber systems can be increased, which under certain conditions (storage capacity, active temperature window) store the nitrogen oxides of internal combustion engines during lean combustion (overstoichiometric combustion with ⁇ > 1 and accordingly residual oxygen in the exhaust gas).
  • the process according to the invention rapidly provides oxygen-free exhaust gas ( ⁇ ⁇ 1) with the highest possible reducing agent content, which is required for the regeneration of such NOx adsorber systems, that is to say desorption of NOx and simultaneous NOx conversion to nitrogen oxide N 2 .
  • high temperatures of the exhaust gas are also reached quickly, which remove the deposits of sulfur compounds which act as a catalyst poison.
  • Particle filters can also be regenerated more quickly with the high temperatures.
  • the control unit controlling an exhaust gas recirculation valve as an actuator of the control, which is arranged in an exhaust gas recirculation line between the exhaust tract and the intake tract of the diesel engine ,
  • the control unit expediently regulates the pressure of the fresh air supplied via throttle devices in the inlet area and a charging device in the exhaust gas area of the diesel engine.
  • the pressure control can alternatively take place via the exhaust gas recirculation valve and the charging device as actuators.
  • control unit advantageously regulates the mass flow rate of the fresh air, the control unit using the exhaust gas recirculation valve as an actuator taking into account a measurement signal from an air mass meter.
  • the mass flow rate can also be regulated using throttle valves as actuators.
  • the control unit coordinates all actuators and continuously adjusts the actuating movements depending on the detected control deviations from the target value in the entire operating range of the diesel engine. With corresponding default values on characteristic diagrams, the method according to the invention is driving also realized in the stationary operating states of the diesel engine.
  • the air path is continuously regulated before the triggering of the injection measures when the operating states are switched, that is to say before the injection quantity change of the fuel of the after-injection that burns with it, namely the regulation of the intake manifold pressure and the mass flow of fresh air.
  • Fig. 2 is a schematic diagram of the determination of setting values in the control unit.
  • Fig. 1 shows a diesel engine 1 with four cylinders 23, each of which an injector 25 is assigned.
  • the injectors 25 fed from a common pressure line inject fuel directly into the cylinders 23 in accordance with a control signal from a control unit 14, which fuel is burned with separately supplied combustion air.
  • the fresh air is supplied via an intake line 20, to which the cylinders 23 are connected by means of inlet connections 24.
  • the exhaust gas from all cylinders 23 is discharged via an exhaust pipe 21 and passed through a catalytic converter 22 before being discharged into the environment.
  • the exhaust gas line 21 is connected to the intake air line 20 via an exhaust gas recirculation line 26. After opening an exhaust gas recirculation valve 2, exhaust gas from the diesel engine 1 can be admixed with the fresh air, the recirculated exhaust gas is cooled down by an exhaust gas cooler 4 before flowing into the intake air line 20.
  • the ratio ⁇ of the fuel injected into the cylinders to the combustion air is determined by the control unit 14, which, by appropriately controlling the injectors 25, adjusts the amount of fuel emitted by them per work cycle as well as the amount of fresh gas supplied to the cylinders 23.
  • the diesel engine can either use substoichiometric combustion or superstoichiometric, i.e. rich combustion operated with excess fuel ( ⁇ > 1), as is required, for example, for the desorption of NOx control catalysts.
  • control unit 14 determines the existence of a value of an operating parameter 15 of the diesel engine that is specified as a switching criterion, a switch is made to a special operating mode for regeneration of the catalytic converter and a fuel / air ratio that is predetermined for this operating mode is set.
  • the degree of saturation of the catalytic converter 22 can, for example, be input to the control unit as the measurement signal 15.
  • the control unit 14 has characteristic maps from which it reads suitable control variables for the actuators controlled by it to adjust the fuel / air ratio depending on the operating parameters that are continuously determined.
  • the control unit is assigned a map path 17 for setting a lean combustion and corresponding maps for all actuators.
  • a map path 18 for setting a rich, stoichiometric combustion contains maps for each actuator to be controlled with corresponding control data.
