DE102014118588A1

DE102014118588A1 - Kraftstoffnacheinspritzung eines gasförmigen Kraftstoffs zur Verringerung von Schadstoffemissionen

Info

Publication number: DE102014118588A1
Application number: DE102014118588.9A
Authority: DE
Inventors: Chris Paul Glugla; John Edward Hedges; Gopichandra Surnilla; Eric Warren Curtis; Mark Allen Dearth
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2014-12-15
Publication date: 2015-06-18
Also published as: US9382857B2; RU2014151230A; RU2014151230A3; CN104727981A; RU2656173C2; US20150167576A1; CN104727981B; MX355239B; MX2014015333A

Abstract

Verfahren und Systeme werden bereitgestellt für das Zuführen eines gasförmigen Kraftstoffs als mehrfache Kraftstoffeinspritzungen, die zwischen einem Ansaugtakt, einem Verdichtungstakt und/oder einem Arbeitstakt so aufgeteilt werden, dass ein Aufwärmen eines Abgaskatalysators während eines Motorkaltstarts beschleunigt wird. Der im Ansaug- und im Verdichtungstakt eingespritzte Kraftstoff wird gezündet und verbrannt. Die Arbeitstaktkraftstoffeinspritzungen werden in dem Auslasskanal verbrannt, um eine Abgastemperatur und einen Abgasdruck für eine schnellere Katalysatoraktivierung zu erhöhen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf Verfahren und Systeme für das Verringern von schwebstoffförmigen Schadstoffemissionen in einem aufgeladenen Motorsystem, indem flüssiges Autogas (Liquefied Petroleum Gas, LPG) eingespritzt wird.
Hintergrund und Kurzdarstellung
Verbrennungsmotoren können mit direkten Kraftstoffeinspritzern, die einen Kraftstoff direkt in einen Verbrennungszylinder einspritzen (Direkteinspritzung) und/oder mit Saugrohrkraftstoffeinspritzern ausgestattet sein, die einen Kraftstoff in ein Zylindersaugrohr einspritzen (Saugrohrkraftstoffeinspritzung). Die Direkteinspritzung erlaubt eine größere Kraftstoffeffizienz und eine höhere Leistungsabgabe, die zusätzlich zu der Möglichkeit eines besseren Ladekühlungseffekts des eingespritzten Kraftstoffs erreicht wird.
Während eines Kaltstarts eines Motors kann die Direkteinspritzung von Kraftstoff während eines Arbeitstakts oder eines Ausstoßtakts (auch bekannt als Kraftstoffnacheinspritzung) oder spät in einem Verdichtungstakt außerdem ein schnelleres Erwärmen eines Abgaskatalysators erlauben. Ein beispielhafter Ansatz für ein schnelleres Erwärmen eines Abgaskatalysators wird von Nagai et al. in dem US-Patent 6.374.798 gezeigt. Dabei wird Kraftstoff in einem Verdichtungstakt eingespritzt, wenn eine größere Katalysatorerwärmung erforderlich ist, und in einem Ansaugtakt, wenn eine geringere Katalysatorerwärmung erforderlich ist.
Die Erfinder haben hier jedoch erkannt, dass bei Motoren mit einer Benzindirekteinspritzung während eines Kaltstarts oder eines Aufwärmens des Motors sowohl aufgrund einer diffusen Zündausbreitung, wobei sich der Kraftstoff vor der Verbrennung nicht angemessen mit der Luft mischt, als auch aufgrund einer Benetzung der Zylinderwand mehr Schwebstoffemissionen (oder Ruß) erzeugt werden. Da die Direkteinspritzung von Natur aus eine relativ späte Kraftstoffeinspritzung ist, kann die Zeit für das Mischen des eingespritzten Kraftstoffs mit der Luft in dem Zylinder nicht ausreichend sein. Auf ähnliche Weise kann der eingespritzte Kraftstoff weniger Turbulenzen ausgesetzt sein, wenn er durch die Ventile fließt. Folglich können Einschlüsse mit einer fetten Verbrennung auftreten, die lokal Ruß erzeugen können, wodurch die Schadstoffemissionen verschlechtert werden. Auf ähnliche Weise kann die Zufuhr von Benzin als eine Kraftstoffnacheinspritzung oder eine späte Verdichtungstakteinspritzung über einen Direkteinspritzer zu einer verstärkten Benetzung des Kolbens mit Kraftstoff und einem beträchtlichen Anstieg der Schwebstoffemissionen im Auspuffrohr führen.
Die Erfinder haben hier erkannt, dass mindestens einige der oben erwähnten Probleme mithilfe von Verfahren für ein Motorsystem behandelt werden können, die mit einer Direkteinspritzung eines gasförmigen Kraftstoffs wie zum Beispiel flüssigem Autogas betrieben werden. Ein beispielhaftes Verfahren umfasst: während eines Motorkaltstarts, ein Verbrennen einer ersten Menge eines gasförmigen Kraftstoffs während eines oder mehrerer aus einem Ansaugtakt und einem Verdichtungstakt eines ersten Verbrennungsereignisses; und ein Verbrennen einer zweiten Menge eines gasförmigen Kraftstoffs während eines Arbeitstakts des ersten Verbrennungsereignisses, wobei ein Verhältnis der ersten Menge zu der zweiten Menge so eingestellt wird, dass ein fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis an der Zündkerze eine bessere Motorstabilität ermöglicht, wobei das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der gesamten Verbrennung in dem Zylinder auf einem stöchiometrischen Wert gehalten wird. Auf diese Weise kann das Aufwärmen des Katalysators beschleunigt werden, ohne die Werte der Schadstoffemissionen zu verschlechtern.
Bei einem Beispiel kann ein Motorsystem mit einem Kraftstoffzufuhrsystem für flüssiges Autogas (LPG) ausgestattet werden und der gasförmige Kraftstoff (z. B. LPG) kann direkt in die Brennkammer eingespritzt werden. Während einer Motorkaltstartbedingung wie zum Beispiel, wenn eine Temperatur des Abgaskatalysators unter einer Schwellenwerttemperatur oder -effizienz liegt, kann der gasförmige Kraftstoff dem Motor als eine oder mehrere aus einer Ansaugtakteinspritzung und einer Verdichtungstakteinspritzung zugeführt werden. Die Kraftstoffeinspritzung kann in dem Maße weiter zu der Verdichtungstakteinspritzung verlagert werden, je niedriger die Temperatur des Abgaskatalysators bei dem Motorkaltstart ist. Die Ansaugtakteinspritzung ermöglicht an sich ein gutes Gemisch und während des Aufwärmens des Katalysators kann die Einspritzung mager sein. Die Verdichtungstakteinspritzung kann danach so verwendet werden, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis an der Zündkerze nahezu stöchiometrisch ist, sodass das Gemisch leichter zündet. Der Kraftstoff kann optional auch als eine einzige Einspritzung oder als mehrfache Einspritzungen während des Arbeitstakts eingespritzt werden und in dem Auslasskanal verbrannt werden. Der sich daraus ergebende Anstieg der Ausstoßtemperatur und des Ausstoßdrucks verringert die Zeit bis zur Katalysatoraktivierung. Eine Kraftstoffmenge die im Ansaugtakt, dem Verdichtungstakt und dem Arbeitstakt eingespritzt wird, kann so eingestellt werden, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der gesamten Abgase auf oder nahe bei einem stöchiometrischen Wert gehalten wird. Außerdem kann der Zeitpunkt der Einspritzungen auf der Grundlage der Katalysatortemperatur und dem Zündzeitpunkt eingestellt werden. Je niedriger zum Beispiel die Katalysatortemperatur bei den Kaltstartbedingungen ist, desto näher kann die Verdichtungstakteinspritzung am oberen Totpunkt (Top Dead Center, TDC) des Verdichtungstakts ausgeführt werden, während die Arbeitstakteinspritzung(en) weiter entfernt von dem TDC ausgeführt wird (werden). Bei einem weiteren Beispiel kann ein kleinerer Anteil des Kraftstoffs im Ansaugtakt eingespritzt werden, während ein größerer Anteil des Kraftstoffs im Verdichtungstakt und als eine Nacheinspritzung (im Arbeitstakt) zugeführt wird. Die Strategie der geteilten Kraftstoffeinspritzung kann fortgesetzt werden, während die Katalysatortemperatur und die Effizienz ansteigen. Wenn der Abgaskatalysator ausreichend warm ist (wenn er z. B. bei oder über der Aktivierungstemperatur liegt), kann die Nacheinspritzung abgebrochen werden und die Kraftstoffeinspritzung entweder im Ansaugtakt oder im Verdichtungstakt kann wieder aufgenommen werden. Die Strategie der geteilten Kraftstoffeinspritzung kann alternativ so verändert werden, dass die Kraftstoffnacheinspritzung (im Arbeitstakt) abgebrochen wird, während die Kraftstoffeinspritzungen im Ansaugtakt und im Verdichtungstakt beibehalten werden, bis der Katalysator aktiviert wird.
Durch das Einspritzen von Kraftstoff in einen Zylinder nach dem TDC des Verdichtungstakts vergrößert die vermehrte Oxidation von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid auf diese Weise die Abgastemperatur, während die Emissionen des Zufuhrgases verringert werden. Insgesamt wird die Effizienz der Katalysatoraktivierung verbessert, ohne die Schwebstoffanteile im Abgas zu vermehren.
Es versteht sich, dass die obige Kurzdarstellung bereitgestellt wird, um in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten vorzustellen, die in der detaillierten Beschreibung ausführlicher beschrieben werden. Dies bedeutet aber nicht, dass entscheidende oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Erfindungsgegenstands herausgehoben werden, da dessen Umfang einzig durch die Ansprüche definiert wird, die nach der detaillierten Beschreibung folgen. Außerdem ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf die Umsetzungen beschränkt, welche die oben oder in einem beliebigen Teil dieser Offenbarung erwähnten Nachteile lösen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung eines Motorsystems, das so konfiguriert ist, dass ein gasförmiger Kraftstoff direkt eingespritzt wird.
2 zeigt einen Ablaufplan, der ein beispielhaftes Verfahren zum Einstellen eines Kraftstoffeinspritzprofils während einer Motorkaltstarteinspritzung darstellt.
3 zeigt beispielhafte Kraftstoffeinspritzprofile für eine Motorkaltstartbedingung.
Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Beschreibung bezieht sich auf ein Motorsystem wie zum Beispiel das Motorsystem in 1, das konfiguriert ist, einen gasförmigen Kraftstoff über eine Direkteinspritzung zuzuführen. Der gasförmige Kraftstoff kann als eine geteilte Kraftstoffeinspritzung zugeführt werden, die während der Kaltstartbedingungen eines Motors über mehrere Takte eines Verbrennungsereignisses in einem Zylinder verteilt ist. Eine Steuereinheit kann so konfiguriert sein, dass sie ein Steuerverfahren wie zum Beispiel das Verfahren in 2 ausführt, um den gasförmigen Kraftstoff sowohl als eine oder mehrere aus einer Ansaugtakteinspritzung und einer Verdichtungstakteinspritzung zuzuführen als auch einen Anteil des Kraftstoffs als eine Nacheinspritzung im Arbeitstakt zuzuführen. In Bezug auf 3 werden beispielhafte Profile von Kraftstoffeinspritzungen gezeigt.
1 stellt eine beispielhafte Ausführungsform einer Brennkammer oder eines Zylinders 14 eines Verbrennungsmotors 10 dar. Der Motor 10 kann mindestens teilweise durch ein Steuersystem, zu dem eine Steuereinheit 12 gehört, und mithilfe einer Eingabeeinheit 132 durch Eingabe von einem Fahrzeugbenutzer 130 gesteuert werden. Bei diesem Beispiel gehören zur Eingabeeinheit 132 ein Gaspedal und ein Pedalwertgeber 134 für das Erzeugen eines proportionalen Pedalwertsignals PP. Zu dem Zylinder (dies bedeutet der Brennkammer) 14 des Motors 10 können Brennkammerwände 136 und ein darin angeordneter Kolben 138 gehören. Der Kolben 138 kann mit der Kurbelwelle 140 so verbunden sein, dass die Hubkolbenbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umgewandelt wird. Die Kurbelwelle 140 kann über ein Getriebesystem mit mindestens einem Antriebsrad des Personenfahrzeugs verbunden sein. Außerdem kann ein Anlasser über ein Schwungrad mit der Kurbelwelle 140 verbunden sein, um ein Anlassen des Motors 10 zu ermöglichen.
Der Zylinder 14 kann Ansaugluft über eine Reihe von Ansaugluftleitungen 142, 144 und 146 erhalten. Die Ansaugluftleitung 146 kann außer mit dem Zylinder 14 auch mit anderen Zylindern des Motors 10 in Verbindung stehen. Bei einigen Ausführungsformen können eine oder mehrere der Ansaugleitungen eine Druckerhöhungsvorrichtung wie zum Beispiel einen Turbolader oder einen Auflader aufweisen. 1 zeigt zum Beispiel den Motor 10, der mit einem Turbolader einschließlich eines Kompressors 174, der zwischen den Ansaugleitungen 142 und 144 angeordnet ist, und einer Abgasturbine 176 konfiguriert ist, die entlang der Abgasleitung 148 angeordnet ist. Der Kompressor 174 kann mindestens teilweise über eine Welle 180 durch die Abgasturbine 176 angetrieben werden, wobei die Druckerhöhungsvorrichtung als ein Turbolader konfiguriert ist. Eine Drosselklappe 162, die eine Drosselklappenplatte 164 aufweist, kann in einer Ansaugleitung des Verbrennungsmotors bereitgestellt werden, um die Strömungsgeschwindigkeit und/oder den Druck der Ansaugluft zu variieren, die den Motorzylindern bereitgestellt wird. Die Ansaugleitung 144 kann außerdem vorgeschaltet zur Drosselklappe 162 einen (nicht gezeigten) Drosselklappeneingangsdruck-Sensor (Throttle Inlet Pressure sensor, TIP-Sensor) für das Abschätzen eines Drosselklappeneingangsdrucks (TIP) umfassen. Die Drosselklappe 162 kann, wie in 1 gezeigt, nachgeschaltet zum Kompressor 174 sein, oder sie kann alternativ dem Kompressor 174 vorgeschaltet sein.
Die Abgasleitung 148 kann außer von dem Zylinder 14 auch von anderen Zylindern des Motors 10 Abgase erhalten. Wie gezeigt, ist mit der Abgasleitung 148 ein Abgassensor 128 verbunden, der einer Emissionssteuervorrichtung 178 vorgelagert ist. Der Sensor 128 kann jeder geeignete Sensor für das Bereitstellen einer Anzeige des Verhältnisses von Abgas zu Luft/Kraftstoff sein wie zum Beispiel eine lineare Lambdasonde oder Breitbandlambdasonde (universal or wide-range exhaust gas oxygen, UEGO), eine (dargestellte) bistabile Lambdasonde oder Finger-Lambdasonde (exhaust gas oxygen, EGO), eine beheizte Lambdasonde (heated EGO, HEGO), eine NOx-, HC- oder CO-Sonde. Die Emissionssteuervorrichtung 178 kann ein Dreiwegekatalysator (Three Way Catalyst, TWC) eine NO_x-Falle, eine unterschiedliche andere Emissionssteuervorrichtung oder eine Kombination davon sein. Die Emissionssteuervorrichtung 178 kann außerdem einen (nicht gezeigten) Temperatursensor umfassen, um eine Anzeige der Temperatur des Abgaskatalysators bereitzustellen. Der Motor 10 kann ein Abgasrückführungssystem (Exhaust Gas Recirculation system, EGR-System) umfassen, das allgemein mit 194 angezeigt wird. Das EGR-System 194 kann einen EGR-Kühler 196 umfassen, der entlang der EGR-Leitung 198 angeordnet ist. Das EGR-System kann außerdem ein EGR-Ventil 197 umfassen, das entlang der EGR-Leitung 198 angeordnet ist, um die Menge des in den Ansaugkrümmer 144 zurückgeführten Abgases zu regeln.
Zu jedem Zylinder des Motors 10 können ein oder mehrere Ansaugventile und ein oder mehrere Abgasventile gehören. Der Zylinder 14 wird zum Beispiel einschließlich mindestens eines Ansaugtellerventils 150 und mindestens eines Abgastellerventils 156 gezeigt, die in einem oberen Bereich des Zylinders 14 angebracht sind. Bei einigen Ausführungsformen können zu jedem Zylinder des Motors 10 einschließlich des Zylinders 14 mindestens zwei Ansaugtellerventile und mindestens zwei Abgastellerventile gehören, die in dem oberen Bereich des Zylinders angebracht sind.
Das Ansaugventil 150 kann durch die Steuereinheit 12 über ein Betätigungselement 152 gesteuert werden. Auf ähnliche Weise kann das Abgasventil 156 durch die Steuereinheit 12 über ein Betätigungselement 154 gesteuert werden. Während einiger Bedingungen kann die Steuereinheit 12 die Signale variieren, die den Betätigungselementen 152 und 154 bereitgestellt werden, um die Zeitpunkte des Öffnens und des Schließens und/oder die Hublänge der jeweiligen Ansaug- und Abgasventile zu steuern. Die Stellungen des Ansaugventils 150 und des Abgasventils 156 können von den jeweiligen (nicht gezeigten) Ventilpositionsgebern ermittelt werden. Die Betätigungselemente der Ventile können eine elektrische Ventilbetätigung oder Nockenwellenbetätigung oder eine Kombination davon umfassen. Bei dem Beispiel der Nockenwellenbetätigung, kann jedes Nockenwellenbetätigungssystem eine oder mehre Nocken aufweisen und es kann eine oder mehrere Systeme für eine Nockenwellenprofilverstellung (Cam Profile Switching, CPS), eine variable Nockenwellensteuerung (Variable Cam Timing, VCT), eine variable Ventilsteuerung (Variable Valve Timing, VVT) und/oder einen variablen Ventilhub (Variable Valve Lift, VVL) verwenden, die von der Steuereinheit 12 betrieben werden können, um den Ventilbetrieb zu variieren. Zum Beispiel können zu dem Zylinder 14 alternativ ein Ansaugventil, das über elektrische Ventilbetätigung gesteuert wird, und ein Abgasventil gehören, das über Nockenwellenbetätigung einschließlich CPS und/oder VCT gesteuert wird. Bei weiteren Ausführungsformen können die Ansaug- und Abgasventile mithilfe eines gemeinsamen Ventilbetätigungselements oder -betätigungssystems oder eines variablen Betätigungselements oder Betätigungssystems für Ventilsteuerungen gesteuert werden.
Während des Motorbetriebs unterliegt jeder Zylinder in dem Motor 10 typischerweise einem Verbrennungsereignis in einem Zylinder, das einen Viertaktzyklus umfasst: Zu dem Zyklus gehören der Ansaugtakt, der Verdichtungstakt, der Arbeitstakt und der Ausstoßtakt. Während des Ansaugtakts wird das Auslassventil 156 im Allgemeinen geschlossen und das Ansaugventil 150 wird geöffnet. Luft wird über den Ansaugkrümmer 146 in die Brennkammer 30 eingeführt und der Kolben 138 bewegt sich zum unteren Ende des Zylinders, sodass das Volumen in der Brennkammer 14 vergrößert wird. Die Position, in der sich der Kolben 138 in der Nähe des unteren Endes des Zylinders und am Ende seines Takts befindet (z. B., wenn die Brennkammer 14 ihr größtes Volumen aufweist), wird vom Fachmann typischerweise als unterer Totpunkt (Bottom Dead Center, BDC) bezeichnet. Während des Verdichtungstakts sind das Ansaugventil 150 und das Auslassventil 156 geschlossen. Der Kolben 138 bewegt sich zum oberen Ende des Zylinders, um die Luft in der Brennkammer 14 zu verdichten. Der Punkt, an dem sich der Kolben 138 am Ende seines Takts und in der Nähe des oberen Endes des Zylinders befindet (z. B., wenn die Brennkammer 14 ihr kleinstes Volumen aufweist), wird vom Fachmann typischerweise als oberer Totpunkt (Top Dead Center, TDC) bezeichnet. In einem Prozess auf den nachfolgend als Einspritzung Bezug genommen wird, wird während des Ansaugtakts (und/oder des Verdichtungstakts) des Verbrennungsereignisses in einem Zylinder Kraftstoff in die Brennkammer eingeführt. In einem Prozess, der nachfolgend als Zündung bezeichnet wird, wird der eingespritzte Kraftstoff während des Verdichtungstakts durch ein bekanntes Zündmittel wie zum Beispiel eine Zündkerze 192 gezündet, was zu einer Verbrennung führt. Während des Arbeitstakts drückt das sich ausdehnende Gas den Kolben 138 zurück zum BDC. Die Kurbelwelle 140 wandelt die Kolbenbewegung in ein Drehmoment der Drehwelle. Schließlich wird während des Ausstoßtakts das Auslassventil 156 geöffnet, um das verbrannte Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Abgaskrümmer 148 abzulassen und der Kolben kehrt zu dem TDC zurück. Auf diese Weise kann ein einzelnes Verbrennungsereignis in einem Zylinder einen Ansaugtakt, einen Verdichtungstakt, einen Arbeitstakt und einen Ausstoßtakt umfassen. Es wird darauf hingewiesen, dass der obige Prozess nur als ein Beispiel zu betrachten ist, und dass die Öffnungs- und/oder Verschlusszeitpunkte des Ansaugventils und des Auslassventils so variieren können, dass sie eine positive oder negative Ventilüberschneidung, ein spätes Verschließen des Ansaugventils oder verschiedene andere Beispiele bereitstellen.
