DE10115968B4

DE10115968B4 - Verfahren zur Erwärmung eines Katalysators

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Publication number: DE10115968B4
Application number: DE10115968A
Authority: DE
Inventors: Dr. Pott Ekkehard; Eric Bree; Dr. Philipp Kai; Dr. Zillmer Michael
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2001-03-27
Filing date: 2001-03-27
Publication date: 2012-08-16
Anticipated expiration: 2021-03-28
Also published as: DE10115968A1; FR2822900A1; FR2822900B1

Abstract

Verfahren zur Erwärmung mindestens eines in einer Abgasanlage einer fremdgezündeten und eine Direkteinspritzung aufweisenden Verbrennungskraftmaschine (10) angeordneten Katalysators (16, 18), wobei insbesondere nach einem Motorstartende (t0) der Verbrennungskraftmaschine (10) zumindest zeitweise eine Abgastemperatur und/oder eine Katalysatortemperatur (TKat) durch mindestens eine motorische Maßnahme angehoben wird, wobei die motorische Maßnahme eine Zündwinkelverstellung und/oder eine Mehrfacheinspritzung (ME), bei der innerhalb eines Arbeitsspiels eines Zylinders (12) der Verbrennungskraftmaschine (10) mindestens zwei Kraftstoffeinspritzungen in den Zylinder (12) durchgeführt werden und eine erste Einspritzung während eines Ansaugtaktes des Arbeitsspiels und eine zweite Einspritzung während eines Verdichtungstaktes erfolgt, umfasst, und wobei der Warmlaufbetrieb mit mindestens zwei Parametersätzen (PE, PT) zur Steuerung der Verbrennungskraftmaschine (10) durchgeführt wird, zwischen denen in Abhängigkeit von Betriebsdaten der Verbrennungskraftmaschine (10) und/oder der Abgasanlage schrittweise oder fließend umgeschaltet wird, und mindestens ein erster, emissionsoptimierter Parametersatz (PE) hinsichtlich einer niedrigen Schadstoffemission ausgelegt ist und mindestens ein zweiter, temperaturoptimierter Parametersatz (PT) hinsichtlich der Erreichung einer...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erwärmung mindestens eines in einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten Katalysators, insbesondere nach einem Motorstart, mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.
Katalysatoren werden in Abgastrakten von Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt, um eine Konvertierung von Schadstoffen in Abgasen der Verbrennungskraftmaschine in weniger umweltrelevante Komponenten vorzunehmen. Um ihre Betriebsbereitschaft zu erhalten, müssen Katalysatoren sich mindestens auf eine katalysatorspezifsche Anspring- oder Light-off-Temperatur erwärmt haben. Da der Katalysator insbesondere nach einem Motorkaltstart der Verbrennungskraftmaschine für eine gewisse Zeitspanne seine Anspringtemperatur in aller Regel noch nicht aufweist, gelangen die Schadstoffe des Abgases während dieser Zeitspanne weitgehend unkonvertiert in die Atmosphäre. Verschiedene Strategien sind zur Beschleunigung eines Katalysatorwarmlaufs und zur Reduzierung der Schadstoffemission während des Warmlaufs bekannt.
Häufig werden kleinvolumige Vorkatalysatoren an einer motornahen Position der Abgasanlage eingesetzt. Die Vorkatalysatoren erreichen wegen ihrer geringen thermischen Masse und ihrer motornahen Lage relativ schnell ihre Anspringtemperatur und überbrücken damit eine Zeitspanne, bis auch ein weiter stromab angeordneter, großvolumiger Hauptkatalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat.
Üblich ist ferner, einen Zündwinkel, an dem eine Zündung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in einem Zylinder erfolgt, während des Warmlaufs in Richtung spät bezüglich eines Zündwinkels mit höchstem Wirkungsgrad zu verstellen. Durch diese Zündwinkelspätverstellung wird der Arbeitswirkungsgrad der Verbrennung vermindert und gleichzeitig eine Abgastemperatur erhöht. Das Verfahren der Spätzündung findet seine Begrenzung bei Zündwinkeln, bei denen eine Laufunruhe der Verbrennungskraftmaschine in unzulässiger Weise steigt oder eine zuverlässige Zündung nicht mehr gewährleistet werden kann. Weitere Verfahren, beispielsweise eine Späteinspritzung von Kraftstoff nach Zündung vor oder nach einem Brennende, zielen auf die Freisetzung von Verbrennungsenergie unmittelbar am Katalysator bei der Konvertierung des im Zylinder nicht verbrannten Kraftstoffes ab. Nachteile dieser Verfahren sind häufig eine vermehrte Rußbildung und Probleme der Brennstabilität sowie der Darstellung stabiler Motormomente unter Last.
