DE4331853A1 - Brennkraftmaschine - Google Patents

Brennkraftmaschine

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Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.
Eine gattungsbildende Brennkraftmaschine ist bekannt aus der DE-OS 21 16 097. In dieser Schrift wird eine Abgas-Meßsonde be­ schrieben, durch die eine Regelung der Luftzahl λ (λ = 1 ent­ spricht dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis) über einen weiten Bereich von etwa λ = 0,7 bis λ = 1,4 möglich ist. Mit einer solchen Abgas-Meßsonde können sowohl Einspritz- als auch Vergaser-Brennkraftmaschinen mit fettem Gemisch (0,8 < λ < 0,9) oder sehr magerem Gemisch (λ ≃ 1,4) betrieben werden. Es wird dort weiter vorgeschlagen, die Umschaltung verschiedener Be­ triebsweisen in Abhängigkeit vom Lastzustand der Brennkraftma­ schine vorzunehmen. Darüber hinaus sind Hinweise darauf entnehm­ bar, daß bei kalter Brennkraftmaschine die das Kraftstoff-Luft- Gemisch regelnde Vorrichtung abgeschaltet ist, weil die Abgas- Meßsonde eine bestimmte Arbeitstemperatur benötigt. Anstelle ei­ ner solchen Abschaltvorrichtung wird darüber hinaus alternativ vorgeschlagen, die Abgas-Meßsonde vor dem Start der kalten Brenn­ kraftmaschine zur Einstellung der erforderlichen Betriebstempera­ tur zu beheizen.
Die zuvor vorgeschlagenen Maßnahmen beim Kaltstart von Brenn­ kraftmaschinen sind auch bekannt aus der DE-40 19 067-A1. Dort wird näher ausgeführt, daß während der Warmlaufphase anstelle der abgeschalteten Gemischregelung eine Gemischsteuerung aktiviert wird, durch welche eine Start- und Warmlaufanreicherung nach zeit- oder temperaturabhängigen Parametern durchgeführt wird. Der aus dieser Betriebsweise resultierende verzögerte Einsatz der Ge­ mischregelung geht in der Regel einher mit einem erhöhtem Schad­ stoffausstoß während der Warmlaufphase. Durch eine intensive Be­ heizung der Abgas-Meßsonde kann der Zeitpunkt des Einsatzes der Gemischregelung nach vorn verlegt werden, um so während der Warm­ laufphase den Schadstoffausstoß zu verringern.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, für gattungsgemäße Brennkraftmaschinen eine Betriebsweise vorzu­ schlagen, die innerhalb der Warmlaufphase den Schadstoffausstoß auf ein Minimum begrenzt. Dies soll insbesondere gelten für den Betrieb von Brennkraftmaschinen mit Gemischen aus Alkohol und Benzin.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige Wei­ terbildungen der Erfindung.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Betriebsweise wird zu­ nächst der Einsatzzeitpunkt der λ-Regelung eindeutig festgelegt. Zu diesem Zweck wird durch entsprechende Sensoren festgestellt, ob die Abgas-Meßsonde ihre Arbeitstemperatur erreicht hat und ob die Brennkraftmaschine bereits in Betrieb ist, das heißt, daß der Startvorgang als solcher beendet ist. Bejahendenfalls wird in ei­ ner der Brennkraftmaschine zugeordneten Steuereinrichtung in Ab­ hängigkeit von vorgebbaren Parametern (beispielsweise Temperatur der Brennkraftmaschine) für λ ein Anfangswert mit λA < 1 einge­ stellt wird. Für die Dauer der Warmlaufphase wird dann während des weiteren Betriebes der Brennkraftmaschine ausgehend von λA der Wert für λ nach einer vorgegebenen Charakteristik verändert. Diese in einem Kennfeld oder nach Art einer Tabelle in der Steu­ ereinrichtung abgelegte Charakteristik ist für jeden bestimmten Typ von Brennkraftmaschine unter Berücksichtigung wenigstens ei­ nes der Beurteilungskriterien Schadstoffemission, Verbrauch, Laufruhe oder Reaktion auf Lastwechsel experimentell zu bestim­ men. Beim Vorliegen einer das Ende der Warmlaufphase charakteri­ sierenden Größe wird schließlich der Wert für λ bis zum Eintritt eines an die Steuereinrichtung gemeldeten Ereignisses konstant gehalten.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, daß bereits unmittelbar nach dem Kaltstart eine Regelung der Gemisch­ bildung einsetzt. Auf diese Weise wird beispielsweise sicherge­ stellt, daß während der Warmlaufphase verdampfender Kraftstoff, der zu Beginn die noch kalten Bauteile der Brennkraftmaschine le­ diglich benetzt hatte und deshalb noch nicht in den Brennraum ge­ langte, zum frühestmöglichen Zeitpunkt durch die λ-Regelung be­ rücksichtigt wird.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Betriebsweise ist auch darin zu sehen, daß ein Betrieb mit unterschiedlichen Kraft­ stoffen - beispielsweise Gemischen aus Alkohol und Benzin - mög­ lich ist, weil unabhängig von der jeweils aktuell vorliegenden Kraftstoffzusammensetzung und den damit verbundenen Kraftstoffei­ genschaften die jeweils erforderliche Luftzahl λ nachgeregelt wird. Auf heute übliche Alkoholsensoren beim Betrieb von Brenn­ kraftmaschinen mit Mischkraftstoff, dessen Zusammensetzung durch Nachtanken Änderungen unterliegt, könnte daher verzichtet werden.