  • the switchover criterion 15 degree of saturation of the catalytic converter
  • one of the map paths 17, 18 is opened for reading, which is shown schematically by setting a switch 16.
  • the switchover criterion In normal operation with lean combustion, in which the map path 17 is activated with its individual maps, according to the invention, when the switchover criterion is present, the system switches to the special operating state and accordingly changes to the operating mode with rich combustion.
  • Each map path contains a map with injection parameters for the injectors 25 and for each further actuator, which is used by the control unit 14 to set the fuel / air ratio.
  • the exhaust gas recirculation valve 2 is expediently used by the control unit 14 via an actuator 3.
  • the exhaust gas atmosphere for effective desorption of the catalytic converter 22 is created in the special operating mode according to the invention by a post-injection following the main injection and, if appropriate, the pre-injections, the subsequently injected fuel taking part in the combustion which is already taking place.
  • the regulation of the desired exhaust gas composition is additionally influenced by the suitable setting of the exhaust gas recirculation valve.
  • control unit 14 influences the setting of the fuel / air ratio ⁇ by controlling a throttle device in the intake air line 20 and a charging device in the exhaust tract.
  • a throttle device a throttle valve 8 can be provided in the intake air line, which is brought into a position read out from a corresponding map (FIG. 2) by the control unit 14 via a corresponding actuator 9 by means of an actuator 10.
  • a throttle element 11 can be arranged in each inlet connection 24 of the cylinder 23.
  • the control unit 14 sets all of the throttle devices 11 in the inlet port 24 via a common actuator 12 and an actuator 13 acting on the actuator 12.
  • the control unit 14 acts on a charging device in the exhaust tract, which in the present exemplary embodiment is an exhaust gas turbolator 5 which consists of a turbine 27 which is acted upon by the exhaust gas and a compressor 28 which acts on the fresh air.
  • the actuator ⁇ of the exhaust gas turbolator which can be adjusted by the control unit as required via the actuator 7, can be, for example, a variably adjustable turbine geometry.
  • the diesel engine is operated in the special operating state with a post-injection that burns, which follows any number of pre-injections and one or two main injections. Furthermore, a further post-injection can be introduced in the combustion chamber at different times, the fuel injected here no longer participating in the combustion and contributing to the creation of an exhaust gas atmosphere which can be cleaned more efficiently from the catalytic converter over a longer operating time.
  • Which he- Post-injection according to the invention is designed with regard to the time and duration of the injection in such a way that superstoichiometric or substoichiometric air conditions are created as required.
  • the maximum pressure increase in the combustion chamber and the temporal position of the maximum pressure increase correspond approximately to the values in normal operation with only pre-injection and main injection in the method according to the invention.
  • the engine load is regulated via the injection quantity participating in the combustion, that is to say in the special operating state, including and taking into account the post-injection quantity that burns with it.
  • the proportions of the main injection quantity and the post-injection quantity in the total injection quantity or their changes during the transition phase when changing the operating mode from rich to lean combustion and vice versa is set by the control unit as a function of one or more operating parameters 19 (FIG. 2).
  • the following physically measurable variables come into consideration as such operating parameters with which the characteristic diagrams are read out for the operating mode to be selected in each case:

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors, bei dem ein Luftverhältnis (μ) des zu verbrennenden Kraftstoffes und der zugeführten Verbrennungsluft von einer Steuereinheit (14) nach vorgegebenen Werten eingestellt wird. Bei Feststellung eines als Umschaltkriterium vorgegebenen Wertes (15) schaltet die Steuereinheit (14) auf eine Sonderbetriebsart zur Regeneration eines Katalysators (22) um und stellt das Kraftstoff/Luft-Ver hältnis nach Vorgabewerten für diese Betriebsart ein. Um eine wirkungsvollere Regeneration des Katalysators zu erreichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß in der Sonderbetriebsart mindestens eine zeitlich von einer Haupteinspritzung abgesetzte Nacheinspritzung von mitverbrennendem Kraftstoff erfolgt.

Description

Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.