Ein weiteres Verfahren zur Erhöhung der Abgastemperatur wird durch eine so genannte Mehrfacheinspritzung eröffnet, welche in jüngster Zeit für direkteinspritzende, fremdgezündete Verbrennungskraftmaschinen beschrieben wurde, bei denen der Kraftstoff mittels Einspritzventilen direkt in einen Brennraum eines Zylinders eingespritzt wird ( WO 00/08328 A1 , EP 0 982 489 A2 , WO 00/57045 A1 ). Dabei wird eine während eines Arbeitsspiels eines Zylinders zuzuführende Kraftstoffgesamtmenge aufgeteilt in zwei Portionen mit zwei Einspritzvorgängen einem Brennraum des Zylinders zugeführt. Eine erste, frühe Einspritzung (Homogeneinspritzung) erfolgt während eines Ansaugtaktes des Zylinders derart, dass die eingespritzte Kraftstoffmenge zum nachfolgenden Zündzeitpunkt eine zumindest weitgehend homogene Verteilung im Brennraum aufweist. Eine zweite, späte Einspritzung (Schichteinspritzung) wird dagegen während eines anschließenden Verdichtungstaktes, insbesondere während der zweiten Hälfte des Verdichtungstaktes, durchgeführt und führt zu einer so genannten Schichtladung, bei der die eingespritzte Kraftstoffwolke sich im Wesentlichen im Bereich um eine Zündkerze des Zylinders konzentriert. Somit liegt im Mehrfacheinspritzungsbetrieb der Verbrennungskraftmaschine ein Mischbetrieb aus Schichtladung und Homogenladung vor. Der Mehrfacheinspritzungsbetrieb führt wegen seines speziell gearteten Brennverlaufs zu einer erhöhten Abgastemperatur gegenüber reinem Homogenbetrieb. Daneben besteht ein weiterer Vorteil der Mehrfacheinspritzung in einer verminderten Rohemission von Stickoxiden NO_x und unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC, die insgesamt zu einer Senkung des Schadstoffdurchbruchs während der Warmlaufphase führt.
Aus WO 00/08328 A1 ist ferner bekannt, die Mehrfacheinspritzung mit einer Spätzündung zu kombinieren, wobei beide Maßnahmen gleichzeitig eingesetzt werden.
Die DE 198 11 257 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung eines Beladungszustandes eines NOx-Speichers eines Speicherkatalysators. Dazu wird die Abgastemperatur gemessen und diese bildet zusammen mit anderen Parametern des Motorbetriebs ein Maß für den Beladungsgrad des NOx-Speichers. Die Bestimmung des Beladungszustandes des NOx-Speichers und damit des Zeitpunktes zur Einleitung einer Regeneration kann mittels Fuzzy-Logic-Verfahren erfolgen.
Problematisch an praktisch allen Heizmaßnahmen gegenüber einem Betrieb bei optimalem Motorwirkungsgrad ist eine erhöhte Rohemission von Schadstoffen, die aufgrund des noch nicht oder nur bedingt betriebsbereiten Katalysators nicht umgesetzt werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Warmlauf eines Katalysators bereitzustellen, das eine möglichst schnelle Katalysatorerwärmung bei gleichzeitig möglichst geringer Schadstoffemission gewährleistet.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Erwärmung mindestens eines in einer Abgasanlage einer fremdgezündeten und eine Direkteinspritzung aufweisenden Verbrennungskraftmaschine angeordneten Katalysators gelöst. Insbesondere nach einem Motorstartende (t₀) der Verbrennungskraftmaschine wird zumindest zeitweise eine Abgastemperatur und/oder eine Katalysatortemperatur (T_Kat) durch mindestens eine motorische Maßnahme angehoben. Die motorische Maßnahme umfasst eine Zündwinkelverstellung und/oder eine Mehrfacheinspritzung (ME), bei der innerhalb eines Arbeitsspiels eines Zylinders der Verbrennungskraftmaschine mindestens zwei Kraftstoffeinspritzungen in den Zylinder durchgeführt werden und eine erste Einspritzung während eines Ansaugtaktes des Arbeitsspiels und eine zweite Einspritzung während eines Verdichtungstaktes erfolgt. Dabei wird der Warmlaufbetrieb mit mindestens zwei Parametersätzen (PE, PT) zur Steuerung der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt, zwischen denen in Abhängigkeit von Betriebsdaten der Verbrennungskraftmaschine und/oder der Abgasanlage schrittweise oder fließend umgeschaltet wird, und mindestens ein erster, emissionsoptimierter Parametersatz (PE) hinsichtlich einer niedrigen Schadstoffemission ausgelegt ist und mindestens ein zweiter, temperaturoptimierter Parametersatz (PT) hinsichtlich der Erreichung einer hohen Abgastemperatur und/oder Katalysatortemperatur (T_Kat) ausgelegt ist. Der emissionsoptimierte Parametersatz (PE) umfasst erfindungsgemäß einen früheren Zündwinkel (α_Z) und/oder einen früheren Einspritzwinkel (α_EE) der zweiten Einspritzung der Mehrfacheinspritzung (ME) als der temperaturoptimierte Parametersatz (PT), und nach Motorstartende (t₀) wird der Warmlaufbetrieb zunächst im Wesentlichen gemäß dem emissionsoptimierten Parametersatz (PE) und später im Wesentlichen gemäß dem temperaturoptimierten Parametersatz (PT) durchgeführt.
Dadurch, dass der Warmlaufbetrieb mit mindestens zwei Parametersätzen zur Steuerung der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt wird, zwischen denen in Abhängigkeit von Betriebsdaten der Verbrennungskraftmaschine und/oder der Abgasanlage schrittweise oder fließend umgeschaltet werden kann, und mindestens ein erster Parametersatz hinsichtlich einer niedrigen Schadstoffemission ausgelegt ist (emissionsoptimiert) und mindestens ein zweiter Parametersatz hinsichtlich einer hohen Abgastemperatur und/oder Katalysatortemperatur ausgelegt ist (temperaturoptimiert), wird der Warmlaufbetrieb bedarfsgerecht an einen aktuellen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise der Abgasanlage adaptiert.
