DE102005013707A1 - Kraftfahrzeug mit Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Kraftfahrzeug mit Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit luftverdichtender Brennkraftmaschine (1) und einem Abgassystem, umfassend einen Oxidationskatalysator (4), einen stromab des Oxidationskatalysators angeordneten Partikelfilter (5) und einen stromab des Oxidationskatalysators (4) angeordneten Stickoxid-Umsetzungskatalysator, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine (1). DOLLAR A Erfindungsgemäß ist eingangsseitig des Oxidationskatalysators (4) und/oder eingangsseitig des Stickoxid-Umsetzungskatalysators (7) ein elektrisches Heizelement angeordnet; für das erfindungsgemäße Verfahren ist vorgesehen, dass nach einem Start der Brennkraftmaschine (1) ein eingangsseitig des Oxidationskatalysators (4) angeordnetes elektrisches Heizelement bestromt wird und im Anschluss daran eine Anreicherung des Abgases mit brennbaren Bestandteilen stromauf des Oxidationskatalysators (4) vorgenommen wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer insbesondere luftverdichtenden Brennkraftmaschine und einem Abgassystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer insbesondere luftverdichtenden Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
  • Aus der WO 99/39809 ist ein Abgassystem für Dieselmotoren bekannt, welches in Abgasströmungsrichtung hintereinander angeordnet einen Oxidationskatalysator, einen Partikelfilter und einen SCR-Katalysator aufweist. Das Abgassystem ermöglicht prinzipiell eine umfassende Reinigung dieselmotorischer Abgase. Aus Platzgründen muss eine Anordnung des SCR-Katalysators meist motorfern im Unterbodenbereich eines zugehörigen Fahrzeugs erfolgen. Wegen dieser Einbausituation und der in weiten Betriebsbereichen vergleichsweise gering erhitzten Abgase eines typischen Dieselmotors weist der SCR-Katalysator häufig zu niedrige Temperaturen auf und ist deshalb nicht oder nur eingeschränkt wirksam. Infolgedessen ist insbesondere die Entfernung von Stickoxiden häufig nicht im erforderlichen Umfang gewährleistet.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Kraftfahrzeug mit einer insbesondere luftverdichtenden Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben einer insbesondere luftverdich tenden Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem anzugeben, welche eine umfassende Abgasreinigung in einem erweiterten Betriebsbereich ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
  • Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug weist in seinem Abgassystem einen Oxidationskatalysator und weiter stromab einen Partikelfilter und einen Stickoxid-Umsetzungskatalysator auf. Eingangsseitig des Oxidationskatalysators und/oder des Stickoxid-Umsetzungskatalysator ist ein elektrisches Heizelement im Abgassystem angeordnet. Das Heizelement oder die Heizelemente werden vorzugsweise nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine beheizt, um insbesondere die katalytisch wirksamen Komponenten im Abgassystem rasch auf ihre bestimmungsgemäße Betriebstemperatur zu bringen, so dass deren Wirksamkeit nach kurzer Zeit gegeben ist. Hierfür ist typischerweise eine geringe Heizdauer notwendig. Je nach Starttemperatur können 5 min, 3 min oder eine geringere Zeitspanne ausreichend sein. Auf diese Weise ist ein schadstoffarmer Betrieb des Kraftfahrzeugs auch dann ermöglicht, wenn es beispielsweise im Anschluss an einen Kaltstart lediglich mit geringer Brennkraftmaschinenlast betrieben wird.
  • Im Allgemeinen ist nach dem Erreichen der Betriebstemperatur der katalytischen Komponenten im Abgassystem deren dauerhafte Funktion gegeben. Um auch für kritische Betriebszustände ein erneutes Absinken einer jeweiligen Bauteiltemperatur zu verhindern, kann es jedoch auch vorgesehen sein, Abgastemperatur und/oder Bauteiltemperatur laufend zu überwachen, und bei einem Absinken unter einen vorgebbaren Wert auch bei bereits warmgelaufener Brennkraftmaschine das Heizelement oder die Heizelemente zu aktivieren. Dies ermöglicht eine besonders wirksame Verminderung der Schadstoffemissionen auch bei einer ungünstigen Betriebsweise in Bezug auf die Temperatur der reinigungswirksamen Abgasreinigungskomponenten.