Bei bekannten Verfahren wird ein Luftverhältnis λ des zu verbrennenden Kraftstoffes und der separat zugeführten Verbrennungsluft von einer Steuereinheit nach vorgegebenen Werten für den jeweiligen Betriebszustand des Motors eingestellt. Die hierfür vorgesehenen Stellmittel werden von der Steuereinheit beaufschlagt. Die Steuereinheit bestimmt dabei die Menge des zu verbrennenden Kraftstoffes, die zum Erreichen der gewünschten Betriebslast des Dieselmotors führt. Oft wird dabei ein unterstöchiometrisches Kraftstoff/Luft-Verhältnis eingestellt und der Dieselmotor in sofern mit magerer Gemischbildung betrieben. Als Umschaltkriterium auf eine Sonderbetriebsart wird der Steuereinheit ein Sollwert einer Betriebsmeßgröße des Dieselmotors vorgegeben, bei dem ein bestimmtes Kraftstoff/Luft-Verhältnis nach Vorgabewerten für diese Sonderbetriebsart einzustellen sind. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn eine Einrichtung zur Abgasnachbehandlung vorgesehen ist, wie etwa ein Speicherkatalysator, welcher turnusmäßig zu desorbieren ist. Hierzu wird der Sonderbetriebsart die erforderliche Desorptions-Atmosphäre durch Einstellen des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses geschaffen. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der DE 197 53 718 Cl bekannt, welches die Auswertung bestimmter Kriterien zur Umschaltung zwischen zwei verschiedenen Brennverfahren nutzt. Bei Feststellung des Umschaltkriteriums wird in die Sonderbetriebsart zur Regeneration eines dem Dieselmotor nachgeschalteten Speicherkatalysators umgeschaltet .
Die Umschaltung in eine Sonderbetriebsart des Dieselmotors bei Vorliegen eines bestimmen Umschaltkriteriums ist auch in der DE 199 39 988 AI beschrieben, wobei in der Sonderbetriebsart ein Speicherkatalysator hinsichtlich der Stickoxid-Salze regeneriert werden soll. Hierzu wird in dem Regenerationsmodus als Sonderbetriebsart ein reduzierend auf den Katalysator wirkendes Abgas erzeugt.
Aus der DE 197 50 226 Cl ist eine Motorregelsystem bekannt, daß in Abhängigkeit von Kennfeldern den Betrieb eines Dieselmotors regelt. Dabei sind in einem Motorsteuergerät separate Kennfeder für eine Betriebsart mit magerer Verbrennung und eine Betriebsart mit fetter, kraftstoffreicher Verbrennung abgespeichert. Die zeitliche Dauer der Regeneration der Einrichtung zur Abgasnachbehandlung ist bei den bekannten Verfahren sehr lang. Auch ist oft die Umschaltung in die Sonderbetriebsart und zurück für den Fahrer eines von dem Motor angetriebenen Kraftfahrzeugs spürbar, was nicht erwünscht ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors der gattungsgemäßen Art zu schaffen, bei dem in der Sonderbetriebsart die Betriebsbedingungen verbessert sind. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist in der Sonderbetriebsart mindestens eine zeitlich von der Haupteinspritzung abgesetzte Nacheinspritzung von Kraftstoff vorgesehen, wobei der Zeitraum der Nacheinspritzung derartig spät während des Zyklus gelegt wird, daß der dabei eingespritzte Kraftstoff mit dem bereits brennenden Kraftstoff verbrannt wird. Auf diese Weise wird ein Abgas mit hoher Temperatur und Enthalpie gebildet. Damit kann sowohl die Regeneration von Partikelfiltern gefördert werden, bei denen ein überstöchio- metrischer Betrieb vorgesehen ist, als auch eine effiziente Schwefelregeneration von NOx-Speicherkatalysatoren im unterstöchiometrischen Betrieb erreicht werden. Das erfindungsgemäße Verfahren schafft sowohl bei überstöchio- metrischer Verbrennung, also fetter Gemischbildung, als auch unterstöchiometrischer Verbrennung mit magerem Kraftstoff/Luft-Gemisch reduzierend auf Katalysatoroberflächen wirkende Abgase. Die gesamte zu verbrennende Kraftstoff- enge wird in mehreren Teileinspritzungen eingebracht, wobei die Kraftstoffmenge, die vor der erfindungsgemäß mitbrennenden Nacheinspritzung abgegeben wird, mehreren Haupteinspritzungen oder auch einer beliebigen Anzahl an Voreinspritzungen zugemessen werden kann. Vorteilhaft kann die mitbrennende Nacheinspritzmenge auch in mehreren Nacheinspritzungen zugemessen werden.