Dabei ist vorgesehen, dass nach Motorstartende der Warmlaufbetrieb zunächst im Wesentlichen gemäß dem emissionsoptimierten Parametersatz durchgeführt wird. Da in dieser ersten Phase aufgrund der noch niedrigen Katalysatortemperaturen die im Abgas enthaltenen Schadstoffe zumindest weitgehend unkonvertiert das Katalysatorsystem durchlaufen, wird durch die Absenkung der Rohemission, insbesondere von unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC, eine Schadstoffendemission deutlich gesenkt. Eine spätere Phase des Warmlaufbetriebs erfolgt dann im Wesentlichen gemäß dem temperaturoptimierten Parametersatz, um – sobald eine gewisse Katalysatortemperatur, insbesondere in einem ersten Katalysator, erreicht ist und eine merkliche Konvertierungsrate vorliegt – unter Inkaufnahme einer höheren Rohemission eine möglichst schnelle Durchwärmung des gesamten Katalysatorsystems oder Teilen hiervon zu erzielen.
Die Betriebsdaten der Verbrennungskraftmaschine und/oder der Abgasanlage, in deren Abhängigkeit die stufenweise oder kontinuierliche Umschaltung zwischen den Parametersätzen beziehungsweise zwischen den entsprechenden Betriebsmodi erfolgt, umfassen vorzugsweise Temperaturdaten des mindestens einen Katalysators oder solche, die Rückschlüsse auf die Katalysatortemperatur zulassen. Insbesondere umfassen die Betriebsdaten die aktuelle Katalysatortemperatur selbst und/oder eine Katalysatortemperatur bei Motorstart und/oder eine Dynamik der Katalysatortemperatur und/oder eine aktuelle Motortemperatur und/oder eine Motortemperatur bei Motorstart. Zur Ermittlung der Katalysatortemperatur kann ferner eine gemessene oder anhand geeigneter Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine modellierte Abgastemperatur herangezogen werden. Die relevanten Betriebsdaten können ferner unter anderem einen Betriebspunkt, insbesondere eine Motorlast und/oder eine Motordrehzahl, und/oder einen Innenwiderstand einer der Verbrennungskraftmaschine nachgeschalteten Lambdasonde und/oder eine seit Motorstart vergangene Zeit und/oder eine nach Motorstart durchgesetzte Kraftstoffmenge und/oder seit Motorstart erfolgte Motorumdrehungen und/oder eine seit Motorstart zurückgelegte Strecke und/oder seit Motorstart in das Katalysatorsystem eingetragene Wärmemenge umfassen.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird für mindestens einen dieser Betriebsdaten ein Schwellenwert vorgegeben, bei dessen Überschreitung zwischen den Parametersätzen, insbesondere zwischen dem emissionsoptimierten und dem temperaturoptimierten Parametersatz, umgeschaltet wird. So kann beispielsweise bei Überschreiten einer gewissen Katalysatortemperatur, Insbesondere zumindest einer Zone eines motornahen Vorkatalysators, unter Inkaufnahme einer erhöhten Schadstoffrohemission in den temperaturoptimierten Betriebsmodus gewechselt werden. Dabei sollte diese Temperaturschwelle derart bemessen sein, dass der Katalysator eine zumindest weitgehende Konvertierung der Schadstoffrohemission im temperaturoptimierten Modus leisten kann. In einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens wird diese Ein-Schritt-Umschaltung durch eine fließende Umschaltung zwischen den Parametersätzen ersetzt. Dafür erfolgt eine Gewichtung der Parametersätze in Abhängigkeit der genannten Betriebsdaten und eine Steuerung des Warmlaufbetriebes mit Parametern, die durch Interpolation zwischen den gewichteten Parametersätzen ermittelt und laufend aktualisiert werden. Vorzugsweise erfolgt die Gewichtung derart, dass ein Gewicht des emissionsoptimierten Parametersatzes bei niedrigen Katalysatortemperaturen hoch ist und mit steigenden Katalysatortemperaturen abnimmt. Da Fuzzy-Logic-Verfahren wegen der Vielzahl der Kriterien gegenüber klassischen Verfahren eine Vereinfachung der Applikation und eine Verringerung des Berechnungsaufwandes in einer Motorsteuerung bewirken, bietet sich für die Gewichtung und/oder die Interpolation die Anwendung einer auf einem Fuzzy-Logic-Verfahren basierende Methode an. Überdies kann in dieser Ausführung mit fließender Umschaltung der Warmlauf detaillierter auf einen tatsächlichen Fahrtverlauf abgestimmt werden, da alle emissionsrelevanten Parameter ständig berücksichtigt werden. Im Ergebnis kann gegenüber der stufenweise erfolgenden Umschaltung eine noch niedrigere Gesamtemission hinter dem Katalysatorsystem erreicht werden.