  • Generell kann sowohl eingangsseitig des Oxidationskatalysators als auch eingangsseitig des Stickoxid-Umsetzungskatalysators ein Heizelement vorgesehen sein. Es kann jedoch auch ausreichend sein, lediglich ein einziges Heizelement vorzusehen, welches bevorzugt eingangsseitig des Oxidationskatalysators angeordnet ist. Dabei ist unter einem Heizelement ein Bauteil zu verstehen, welches als kompakte, vorzugsweise separate Baueinheit so in das Abgassystem integriert ist, dass es von Abgasen angeströmt bzw. umströmt werden kann, so dass eine effektive Wärmeübertragung auf das Abgas ermöglicht ist. Prinzipiell können alle gebräuchlichen Arten von Heizelementen eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist eine Ausführung als Heizflansch. Das Heizelement kann jedoch auch mit dem jeweiligen Katalysator ein gemeinsames Bauteil bilden. Für das Heizelement kann zusätzlich eine katalytisch wirksame Beschichtung vorgesehen sein. Das Heizelement kann selbst aus einzeln beheizbaren Bestandteilen, beispielsweise aus einem Bündel von Glühkerzen oder ähnlichem aufgebaut sein. Eine Ausführung in Form eines Heizgitters ist ebenfalls möglich.
  • Als Partikelfilter können alle gebräuchlichen Bauteile eingesetzt werden, die zur Abscheidung von partikelförmigen Abgasbestandteilen geeignet sind. Insbesondere kommen offene Labyrinthstrukturen, Keramik- oder Metallschäume und wanddurchströmte Partikelfilter in Frage.
  • Der Stickoxid-Umsetzungskatalysator kann als Bestandteil des Partikelfilters, beispielsweise als mit diesem integriertes Bauteil oder als Beschichtung ausgebildet sein. Vorzugsweise ist er jedoch als separate Baueinheit zwischen dem Oxidationskatalysator und dem Partikelfilter, besonders bevorzugt stromab des Partikelfilters im Abgassystem angeordnet. Als Stickoxid-Umsetzungskatalysator können ein Denox-Katalysator oder ein Stickoxid-Speicherkatalysator eingesetzt werden.
  • Vorzugsweise ist der Stickoxid-Umsetzungskatalysator jedoch als klassischer SCR-Katalysator auf Zeolith- oder V2O5/WO3-Basis ausgebildet.
  • In Ausgestaltung der Erfindung ist der Heizstrom des Heizelements vorgebbar. Vorzugsweise sind sowohl zeitlicher Verlauf als auch Stärke des Heizstroms vorgebbar. Dabei ist es außerdem bevorzugt, den zeitlichen Verlauf und/oder die Stärke des Heizstroms in Abhängigkeit von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine und/oder des Abgassystems einzustellen. Vorzugsweise ist der Heizstrom in Abhängigkeit von einer Verfügbarkeit elektrischer Energie, von Temperaturen der Brennkraftmaschine, von Betriebsstoffen, des Abgases und/oder der Katalysatoren einstellbar. Auf diese Weise kann der Energieeinsatz optimiert werden.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Heizstrom zeitlich veränderlich. Vorteilhaft ist insbesondere ein gleitender Anstieg oder Abfall des Heizstroms. Dies ermöglicht eine energiesparende Reaktion auf Temperaturänderungen im Abgassystem.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Heizstrom auf eine festlegbare Obergrenze einstellbar. Vorzugsweise ist die Obergrenze dabei in Abhängigkeit der oben genannten Kriterien, insbesondere von der Brennkraftmaschinendrehzahl einstellbar.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Heizstrom so festlegbar, dass eine Gesamtleistungsabgabe für eine den Heizstrom abgebende Stromquelle kleiner oder gleich einer vorgebbaren Grenzleistung ist. Vorzugsweise dient ein von der Brennkraftmaschine angetriebener elektrischer Generator als Stromquelle. Auf diese Weise steigt die Brennkraftmaschinenlast, wodurch stärker erhitzte Abgase erzeugt werden und somit die Aufheizung der Abgasreinigungskomponenten zusätzlich verbessert und beschleunigt wird. Mit steigender Brennkraftmaschinendrehzahl steigt wiederum die verfügbare Generatorleistung. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, den Heizstrom wenigstens teilweise und/oder zeitweise einem Speicher wie einer Fahrzeugbatterie zu entnehmen. Das Vorsehen einer Grenzleistung verhindert eine Überlastung dieser Energie liefernden Systeme, so dass eine Schädigung oder Lebensdauerverkürzung vermieden wird. Vorteilhaft ist es insbesondere, die Grenzleistung in Abhängigkeit von der Brennkraftmaschinendrehzahl und/oder dem aktuellen Ladezustand eines für die Bestromung des Heizelements herangezogenen Energiespeichers vorzugeben.