DE10323314B4

DE10323314B4 - Verbrennungsmotoraggregat mit Betriebsverfahren dafür

Info

Publication number: DE10323314B4
Application number: DE10323314A
Authority: DE
Inventors: Dr. Pochner Klaus
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2003-05-23
Publication date: 2012-05-24
Anticipated expiration: 2023-05-24
Also published as: DE10323314A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotoraggregats mit einem Verbrennungsmotor (1) und einem in einem Abgasstrom des Verbrennungsmotors angeordneten Katalysator (9), welches einen Lastbereich (H) aufweist, in welchem der Katalysator (9) überhitzt, wenn eine Maßnahme zur Kühlung des Katalysators unterlassen wird, und zum Kühlen des Katalysators ein Rückführen von Verbrennungsabgasen in eine Brennkammer (2) des Verbrennungsmotors (1) stattfindet, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Lastbereich (H) die Menge an rückgeführtem Abgas und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis so festgelegt werden, dass für alle Lastwerte des Lastbereichs (H) eine im Wesentlichen einheitliche Temperatur des Katalysators (9) resultiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbrennungsmotoraggregat mit einem Verbrennungsmotor und einem in einem Abgasstrom des Verbrennungsmotors angeordneten Katalysator, sowie ein Betriebsverfahren für ein solches Verbrennungsmotoraggregat. Derartige Verbrennungsmotoraggregate sind aus einer Vielzahl von Schriften bekannt, unter denen DE 43 28 085 A1 als Beispiel genannt werden kann.
Bei frühen Bauformen dieser Aggregate war der Katalysator in einer Abgasleitung beabstandet vom Verbrennungsmotor angeordnet und wurde im Wesentlichen nur durch in den Verbrennungsabgasen mitgeführte Wärme erhitzt. Diese Bauweise hatte zur Folge, dass nach dem Anlassen des Verbrennungsmotors eine recht lange Aufwärmphase erforderlich war, bis der Katalysator eine Betriebstemperatur erreichte, bei der er einen wirksamen Abbau der Schadstoffe in den Verbrennungsabgasen bewirkte.
Die Schadstoffmenge, die der Motor eines Kraftfahrzeugs abgeben darf, ist durch gesetzliche Vorgaben beschränkt. Genauer gesagt, sind Obergrenzen für den Gesamtschadstoffausstoß eines Fahrzeugs während eines standardisierten Testzyklus festgelegt, der innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne, jeweils beginnend mit kaltem Motor, unterschiedliche Lastzustände in jeweils festgelegten Zeitspannen umfasst. Ein erheblicher Beitrag zum Gesamtschadstoffausstoß während eines solchen Testzyklus entsteht in der Zeitspanne nach dem Starten des Motors und bevor der Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat. Um den Schadstoffausstoß während eines solchen Testzyklus zu begrenzen, ist ein sehr wirksames Mittel, die Aufheizung des Katalysators zu beschleunigen. Dies hat zu einer Tendenz bei der Konstruktion von Verbrennungsmotoraggregaten geführt, den Katalysator immer näher am Motor selbst anzuordnen, zum einen, um Wärmeverluste des Abgases auf dem Weg vom Motor zum Katalysator gering zu halten, zum anderen, um durch das Abgas aufzuheizende Massen wie Krümmer und Abgasrohre zu minimieren. Diese Bauweise hat jedoch den Nachteil, dass eine Erwärmung des Motors bei Betrieb unter hoher Last sich auch auf den Katalysator überträgt, so dass es zu Überschreitungen der zulässigen Betriebstemperatur des Katalysators und damit zu einer irreversiblen Schädigung kommen kann, sofern keine Maßnahmen für eine Kühlung des Katalysators getroffen werden.
