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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung, die eine minimale Schwellwerttemperatur für den ordnungsgemäßen Betrieb erfordert, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, sowie ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 8.
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Nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors ist die Konvertierungswirkung einer derartigen Abgasbehandlungseinrichtung bekanntermaßen unbefriedigend, so dass allgemein angestrebt wird, die Zeit bis zum Erreichen der Schwellwerttemperatur durch konstruktive und steuerungstechnische Maßnahmen zu minimieren (d. h. Optimieren des sog. Anspringverhaltens).
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Aus der
EP 1 298 301 A1 (und der parallelen
US 6 829 888 B2 ) ist es bekannt, während eines bestimmten Zeitraums nach dem Anlassen eines Verbrennungsmotors die elektrische Last eines davon angetriebenen elektrischen Generators zu erhöhen, wobei nötigenfalls zusätzlich die Luftansaugung zur Verringerung des Ansaugkrümmerdrucks auf einen Solldruck gedrosselt und die Abgasrückführung verringert oder angehalten werden kann. Die elektrische Last wird erhöht, indem Verbraucher – insbesondere ohmsche Verbraucher – wie z. B. Glühkerzen des Motors oder elektrische Reizungen eingeschaltet werden. Dadurch wird die Aufwärmzeit für die Abgasnachbehandlungsvorrichtung verkürzt, um Schadstoffemissionen zu verringern. Die verkürzte Aufwärmzeit der Abgasnachbehandlungsvorrichtung geht hierbei jedoch auf Kosten eines erhöhten Kraftstoffverbrauchs.
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Aus der
DE 10 2004 063 181 A1 sind ein Verfahren und ein Kraftfahrzeug gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 8 bekannt, wobei die zur Verkürzung der Aufwärmphase zwecks Emissionsminderung erzeugte Generatorleistung der Fahrzeugbatterie zugeführt wird, sofern diese nicht bereits aufgeladen ist.
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Die
DE 199 09 797 A1 offenbart ein Verfahren zum schnellen Aufheizen eines Katalysators bei einem Verbrennungsmotor. Durch Aufschaltung des Generators wird der Verbrennungsmotor bei höherer Last betrieben, so dass sich die Abgastemperatur erhöht. In Abhängigkeit vom Entladezustand einer Batterie und einer Temperatur des Katalysators wird der Ladestrom zur Aufladung der Batterie gesteuert.
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Ein Laderegler stellt die Ladespannung oder den Ladestrom in Abhängigkeit der während der Ladung gemessenen Spannungen und Ströme ein. Eine Überladung der Batterie wird dabei verhindert. Die
DE 199 25 100 A1 zeigt ein ebensolches Verfahren, wobei auch ein Schwellwert für die Katalysatortemperatur berücksichtigt wird und neben der Aufladung der Batterie weitere elektrische Verbraucher aktiviert werden können.
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Ein Problem ist das Phänomen der Alterung der Abgasnachbehandlungsvorrichtungen, d. h. der katalytischen Konverter oder Katalysatoren, mit denen Verbrennungsmotoren in Personenkraftwagen und Lastkraftwagen heutzutage ausgerüstet sind, um CO-, HC-, NOx- und Partikel-Emissionen zu vermindern. Typischerweise ist der Wirkungsgrad der chemischen Umwandlung im Katalysator eine Funktion seiner Betriebstemperatur und reicht von nahe null für einen ”kalten” Katalysator bis fast 100% für einen aufgewärmten Katalysator. Der Umwandlungswirkungsgrad und seine Temperaturabhängigkeit können sich aufgrund verschiedener Alterungsphänomene mit der Zeit ändern. Zur Kompensation eines verminderten Umwandlungswirkungsgrades und/oder einer verlängerten Aufwärmzeit wird der Katalysator typischerweise mit genügend Spielraum ausgelegt, um die Einhaltung der Betriebsemissionsgrenzen bis zum gesetzlich vorgeschriebenen Fahrzeugkilometerstand zu gewährleisten (z. B. 100.000 km für die Euro4-Norm). Im Falle eines Dieseloxidationskatalysators bedeutet dies, dass man für den Katalysator sehr viel mehr Edelmetall (typischerweise Platin) benötigt als es erforderlich wäre, wenn die Katalysatorleistung konstant bliebe.
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Dieses Problem wird durch die in den Ansprüchen 1 und 8 angegebene Erfindung gelöst.
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Das aktuelle Ladungsaufnahmevermögen der Fahrzeugbatterie kann entweder aufgrund des Batterieladezustands geschätzt werden oder – genauer – aus einer Messung mehrerer Batterieparameter berechnet werden, deren wichtigster der aktuelle Ladestrom während des Ladens der Batterie ist, welcher vom Batterieladezustand abhängt.