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Betrieb des eingangsseitig des Oxidationskatalysators angeordneten Heizelements derart ermöglicht, dass der Oxidationskatalysator innerhalb von 200 s nach dem Start der Brennkraftmaschine eine Temperatur von wenigstens 270 °C erreicht. Unter diesen Bedingungen kann erreicht werden, dass sowohl der Oxidationskatalysator als auch der Stickoxid-Umsetzungskatalysator rechtzeitig betriebsbereit sind, so dass die Abgasemissionen des Kraftfahrzeugs auch sehr hohen Anforderungen entsprechen. Dies gilt vorzugsweise für einen Start der Brennkraftmaschine bei Temperaturen von 0 °C oder darunter, besonders bevorzugt jedoch bei einem Start bei weniger oder gleich 20 °C. Hierzu ist es vorteilhaft, einen als Stromquelle eingesetzten Generator ausreichend leistungsstark auszulegen und das Heizelement hinsichtlich seiner Nennleistungsaufnahme daraufhin anzupassen, was in geeigneten Vorversuchen geschehen kann. Besonders bevorzugt ist es, wenn diese Auslegungen derart erfolgen, dass der Oxidationskatalysator innerhalb von 100 s und besonders bevorzugt innerhalb von 50 s nach dem Start der Brennkraftmaschine wenigstens 270 °C erreicht. Für übliche Oxidationskatalysatoren ist damit die so genannte Anspringtemperatur erreicht und im Abgas enthaltene brennbare Bestandteile können unter weiterer Freisetzung von Wärme größtenteils umgesetzt werden, so dass auch weiter stromab liegende Komponenten rasch erwärmt werden.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind Mittel zur Anreicherung des Abgases der Brennkraftmaschine mit brennbaren Bestandteilen vorgesehen. Durch Verbrennung bzw. Oxidation dieser Bestandteile, vorzugsweise im Oxidationskatalysator, kann dem Abgas weitere Wärme zugeführt und stromab liegende Teile des Abgassystems noch rascher aufgeheizt werden.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Mittel zur Anreicherung des Abgases eine Sekundäreinspritzeinrichtung zur Sekundäreinspritzung eines Brennstoffes stromauf des Oxidationskatalysators in das Abgassystem der Brennkraftmaschine. Als Brennstoff kommt in erster Linie der zum normalen Betrieb der Brennkraftmaschine eingesetzte Kraftstoff in Frage. Dieser kann gegebenenfalls durch Reformierung oder Fraktionierung aufbereitet sein. Zur Sekundäreinspritzung von Kraftstoff wird vorzugsweise ein separates Einspritzventil eingesetzt. Falls der Brennkraftmaschine ein Abgasturbolader zugeordnet ist, so ist es insbesondere vorteilhaft, das Einspritzventil stromauf des Abgasturboladers im Abgassystem anzuordnen.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung verfügt die Brennkraftmaschine über eine Einspritzeinrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum und die Anreicherung des Abgases ist mittels vom Kraftstoffeinspritzsystem durchgeführter Nacheinspritzvorgänge ermöglicht. Durch diese Ausgestaltung kann in vorteilhafter Weise die Leistungsfähigkeit üblicher Einspritzsysteme genutzt werden. Die vorzugsweise zeitlich von einer Haupteinspritzung abgesetzte Nacheinspritzung kann als vergleichsweise frühe, überwiegend mitbrennende oder als vergleichsweise späte, nicht mitbrennende Nacheinspritzung oder als eine Mischform erfolgen.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Anreicherung an das Erreichen einer vorgebbaren Schwellentemperatur für den Oxidationskatalysator gekoppelt. Vorzugsweise wird als Schwellentemperatur die so genannte Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators definiert. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass die mit der Anreicherung dem Abgas zugeführten brennbaren Bestandteile auch umgesetzt werden können und nicht zu einer Verschlechterung der Abgasemissionswerte führen.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Ansaugluftdrosseleinrichtung derart vorgesehen, dass in Verbindung mit dem Betrieb des Heizelements und/oder der Anreicherung des Abgases eine Drosselung der von der Brennkraftmaschine angesaugten Frischluft wenigstens in Leerlauf- und/oder Schubphasen ermöglicht ist. Auf diese Weise kann der Durchsatz an kühlender Frischluft verringert und damit eine Auskühlung oder verzögerte Erwärmung des Abgassystems vermieden werden. Dies ist insbesondere in den Leerlauf- bzw. Schubphasen von Bedeutung, da hier keine durch den Brennkraftmaschinenbetrieb bedingte Wärmefreisetzung erfolgt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer insbesondere luftverdichtenden Brennkraftmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Start der Brennkraftmaschine ein eingangsseitig des Oxidationskatalysators angeordnetes elektrisches Heizelement bestromt wird und im Anschluss daran eine Anreicherung des Abgases mit brennbaren Bestandteilen stromauf des Oxidationskatalysators vorgenommen wird. Durch diese zeitlich aufeinander abgestimmten Verfahrensschritte ist es ermöglicht, das Abgassystem besonders rasch und effizient aufzuwärmen, so dass im Abgassystem angeordnete Abgasreinigungskomponenten rasch ihre Betriebstemperatur erreichen und somit der Schadstoffausstoß eines zugehörigen Kraftfahrzeugs minimiert wird.
