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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung von
Emissionen in den Abgasen von Brennkraftmaschinen, die zumindest
einen Zylinder aufweisen, welchem ein Luft/Kraftstoffgemisch zugeführt wird,
wenn eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zur Drehung veranlasst
werden soll, zumindest ein Einlassventil, zumindest ein Auslassventil,
Steuerteile zum Steuern des Öffnens
und Schließens
der Einlass- und Auslassventile, und einen Kolben, der sich zwischen
einer oberen Totpunktposition und einer unteren Totpunktposition
in dem Zylinder hin- und herbewegt, wobei das Auslassventil so gesteuert
wird, dass es öffnet,
bevor der Kolben durch die untere Totpunktposition hindurchgegangen
ist, und schließt,
bevor das Einlassventil öffnet
(siehe beispielsweise die EP-A-735246 oder die US-A-5,845,613).
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Bei
Brennkraftmaschinen ist es wünschenswert,
die unerwünschten
Emissionen zu verringern, die in den Abgasen der Brennkraftmaschine
vorhanden sind, um so die Umweltverschmutzung zu verringern, und
den gesetzlichen Anforderungen für
Brennkraftmaschinen zu genügen.
Die unerwünschten Emissionen,
die in den Abgasen vorhanden sind, umfassen unter anderem Kohlenmonoxid
CO, Kohlenwasserstoffverbindungen HC, und Stickoxide NOx.
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Um
diese Emissionen in den Abgasen zu verringern, ist die Brennkraftmaschine
mit einem Katalysator versehen, der mit Hilfe einer chemischen Reaktion
die erwähnten
Emissionen vollständig
verbrennt. Die chemische Reaktion in dem Katalysator tritt nur dann
auf, wenn der Katalysator eine vorbestimmte Arbeitstemperatur erreicht
hat, die nach einer vorbestimmten Betriebszeit der Brennkraftmaschine
erreicht wird. Beim Kaltstart der Brennkraftmaschine ist daher keine
Verringerung der erwähnten
Emissionen in dem Katalysator vorhanden.
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Es
gibt bekannte Anordnungen, die den Katalysator erwärmen, wenn
ein Kaltstart der Brennkraftmaschine erfolgt, damit schnell eine
gewünschte Arbeitstemperatur
des Katalysators erreicht wird, um es so zu ermöglichen, die Emissionen in
dem Abgas der Brennkraftmaschine zu einem frühen Zeitpunkt zu verringern.
Bei einer derartigen bekannten Anordnung ist ein elektrisches Heizelement
in dem Katalysator angeordnet. Diese Anordnung macht den Katalysator
kompliziert und teuer in der Herstellung.
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Ein
weiteres Problem, das beim Kaltstart von Brennkraftmaschinen auftritt,
besteht darin, dass eine relativ große Kraftstoffmenge im Vergleich
zur zugeführten
Luft, also ein fettes Luft/Kraftstoffgemisch, der Brennkraftmaschine
zugeführt
werden muss, damit die Brennkraftmaschine startet, und die Brennkraftmaschine
mit im wesentlichen konstanter Drehzahl im Leerlauf arbeiten kann.
Dieses fette Luft/Kraftstoffgemisch wird auch zu dem Zweck zugeführt, damit
die Brennkraftmaschine dazu fähig
ist, ein erhöhtes
Drehmoment zur Verfügung
zu stellen, wenn das Gaspedal betätigt wird. Das Fahrverhalten der
Brennkraftmaschine wird auf diese Art und Weise sichergestellt,
bevor die Brennkraftmaschine ihre Betriebstemperatur erreicht hat.
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Das
Fehlen der Emissionssteuerung in dem Katalysator und das fette Luft/Kraftstoffgemisch
führen
dazu, dass der Anteil an Kohlenmonoxid CO, Kohlenwasserstoffverbindungen
HC und Stickoxiden NOx, die von der Brennkraftmaschine abgegeben werden,
hoch ist, wenn ein Kaltstart der Brennkraftmaschine erfolgt.