Besonders vorteilhaft wird die mitbrennende Kraftstoffmenge der Nacheinspritzung entsprechend dem Betriebszustand des Motors dosiert und so letztlich durch die Einstellung der Nacheinspritzmenge die Betriebslast des Motors einregelt. Zweckmäßig kann dabei auch der Einspritzzeitpunkt der Nacheinspritzung entsprechend dem Betriebszustand von der Steuereinheit eingestellt werden. Die vor der mitbrennenden Nacheinspritzung erfolgenden Teileinspritzungen stellen bei früher Verbrennungslage eine Formung des Einspritzverlaufes dar, an den die Nacheinspritzung in Menge und Zeitpunkt an den Motorbetrieb anpaßbar ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erhöht die Steuereinheit während einer Umschaltphase beim Umschalten in den Sonderbetriebszustand und zurück die Kraftstoffmenge der mitbrennenden Nacheinspritzung bei gleichzeitiger Reduzierung der Haupteinspritzmenge aufeinander folgender Zyklen in entsprechender Menge bis zum Erreichen der vorgesehenen Nacheinspritzmenge. Entsprechend wird beim Rückschalten in den Normalbetriebszustand die Nacheinspritzmenge reduziert bei analoger Erhöhung der Haupteinspritzmenge. So kann ein Übergang von magerer Gemischbildung mit Kraftstoff/Luft-Verhältnissen λ < 1 auf fette, kraftstoffreiche Verbrennung mit Luftverhältnissen λ > 1 dargestellt werden. Der Übergang von magerer zu fetter Verbrennung während der Umschaltphase kann mit kontinuierlich oder diskontinuierlich veränderten Mengen der Haupteinspritzung und der angepaßten mitbrennenden Nacheinspritzung erfolgen. Als Regelgröße der Änderung der Einspritzmengen wird ein indiziertes Moment des Dieselmotors herangezogen, welches während der Umschaltphase konstant gehalten wird. Auf diese Weise erfolgt die Umschaltung bzw. die Rückschaltung der Betriebszustände völlig ruckfrei und ist für den Führer eines Kraftfahrzeuges nicht spürbar. Um in der Sonderbetriebsart die zur Regeneration eines Katalysators erforderliche AbgasZusammensetzung zu schaffen, kann es zweckmäßig sein, dem Abgas Kraftstoff zuzusetzen. Der zugesetzte Kraftstoff wird in der Abgasatmosphäre gecrackt und die dabei entstehenden Kohlen- wasserstoffradikale tragen zur Senkung der Abgasemmision des Dieselmotors bei. Die Zusetzung von Kraftstoff kann durch eine oder mehrere zusätzliche Nacheinspritzungen vorgenommen werden, welche im Anschluß an die erfindungsgemäß mitbrennenden Nacheinspritzungen erfolgt. Optional kann aber auch eine in Menge und Zeitpunkt unabhängig vom Motorbetrieb dosierbare Kraftstoffeinspritzung in die Abgas- leitung des Dieselmotors vorgesehen sein.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Effizienz der Regeneration von NOx-Adsorbersystemen erhöht werden, welche unter bestimmten Voraussetzungen (Speicherkapazität, aktives Temperaturfenster) die Stickoxide von Brennkraftmaschinen bei magerer Verbrennung (überstöchiometrischer Verbrennung mit λ > 1 und demnach RestSauerstoff im Abgas) speichern. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt rasch Sauerstofffreies Abgas (λ < 1) mit möglichst hohem Reduktionsmittelgehalt bereit, welches zur Regeneration solcher NOx-Adsorbersysteme, also Desorption von NOx und gleichzeitiger NOx-Umsatz zu Stickoxid N2 benötigt wird. Mit dem erfindungsgemäß mitbrennenden Kraftstoff der Nacheinspritzung werden ebenso rasch hohe Temperaturen des Abgases erreicht, welche die als Katalysatorgift wirkenden Ablagerungen von Schwefelverbindungen entfernen. Auch sind mit den hohen Temperaturen Partikelfilter rascher regenerierbar. Bekannte Katalysatoren benötigen nach dem Kaltstart eine gewisse Zeit bis zum Erreichen ihrer Start- te peratur. Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Brennverfahrens kann diese Zeit aufgrund der deutlich höheren Abgastemperatur gegenüber bekannten Verfahren verkürzt werden, wodurch eine erheblich geringere Abgasemmision beim Warmlauf des Dieselmotors erreicht wird.