Eine motorische Heizmaßnahme der fremdgezündeten, magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine, die mit einem Direkteinspritzsystem ausgestattet ist, umfasst eine Mehrfacheinspritzung, bei der innerhalb eines Arbeitsspieles eines Zylinders mindestens zwei Kraftstoffeinspritzungen in den Zylinder durchgeführt werden, wobei eine erste Einspritzung während eines Ansaugtaktes und eine zweite Einspritzung während eines Verdichtungstaktes, insbesondere der zweiten Hälfte des Verdichtungstaktes, erfolgt. In diesem Zusammenhang ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass die Verbrennungskraftmaschine zudem schichtladefähig ist, so dass der während der zweiten Einspritzung der Mehrfacheinspritzung eingespritzte Kraftstoff sich zu einem Zündzeitpunkt im Wesentlichen in Form einer Kraftstoffwolke im Bereich einer Zündkerze des Zylinders konzentriert. Die Ausbildung dieser Schichtladungswolke kann vorteilhafterweise durch bekannte konstruktive Maßnahmen in Form einer Wandführung und/oder einer Luftführung unterstützt werden. Eine wandgeführte Maßnahme kann beispielsweise in Form einer speziellen Ausbildung eines Kolbenbodens, insbesondere mit Mulden, vorliegen. Auf der anderen Seite kann die Luftführung der Schichtladungswolke durch Erzeugung bestimmter Luftströmungsverhältnisse im Brennraum des Zylinders, beispielsweise in Form einer so genannten Tumble- oder Drallströmung, realisiert werden. Hierfür ist etwa die Anordnung von bewegbaren, vorzugsweise stufenlos oder vielstufig bewegbaren Ladungsbewegungsklappen in Lufteinlassrohren des Zylinders bekannt, die eine Lenkung des Luftstroms bewirken. Vorzugsweise wird mit der ersten Einspritzung (Homogeneinspritzung) ein homogenes, mageres, selbst nicht zündfähiges Luft-Kraftstoff-Gemisch erzeugt, so dass erst mit der zweiten Einspritzung im Bereich der Zündkerze ein zündfähiges Gemisch entsteht. Nach Entzündung und Verbrennen dieser Gemischwolke wandert die Flamme in die homogenen Außenzonen des Brennraums und verbrennt dort wegen des geringen Kraftstoffanteils viel langsamer. Infolgedessen nimmt der Wirkungsgrad des Motors ab und eine Abgabe von Energie ins Abgas steigt an. Ein Verhältnis der Kraftstoffanteile der beiden Einspritzungen kann im Bereich von 20 zu 80% bis 80 zu 20% liegen, wobei ein mittleres Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum vorzugsweise zwischen λ = 0,9 und 1,2 liegt.
Die motorische Maßnahme umfasst ferner eine Zündwinkelverstellung, insbesondere in Richtung eines späten Zündwinkels, wobei vorzugsweise Mehrfacheinspritzung und Spätzündung miteinander kombiniert eingesetzt werden.
Im Falle einer Kombination von Mehrfacheinspritzung und Spätzündung umfassen die Parametersätze als wesentliche Steuerungsparameter einen Zündwinkel und/oder einen Einspritzwinkel der zweiten Einspritzung der Mehrfacheinspritzung und/oder ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis und/oder Kraftstoffanteile der ersten und zweiten Einspritzung des Mehrfacheinspritzungsbetriebes. Selbstverständlich können die Parametersätze weitere variable oder konstante Parameter, wie etwa eine Abgasrückführrate oder einen Einspritzdruck, enthalten. Der emissionsoptimierte Parametersatz umfasst einen gegenüber dem temperaturoptimierten Parametersatz früheren Zündwinkel und/oder einen früheren Einspritzwinkel der zweiten Einspritzung. Vorzugsweise umfasst der emissionsoptimierte Parametersatz ein magereres Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
Das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nicht auf Spätzündung oder Mehrfacheinspritzung beschränkt. Vielmehr kann die motorische Maßnahme zur Anhebung der Abgas- und/oder der Katalysatortemperatur weitere Verfahren umfassen, beispielsweise eine Nacheinspritzung von Kraftstoff in die Zylinder nach dem Zündzeitpunkt vor, während oder nach Brennende. Weiterhin sind bekannt, eine Abgasnachverbrennung, bei der eine Zündung eines Gemisches aus fettem Abgas und Sekundärluft im Abgastrakt mit oder ohne zusätzlicher Zündvorrichtung erfolgt, oder eine Drehzahlanhebung im Leerlauf. Zudem können auch nichtmotorische Heizmaßnahmen durchgeführt werden, insbesondere eine elektrische Katalysatorbeheizung und/oder eine Katalysatorbeheizung mittels eines Brenners und/oder eine geeignete Getriebesteuerung, bei welcher Schaltpunkte zu höheren Drehzahlen verschoben werden.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch eine Anordnung einer Verbrennungskraftmaschine mit einer nachgeschalteten Abgasanlage;
2 einen zeitlichen Verlauf unterschiedlicher Parameter gemäß einer ersten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 ein Balkendiagramm einer kumulierten HC-Rohemission und einer Katalysatortemperatur gemäß unterschiedlichen Parametersätzen zum Katalysatorwarmlauf und
4 einen zeitlichen Verlauf verschiedener Parameter gemäß einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt eine fremdgezündete, magerlauffähige Verbrennungskraftmaschine 10, die beispielsweise vier Zylinder 12 umfasst. Die Verbrennungskraftmaschine 10 verfügt über ein nicht dargestelltes Direkteinspritzungssystem, über welches eine Kraftstoffeinspritzung unmittelbar in die Zylinder 12 erfolgt. Ein von der Verbrennungskraftmaschine 10 erzeugtes Abgas wird durch einen Abgaskanal 14 einer Abgasanlage und das hierin angeordnete Katalysatorsystem 16, 18 geführt. Das Katalysatorsystem umfasst einen motornah angeordneten, kleinvolumigen Vorkatalysator 16 sowie einen Hauptkatalysator 18, beispielsweise einen NO_X-Speicherkatalysator, der üblicherweise an einer Unterbodenposition angeordnet ist. Eine Regelung eines der Verbrennungskraftmaschine 10 zugeführten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ erfolgt durch Messung einer Sauerstoffkonzentration des Abgases mit Hilfe einer Lambdasonde 20. Ein Temperatursensor 22, der stromab des Vorkatalysators 16 im Abgaskanal 14 angeordnet ist, ermöglicht die Messung einer Abgastemperatur und somit Rückschlüsse auf die Temperatur des Vor- und/oder des Hauptkatalysators 16, 18. Alternativ kann der Temperatursensor 22 auch anderenorts, etwa stromauf oder im Vorkatalysator 16 angeordnet sein. Ferner kann die Katalysatortemperatur T_Kat ebenfalls anhand aktueller Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 10 auf Basis geeigneter Modelle berechnet werden. Die von den Sensoren 20, 22 bereitgestellten Signale sowie verschiedene Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 10 werden an ein Motorsteuergerät 24 übermittelt, wo sie gemäß abgespeicherter Algorithmen und Kennfelder ausgewertet und verarbeitet werden. In Abhängigkeit dieser Signale erfolgt eine Steuerung der Verbrennungskraftmaschine 10 durch das Motorsteuergerät 24, insbesondere des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ, eines Einspritzungsmodus sowie der Zündung.