Die für die erfindungsgemäße Lösung apparativ hergerichtete Brennkraftmaschine kann in vorteilhafterweise nach Abschluß der Warmlaufphase auch für besondere Betriebsweisen verwendet werden. So ist beispielsweise ein Normalbetrieb mit λ = 1 oder Ma­ gerbetrieb in bestimmten Fahrsituationen mit λ < 1 vorstellbar. So kann beispielsweise im Schubbetrieb anstelle der bislang er­ folgenden Kraftstoffabschaltungen ein Magerbetrieb eingestellt werden, um in den Brennräumen die Verbrennung im Schub aufrecht­ zuerhalten und so den Schadstoffausstoß zu verringern. Eine sol­ che ständige Verbrennung hat darüber hinaus den Vorteil, daß beim erneuten Gasgeben sofort ein Kraftstoff-Luft-Gemisch zur Verfü­ gung steht und somit nicht eine reine Luftsäule durch den Brenn­ raum hindurchzubewegen ist.
In schematischer Darstellung ist in der Zeichnung ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine und
Fig. 2 ein Diagramm zur näheren Beschreibung der Brenn­ kraftmaschine gemäß Fig. 1.
Man erkennt in Fig. 1 eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Saug­ rohr 2 und einem Abgaskanal 3. In diesem ist ein Katalysator 4 angeordnet, an dem eingangsseitig eine konventionelle Sonde 5 (Regelung für λ = 1) angebracht ist. Stromaufwärts des Katalysa­ tors 4 ist dem Abgaskanal 3 eine zweite Sonde 6 zugeordnet, durch welche ein Bereich von 0,6 < λ 1,7 erfaßbar ist. Solche Sen­ soren können beispielsweise aus zwei Zirkondioxidelementen beste­ hen, von denen eines als Sauerstoffzufuhrzelle und das andere als Sauerstoffdetektorzelle arbeitet (siehe beispielsweise DE-38 33 073-A1; G01N 27/409). Die Kraftstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine 1 erfolgt über ein hier nur symbolisch dargestelltes Einspritz­ ventil 7, welches wie die Sonden 5 und 6 mit einem Steuergerät 8 verbunden ist. In diesem Steuergerät 8 sind in Kennfeldern Daten abgelegt, nach denen unter anderem in Abhängigkeit von den Signa­ len der Sonden 5 und 6 sowie unter Berücksichtigung verschiedener Temperaturen (Umgebung, Kühlwasser oder Schmierölkreislauf der Brennkraftmaschine 1) die durch das Einspritzventil 7 zugemessene Kraftstoffmenge bestimmt wird.
An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, daß die in der Figur dargestellte Anordnung nur beispielhaften Charakter hat. Anstelle der Zentraleinspritzung über das Ventil 7 kann auch eine zylin­ derindividuelle Zuordnung von mehreren Einspritzventilen vorge­ nommen werden. Zur Minimierung des apparativen Aufwands kann dar­ über hinaus auch die Sonde 5 gegebenenfalls entfallen. Deren Funktion würde dann von der Sonde 6 mit übernommen.