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Indem der vom Generator erzeugte Strom der Fahrzeugbatterie zugeführt wird, falls diese ausreichend aufnahmefähig ist, wird die erzeugte elektrische Energie nicht vergeudet, sondern für späteren Gebrauch gespeichert, so dass der in der Aufwärmehase erhöhte Kraftstoffverbrauch durch eine Einsparung kompensiert wird, die sich daraus ergibt, dass die Batterie erst später als sonst wieder nachgeladen muss.
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Der mit der Erfindung erzielbare Nutzen ist besonders groß, wenn im Kraftfahrzeug ein besonderes Batteriemanagement verwendet wird. Konventionell wird stets versucht, die Fahrzeugbatterie in einem vollständig geladenen Zustand zu hatten. Bekanntermaßen variiert der Wirkungsgrad der Umwandlung von Kraftstoffenergie in elektrische Energie jedoch über den Motorbetriebsbereich. Um diesen Umwandlungswirkungsgrad zu optimieren, und um nach Möglichkeit auch die beim Bremsen frei werdende kinetische Energie nutzen zu können, indem man beim Bremsen elektrische Energie erzeugt und diese in der Fahrzeugbatterie speichert, wird gegenwärtig eine Technik entwickelt, die intelligentes regeneratives Bremsen oder intelligentes regeneratives Laden genannt wird. Bei dieser Technik wird der Batterieladezustand auf einem Sollwert gehalten, der nur einen Teil der Nennkapazität der Batterie beträgt. Ein Batterieüberwachungssystem überwacht den Batterieladezustand und stellt sicher, dass alle nötigen Verbraucher mit Strom versorgt werden können (z. B. für Kalt- und Warmstart), auch wenn die Batterie nicht vollständig geladen ist. D. h., die Batterie behält stets eine gewisse Restkapazität, die es ermöglicht, elektrische Energie dann zu erzeugen und zu speichern, wenn diese mit gutem Wirkungsgrad durch den elektrischen Generator oder beim Bremsen oder aus anderen Gründen vorteilhaft erzeugt werden kann.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann eine intelligent regenerativ geladene Batterie auch die elektrische Energie, die beim erfindungsgemäßen Verfahren in der Aufwärmphase der Abgasnachbehandlungsvorrichtung erzeugt wird, stets aufnehmen und speichern. Die Erfindung kann aber auch ohne die Technik des intelligenten regenerativen Ladens zur Anwendung kommen, wobei die Kraftstoffeinsparung jedoch auf Fälle beschränkt bleibt, in denen der Batterieladezustand nach dem Anlassen zufällig oder aufgrund längerer Standzeit niedrig ist.
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In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor oder nach dem Schritt a) geprüft, ob ein Alterungsmaß wie z. B. die Kilometerleistung für die Abgasnachbehandlungsvorrichtung über einem vorbestimmten Wert liegt, wobei der nachfolgende Schritt b) oder die nachfolgenden Schritte a) und b) nur dann durchgeführt werden, wenn das Alterungsmaß über dem vorbestimmten Wert liegt. Im Bereich der ersten 10.000 bis 30.000 km ist die Temperatur, ab welcher der Katalysator wirksam ist, im Allgemeinen so niedrig, d. h. er kommt so schnell auf Betriebstemperatur, dass das Verfahren der Erfindung nicht durchgeführt werden muss, um die Schadstoffgrenzwerte einzuhalten. Dadurch wird während des frühen Stadiums der Lebensdauer des Katalysators viel Kraftstoff eingespart. Ab einem Kilometerstand von zwischen 10.000 und 30.000 km wird beim Anlassen des Motors das erfindungsgemäße Aufwärmphasensteuerverfahren durchgeführt, um die Emissionen zu senken. Durch diese Maßnahme kann ein günstiger Kompromiss zwischen dem Katalysatordesign, insbesondere dessen Edelmetallkosten, und dem Kraftstoffverbrauch erzielt werden.
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Selbstverständlich können auch andere Kriterien für die Entscheidung, ob auf eine Unterstützung des Aufwärmverhaltens verzichtet werden kann, herangezogen werden, so z. B. die bisherige Betriebsstundenzahl der Katalysatoreinrichtung. Weitere, möglicherweise noch bessere Entscheidungskriterien erhält man, wenn man die Katalysatortemperatur im Betrieb misst oder schätzt und auf Basis von Zeit und Temperatur ein Katalyseeffizienzmodell aufstellt, wobei man weiß, dass der Katalyseeffizienzverlust (d. h. Erhöhung der Schwellwerttemperatur) in erster Linie durch längeren Betrieb über gewissen Temperaturgrenzen verursacht wird, bei denen Platin zu sintern beginnt, typischerweise 750 bis 800°C.
