DE102014017303A1

DE102014017303A1 - Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug und Antriebseinrichtung

Info

Publication number: DE102014017303A1
Application number: DE102014017303.8A
Authority: DE
Inventors: Markus Wüstner
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2014-11-21
Publication date: 2016-05-25
Also published as: WO2016078740A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung (12) für ein Kraftfahrzeug, bei welchem ein Einbringen von Kraftstoff in wenigstens einen Zylinder (28) einer Verbrennungskraftmaschine (14) des Kraftfahrzeugs unterbunden wird. Ein Fluid (94) aus dem wenigstens einen Zylinder (28) wird in eine mit der Verbrennungskraftmaschine (14) gekoppelte Abgasanlage (16) eingebracht. Zumindest eine Teilmenge des Fluids (94) durchströmt einen in der Abgasanlage (16) angeordneten Stickoxid-Speicherkatalysator (18). Eine Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators (18) wird ermittelt. Das Einbringen des Kraftstoffs in den wenigstens einen Zylinder (28) wird dann unterbunden, wenn die Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators (18) größer ist als ein vorbestimmter Schwellenwert. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Antriebseinrichtung (12).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug. Hierbei wird ein Einbringen von Kraftstoff in wenigstens einen Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs unterbunden. Ein Fluid aus dem wenigstens einen Zylinder wird in eine mit der Verbrennungskraftmaschine gekoppelte Abgasanlage eingebracht. Zumindest eine Teilmenge des Fluids durchströmt daraufhin einen in der Abgasanlage angeordneten Stickoxid-Speicherkatalysator. Des Weiteren wird eine Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators ermittelt.
Die DE 10 2004 058 942 A1 beschreibt ein System zur Regelung der Ventilzeiteinstellung eines Motors mit Zylinderabschaltung. Hierbei wird ein Ventilsteller so betrieben, dass eine Zylindergruppe des Motors eine Verbrennung ausführt und eine andere Zylindergruppe ohne eingespritzten Kraftstoff, jedoch mit angesaugter Luft arbeitet. So soll ein geringerer Kraftstoffverbrauch erreicht werden. Die Kraftstoffabschaltung wird hierbei deaktiviert, wenn eine Temperatur einer Abgasemissionsregeleinrichtung, welche mit der Gruppe der abgeschalteten Zylinder gekoppelt ist, unter eine Mindesttemperatur sinkt. Die Abgasemissionsregeleinrichtung kann ein Stickoxid-Speicherkatalysator sein.
Des Weiteren beschreibt die DE 100 61 645 A1 ein Verfahren zum Betreiben eines magerlauffähigen Ottomotors. Hierbei werden das Abgas des Ottomotors oder ein Stickoxid-Speicherkatalysator mit Luft oder mit einem Kühlmittel gekühlt. Zum Kühlen mit Luft kann eine Kühlluftströmung über Luftleitbleche gezielt auf einen Wärmetauscher gerichtet werden und so für eine erhöhte Wärmeabfuhr sorgen. Als Kühlmittel kann Wasser zum Einsatz kommen, um eine erhöhte Wärmeabfuhr zu erreichen. Das Abkühlen des Stickoxid-Speicherkatalysators soll einen homogen-mageren Motorbetrieb statt eines homogen-stöchiometrischen Motorbetriebs im mittleren Drehzahlbereich ermöglichen.
Als nachteilig ist hierbei der Umstand anzusehen, dass das Vorsehen einer solchen Luft oder Wasser nutzenden Kühlvorrichtung mit einem vergleichsweise großen Aufwand einhergeht. Die hierfür notwendige zusätzliche Verrohrung ist nämlich hinsichtlich der Kosten und des Packaging ungünstig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine zur Durchführung des Verfahrens ausgelegte Antriebseinrichtung zu schaffen, welches beziehungsweise welche besonders aufwandsarm ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Antriebseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Einbringen des Kraftstoffs in den wenigstens einen Zylinder dann unterbunden, wenn die Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators größer ist als ein vorbestimmter Schwellenwert. Das Nicht-Befeuern des wenigstens einen Zylinders, also das Unterbinden des Einbringens von Kraftstoff in den wenigstens einen Zylinder, wird demgemäß dazu genutzt, den Stickoxid-Speicherkatalysator zu kühlen. Wenn es nämlich in dem wenigstens einen Zylinder aufgrund des Abstellens der Einspritzung zu keiner Verbrennung kommt, so erfolgt die Kühlung des Katalysators mit dem im Vergleich zu heißem Abgas kalten Fluid aus dem wenigstens einen Zylinder, bei welchem es sich im Wesentlichen um die in den Zylinder eingebrachte Luft handelt.
Zur Kühlung des Stickoxid-Speicherkatalysators werden also keine zusätzliche Rohre, Luftleitbleche oder dergleichen Hardwarekomponenten benötigt. Vielmehr kann als das Fluid direkt die kalte Luft aus der Verbrennungskraftmaschine zur Kühlung des Stickoxid-Speicherkatalysators herangezogen werden, wobei diese kalte Luft über die Abgasanlage zu dem Stickoxid-Speicherkatalysator gelangt. Durch das Beaufschlagen des Stickoxid-Speicherkatalysators mit der kalten Luft aus dem wenigstens einen Zylinder, in welchem kein Kraftstoff eingespritzt wird, kann besonders rasch eine Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators erreicht werden, welche ein Kraftstoff sparendes Betreiben der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht.