Die erfindungsgemäße Betriebsweise der zuvor beschriebenen Brenn­ kraftmaschine 1 wird nun anhand des in Fig. 2 dargestellten Dia­ gramms näher erläutert. In diesem Diagramm sind über der Be­ triebszeit t der Brennkraftmaschine 1 die Temperatur T der Sonde 6, die Drehzahl n der Brennkraftmaschine 1 sowie die Luftzahl λ übereinander aufgetragen. Zum Zeitpunkt t0 wird die hier nicht weiter dargestellte Zündung der Brennkraftmaschine 1 eingeschal­ tet. Durch ebenfalls nicht gezeigte Temperatursensoren wird fest­ gestellt, ob die Sonde 6 und die Brennkraftmaschine 1 kalt sind. Bejahendenfalls erfolgt dann zunächst eine elektrische Beheizung der Sonde 6, um diese auf die Arbeitstemperatur TB zu bringen. Bei einer Temperatur von TM unterhalb der Betriebstemperatur TB wird zum Zeitpunkt t1 die Brennkraftmaschine 1 von einer Anlas­ sereinrichtung angedreht. Zum Zeitpunkt t2 wird die Betriebsdreh­ zahl nB erreicht, ab der der Anlaßvorgang beendet ist und die Brennkraftmaschine 1 stabil läuft. Idealerweise sind die Behei­ zung der Sonde 6 und das Anlassen der Brennkraftmaschine 1 so aufeinander abgestimmt, daß in etwa zum gleichen Zeitpunkt t2 ein einwandfreier Betrieb der Brennkraftmaschine 1 sichergestellt ist und die Sonde 6 arbeiten kann. Es ist noch darauf hinzuweisen, daß die Drehzahl nB eine temperaturabhängige Größe ist. Für ein bei Umgebungstemperatur abgestelltes Fahrzeug kann sie beispiels­ weise 480 U/min betragen. Bei deutlich kälteren Umgebungstempera­ turen ist nB entsprechend heraufzusetzen. Die jeweiligen Zusam­ menhänge zwischen Temperatur und nB sind für die jeweiligen Typen von Brennkraftmaschinen individuell zu bestimmen.
Zum Zeitpunkt t2 ist also die Sonde 6 betriebswarm und die Brenn­ kraftmaschine 1 in Betrieb. Für eine kalte Brennkraftmaschine 1 ist zur ordnungsgemäßen Aufrechterhaltung des Betriebs das Kraft- Stoff-Luft-Gemisch anzufetten. Deshalb wird erfindungsgemäß der Anfangswert λA für die Luftzahl λ auf λ < 1 eingestellt. Dieses λA kann in dem Steuergerät 8 innerhalb eines Kennfeldes oder nach Art einer Tabelle abgelegt sein, wodurch die Zusammenhänge zwi­ schen der Luftzahl λ einerseits und der Temperatur der Brenn­ kraftmaschine und/oder Umgebung andererseits berücksichtigt wer­ den.
Beim weiteren Betrieb der Brennkraftmaschine 1 erwärmt sich die­ se, so daß der Wert für λ ausgehend von λA nach einer vorgege­ benen Charakteristik verändert werden kann. Mit zunehmender Er­ wärmung kann die Anfettung zurückgenommen werden, so daß der Wert für λ in diskreten Schritten oder - wie in der Zeichnung darge­ stellt - kontinuierlich erhöht werden kann. Zum Zeitpunkt t3 ist schließlich die Warmlaufphase abgeschlossen, so daß der Wert für λ zumindest vorübergehend konstant gehalten werden kann. Der zeitliche Verlauf der Luftzahl λ ist für die jeweilige Bauart der Brennkraftmaschine 1 nach verschiedenen Kriterien experimentell zu bestimmen. Solche Kriterien können die Schadstoffemission, der Verbrauch, die Laufruhe oder die Reaktion auf Lastwechsel der Brennkraftmaschine 1 sein.