Ein z. B. aus DE 10043687 A bekanntes Verfahren, um empfindliche Teile eines Verbrennungsmotors vor Überhitzung zu schützen, ist, das dem Motor zugeführte Luft-Kraftstoff-Gemisch anzufetten, d. h. ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ < 1 einzustellen. Wenn ein solches Gemisch verwendet wird, reicht der in einer Brennkammerfüllung enthaltene Sauerstoff nicht aus, um den gesamten zugeführten Kraftstoff zu verbrennen, und der Abgasstrom enthält unverbrannte Kohlenwasserstoffe, deren Verdampfung dem Abgasstrom Wärme entzieht. Es liegt auf der Hand, dass dieses Verfahren einen erhöhten Kraftstoffverbrauch und einen erhöhten Schadstoffgehalt der Verbrennungsabgase mit sich bringt. Solange jedoch Lastzustände des Motors, in denen eine solche Kühlung erforderlich ist, in dem zum Ermitteln des Schadstoffausstoßes des Fahrzeugs vorgeschriebenen Testzyklus nicht enthalten sind, erfüllt ein Verbrennungsmotoraggregat, in dem zur Kühlung das Gemisch angefettet wird, die staatlichen Abgasvorschriften. D. h., es können Kraftfahrzeuge auf den Markt gelangen, deren Verbrennungsmotoraggregate zwar die gesetzlichen Abgasvorschriften erfüllen und somit den Eindruck erwecken, schadstoffarm zu sein, die aber bei Betrieb unter hoher Last sehr ungünstige Verbrauchs- und Schadstoffwerte aufweisen können.
Eine bekannte Technik zum Reduzieren des Schadstoffausstoßes eines Verbrennungsmotors ist die Abgasrückführung. Sie wird herkömmlicherweise im unteren bis mittleren Lastbereich eingesetzt, um den Ausstoß an Stickoxiden zu vermindern. Durch das rückgeführte Abgas wird die Ladungsluft verdünnt. Dadurch verschlechtert sich jedoch die Verbrennung, und oberhalb einer kritischen Abgasrückführrate steigt der Gehalt an Kohlenwasserstoffen im Abgas und der Kraftstoffverbrauch bei schlechterer Laufruhe des Motors an. Es gibt daher eine Grenze der Abgasrückführrate, oberhalb derer der Ausstoß aller Schadstoffe nicht weiter vermindert werden kann. Dementsprechend ist es üblich, die Abgasrückführrate, d. h. den Anteil rückgeführten Abgases an der Ladung der Brennkammern, auf geringe, „ausgewogene” Schadstoffwerte und geringen Verbrauch zu optimieren.
Eine solche Optimierung wird herkömmlicherweise für stöchiometrische Verbrennung an einem Motorprüfstand für einen Prototypen eines Motors vorgenommen, und die dabei gewonnenen Ergebnisse fließen in die Programmierung der Steuergeräte der seriengefertigten Motoren ein. Dabei zeigt sich, dass die Vorteile der Abgasrückführung mit zunehmender Motorlast geringer werden, und dass bei den meisten Motoren eine Lastgrenze existiert, oberhalb derer sich die Abgasrückführung verbrauchssteigernd auswirkt.
Aus DE 19858990 A sind ein Verfahren bzw. ein Verbrennungsmotoraggregat nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 9 bekannt. Dieses Dokument schlägt vor, Abgasrückführung einzusetzen, um bei einem NOx-Speicherkatalysator eine Erhitzung auf eine Temperatur, bei der gespeichertes NOx desorbiert, zu verhindern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Betriebsverfahren für ein Verbrennungsmotoraggregat bzw. ein Verbrennungsmotoraggregat mit einem Katalysator anzugeben, die eine hohe Langzeithaltbarkeit des Katalysators und gleichzeitig einen niedrigen Kraftstoffverbrauch und geringe Schadstoffwerte im Abgas erreichen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es durch Abgasrückführung auch möglich ist, die Temperatur des Katalysators zu verringern und diesen so vor Überhitzung zu schützen. Ein solcher Überhitzungsschutz ist insbesondere in einem Hochlastbereich erforderlich, wo ein Fehlen von temperaturbegrenzenden Maßnahmen zu einer Schädigung des Katalysators durch Überhitzung führen könnte. Durch geeignete Auswahl der Menge an rückgeführtem Abgas und des Wertes des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wird der Katalysator im gesamten überhitzungsgefährdeten Lastbereich auf einer einheitlichen Temperatur betrieben.
Die Abgasrückführung macht es möglich, zumindest in einem ersten Teilintervall desjenigen Lastbereichs, in dem Maßnahmen zur Katalysatorkühlung erforderlich sind, auf die herkömmliche, verbrauchs- und schadstoffsteigernde Technik des Anfettens zu verzichten.