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Auch ist es denkbar, anstelle eines reinen Ja-/Nein-Kriteriums für die Einleitung der Unterstützung des Aufwärmverhaltens eine kontinuierliche Anpassung der Unterstützung des Aufwärmverhaltens vorzusehen. Beispielsweise könnte die Dauer bzw. die Zieltemperatur bei der Lasterhöhung abhängig von dem Lebensdauerstadium des Katalysators von zunächst null (bei neuem Katalysator) kontinuierlich auf einen vorgegebenen Wert erhöht werden.
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Ein weiteres Kriterium für die Entscheidung für oder gegen oder für eine moderate Unterstützung des Aufwärmverhaltens kann der ”Gesundheitszustand” der Fahrzeugbatterie sein, welcher durch häufigen Gebrauch der erfindungsgemäßen Strategie ungünstig beeinflusst werden kann. Vorzugsweise wird der Gesundheitszustand der Fahrzeugbatterie kontinuierlich überwacht, und das unterstützte Aufwärmen wird in Abhängigkeit davon durchgeführt, ob der Gesundheitszustand der Fahrzeugbatterie einen kritischen Schwellenwert erreicht hat oder nicht.
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Werden die vorgenannten Weiterbildungen der Erfindung gemeinsam durchgeführt, so kann man einen besonders guten Kompromiss zwischen Kraftstoffökonomie, Katalysatorkosten, Batteriehaltbarkeit und Schadstoffemissionen erzielen. Grundsätzlich ist es jedoch auch denkbar, die beiden genannten Maßnahmen unabhängig voneinander zu implementieren.
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Wird im Schritt a) festgestellt, dass das aktuelle Ladungsaufnahmevermögen der Fahrzeugbatterie unter dem vorbestimmten Wert liegt, aber nicht im Wesentlichen null ist, so kann im Schritt b) die elektrische Last des Motors durch Einschalten von weiteren elektrischen Verbrauchern erhöht werden, wie es in der oben genannten
EP 1 298 301 A1 beschrieben ist. In dieser Druckschrift, deren Inhalt durch Bezugnahme vollständig hierin aufgenommen wird, sind noch einige weitere Maßnahmen zur Verkürzung der Aufwärmphase einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung beschrieben, die auch in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung vorteilhaft anwendbar sind. Die weiteren elektrischen Verbraucher können entweder gleichzeitig mit dem Laden der Fahrzeugbatterie betrieben oder nach Erreichen der maximalen Speicherkapazität der Fahrzeugbatterie eingeschaltet werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur beispielhaft näher erläutert.
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Bei dem nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird als Verbrennungsmotor ein Dieselmotor eingesetzt; bei der Abgasnachbehandlungsvorrichtung handelt es sich im Ausführungsbeispiel um einen Oxidationskatalysator. Die Erfindung ist aber auch bei Benzinmotoren anwendbar, eventuell mit einigen Modifizierungen an Steuerungsparametern und dergleichen.
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Die einzige Figur zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens zur Steuerung eines Verbrennungsmotors in der Aufwärm- oder Anspringphase in einem Kraftfahrzeug mit einem Oxidationskatalysator, der eine minimale Schwellwerttemperatur für den ordnungsgemäßen Betrieb erfordert.
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Das Kraftfahrzeug enthält außerdem eine Fahrzeugbatterie, deren Batterieladezustand mit der Ladestrategie ”intelligentes regeneratives Laden” normalerweise auf einem Sollwert gehalten wird, der nur einen Teil der Nennkapazität der Batterie beträgt, so dass normalerweise eine gewisse Pufferkapazität zur Zwischenspeicherung z. B. einer bei einem regenerativen Bremsen gewonnenen Energie vorliegt. Ein derartiges System ist beispielsweise aus der
US 6 091 228 A bekannt.
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Nachdem der Fahrer des Kraftfahrzeugs im Block 1 einen Zündschalter betätigt und das Fahrzeug angelassen hat, führt eine an sich bekannte mikroprozessorbasierte Motorsteuerung (ECU) nacheinander die nachfolgend erläuterten Schritte durch:
Im Block 2 wird geprüft, ob der Kilometerstand KM, der bisher mit dem im Kraftfahrzeug eingebauten Katalysator zurückgelegt wurde, einen voreingestellten Wert x im Bereich von z. B. 10.000 bis 30.000 km übersteigt. Anstelle des Kilometerstands kann auch die Gesamt-Betriebsstundenzahl der Abgasnachbehandlungsvorrichtung als ein Alterungsmaß für die Abgasnachbehandlungsvorrichtung dienen, oder dieses Alterungsmaß wird als eine Kombination von Kilometerstand und Gesamt-Betriebsstundenzahl ermittelt.