Bei einigen Beispielen kann der Motor 10 mit einer Kraftstoffnacheinspritzung betrieben werden. Insbesondere als Zusatz zu dem Kraftstoff, der, wie oben erörtert, während des Ansaugtakts eingespritzt wird, kann auch Kraftstoff während des Arbeitstakts eingespritzt werden. Der während des Arbeitstakts eingespritzte Kraftstoff kann in dem Auslasskanal oxidiert werden. Der Kraftstoff kann alternativ während des Ausstoßtakts eingespritzt werden. Der während des Ausstoßtakts eingespritzte Kraftstoff kann gegebenenfalls in dem Auslasskanal gezündet und verbrannt werden. Auf das Einspritzen einer zweiten Menge an Kraftstoff während des Arbeitstakts (oder des Ausstoßtakts) wird hier als Kraftstoffnacheinspritzung Bezug genommen. Die Kraftstoffnacheinspritzung kann vorteilhaft verwendet werden, um die Abgastemperatur anzuheben, wodurch die Aktivierung eines Abgaskatalysators beschleunigt wird. Wenn der Motor 10 mit einer Kraftstoffnacheinspritzung betrieben wird, kann daher eine erste Kraftstoffmenge während des Ansaugtakts und/oder des Verdichtungstakts verbrannt werden, und danach wird eine zweite Kraftstoffmenge während des Arbeitstakts des Verbrennungsereignisses im gleichen Zylinder zugeführt. Einzelheiten des Betriebs des Motors 10 mit Kraftstoffnacheinspritzung werden in den 2 und 3 ausführlicher erörtert.
Jeder Zylinder des Motors 10 kann eine Zündkerze 192 für das Zünden des eingespritzten Kraftstoffs und für das Starten der Verbrennung umfassen. Das Zündsystem 190 kann als Reaktion auf ein Zündzeitpunktsignal (Spark Advance signal, SA-Signal) von der Steuereinheit 12 mithilfe der Zündkerze 192 in dem Brennkammer 14 einen Zündfunken bereitstellen.
Bei einigen Ausführungsformen kann jeder Zylinder des Motors 10 mit einem oder mehreren Kraftstoffeinspritzern konfiguriert sein, die ihnen den Kraftstoff bereitstellen. Als ein nicht einschränkendes Beispiel wird ein Zylinder 14 gezeigt, der zwei Kraftstoffeinspritzer 166 und 170 aufweist. Ein Kraftstoffeinspritzer 166 wird gezeigt, der direkt mit dem Zylinder 14 so verbunden ist, dass er den Kraftstoff in Proportion zu der Pulsbreite eines Signals FPW-1 direkt in den Zylinder einspritzt, wobei er das Signal von der Steuereinheit 12 über einen elektronischen Treiber 168 erhalten hat. Auf diese Weise stellt der Kraftstoffeinspritzer 166 bereit, was als direktes Einspritzen des Kraftstoffs in den Verbrennungszylinder 14 bekannt ist (was nachfolgend als „DI” (Direct Injection = Direkteinspritzung) bezeichnet wird). Obwohl 1 einen Einspritzer 166 als Seiteneinspritzer zeigt, kann er auch über dem Kolben wie zum Beispiel in der Nähe der Zündkerze 192 angebracht werden. Der Kraftstoff kann dem Kraftstoffeinspritzer 166 durch ein erstes Kraftstoffzufuhrsystem 172 zugeführt werden, das ein Hochdruckkraftstoffsystem sein kann, zu dem ein Kraftstofftank, eine Kraftstoffpumpe und eine Kraftstoffleitung gehören. Wie in 1 gezeigt wird, kann das Kraftstoffsystem 172 bei einem Beispiel einen Kraftstofftank für Druckgas 182 und einen Kraftstoffdrucksensor 184 umfassen, um den Kraftstoffdruck in dem Kraftstofftank 182 zu erfassen.
Der Kraftstoffeinspritzer 170 ist, wie gezeigt, in der Ansaugleitung 146 anstatt in dem Zylinder 14 angeordnet, wobei diese Konfiguration bereitstellt, was als eine Saugrohreinspritzung des Kraftstoffs (auf die nachfolgend als Port Fuel Injection „PFI” Bezug genommen wird) in das dem Zylinder 14 vorgeschaltete Saugrohr bekannt ist. Ein Kraftstoffeinspritzer 170 kann den Kraftstoff in Proportion zu der Pulsbreite eines Signals FPW-2 einspritzen, das er von der Steuereinheit 12 über einen elektronischen Antrieb 171 erhalten hat. Der Kraftstoff kann dem Kraftstoffeinspritzer 170 von einem zweiten Kraftstoffsystem 173 zugeführt werden, das ein Flüssigkraftstoffsystem (z. B. Benzin, Ethanol oder Kombinationen davon) sein kann, das einen Kraftstofftank, Kraftstoffpumpen und eine Kraftstoffleitung umfasst. Wie in 1 gezeigt wird, kann das Kraftstoffsystem 173 bei einem Beispiel einen Kraftstofftank 183 und einen Kraftstoffsensor 185 zum Beispiel einen Flüssigkeitsfüllstandsensor umfassen, um die Vorratsmenge in dem Kraftstofftank 182 zu erfassen. Alternativ kann der Kraftstoff durch eine einstufige Kraftstoffpumpe mit niedrigem Druck zugeführt werden, wobei in diesem Fall der Zeitpunkt der direkten Kraftstoffeinspritzung während des Verdichtungstakts eingeschränkter sein kann als bei der Verwendung eines Hochdruckkraftstoffsystems. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Kraftstoff von dem zweiten Kraftstoffsystem zusätzlich oder alternativ einem zusätzlichen Kraftstoffdirekteinspritzer zugeführt werden, um den Kraftstoff direkt in die Brennkammer 14 einzuspritzen.
Es ist zu beachten, dass entweder ein einziger Antrieb 168 oder 171 für beide Kraftstoffeinspritzsysteme verwendet werden kann, oder dass, wie dargestellt, mehrere Antriebe zum Beispiel der Antrieb 168 für den Kraftstoffeinspritzer 166 und der Antrieb 171 für den Kraftstoffeinspritzer 170 verwendet werden können. Das Kraftstoffsystem 172 kann ein System für einen gasförmigen Kraftstoff sein. Bei einem Beispiel kann der gasförmige Kraftstoff in einem Tank für flüssigen Kraftstoff wie flüssiges Autogas (LPG) gespeichert werden. Bei einem weiteren Beispiel kann der gasförmige Kraftstoff CNG, Wasserstoff, LPG, LNG usw. sowie Kombinationen davon umfassen. Es ist selbstverständlich, dass gasförmige Kraftstoffe, die hier erwähnt werden, Kraftstoffe sind, die bei normalen Umgebungsbedingungen gasförmig sind, die aber in flüssiger Form vorliegen, während sie in dem Kraftstoffsystem unter hohem Druck (insbesondere über dem Sättigungsdruck) stehen. Im Vergleich dazu sind flüssige Kraftstoffe, die hier erwähnt werden, Kraftstoffe, die bei normalen Umgebungsbedingungen flüssig sind. Obwohl 1 ein duales Kraftstoffsystem zeigt, kann bei einigen Beispielen ein einziges System für gasförmige Kraftstoffe verwendet werden, um der Brennkammer einen gasförmigen Kraftstoff wie zum Beispiel CNG, Wasserstoff, LPG, LNG usw. oder Kombinationen davon durch eine Direkteinspritzung zuzuführen.
Es ist selbstverständlich, dass obwohl die dargestellte Ausführungsform so konfiguriert ist, dass Kraftstoff über eine Direkteinspritzung und ein weiterer Kraftstoff über eine Saugrohreinspritzung zugeführt wird, bei weiteren Ausführungsformen das Motorsystem mehrere Saugrohreinspritzer umfassen kann, wobei sowohl der gasförmige Kraftstoff als auch der flüssige Kraftstoff dem Zylinder über eine Saugrohreinspritzung zugeführt werden. Auf ähnliche Weise kann das Motorsystem bei weiteren Ausführungsformen mehrere Direkteinspritzer umfassen, wobei sowohl der gasförmige Kraftstoff als auch der flüssige Kraftstoff einem Zylinder über eine Direkteinspritzung zugeführt werden.
Wie oben bereits erwähnt wurde, kann die Kraftstoffeinspritzung während bestimmter Motorbetriebsbedingungen wie zum Beispiel während der Kaltstartbedingungen eines Motors, bei denen die Temperatur des Abgaskatalysators nicht oberhalb einer Auslösetemperatur (oder einer Aktivierungstemperatur) liegt, einen erheblichen Anstieg der Schwebstoffemissionen verursachen. Dies ist auf die stärkere Benetzung des Kolbens mit Kraftstoff durch die Direkteinspritzung von (flüssigem) Kraftstoff zu einem späteren Zeitpunkt des Ansaugtakts oder des Verdichtungstakts zurückzuführen. Die Erfinder haben erkannt, dass eine Direkteinspritzung eines gasförmigen Kraftstoffs wie zum Beispiel LPG die Kaltstartbedingungen eines Motors verbessern kann, ohne die Schwebstoffemissionen wesentlich zu erhöhen. Insbesondere die Verdampfung des gasförmigen Kraftstoffs wie zum Beispiel LPG, der einem Zylinder über eine Direkteinspritzung zugeführt wird, ermöglicht es, den Kraftstoff nach dem oberen Totpunkt (TDC) als eine Nacheinspritzung einzuspritzen, wodurch eine vermehrte Oxidation der Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxids bereitgestellt wird und die Zufuhrgasemissionen verringert werden. Die höhere Abgastemperatur verbessert außerdem die Zeitdauer bis zur Katalysatoraktivierung und die Effizienz des Katalysators während der Kaltstartbedingungen des Motors.
