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DE10043375A1 - Verfahren zur Aufheizung eines Katalysators bei Verbrennungsmotoren mit Benzindirekteinspritzung - Google Patents

Verfahren zur Aufheizung eines Katalysators bei Verbrennungsmotoren mit Benzindirekteinspritzung

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DE10043375A1
DE10043375A1 DE10043375A DE10043375A DE10043375A1 DE 10043375 A1 DE10043375 A1 DE 10043375A1 DE 10043375 A DE10043375 A DE 10043375A DE 10043375 A DE10043375 A DE 10043375A DE 10043375 A1 DE10043375 A1 DE 10043375A1
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Andreas Roth
Holger Bellmann
Detlef Heinrich
Klaus Winkler
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren zur Aufheizung eines Katalysators bei Verbrennungsmotoren, DOLLAR A bei dem DOLLAR A - ein Maß für die Temperatur des Katalysators gebildet wird und DOLLAR A - bei dem unterhalb einer vorbestimmten Temperatur des Katalysators eine erste Heizmaßnahme erfolgt, bei der die Temperatur des Abgases erhöht wird DOLLAR A - und bei dem oberhalb der vorbestimmten Temperatur alternativ oder ergänzend zur ersten Heizmaßnehme eine zweite Heizmaßnahme erfolgt, bei der dem Katalysator neben dem Abgas ein reaktionsfähiges Gemisch zugeführt wird, dessen Reaktion im Katalysator dort Wärme freisetzt.

Description

Es ist bereits bekannt, den Katalysator durch die Folgen einer Verschlechterung des Wirkungsgrades der motorischen Verbrennung aufzuheizen. Eine Wirkungsgradverschlechterung der motorischen Verbrennung kann beispielsweise durch eine Abweichung des Zündzeitpunktes vom optimalen Zeitpunkt herbeigeführt werden, wobei der optimale Zeitpunkt durch den maximalen Wirkungsgrad definiert wird. Durch die Wirkungsgradeinbuße ist das Abgas heißer im Vergleich zum Betrieb ohne Wirkungsgradeinbußen. Es entfaltet daher eine verstärkte Heizwirkung im Katalysator.
Bei Benzindirekteinspritzmotoren besteht weiter die Möglichkeit, beim Betrieb mit Luftüberschuß gezielt Kraftstoff in den Zylinder nach der motorischen Verbrennung im Expansionstakt einzuspritzen. Hier reagiert der nacheingespritzte Kraftstoff mit dem Luftüberschuß der motorischen Verbrennung im Katalysator. Die bei der exothermen Reaktion freiwerdende Wärme heizt den Katalysator auf.
Auch den Katalysatorheizmaßnahmen läßt sich ein Wirkungsgrad zuordnen. Der Wirkungsgrad der Nacheinspritzung ist maximal, wenn die in den Katalysator als Kraftstoff/Luft-Gemisch eingebrachte chemische Energie dort vollständig in Wärme umgesetzt wird. Bisher wurden beide oben angegebene Maßnahmen alternativ eingesetzt. Dabei wurden Einbußen bei der Heizwirkung beobachtet, wobei sich die Einbußen auf die Heizwirkung beziehen, die bei maximalem Wirkungsgrad der Katalysatorheizmaßnahme erreicht wird.
Die Erfindung richtet sich auf eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Katalysatorheizmaßnahmen.
Diese Verbesserung wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erzielt.
Im einzelnen betrifft das erfindungsgemäße Verfahren die Aufheizung eines Katalysators bei Verbrennungsmotoren, mit den Schritten:
  • - Bildung eines Maßes für die Temperatur des Katalysators
  • - Auslösen einer ersten Heizmaßnahme, bei der die Temperatur des Abgases erhöht wird, unterhalb einer vorbestimmten Temperatur des Katalysators,
  • - Auslösen einer zweiten Heizmaßnahme oberhalb der vorbestimmten Temperatur, wobei dem Katalysator neben dem Abgas ein reaktionsfähiges Gemisch zugeführt wird, dessen Reaktion im Katalysator dort Wärme freisetzt, und wobei dies alternativ oder ergänzend zur ersten Heizmaßnahme erfolgt.
