DE19930086A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Es wird eine Brennkraftmaschine (1) insbesondere für ein Kraftfahrzeug beschrieben, die mit einem Brennraum (4) versehen ist, in den Kraftstoff in einer ersten Betriebsart während einer Ansaugphase oder in einer zweiten Betriebsart während einer Verdichtungsphase direkt von einem Einspritzventil (9) einspritzbar und von einer Zündkerze (10) entzündbar ist. Zum Zwecke des Entgiftens eines Speicherkatalysators wird eine zusätzliche späte Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum (4) durchgeführt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei dem Kraftstoff in einer ersten Betriebsart während einer Ansaugphase oder in einer zweiten Betriebsart während einer Verdichtungsphase direkt in einen Brennraum eingespritzt und entzündet wird. Ebenfalls betrifft die Erfindung ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs sowie eine Brennkraftmaschine insbesondere für ein Kraftfahrzeug.

Ein derartiges Verfahren, ein derartiges Steuergerät und eine derartige Brennkraftmaschine sind beispielsweise bei einer sogenannten Benzin-Direkteinspritzung bekannt. Dort wird der Kraftstoff in einem Homogenbetrieb während der Ansaugphase oder in einem Schichtbetrieb während der Verdichtungsphase in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Der Homogenbetrieb ist vorzugsweise für den Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine vorgesehen, während der Schichtbetrieb für den Leerlauf- und Teillastbetrieb geeignet ist. Ggf. sind auch noch weitere Betriebsarten vorgesehen. Beispielsweise in Abhängigkeit von dem angeforderten Drehmoment wird bei einer derartigen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine zwischen den genannten Betriebsarten umgeschaltet.

Insbesondere zur Ausführung des Schichtbetriebs ist es erforderlich, dass ein Speicherkatalysator vorhanden ist, mit dem entstehende Stickoxide zwischengespeichert werden können, um sie während eines nachfolgenden Homogenbetriebs in einem Dreiwegekatalysator zu reduzieren. Dieser Speicherkatalysator wird im Schichtbetrieb mit den Stickoxiden beladen und im Homogenbetrieb wieder entladen. Die Schwefelhaltigkeit des Kraftstoffs führt zu einer Vergiftung des Speicherkatalysators mit Schwefel. Es muss deshalb immer wieder eine sogenannte Schwefel-Entgiftung des Speicherkatalysators durchgeführt werden. Hierzu ist ein geeignetes Kraftstoff/Luftgemisch sowie eine Temperatur des dem Speicherkatalysator zugeführten Abgases erforderlich, die im normalen Betrieb der Brennkraftmaschine nicht bzw. nur bei einer hohen Last erreicht wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine zu schaffen, mit dem auch bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit niedrigen Lasten eine Schwefel-Entgiftung des Speicherkatalysators möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zum Zwecke des Entgiftens eines Speicherkatalysators eine zusätzliche späte Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum durchgeführt wird. Bei einem Steuergerät und einer Brennkraftmaschine der jeweils eingangs genannten Art wird die Aufgabe entsprechend gelöst.

Es findet somit eine Doppeleinspritzung statt. Zusätzlich zu der an sich stattfindenden Einspritzung im Schichtbetrieb oder im Homogenbetrieb wird zusätzlich eine noch spätere Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum durchgeführt. Dieser zusätzliche Kraftstoff führt zu einer verstärkten Verbrennung, die ihrerseits zu einer Erhöhung der Temperatur des Abgases führt. Dieses heißere Abgas gelangt dann zu dem Speicherkatalysator und hat dort eine Schwefel-Entgiftung zur Folge.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann jederzeit durchgeführt werden. Im Homogenbetrieb, wie auch im Schichtbetrieb kann die zusätzliche späte Einspritzung hinzugefügt werden. Damit ist es möglich, auch im normalen Betrieb der Brennkraftmaschine eine Schwefel-Entgiftung des Speicherkatalysators ohne größeren Aufwand durchzuführen.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die zusätzliche Einspritzung während der Expansionsphase oder während der Ausstoßphase von dem Einspritzventil durchgeführt. Damit wird gewährleistet, dass die zusätzliche Einspritzung später erfolgt als die normale Einspritzung im Schichtbetrieb oder im Homogenbetrieb.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der zusätzlich eingespritzte Kraftstoff von der Zündkerze entzündet wird. Damit wird gewährleistet, dass der zusätzliche Kraftstoff in jedem Fall verbrannt wird und nicht unverbrannt an die Umwelt abgegeben wird.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der zusätzliche Kraftstoff über einen vorgegebenen Zeitraum fortlaufend eingepritzt wird. Damit wird erreicht, dass eine vollständige Schwefel-Entgiftung des Speicherkatalysators durchgeführt wird. Der Zeitraum kann dabei von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine abhängen und kann ebenfalls applizierbar sein.