Bei einem Beispiel kann das System für einen gasförmigen Kraftstoff 172 mit Direkteinspritzung (DI) so konfiguriert sein, dass während der Kaltstartbedingungen des Motors Kraftstoff in einer oder mehreren Kraftstoffnacheinspritzungen zugeführt wird, um die Katalysatoraktivierung zu verbessern. Dies erfolgt zusätzlich zum Einspritzen von Kraftstoff (z. B. einer ersten Menge an Kraftstoff) während eines Ansaugtakts und/oder eines Verdichtungstakts für eine Verbrennung im Zylinder während des Verdichtungstakts. Die Kraftstoffnacheinspritzung kann ein Einspritzen eines Kraftstoffs (z. B. einer zweiten Kraftstoffmenge) während eines Arbeitstakts eines Verbrennungsereignisses in einem Zylinder (z. B. nach dem TDC des Verdichtungstakts) umfassen. Die Kraftstoffnacheinspritzung wird dann in dem Auslasskanal verbrannt. Das freigegebene heiße Abgas wird dann verwendet, um das Aufwärmen des Abgaskatalysators zu beschleunigen. Bei einigen Fällen muss eine Zündung nicht erforderlich sein. Wenn eine Zündung erforderlich ist, kann der Zündzeitpunkt von den Zeitpunkten der Stellungen des Auslassventils abhängig sein. Zum Beispiel kann der Zündzeitpunkt in einem allgemeinen Bereich von dem TDC bis zu 40 ATC liegen. Weitere Einzelheiten in Bezug auf die Verwendung einer Kraftstoffnacheinspritzung zum Verbessern der Katalysatoraktivierung, indem die Zeitdauer verringert wird, die für das Bringen der Temperatur einer Emissionssteuervorrichtung 178 (z. B. eine Temperatur eines Abgasdreiwegekatalysators) oder Abgaskatalysators auf eine Schwellenwerttemperatur erforderlich ist, wird unter Bezugnahme auf die 2 und 3 bereitgestellt.
Zurückkehrend zu 1 wird hier die Steuereinheit 12 als ein Mikrocomputer gezeigt, der eine Mikroprozessoreinheit 106, Eingabe/Ausgabe-Anschlüsse 108, ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme und Kalibrierwerte, der bei diesem Beispiel als Nur-Lese-Speicherchip 110 gezeigt wird, einen Direktzugriffsspeicher 112, einen batteriebetriebenen Speicher 114 und einen Datenbus umfasst. Die Steuereinheit 12 kann von den Sensoren, die an den Motor 10 angeschlossen sind, zusätzlich zu den oben erörterten Signalen verschiedene Signale empfangen, zu denen Messungen des zugeführten Luftmassendurchflusses (Mass Air Flow, MAF) mit dem Luftmassendurchflusssensor 122, die Motorkühlmitteltemperatur (Engine Coolant Temperature, ECT) von dem an den Kühlschlauch 118 angeschlossenen Temperatursensor 116, ein Zündabnehmerprofilsignal (Profile Ignition Pickup signal, PIP-Signal) von dem Hall-Sensor 120 oder einem anderen Sensor, der an die Kurbelwelle 140 angeschlossen ist, die Drosselklappenstellung (Throttle Position, TP) von einem Drosselklappenpositionsgeber und ein absolutes Saugrohrdrucksignal (Manifold Pressure signal, MAP-Signal) von dem MAP-Sensor 124 gehören. Ein Motordrehzahlsignal, RPM, kann von der Steuereinheit 12 aus dem PIP-Signal erzeugt werden. Die Steuereinheit kann außerdem ein (nicht gezeigtes) Turbinendrehzahlsignal von einem (nicht gezeigten) Turbinendrehzahlsensor empfangen, der an der Turbine 176 angebracht ist. Das Saugrohrdrucksignal, MAP, von einem Saugrohrdrucksensor kann verwendet werden, um eine Anzeige eines Vakuums oder eines Drucks in dem Ansaugkrümmer anzuzeigen. Es ist zu beachten, dass verschiedene Kombinationen der obigen Sensoren wie zum Beispiel ein MAF-Sensor ohne einen MAP-Sensor und umgekehrt verwendet werden können. Während eines stöchiometrischen Betriebs kann der MAP-Sensor eine Anzeige des Motordrehmoments geben. Außerdem kann dieser Sensor zusammen mit der erfassten Motordrehzahl eine Abschätzung der Ladung (einschließlich der Luft) bereitstellen, die in den Zylinder eingeleitet wird. Bei einem Beispiel kann der Sensor 120, der auch als ein Motordrehzahlsensor verwendet wird, für jede Umdrehung der Kurbelwelle eine vorbestimmte Anzahl von abstandsgleichen Pulsen erzeugen. Außerdem kann der Zündzeitpunkt, das heißt, ein Zeitpunkt während des Verbrennungsereignisses in einem Zylinder, an dem die Zündkerze einen Funken in den Zylinder einschießt, um die Verbrennung zu starten, von der Steuereinheit eingestellt werden.
Wie oben beschrieben, zeigt 1 nur einen Zylinder eines Mehrzylindermotors. Von daher kann jeder Zylinder auf ähnliche Weise eine eigene Gruppe von Ansaug-/Abgasventilen, ein (oder mehrere) Kraftstoffeinspritzer, eine Zündkerze usw. umfassen.
Auf diese Weise ermöglicht das System in 1 ein Verfahren für einen Motor, umfassend: während eines Motorkaltstarts, ein Verbrennen einer ersten Menge eines gasförmigen Kraftstoffs während eines oder mehrerer aus einem Ansaugtakt und einem Verdichtungstakt eines ersten Verbrennungsereignisses, und danach ein Verbrennen einer zweiten Menge eines gasförmigen Kraftstoffs während eines Arbeitstakts des ersten Verbrennungsereignisses. Hierbei wird ein Verhältnis der ersten Menge zu der zweiten Menge eingestellt, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der gesamten Verbrennung auf einem stöchiometrischen Wert zu halten. Auf diese Weise wird das Aufwärmen des Katalysators beschleunigt ohne die Schwebstoffemissionen im Abgas zu vermehren.
In 2 wird jetzt ein beispielhaftes Verfahren 200 für das Ausführen einer Kraftstoffeinspritzung eines gasförmigen Kraftstoffs während eines Verbrennungsereignisses in einem Zylinder gezeigt. Das Verfahren beinhaltet eine Kraftstoffnacheinspritzung während der Kaltstartbedingungen eines Motors, um die Katalysatoraktivierung zu verbessern. Eine Motorsteuereinheit wie zum Beispiel die in 1 gezeigte Steuereinheit 12 kann auf der Grundlage von darin gespeicherten Befehlen das Verfahren 200 ausführen.
In 202 umfasst das Verfahren ein Abschätzen und/oder Messen von Motorbetriebsbedingungen. Zu diesen können gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, eine Motordrehzahl und eine Motorlast, eine Drehmomentanforderung des Benutzers, ein Luftmassendurchfluss, eine Drosselklappenstellung, ein Ladedruck, ein absoluter Saugrohrdruck, eine Saugrohrtemperatur, eine Motorkühlmitteltemperatur, ein barometrischer Druck, eine Abgaskatalysatortemperatur, eine Pedalposition, eine Umgebungstemperatur usw.
In 204 kann aufgrund der Motorbetriebsbedingungen ermittelt werden, ob Kaltstartbedingungen des Motors vorliegen. Ein Motorkaltstart kann zum Beispiel bestätigt werden, wenn die Temperatur des Abgaskatalysators unterhalb einer Schwellenwerttemperatur (z. B. einer Aktivierungstemperatur) liegt, wenn der Motor neu gestartet wird. Wenn eine Kaltstartbedingung des Motors nicht bestätigt wird, das heißt, es wird ein Warmstart oder ein erneuter Warmstart des Motors ausgeführt, kann das Verfahren weitergehen zu 222, wo ein Kraftstoff während eines Ansaugtakts zugeführt wird. Die zugeführte Kraftstoffmenge kann auf einer Drehmomentanforderung des Benutzers und den Bedingungen der Motordrehzahl/Motorlast beruhen. Bei einigen Beispielen kann der Kraftstoff aufgrund der Motorbetriebsbedingungen alternativ oder zusätzlich im Verdichtungstakt zugeführt werden. Daher kann Kraftstoff nur als eine Ansaugtakteinspritzung, nur als eine Verdichtungstakteinspritzung oder sowohl einer Ansaugtakteinspritzung als auch einer Verdichtungstakteinspritzung zugeführt werden. Darüber hinaus kann die Kraftstoffeinspritzung auf der Grundlage der zuzuführenden Kraftstoffmenge, der Beschaffenheit des Kraftstoffs sowie der vorhandenen Motorbetriebsbedingungen als eine einzige Einspritzung (im Ansaugtakt und/oder im Verdichtungstakt) oder als eine mehrfache Kraftstoffeinspritzung (im Ansaugtakt und/oder im Verdichtungstakt) zugeführt werden. Zusätzlich kann die eingespritzte Kraftstoffmenge in 222 so eingestellt werden, dass ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis für die Verbrennung bereitgestellt wird. Bei alternativen Beispielen kann die Kraftstoffmenge so eingestellt werden, dass je nach Bedarf ein fettes oder ein mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis bereitgestellt wird.
In 224 kann die Verbrennung von Kraftstoff, welcher der Brennkammer zugeführt wird, durch eine Funkenzündung während des Verdichtungstakts gestartet werden. Das Verfahren kann zum Beispiel eine Funkenzündung der Kraftstoffmenge in dem Zylinder mit einer Zündkerze wie zum Beispiel der in 1 gezeigten Zündkerze 192 umfassen. In 228 kann das verbrannte Luft-Kraftstoff-Gemisch während des Ausstoßtakts in den Abgaskrümmer freigegeben werden. Von daher kann während eines erneuten Motorwarmstarts keine Kraftstoffnacheinspritzung ausgeführt werden.
Zurück zu 204 kann ein Profil einer Kraftstoffeinspritzung einschließlich einer Nacheinspritzung verwendet werden, wenn ein Motorkaltstart bestätigt wird. Von daher können während einer Aufwärmphase des Motors größere Emissionen (z. B. NOx oder Schwebstoffemissionen) aus den Abgasen auftreten, da der Katalysator nicht bei seiner optimalen Temperatur arbeitet. Daher kann eine Kraftstoffnacheinspritzung ausgeführt werden, um die Zeitdauer zu verringern, die erforderlich ist, um die Schwellenwerttemperatur des Katalysators zu erreichen. Durch das Ausführen der Kraftstoffnacheinspritzung während der Bedingungen, bei denen die Katalysatortemperatur geringer ist als die optimale Betriebstemperatur kann die zusätzliche Wärme von den Abgasen teilweise dazu verwendet werden, den Abgaskatalysator schneller auf seine Betriebstemperatur aufzuwärmen, als im Falle, wenn keine Kraftstoffnacheinspritzung ausgeführt wird. Infolgedessen können während der Kaltstartbedingungen verringerte Abgasemissionen erreicht werden. Das Verwenden eines gasförmigen Kraftstoffs erlaubt außerdem, dass durch die schnelle Verdampfung und die zugehörigen Ladekühlungseigenschaften des gasförmigen Kraftstoffs spätere Kraftstoffeinspritzungszeitpunkte (z. B. später im Verdichtungstakt oder nach dem Verdichtungstakt) mit einer geringeren Benetzung des Kolbens mit Kraftstoff und einer dadurch verringerten Schwebstofferzeugung verwendet werden können.