  • In Ausgestaltung des Verfahrens wird die Anreicherung wenigstens teilweise durch eine Nacheinspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine bewirkt. Auf diese Weise kann ein meist ohnehin zur Verfügung stehendes und zur Durchführung von Mehrfacheinspritzungen ausgebildetes Kraftstoffeinspritzsystem zur Anreicherung genutzt werden.
  • In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Anreicherung wenigstens teilweise durch eine Sekundäreinspritzung von Brennstoff in das Abgassystem bewirkt. Die Sekundäreinspritzung ermöglicht es, vergleichsweise große Brennstoffmengen dem Abgas zuzusetzen, was eine entsprechend große Wärmefreisetzung bei dessen Verbrennung bzw. Oxidation zur Folge hat.
  • In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens setzt die Anreicherung frühestens dann ein, wenn der Oxidationskatalysator eine vorgebbare Temperaturschwelle überschritten hat. Auf diese Weise kann eine Umsetzung der brennbaren Abgasbestandteile am Oxidationskatalysator gewährleistet werden. Zweckmäßig ist es hierfür, eine Temperaturüberwachung des Oxidationskatalysators vorzusehen. Diese kann messtechnisch oder durch ein Temperaturmodell erfolgen.
  • In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Bestromung des Heizelements durch einen kontinuierlich auf einen vorgebbaren Grenzstrom ansteigenden Heizstrom. Unter Kontinuierlich wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass der Heizstrom im Gegensatz zu einem sprungförmigem Einschaltvorgang mit beobachtbarer Geschwindigkeit ansteigt. Bevorzugt wird der Heizstrom innerhalb von einer oder mehreren Sekunden rampenförmig hochgefahren. Auf diese Weise kann beispielsweise durch einen vorgesehenen Regler für die Heizstromquelle die zusätzliche Last ausgeregelt werden und eine Beeinträch tigung der Funktion des Bordenergienetzes vermieden werden. Insbesondere können Einbrüche in der Betriebsspannung vermieden werden.
  • In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird der Grenzstrom so vorgegeben, dass eine vorgebbare Gesamtleistungsabgabe für eine den Heizstrom abgebende Stromquelle unterschritten wird. Auf diese Weise wird vermieden, dass die Stromquelle überlastet wird oder parallel zum Heizelement betriebene elektrische Verbraucher unterversorgt werden.
  • In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Bestromung des Heizelements durch einen kontinuierlich abnehmenden Heizstrom beendet. Auf diese Weise können induktiv bedingte Spannungsüberhöhungen vermieden werden.
  • In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Frischluftzufuhr der Brennkraftmaschine wenigstens in den Leerlauf- und/oder Schubphasen gedrosselt. Auf diese Weise wird der Gasdurchsatz durch das Abgassystem vermindert, so dass das Verhältnis von mit dem Abgas wegtransportierter und in das Abgassystem eingebrachter Wärmemenge verbessert wird.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Dabei sind die vorstehend genannten und nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
    •
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine schematisches Blockbild einer Brennkraftmaschine mit zugehörigem Abgassystem,
  • 2 ein erstes Diagramm zur Verdeutlichung der Temperaturentwicklung im Abgassystem nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine,
  • 3 ein zweites Diagramm zur Verdeutlichung der Temperaturentwicklung im Abgassystem nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine und
  • 4 ein drittes Diagramm zur Verdeutlichung der Temperaturentwicklung im Abgassystem nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.