Wird beispielsweise nach einem Motorkaltstart mit Hilfe des Temperatursensors 22 oder rechnerisch eine Temperatur des Katalysatorsystems, insbesondere des Vorkatalysators 16, ermittelt, die unterhalb einer für eine ausreichende Schadstoffkonvertierung notwendigen Anspringtemperatur liegt, so leitet das Motorsteuergerät 24 verschiedene Maßnahmen zur Anhebung der Abgastemperatur und/oder der Katalysatortemperatur T_Kat ein. Der Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 wird von Einfacheinspritzung auf Mehrfacheinspritzung umgestellt. Dabei erfolgt im Mehrfacheinspritzungsbetrieb eine erste, frühe Einspritzung vorzugsweise innerhalb der ersten Hälfte eines Ansaugtaktes eines Zylinders 12, so dass der in dieser Einspritzung zugeführte Kraftstoff zu einem nachfolgenden Zündzeitpunkt im Wesentlichen in homogener Brennraumverteilung vorliegt (Homogeneinspritzung). Eine zweite, späte Kraftstoffeinspritzung (Schichteinspritzung) erfolgt insbesondere in der zweiten Hälfte eines Verdichtungstaktes. Unterstützt durch wand- und/oder luftführende Maßnahmen liegt der in der Schichteinspritzung zugeführte Kraftstoff zum Zündzeitpunkt im Wesentlichen in Form einer Schichtladungswolke im Bereich einer Zündkerze eines Zylinders 12 vor. Als weitere Heizmaßnahme wird ein Zündwinkel in Richtung eines späten Zündzeitpunktes gegenüber eines Zündpunktes mit höchstem Motorwirkungsgrad verstellt. Sowohl die besonderen Verbrennungsabläufe des Mehrfacheinspritzungsbetriebes als auch die Spätzündung bewirken eine Erhöhung der Abgastemperatur und somit einen beschleunigten Warmlauf des Katalysatorsystems 16, 18.
Gemäß der vorliegenden Erfindung liegen im Motorsteuergerät 24 mindestens zwei Parametersätze vor, nach denen die Verbrennungskraftmaschine 10 während des Warmlaufs des Katalysatorsystems 16, 18 gesteuert werden kann. Dabei ist mindestens ein Parametersatz hinsichtlich einer geringen Rohemission der Verbrennungskraftmaschine 10, insbesondere von unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC, optimiert, während ein zweiter Parametersatz hinsichtlich einer möglichst hohen Heizwirkung ausgelegt ist. Die Umschaltung zwischen den einzelnen Parametersätzen, die stufenweise oder fließend erfolgen kann, wird in Abhängigkeit von einer Vielzahl von Betriebsdaten der Verbrennungskraftmaschine 10 und/oder der Abgasanlage durchgeführt, insbesondere von einer Temperatur des Vorkatalysators 16.