Bei der Einstellung bzw. Regelung des Kraftstoff/Luft- Verhältnisses kann zweckmäßig auch die Menge an rückgeführtem und der Frischluft beigemischtem Abgas berücksichtigt werden, wobei die Steuereinheit als Stellglied der Regelung ein Abgasrückführungsventil ansteuert, das in einer Abgasrückführungsleitung zwischen Abgastrakt und Einlaßtrakt des Dieselmotors angeordnet ist. In einer Weiterbildung der Erfindung regelt die Steuereinheit neben der Einstellung der Einspritzparameter den Druck der zugeführten Frischluft zweckmäßig über Drosseleinrichtungen im Einlaßbereich und eine Aufladeeinrichtung im Abgasbereich des Dieselmotors. Die Druckregelung kann alternativ über das Abgasrückführungsventil und die Aufladeeinrichtung als Stellglieder erfolgen.
Weiterhin regelt die Steuereinheit vorteilhaft den Massendurchsatz der Frischluft, wobei die Steuereinheit das Abgasrückführungsventil als Stellglied unter Berücksichtigung eines Meßsignals eines Luftmassenmessers einsetzt. Die Regelung des Massendurchsatzes kann auch über Drosselklappen als Stellglieder erfolgen. Die Steuereinheit koordiniert dabei sämtliche Stellglieder und führt die Stellbewegungen in Abhängigkeit der erfaßten Regelabweichungen vom Sollwert im gesamten Betriebsbereich des Dieselmotors kontinuierlich nach. Mit entsprechenden Vorgabewerten auf Kennfeldern wird das erfindungsgemäße Ver- fahren auch in den stationären Betriebszuständen des Dieselmotors realisiert. Zum Einstellen eines lastneutralen Überganges wird vor dem Auslösen der Einspritzmaßnahmen beim Umschalten der Betriebszustände, also vor der Ein- spritzmengenänderung des Kraftstoffs der mitbrennenden Nacheinspritzung, der Luftpfad kontinuierlich eingeregelt, nämlich die Regelung des Saugrohrdruckes und des Massenstroms der Frischluft.
Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Dieselmotors,
Fig. 2 ein schematisches Schaubild der Bestimmung von Einstellwerten in der Steuereinheit.
Fig. 1 zeigt einen Dieselmotor 1 mit vier Zylindern 23, denen jeweils ein Injektor 25 zugeordnet ist. Die aus einer gemeinsamen Druckleitung gespeisten Injektoren 25 spritzen nach Maßgabe eines Steuersignals einer Steuereinheit 14 Kraftstoff direkt in die Zylinder 23 ein, welcher mit separat zugeführter Verbrennungsluft verbrannt wird. Die Frischluft wird über eine Ansaugleitung 20 zugeführt, an die mittels Einlaßstutzen 24 die Zylinder 23 angeschlossen sind. Das Abgas aller Zylinder 23 wird über eine Abgas- leitung 21 abgeführt und vor dem Ausstoß in die Umwelt durch einen Katalysator 22 geleitet. Die Abgasleitung 21 ist über eine Abgasrückführungsleitung 26 mit der Ansaugluftleitung 20 verbunden. Nach Öffnen eines Abgasrückführungsventils 2 kann so Abgas des Dieselmotors 1 der Frischluft beigemischt werden, wobei das rückgeführte Abgas vor dem Einströmen in die Ansaugluftleitung 20 durch einen Abgaskühler 4 herabgekühlt wird.