  • 1 zeigt beispielhaft ein schematisches Blockbild einer Brennkraftmaschine 1 mit zugehörigem Abgassystem. Die Brennkraftmaschine 1 ist vorzugsweise als luftverdichtende Brennkraftmaschine, nachfolgend vereinfacht als Dieselmotor bezeichnet, ausgebildet. Das vom Dieselmotor 1 ausgestoßene Abgas wird von einer Abgasleitung 2 aufgenommen und durchströmt zumindest teilweise zunächst eine Turbine 3 eines Abgasturboladers. Anschließend durchströmt das Abgas zunächst einen vorzugsweise motornah und mit geringem Abstand zur Turbine 3 im Abgassystem angeordneten Oxidationskatalysator 4. Nachfolgend wird ein vorzugsweise katalytisch beschichtetes Partikelfilter 5 durchströmt, wobei insbesondere Rußpartikel aus dem Abgas entfernt werden. Weiter stromab, vorzugsweise in einer Unterbodenposition des zugehörigen Kraftfahrzeugs, ist ein SCR-Katalysator 7 zu Umsetzung von Stickoxiden in der Abgasleitung 2 angeordnet. Ein hierzu geeignetes Reduktionsmittel wie beispielsweise wässrige Harnstofflösung ist dem Abgas über ein zwischen dem Partikelfilter 5 und dem SCR-Katalysator 7 an die Abgasleitung 2 angeschlossenes Dosierventil 6 zugebbar. Nach Verlassen des SCR-Katalysators 7 durchströmt das Abgas einen weiteren Katalysator 8, welcher vorzugsweise ebenfalls als Oxidationskatalysator ausgebildet ist und durch welchen oxidierbare Restbestandteile im Abgas entfernt werden können.
  • Für den Dieselmotor 1 und das zugehörige Abgassystem sind weitere, hier nicht gesondert dargestellten Komponenten vorgesehen, welche zu deren Betrieb und Steuerung eingesetzt werden. Insbesondere sind dies Mittel zur Erfassung und Steuerung von die Betriebszustände der genannten Komponenten charakterisierenden Größen, wie Abgassensoren, Temperatursensoren, elektronische Steuereinheiten und dergleichen.
  • Erfindungsgemäß weist das Abgassystem wenigstens ein elektrisches Heizelement auf, welches eingangsseitig des Oxidationskatalysators 4 und/oder eingangsseitig des SCR-Katalysators 7 angeordnet ist. In 1 ist jeweils ein elektrisches Heizelement an den mit dem Pfeil 9 und dem Pfeil 10 gekennzeichneten Stellen im Abgassystem angeordnet, wobei die Heizelemente im Einzelnen nicht näher dargestellt sind. Wie nachfolgend näher erläutert, ermöglicht die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Abgassystems eine rasch einsetzende umfassende Reinigung des Abgases des Dieselmotors 1.
  • Im Zeitdiagramm der 2 sind Zeitverläufe 20, 21, 22 von im Oxidationskatalysator 4 erfassten Temperaturen nach einem Start des Dieselmotors 1 zusammen mit einer Fahrkurve 23 des zugehörigen Fahrzeugs dargestellt. Dabei ist den Spuren 20, 21, 22 die linke Ordinate, der Fahrkurve 23 die rechte Ordinate zugeordnet. Der Start des Dieselmotors erfolgte bei einer Temperatur von etwa 20 °C zum Zeitpunkt t = 0s, was dem Koordinatenursprung entspricht. Die nach dem Start erfolgende Temperaturentwicklung ohne gleichzeitige Heizmaßnahmen ist durch den Temperaturverlauf der Spur 22 wiedergegeben. Wie ersichtlich, steigt in diesem Fall die Temperatur im Oxidationskatalysator 4 erst im Verlauf des zweiten Teils der Fahrkurve 23 auf über 250 °C an, so dass der Oxidationskatalysator 4 frühestens zu diesem Zeitpunkt wirksam ist. Ebenso bleiben weiter stromab im Abgassystem angeordnete Komponenten vergleichsweise lange Zeit nach dem Kaltstart unwirksam, so dass das Abgas ungereinigt an die Umgebung abgegeben wird.
  • Bei dem durch die Spur 21 dargestellten Fall wurde dagegen ein eingangsseitig des Oxidationskatalysators 4 angeordnetes elektrisches Heizelement zum Zeitpunkt t = 0s eingeschaltet. Dabei wurde der Heizstrom rampenförmig auf einen anschließend konstanten Wert derart hochgefahren, dass der Oxidationskatalysator 4 bereits nach vergleichsweise kurzer Zeit die Temperaturgrenze von 250 °C bleibend überschreiten kann.
  • Die sich ergebenden Verhältnisse bei einer weiteren Erhöhung der Heizleistung des Heizelements sind durch die Spur 20 wiedergegeben. In diesem Fall werden bereits nach wenigen Sekunden Temperaturen von über 250 °C erreicht und nach etwa 100 s werden 300 °C bleibend überschritten.