Während eines ersten Verbrennungsereignisses des Motorkaltstarts nach einer Ruhephase umfasst das Verfahren in 206 insbesondere ein Zuführen einer ersten Menge eines gasförmigen Kraftstoffs (wie zum Beispiel LPG) in die Brennkammer während eines oder mehrerer aus einem Ansaugtakt und einem Verdichtungstakt eines Verbrennungsereignisses in einem Zylinder (z. B. einem Zylinderzyklus). Die erste Menge eines gasförmigen Kraftstoffs kann als eine einzige Ansaugtakteinspritzung, als mehrfache Ansaugtakteinspritzungen, als eine einzige Verdichtungstakteinspritzung, als mehrfache Verdichtungstakteinspritzungen oder als mindestens eine Ansaugtakteinspritzung und mindestens eine Verdichtungstakteinspritzung zugeführt werden.
Wenn eine Kombination aus Ansaugtakt- und Verdichtungstakteinspritzungen verwendet wird, kann ein größerer Anteil der ersten Kraftstoffmenge später im Verdichtungstakt eingespritzt werden, da der Wärmebedarf des Abgaskatalysators ansteigt. In 208 kann insbesondere ein größerer Anteil der ersten Kraftstoffmenge im Verdichtungstakt zugeführt werden, wenn die während des Motorkaltstarts abgeschätzte Temperatur des Abgaskatalysators sinkt. Zum Beispiel können 10% der ersten Kraftstoffmenge als eine Ansaugtakteinspritzung zugeführt werden, während die verbleibenden 90% der ersten Kraftstoffmenge als eine Verdichtungstakteinspritzung zugeführt werden können. Bei einem weiteren Beispiel können 20% der ersten Kraftstoffmenge als eine Ansaugtakteinspritzung zugeführt werden, während die verbleibenden 80% der ersten Kraftstoffmenge als eine Verdichtungstakteinspritzung zugeführt werden können. Bei einigen Ausführungsformen kann der Anteil der ersten Kraftstoffmenge, der im Ansaugtakt zugeführt wird, in Bezug auf den im Verdichtungstakt zugeführten Anteil (Teilungsverhältnis) von der Motorausstattung wie zum Beispiel der Kapazität der Kraftstoffeinspritzer abhängig sein. Auf ähnliche Weise kann in 209 eine Anzahl von Kraftstoffeinspritzungen im Verdichtungstakt vergrößert werden, wenn die während des Motorkaltstarts abgeschätzte Temperatur des Abgaskatalysators sinkt. Die Menge der Kraftstoffeinspritzung im Verdichtungstakt kann zum Beispiel als 1 bis 3 (oder mehr) Verdichtungstakteinspritzungen zugeführt werden. Zusätzlich zum Einstellen der Kraftstoffmenge, die im Verdichtungstakt zugeführt wird, kann auch ein Zeitpunkt für das Einspritzen des Kraftstoffs im Verdichtungstakt eingestellt werden. Je niedriger die Temperatur des Abgaskatalysators ist (das heißt, dass der Katalysator abkühlt), desto später kann zum Beispiel die Menge der Verdichtungstakteinspritzung im Verdichtungstakt, das heißt, näher am TDC des Verdichtungstakts zugeführt werden. Auf ähnliche Weise kann zusätzlich zum Einstellen der Kraftstoffmenge, die im Ansaugtakt zugeführt wird, auch ein Zeitpunkt für das Einspritzen des Kraftstoffs im Ansaugtakt eingestellt werden. Je niedriger die Temperatur des Abgaskatalysators ist (da die Temperatur z. B. kälter ist), desto näher zum Beispiel die Menge der Ansaugtakteinspritzung am BDC des Ansaugtakts zugeführt werden kann. Durch das Vergrößern des Kraftstoffanteils, der während des Verdichtungstakts zugeführt wird, wird die Verbrennungsstabilität des Motors verbessert. Zusätzlich kann eine erhebliche Verzögerung des Zündzeitpunkts verwendet werden und/oder dem Abgaskatalysator kann eine vergrößerte Motorausgangsenthalpie zugeführt werden. Durch das Verwenden einer Kraftstoffnacheinspritzung zusammen mit der anfänglichen Einspritzung (wie in 212 erörtert wird) kann der Kraftstoff später im Verdichtungstakt zugeführt werden, ohne bei kalten Motoren den Kolben zu benetzen (Tropfenschlag).
Bei einem Beispiel kann die erste Kraftstoffmenge eingestellt werden, um ein mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu erzeugen. Danach kann während des Arbeitstakts (der Nacheinspritzung) eine zweite Kraftstoffmenge eingestellt werden, um das magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis auszugleichen und ein stöchiometrisches (oder leicht fettes) Gesamt-Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu erzeugen. Das Einstellen der zweiten Kraftstoffmenge wird weiter unten in 212 erörtert.
Bei alternativen Ausführungsformen kann die erste Kraftstoffmenge auf einer Menge des gasförmigen Kraftstoffs beruhen, die ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis erzeugt. Der eingespritzte Kraftstoff kann ein gasförmiger Kraftstoff wie zum Beispiel LPG sein und der Kraftstoff kann, wie in 1 beschrieben wird, durch ein Direkteinspritzsystem (Direct-Injection system (DI-System) direkt in die Brennkammer eingespritzt werden. Ein Kraftstoffdirekteinspritzer wie zum Beispiel der in 1 gezeigte Kraftstoffeinspritzer 166 kann während des Ansaugtakts oder des Verdichtungstakts des Verbrennungsereignisses in dem Zylinder eine erste Menge an LPG in den Motorzylinder (z. B. die Brennkammer) einspritzen.
In 210 umfasst das Verfahren ein Verbrennen der ersten Menge an zugeführtem gasförmigen Kraftstoff während eines oder mehrerer aus dem Ansaugtakt und dem Verdichtungstakt des ersten Verbrennungsereignisses, durch eine Funkenzündung während eines Verdichtungstakts des Zylinderzyklus. Die Steuereinheit kann zum Beispiel durch einen Funken von einer Zündkerze 192 der 1 die erste Kraftstoffmenge während des Verdichtungstakts zünden. Bei einem Beispiel kann während des Motorkaltstarts der Zündzeitpunkt gegenüber dem MBT (Maximum Best Torque) verzögert werden, um die Zufuhr von Abgaswärme zu vergrößern. Je niedriger zum Beispiel die Temperatur des Abgaskatalysators ist, desto weiter kann der Zündzeitpunkt gegenüber dem MBT verzögert werden. Bei alternativen Beispielen kann das Aufwärmen des Katalysators jedoch durch ein Verwenden einer Nacheinspritzung (wie unten erörtert wird) mit einer geringeren Zündzeitpunktverzögerung beschleunigt werden, wobei eine kleinere Kraftstoffeinbuße erlitten wird.
In 212 umfasst das Verfahren ein Zuführen einer zweiten Menge an gasförmigem Kraftstoff während eines Arbeitstakts des ersten Verbrennungsereignisses. Von daher kann dies eine Kraftstoffnacheinspritzung darstellen. Während der Kraftstoffnacheinspritzung kann die zweite Kraftstoffmenge der Brennkammer über eine Direkteinspritzung zugeführt werden. Dies bedeutet, dass die zweite Kraftstoffmenge während einer zweiten Kraftstoffeinspritzung zugeführt wird, wobei die zweite Kraftstoffeinspritzung getrennt von der ersten Kraftstoffeinspritzung ausgeführt wird. Bei einem Beispiel kann die zweite Kraftstoffmenge kleiner sein als die erste Kraftstoffmenge. Bei einem Beispiel kann der gasförmige Kraftstoff während des Arbeitstakts in den Zylinder eingespritzt werden. Der gasförmige Kraftstoff kann in einem Tank für flüssigen Kraftstoff wie flüssiges Autogas (LPG) gespeichert werden. Alternativ kann der gasförmige Kraftstoff CNG, Wasserstoff, LPG, LNG usw. sowie Kombinationen davon umfassen.
Bei einem Beispiel werden sowohl die erste als auch die zweite Kraftstoffmenge über eine Direkteinspritzung zugeführt. Bei alternativen Beispielen wird jedoch mindestens die zweite Kraftstoffmenge über eine Direkteinspritzung zugeführt.
Aufgrund des mageren Betriebs während der ersten Kraftstoffeinspritzung kann die zweite Kraftstoffmenge so eingestellt werden, dass Sauerstoff, der nach der ersten Kraftstoffverbrennung zurückgeblieben ist, während der Verbrennung der zweiten Kraftstoffmenge verbraucht werden kann. Von daher kann das Gesamt-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Verbrennungsereignisses in dem Zylinder auf einem stöchiometrischen oder leicht fetten Wert gehalten werden. Derart kann ein Verhältnis der ersten Kraftstoffmenge zu der zweiten Kraftstoffmenge eingestellt werden, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der gesamten Verbrennung auf einem stöchiometrischen Wert zu halten. Die zweite Kraftstoffmenge, die während des Arbeitstakts zugeführt und verbrannt wird, kann auf der Temperatur des Abgaskatalysators beruhen. Zum Beispiel kann eine in dem Maße größere Kraftstoffmenge während des Arbeitstakts eingespritzt werden, je größer eine Differenz zwischen der Temperatur des Abgaskatalysators und einer Schwellenwerttemperatur (z. B. der Aktivierungstemperatur) während des Kaltstarts ist. Die zweite Kraftstoffmenge kann als eine einzige Arbeitstakteinspritzung oder mehrfache Arbeitstakteinspritzungen zugeführt werden. In 213 kann eine Anzahl von Arbeitstakteinspritzungen auf der Grundlage des Zündzeitpunkts eingestellt werden. Je größer zum Beispiel die Verzögerung des Zündzeitpunkts (gegenüber dem MBT) ist, desto mehr kann auch die Anzahl von Arbeitstakteinspritzung vergrößert werden. Die Anzahl der Kraftstoffeinspritzungen kann zum Beispiel nach dem anfänglichen Anlassen des Motors und beim Beginn des Aufwärmmodus des Katalysators vergrößert werden (z. B. auf 1 bis 3 Einspritzungen). Ein Zeitpunkt für die Arbeitstakteinspritzungen kann auch auf der Grundlage des Zündzeitpunkts und der Temperatur des Abgaskatalysators eingestellt werden. Je niedriger zum Beispiel die Katalysatortemperatur ist, desto weiter entfernt von dem TDC des Verdichtungstakts kann die Arbeitstakteinspritzung ausgeführt werden.
Bei einigen Beispielen kann die Steuereinheit während der Nacheinspritzung auch einen Druck des Kraftstoffeinspritzers steuern. Zum Beispiel kann die Steuereinheit während der Kraftstoffeinspritzung im Arbeitstakt den Kraftstoffdruck (50 bar bis 200 bar) erhöhen, um die Verdampfung des Kraftstoffeinspritzers zu verbessern.