Durch das Unterbinden des Einbringens von Kraftstoff in den wenigstens einen Zylinder lässt sich jedoch nicht nur ein rasches Kühlen des Stickoxid-Speicherkatalysators erreichen. Vielmehr lässt sich durch diese Art der Zylinderausblendung auch ein spezifischer Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine verringern. Dies ist dem Kraftstoff sparenden Betrieb des Kraftfahrzeugs zuträglich.
Zum zumindest partiellen Ausgleichen des Abstellens der Kraftstoffeinspritzung in den wenigstens einen Zylinder kann an wenigstens einem weiteren Zylinder der Verbrennungskraftmaschine, in welchen Kraftstoff eingebracht wird, eine Lastpunktverschiebung vorgenommen werden. Dies erhöht die Effektivität der Verbrennungskraftmaschine.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn ein Auslassventil des wenigstens einen Zylinders später geschlossen wird als ein Auslassventil wenigstens eines weiteren Zylinders der Verbrennungskraftmaschine, in welchen Kraftstoff eingebracht wird. Zusätzlich oder alternativ kann ein Einlassventil des wenigstens einen Zylinders früher geöffnet werden als ein Einlassventil des wenigstens einen weiteren Zylinders. Durch ein solches Verstellen, insbesondere Spätstellen, der Ventilöffnungszeiten kann dafür gesorgt werden, dass die in den nicht mit Kraftstoff beaufschlagten Zylinder eingebrachte Luft besonders wenig komprimiert aus dem Zylinder geschoben wird. Diese Luft kann dann besonders gut zur Kühlung des Katalysators verwendet werden. Eine solche Dekompression in dem wenigstens einen Zylinder lässt sich insbesondere erreichen, wenn durch das Verstellen der Schließzeit des Auslassventils und der Öffnungszeit des Einlassventils eine besonders große Überschneidung der Ventilöffnungszeiten vorliegt.
Zum Verstellen des Öffnungszeiten des wenigstens einen Auslassventils und des wenigstens einen Einlassventils kann ein Ventiltrieb zum Einsatz kommen, welcher eine entsprechende Verstelleinheit, beispielsweise in Form einer Nockenverstellung aufweist.
Beispielsweise kann das Auslassventil in einem Ausschiebetakt des nicht mit Kraftstoff beaufschlagten Zylinders bis in einen Bereich von 60 bis 30 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt des Ausschiebetakts vollständig geöffnet gehalten werden und beispielsweise bei 45 Grad Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt, also am Beginn des anschließenden Ansaugtakts, noch teilweise geöffnet sein. In analoger Weise kann in einem Bereich von 60 Grad bis 30 Grad vor dem oberen Totpunkt am Ende des Ausschiebetakts das Einlassventil geöffnet werden und kurz nach dem Erreichen des oberen Totpunkts bereits vollständig geöffnet sein. Die vorstehend genannten Werte sind jedoch lediglich beispielhaft für Ventilhubkurven des Auslassventils und des Einlassventils, welche zu einer vergleichsweise großen Überschneidung der Ventilöffnungszeiten führen.
Zusätzlich oder alternativ kann ein Auslassventil des wenigstens einen Zylinders früher geöffnet werden als ein Auslassventil wenigstens eines weiteren Zylinders der Verbrennungskraftmaschine, in welchen Kraftstoff eingebracht wird. Beispielsweise kann das wenigstens eine Auslassventil vor dem Erreichen eines unteren Totpunkts am Ende eines Expansionstakts des wenigstens einen Zylinders bereits vollständig geöffnet werden. Auch dies ist dem Ziel zuträglich, die in den nicht mit Kraftstoff beaufschlagten Zylinder eingebrachte Luft möglichst unkomprimiert aus dem Zylinder zu schieben und zur Kühlung des Stickoxid-Speicherkatalysators zu verwenden.
Des Weiteren kann zusätzlich oder alternativ ein Einlassventil des wenigstens einen Zylinders, in welchen kein Kraftstoff eingebracht wird, später geschlossen werden als ein Einlassventil des wenigstens einen weiteren Zylinders, in welchen Kraftstoff eingespritzt wird. Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Einlassventil noch während eines Teils eines Verdichtungstakts des wenigstens einen Zylinders vollständig geöffnet gehalten wird. Auch diese Maßnahme ist dem Beaufschlagen des Stickoxid-Speicherkatalysators mit vergleichsweise kühler, direkt aus der Verbrennungskraftmaschine stammender Luft zuträglich.
Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Auslassventil des wenigstens einen Zylinders, bei welchem das Einbringen von Kraftstoff unterbunden wird, bereits bei 90 Grad Kurbelwinkel vor dem Erreichen des unteren Totpunkts am Ende des Expansionstakts bereits vollständig geöffnet ist, wobei das Öffnen mit dem Beginn des Expansionstakts einsetzen kann. In analoger Weise kann das Einlassventil beispielsweise bei 90 Grad Kurbelwinkel nach dem Beginn des Verdichtungstakts noch vollständig geöffnet gehalten werden und erst beim Erreichen des oberen Totpunkts am Ende des Verdichtungstakts vollständig geschlossen sein. Auch die vorstehend genannten Ventilöffnungszeiten beziehungsweise Ventilschließzeiten sind lediglich exemplarisch für Ventilhubkurven, welche ein Ausschieben von weitgehend unkomprimierter Luft oder dergleichen Fluid aus dem Zylinder mit abgeschalteter Einspritzung ermöglichen.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Verbrennungskraftmaschine mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben wird, sobald eine Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators geringer ist als ein weiterer vorbestimmter Schwellenwert. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch vorteilhaft ist. So lange jedoch die Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators noch zu hoch ist, kann dieser seiner Funktion nicht in ausreichendem Maße nachkommen, den Stickoxidgehalt im Abgas zu verringern. Beim Stickoxid-Speicherkatalysator werden nämlich im Magerbetrieb Stickoxide eingespeichert und dann in einem kurzzeitigen Betrieb mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch wieder desorbiert, wobei die Stickoxide zu Stickstoff umgewandelt werden. Durch das kurzzeitige Anfetten wird also der Stickoxid-Speicherkatalysator regeneriert. Das Einspeichern der Stickoxide in den Stickoxid-Speicherkatalysator ist jedoch lediglich in einem bestimmten Temperaturbereich mit entsprechend hohem Wirkungsgrad möglich, etwa in einem Temperaturbereich von 250°C bis 500°C.
Es kann daher vorgesehen sein, die Verbrennungskraftmaschine dann mit dem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch zu betreiben, wenn die Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators geringer ist als 450°C. Während dieses Magerbetriebs können dann durch kurzzeitiges Anfetten des Luft-Kraftstoff-Gemischs die zwischengespeicherten Stickoxide zu Stickstoff reduziert und damit der Stickoxid-Speicherkatalysator für das nächste Einspeichern vorbereitet werden.
Durch den Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine kann vorteilhaft ein verringerter spezifischer Kraftstoffverbrauch erreicht werden, und dieser Magerbetrieb ist aufgrund des raschen Abkühlens des Stickoxid-Speicherkatalysators bereits sehr frühzeitig möglich.
Bevorzugt wird das Einbringen des Kraftstoffs in den wenigstens einen Zylinder unterbunden, wenn eine Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine zwischen etwa 1000 U/min bis etwa 3000 U/min vorliegt. Bei derartigen Drehzahlen lässt sich das Einbringen von Kraftstoff in den wenigstens einen Zylinder unterbinden, ohne dass dies für einen Nutzer des Kraftfahrzeugs als störend empfunden wird. Zusätzlich oder alternativ wird das Einbringen des Kraftstoffs in den wenigstens einen Zylinder bevorzugt dann unterbunden, wenn eine Last der Verbrennungskraftmaschine nicht mehr als etwa 70% einer Volllast der Verbrennungskraftmaschine beträgt.
Der bevorzugte Betriebsbereich für das Kühlen des Stickoxid-Speicherkatalysators durch Abschalten der Einspritzung liegt daher im unteren Drehzahlbereich und bei geringen Lasten. So macht sich das Unterbinden des Einbringens des Kraftstoffs in den wenigstens einen Zylinder besonders wenig bemerkbar.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das Einbringen des Kraftstoffs in den wenigstens einen Zylinder unterbunden wird, wenn ein von der Verbrennungskraftmaschine bereitgestelltes Drehmoment weniger als 50% eines maximal von der Verbrennungskraftmaschine bereitstellbaren Drehmoments beträgt. So kann eine besonders harmonische Umschaltung auf einen Motorbetrieb erfolgen, in welchem zum Zwecke des Kühlens des Stickoxid-Speicherkatalysators in den wenigstens einen Zylinder kein Kraftstoff eingebracht wird. Das von der Verbrennungskraftmaschine bereitgestellte Drehmoment, bei welchem das Einbringen des Kraftstoffs in den wenigstens einen Zylinder unterbunden wird, kann insbesondere weniger als 30% des Nennmoments oder maximal bereitstellbaren Drehmoments betragen.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das Einbringen des Kraftstoffs in den wenigstens einen Zylinder unterbunden wird, sobald eine Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs über eine vorbestimmte Zeitspanne hinweg um nicht mehr als einen vorbestimmten Betrag von einem vorbestimmten Wert der Fahrgeschwindigkeit abweicht. Bevorzugt wird als das Einbringen des Kraftstoffs in den wenigstens einen Zylinder unterbunden, wenn eine Konstantfahrt vorliegt, bei welcher es kaum zu starken Beschleunigungen oder Verzögerungen kommt. So lässt sich eine besonders gute Laufruhe der Verbrennungskraftmaschine trotz des Abschaltens der Einspritzung sicherstellen.
Beispielsweise kann der vorbestimmte Wert der Fahrgeschwindigkeit bei weniger als 50 km/h liegen, so dass insbesondere bei Konstantfahrten mit niedrigen Fahrgeschwindigkeiten die Einspritzung des Kraftstoffs in den wenigstens einen Zylinder abgeschaltet wird.