  • Für eine gute Reinigungswirkung des Abgassystems ist es vorgesehen, das Heizelement so zu betreiben, dass innerhalb von etwa 200 s im Oxidationskatalysator 4 eine Temperatur von wenigstens 270 °C erreicht wird. Vorzugsweise ist ein Betrieb vorgesehen, bei welchem im Oxidationskatalysator 4 bereits innerhalb von 100 s wenigstens 270 °C erreicht werden und besonders bevorzugt erfolgt ein Betrieb des Heizelements derart, dass innerhalb etwa 200 s 300 °C überschritten werden. Entsprechend rasch findet eine Aufwärmung des nachgeschalteten SCR-Katalysators 7 statt, so dass auch dieser Katalysator reinigungswirksam wird und eine Dosierung von Reduktionsmittel über das Dosierventil 6 erfolgen kann.
  • Die sich unter den erläuterten Bedingungen ergebenden Temperaturverläufe eingangsseitig des SCR-Katalysators 7 sind im Diagramm der 3 wiedergegeben, welches in der Darstellung dem Diagramm der 2 entspricht. Dabei gibt Spur 32 den Temperaturverlauf bei abgeschaltetem Heizelement wieder, während durch die Spur 31 der Temperaturverlauf bei einer ersten Bestromung und durch die Spur 30 der Temperaturverlauf bei einer demgegenüber höheren zweiten Bestromung entsprechend den Einstellungen bei 2 wiedergegeben ist.
  • Wie ersichtlich, wird bei einem erhöhten Heizstrom entsprechend der Spur 30 nach etwa 200 s eine Temperatur von 200 °C eingangsseitig des SCR-Katalysators 7 bleibend überschritten. Dies entspricht etwa dem Einsetzen der Wirksamkeit des SCR-Katalysators 7. Es ist daher vorzugsweise vorgesehen, das eingangsseitig des Oxidationskatalysators 4 angeordnete Heizelement derart zu betreiben, dass nach einem Kaltstart des Dieselmotors 1 innerhalb von etwa 200 s eine Temperatur von 200 °C eingangsseitig des SCR-Katalysators 7 erreicht wird.
  • Es kann auch vorteilhaft sein, zusätzlich oder alternativ zu dem eingangsseitig des Oxidationskatalysators 4 angeordneten Heizelement ein weiteres Heizelement eingangsseitig des SCR-Katalysators 7 im Abgassystem anzuordnen.
  • In dem in 4 dargestellten Zeitdiagramm, welches dem der 3 entspricht, sind die Verhältnisse dargestellt, wenn ein eingangsseitig des SCR-Katalysators 7 angeordnetes Heizelement unmittelbar nach einem Kaltstart des Dieselmotors 1 bestromt wird. Dabei gibt Spur 42 den Temperaturverlauf bei abgeschaltetem Heizelement wieder, während durch die Spur 41 der Temperaturverlauf bei einer ersten Bestromung und durch die Spur 40 der Temperaturverlauf bei einer demgegenüber höheren zweiten Bestromung wiedergegeben ist.
  • Bei einem erhöhten Heizstrom entsprechend der Spur 40 wird nach etwa 200 s eine Temperatur von 200 °C eingangsseitig des SCR-Katalysators 7 überschritten. Es ist daher vorzugsweise vorgesehen, das eingangsseitig des SCR-Katalysators 7 angeordnete Heizelement derart zu betreiben, dass nach einem Kaltstart des Dieselmotors 1 innerhalb von etwa 200 s eine Temperatur von 200 °C eingangsseitig des SCR-Katalysators 7 erreicht wird.
  • Im Sinne eines zuverlässigen Betriebs der Bordenergieversorgung des Fahrzeugs ist es bevorzugt, den Heizstrom des Heizelements rampenförmig kontinuierlich innerhalb einer vorgebbaren Zeitspanne von etwa 10 s bis 20 s auf seinen vorgesehenen Endwert bzw. Maximalwert zu steigern. Dabei kann ein Heizstrom von etwa 80 A als Endwert ausreichend sein. Vorzugsweise beträgt der Endwert jedoch etwa 120 A und besonders bevorzugt wenigstens 160 A. In gleicher Weise ist es vorgesehen, den Heizstrom nach einer vorgebbaren Zeit durch rampenförmiges Herunterfahren abzuschalten. Der Beginn des Abschaltvorgangs wird vorzugsweise in Abhängigkeit von einer Temperatur im oder eingangsseitig des SCR-Katalysators festgelegt. Es kann jedoch auch eine vorzugsweise in Abhängigkeit von der Starttemperatur vorgegebene Heizdauer vorgesehen sein.