In einem anderen Teilintervall des überhitzungsgefährdeten Lastbereichs hat es sich für den Verbrauch als günstig erwiesen, die Abgasrückführung mit einer Anfettung des Luft-Kraftstoff-Gemischs zu kombinieren. Dabei mag zwar im stöchiometrischen Betrieb der Verbrauch in diesem Lastbereich mit Abgasrückführung immer noch geringfügig höher sein als ohne, doch wird man dies billigend in Kauf nehmen, da es eine geringe Anfettung die Voraussetzung dafür ist, den Katalysator überhaupt betreiben zu können. Dabei ist das Ausmaß der Anfettung um so geringer, d. h. das Luft-Kraftstoff-Verhältnis um so größer, je höher die Menge an rückgeführtem Abgas ist.
Da bei den gegenwärtigen Katalysatorzusammensetzungen die Langzeithaltbarkeit bei Betriebstemperaturen oberhalb 950°C schnell abnimmt, andererseits bei niedrigen Temperaturen die Wirksamkeit des Katalysators beeinträchtigt ist, wird man diese einheitliche Temperatur vorzugsweise in einem Bereich von 900°C bis 950°C, vorzugsweise bei ca. 930°C, wählen.
Da sowohl die Abgasrückführung als auch die Anfettung des Gemischs jeweils für sich wirksam sind, um die Temperatur des Katalysators zu begrenzen, gibt es für Lastwerte des zweiten Teilintervalls jeweils eine Vielzahl von Wertepaaren der Menge an rückgeführtem Abgas und des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, mit denen die gewünschte Katalysatortemperatur erreichbar ist. Unter diesen Wertepaaren wird man zweckmäßigerweise dasjenige wählen, bei welchem ein minimaler Kraftstoffverbrauch resultiert.
Die Erfindung ist sowohl auf externe Abgasrückführung, d. h. auf Bauformen des Verbrennungsmotoraggregats, bei denen eine Abgasrückführleitung von einer Abgasleitung über ein Ventil zum Saugrohr des Verbrennungsmotors geführt ist, als auch auf interne Abgasrückführung anwendbar, bei der Ein- und Auslassventile einer Brennkammer des Verbrennungsmotors so gesteuert werden, dass in jedem Verbrennungszyklus eine bestimmte Abgasmenge durch das Einlassventil in die Saugleitung zurückgedrängt wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotoraggregats mit externer Abgasrückführung;
2 eine zweite Ausgestaltung mit externer Abgasrückführung;
3 das Prinzip der internen Abgasrückführung;
4 Abgasrückführungsraten als Funktion der Last bei einer herkömmlichen und einer erfindungsgemäßen Steuerung;
5 Katalysatortemperaturen und Luftzahlen als Funktion der Last bei einer herkömmlichen und einer erfindungsgemäßen Steuerung; und
6 den Kraftstoffverbrauch als Funktion der Last bei einer herkömmlichen und einer erfindungsgemäßen Steuerung.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Verbrennungsmotoraggregats mit Abgasrückführung für ein Kraftfahrzeug gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung. Gezeigt ist ein Motorblock 1 mit im hier betrachteten Beispiel vier Brennkammern 2, in denen Kolben 3 zum Antreiben einer Kurbelwelle 4 verschiebbar sind. Jede Brennkammer 2 hat zwei durch eine (nicht dargestellte) Nockenwelle im Takt der Umdrehung der Kurbelwelle 4 betätigte Ventile 5, 6, von denen eines 5 die Brennkammer mit einem Ansaugkrümmer 7 und das andere 6 sie mit einem Abgaskrümmer 8 verbindet. Der Abgaskrümmer 8 leitet von den Brennkammern 2 ausgestoßenes Abgas einem Katalysator 9 zu, der dazu dient, Schadstoffanteile im Abgas wie etwa Stickoxide, Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe abzubauen. Dem Motor ist ein elektronisches Steuergerät 10 zugeordnet, welches anhand einer Vielzahl von an dem Motor oder anderenorts am Fahrzeug aufgenommenen Parametern wie etwa der Stellung eines Fahrpedals 15 Betriebsgrößen des Motors wie etwa die Luftzahl λ, Öffnungszeitpunkt und -dauer von Einspritzventilen 16, Zündwinkel, etc. regelt.