Besonder vorteilhaft ist es, wenn die Temperatur des Abgases auf etwa 650 Grad oder mehr erhöht wird und wenn die Entgiftung des Speicherkatalysators wiederholt wird. Auf diese Weise wird eine dauerhaft gleichbleibende Speicherfähigkeit des Speicherkatalysators erreicht.

Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Form eines Steuerelements, das für ein Steuergerät einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, vorgesehen ist. Dabei ist auf dem Steuerelement ein Programm abgespeichert, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor, ablauffähig und zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. In diesem Fall wird also die Erfindung durch ein auf dem Steuerelement abgespeichertes Programm realisiert, so dass dieses mit dem Programm versehene Steuerelement in gleicher Weise die Erfindung darstellt wie das Verfahren, zu dessen Ausführung das Programm geeignet ist. Als Steuerelement kann insbesondere ein elektrisches Speichermedium zur Anwendung kommen, beispielsweise ein Read-Only-Memory oder ein Flash-Memory.

Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.

In der Figur ist eine Brennkraftmaschine 1 eines Kraftfahrzeugs dargestellt, bei der ein Kolben 2 in einem Zylinder 3 hin- und herbewegbar ist. Der Zylinder 3 ist mit einem Brennraum 4 versehen, der unter anderem durch den Kolben 2, mindestens ein Einlassventil 5 und mindestens ein Auslassventil 6 begrenzt ist. Mit dem Einlassventil 5 ist ein Ansaugrohr 7 und mit dem Auslassventil 6 ist ein Abgasrohr 8 gekoppelt.

Im Bereich des Einlassventils 5 und des Auslassventils 6 ragen ein Einspritzventil 9 und eine Zündkerze 10 in den Brennraum 4. Über das Einspritzventil 9 kann Kraftstoff in den Brennraum 4 eingespritzt werden. Mit der Zündkerze 10 kann der Kraftstoff in dem Brennraum 4 entzündet werden.

In dem Ansaugrohr 7 ist eine drehbare Drosselklappe 11 untergebracht, über die dem Ansaugrohr 7 Luft zuführbar ist. Die Menge der zugeführten Luft ist abhängig von der Winkelstellung der Drosselklappe 11. In dem Abgasrohr 8 ist ein Katalysator 12 untergebracht, der der Reinigung der durch die Verbrennung des Kraftstoffs entstehenden Abgase dient.

Bei dem Katalysator 12 handelt es sich um einen Dreiwegekatalysator, der mit einem Speicherkatalysator oder einer Kombination eines Speicherkatalysators und eines Dreiwegekatalysators kombiniert ist. Der Katalysator 12 ist damit unter anderem dazu vorgesehen, Stickoxide (NO_x) zwischenzuspeichern.

Der Kolben 2 wird durch die Verbrennung des Kraftstoffs in dem Brennraum 4 in eine Hin- und Herbewegung versetzt, die auf eine nicht-dargestellte Kurbelwelle übertragen wird und auf diese ein Drehmoment ausübt.

Ein Steuergerät 18 ist von Eingangssignalen 19 beaufschlagt, die mittels Sensoren gemessene Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 darstellen. Beispielsweise ist das Steuergerät 18 mit einem Luftmassensensor, einem Lambda- Sensor, einem Drehzahlsensor und dergleichen verbunden. Des Weiteren ist das Steuergerät 18 mit einem Fahrpedalsensor verbunden, der ein Signal erzeugt, das die Stellung eines von einem Fahrer betätigbaren Fahrpedals und damit das angeforderte Drehmoment angibt. Das Steuergerät 18 erzeugt Ausgangssignale 20, mit denen über Aktoren bzw. Steller das Verhalten der Brennkraftmaschine 1 beeinflusst werden kann. Beispielsweise ist das Steuergerät 18 mit dem Einspritzventil 9, der Zündkerze 10, der Drosselklappe 11 und dergleichen verbunden und erzeugt die zu deren Ansteuerung erforderlichen Signale.