Nachfolgend kann in 214 die zweite eingespritzte Kraftstoffmenge in dem Auslasskanal (z. B. während des Ausstoßtakts) verbrannt oder oxidiert werden. Die zweite Kraftstoffeinspritzung kann durch eine Funkenzündung gezündet werden, wenn die Betriebsbedingungen so sind, dass die Temperatur in dem Auslasskanal nicht ausreichend ist, um die Zündung auszulösen. Durch das Ausführen der Kraftstoffnacheinspritzung und das Oxidieren des in den Auslasskanal eingespritzten Kraftstoffs kann eine zusätzliche Wärme des Abgases erzeugt werden, die teilweise dazu verwendet wird, den Abgaskatalysator auf eine Aktivierungstemperatur aufzuwärmen. In 216 kann das verbrannte Luft-Kraftstoff-Gemisch während des Ausstoßtakts in den Abgaskrümmer freigegeben werden.
In 218 kann ermittelt werden, ob die Temperatur des Abgaskatalysators (Tcat) bei oder über einer Schwellenwerttemperatur wie zum Beispiel einer Aktivierungstemperatur des Katalysators liegt. Wenn der Abgaskatalysator ausreichend warm ist, kann die Steuereinheit die Kraftstoffnacheinspritzung stoppen. Dies bedeutet, dass die Steuereinheit die Kraftstoffeinspritzung ohne eine Kraftstoffnacheinspritzung wieder aufnehmen kann und zu 222 zurückkehren kann, um den Kraftstoff nur als eine Ansaugtakteinspritzung und/oder nur als eine Verdichtungstakteinspritzung einzuspritzen. Die Kraftstoffnacheinspritzung kann beendet werden, indem das Einspritzen der zweiten Menge an gasförmigem Kraftstoff gestoppt wird, wenn die Temperatur des Abgaskatalysators über die Schwellenwerttemperatur ansteigt.
Wenn der Abgaskatalysator nicht ausreichend aufgewärmt und nicht aktiviert ist, geht das Verfahren weiter zu 220, wo die Kraftstoffnacheinspritzung für eine Anzahl von Verbrennungsereignissen seit dem ersten Verbrennungsereignis nach einer Ruhephase beibehalten wird. Auf diese Weise kehrt die Steuereinheit zurück zu 206 und setzt das Verbrennen der ersten und der zweiten Kraftstoffmenge für eine Anzahl von Verbrennungsereignissen fort, wobei die Anzahl auf der Temperatur des Abgaskatalysators in Bezug auf die Schwellenwerttemperatur beruht. Die Anzahl von Verbrennungsereignissen kann zum Beispiel desto größer werden, je größer eine Differenz zwischen der Temperatur des Abgaskatalysators und der Schwellenwerttemperatur ist. Nachdem die Anzahl von Verbrennungsereignissen verstrichen sind, kann die Steuereinheit das Verbrennen des gasförmigen Kraftstoffs bei einem stöchiometrischen Wert wieder aufnehmen, indem Kraftstoff nur im Ansaugtakt zugeführt wird.
Auf diese Weise kann die Kraftstoffnacheinspritzung verwendet werden, um die Zeit zu verringern, bis der Katalysator aktiviert wird. Durch das Verwenden eines gasförmigen Kraftstoffs für die Kraftstoffnacheinspritzung kann die Erzeugung von Ruß und Schwebstoffen verringert werden. Durch das Oxidieren der Kraftstoffmenge der Nacheinspritzung kann die zusätzliche durch die Kraftstoffnachverbrennung erzeugte Wärme wirksam verwendet werden, um die Katalysatoraktivierung zu verbessern.
Bei einem Beispiel umfasst ein Motorsystem einen Motorzylinder; einen Kraftstoffdirekteinspritzer, der mit dem Zylinder verbunden ist; eine Kraftstoffverteilerleitung, die vorgeschaltet zu dem Kraftstoffeinspritzer eingebunden ist; einen Kraftstofftank für das Speichern als Flüssigkeit eines unter Druck stehenden gasförmigen Kraftstoffs; einen Druckregler für das Einstellen eines Drucks des gasförmigen Kraftstoffs, der aus dem Kraftstofftank in die Kraftstoffverteilerleitung zugeführt wird; und einen Abgaskatalysator, der in eine Motorabgasleitung eingebunden ist. Das Motorsystem umfasst außerdem eine Steuereinheit mit computerlesbaren Befehlen für: ein Zuführen eines gasförmigem Kraftstoffs in Form von mehrfachen Einspritzungen einschließlich mindestens einer Verdichtungstakteinspritzung und einer Arbeitstakteinspritzung während einer Motorkaltstartbedingung bis eine Temperatur des Abgaskatalysators bei oder über einer Schwellenwerttemperatur liegt; und ein Verbrennen des zugeführten Kraftstoffs bei einem stöchiometrischen Wert. Die mehrfachen Einspritzungen können eine erste Ansaugtakteinspritzung, eine zweite Verdichtungstakteinspritzung und eine dritte Arbeitstakteinspritzung umfassen. Ein Zeitablauf und ein Verhältnis der ersten, zweiten und dritten Einspritzungen kann auf den Zeitpunkten der Funkenzündung beruhen. Zum Beispiel kann ein Verhältnis der zweiten Verdichtungstakteinspritzung in Bezug auf die erste Ansaugtakteinspritzung in dem Maße größer werden und ein Zeitpunkt der zweiten Verdichtungstakteinspritzung kann in dem Maße näher zu dem TDC bewegt werden, je mehr der Zündzeitpunkt gegenüber dem MBT verzögert wird. Außerdem kann ein Zeitpunkt der Arbeitstakteinspritzung desto weiter über den TDC hinaus bewegt werden, je mehr der Zündzeitpunkt gegenüber dem MBT verzögert wird.
In 3 stellt die Abbildung 300 jetzt beispielhafte Zeitpunkte einer Kraftstoffeinspritzung und einer Kraftstoffnacheinspritzung dar, die verwendet werden können, um die Katalysatoraktivierung zu verbessern. Die Katalysatoraktivierung kann verbessert werden, indem die Zeit verringert wird, die erforderlich ist, um die Temperatur des Abgaskatalysators auf eine Schwellenwerttemperatur (Aktivierungstemperatur) anzuheben. Die Abbildung 300 zeigt in Kurve 302 den Zeitablauf des Ansaugventils, in Kurve 304 den Zeitablauf des Auslassventils, in Kurve 306 die Kolbenposition, in 410 ein beispielhaftes Kraftstoffeinspritzprofil, das während eines Motorwarmstarts verwendet wurde, und in 420 und 430 beispielhafte Kraftstoffeinspritzprofile von zwei unterschiedlichen Kaltstartbedingungen. In jedem der Kraftstoffeinspritzprofile 410 bis 430 werden die Einspritzmengen und Einspritzzeitpunkte als Rechtecke (307, 322 bis 326, 332 bis 334) dargestellt, während die Zündzeitpunktereignisse als Balken (308, 328, 336) gezeigt werden.
Während der Motor bei einem Motorstart angekurbelt wird, kann die Motorsteuereinheit so konfiguriert sein, dass ein Kraftstoffeinspritzprofil für Kraftstoff eingestellt wird, der dem Zylinder zugeführt wird. Der Kraftstoff kann insbesondere nach einem ersten Profil 410 während eines Motorwarmstarts und nach einem zweiten Profil 420 oder einem dritten Profil 430 während eines Motorkaltstarts zugeführt werden. Bei einem Beispiel kann die Kraftstoffzufuhr zum Motor während eines Kaltstarts nach dem Profil 420 oder 430 begonnen werden und danach auf das Profil 410 übergehen (z. B. während oder nach dem Ankurbeln des Motors). Die unterschiedlichen Kraftstoffeinspritzprofile für Kaltstarts können einen Anteil des Kraftstoffs umfassen, der dem Zylinder als eine Kraftstoffnacheinspritzung im Arbeitstakt zugeführt wird. Außerdem kann der Kraftstoff als eine einzige Ansaugtakteinspritzung eine einzige Verdichtungstakteinspritzung oder eine Kombination davon direkt eingespritzt werden.
Die Abbildung 300 stellt eine Motorposition entlang der X-Achse in Grad Kurbelwinkel (Crank Angle Degrees, CAD) dar. Die Kurve 306 stellt Kolbenpositionen (entlang der Y-Achse) dar in Bezug auf ihre Stellung gegenüber dem oberen Totpunkt (Top Dead Center, TDC) und/oder gegenüber dem unteren Totpunkt (Bottom Dead Center, BDC) und außerdem in Bezug auf ihre Stellung innerhalb der vier Takte (Ansaugen, Verdichten, Arbeiten, Ausstoßen) eines Motorzyklus. Wie durch die sinusförmige Kurve 306 angezeigt wird, bewegt sich ein Kolben gleichförmig vom TDC nach unten und erreicht am BDC am Ende des Arbeitstakts die Talsohle. Der Kolben kehrt dann am Ende des Ausstoßtakts zurück nach oben zum TDC. Der Kolben bewegt sich danach während des Ansaugtakts wieder nach unten zum BDC und kehrt am Ende des Verdichtungstakts zu seiner ursprünglichen oberen Position am TDC zurück.
Die Kurven 302 und 304 stellen Ventilzeitabläufe für ein Auslassventil (gestrichelte Kurve 304) und ein Ansaugventil (ausgezogene Kurve 302) während eines normalen Motorbetriebs dar. Wie dargestellt, kann ein Auslassventil geöffnet werden, wenn der Kolben am Ende des Arbeitstakts seine Talsohle erreicht. Das Auslassventil kann danach geschlossen werden, wenn der Kolben den Ausstoßtakt beendet, und mindestens so lange offenbleiben, bis ein nachfolgender Ansaugtakt begonnen wurde. In der gleichen Weise kann ein Ansaugventil am oder vor dem Beginn eines Ansaugtakts geöffnet werden und mindestens offenbleiben, bis ein nachfolgender Verdichtungstakt begonnen wurde.
Die dritte Kurve (von oben) der Abbildung 300 stellt ein beispielhaftes Kraftstoffeinspritzprofil 410 dar, das während des Ankurbelns des Motors verwendet werden kann. Bei dem dargestellten Beispiel kann das Kraftstoffeinspritzprofil 410 während eines ersten Verbrennungsereignisses nach dem Motorstart verwendet werden. Hierbei ist der Motorstart ein Motorwarmstart. Eine Motorsteuereinheit ist so konfiguriert, dass dem Zylinder, wie bei 307 gezeigt wird, die gesamte Kraftstoffmenge als eine einzige Ansaugtakteinspritzung bereitgestellt wird. Außerdem wird, wie bei 308 gezeigt, nahe am MBT ein Zündfunken zum Beispiel bei 10 Grad BTDC (Before Top Dead Center) bereitgestellt. Das Kraftstoffeinspritzprofil 410 umfasst keine Kraftstoffnacheinspritzung. Bei alternativen Beispielen kann die Kraftstoffmenge als eine einzige Verdichtungstakteinspritzung bereitgestellt werden.