In einer Abgasrückführleitung 11 zwischen dem Abgaskrümmer 8 und dem Ansaugkrümmer 7 ist ein durch das Steuergerät 10 gesteuertes Ventil 12 angeordnet, das einen geregelten Rückfluss von Abgas aus dem Abgaskrümmer 8 in den Ansaugkrümmer 7 ermöglicht. Zu den von der Steuerschaltung 10 gesteuerten Betriebsgrößen des Motors gehört auch eine gewünschte Abgasrückführungsrate bzw. ein zum Realisieren dieser Rate erforderlicher Öffnungsgrad des Ventils 12. Das Steuergerät 10 berechnet diese Rate anhand einer Vielzahl von Betriebsparametern des Motors wie etwa Drehzahl, Last, Außentemperatur etc..
Die Steuerschaltung 10 muss die diversen Betriebsgrößen des Motors so regeln, dass eine Überhitzung des Katalysators vermieden wird. Zu diesem Zweck kann ein Temperaturfühler am Katalysator vorgesehen werden. In der Praxis wird jedoch meist ein wenigstens teilweise empirisch gewonnenes Temperaturmodell verwendet, das es der Steuerschaltung 10 ermöglicht, die Katalysatortemperatur aus anderen Betriebsparametern des Motors zu berechnen. Da die Katalysatortemperatur Änderungen von sie beeinflussenden Parametern verzögert folgt, ermöglicht es ein solches Modell, Parameterkombinationen, die zu einer Überhitzung führen können, zu erkennen und gegenzusteuern, noch bevor die Überhitzung tatsächlich eingetreten ist.
Die Arbeitsweise des Steuergeräts 10 ist für alle hier gezeigten Ausgestaltungen von Verbrennungsmotoraggregaten die gleiche und wird an späterer Stelle behandelt.
2 zeigt eine bevorzugte Weiterentwicklung des Aggregats aus 1 in einer schematischen Draufsicht in der Bewegungsrichtung der Kolben 3 in den Brennkammern 2. Ansaugkrümmer 7 und Abgaskrümmer 8 liegen einander hier beiderseits der Reihe von Brennkammern 2 gegenüber und haben die Form einer Verteilerleitung mit einer Mehrzahl von jeweils zu einer der Brennkammern 2 führenden Abzweigleitungen. Eine Rückführleitung 11, die ein vom Steuergerät 10 gesteuertes Ventil 12 enthält, ist jeweils zwischen einer gleichen Brennkammer 2 zugeordneten Abzweigleitungen des Ansaugkrümmers 7 und des Abgaskrümmers 12 angeordnet. Diese Abwandlung ist zwar aufwändiger als die der 1, da sie eine eigene Rückführleitung für jede einzelne Brennkammer 2 erfordert, doch erlaubt sie, das Abgas in unmittelbare Nähe des Einlassventils jeder Brennkammer 2 rückzuführen. Dadurch wird die Verweildauer des rückgeführten Abgases im Ansaugkrümmer 7 kurz gehalten, und die Rückführungsrate kann unter der Kontrolle des Steuergeräts 10 sehr schnell an veränderte Betriebsbedingungen des Motors angepasst werden.
3 zeigt das Prinzip der internen Abgasrückführung anhand eines schematischen Schnitts durch eine Brennkammer 2. Am Kopfende der Brennkammer 2 befinden sich ein Einlassventil 13, das gekoppelt an die Drehstellung der Kurbelwelle 4 geöffnet bzw. geschlossen wird, um bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens 3 Frischgas in die Brennkammer 2 einzulassen, und ein Auslassventil 14, das jeweils nach der Verbrennung geöffnet wird, um die Verbrennungsabgase in den Abgaskrümmer 8 abzulassen. Bei der internen Abgasrückführung gibt es im Laufe der Aufwärtsbewegung des Kolbens 3 nach erfolgter Verbrennung, im in 3 dargestellten Zustand, eine Phase, in der wie gezeigt Einlassventil 13 und Auslassventil 14 gleichzeitig oder auch nur das Einlassventil 13 geöffnet ist, um einen Teil der Verbrennungsabgase in den Ansaugkrümmer 7 zu verdrängen. Die in den Ansaugkrümmer 7 verdrängte Abgasmenge, die nur wenige Prozent des gesamten Abgasvolumens ausmacht, wird in der darauf folgenden Ansaugphase der Brennkammer 2 praktisch vollständig in diese zurückgesogen. Dies ermöglicht eine extrem schnelle Regelung der rückgeführten Abgasmenge.