Im Rahmen eines Ausführungsbeispiels erfolgt als erste Maßnahme eine Verschlechterung des Wirkungsgrades der motorischen Verbrennung über eine Änderung des Zündwinkels.
Als zweite Maßnahme kann bei einem Motor mit Benzindirekteinspritzung nach der Verbrennung eine Kraftstoff-Nacheinspritzung erfolgen.
Die genannte Nacheinspritzung kann insbesondere mit Schichtbetrieb kombiniert werden.
Aus der DE 198 50 586 ist ein Motorsteuerungsprogramm bekannt, das die Umschaltung zwischen Schichtbetrieb und Homogenbetrieb steuert.
Im Schichtbetrieb wird der Motor mit einer stark geschichteten Zylinderladung und hohem Luftüberschuß betrieben, um einen möglichst niedrigen Kraftstoffverbrauch zu erreichen. Die geschichtete Ladung wird durch eine späte Kraftstoffeinspritzung erreicht, die im Idealfall zur Aufteilung des Brennraums in zwei Zonen führt: Die erste Zone enthält eine brennfähige Luft-Kraftstoff-Gemischwolke an der Zündkerze. Sie wird von der zweiten Zone umgeben, die aus einer isolierenden Schicht aus Luft und Restgas besteht. Das Potential zur Verbrauchsoptimierung ergibt sich aus der Möglichkeit, den Motor unter Vermeidung von Ladungswechselverlusten weitgehend ungedrosselt zu betreiben. Der Schichtbetrieb wird bei vergleichsweise niedriger Last bevorzugt.
Bei höherer Last, wenn die Leistungsoptimierung im Vordergrund steht, wird der Motor mit homogener Zylinderfüllung betrieben. Die homogene Zylinderfüllung ergibt sich aus einer frühen Kraftstoffeinspritzung während des Ansaugvorganges. Als Folge steht bis zur Verbrennung eine größere Zeit zur Gemischbildung zur Verfügung. Das Potential dieser Betriebsart zur Leistungsoptimierung ergibt sich zum Beispiel aus der Ausnutzung des gesamten Brennraumvolumens zur Füllung mit brennfähigem Gemisch.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die von dem Verbrennungsmotor angesaugte Luftmenge soweit gedrosselt, dass der benötigte Wärmestrom bei einer geforderten Temperatur erreicht wird.
Zur Aufheizung eines NOx-Speicherkatalysators im Homogenbetrieb kann eine Abgaszusammensetzung eingestellt werden, die von der stöchiometrischen Abgaszusammensetzung abweicht.
Diese Erfindung basiert darauf, dass die Reaktion des nacheingespritzten Kraftstoffes einen Luftüberschuß im Brennraum erfordert. Dieser tritt bei Verbrennungsmotoren mit Benzindirekteinspritzung im wesentlichen im Schichtbetrieb auf. Dabei treten erhöhte Rohemissionen auf, da der zusätzlich eingespritzte Kraftstoff nicht vollständig im Brennraum verbrennt. Da im Schichtbetrieb außerdem die Abgastemperaturen eher kälter sind, können die erhöhten Emissionen nicht in den zu kalten Katalysatoren exotherm umgesetzt werden. Dadurch geht die Heizenergie des nicht im Brennraum verbrannten Kraftstoffes verloren.
Beim erfindungsgemäßen Vorgehen wird zuerst im Homogenbetrieb mit später Zündung heißes Abgas erzeugt. Dadurch wird die Temperatur der Katalysatoren bei deutlich geringeren Rohemissionen angehoben. Sind Mindesttemperaturen für die Katalysatoren erreicht, können die bei einer Nacheinspritzung auftretenden gesteigerten Rohemissionen in den Katalysatoren besser konvertiert werden. Dadurch wird der Vorteil einer erheblichen Reduktion der Emissionen und der Vorteil eines gesteigerten Wirkungsgrades der Wärmefreisetzung im Katalysator erreicht.
Durch Androsseln während der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung wird eine Abgaszusammensetzung nahe Lambda gleich 1 erreicht. Dadurch werden die Emissionen weiter abgesenkt, da die Konvertierung der Katalysatoren nochmals verbessert wird.