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Es
wurden bereits Versuche unternommen, die Kraftstoffmenge im Vergleich
zur zugeführten
Luft zu verringern, also die Brennkraftmaschine mit einem magereren
Luft/Kraftstoffgemisch zu betreiben, wenn ein Kaltstart der Brennkraftmaschine
erfolgt. Allerdings hat dies dazu geführt, dass die Brennkraftmaschine
im Leerlauf sehr ungleichmäßig läuft, und auch
das Fahrverhalten der Brennkraftmaschine schlecht ist. Der Grund
dafür,
dass sich die Drehzahl im Leerlauf ändert, besteht darin, dass
das von der Brennkraftmaschine erzeugte Drehmoment sehr empfindlich
auf Änderungen
des Lambda-Wertes des Luft/Kraftstoffgemisches reagiert, das dem
Zylinderraum der Brennkraftmaschine zugeführt wird, wenn das Luft/Kraftstoffgemisch
mager ist. Die Definition des Lambda-Wertes, oder auch als Luftüberschussfaktor
bekannt, ist die tatsächliche,
zugeführte
Luftmenge, dividiert durch die Luftmenge, die theoretisch für eine vollständige Verbrennung
erforderlich ist. Ist der Lambda-Wert größer als Eins, ist das Luft/Kraftstoffgemisch
mager, und wenn der Lambda-Wert kleiner als Eins ist, ist das Luft/Kraftstoffgemisch
fett.
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Der
Kraftstoff, der von einem Kraftstoffeinspritzventil zugeführt wird,
kann exakt mit Hilfe des Kraftstoffeinspritzsystems der Brennkraftmaschine gesteuert
oder geregelt werden, um so einen im wesentlichen konstanten Lambda-Wert
für das
zugeführte
Luft/Kraftstoffgemisch zu erhalten. Wenn die Brennkraftmaschine
kalt ist, kondensiert jedoch Kraftstoff auf den vergleichsweise
kalten Wänden
im Einlasskanal und im Zylinder. Der Kraftstoff, der sich auf den
Wänden
niedergeschlagen hat, wird im Leerlauf verdampft, und wird von dem
Luft/Kraftstoffgemisch mitgeführt,
das in den Einlasskanal fließt,
und dem Zylinderraum zugeführt
wird. Wenn die Verdampfung des Kraftstoffs ungleichmäßig ist,
der sich auf den Wänden
niedergeschlagen hat, infolge von Druckänderungen, Temperaturgradienten,
oder der Flussrate des Luft/Kraftstoffgemisches im Einlasskanal,
tritt eine Änderung
des Lambda-Wertes des dem Zylinderraum zugeführten Luft/Kraftstoffgemisches auf.
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Da
sich das von der Brennkraftmaschine erzeugte Drehmoment im Leerlauf ändert, wenn
ein Kaltstart erfolgt, ändert
sich die Drehzahl der Brennkraftmaschine. Hierbei ist mit Drehzahl
der Brennkraftmaschine die Drehzahl der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine
gemeint. Ändert
sich die Drehzahl, so ändert
sich auch der Druck im Einlasskanal, was wiederum dazu führt, dass
sich die Verdampfung des niedergeschlagenen Kraftstoffs ändert, so
dass eine Änderung
des Lambda-Wertes des Luft/Kraftstoffgemisches auftritt, das dem
Zylinderraum zugeführt
wird. Auf diese Weise wird die Schwankung der Drehzahl der Brennkraftmaschine
verstärkt.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, Kohlenmonoxid CO,
Kohlenwasserstoffverbindungen HC und Stickoxide NOx in den Abgasen
einer Brennkraftmaschine bei deren Kaltstart zu verringern.
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Ein
anderes ziel der Erfindung besteht darin, zu ermöglichen, dass eine Brennkraftmaschine
mit einem mageren Luft/Kraftstoffgemisch arbeiten kann.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, die Arbeitstemperatur
des Katalysators so schnell wie möglich zu erreichen.
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Dies
wird durch ein Verfahren jener Art erzielt, das in der Einleitung
angegeben ist, und welches folgende Schritte umfasst: ein Luft/Kraftstoffgemisch
mit einem Lambda-Wert von größer als
Eins wird dem Zylinder zugeführt,
und das Einlassventil wird so gesteuert, dass es während des
Ansaughubes öffnet,
nachdem der Kolben durch die obere Totpunktposition hindurchgegangen
ist.