Zum Sicherstellen einer hohen Laufruhe der Verbrennungskraftmaschine ist es des Weiteren vorteilhaft, wenn zunächst das Einbringen des Kraftstoffs in wenigstens einen ersten Zylinder unterbunden wird und anschließend das Einbringen des Kraftstoffs in wenigstens einen zweiten Zylinder unterbunden wird, während erneut Kraftstoff in wenigstens einen ersten Zylinder eingebracht wird. Durch ein solches zyklisches Abschalten verschiedener Zylinder der Verbrennungskraftmaschine lässt sich ein vom Abschalten der Einspritzung besonders weitgehend unbeeinflusster Motorlauf sicherstellen.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn ein Drehmoment der Antriebseinrichtung zumindest teilweise mittels wenigstens eines Elektromotors bereitgestellt wird. Es können also Momentenschwankungen der Verbrennungskraftmaschine durch eine elektrische Momentenzusteuerung ausgeglichen werden. Auch dies ist einer hohen Laufruhe des Kraftfahrzeugs zuträglich. Auch durch eine entsprechend elastische Lagerung der Verbrennungskraftmaschine kann möglichen Problemen bei der Laufruhe entgegengewirkt werden, welche ihre Ursache im Unterbinden des Einbringens von Kraftstoff in den wenigstens einen Zylinder haben.
Eine besonders starke und rasche Abkühlung des Stickoxid-Speicherkatalysators ist des Weiteren erreichbar, wenn das Einbringen des Kraftstoffs in eine Mehrzahl von Zylindern unterbunden wird. So können beispielsweise bei einer Verbrennungskraftmaschine mit vier Zylindern zwei Zylinder abgeschaltet werden, um eine besonders rasche Abkühlung des Stickoxid-Speicherkatalysators sicherzustellen.
Die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug umfasst eine Verbrennungskraftmaschine, welche eine Mehrzahl von Zylindern aufweist. Mit der Verbrennungskraftmaschine ist eine Abgasanlage gekoppelt, in welcher ein Stickoxid-Speicherkatalysator angeordnet ist. Des Weiteren umfasst die Antriebseinrichtung eine Einrichtung zum Ermitteln einer Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators. Die Antriebseinrichtung umfasst auch eine Steuerungseinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, ein Einbringen von Kraftstoff in wenigstens einen Zylinder abhängig davon zu unterbinden, ob die Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators größer ist als ein vorbestimmter Schwellenwert. Mittels einer derartigen Antriebseinrichtung lässt sich der Stickoxid-Speicherkatalysator besonders aufwandsarm kühlen, indem nämlich beim Überschreiten des Schwellenwerts der Temperatur die Einspritzung von Kraftstoff in den wenigstens einen Zylinder mittels der Steuerungseinrichtung unterbunden wird. Als Steuerungseinrichtung kann insbesondere ein Motorsteuergerät zum Einsatz kommen.
Zum Ermitteln der Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators kann ein Temperatursensor vorgesehen sein. Zusätzlich oder alternativ kann anhand der Betriebsbedingungen insbesondere der Verbrennungskraftmaschine auf die Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators geschlossen werden. Es kann also auch mittels der Steuerungseinrichtung die Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators ermittelt werden.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung und umgekehrt.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 ein Ablaufschema, in welchem eine Abkühlung eines Stickoxid-Speicherkatalysators bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen gezeigt ist, wobei eine besonders rasche und starke Abkühlung dadurch erreicht wird, dass in wenigstens einen Zylinder der Verbrennungskraftmaschine kein Kraftstoff eingespritzt wird;
2 Ventilhubkurven, welche für den wenigstens einen Zylinder eingestellt werden, in welchen kein Kraftstoff eingespritzt wird;
3 eine Antriebseinrichtung eines Kraftfahrzeugs mit der Verbrennungskraftmaschine und dem Stickoxid-Speicherkatalysator im Normalbetrieb, in welchem in alle Zylinder Kraftstoff eingespritzt wird; und
4 die Antriebseinrichtung gemäß 3 in einer Betriebsweise, in welcher die Kraftstoffzufuhr zu zwei Zylindern unterbunden wird und infolgedessen der Stickoxid-Speicherkatalysator mit vergleichsweise kühlem Abgas beaufschlagt wird.
In 1 ist durch einen Pfeil 10 ein Zustand einer Antriebseinrichtung 12 eines Fahrzeugs, beispielsweise eines Kraftwagens, veranschaulicht, welche eine Verbrennungskraftmaschine 14 und eine mit der Verbrennungskraftmaschine 14 gekoppelte Abgasanlage 16 umfasst (vergleiche 3). In dem durch den Pfeil 10 veranschaulichten Zustand ist die Abgasanlage 16 vergleichsweise heiß. Entsprechend weist auch ein in der Abgasanlage 16 angeordneter Stickoxid-Speicherkatalysator 18 eine hohe Temperatur auf (vergleiche 3).
Die Temperatur liegt oberhalb eines Schwellenwerts, welcher in 1 auf einer Ordinate 20 aufgetragen ist. Beispielsweise kann die Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators 18 bei mehr als 450°C, insbesondere bei mehr als 500°C liegen. Bei einer derartig hohen Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators 18 ist der Stickoxid-Speicherkatalysator 18 nicht mehr in ausreichendem Maß in der Lage, Stickoxide einzuspeichern. Im Hinblick auf die Einhaltung niedriger Stickoxidwerte im Abgas der Verbrennungskraftmaschine 14 ist es daher vorteilhaft, wenn die Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators 18 abgesenkt, der Katalysator also gekühlt wird.