4 ist ein Graph, der als Funktion der Motorlast, hier parametrisiert als Geschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs, in welchem der Motor eingebaut ist, bei Fahrt auf ebener Strecke, die unter der Kontrolle des Steuergeräts 10 rückgeführte Abgasmenge darstellt. Oberhalb einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 140 km/h liegt ein Lastbereich H, in dem sich der Motor so stark erhitzt, dass die über die Abgase an den Katalysator abgegebene Wärmemenge diesen so stark erhitzt, dass die Haltbarkeit des Katalysators beeinträchtigt wird, sofern keine Maßnahmen getroffen werden, um den Katalysator zu kühlen.
Die Kurve 20 in 4 zeigt eine herkömmliche schadstoff- und verbrauchsoptimierte Kennlinie der Abgasrückführrate in Prozent als Funktion der Motorlast (hier der Fahrzeuggeschwindigkeit). Die Rückführrate liegt im Niedriglastbereich zwischen 0 und 100 km/h bei ca. 13%. Ab ca. 100 km/h beginnt sich eine verbrauchssteigernde Wirkung bemerkbar zu machen, so dass im Bereich zwischen 100 und 140 km/h, unterhalb des überhitzungsgefährdeten Lastbereichs H, die Rückführrate allmählich auf Null zurückgenommen wird. Um eine Überhitzung des Katalysators zu vermeiden, wenn der Motor unter einer hohen Last im Bereich H steht, muss das den Brennkammern 2 zugeführte Luft-Kraftstoff-Gemisch angefettet werden.
Die Kurve 21 zeigt eine Kennlinie der Abgasrückführrate als Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit gemäß der Erfindung. Sie ist das Ergebnis einer Schadstoff- und Verbrauchsoptimierung, wobei allerdings als zusätzliche Randbedingung einbezogen wurde, dass eine schädigende Überhitzung des Katalysators unterbleiben muss. Die Kurve 21 folgt im Niedriglastbereich bis zu einer Geschwindigkeit von ca. 100 km/h der Kurve 20, nimmt dann allerdings weniger stark ab und behält vor allem anders als jene im Bereich H eine nichtverschwindende Rückführrate bis zur Geschwindigkeit von 180 km/h bei, die nahezu Volllast entspricht.
Das Diagramm der 5 zeigt, wiederum als Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit, Luftzahlen λ und Katalysatortemperaturen gemäß dem Stand der Technik und gemäß der Erfindung. Dabei ist die Katalysatortemperatur, die der Rückführratenkurve 20 gemäß dem Stand der Technik entspricht, durch eine Kurve 22 und die, die der Rückführratenkurve 21 gemäß der Erfindung entspricht, durch eine Kurve 23 wiedergegeben. Kurven 24, 25 stellen jeweils die den Kurven 22 bzw. 23 entsprechenden Luftzahlen λ als Funktion der Geschwindigkeit dar.
Im Geschwindigkeitsbereich bis 100 km/h, in dem sich die Rückführraten der Kurven 20 und 21 im wesentlichen gleichen, verlaufen auch die Temperaturkurven 22, 23 im wesentlichen deckungsgleich. Es besteht ein in etwa linearer Zusammenhang zwischen der Motorlast (bzw. Geschwindigkeit) und der Katalysatortemperatur. Im Geschwindigkeitsbereich von 100 bis 140 km/h, bei dem die erfindungsgemäße Steuerung eine etwas erhöhte Rückführrate vorsieht, ist der Anstieg der Kurve 23 etwas langsamer als der der Kurve 22. Bei 140 km/h erreicht die herkömmliche Kurve 22 eine Katalysatortemperatur von ca. 930°C, die, um eine Beschädigung des Katalysators zu vermeiden, nicht überschritten werden sollte. Um den Motor dennoch mit höherer Last betreiben zu können, muss das Luft-Kraftstoff-Gemisch angefettet werden, wobei lastabhängig der Kraftstoffüberschuss jeweils so gewählt wird, dass die Katalysatortemperatur im Wesentlichen konstant bei 930°C bleibt. Dieser Temperaturverlauf wird in 5 durch die punktierte Linie 22' wiedergegeben, die für Geschwindigkeit größer oder gleich 140 km/h gemittelt im Wesentlichen parallel zur Abszisse verläuft. Dementsprechend erkennt man für die Kurve 24 des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses oberhalb von 140 km/h einen allmählichen Abfall vom stöchiometrischen Wert 1,0 bis auf unter 0,9 bei ca. 190 km/h.