Die vierte Kurve (von oben) der Abbildung 300 stellt ein beispielhaftes Kraftstoffeinspritzprofil 420 dar, das während des Ankurbelns des Motors verwendet werden kann. Bei dem dargestellten Beispiel kann das Kraftstoffeinspritzprofil 420 während eines ersten Verbrennungsereignisses nach dem Motorstart verwendet werden. Hierbei ist der Motorstart ein Motorkaltstart. Eine Motorsteuereinheit ist so konfiguriert, dass dem Zylinder Kraftstoff als eine bei 322 gezeigte erste Ansaugtakteinspritzung und eine bei 324 gezeigte zweite Verdichtungstakteinspritzung bereitgestellt wird. Die erste Ansaugtakteinspritzung 322 kann eine erste Kraftstoffmenge umfassen, die an einem ersten Zeitpunkt während des Ansaugtakts direkt eingespritzt wird. Die zweite Verdichtungstakteinspritzung kann eine zweite Kraftstoffmenge umfassen, die an einem zweiten Zeitpunkt während des Verdichtungstakts direkt eingespritzt wird. Auf diese Weise kann während des Kaltstarts ein größerer Anteil der Einspritzung im Verdichtungstakt im Vergleich zum Ansaugtakt zugeführt werden.
Zusätzlich zu dem Zuführen von Kraftstoff im Ansaugtakt und im Verdichtungstakt wird Kraftstoff als eine Kraftstoffnacheinspritzung während des Arbeitstakts eingespritzt, wie bei 326 dargestellt wird. Die Einspritzmengen 322, 324 und 326 werden so eingestellt, dass ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis der gesamten Verbrennung auf oder nahe bei einem stöchiometrischen Wert gehalten wird. Bei dem dargestellten Beispiel umfasst das Kraftstoffeinspritzprofil ein aufgeteiltes Verhältnis der eingespritzten Kraftstoffmenge (das heißt, das Verhältnis des im Arbeitstakt eingespritzten Kraftstoffs:im Verdichtungstakt eingespritzten Kraftstoffs:im Arbeitstakt eingespritzten Kraftstoffs), das auf 10:80:10 eingestellt wird. Bei alternativen Beispielen wird die erforderliche Kraftstoffmenge für den Motorbetrieb nach Bedarf aufgeteilt. Außerdem wird, wie mit 328 gezeigt wird, ein gegenüber dem MBT verzögerter Zündfunken zum Beispiel bei 10 Grad BDTC bereitgestellt. Das im Verdichtungstakt zugeführte Zündereignis wird verwendet, um die Kraftstoffeinspritzungen zu verbrennen, die dem Zylinder im Ansaugtakt und im Verdichtungstakt (322 und 324) zugeführt wurden. Die Kraftstoffeinspritzmenge 326 wird danach in dem Auslasskanal während eines Ausstoßtakts oxidiert, wodurch heiße Abgase in den Abgaskrümmer freigegeben werden. Durch das Verwenden einer Zündverzögerung mit einer Kraftstoffnacheinspritzung kann eine Temperatur des Abgaskatalysators schnell bis auf eine Aktivierungstemperatur vergrößert werden, wodurch die Motorleistungsfähigkeit bei dem Motorkaltstart verbessert wird. Außerdem kann durch das Aufteilen der Kraftstoffzufuhr in eine erste Ansaugtakteinspritzung, eine zweite Verdichtungstakteinspritzung und eine dritte Arbeitstakteinspritzung die Aktivierungstemperatur des Katalysators erreicht werden, ohne die Schwebstoffemissionen (Particulate Matter emissions, PM-Emissionen) in den Abgasen zu erhöhen und ohne die Verbrennungsstabilität im Motor zu beeinträchtigen. Dies erlaubt, dass die Motorstartemissionen verbessert werden.
Die fünfte Kurve (von oben) der Abbildung 300 stellt ein beispielhaftes Kraftstoffeinspritzprofil 430 dar, das während des Ankurbelns des Motors verwendet werden kann. Bei dem dargestellten Beispiel kann das Kraftstoffeinspritzprofil 430 während eines ersten Verbrennungsereignisses nach dem Motorstart verwendet werden. Hierbei ist der Motorstart ein Motorkaltstart, der kälter ist als der Motorkaltstart des Kraftstoffeinspritzprofils 420. Zum Beispiel kann eine Temperatur des Abgaskatalysators im Profil 430 niedriger sein im Vergleich zu dem Profil 420.
Eine Motorsteuereinheit ist so konfiguriert, dass dem Zylinder, wie bei 332 gezeigt wird, Kraftstoff als mehrfache (hier drei) Verdichtungstakteinspritzungen bereitgestellt wird. Die mehrfachen Verdichtungstakteinspritzungen 332 können zum Beispiel eine erste Verdichtungstakteinspritzung bei 90 Grad BTDC, eine zweite Verdichtungstakteinspritzung bei 45 Grad BTDC und eine dritte Verdichtungstakteinspritzung bei 10 Grad BTDC umfassen. In Abhängigkeit von der Fähigkeit der Steuereinheit und der Größe (Kapazität) des Kraftstoffeinspritzers können die Anzahl der Verdichtungstakteinspritzungen, Zeitpunkte für jede Einspritzung und eine Kraftstoffmenge, die in jeder Verdichtungstakteinspritzung zugeführt wird, variiert werden. Auf diese Weise kann während des Kaltstarts ein größerer Anteil der Verdichtungstakteinspritzung später im Verdichtungstakt zugeführt werden.
Zusätzlich zu dem Zuführen von Kraftstoff im Verdichtungstakt wird Kraftstoff in mehrfachen (hier drei) Kraftstoffnacheinspritzungen während des Arbeitstakts eingespritzt, wie bei 334 dargestellt wird. Die Einspritzmengen 332 und 334 werden so eingestellt, dass ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis der gesamten Verbrennung auf oder nahe bei einem stöchiometrischen Wert gehalten wird.
Außerdem wird, wie mit 336 gezeigt wird, ein gegenüber dem MBT verzögerter Zündfunken zum Beispiel bei 10 Grad BDTC bereitgestellt. Das im Verdichtungstakt zugeführte Zündereignis wird verwendet, um die Kraftstoffeinspritzungen zu verbrennen, die dem Zylinder im Verdichtungstakt (332) zugeführt wurden. Die Kraftstoffeinspritzmenge 334 wird danach in dem Auslasskanal während eines Ausstoßtakts oxidiert, wodurch heiße Abgase in den Abgaskrümmer freigegeben werden. Durch das Verwenden einer Zündverzögerung mit einer Kraftstoffnacheinspritzung kann eine Temperatur des Abgaskatalysators schnell bis auf eine Aktivierungstemperatur vergrößert werden, wodurch die Motorleistungsfähigkeit bei dem Motorkaltstart verbessert wird. Außerdem kann durch das Aufteilen der Kraftstoffzufuhr in mehrere Verdichtungstakteinspritzungen und mehrere Arbeitstakteinspritzungen die Aktivierungstemperatur des Katalysators erreicht werden, ohne die Schwebstoffemissionen (PM-Emissionen) in den Abgasen zu erhöhen und ohne die Verbrennungsstabilität im Motor zu beeinträchtigen. Dies erlaubt, dass die Motorstartemissionen verbessert werden.
Während eines Motorkaltstarts kann bei einem Beispiel eine Steuereinheit eine erste Menge eines flüssigen Autogases (LPG) während eines Ansaugtakts eines Verbrennungsereignisses direkt einspritzen, eine zweite Menge des LPG während eines Verdichtungstakts des Verbrennungsereignisses direkt einspritzen und danach die erste und die zweite Menge im Verdichtungstakt verbrennen. Die Steuereinheit kann außerdem eine dritte Menge des LPG während eines Arbeitstakts direkt einspritzen, wobei die erste, zweite und dritte Menge so eingestellt werden, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der gesamten Abgase auf einem stöchiometrischen Wert gehalten wird. Hierbei können die erste und die zweite Menge während des Verdichtungstakts verbrannt werden, während die dritte Menge in einem Auslasskanal während eines Ausstoßtakts verbrannt wird. Außerdem können einer oder mehrere der ersten, zweiten und dritten Menge des LPG als mehrfache Kraftstoffeinspritzungen zugeführt werden. Der Kraftstoff kann zum Beispiel als mehrfache Ansaugtakteinspritzungen, mehrfache Verdichtungstakteinspritzungen, mehrfache Arbeitstakteinspritzungen oder einer Kombination davon zugeführt werden. Eine Proportion der zweiten Menge der Verdichtungstakteinspritzung kann in Bezug auf die erste Menge der Ansaugtakteinspritzung desto größer werden, je niedriger eine Temperatur eines Abgaskatalysators während eines Kaltstarts ist. Die Steuereinheit kann auch weiterhin LPG sowohl als erste, als zweite als auch als dritte Einspritzmenge während des Motorkaltstarts einspritzen, bis eine Temperatur des Abgaskatalysators bei oder über einer Schwellenwerttemperatur liegt.
Während der Nacheinspritzung kann die Steuereinheit auch einen Druck des Kraftstoffeinspritzers steuern. Die Steuereinheit kann zum Beispiel während des Einspritzens von Kraftstoff im Arbeitstakt den Druck des Kraftstoffeinspritzers einstellen (z. B. erhöhen oder verringern) auf der Grundlage eines oder mehrerer aus: der während des Arbeitstakts eingespritzten Kraftstoffmenge, einem Einspritzzeitpunkt des während des Arbeitstakts eingespritzten Kraftstoffs und einem Druck im Zylinder zum Zeitpunkt des während des Arbeitstakts eingespritzten Kraftstoffs. Bei einem Beispiel wird der Druck des Kraftstoffeinspritzers erhöht, um eine optimale Mischung bereitzustellen, was vorteilhaft ist, um die Rußerzeugung zu verringern.
Auf diese Weise können der Zeitpunkt des Zuführens der Kraftstoffnacheinspritzung und der Zündzeitpunkt und die Energie für die Verbrennung der Kraftstoffnacheinspritzung eingestellt werden, wodurch eine zusätzliche Abgasenergie bereitgestellt wird, die mindestens teilweise verwendet werden kann, um ein Turboloch zu verkleinern, wenn ein Anwachsen der Drehmomentnachfrage größer als ein Schwellenwert ist, und/oder um die Dauer der Katalysatoraktivierung zu verringern, wenn die Temperatur des Abgaskatalysators unter einer Schwellenwerttemperatur liegt.