In 1 ist durch einen weiteren Pfeil 22 ein Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 14 veranschaulicht, in welchem es zu einem langsamen Abkühlen der Abgasanlage 16 kommt. Während dieses Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 14 wird der Verbrennungskraftmaschine 14 Kraftstoff in einem stöchiometrischen Verhältnis zugeführt, also bei einem Luftverhältnis von λ = 1. Dieser stöchiometrische Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 14 ist vorgesehen, da so ein dem Stickoxid-Speicherkatalysator 18 vorgeschalteter, optionaler Drei-Wege-Katalysator 24, welcher zudem Stickoxid-Speicherkatalysatoreigenschaften aufweisen kann, Abgasbestandteile gut konvertieren kann. Ein Luftverhältnis von λ = 1 führt nämlich zu einer Zusammensetzung des Abgases, welches die Verbrennungskraftmaschine 14 abgibt, bei welcher die mit dem Drei-Wege-Katalysator 24 erzielbare Reinigungsleistung am besten ist.
Bei dem stöchiometrischen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 14, welcher durch den Pfeil 22 veranschaulicht ist, kann es sich insbesondere um einen Homogenbetrieb handeln, bei welchem also im gesamten Brennraum eines jeden Zylinders 26, 28 der Verbrennungskraftmaschine 14 (vergleiche 3) die Gemischzusammensetzung gleich ist.
Aufgrund einer verringerten Last der Verbrennungskraftmaschine 14 kühlen während des durch den Pfeil 22 veranschaulichten Homogenbetriebs die Abgasanlage 16 und auch der Stickoxid-Speicherkatalysator 18 langsam ab. Zu einer solchen Situation kann es beispielsweise kommen, wenn nach einem Dauerbetrieb bei hoher Last, wie sie beispielsweise bei einer Fahrt auf einer Autobahn auftritt, das Kraftfahrzeug die Autobahn verlässt und die Verbrennungskraftmaschine 14 mit geringerer Last betrieben wird.
Eine entsprechende Kurve 30 in 1 veranschaulicht das langsame Abkühlen des Stickoxid-Speicherkatalysators 18. Erst am Ende des durch den Pfeil 22 veranschaulichten Zeitraums des Abkühlens, also erst zu einem Zeitpunkt 32, hat jedoch der Stickoxid-Speicherkatalysator 18 einen weiteren vorbestimmten Schwellenwert 34 der Temperatur erreicht, welcher beispielsweise 450°C betragen kann. Zu diesem Zeitpunkt 32 wird dann die Betriebsweise der Verbrennungskraftmaschine 14 auf einen Magerbetrieb 36 umgestellt, also auf eine Betriebsweise mit einem Luftverhältnis λ > 1. Dieser aus dem Stand der Technik bekannte Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 14 ist im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch ungünstig.
Mit dem nachstehend beschriebenen Verfahren wird nun erreicht, dass bereits zu einem früheren Zeitpunkt 38 auf einen Magerbetrieb 40 der Verbrennungskraftmaschine 14 umgeschaltet werden kann. Auch in diesem Magerbetrieb 40 wird die Verbrennungskraftmaschine 14 mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben, mit also mit einem Luftverhältnis λ > 1.
Der Ausgangspunkt bei diesem Verfahren ist in 1 wiederum durch einen Pfeil 42 veranschaulicht, welcher den Zustand der – beispielsweise durch Dauerbetrieb bei hoher Last – heißen Abgasanlage 16 darstellt. Wenn also die Temperatur der Abgasanlage 16 einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, beispielsweise einen Schwellenwert, bei welchem keine oder nur noch eine in starkem Maße verringerte Einspeicherung von Stickoxiden in den Stickoxid-Speicherkatalysator 18 stattfindet, so kommt es vorliegend zu einem Unterbinden 44 des Einspritzens von Kraftstoff in zumindest einen Zylinder 28. Beispielsweise kann bei zwei Zylindern 28 der insgesamt vier Zylinder 26, 28 der Verbrennungskraftmaschine 14 die Einspritzung zu einem Zeitpunkt 46 abgeschaltet, also das Einbringen von Kraftstoff in die beiden Zylinder 28 unterbunden werden (vergleiche 4).
Dies hat zur Folge, dass aus den beiden Zylindern 28 Luft 94 geschoben wird (vergleiche 4), welche nicht durch eine Verbrennung von Kraftstoff aufgeheizt wurde und daher im Vergleich zum Abgas kalt ist. In der Abgasanlage 16 senkt diese kalte Luft 94 die Temperatur des aus den übrigen Zylindern 26 ausströmenden Abgases. Infolgedessen strömt dem Stickoxid-Speicherkatalysator 18 kühleres Abgas zu, und er kann besonders rasch abgekühlt werden. Das rasche Abkühlen des Stickoxid-Speicherkatalysators 18 ist in 1 durch eine weitere Kurve 48 veranschaulicht. Entsprechend wird bereits zu einem Zeitpunkt 38 der Schwellenwert 34 der Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators 18 erreicht, und der Magerbetrieb 40 kann eingestellt werden. Bei dem Magerbetrieb 40 kann es sich insbesondere um einen Schichtladebetrieb handeln.
Bereits in einem mit dem Unterbinden 44 korrespondierenden Zeitraum 50, also dem Zeitraum 50 zwischen dem Zeitpunkt 46 und dem Zeitpunkt 38, kann bei diesem Verfahren zum Betreiben der Antriebseinrichtung 12 ein Kraftstoffersparnis erzielt werden, da zumindest ein Zylinder 28 nicht mit Kraftstoff beaufschlagt wird. Vorliegend wird sogar in zwei Zylinder 28 der insgesamt vier Zylinder 26, 28 kein Kraftstoff eingespritzt.