Im Falle der Aufheizung eines NOx-Speicherkatalysators im Homogenbetrieb wird eine Abgaszusammensetzung eingestellt, die von der stöchiometrischen Abgaszusammensetzung abweicht. Dadurch kann bei fettem Abgas das eingespeicherte NOx reduziert werden.
Bei magerem Abgas wird der NOx-Austrag verhindert, der bei Abgas mit Lambda gleich 1 und erhöhter Temperatur entstehen würde. Dadurch wird eine NOx-Spitze im Abgas vorteilhafterweise vermieden.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Blick auf die Figur erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 das technische Umfeld dar Erfindung.
Die 1 in der Fig. 1 repräsentiert den Brennraum eines Zylinders eines Verbrennungsmotors. Über ein Einlaßventil 2 wird der Zustrom von Luft zum Brennraum gesteuert. Die Luft wird über ein Saugrohr 3 angesaugt. Die Ansaugluftmenge kann über eine Drosselklappe 4 variiert werden, die von einem Steuergerät 5 angesteuert wird. Dem Steuergerät werden Signale über den Drehmomentwunsch des Fahrers, bspw. über die Stellung eines Fahrpedals 6, ein Signal über die Motordrehzahl n von einem Drehzahlgeber 7, ein Signal über die Menge ml der angesaugten Luft von einem Luftmengenmesser 8 und ein Signal Us über die Abgaszusammensetzung und/oder Abgastemperatur von einem Abgassensor 12 zugeführt.
Abgassensor 12 kann beispielsweise eine Lambdasonde sein, deren Nernstspannung den Sauerstoffgehalt im Abgas angibt und deren Innenwiderstand als Maß für die Sonden-, Abgas- und/oder Katalysator-Temperatur herangezogen wird. Das Abgas wird durch wenigstens einen Katalysator 15 geführt, in dem Schadstoffe aus dem Abgas konvertiert und/oder vorübergehend gespeichert werden.
Aus diesen und ggf. weiteren Eingangssignalen über weitere Parameter des Verbrennungsmotors wie Ansaugluft- und Kühlmitteltemperatur und so weiter bildet das Steuergerät 5 Ausgangssignale zur Einstellung des Drosselklappenwinkels alpha durch ein Stellglied 9 und zur Ansteuerung eines Kraftstoffeinspritzventils 10, durch das Kraftstoff in den Brennraum des Motors dosiert wird. Außerdem wird durch das Steuergerät die Auslösung der Zündung über eine Zündeinrichtung 11 gesteuert.
Der Drosselklappenwinkel alpha und die Einspritzimpulsbreite ti sind wesentliche, aufeinander abzustimmende Stellgrößen zur Realisierung des gewünschten Drehmomentes, der Abgaszusammensetzung und der Abgastemperatur. Eine weitere wesentliche Stellgröße zur Beeinflussung dieser Größen ist Winkellage der Zündung relativ zur Kolbenbewegung. Die Bestimmung der Stellgrößen zur Einstellung des Drehmomentes ist Gegenstand der DE 198 51 990, die insoweit in die Offenbarung einbezogen sein soll.
Weiterhin steuert das Steuergerät weitere Funktionen zur Erzielung einer effizienten Verbrennung des Kraftstoff/Luftgemisches im Brennraum, beispielsweise eine nicht dargestellte Abgasrückführung und/oder Tankentlüftung. Die aus der Verbrennung resultierende Gaskraft wird durch Kolben 13 und Kurbeltrieb 14 in ein Drehmoment gewandelt In diesem technischen Umfeld kann die Katalysatortemperatur gemessen werden oder aus Betriebsgrößen des Motors modelliert werden. Die Modellierung von Temperaturen im Abgastrakt von Verbrennungsmotoren ist beispielsweise aus der US 5 590 521 bekannt.