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Durch
Zuführen
eines Luft/Kraftstoffgemisches von mehr als Eins zum Zylinder werden
die Emissionen der von der Brennkraftmaschine abgegebenen Abgase
verringert. Die Brennkraftmaschine arbeitet mit im Wesentlichen
konstanter Drehzahl im Leerlauf, wenn das Einlassventil so gesteuert
wird, dass es öffnet,
nachdem der Kolben durch die obere Totpunktposition hindurchgegangen
ist, und wenn das Auslassventil so gesteuert wird, dass es schließt, bevor
das Einlassventil öffnet.
Auf diese Weise wird verhindert, dass Abgase in den Einlasskanal
fließen, was
dazu führt,
dass eine gleichmäßige Verdampfung
des Kraftstoffs erzielt wird, der sich auf den Wänden des Einlasskanals niedergeschlagen
hat. Durch Öffnen
des Einlassventils, nachdem der Kolben die obere Totpunktposition
durchquert hat, wird eine kräftige
Wirbelbildung des dem Zylinderraum zugeführten Luft/Kraftstoffgemisches
erzielt. Durch Steuern des Auslassventils so, dass es öffnet, bevor der
Kolben die untere Totpunktposition durchquert hat, wird der Expansionshub
des Kolbens in dem Zylinder unterbrochen, und fließen sehr
heiße
Abgase durch den Auslasskanal und weiter zum Katalysator, der auf
diese Weise schnell erwärmt
wird.
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Die
Erfindung wird genauer nachstehend anhand einer beispielhaften Ausführungsform
beschrieben, die in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt ist, wobei
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1 einen
Schnitt durch eine Brennkraftmaschine zeigt,
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2 ein
Diagramm der Öffnungs-
und Schließzeiten
sowohl von Einlass- und Auslassventilen zeigt, und
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3 ein
Diagramm der Erwärmungszeit des
Katalysators bei einer herkömmlich
gesteuerten Brennkraftmaschine und einer Brennkraftmaschine zeigt,
die nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung gesteuert wird.
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1 zeigt
eine Brennkraftmaschine 1, die zumindest einen Zylinder 2 aufweist,
welchem ein Luft/Kraftstoffgemisch zugeführt wird, wenn eine Kurbelwelle 3 der
Brennkraftmaschine 1 zur Drehung veranlasst wird. Zumindest
ein Einlassventil 4 ist so angeordnet, dass es Einlasskanäle 5 öffnet und schließt, die
an den Zylinder 2 angeschlossen sind, und durch welche
ein Luft/Kraftstoffgemisch zugeführt
wird, wenn die Brennkraftmaschine 1 arbeitet. Die Brennkraftmaschine 1 weist
weiterhin Steuerteile 8 auf, die so angeordnet sind, dass
sie das Öffnen und
Schließen
der Einlass- und Auslassventile 4, 6 steuern.
Bei der in 1 gezeigten, beispielhaften Ausführungsform
bestehen die Steuerteile 8 aus Nockenwellen, die so eingestellt
werden können,
dass der Öffnungs-
und Schließzeitpunkt
der Einlass- und Auslassventile 4, 6 geändert werden
können.
Dies wird beispielsweise durch eine Regelanordnung 9 erzielt,
die schematisch in 1 dargestellt ist, und auf eine
an sich bekannte Art und Weise die Nockenwellen hydraulisch dreht.
Es sind auch andere Steuerteile 8 möglich, beispielsweise elektromagnetisch
gesteuerte Ventile. Ein Kolben 10, der sich zwischen einer
oberen und einer unteren Totpunktposition in dem Zylinder 2 hin-
und herbewegt, ist auf der Kurbelwelle 3 mit Hilfe einer
Verbindungsstange 11 angebracht. Die Brennkraftmaschine 1 ist
vorzugsweise eine Vierzylinder-Viertakt-Maschine.
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Eine
beispielhafte Ausführungsform
des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in 2 gezeigt, die ein Diagramm
der Öffnungs-
und Schließzeiten
sowohl der Einlass- als
auch Auslassventile 4, 6 zeigt. Während des
Ansaughubes wird ein Luft/Kraftstoffgemisch mit einem Lambda-Wert von
größer als
Eins dem Zylinder 2 zugeführt. Der Lambda-Wert liegt
im Wesentlichen im Bereich von 1,1 bis 1,4, und bevorzugt im Bereich
von 1,1 bis 1,2. Der Gehalt an Kohlemonoxid CO, Kohlenwasserstoffverbindungen
HC und Stickoxiden NOx in den Abgasen hängt unter anderem vom Mischverhältnis des
Luft/Kraftstoffgemisches ab, das dem Zylinder 2 zugeführt wird.