Eine weitere Kraftstoffersparnis ergibt sich in einem anschließenden Zeitraum 52, welcher vom Zeitpunkt 38 bis zum Zeitpunkt 32 reicht. Während dieses Zeitraums 52 wird die Verringerung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs durch den im Vergleich zum Magerbetrieb 36 früher einsetzenden Magerbetrieb 40 erreicht.
In einem in 2 gezeigten Graphen 54 sind auf einer Abszisse 56 die Kurbelwellenwinkel in Grad angegeben und auf einer Ordinate 58 der Ventilhub in Millimeter. Eine erste Kurve 60 veranschaulicht den Ventilhub wenigstens eines Auslassventils und eine zweite Kurve 62 den Ventilhub wenigstens eines Einlassventils des jeweiligen Zylinders 28, in welchen kein Kraftstoff eingespritzt wird. Des Weiteren sind in dem Graphen 54 in 2 ein Expansionstakt 64, ein Ausschiebetakt 66, ein Ansaugtakt 68 und ein Verdichtungstakt 70 angegeben.
Die Verbrennungskraftmaschine 14 der Antriebseinrichtung 12 umfasst in an sich bekannter Weise ein Kurbelgehäuse, eine Kolbengruppe, gegebenenfalls Nebenaggregate, sowie einen Zylinderkopf mit einem Ventiltrieb. Der Ventiltrieb beinhaltet eine Verstelleinheit zur diskreten Umschaltung von Ventilhubkurven auf der Einlassseite und auf der Auslassseite. Mit einer solchen Verstelleinheit werden beispielsweise die Kurven 60, 62 des Auslassventils und des Einlassventils eingestellt, welche in 2 gezeigt sind.
Hierbei ist bevorzugt die Nockengeometrie so beschaffen, dass bei dem wenigstens einen Zylinder 28, vorliegend beispielhaft bei den beiden Zylindern 28, die Möglichkeit besteht, eine weitgehende Dekompression zu erzeugen. So beginnt vorliegend das Auslassventil des jeweiligen Zylinders 28 bereits bei Beginn des Expansionstakts 64 zu öffnen, und bei etwa minus 270 Grad Kurbelwellenwinkel ist das Auslassventil vollständig geöffnet. Diese Offenstellung wird vorliegend im Ausschiebetakt 66 beibehalten, und erst bei etwa minus 45 Grad Kurbelwellenwinkel beginnt das Auslassventil wieder zu schließen. Zu Beginn des Ansaugtakts 68 erfolgt dann allmählich das vollständige Schließen des Auslassventils, welches beispielsweise bei einem Wert zwischen 45 Grad Kurbelwellenwinkel und 90 Grad Kurbelwellenwinkel im Ansaugtakt 68 vollständig geschlossen sein kann (vergleiche Kurve 60).
In analoger Weise öffnet das Einlassventil bereits während des Ausschiebetakts 66. Bevorzugt ist das Einlassventil bereits kurz nach dem oberen Totpunkt OT am Ende des Ausschiebetakts 66, also zu Beginn des Ansaugtakts 68 vollständig geöffnet. In dieser Offenstellung wird das Einlassventil bis in den Verdichtungstakt 70 hinein gehalten, wobei ein Schließen des Einlassventils beispielsweise ab etwa 270 Grad Kurbelwellenwinkel im Verdichtungstakt 70 beginnen und bei Erreichen des oberen Totpunkts OT am Ende des Verdichtungstakts 70 abgeschlossen sein kann.
Durch die in 2 beispielhaft dargestellte Ventilerhebung mit sehr langen Öffnungszeiten auf der Einlassseite und der Auslassseite der Zylinder 28 kann sichergestellt werden, dass die in die Zylinder 28 der Verbrennungskraftmaschine 14 angesaugte Luft 94 (vergleiche 4) weitgehend unkomprimiert aus den Zylindern 28 geschoben wird. Diese Luft 94 kann dann besonders gut zur Kühlung des Stickoxid-Speicherkatalysators 18 verwendet werden.
Wie aus 3 ersichtlich ist, kann ein Ansaugstrang 72 der Antriebseinrichtung 12 ein Ansaugrohr 74 umfassen, welches mit einem Verdichter eines Abgasturboladers 76 gekoppelt ist. Vom Abgasturbolader 76 aus gelangt die angesaugte Luft bevorzugt über einen Ladeluftkühler 78 in die Verbrennungskraftmaschine 14. Hierbei kann im Ansaugstrang 72 stromaufwärts der Verbrennungskraftmaschine 14 eine Drosselklappe 80 vorgesehen sein.
Die Abgasanlage 16 umfasst den Stickoxid-Speicherkatalysator 18 und den optional vorgeschalteten Drei-Wege-Katalysator 24 welcher zusätzlich Stickoxid-Speichereigenschaften aufweisen kann. Über eine Umgehungsleitung 82 kann das aus einem Abgaskrümmer 84 zum Abgasturbolader 76 geführte Abgas an einer Turbine 86 des Abgasturboladers 76 vorbeigeführt werden. In der Umgehungsleitung 82 kann ein Ventil oder eine Klappe 88 angeordnet sein, welche auch als Wastegate bezeichnet wird. Über einen Temperatursensor 90 kann die im Stickoxid-Speicherkatalysator 18 vorliegende Temperatur gemessen werden. Zusätzlich oder alternativ kann ein Motorsteuergerät 92 oder eine derartige Steuerungseinrichtung die Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators 18 anhand der Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 14 ermitteln.