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Wenn der aktuelle Kilometerstand den voreingestellten Wert nicht übersteigt (”Nein” im Block 2), wird im Block 3 der Motor auf herkömmliche Weise betrieben, d. h. ohne Rücksicht auf den Katalysator.
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Wenn der aktuelle Kilometerstand den voreingestellten Wert übersteigt (”Ja” im Block 2), wird im Block 4 das aktuelle Ladungsaufnahmevermögen LA der Fahrzeugbatterie geprüft.
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Wenn das aktuelle Ladungsaufnahmevermögen LA über einem voreingestellten Wert y liegt (”Ja” im Block
4), wird im Block
5 eine Aufwärmphasenprozedur durchgeführt, wie sie z. B. in der
EP 1298301 A1 gezeigt und beschrieben ist, mit dem Unterschied, dass als elektrische Last keine Energie verzehrenden Verbraucher wie z. B. Glühkerzen oder elektrische Heizungen dienen, sondern die Fahrzeugbatterie, welcher Strom aus dem vom Motor angetriebenen elektrischen Generator zugeführt wird. Diese und einige weitere in der genannten Druckschrift beschriebenen Maßnahmen steigern die Abgastemperaturen, was wiederum zu einem schnelleren Aufwärmen des Katalysators führt. Das Ergebnis dieser Strategie ist, dass die CO- und HC-Emissionen bei einem Kaltstart stark vermindert werden. Während der Aufwärmphase gibt es zwar eine leichte Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs, die aber dadurch kompensiert wird, dass die vom Generator erzeugte elektrische Energie in der Fahrzeugbatterie für späteren Verbrauch gespeichert wird und nachfolgend nicht mehr erzeugt werden muss.
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Der voreingestellte Wert y des Ladungsaufnahmevermögens kann einem Wert entsprechen, bei dem im Block 5 die Fahrzeugbatterie gerade bis zur Sättigung geladen wird. Der voreingestellte Wert y kann entsprechend dem Alter der Fahrzeugbatterie automatisch modifiziert werden, um der mit dem Alter nachlassenden maximalen Speicherkapazität Rechnung zu tragen.
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Wenn das aktuelle Ladungsaufnahmevermögen LA der Fahrzeugbatterie unter dem voreingestellten Wert liegt (”Nein” im Block 4), wird im Block 6 eine ähnliche Aufwärmphasenprozedur wie oben beschrieben durchgeführt, wobei jedoch überschüssige elektrische Energie, die nicht mehr in der Fahrzeugbatterie untergebracht werden kann, Energie verzehrenden Verbrauchen wie z. B. Glühkerzen oder elektrischen Heizungen zugeführt wird.
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In dem obigen Ausführungsbeispiel wird die Aufwärmphasenprozedur zur schnelleren Steigerung der Katalysatorprozedur in Abhängigkeit von dem im Block 2 geprüften aktuellen Kilometerstand oder sonstigen Alterungsmaß entweder nicht durchgeführt oder durchgeführt. Alternativ kann eine solche Aufwärmphasenprozedur aber auch so durchgeführt werden, dass, sobald der Katalysator ein gewisses Alter erreicht hat, bei jedem Kaltstart die elektrische Last des Motors zunächst weniger erhöht wird als es maximal möglich ist und dann mit zunehmendem Alter des Katalysators nach und nach gesteigert wird. Auch hierbei können natürlich das aktuelle Ladungsaufnahmevermögen bzw. der Batterieladezustand sowie das Alter der Fahrzeugbatterie überwacht und berücksichtigt werden, ebenso wie weitere Parameter wie z. B. Umgebungstemperatur, aktuelle Motortemperatur usw.
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Mit der Erfindung können die Abgasemissionen auch für einen älteren Katalysator unter den Sollwerten gehalten werden, so dass man weniger Edelmetall für den Katalysator benötigt. Gleichzeitig wird während der Zeit, in der der Katalysator noch voll funktionsfähig ist, Energie eingespart, ohne dass Emissionsgrenzwerte überschritten werden. Die während der Aufwärmphasenprozedur geladene Fahrzeugbatterie kann durch ein geeignetes Batteriemanagement möglichst gut vorkonditioniert werden, und wenn sie beim Anlassen des Motors nicht optimal vorkonditioniert ist, wird sie nicht überladen und somit geschont, indem überschüssige elektrische Energie irgendwelchen anderen Verbrauchen zugeführt wird.