Dieses Mischverhältnis
wird normalerweise durch einen Lambda-Wert angegeben. Die Definition
des Lambda-Wertes, der auch als Luftüberschussfaktor bekannt ist,
ist die tatsächliche
Luftmenge, die zugeführt
wird, dividiert durch die Luftmenge, die theoretisch benötigt wird.
Ist der Lambda-Wert größer als
Eins, ist das Luft/Kraftstoffgemisch mager, und wenn der Lambda-Wert
kleiner als Eins ist, ist das Luft/Kraftstoffgemisch fett. Das Ziel besteht
darin, ein mageres Luft/Kraftstoffgemisch zu liefern, wenn die Brennkraftmaschine
kalt ist, so dass der Anteil an Kohlenmonoxid CO, Kohlenwasserstoffverbindungen
HC, und Stickoxiden NOx, die von der Brennkraftmaschine 1 in
Form von Abgasen abgegeben werden, niedrig ist.
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Damit
der Betrieb der Brennkraftmaschine 1 nicht ungleichmäßig wird,
wenn ein mageres Luft/Kraftstoffgemisch zugeführt wird, aus den in der Einleitung
der Beschreibung angegebenen Gründen, wird
das Einlassventil 4 so gesteuert, dass es öffnet, nachdem
der Kolben 10 die obere Einlassventils 4 so, dass
es während
des Ansaughubes bei einem Kurbelwellenwinkel von 20° bis 100° hinter der
oberen Totpunktposition öffnet,
vorzugsweise bei einem Kurbelwellenwinkel von 30° nach der oberen Totpunktposition,
wird ein Unterdruck in dem Zylinder 2 erzeugt. Erforderlich
für die
Erzeugung eines Unterdrucks im Zylinder 2 ist jedoch, dass
das Auslassventil 6 so gesteuert wird, dass es schließt, bevor
das Einlassventil 4 öffnet.
Das Auslassventil 6 wird vorzugsweise so gesteuert, dass
es schließt,
wenn sich der Kolben 10 am oberen Totpunkt befindet. Sowohl das
Auslassventil 6 als auch das Einlassventil 4 werden
daher zum selben Zeitpunkt geschlossen, wenn sich der Kolben 10 nach
unten in Richtung zur unteren Totpunktposition bewegt, was dazu
führt,
dass ein Unterdruck im Zylinder 2 erzeugt wird. Es ist
allerdings möglich,
das Auslassventil 6 zu schließen, nachdem der Kolben 10 die
obere Totpunktposition durchquert hat, da das Einlassventil 4 so
gesteuert wird, dass es öffnet,
nachdem der Kolben 10 die obere Totpunktposition durchquert
hat. Wenn dann das Einlassventil 4 geöffnet wird, fließt das Luft/Kraftstoffgemisch
in den Zylinder 2 mit einer hohen Flussrate, infolge des
Unterdrucks im Zylinder 2. Diese hohe Flussrate trägt zu einer
wünschenswerten
Wirbelbildung und daher Mischung des Luft/Kraftstoffgemisches bei.
Durch Öffnen
des Einlassventils 4 wird, wie voranstehend beschrieben,
verhindert, dass Abgase in den Einlasskanal 5 fließen. Würden Abgase in
den Einlasskanal 5 fließen, würde dies die Verdampfung von
Kraftstoff beeinflussen, der sich auf den Wänden des Einlasskanals 5 niedergeschlagen hat,
was zu einer Änderung
des Drehmoments der Kurbelwelle 3 der Brennkraftmaschine 1 führen würde, und
daher zu einem ungleichmäßigen Betrieb
der Brennkraftmaschine 1. In diesem Zusammenhang ist mit
dem Kurbelwellenwinkel der Winkel gemeint, um welchen sich die Kurbelwelle 3 gedreht
hat, seit dem sich der Kolben 10 in der oberen Totpunktposition
befand. Wenn sich der Kolben 10 in der oberen Totpunktposition
befindet, ist daher der Kurbelwellenwinkel gleich Null.