In 3 ist ein Normalbetrieb der Antriebseinrichtung 12 dargestellt, bei welchem in alle Zylinder 26, 28 der Verbrennungskraftmaschine 14 Kraftstoff eingespritzt wird und somit die Abgasanlage 16 und folglich auch der Stickoxid-Speicherkatalysator 18 mit vergleichsweise heißem Abgas beaufschlagt wird.
4 veranschaulicht demgegenüber die Antriebseinrichtung 12 in einem Betriebszustand, in welchem die Abgasanlage 16 und damit auch der Stickoxid-Speicherkatalysator 18 gekühlt wird. Hierbei werden mittels der Verstelleinheit die Ventilhubkurven der beiden Zylinder 28 gegenüber den Ventilhubkurven der Zylinder 26 verändert, in welche weiterhin Kraftstoff eingespritzt wird. Zudem wird in die beiden Zylinder 28 kein Kraftstoff eingespritzt. Folglich wird die weitgehend unkomprimierte, kalte Luft 94 aus den beiden Zylindern 28 ausgeschoben, und diese kalte Luft 94 gelangt in den Abgaskrümmer 84. Das Abschalten der Einspritzung und das Ansteuern der Verstelleinheit zum Verstellen der Ventilhubkurven erfolgt durch das Motorsteuergerät 92.
Entsprechend ist die Temperatur des Abgases, welches durch die Umgehungsleitung 82 und/oder über die Turbine 86 des Abgasturboladers 76 strömt, geringer als bei dem in 3 gezeigten Betriebszustand. Mit dem aufgrund des Einbringens der kalten Luft 94 vergleichsweise kühlen Abgas kann rasch der Stickoxid-Speicherkatalysator 18 gekühlt werden. Entsprechend kann besonders rasch der Magerbetrieb 40 eingestellt werden. Die Drosselklappe 80 ist bevorzugt während des Unterbindens 44 der Kraftstoffzufuhr zu den Zylindern 28 besonders weitgehend, insbesondere wenigstens annähernd vollständig geöffnet.
Ein bevorzugter Betriebsbereich, bei welchem der Stickoxid-Speicherkatalysator 18 auf die vorstehend beschriebene Art und Weise gekühlt wird, kann auf einen unteren Drehzahlbereich beschränkt sein, beispielsweise auf Drehzahlen im Bereich von etwa 1000 U/min bis etwa 3000 U/min. Die Last der Verbrennungskraftmaschine 14 beträgt je nach Anzahl der Zylinder 26, 28 und nach dem Hubraum bevorzugt etwa 70% der Saugvolllast. Bei einer Verbrennungskraftmaschine 14 mit vier Zylindern und 2,0 Liter Hubraum entspricht dies etwa einer Last von 70 Nm.
Der anhand von 2 und von 4 veranschaulichte Kühlungsbetrieb zum Verringern der Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators 18 kann insbesondere so lange erfolgen, bis sich der Stickoxid-Speicherkatalysator 18 auf weniger als 450°C abgekühlt hat und sich der Motorbetriebspunkt innerhalb des bevorzugten Betriebsbereichs befindet. Die für das Abkühlen des Stickoxid-Speicherkatalysators 18 notwendige Dauer ist abhängig von der Mischtemperatur des Abgases, also dem Anteil der Luft 94 im Abgas, vom Hubvolumen der Verbrennungskraftmaschine 14 sowie von der Größe des Stickoxid-Speicherkatalysators 18.
Um eine möglichst harmonische Umschaltung gewährleisten zu können, werden bevorzugt die Einspritzung in die Zylinder 28 unterbunden und die Ventilöffnungszeiten beispielsweise wie anhand von 2 erläutert verstellt, wenn ein möglichst geringes Drehmoment von der Verbrennungskraftmaschine 14 abgegeben wird. Dies kann beispielsweise bei einer Konstantfahrt mit bis zu 50 km/h der Fall sein und bevorzugt dann, wenn weniger als 50%, insbesondere weniger als 30%, eines Nennmoments der Verbrennungskraftmaschine 14 als Drehmoment von der Verbrennungskraftmaschine 14 abgegeben werden.
Um etwaigen Schwierigkeiten bei der Laufruhe der Verbrennungskraftmaschine 14 zu begegnen, können geeignete Lagerungsmaßnahmen der Verbrennungskraftmaschine 14 zum Einsatz kommen. Zusätzlich oder alternativ kann solchen Schwierigkeiten durch eine Momentenzusteuerung mittels eines Elektromotors entgegengewirkt werden.
Aufgrund des Einbringens der Luft 94 in das Abgas ändert sich auch die Zusammensetzung des dem Drei-Wege-Katalysator 24 zugeführten Abgasgemisches, welches einem mageren Abgasgemisch ähnelt. Die hiermit gegebenenfalls verbundenen Einschränkungen beim Konvertieren von Abgasbestandteilen mittels des Drei-Wege-Katalysators 24 sind vorübergehend und fallen nicht bedeutend ins Gewicht.