Unter anderem ist das Steuergerät 18 dazu vorgesehen, die Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 zu steuern und/oder zu regeln. Beispielsweise wird die von dem Einspritzventil 9 in den Brennraum 4 eingespritzte Kraftstoffmasse von dem Steuergerät 18 insbesondere im Hinblick auf einen geringen Kraftstoffverbrauch und/oder eine geringe Schadstoffentwicklung gesteuert und/oder geregelt. Zu diesem Zweck ist das Steuergerät 18 mit einem Mikroprozessor versehen, der in einem Speichermedium, insbesondere in einem Flash-Memory ein Programm abgespeichert hat, das dazu geeignet ist, die genannte Steuerung und/oder Regelung durchzuführen.

In einer ersten Betriebsart, einem sogenannten Homogenbetrieb der Brennkraftmaschine 1, wird die Drosselklappe 11 in Abhängigkeit von dem erwünschten Drehmoment teilweise geöffnet bzw. geschlossen. Der Kraftstoff wird von dem Einspritzventil 9 während einer durch den Kolben 2 hervorgerufenen Ansaugphase in den Brennraum 4 eingespritzt. Durch die gleichzeitig über die Drosselklappe 11 angesaugte Luft wird der eingespritzte Kraftstoff verwirbelt und damit in dem Brennraum 4 im Wesentlichen gleichmäßig verteilt. Danach wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch während der Verdichtungsphase verdichtet, um dann von der Zündkerze 10 entzündet zu werden. Durch die Ausdehnung des entzündeten Kraftstoffs wird der Kolben 2 angetrieben. Das entstehende Drehmoment hängt im Homogenbetrieb unter anderem von der Stellung der Drosselklappe 11 ab. Im Hinblick auf eine geringe Schadstoffentwicklung wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch möglichst auf den Bereich um Lambda gleich Eins eingestellt.

In einer zweiten Betriebsart, einem sogenannten Schichtbetrieb der Brennkraftmaschine 1, wird die Drosselklappe 11 weit geöffnet. Der Kraftstoff wird von dem Einspritzventil 9 während einer durch den Kolben 2 hervorgerufenen Verdichtungsphase in den Brennraum 4 eingespritzt, und zwar örtlich in die unmittelbare Umgebung der Zündkerze 10 sowie zeitlich in geeignetem Abstand vor dem Zündzeitpunkt. Dann wird mit Hilfe der Zündkerze 10 der Kraftstoff entzündet, so dass der Kolben 2 in der nunmehr folgenden Arbeitsphase durch die Ausdehnung des entzündeten Kraftstoffs angetrieben wird. Das entstehende Drehmoment hängt im Schichtbetrieb weitgehend von der eingespritzten Kraftstoffmasse ab. Im Wesentlichen ist der Schichtbetrieb für den Leerlaufbetrieb und den Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine 1 vorgesehen.

Der Speicherkatalysator des Katalysators 12 wird während des Schichtbetriebs mit Stickoxiden beladen. In einem nachfolgenden Homogenbetrieb wird der Speicherkatalysator wieder entladen und die Stickoxide werden von dem Dreiwegekatalysator reduziert. Der Speicherkatalysator nimmt während seines Betriebs mit der Zeit Schwefel auf. Dies führt zu einer Einschränkung der Speicherfähigkeit des Speicherkatalysators. Aus diesem Grund muss immer wieder ein sogenanntes Schwefel-Entgiften stattfinden.

Zur Durchführung des Schwefel-Entgiftens ist es erforderlich, dem Katalysator 12 über einen vorgegebenen Zeitraum Abgas zuzuführen, das heißer als üblich ist, das also eine vorgegebene Temperatur überschreitet. Bei dieser Temperatur kann es sich beispielsweise um 650 Grad handeln. Ebenfalls muss dieses Abgas zumindest zeitweise unterstöchiometrisch gemischt sein.

Zu diesem Zweck wird die Brennkraftmaschine 1 in einer Betriebsart betrieben, die dem sogenannten Kat-Heizen entspricht. Diese Betriebsart wird an sich dazu verwendet, den Katalystor 12 in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine 1 schnell auf seine Betriebstemperatur aufzuheizen, sofern er diese noch nicht erreicht hat.