Der Zeitpunkt t3 kann auf unterschiedliche Weise festgelegt sein. Denkbar ist beispielsweise die Temperatur der Brennkraftmaschine 1. Besonders vorteilhaft ist ein Vergleich der Temperaturen am Eingang und am Ausgang des Katalysators 4. Ist die Ausgangstempe­ ratur am Katalysator 4 größer als am Eingang, ist dies ein Hin­ weis darauf, daß der Katalysator 4 arbeitet. Eine aus der Diffe­ renz zwischen Ausgangstemperatur und Eingangstemperatur gebildete Vergleichstemperatur ist dann größer als eins und kann als Krite­ rium für das Ende der Warmlaufphase ausgewertet werden. Nach dem Zeitpunkt t3 kann die betriebswarme Brennkraftmaschine 1 dann mit der Luftzahl λ = 1 betrieben werden, um den Katalysator selektiv betreiben zu können. Denkbar ist aber auch die Einstellung einer Luftzahl λ mit dem Wert < 1,0, um so einen verbrauchsgünstigen Magerbetrieb realisieren zu können. Von dieser konstanten Ein­ stellung kann aber abgewichen werden, wenn ein Fahrzeug bei­ spielsweise während einer Bergabfahrt nur in Schubbetrieb läuft.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird dann für λ ein Schubwert mit λS < 1 eingestellt. Dadurch wird im Schubbetrieb ein ordnungsgemäßer Verbrennungsprozeß auf­ rechterhalten, so daß beim erneuten Gasgeben nicht erst eine Luftsäule ohne Kraftstoff durch die Verbrennungsräume hindurchge­ fördert werden muß. Eine solche Maßnahme kann auch in der Warm­ laufphase günstig sein, so daß in dem Zeitraum t3 - t2 kurzzeitig auch ein Zwischenwert mit λZ < 1 denkbar ist. Ein Betrieb λ < 1 ist aber auch in anderen Betriebsbereichen möglich, um ver­ brauchsgünstig zu fahren.
Eine Sonde 6 mit dem eingangs beschriebenen Arbeitsbereich ermög­ licht auch eine Betriebsweise, bei der nach Überschreitung einer vorgegebenen Lastgrenze zum Beispiel in Abhängigkeit von der Tem­ peratur des Katalysators 4 oder einer anderen charakteristischen Temperatur (Öl oder bestimmte Bauteile im Fahrzeug) ein veränder­ ter N-Wert eingestellt wird. So kann zum Beispiel bei Vollast mit λ < 1,0 (vorzugsweise 0,9) die Brennkraftmaschine 1 betrieben werden. Damit ist auch für diesen Fall ein besonders emissions­ armer Betrieb der Brennkraftmaschine 1 möglich, ohne auf die für maximale Leistung und Innenkühlung des Motors notwendige Anfet­ tung verzichten zu müssen. Dieser Wert kann auch variabel sein, je nach Erfordernis beeinflußt durch die Signale von Temperatur­ sensoren (Katalysator, Öl, andere Bauteile im Fahrzeug) oder ei­ nes gegebenenfalls vorhandenen Klopfsensors (bezüglich Anfettung zur Innenkühlung).
Die zuvor beschriebenen Ereignisse wie Einstellung von Schubbe­ trieb oder Überschreitung einer Lastgrenze können von dem Steuer­ gerät 8 erkannt werden und eine zumindest zeitweise Abweichung von dem zum Zeitpunkt t3 konstant eingestellten λ-Wert herbei führen.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Betriebsweisen eröffnen also nicht nur Möglichkeiten zur Reduzierung der Schadstoffemission in der Warmlaufphase, sondern auch während des ganz normalen Betrie­ bes der Brennkraftmaschine 1. Darüber hinaus ist es auch möglich, mit einer stromauf des Katalysators 4 angeordneten Luftzufuhrein­ richtung (hier nicht dargestellt) den Schadstoffausstoß weiter zu verringern und mit der Sonde 6 die Gesamtluftzahl optimal zu hal­ ten.

Claims (22)

1. Brennkraftmaschine (1) mit einer die Kraftstoff-Luft-Gemisch­ zufuhr beeinflussenden Steuereinrichtung (Steuergerät 8) und mit wenigstens einer in einem Abgaskanal (3) angeordneten, mit der Steuereinrichtung (Steuergerät 8) verbundenen Sonde (6), durch die zumindest der Bereich 0,6 λ 1,7 (λ = 1 entspricht dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis) erfaßbar ist, gekennzeichnet durch eine Betriebsweise, bei der in der Steuereinrichtung (Steuergerät 8) zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Warmlaufphase
  • a) im Falle des Vorliegens der Zustände aa) die Sonde (6) weist Arbeitstemperatur auf und bb) die Brennkraftmaschine (1) ist in Betrieb in Abhängigkeit vorgegebener und in der Steuereinrichtung (Steuergerät 8) abgelegter Parameter für λ ein Anfangswert mit λA < 1 eingestellt wird,
  • b) bei weiterem Betrieb der Brennkraftmaschine (1) der Wert für λ ausgehend von λA nach einer vorgegebenen und in der Steuereinrichtung (Steuergerät 8) abgelegten Charakteri­ stik verändert wird, die für eine jeweilige Bauart der Brennkraftmaschine (1) unter Berücksichtigung wenigstens eines Beurteilungskriteriums experimentell bestimmt worden ist,
  • c) beim Vorliegen einer das Ende der Warmlaufphase charakte­ risierenden Größe der Wert für λ bis zum Eintritt eines an die Steuereinrichtung (Steuergerät 8) gemeldeten Ereignis­ ses im wesentlichen konstant gehalten wird.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Betriebsweise, bei der der Anfangswert λA in Abhängigkeit von der Temperatur der Brennkraftmaschine (1) festgelegt wird.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Betriebsweise, bei der die Veränderung von λ kontinuierlich erfolgt.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Betriebsweise, bei der die Veränderung von λ in diskreten Schritten erfolgt.