Bezugszeichenliste

10: Pfeil
12: Antriebseinrichtung
14: Verbrennungskraftmaschine
16: Abgasanlage
18: Stickoxid-Speicherkatalysator
20: Ordinate
22: Pfeil
24: Drei-Wege-Katalysator
26: Zylinder
28: Zylinder
30: Kurve
32: Zeitpunkt
34: Schwellenwert
36: Magerbetrieb
38: Zeitpunkt
40: Magerbetrieb
42: Pfeil
44: Unterbinden
46: Zeitpunkt
48: Kurve
50: Zeitraum
52: Zeitraum
54: Graph
56: Abszisse
58: Ordinate
60: Kurve
62: Kurve
64: Expansionstakt
66: Ausschiebetakt
68: Ansaugtakt
70: Verdichtungstakt
72: Ansaugstrang
74: Ansaugrohr
76: Abgasturbolader
78: Ladeluftkühler
80: Drosselklappe
82: Umgehungsleitung
84: Abgaskrümmer
86: Turbine
88: Klappe
90: Temperatursensor
92: Motorsteuergerät
94: Luft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004058942 A1 [0002]
DE 10061645 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung (12) für ein Kraftfahrzeug, bei welchem ein Einbringen von Kraftstoff in wenigstens einen Zylinder (28) einer Verbrennungskraftmaschine (14) des Kraftfahrzeugs unterbunden wird, wobei ein Fluid (94) aus dem wenigstens einen Zylinder (28) in eine mit der Verbrennungskraftmaschine (14) gekoppelte Abgasanlage (16) eingebracht wird, bei welchem zumindest eine Teilmenge des Fluids (94) einen in der Abgasanlage (16) angeordneten Stickoxid-Speicherkatalysator (18) durchströmt, und bei welchem eine Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators (18) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen des Kraftstoffs in den wenigstens einen Zylinder (28) unterbunden wird, wenn die Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators (18) größer ist als ein vorbestimmter Schwellenwert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Auslassventil des wenigstens einen Zylinders (28) später geschlossen wird als ein Auslassventil wenigstens eines weiteren Zylinders (26) der Verbrennungskraftmaschine (14), in welchen Kraftstoff eingebracht wird, und/oder dass ein Einlassventil des wenigstens einen Zylinders (28) früher geöffnet wird als ein Einlassventil des wenigstens einen weiteren Zylinders (26).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Auslassventil des wenigstens einen Zylinders (28) früher geöffnet wird, insbesondere vor dem Erreichen eines unteren Totpunkts eines Expansionstakts (64) des wenigstens einen Zylinders (28) vollständig geöffnet wird, als ein Auslassventil wenigstens eines weiteren Zylinders (26) der Verbrennungskraftmaschine (26), in welchen Kraftstoff eingebracht wird, und/oder dass ein Einlassventil des wenigstens einen Zylinders (28) später geschlossen wird, insbesondere während eines Teils eines Verdichtungstakts (70) des wenigstens einen Zylinders (28) noch vollständig geöffnet gehalten wird, als ein Einlassventil des wenigstens einen weiteren Zylinders (26).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (14) mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben wird, sobald eine Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators (18) geringer ist als ein weiterer vorbestimmter Schwellenwert (34), insbesondere geringer als 450°C.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen des Kraftstoffs in den wenigstens einen Zylinder (28) unterbunden wird, wenn eine Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine (14) zwischen 1000 U/min bis 3000 U/min vorliegt und/oder eine Last der Verbrennungskraftmaschine (14) nicht mehr als etwa 70% einer Volllast der Verbrennungskraftmaschine (14) beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen des Kraftstoffs in den wenigstens einen Zylinder (28) unterbunden wird, wenn ein von der Verbrennungskraftmaschine (14) bereitgestelltes Drehmoment weniger als 50%, insbesondere weniger als 30%, eines maximal von der Verbrennungskraftmaschine (14) bereitstellbaren Drehmoments beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen des Kraftstoffs in den wenigstens einen Zylinder (28) unterbunden wird, wenn eine Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs über eine vorbestimmte Zeitspanne hinweg um nicht mehr als einen vorbestimmten Betrag von einem vorbestimmten Wert der Fahrgeschwindigkeit abweicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst das Einbringen des Kraftstoffs in wenigstens einen ersten Zylinder (28) unterbunden wird und anschließend das Einbringen des Kraftstoffs in wenigstens einen zweiten Zylinder (26) unterbunden wird, während erneut Kraftstoff in den wenigstens einen ersten Zylinder (28) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehmoment der Antriebseinrichtung (12) zumindest teilweise mittels wenigstens eines Elektromotors bereitgestellt wird.
Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit einer Verbrennungskraftmaschine (14), welche eine Mehrzahl von Zylindern (26, 28) aufweist, wobei mit der Verbrennungskraftmaschine (14) eine Abgasanlage (16) gekoppelt ist, in welcher ein Stickoxid-Speicherkatalysator (18) angeordnet ist, und mit einer Einrichtung (90) zum Ermitteln einer Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators (18), dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (12) eine Steuerungseinrichtung (92) umfasst, welche dazu ausgelegt ist, ein Einbringen von Kraftstoff in wenigstens einen der Zylinder (28) abhängig davon zu unterbinden, ob die Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators (18) größer ist als ein vorbestimmter Schwellenwert.