Der Verlauf unterschiedlicher Parameter während eines Warmlaufs des Katalysatorsystems 16, 18 gemäß einer ersten Ausgestaltung des Verfahrens, bei dem der Warmlauf in zwei Phasen mit zwei Parametersätzen PE, PT mit einer einstufigen Umstellung durchgeführt wird, ist in 2 dargestellt. Dabei wird kurz nach einem Motorstartende t₀ zum Zeitpunkt t_B der Warmlaufbetrieb eingeleitet, wofür als motorische Heizmaßnahmen die Mehrfacheinspritzung und die Zündwinkelspätverstellung eingesetzt werden. Dabei erfolgt in einer ersten Phase des Warmlaufs die Steuerung der Verbrennungskraftmaschine 10 mit Parametern, die in dem emissionsoptimierten Parametersatz PE gespeichert sind. Der Betriebsstatus beziehungsweise eine Aktivierung der Parametersätze ist im oberen Teil der 2 wiedergegeben. Bei Untersuchungen an einer schichtladefähigen, fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine mit Direkteinspritzung und 2-Liter-Hubraum, die über ein luft- und wandgeführtes Brennverfahren verfügt, hat sich für den rohemissionsoptimierten Betrieb ein Parametersatz PE mit einer geringen Spätzündung, einem relativ hohen Lambdavorsteuerwert und einem frühen Einspritzende der Schichteinspritzung als vorteilhaft erwiesen. Insbesondere hat sich hier ein Zündwinkel α_Z von 0 bis 20° nach einem oberen Zündtotpunkt ZOT, vorzugsweise von 10° nach ZOT bewährt (unterer Teil der Abbildung). Gleichzeitig wird vorzugsweise ein Ende der Schichteinspritzung mit einem Einspritzwinkel α_EE von 100 bis 40° vor ZOT, insbesondere von 90 bis 50° vor ZOT, vorzugsweise von 60° vor ZOT, angesteuert. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ wird in dieser Phase bevorzugt auf 1,1 bis 1,3, insbesondere auf 1,2, vorgesteuert beziehungsweise eingeregelt (mittlerer Teil der Abbildung). Dieser emissionsarme Betrieb wird unter Konstanthaltung der Parameter α_Z, α_EE, λ so lange aufrechterhalten, bis vorgegebene Betriebsdaten der Verbrennungskraftmaschine 10 oder des Abgassystems vorgegebene Schwellenwerte erreichen. Dabei kann insbesondere eine Mindesttemperatur zumindest einer ersten Zone des Vorkatalysators 16 berücksichtigt werden, die eine gewisse Mindestkonvertierungsleistung gewährleistet. Bei Erreichen des Schwellenwertes wird am Umschaltpunkt t_U von dem emissionsoptimierten Betriebsmodus in den temperaturoptimierten Betriebsmodus mit dem Parametersatz PT umgeschaltet. Hier kann wegen der nun verfügbaren Mindestkonvertierungsaktivität des Vorkatalysators 16 eine gewisse Zunahme der Schadstoffrohemission in Kauf genommen werden. Gleichzeitig soll durch ein möglichst hohes Heizpotential eine möglichst schnelle Durchwärmung des Katalysatorsystems 16, 18 erfolgen. Hierfür haben sich im vorgenannten Beispiel eine starke Spätzündung, ein spätes Ende der Schichteinspritzung sowie ein niedrigerer Lambdavorsteuerwert als vorteilhaft erwiesen. Insbesondere hat sich ein Zündwinkel α_Z zwischen 15 und 45° nach ZOT, insbesondere bei etwa 30° nach ZOT, bewährt, sowie ein Einspritzende α_EE der Schichteinspritzung im Mehrfacheinspritzungsbetrieb von 60 bis 20° vor ZOT, insbesondere von 50 bis 30° vor ZOT, vorzugsweise von 40° vor ZOT. Dabei wird ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ zwischen 1,0 und 1,2, vorzugsweise von etwa 1,1, eingestellt. Da die optimalen Parameter stark mit der Bauweise der Verbrennungskraftmaschine 10 variieren, sind die genannten Werte beispielhaft zu verstehen. Der Warmlaufbetrieb wird zu einem Zeitpunkt t_E beendet, beispielsweise wenn der Vorkatalysator 16 zumindest annähernd seine volle Betriebsfähigkeit erreicht hat. Zu diesem Zeitpunkt wird wieder in einen Einfacheinspritzungsbetrieb umgestellt und die Zündwinkelspätverstellung zurückgenommen. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ wird abhängig von dem momentanen Betriebspunkt vorgegeben, in diesem Beispiel auf λ = 1.
Die Auswirkungen eines Betriebes der Verbrennungskraftmaschine 10 anhand unterschiedlicher Parametersätze auf eine kumulierte HC-Rohemission HC und auf eine Temperatur T_Kat eines etwa 30 mm stromab der Verbrennungskraftmaschine 10 angeordneten Vorkatalysators 16 sind in 3 dargestellt. Dabei erfolgte die Messung jeweils 12 Sekunden nach einem Motorkaltstart bei 20°C mit einem Fahrzeuggeschwindigkeitsprofil entsprechend dem Neuen Europäischen Normfahrzyklus NEFZ. Die Daten auf der linken Seite der Darstellung wurden mit einem konventionellen Katalysatoraufheizverfahren mit Spätzündung bei einem Zündwinkel α_Z von 10° nach ZOT im Einfacheinspritzungsbetrieb gewonnen und dienen als Referenz. Die Daten des mittleren und rechten Teils der Abbildung entsprechen Messungen mit dem emissionsoptimierten Parametersatz PE mit α_Z = 10° nach ZOT, α_EE = 60° vor ZOT und λ = 1,2 beziehungsweise mit dem temperaturoptimierten Parametersatz PT mit α_Z = 30° nach ZOT, α_EE = 40° vor ZOT und λ = 1,1. Die linken Säulen zeigen jeweils die über 12 Sekunden nach Motorstart kumulierte HC-Rohemission, das heißt die HC-Emission vor dem Katalysatorsystem 16, 18, wobei die HC-Rohemissionen in Relation zu dem konventionellen Betrieb mit Spätzündung PK aufeinander normiert wurden. Die rechten Säulen zeigen jeweils die Temperatur T_Kat des Vorkatalysators 16, die mit einer etwa 