5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Betriebsweise, bei der in der Warmlaufphase für λ zumindest zeitweise ein Zwischenwert mit λZ < 1 einstellbar ist.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 mit einem in dem Abgaska­ nal (3) angeordneten Katalysator (4), gekennzeichnet durch eine Betriebsweise, bei der die das Ende der Warmlaufphase charakterisierende Größe durch eine am Katalysator (4) gemes­ sene Vergleichstemperatur bestimmt wird, die sich aus der Differenz von Ausgangstemperatur und Eingangstemperatur am Katalysator (4) ergibt.
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Betriebsweise, bei der für die Vorgabe der Charakteristik zur Veränderung von λ wenigstens eines der Beurteilungskriterien Schadstoffemission, Kraftstoffverbrauch, Laufruhe oder Reak­ tion auf Lastwechsel berücksichtigt wird.
8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Abgaskanal (3) eine der Warmlaufphase zugeordnete Son­ de (6) und eine weitere dem üblichen Betrieb der Brennkraft­ maschine zugeordnete Sonde (5) angeordnet ist.
9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den jeweils vorliegenden Wert von λ der die Regelung des Kraftstoff-Luft-Gemisches beeinflussende Parameter wenig­ stens eine der Größen Kohlenmonoxid-, Kohlendioxid-, Sauer­ stoff- oder Stickoxidanteil im Abgas ist.
10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den jeweiligen Wert von λ der die Regelung des Kraft­ stoff-Luft-Gemisches beeinflussende Parameter die Temperatur der Brennkraftmaschine (1) ist.
11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch ei­ ne Betriebsweise, bei der die Temperatur des in der Brenn­ kraftmaschine (1) umlaufenden Öls bestimmt wird.
12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den jeweils vorliegenden Wert von λ der die Regelung des Kraftstoff-Luft-Gemisches beeinflussende Parameter der Atmosphärendruck ist.
13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Abgaskanal (3) stromauf des Katalysators (4) eine Luftzufuhreinrichtung vorgesehen ist.
14. Brennkraftmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß für den jeweils vorliegenden Wert von λ der Regelung des Kraftstoff-Luft-Gemisches beeinflussende Parameter die zuge­ führte Sekundärluft ist.
15. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Betriebsweise, bei der für den Fall einer Über- oder Unter­ schreitung eines vorgegebenen Lastwertes des Brennkraftma­ schine (1) der Wert für λ verändert wird.
16. Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch ei­ ne Betriebsweise, bei der im Schubbetrieb für λ ein Schubwert mit λS < 1 eingestellt wird.
17. Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch ei­ ne Betriebsweise, bei der im Falle der Überschreitung einer vorgegebenen Lastgrenze der Wert für λ in Abhängigkeit von der Temperatur des Katalysators (4) verändert wird.
18. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Betriebsweise, bei der der Anfangszeitpunkt für den Betrieb der Brennkraftmaschine (1) durch die Auswertung eines Dreh­ zahlsignals bestimmt wird.
19. Brennkraftmaschine nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch ei­ ne Betriebsweise, bei der das den Anfangszeitpunkt bestimmen­ de Drehzahlsignal temperaturabhängig variierbar ist.
20. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zugeführte Kraftstoff Alkohol oder Benzin oder ein Gemisch dieser Kraftstoffe ist.
21. Brennkraftmaschine nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch ei­ ne Betriebsweise, gemäß der bei aktivierter Luftzufuhrein­ richtung in der Warmlaufphase für λ zumindest zeitweise ein Zwischenwert mit λZ < einstellbar ist.
22. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Betriebsweise, gemäß der bei Vollast ein Wert mit λ < 1 in Abhängigkeit von Signalen wenigstens eines der den Größen Temperatur, Art der Verbrennung oder Luftdruck zugeordneten Sensoren einstellbar ist.
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