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Das
Einlassventil 4 kann so gesteuert werden, dass es schließt, nachdem
der Kolben 10 die untere Totpunktposition erreicht hat.
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Wenn
eine kalte Brennkraftmaschine 1 gestartet wird, ist auch
ein Katalysator 12 kalt, der bei der Brennkraftmaschine 1 vorgesehen
ist. Wie in der Einleitung der Beschreibung erwähnt, muss der Katalysator 12 eine
bestimmte Arbeitstemperatur erreichen, damit der Katalysator 12 wirksam
die toxischen Emissionen in den Abgasen der Brennkraftmaschine 1 verringern
kann. Das Zünden
des Luft/Kraftstoffgemisches, das dem Zylinder 2 zugeführt wird,
wird bei einem Kurbelwellenwinkel von 10° vor bis 30° nach der oberen Totpunktposition
durchgeführt,
vorzugsweise bei einem Kurbelwellenwinkel von 0° bis 10° nach der oberen Totpunktposition.
Durch Steuern des Auslassventils 6 gemäß dem Vorschlag des Verfahrens
gemäß der vorliegenden
Erfindung, so dass dieses öffnet,
bevor der Kolben 10 die untere Totpunktposition während des
Expansionshubes durchlaufen hat, wird die Expansion unterbrochen,
und fließen
daher sehr heiße
Abgase durch den Auslasskanal 7 und weiter zum Katalysator 12.
Daher wird der Katalysator 12 sehr schnell auf die gewünschte Arbeitstemperatur
durch die heißen
Abgase erwärmt. Es
hat sich herausgestellt, dass dann, wenn das Auslassventil 6 so
gesteuert wird, dass es sich bei einem Kurbelwellenwinkel von 90° bis 130° hinter der
oberen Totpunktposition öffnet,
vorzugsweise bei einem Kurbelwellenwinkel von 100° hinter der
oberen Totpunktposition, die Arbeitstemperatur des Katalysators 12 sehr
schnell erreicht wird. Die Öffnungszeit des Auslassventils 6 ist
daher relativ lang. 3 zeigt ein Diagramm der Erwärmungszeit
des Katalysators 12 für
eine herkömmlich
gesteuerte Brennkraftmaschine und für eine Brennkraftmaschine 1, die
nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung gesteuert wird. Die durchgezogene Kurve in 3 betrifft
die Erwärmungszeit
des Katalysators 12 für
eine Brennkraftmaschine, die nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung gesteuert wird, und die gestrichelte Linie betrifft die
Erwärmungszeit
des Katalysators für
eine herkömmlich
gesteuerte Brennkraftmaschine. Wie aus dem Diagramm von 3 hervorgeht,
erreicht der Katalysator 12 der Brennkraftmaschine, die
mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung gesteuert wird, die Arbeitstemperatur To schneller als
der Katalysator der herkömmlichen
gesteuerten Brennkraftmaschine.
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Die
Brennkraftmaschine 1 kann mit Hilfe eines Abgasturboladers
oder eines mechanischen Kompressors (nicht gezeigt) aufgeladen werden.
Bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine 1 wird Energie
von dem Kompressor oder dem Turbolader geliefert, so dass die Verbrennungstemperatur
nach der Expansion in dem Zylinder noch weiter zunimmt. Daher kann
der Katalysator noch schneller erwärmt werden.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
wird vorzugsweise eingesetzt, wenn die Temperatur des Katalysators 12 niedriger
ist als dessen Arbeitstemperatur To. Ein Sensor (nicht gezeigt)
kann bei dem Katalysator 12 vorgesehen sein, um die Temperatur des
Katalysators 12 zu bestimmen. Alternativ kann die Temperatur
der Brennkraftmaschine 1 gemessen werden, um so die Temperatur
des Katalysators 12 abzuschätzen. Wenn die Arbeitstemperatur
To des Katalysators 12 erreicht wurde, werden die Einlass- und
Auslassventile 4, 6 und die Zündung so gesteuert, dass die
Brennkraftmaschine 1 optimal für die vorhandenen Betriebsbedingungen
arbeitet.