Für das Heizen mittels Nacheinspritzung fordert die erfindungsgemäße Motorsteuerung Mindesttemperaturen in den Katalysatoren. Bis diese erreicht sind, wird beispielsweise als erste Maßnahme Homogenbetrieb mit später Zündung gefordert und eingestellt. Sind die notwendigen Temperaturen erreicht, wird die Nacheinspritzung als mögliche Alternative erlaubt. Es erfolgt die Umschaltung auf Schichtbetrieb mit Nacheinspritzung um einen höheren Wärmestrom zu erzeugen. Dabei wird der Luftstrom soweit gedrosselt, dass der benötigte Wärmestrom bei einer geforderten Temperatur erreicht wird.
Die Androsselung erfolgt in einem ersten Ausführungsbeispiel durch ein gesteuertes Schließen der Drosselklappe um einen vorbestimmten Winkel oder auf einen vorbestimmten Öffnungswinkel. Mit anderen Worten: Die Androsselung erfolgt in diesem Beispiel ungeregelt. Die Gemischzusammensetzung sollte für eine maximale Wärmefreisetzung nahe bei Lambda gleich 1 sein. Durch dynamischen Fahrbetrieb mit wechselnden Drehmomentanforderungen kann es zu vorübergehenden Gemischanreicherungen zu Lambdawerten kleiner als Eins kommen. Dadurch können die Abgasemissionen in unerwünschter Weise verschlechtert werden.
Zur Vermeidung einer Abgasverschlechterung wird die Nacheinspritzung vorteilhafterweise mit Hilfe der vorhandenen Abgassonde geregelt. Dadurch kann ein Durchbruch von fettem Abgas verhindert werden. Dabei bezeichnet Durchbruch das Auftreten von HC-Emissionen hinter dem Katalystor. Als weiterer Vorteil wird die exotherme Energiefreisetzung bei Lambda gleich 1 maximal genutzt.
Im einzelnen wird aufgrund der Heizanforderung eine notwendige Kraftstoffmenge zur Nacheinspritzung bei maximal möglicher Androsselung ermittelt. Dabei muß neben der Heizanforderung auch der Luftbedarf der Nacheinspritzung und die Temperaturerhöhung durch die Androsselung berücksichtigt werden. Letzteres ist insbesondere wichtig, um Überhitzungen von Bauteilen im Abgastrakt zu verhindern.
Alternativ zur Regelung der nacheingespritzten Kraftstoffmenge über das gemessene Abgaslambda kann die Androsselung über das gemessene Abgaslambda geregelt werden.
Aus Sicherheitsgründen wird die Regelung so ausgelegt, dass der Regeleingriff lediglich verkleinernd, nicht aber vergrößernd auf die nacheinzuspritzende Kraftstoffmenge wirken kann. Unterstützend kann bei dauerhaft zu magerem Abgas anstelle einer Vergrößerung der nacheingespritzten Kraftstoffmenge die Androsselung verstärkt werden. Dabei darf ein minimaler Wert aus Gründen des Bauteileschutzes nicht unterschreitten werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Aufheizung eines Katalysators bei Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet,
dass ein Maß für die Temperatur des Katalysators gebildet wird und
dass unterhalb einer vorbestimmten Temperatur des Katalysators eine erste Heizmaßnahme erfolgt, bei der die Temperatur des Abgases erhöht wird
und dass oberhalb der vorbestimmten Temperatur alternativ oder ergänzend zur ersten Heizmaßnahme eine zweite Heizmaßnahme erfolgt, bei der dem Katalysator neben dem Abgas ein reaktionsfähiges Gemisch zugeführt wird, dessen Reaktion im Katalysator dort Wärme freisetzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Maßnahme eine Verschlechterung des Wirkungsgrades der motorischen Verbrennung über eine Änderung des Zündwinkels erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als zweite Maßnahme bei einem Motor mit Benzindirekteinspritzung nach der Verbrennung eine Kraftstoff-Nacheinspritzung erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nacheinspritzung mit Schichtbetrieb kombiniert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Verbrennungsmotor angesaugte Luftmenge soweit gedrosselt wird, dass der benötigte Wärmestrom bei einer geforderten Temperatur erreicht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Aufheizung eines NOx-Speicherkatalysators im Homogenbetrieb eine Abgaszusammensetzung eingestellt wird, die von der stöchiometrischen Abgaszusammensetzung abweicht.
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