Das Verhältnis λ des in die Zylinder eingespritzten Kraftstoffes zu der Verbrennungsluft wird von der Steuereinheit 14 bestimmt, welche durch entsprechende Ansteuerung der Injektoren 25 die von ihnen abgegebene Kraftstoffmenge pro Arbeitsspiel als auch die den Zylindern 23 zugeführte Frischgasmenge einstellt. Abhängig von der eingesetzten Einrichtung zur Abgasnachbehandlung (Katalysator 22) kann der Dieselmotor dabei entweder mit unterstöchiometrischer Verbrennung oder überströchiometrischer, d.h. fetter Verbrennung mit KraftstoffÜberschuß (λ > 1) betrieben werden, wie es beispielsweise zur Desorption von NOx- Steuerkatalysatoren erforderlich ist. Stellt die Steuereinheit 14 das Vorliegen eines als Umschaltkriterium vorgegebenen Wertes einer Betriebsmeßgröße 15 des Dieselmotors fest, so wird auf eine Sonderbetriebsart zur Regeneration des Katalysators umgeschaltet und ein für diese Betriebsart vorgegebenes Kraftstoff/Luft-Verhältnis eingestellt. Zur Feststellung des Umschaltkriteriums kann beispielsweise der Steuereinheit der Sättigungsgrad des Katalysators 22 als Meßsignal 15 eingegeben werden.
Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, verfügt die Steuereinheit 14 über Kennfelder, aus denen sie in Abhängigkeit laufend ermittelter Betriebsparameter geeignete Stellgrößen für die von ihr kontrollierten Stellglieder zur Einstellung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses ausliest. Dabei ist der Steuereinheit ein Kennfeldpfad 17 zur Einstellung einer mageren Verbrennung und entsprechenden Kennfeldern für alle Stellglieder zugeordnet. Ein Kennfeldpfad 18 zur Einstellung einer fetten, überstöchiometrischen Verbrennung enthält Kennfelder für jedes anzusteuernde Stellglied mit entsprechenden Stelldaten. Abhängig von dem Meßwert des Umschaltkriteriums 15 (Sättigungsgrad des Katalysators) wird einer der Kennfeldpfade 17, 18 zum Auslesen geöffnet, was schematisch durch Einstellung eines Schalters 16 dargestellt ist. Bei einem Normalbetrieb mit magerer Verbrennung, bei dem der Kennfeldpfad 17 mit seinen einzelnen Kennfeldern aktiviert ist, wird erfindungsgemäß bei vorliegen des Umschaltkriteriums in den Sonderbetriebszustand umgeschaltet und entsprechend auf die Betriebsart mit fetter Verbrennung gewechselt.
Jeder Kennfeldpfad enthält dabei ein Kennfeld mit Ein- spritzparametern für die Injektoren 25 und für jedes weitere Stellglied, welches von der Steuereinheit 14 zur Einstellung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses herangezogen wird. Zweckmäßig wird dabei das Abgasrückführungsventil 2 über einen Stellantrieb 3 von der Steuereinheit 14 eingesetzt. Die Abgasatmosphäre zur effektiven Desorption des Katalysators 22 wird in der Sonderbetriebsart erfindungsgemäß durch eine Nacheinspritzung im Anschluß an die Haupteinspritzung und gegebenenfalls die Voreinspritzungen geschaffen, wobei der nachträglich eingespritzte Kraftstoff an der bereits erfolgenden Verbrennung teilnimmt. Die Ein- regelung der gewünschten Abgaszusammensetzung wird zusätzlich durch die geeignete Einstellung des Abgasrückführungsventils beeinflußt. Des weiteren nimmt die Steuereinheit 14 durch Ansteuerung einer Drosseleinrichtung in der Ansaugluftleitung 20 und eine Aufladeeinrichtung im Abgastrakt auf die Einstellung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses λ Einfluß. Als Drosseleinrichtung kann eine Drosselklappe 8 in der Ansaugluftleitung vorgesehen sein, die über ein entsprechendes Stellglied 9 mittels eines Stellantriebes 10 von der Steuereinheit 14 in die aus einem entsprechenden Kennfeld (Fig. 2) ausgelesene Position gebracht wird. Alternativ zu der Drosselklappe 8 in der Ansaugluftleitung 20 kann in jedem Einlaßstutzen 24 der Zylinder 23 ein Drosselorgan 11 angeordnet sein. Die Steuereinheit 14 stellt alle Drosseleinrichtungen 11 in den Einlaßstutzen 24 über ein gemeinsames Stellglied 12 und einen auf das Stellglied 12 wirkenden Stellantrieb 13 ein. Als weiteres Stellglied mit Wirkung auf das Kraftstoff/Luft-Verhältnis beaufschlagt die Steuereinheit 14 eine Aufladeeinrichtung im Abgastrakt, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Ab- gasturbolator 5 ist, der aus einer vom Abgas beaufschlagten Turbine 27 und einem auf die Frischluft wirkenden Verdichter 28 besteht. Das Stellglied β des Abgasturbolators, das über dem Stellantrieb 7 von der Steuereinheit bedarfsweise einstellbar ist, kann beispielsweise eine variabel einstellbare Turbinengeometrie sein.