  • Bevorzugt wird der Heizstrom überwiegend von einem vom Dieselmotor 1 angetriebenen elektrischen Generator zur Verfügung gestellt. Vorzugsweise ist dem Generator eine Regelung derart zugeordnet, dass eine vorgegebene oder vorgebbare Gesamtleistungsabgabe des Generators bzw. der stromliefernden Systeme nicht überschritten wird. Dabei ist es zweckmäßig, eine für die Bestromung des Heizelements verfügbare Restleistung insbesondere des Generators zu ermitteln und den Heizstrom so einzustellen, dass ein dieser Restleistung entsprechender Heizstrom nicht überschritten wird. Vorzugsweise orientiert sich die Restleistung an der elektrischen Spannung im Bordenergienetz, für welche ein Mindestwert vorgegeben ist, unter welche die Bordspannung bei Belastung des Generators nicht absinken darf. Auf diese Weise wird eine Überlastung des Generators vermieden und andere an die Bordenergieversorgung angeschlossene Verbraucher bleiben betriebsfähig bzw. unbeschädigt. Besonders bevorzugt ist es, eine Prioritätsliste für elektrische Verbraucher vorzusehen, welche zur Bereitstellung des Heizstroms priorisiert zugeschaltet oder abgeschaltet werden. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, für eine Sitzbeheizung, eine Scheibenbeheizung oder Klimageräte erst mit dem Abschalten der Bestromung des Heizelements ein Zuschalten zu erlauben.
  • Für die Bestromung des Heizelements kann auch ein wiederaufladbarer Speicher für elektrische Energie zusätzlich oder alternativ anstelle des Generators vorgesehen sein. Hierfür kommt in erster Linie eine Batterie bzw. ein Akkumulator oder ein so genannter „Super-Cap" in Frage. Besonders bevorzugt ist es, sowohl einen Generator als auch einen wiederaufladbaren Speicher einzusetzen, auf welche sich der Heizstrom gegebenenfalls zeitabhängig bzw. ladezustandsabhängig verteilt. Die Aufteilung der Heizstromanteile wird dabei vorzugsweise von einem Regler übernommen, welcher den Ladezustand der Speicher überwacht und eine Ladebilanzierung durchführt, so dass ein gegebenenfalls kritischer unterer Ladezustand vermieden wird.
  • Im Zusammenhang mit dem Einsatz eines Heizelements eingangsseitig des Oxidationskatalysators 4 ist es besonders vorteilhaft, nach Erreichen einer vorgebbaren Temperaturschwelle von etwa 250 °C im oder eingangsseitig des Oxidationskatalysators 4 eine Anreicherung des Abgases mit brennbaren Bestandteilen vorzunehmen. Diese Anreicherung kann durch eine Sekundäreinspritzung von Kraftstoff ins Abgas stromauf des Oxidationskatalysators 4 erfolgen. Vorzugsweise erfolgt diese Sekundäreinspritzung stromauf der Turbine 3 des Abgasturboladers, sie kann jedoch auch zwischen Turbine 3 und dem Heizelement vorgenommen werden.
  • Zusätzlich oder alternativ zur Sekundäreinspritzung kann eine Anreicherung des Abgases durch eine Nacheinspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum des Dieselmotors erfolgen. Die Nacheinspritzung wird zu einem derart späten Zeitpunkt in einem Arbeitszyklus des betreffenden Zylinders vorgenommen, dass unverbrannte Kraftstoffbestandteile im Abgas vorhanden sind.
  • Im aufgeheizten Oxidationskatalysator 4 bzw. an der katalytischen Beschichtung des Partikelfilters 5 werden infolge der Anreicherung im Abgas vorhandenen unverbrannten Bestandteile unter Wärmefreisetzung oxidativ umgesetzt, so dass eine weiter beschleunigte Aufheizung des Abgases und der im Abgassystem installierten Komponenten erfolgt. Somit kann gegebenenfalls die Bestromung des Heizelements verkürzt werden.
  • Ergänzend zu den genannten Maßnahmen zur raschen Aufheizung des Abgassystems wird im Anschluss an einen Kaltstart des Dieselmotors 1 bei dessen Warmlauf zeitweise eine Ansaugluftdrosselung vorgenommen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn diese in Schubphasen und/oder in Leerlaufphasen des Dieselmotors 1 erfolgt, da in diesen Phasen kein wärmeliefernder Kraftstoffumsatz im Dieselmotor 1 erfolgt. Durch die Ansaugluftdrosselung wird der ansonsten kühlende Frischluftdurchsatz begrenzt, so dass eine unerwünschte Abkühlung bzw. ein unerwünschter Wärmeaustrag aus dem Abgassystem vermieden wird.