Die erfindungsgemäße starke Abgasrückführung gemäß Kurve 21 führt dazu, dass zu Beginn des ohne Kühlung überhitzungsgefährdeten Lastbereichs H der Katalysator die Grenztemperatur noch nicht erreicht hat. Ein Anfetten des Gemischs ist daher im Teilintervall H1 von H, das von 140 km/h bis ca. 160–170 km/h reicht, nicht erforderlich.
Bei noch höherer Motorlast würde sich eine Beibehaltung einer hohen Abgasrückführrate in der Größenordnung von 10% verbrauchssteigernd auswirken oder mangels Unterdrucks im Ansaugkrümmer 7 schwierig zu realisieren sein, weswegen die Rückführrate gemäß Kurve 21 in diesem mit H2 bezeichneten Bereich mit steigender Last stark zurückgenommen wird und bei 180 km/h Null erreicht. Im Lastbereich H2 zwischen ca. 160 bis 170 km/h und 180 km/h wird somit der Katalysator gleichzeitig durch Abgasrückführung und Anfettung des Gemischs gekühlt.
In 6 ist die geschwindigkeitsabhängige Kraftstoffverbrauchsrate, dargestellt durch eine Kurve 27, bei Steuerung gemäß der Erfindung mit Abgasrückführrate entsprechend Kurve 21 und Luft-Kraftstoff-Verhältnis entsprechend Kurve 25 der Kraftstoffverbrauchsrate des gleichen Motors ohne Abgasrückführung, dargestellt durch eine Kurve 26, gegenübergestellt. Die Kurven 26, 27 sind auf die an der linken Ordinate aufgetragenen Werte bezogen, die den Kraftstoffverbrauch in Liter/100 km angeben. Kurve 28 stellt, bezogen auf die rechte Ordinate, die Differenz zwischen den beiden in den Kurven 26, 27 dargestellten Verbrauchsraten in Prozent dar. Kurve 29 zeigt zum Vergleich die prozentuale Differenz zwischen dem Verbrauch bei herkömmlicher Steuerung mit Abgasrückführrate entsprechend Kurve 20 und Luftzahl entsprechend Kurve 24. Im niedrigen Lastbereich bis 150 km/h beobachtet man an beiden Kurven 28, 29 eine geringfügige Kraftstoffeinsparung von 2 bis 3%. Im Hochlastbereich H zeigt sich ein erheblicher Verbrauchsvorteil der erfindungsgemäßen Steuerung von bis zu 5 was in diesem Geschwindigkeitsbereich für einen typischen PKW-Motor einem Minderverbrauch von 0,5 bis 1,0 l/100 km entspricht.
Da mit der erfindungsgemäßen Steuerung der Wert der Motorlast, oberhalb dessen eine Gemischanfettung zum Schutz des Katalysators vor Überhitzung erforderlich ist, nach oben verschoben wird, wird somit nicht nur eine Verringerung des Schadstoffausstoßes, insbesondere von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, sondern darüber hinaus ein deutlicher Verbrauchsvorteil erzielt.
Es versteht sich, dass die oben als Grenzen der Lastbereiche H, H1 und H2 angegebenen Geschwindigkeitswerte lediglich Beispiele sind, und dass sich je nach Bauart des Motors und des Katalysators und der thermischen Kopplung zwischen beiden für verschiedene Typen von Motoraggregaten andere Grenzen dieser Intervalle ergeben können. Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist nicht die Lage dieser Intervalle, sondern die Tatsache, dass unter Lastbedingungen, die Maßnahmen zur Kühlung des Katalysators erfordern, um Schäden an ihm zu vermeiden, die Abgasrückführung die herkömmliche Methode des Anfettens ersetzen oder wenigstens unterstützen und dadurch Verbrauch und Schadstoffausstoß senken kann.