Der Dieselmotor wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren im Sonderbetriebszustand mit einer mitbrennenden Nacheinspritzung betrieben, die sich an eine beliebige Anzahl an Voreinspritzungen und ein bis zwei Haupteinspritzungen anschließt. Des weiteren kann eine weitere zeitlich abgesetzte Nacheineinspritzung in den Brennraum eingebracht werden, wobei der hier eingespritzte Kraftstoff nicht mehr an der Verbrennung teilnimmt und zur Schaffung einer Abgasatmosphäre beiträgt, die über eine längere Betriebszeit effizienter von dem Katalysator reinigbar ist. Die er- findungsgemäße Nacheinspritzung wird bezüglich Einspritzzeitpunkt und -dauer so ausgelegt, daß je nach Bedarf über- stöchiometrische oder unterstöchiometrische Luftverhältnisse geschaffen werden. Der maximale Druckanstieg im Brennraum und die zeitliche Lage des maximalen Druckanstieges entsprechen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in etwa den Werten im Normalbetrieb mit lediglich Vor- und Haupteinspritzung. Die Regelung der Motorlast erfolgt über die an der Verbrennung teilnehmende Einspritzmenge, also im Sonderbetriebszustand unter Einschluß und maßgeblicher Berücksichtigung der mitbrennenden Nacheinspritzmenge. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können ohne Anhebung der Geräuschentwicklung rasch höhere Abgastemperaturen und - enthalpien erreicht werden und so die Effizienz von Katalysatoren auch insbesondere während der Warmlaufphase gesteigert werden.
Die Anteile der Haupteinspritzmenge und der Nacheinspritzmenge an der gesamten Einspritzmenge bzw. deren Änderungen während der Übergangsphase beim Wechsel der Betriebsart von fetter zu magerer Verbrennung und umgekehrt wird von der Steuereinheit in Abhängigkeit eines oder mehrerer Betriebsparameter 19 (Fig. 2) eingestellt. Als solche Betriebsparameter, mit denen die Kennfelder für die jeweils zu wählende Betriebsart ausgelesen werden, kommen die folgenden physikalisch meßbaren Größen in Frage:
• Motordrehmoment und seine Ableitung
• Motordrehzahl und ihre Ableitung
• Fahrgeschwindigkeit eines vom Dieselmotor angetriebenen Fahrzeuges Fahrstufe/Gang
Gesamteinspritzmenge
Luftmasse und ihre Ableitung
Kühlmitteltemperatur
Außenlufttemperatur
Saugrohrtemperatur
Abgastemperatur
Atomsphärendruck
Saugrohrdruck
Abgasdruck

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors, bei dem ein Luftverhältnis des zu verbrennenden Kraftstoffes und der zugeführten Verbrennungsluft von einer Steuereinheit (14) nach vorgegebenen Werten für den Betriebszustand des Motors (1) durch Ansteuerung hierfür vorgesehener Stellmittel (2, 5, 8, 11, 25) einstellt und dabei die der angeforderten Betriebslast des Dieselmotors (1) entsprechenden Menge zu verbrennenden Kraftstoffes bestimmt, wobei die Steuereinheit (14) bei Feststellung eines als Umschaltkriterium vorgegebenen Wertes einer Betriebsmeßgröße (15) des Dieselmotors auf eine Sonderbetriebsart zur Regeneration einer Einrichtung zur Abgasnachbehandlung umschaltet und das Kraftstoff/Luft-Verhältnis nach Vorgabewerten für diese Betriebsart einstellt, dadurch gekennzeichnet, daß in der Sonderbetriebsart mindestens eine zeitlich von einer Haupteinspritzung abgesetzte Nacheinspritzung von Kraftstoff in einem derart späten Zeitraum während des Zyklus erfolgt, daß der dabei eingespritzte Kraftstoff mit dem bereits vorher zugemessenen und entzündeten Kraftstoff verbrannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mitverbrennende