Auf diese Weise kann ein Ausführen einer Kraftstoffnacheinspritzung während vorübergehender Bedingungen die Dauer verringern, um den Turbolader auf eine gewünschte Drehzahl zu beschleunigen und den gewünschten Schub bereitzustellen. Zusätzlich kann das Ausführen der Kraftstoffnacheinspritzung während der Kaltstartbedingungen die Dauer verringern, die der Abgaskatalysator benötigt, um auf eine Schwellenwertbetriebstemperatur aufgewärmt zu werden. Durch eine Funkenzündung des Kraftstoffs während der Kraftstoffnacheinspritzung kann ein Wärmeverlust an die Brennkammer verringert werden. Außerdem kann durch die Verwendung eines Kraftstoffs wie zum Beispiel LPG, das in einem gasförmigen Zustand eingespritzt wird, die Bildung von Ruß und Schwebstoffen verringert werden. Auf diese Weise wird durch ein Einspritzen und Verbrennen einer zweiten Kraftstoffmenge während des Ausstoßtakts eines Verbrennungsereignisses in einem Zylinder als Reaktion auf ein Turboloch und/oder eine Temperatur des Abgaskatalysators ein technischer Effekt erreicht, durch den das Turboloch verkleinert und die Katalysatoraktivierung verbessert werden.
Es ist zu beachten, dass die hier enthaltenen beispielhaften Steuer- und Abschätzroutinen mit verschiedenen Systemkonfigurationen von Verbrennungsmotoren und/oder Fahrzeugen verwendet werden können. Die hier beschriebenen spezifischen Verfahren können eine oder mehrere einer beliebigen Anzahl von Verarbeitungsstrategien, wie zum Beispiel ereignisgesteuerte Prozesse, unterbrechungsgesteuerte Prozesse, Mehrprozessorbetrieb, Nebenläufigkeit und ähnliche Strategien darstellen. Von daher können zahlreiche der dargestellten Aktionen, Operationen und/oder Funktionen in der dargestellten Reihenfolge oder parallel ausgeführt werden, oder in einigen Fällen weggelassen werden. Ebenso ist die Reihenfolge der Verarbeitung nicht unbedingt erforderlich, um die hier beschriebenen Merkmale und Vorteile der beispielhaften Ausführungsformen zu erreichen, aber sie wurde der Einfachheit halber zur Darstellung und Beschreibung bereitgestellt. Eine oder mehrere der dargestellten Aktionen, Operationen und/oder Funktionen können in Abhängigkeit von der speziellen verwendeten Strategie wiederholt ausgeführt werden. Außerdem können die beschriebenen Aktionen, Operationen und/oder Funktionen einen Code anschaulich darstellen, der in einen nichtflüchtigen Speicher des computerlesbaren Speichermediums in dem Steuersystem des Verbrennungsmotors programmiert wird.
Es ist selbstverständlich, dass die hier offenbarten Konfigurationen und Verfahren beispielhafter Natur sind, und dass diese spezifischen Ausführungsformen nicht in einem einschränkenden Sinn zu verstehen sind, da zahlreiche Variationen möglich sind. Die obige Technologie kann zum Beispiel auf V-6, I-4, I-6, V-12, 4-gegenüberliegende und andere Verbrennungsmotortypen angewandt werden. Zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gehören alle neuen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Teilkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen sowie anderer hier offenbarter Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften.
Die nachfolgenden Ansprüche zeigen insbesondere bestimmte Kombinationen und Teilkombinationen, die als neu und nicht offensichtlich angesehen werden. Diese Ansprüche können sich auf „ein” Element oder „ein erstes” Element oder das äquivalente Element davon beziehen. Diese Ansprüche sind so zu verstehen, dass sie die Einbeziehung eines oder mehrerer dieser Elemente enthalten und weder zwei oder mehrerer dieser Elemente erfordern noch ausschließen. Weitere Kombinationen und Teilkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch eine Veränderung der vorliegenden Ansprüche oder durch das Einreichen neuer Ansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Diese Ansprüche, unabhängig davon, ob sie im Vergleich zu den ursprünglichen Ansprüchen einen breiteren, engeren, gleichen oder unterschiedlichen Umfang aufweisen, sind auch so zu verstehen, dass sie zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gehören.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6374798 [0003]

Claims

Verfahren für einen Motor, umfassend: während eines Motorkaltstarts, Verbrennen einer ersten Menge eines gasförmigen Kraftstoffs, die während eines oder mehrerer aus einem Ansaugtakt und einem Verdichtungstakt eines ersten Verbrennungsereignisses eingespritzt wird; Verbrennen einer zweiten Menge eines gasförmigen Kraftstoffs, die während eines Arbeitstakts des ersten Verbrennungsereignisses eingespritzt wird, wobei ein Verhältnis der ersten Menge zu der zweiten Menge so eingestellt wird, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der gesamten Verbrennung auf einem stöchiometrischen Wert gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein größerer Anteil der ersten Menge des gasförmigen Kraftstoffs in dem Maße später im Verdichtungstakt eingespritzt wird, je niedriger die während des Motorkaltstarts abgeschätzte Temperatur des Abgaskatalysators ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Menge des gasförmigen Kraftstoffs in dem Maße später im Arbeitstakt eingespritzt wird, je niedriger die während des Motorkaltstarts abgeschätzte Temperatur des Abgaskatalysators ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Menge des gasförmigen Kraftstoffs als eine Anzahl von Arbeitstakteinspritzungen eingespritzt wird, wobei die Anzahl von Arbeitstakteinspritzungen auf dem Zündzeitpunkt beruht.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Anzahl von Arbeitstakteinspritzungen in dem Maße vergrößert wird, je weiter der Zündzeitpunkt gegenüber dem MBT verzögert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem ein Fortsetzen des Verbrennens einer ersten Menge und einer zweiten Menge für eine Anzahl von Verbrennungsereignissen nach dem ersten Verbrennungsereignis umfasst, wobei die Anzahl der Verbrennungsereignisse auf der Temperatur des Abgaskatalysators in Bezug auf einer Schwellenwerttemperatur beruht.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Anzahl von Verbrennungsereignissen in dem Maße vergrößert wird, je größer eine Differenz zwischen der Temperatur des Abgaskatalysators und der Schwellenwerttemperatur ist.
Verfahren nach Anspruch 6, das außerdem, nachdem die Anzahl von Verbrennungsereignissen verstrichen ist, ein Verbrennen des gasförmigen Kraftstoffs im Ansaugtakt bei einem stöchiometrischen Wert umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der gasförmige Kraftstoff in einem Tank für flüssigen Kraftstoff wie flüssiges Autogas (LPG) gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei sowohl die erste als auch die zweite Kraftstoffmenge über eine Direkteinspritzung zugeführt werden.
Verfahren für einen Motor, umfassend: während eines Motorkaltstarts, Direkteinspritzen einer ersten Menge eines flüssigen Autogases (LPG) während eines Ansaugtakts eines Verbrennungsereignisses; Direkteinspritzen einer zweiten Menge des LPG während eines Verdichtungstakts des Verbrennungsereignisses; Verbrennen der ersten und der zweiten Menge im Verdichtungstakt; und Direkteinspritzen einer dritten Menge des LPG während eines Arbeitstakts, wobei die erste, zweite und dritte Menge so eingestellt werden, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der gesamten Abgase auf einem stöchiometrischen Wert gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die erste und die zweite Menge während des Verdichtungstakts verbrannt werden und wobei die dritte Menge in einem Auslasskanal verbrannt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei einer oder mehrere der ersten, zweiten und dritten Menge des LPG als mehrfache Kraftstoffeinspritzungen zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei ein Anteil der zweiten Menge in Bezug auf die erste Menge in dem Maße vergrößert wird, je niedriger eine Temperatur des Abgaskatalysators während des Kaltstarts ist.
Verfahren nach Anspruch 14, das außerdem während des Einspritzens der dritten Kraftstoffmenge ein Einstellen eines Drucks eines Kraftstoffeinspritzers umfasst aufgrund eines oder mehrerer aus: der dritten Kraftstoffmenge, einem Einspritzzeitpunkt der dritten Kraftstoffmenge und einem Druck in dem Zylinder zum Zeitpunkt des Einspritzens der dritten Kraftstoffmenge.
Verfahren nach Anspruch 11, das außerdem ein Fortsetzen des Einspritzens des LPG sowohl als erste, als zweite als auch als dritte Einspritzmenge umfasst, bis eine Temperatur des Abgaskatalysators bei oder über einer Schwellenwerttemperatur liegt.
Motorsystem, umfassend: einen Motorzylinder; einen Kraftstoffdirekteinspritzer, der mit dem Zylinder verbunden ist; eine Kraftstoffverteilerleitung, die vorgeschaltet zu dem Kraftstoffeinspritzer eingebunden ist; einen Kraftstofftank für das Speichern eines unter Druck stehenden gasförmigen Kraftstoffs als eine Flüssigkeit; einen Druckregler für das Einstellen eines Drucks des gasförmigen Kraftstoffs, der aus dem Kraftstofftank in die Kraftstoffverteilerleitung zugeführt wird; einen Abgaskatalysator, der in eine Motorabgasleitung eingebunden ist; und eine Steuereinheit mit computerlesbaren Befehlen für: während einer Motorkaltstartbedingung, bis eine Temperatur des Abgaskatalysators bei oder über einer Schwellenwerttemperatur liegt, Zuführen eines gasförmigen Kraftstoffs in Form von mehrfachen Einspritzungen, einschließlich mindestens einer Verdichtungstakteinspritzung und einer Arbeitstakteinspritzung; und Verbrennen des zugeführten Kraftstoffs bei einem stöchiometrischen Wert.
System nach Anspruch 17, wobei die mehrfachen Einspritzungen eine erste Ansaugtakteinspritzung, eine zweite Verdichtungstakteinspritzung und eine dritte Arbeitstakteinspritzung umfassen.
System nach Anspruch 18, wobei ein Zeitablauf und ein Verhältnis der ersten, zweiten und dritten Einspritzungen auf den Zeitpunkten der Funkenzündung beruhen.
System nach Anspruch 19, wobei ein Verhältnis der zweiten Verdichtungstakteinspritzung in Bezug auf die erste Ansaugtakteinspritzung in dem Maße größer wird und ein Zeitpunkt der zweiten Verdichtungstakteinspritzung in dem Maße näher an den TDC bewegt wird, je mehr der Zündzeitpunkt gegenüber dem MBT verzögert wird, und wobei ein Zeitpunkt der Arbeitstakteinspritzung desto weiter über den TDC hinaus bewegt wird, je mehr der Zündzeitpunkt gegenüber dem MBT verzögert wird.