Bezugszeichenliste

1: Motorblock
2: Brennkammer
3: Kolben
4: Kurbelwelle
5: Ventil
6: Ventil
7: Ansaugkrümmer
8: Abgaskrümmer
9: Katalysator
10: Steuergerät
11: Rückführleitung
12: Ventil
13: Einlassventil
14: Auslassventil
15: Fahrpedal
16: Einspritzventil
17
18
19
20: Kurve
21: Kurve
22: Kurve
23: Kurve
24: Kurve
25: Kurve
26: Kurve
27: Kurve

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotoraggregats mit einem Verbrennungsmotor (1) und einem in einem Abgasstrom des Verbrennungsmotors angeordneten Katalysator (9), welches einen Lastbereich (H) aufweist, in welchem der Katalysator (9) überhitzt, wenn eine Maßnahme zur Kühlung des Katalysators unterlassen wird, und zum Kühlen des Katalysators ein Rückführen von Verbrennungsabgasen in eine Brennkammer (2) des Verbrennungsmotors (1) stattfindet, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Lastbereich (H) die Menge an rückgeführtem Abgas und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis so festgelegt werden, dass für alle Lastwerte des Lastbereichs (H) eine im Wesentlichen einheitliche Temperatur des Katalysators (9) resultiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens in einem ersten Teilintervall (H1) dieses Lastbereichs (4) eine Verbrennung mit stöchiometrischem Luft-Kraftstoff-Verhältnis durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Teilintervall (H2) dieses Lastbereichs eine Verbrennung mit angefettetem Luft-Kraftstoff-Verhältnis durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Teilintervall (H2) mit steigender Last die Menge an rückgeführtem Abgas und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis reduziert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Katalysators (9) zwischen 900°C und 950°C, vorzugsweise bei ca. 930°C gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für Lastwerte des zweiten Teilintervalls (H2) die Menge an rückgeführtem Abgas und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis so festgelegt werden, dass ein minimaler Kraftstoffverbrauch resultiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückführen der Verbrennungsabgase bezogen auf den Verbrennungsmotor extern erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückführen der Verbrennungsabgase bezogen auf den Verbrennungsmotor intern erfolgt.
Verbrennungsmotoraggregat mit einem Verbrennungsmotor (1), einem in einem Abgasstrom des Verbrennungsmotors (1) angeordneten Katalysator (9) und steuerbaren Rückführmitteln (11, 12; 13, 14), die wahlweise das Rückführen oder Nichtrückführen von Abgas aus dem Abgasstrom in eine Brennkammer (2) des Verbrennungsmotors ermöglichen, und einem Steuergerät (10) zum Steuern der Rückführmittel (11, 12; 13, 14), wobei das Verbrennungsmotoraggregat einen Lastbereich (H) aufweist, in dem das Steuergerät (10) die Rückführmittel (11, 12; 13, 14) ansteuert, um Abgas rückzuführen und in dem ein Unterbleiben des Rückführens zur Überhitzung des Katalysators (9) führen würde, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (10) eingerichtet ist, die Menge an rückgeführtem Abgas und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis so festzulegen, dass die Temperatur des Katalysators (9) für alle Lastwerte des Lastbereichs (H) im wesentlichen einheitlich ist.
Verbrennungsmotoraggregat nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (10) eingerichtet ist, Einstellmittel (16) zum Einstellen eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses anzusteuern und sie wenigstens in einem ersten Teilintervall (H1) des Lastbereichs so ansteuert, dass eine Verbrennung mit stöchiometrischem Luft-Kraftstoff-Verhältnis stattfindet.
Verbrennungsmotoraggregat nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät die Einstellmittel (16) in einem zweiten Teilintervall (H2) des Lastbereichs so ansteuert, dass eine Verbrennung mit angefettetem Luft-Kraftstoff-Verhältnis stattfindet.
Verbrennungsmotoraggregat nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Teilintervall (H2) mit steigender Last die Menge an rückgeführtem Abgas und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis abnehmen.
Verbrennungsmotoraggregat nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass für Lastwerte im zweiten Teilintervall (H2) die Menge an rückgeführtem Abgas und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis so festgelegt sind, dass ein minimaler Kraftstoffverbrauch resultiert.
Verbrennungsmotoraggregat nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführmittel (11, 12) bezogen auf den Verbrennungsmotor (1) extern angeordnet sind.
Verbrennungsmotoraggregat nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführmittel (13, 14) bezogen auf den Verbrennungsmotor intern angeordnet sind.