Bei der Betriebsart des Kat-Heizens wird zusätzlich zu der an sich stattfindenden Einspritzung von Kraftstoff während der Ansaugphase oder während der Verdichtungsphase eine zweite späte Einspritzung von Kraftstoff nach der Verdichtungsphase durchgeführt. Bei dem Kat-Heizen handelt es sich somit um eine Doppeleinspritzung, bei der zusätzlicher Kraftstoff während der Expansionsphase oder während der Ausstoßphase in den Brennraum 4 der Brennkraftmaschine 1 direkt eingespritzt wird.

Dieser zusätzliche Kraftstoff wird in dem Brennraum 4 oder im Abgasrohr 8 bzw. im Bereich des Auspuffs zur Entzündung gebracht und verbrannt. Dies kann entweder direkt mit Hilfe der Zündkerze 10 erfolgen. Ebenfalls ist es möglich, dass ohne Zutun der Zündkerze 10 aufgrund der bereits ablaufenden Verbrennung automatisch auch der zusätzliche Kraftstoff sich entzündet und verbrennt.

Durch den spät eingespritzten zusätzlichen Kraftstoff wird die Temperatur des Abgases erhöht. Die Temperatur erreicht dabei Werte von etwa 650 Grad und höher. Wie gesagt, wird diese Temperaturerhöhung an sich dazu verwendet, den Katalysator 12 schnell auf seine Betriebstemperatur aufzuheizen.

Vorliegend wird das Kat-Heizen jedoch dazu verwendet, dass aufgrund der erhöhten Temperatur des Abgases der Speicherkatalysator entgiftet wird. Es wird also das Kat- Heizen für den vorgegebenen, für das Schwefel-Entgiften erforderlichen Zeitraum durchgeführt. Dies führt zu einer erhöhten Temperatur des Abgases, was - wie erläutert wurde - zur Entgiftung des Speicherkatalysators des Katalysators 12 führt.

Dieses Schwefel-Entgiften des Speicherkatalysators mittels einer zusätzlichen späten Einspritzung von Kraftstoff wird daraufhin immer wieder wiederholt oder nach sonstigen Kriterien erneut durchgeführt, so dass die Speicherfähigkeit des Speicherkatalysators erhalten bleibt.

Claims (9)

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei dem Kraftstoff in einer ersten Betriebsart während einer Ansaugphase oder in einer zweiten Betriebsart während einer Verdichtungsphase direkt von einem Einspritzventil (9) in einen Brennraum (4) eingespritzt und von einer Zündkerze (10) entzündet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke des Entgiftens eines Speicherkatalysators eine zusätzliche späte Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum (4) durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Einspritzung während der Expansionsphase oder während der Ausstoßphase von dem Einspritzventil (9) durchgeführt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzlich eingespritzte Kraftstoff von der Zündkerze (10) entzündet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Kraftstoff über einen vorgegebenen Zeitraum fortlaufend eingespritzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Abgases auf etwa 650 Grad oder mehr erhöht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entgiftung des Speicherkatalysators wiederholt wird.

7. Steuerelement, insbesondere Flash-Memory, für ein Steuergerät (18) einer Brennkraftmaschine (1) insbesondere eines Kraftfahrzeugs, auf dem ein Programm abgespeichert ist, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor, ablauffähig und zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 geeignet ist.

8. Steuergerät (18) für eine Brennkraftmaschine (1) insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei die Brennkraftmaschine (1) einen Brennraum (4) aufweist, in den Kraftstoff in einer ersten Betriebsart während einer Ansaugphase oder in einer zweiten Betriebsart während einer Verdichtungsphase direkt von einem Einspritzventil (9) einspritzbar und von einer Zündkerze (10) entzündbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Steuergerät (18) zum Zwecke des Entgiftens eines Speicherkatalysators eine zusätzliche späte Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum (4) durchführbar ist.

9. Brennkraftmaschine (1) insbesondere für ein Kraftfahrzeug mit einem Brennraum (4), in den Kraftstoff in einer ersten Betriebsart während einer Ansaugphase oder in einer zweiten Betriebsart während einer Verdichtungsphase direkt von einem Einspritzventil (9) einspritzbar und von einer Zündkerze (10) entzündbar ist, und mit einem Steuergerät (18), dadurch gekennzeichnet, dass durch das Steuergerät (18) zum Zwecke des Entgiftens eines Speicherkatalysators eine zusätzliche späte Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum (4) durchführbar ist.