  • Im Falle einer normalerweise vorgenommenen Ladeluftkühlung kann als weitere Maßnahme eine wenigstens zeitweise Umgehung eines Ladeluftkühlers während des Warmlaufs vorgesehen sein. Vom Abgasturbolader verdichtete Ansaugluft wird dabei über einen Bypass am Ladeluftkühler vorbei zur Lufteinlassseite des Dieselmotors 1 geführt, so dass der Dieselmotor 1 durch Verdichtung erwärmte Ansaugluft erhält, was die Erwärmung des Abgassystems ebenfalls beschleunigt. Eine Erwärmung der Ansaugluft kann zusätzlich durch eine separate, vorzugsweise elektrische Ansaugluftvorwärmung erreicht werden.

Claims (19)

  1. Kraftfahrzeug mit einer insbesondere luftverdichtenden Brennkraftmaschine (1) und einem Abgassystem umfassend – einen Oxidationskatalysator (4), – einen stromab des Oxidationskatalysators (4) angeordneten Partikelfilter (5) und – einen stromab des Oxidationskatalysators (4) angeordneten Stickoxid-Umsetzungskatalysator (7), dadurch gekennzeichnet, dass eingangsseitig des Oxidationskatalysator (4) und/oder eingangsseitig des Stickoxid-Umsetzungskatalysators (7) ein elektrisches Heizelement angeordnet ist.
  2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizstrom des Heizelements vorgebbar ist.
  3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizstrom zeitlich veränderbar ist.
  4. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizstrom auf eine festlegbare Obergrenze einstellbar ist.
  5. Kraftfahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Obergrenze des Heizstroms so festlegbar ist, dass eine Gesamtleistungsabgabe für eine den Heizstrom abgebende Stromquelle kleiner oder gleich einer vorgebbaren Grenzleistung ist.
  6. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betrieb des eingangsseitig des Oxidationskatalysators (4) angeordneten Heizelements derart ermöglicht ist, dass der Oxidationskatalysator (4) innerhalb von 200 s nach dem Start der Brennkraftmaschine (1) eine Temperatur von wenigstens 270 °C erreicht.
  7. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Anreicherung des Abgases der Brennkraftmaschine (1) mit brennbaren Bestandteilen vorgesehen sind.
  8. Kraftfahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Anreicherung des Abgases eine Sekundäreinspritzeinrichtung zur Sekundäreinspritzung eines Brennstoffes stromauf des Oxidationskatalysators (4) in das Abgassystem der Brennkraftmaschine (1) umfassen.
  9. Kraftfahrzeug mit einem Kraftstoffeinspritzsystem zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anreicherung des Abgases mittels vom Kraftstoffeinspritzsystem durchgeführter Nacheinspritzvorgänge ermöglicht ist.
  10. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anreicherung des Abgases an das Erreichen einer vorgebbaren Schwellentemperatur für den Oxidationskatalysator (4) gekoppelt ist.
  11. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ansaugluftdrosseleinrichtung derart vorgesehen ist, dass in Verbindung mit dem Betrieb des Heizelements und/oder der Anreicherung des Abgases eine Drosselung der von der Brennkraftmaschine (1) angesaugten Frischluft wenigstens in Leerlauf- und/oder Schubphasen ermöglicht ist.
  12. Verfahren zum Betreiben einer insbesondere luftverdichtenden Brennkraftmaschine (1) mit einem Abgassystem umfassend – einen Oxidationskatalysator (4), – einen stromab des Oxidationskatalysators (4) angeordneten Partikelfilter (5) und – einen stromab des Oxidationskatalysators (4) angeordneten Stickoxid-Umsetzungskatalysator (7), dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Start der Brennkraftmaschine (1) ein eingangsseitig des Oxidationskatalysators (4) angeordnetes elektrisches Heizelement bestromt wird und im Anschluss daran eine Anreicherung des Abgases mit brennbaren Bestandteilen stromauf des Oxidationskatalysators (4) vorgenommen wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anreicherung wenigstens teilweise durch eine Nacheinspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine (1) bewirkt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anreicherung wenigstens teilweise durch eine Sekundäreinspritzung von Brennstoff in das Abgassystem bewirkt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anreicherung frühestens dann einsetzt, wenn der Oxidationskatalysator (4) eine vorgebbare Temperaturschwelle überschritten hat.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromung des Heizelements durch einen kontinuierlich auf einen vorgebbaren Grenzstrom ansteigenden Heizstrom erfolgt.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzstrom so vorgegeben wird, dass eine vorgebbare Gesamtleistungsabgabe für eine den Heizstrom abgebende Stromquelle unterschritten wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromung des Heizelements durch einen kontinuierlich abnehmenden Heizstrom beendet wird.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frischluftzufuhr der Brennkraftmaschine (1) wenigstens in Leerlauf- und/oder Schubphasen gedrosselt wird.
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