20 mm stromab einer Gaseintrittsfläche angeordneten Temperaturmessstelle ermittelt wurde. Der Vergleich der HC-Rohemissionen der verschiedenen Betriebsmodi zeigt zum einen, dass im Mehrfacheinspritzungsbetrieb PE, PT die HC-Rohemission deutlich gegenüber dem Einfacheinspritzungsbetrieb PK gesenkt werden können, nämlich auf etwa 80% im temperaturoptimierten Betrieb mit dem Parametersatz PT und sogar auf etwa 35%, wenn die Parameter hinsichtlich einer möglichst niedrigen Schadstoffemission ausgelegt werden (Parametersatz PE). Auf der anderen Seite wird im Mehrfacheinspritzungsbetrieb grundsätzlich eine höhere Heizleistung als mit konventioneller Spätzündung erreicht. Während die gemessene Katalysatortemperatur T_Kat des Vorkatalysators 16 12 Sekunden nach Motorstart lediglich 50°K beträgt, wird im emissionsoptimierten Mehrfacheinspritzungsbetrieb PE eine Katalysatortemperatur T_Kat von etwa 65°C und im temperaturoptimierten Mehrfacheinspritzungsbetrieb PT von sogar 200°C beobachtet. Im Ergebnis lässt sich somit feststellen, dass der Mehrfacheinspritzungsbetrieb mit Spätzündung grundsätzlich sowohl hinsichtlich einer Schadstoffemission als auch einer Heizwirkung dem Einfacheinspritzungsbetrieb mit Spätzündung deutlich überlegen ist. Weiterhin wird deutlich, dass im Mehrfacheinspritzungsbetrieb mit Spätzündung durch entsprechende Auslegung der Parameter, mit denen die Verbrennungskraftmaschine 10 gesteuert wird, dramatische Auswirkungen bezüglich der HC-Rohemission einerseits und der Heizwirkung andererseits erzielt werden können. So kann durch gezielte Vorgabe der jeweiligen Parametersätze die HC-Rohemission und damit die HC-Endemission gegenüber herkömmlichen Verfahren abgesenkt werden und gleichzeitig ein schnelleres Aufheizen des Katalysatorsystems bewirkt werden.
4 zeigt zeitliche Verläufe der Parameter während eines Warmlaufs gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens, bei dem statt der stufenweisen Umschaltung eine kontinuierliche Umstellung zwischen den beiden Parametersätzen PE und PT erfolgt. Hierbei wird in Abhängigkeit von den bereits genannten Betriebsdaten, insbesondere der Katalysatortemperatur T_Kat, eine Gewichtung der Parametersätze PE und PT vorgenommen und die Verbrennungskraftmaschine 10 mit interpolierten Parametern angesteuert. Gemäß dem dargestellten Beispiel beginnt der Warmlaufbetrieb zum Zeitpunkt t_B im reinen emissionsoptimierten Betrieb, das heißt mit einem 100%igen Gewicht des Parametersatzes PE. Im weiteren Verlauf des Warmlaufs, insbesondere mit steigender Katalysatortemperatur T_Kat, verliert der emissionsoptimierte Betrieb zugunsten des temperaturoptimierten Betriebes an Gewicht. Infolgedessen werden Zündwinkel α_Z und Einspritzwinkel α_EE der Schichteinspritzung zunehmend spät verstellt. Gleichzeitig erfolgt eine Abnahme des Lambdaansteuerwertes λ. Gegenüber der in der 2 dargestellten Ausführungsform hat der fließende Übergang vom emissionsoptimierten zum temperaturoptimierten Betrieb den Vorteil einer genaueren Berücksichtigung des tatsächlichen Betriebszustandes der Verbrennungskraftmaschine 10 und ermöglicht somit eine weitere Emissionsabsenkung bei schneller Katalysatorerwärmung.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschine
12: Zylinder
14: Abgaskanal
16: Vorkatalysator
18: Hauptkatalysator/NO_X-Speicherkatalysator
20: Lambdasonde
22: Temperatursensor
24: Motorsteuergerät
α_Z: Zündwinkel
α_EE: Ansteuerende Schichteinspritzung
EE: Einfacheinspritzung
λ: Luft-Kraftstoff-Verhältnis
ME: Mehrfacheinspritzung
PE: emissionsoptimierter Parametersatz
PK: konventioneller Parametersatz
PT: temperaturoptimierter Parametersatz
t: Zeit
t₀: Motorstartende
t_B: Beginn Warmlaufphase
t_E: Ende Warmlaufphase
t_U: Umschaltpunkt
T_Kat: Katalysatortemperatur
ZOT: oberer Zündtotpunkt

Claims

Verfahren zur Erwärmung mindestens eines in einer Abgasanlage einer fremdgezündeten und eine Direkteinspritzung aufweisenden Verbrennungskraftmaschine (10) angeordneten Katalysators (16, 18), wobei insbesondere nach einem Motorstartende (t₀) der Verbrennungskraftmaschine (10) zumindest zeitweise eine Abgastemperatur und/oder eine Katalysatortemperatur (T_Kat) durch mindestens eine motorische Maßnahme angehoben wird, wobei die motorische Maßnahme eine Zündwinkelverstellung und/oder eine Mehrfacheinspritzung (ME), bei der innerhalb eines Arbeitsspiels eines Zylinders (12) der Verbrennungskraftmaschine (10) mindestens zwei Kraftstoffeinspritzungen in den Zylinder (12) durchgeführt werden und eine erste Einspritzung während eines Ansaugtaktes des Arbeitsspiels und eine zweite Einspritzung während eines Verdichtungstaktes erfolgt, umfasst, und wobei der Warmlaufbetrieb mit mindestens zwei Parametersätzen (PE, PT) zur Steuerung der Verbrennungskraftmaschine (10) durchgeführt wird, zwischen denen in Abhängigkeit von Betriebsdaten der Verbrennungskraftmaschine (10) und/oder der Abgasanlage schrittweise oder fließend umgeschaltet wird, und mindestens ein erster, emissionsoptimierter Parametersatz (PE) hinsichtlich einer niedrigen Schadstoffemission ausgelegt ist und mindestens ein zweiter, temperaturoptimierter Parametersatz (PT) hinsichtlich der Erreichung einer hohen Abgastemperatur und/oder Katalysatortemperatur (T_Kat) ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der emissionsoptimierte Parametersatz (PE) einen früheren Zündwinkel (α_Z) und/oder einen früheren Einspritzwinkel (α_EE) der zweiten Einspritzung der Mehrfacheinspritzung (ME) umfasst als der temperaturoptimierte Parametersatz (PT), und wobei nach Motorstartende (t₀) der Warmlaufbetrieb zunächst im Wesentlichen gemäß dem emissionsoptimierten Parametersatz (PE) und später im Wesentlichen gemäß dem temperaturoptimierten Parametersatz (PT) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der emissionsoptimierte Parametersatz (PE) im Wesentlichen auf eine geringe Rohemission der Verbrennungskraftmaschine (10) von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) ausgelegt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsdaten der Verbrennungskraftmaschine (10) und/oder der Abgasanlage eine aktuelle Katalysatortemperatur (T_Kat) und/oder eine Katalysatortemperatur (T_Kat) bei Motorstart und/oder eine Dynamik der Katalysatortemperatur (T_Kat) und/oder eine aktuelle Motortemperatur und/oder Motortemperatur bei einem Motorstart umfassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsdaten der Verbrennungskraftmaschine (10) und/oder der Abgasanlage einen Motorbetriebspunkt, insbesondere eine Motorlast und/oder eine Motordrehzahl, und/oder einen Innenwiderstand einer der Verbrennungskraftmaschine (10) nachgeschalteten Lambdasonde (20) und/oder eine seit Motorstart vergangene Zeit (t) und/oder eine nach Motorstart durchgesetzte Kraftstoffmenge und/oder seit Motorstart erfolgte Motorumdrehungen und/oder eine seit Motorstart zurückgelegte Strecke und/oder seit Motorstart in das Katalysatorsystem eingetragene Wärmemenge umfassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens einen der Betriebsdaten ein Schwellenwert vorgegeben wird und bei Überschreitung des Schwellenwertes zwischen dem emissionsoptimierten Parametersatz (PE) und dem temperaturoptimierten Parametersatz (PT) umgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Parametersätze (PE, PT) in Abhängigkeit der Betriebsdaten gewichtet werden und der Warmlaufbetrieb variabel mit zwischen den gewichteten Parametersätzen (PE, PT) interpolierten Parametern betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gewichtung des emissionsoptimierten Parametersatzes (PE) bei niedrigen Katalysatortemperaturen (T_Kat) hoch ist und mit steigenden Katalysatortemperaturen (T_Kat) abnimmt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die Gewichtung und/oder Interpolation eine auf einem Fuzzy-Logic-Verfahren basierende Methode angewendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (10) schichtladefähig ist und ein während der zweiten Einspritzung der Mehrfacheinspritzung (ME) eingespritzte Kraftstoff sich zu einem Zündzeitpunkt im Wesentlichen im Bereich einer Zündkerze des Zylinders (12) konzentriert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parametersätze (PE, PT) ferner einen Zündwinkel (α_Z) und/oder einen Einspritzwinkel (α_EE) der zweiten Einspritzung der Mehrfacheinspritzung (ME) und/oder ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ) und/oder Kraftstoffanteile der ersten und der zweiten Einspritzung der Mehrfacheinspritzung (ME) umfassen.
Verfahren nach einem der Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der emissionsoptimierte Parametersatz (PE) ein magereres Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ) umfasst als der temperaturoptimierte Parametersatz (PT).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündwinkel (α_Z) des emissionsoptimierten Parametersatzes (PE) zwischen 0 und 20° nach einem oberen Zündtotpunkt (ZOT), insbesondere 10° nach ZOT, beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzende (α_EE) der zweiten Einspritzung des emissionsoptimierten Parametersatzes (PE) 100 bis 40° vor ZOT, insbesondere 90 bis 50° vor ZOT, insbesondere 60° vor ZOT, beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ) des emissionsoptimierten Parametersatzes (PE) zwischen 1,1 und 1,3, insbesondere 1,2, beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündwinkel (α_Z) des temperaturoptimierten Parametersatzes (PT) zwischen 15 und 45° nach einem oberen Zündtotpunkt (ZOT), insbesondere 30° nach ZOT, beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzende (α_EE) der zweiten Einspritzung des temperaturoptimierten Parametersatzes (PT) 60 bis 20° vor ZOT, insbesondere 50 bis 30° vor ZOT, vorzugsweise 40° vor ZOT, beträgt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ) des temperaturoptimierten Parametersatzes (PT) zwischen 1,0 und 1,2, insbesondere 1,1, beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die motorische Maßnahme ferner eine Nacheinspritzung von Kraftstoff in die Zylinder (12) nach Zündung vor, während oder nach Brennende und/oder eine Abgasnachverbrennung und/oder eine Leerlaufdrehzahlanhebung umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Warmlaufs nicht motorische Heizmaßnahmen durchgeführt werden, insbesondere eine elektrische Katalysatorbeheizung und/oder eine Katalysatorbeheizung mittels eines Brenners und/oder eine geeignete Getriebesteuerung mit Verschiebung von Schaltpunkten zu höheren Drehzahlen.