Kraft- stoffmenge der Nacheinspritzung dem Betriebszustand des Dieselmotors (1) entsprechend dosiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (14) den Einspritzzeitpunkt der Nacheinspritzung für den mitverbrennenden Kraftstoff entsprechend dem Betriebszustand des Dieselmotors (1) einstellt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (14) während einer Umschaltphase beim Umschalten in den Sonderbetriebszustand und zurück die Kraftstoffmenge der mitverbrennenden Nacheinspritzung bei gleichzeitiger Reduzierung der Haupteinspritzmenge in entsprechender Menge bei aufeinanderfolgenden Zyklen erhöht bis zum Erreichen der vorgesehenen Nacheinspritzmenge bzw. beim Rückschalten in einen Normal- betriebszustand die Nacheinspritzmenge reduziert bei analoger Erhöhung der Haupteinspritzmenge.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die analoge Änderung der Haupteinspritzmenge und der mitverbrennenden Nacheinspritzmenge während der Umschaltphase unter Berücksichtigung einer Regelgröße geregelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelgröße ein indiziertes Moment des Dieselmotors (1) herangezogen wird, welches während der Umschaltphase konstant gehalten wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Abgas zusätzlicher Kraftstoff zur Schaffung des vorgesehenen Kraftstoff/Luft-Verhältnisses im Abgas zugesetzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Kraftstoff dem Abgas durch eine zusätzliche Nacheinspritzung im Anschluß an die Nacheinspritzung mitverbrennenden Kraftstoffes zugesetzt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Kraftstoff dem Abgas in einer Abgasleitung des Dieselmotors (1) zugesetzt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Normalbetriebsart ein über- oder unterstöchiometrisches Kraftstoff/Luft- Verhältnis und in der Sonderbetriebsart ein unter- oder überstöchiometrisches Kraftstoff/Luft-Verhältnis eingestellt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (14) bei der Einstellung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses die dem Frischgas beigemischte Menge rückgeführten Abgases berücksichtigt und ein Abgasrückführungsventil (2) in einer Abgasrückführungsleitung (26) des Dieselmotors
(1) als Stellglied der Regelung des Kraftstoff/Luft- Verhältnisses ansteuert.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (14) den Druck der zugeführten Frischluft regelt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des Frischluftdruckes über Drosselklappen (8, 11) und eine einstellbare Aufladeeinrichtung (5) als Stellglieder erfolgt.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des Frischluftdruckes über das Abgasrückführungsventil (2) und eine einstellbare Aufladeeinrichtung (5) als Stellglieder erfolgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (14) den Massendurchsatz der Frischluft regelt.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des Massendurchsatzes über das Abgasrückführungsventil (2) als Stellglied unter Berücksichtung eines Meßsignals eines Luftmassenmessers erfolgt.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des Massendurchsatzes über Drosselorgane (8, 11) als Stellglieder erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit alle von ihr angesteuerten Stellglieder (2, 6, 9, 12, 25) in Abhängigkeit der erfaßten Regelabweichung im gesamten Betriebsbereich des Dieselmotors (1) nachführt.
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