DE102009008393A1 - Regeneration von Abgasnachbehandlungs-Einrichtungen - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Regeneration bei einer Abgasnachbehandlungs-Einrichtung einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, wobei zur Regeneration eine Temperatur in der Abgasnachbehandlungs-Einrichtung von einer Betriebstemperatur auf eine Regenerationstemperatur erhöht wird, Brennkraftmaschine mit einer Abgasnachbehandlungs-Einrichtung, sowie Hybridfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und mindestens einer elektrischen Maschine.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration bei einer Abgasnachbehandlungs-Einrichtung einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, wobei zur Regeneration eine Temperatur in der Abgasnachbehandlungs-Einrichtung von einer Betriebstemperatur auf eine Regenerationstemperatur erhöht wird, sowie eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasnachbehandlungs-Einrichtung, ein Hybridfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und mindestens einer elektrischen Maschine.
  • Zur Reinigung des Abgases von Brennkraftmaschinen von feinen Rußpartikeln werden sogenannte Partikelfilter verwendet. In den Partikelfiltern sammeln sich die Partikel während des normalen Fahrbetriebs an. Um ein Verstopfen des Partikelfilters, bzw. eine übermäßige Erhöhung des Abgasgegendrucks zu vermeiden, müssen die Partikelfilter in bestimmten Intervallen von beispielsweise 300 bis 500 Km Fahrleistung regeneriert werden. Diese Regeneration erfolgt beispielsweise durch eine Aufheizung des Partikelfilters auf ca. 650°C. Hierdurch wird ein Abbrennen des im Filter verbleibenden Rußes erreicht. Dabei ist es jedoch notwendig, die Brennkraftmaschine etwa 20 Minuten lang in einem hochlastigen Zyklus, wie dies bei einer Autobahnfahrt der Fall ist, zu betreiben. Um dieses zu Erreichen, schlägt die DE 100 49 659 A1 vor, eine Fahrprofilerkennung durchzuführen, um eine Vorhersage zu treffen, welcher Betriebszustand des Fahrzeugs in der nahen Zukunft zu erwarten sein wird. Ein Nachteil hierbei ist, daß nachdem die Regeneration begonnen hat, eine unerwartete Änderung der Fahrbedingungen nicht ausgeschlossen werden kann, so daß die zur Regeneration notwendigen Bedingungen nicht mehr vorliegen. Hat der eingelagerte Ruß im Partikelfilter bei der Regeneration jedoch einmal angefangen zu brennen, kann es bei bestimmten Fahrzuständen zu einer deutlichen Beschleunigung des Ab brands zumindest lokaler Rußmengen kommen, die zu starken Temperatur-Anstiegen und damit verbundenen Temperatur-Gradienten im Partikelfilter führen, was wiederum ein materielles Versagen, einen sogenannten Thermoschock des Filters auslösen kann. Eine solche erhöhte Sauerstoffkonzentration kann beispielsweise im Schubbeterieb des Fahrzeugs auftreten. Insbesondere beim Sprung in den Leerlauf erhöht sich die Sauerstoffkonzentration und die Beschleunigung der Rußreaktion, wobei der Abgasmassenstrom sinkt und der Wärmeaustrag aus dem Partikelfilter reduziert wird.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Regeneration bei einer Abgasnachbehandlungs-Einrichtung einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs zur Verfügung zu stellen, bei dem ein Thermoschock des Partikelfilters sicher verhindert wird.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen zu entnehmen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Regenration bei einer Abgasnachbehandlung-Einrichtung einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs. Unter einer Abgasnachbehandlungs-Einrichtung im Sinne der Erfindung ist jede Einrichtung zu verstehen, welche zur Behandlung der Abgase einer Brennkraftmaschine geeignet ist, insbesondere also Katalysatoren, Oxidationskatalysatoren und Partikelfilter, insbesondere Dieselpartikelfilter. Unter einer Regeneration ist jede Aufbereitung einer Abgasnachbehandlungs-Einrichtung zu verstehen, welche die Wirkung der Einrichtung aufrechterhält oder verbessert, ohne daß dabei Teile der Einrichtung oder die ganze Einrichtung getauscht werden. Insbesondere ist unter der Regenration eine teilweise oder vollständige Entfernung von zurückgehaltenen Partikeln, insbesondere Rußpartikeln zu verstehen, wobei die Entfernung dieser Partikel insbesondere durch Abbrennen der selben erfolgt. Erfindungsgemäß wird zur Regeneration eine Temperatur in der Abgasnachbehandlungs-Einrichtung von einer Betriebstemperatur auf eine Regenerationstemperatur erhöht. Bei einer Verbrennung von Rußpartikeln als Regenerationsmaßnahme beträgt die Regenerationstemperatur in der Regel etwa 650°C. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß während der Regeneration eine Sauerstoffkonzentration in dem Abgas der Brennkraftmaschine unabhängig von Fahrbe triebsanforderungen des Fahrzeugs reduziert wird. Die Fahrbetriebsanforderungen des Fahrzeugs sind insbesondere durch die von dem Fahrer gewünschte bzw. durch die Verkehrssituation vorgegebene Fahrsituation des Fahrzeugs bestimmt. Die zumindest zeitweise Reduzierung der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas der Brennkraftmaschine erlaubt vorteilhaft eine Steuerung der Temperaturen in der Abgasnachbehandlungs-Einrichtung, wodurch ein wirksamer Schutz gegen Überhitzung gegeben ist. Die Reduzierung der Sauerstoffkonzentration muß nicht notwendigerweise dauerhaft erfolgen, da bei bestimmten Fahrbetriebsanforderungen, welche beispielsweise den Betrieb der Brennkraftmaschine unter Volllast erfordern, eine Reduzierung der Sauerstoffkonzentration im Abgas nicht notwendig ist.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas der Brennkraftmaschine durch eine oder mehrer der nachfolgend genannten Maßnahmen erreicht: Drosselung eines Ansaugluftstroms, Zirkulation des Abgases über eine Abgasrückführungs-Einrichtung, Nach-Einspritzung und/oder Spät-Einspritzung von Kraftstoff. Diese Maßnahmen sind einzeln ebenso wie in Kombination geeignet, die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas zu reduzieren. Sie sind darüberhinaus vorteilhaft unabhängig von den Fahrbetriebsanforderungen des Fahrzeugs durchführbar.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform betrifft die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Hybridfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und mindestens einer elektrischen Maschine, wobei bei der Regeneration der Abgasnachbehandlungs-Einrichtung eine von der Brennkraftmaschine abgegebene Leistung durch die elektrische Maschine kompensiert wird. Die Maßnahmen zur Reduzierung der Sauerstoffkonzentration im Abgas lassen sich besonders vorteilhaft realisieren, wenn die von der Brennkraftmaschine abgegebene Leistung, welche besonders durch die Fahrbetriebsanforderungen bestimmt ist, durch die in einem Hybridfahrzeug vorhandenen elektrische Maschine kompensiert wird. Dazu wird die Brennkraftmaschine bevorzugt in einem erhöhten Lastbereich betrieben, wodurch die Sauerstoffkonzentration im Abgas gesenkt wird. Die so entstehende Mehrleistung der Brennkraftmaschinen wird jedoch nicht zum Vortrieb des Fahrzeugs genutzt. Vorzugsweise werden statt dessen elektrische Verbraucher des Fahrzeugs eingeschal tet, welche die Mehrleistung nutzen. Beispielsweise werden Beheizungen der Fenster, Spiegel oder Schlösser des Fahrzeugs, sowie gegebenenfalls der Sitze eingeschaltet.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Mehrleitung der Brennkraftmaschinen durch die elektrischen Maschinen in elektrische Energie umgewandelt. Dazu wird die elektrische Maschine als Generator betrieben. Vorzugsweise wird die so umgewandelte Energie in einem elektrischen Speicher beispielsweise einer Batterie, gespeichert und steht dadurch vorteilhaft zu einem späteren Zeitpunkt zum Verbrauch zur Verfügung. Weiterhin bevorzugt wird die elektrische Energie zur Aufheizung einer elektrischen Zusatzheizung der Abgasnachbehandlungs-Einrichtung verwendet. Dadurch läßt sich die Abgasnachbehandlungs-Einrichtung besonders schnell auf die Regenerationstemperatur erwärmen, bzw. auf dieser Temperatur halten.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Brennkraftmaschine während der Regeneration zumindest zeitweise abgeschaltet. Dies ist vorteilhaft dann möglich, wenn die Fahrbetriebsanforderungen durch die elektrische Maschine erfüllt werden können und die Regenerationstemperatur in der Abgasnachbehandlungs-Einrichtung auch ohne den Betrieb der Brennkraftmaschine aufrecht erhalten werden kann. Auf diese Weise kann der Kraftstoffverbrauch während der Regeneration vorteilhaft gesenkt werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Einleitung der Regeneration und/oder während der Regeneration eine oder mehrer der folgenden Maßnahmen durchgeführt: Verringerung oder Abschaltung der Abgasrückführung, späte vor- und Haupt-Einspritzung von Kraftstoff und/oder Nach-Einspritzung bei verringerter Haupt-Einspritzung von Kraftstoff, sowie Frühverstellung der Auslaßsteuerzeiten des Auslaßventils. Die genannten Maßnahmen sind vorteilhaft dazu geeignet, die Regenerationstemperatur der Abgasnachbehandlungsanlage schneller zu erreichen bzw. dazu, die Temperatur der Abgasnachbehandlungs-Einrichtung während der Regeneration zu kontrollieren.
  • Die Erfindung betritt des weiteren eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasnachbehandlungs-Einrichtung und einer Steuerung zur Regeneration der Abgasnachbehandlungs-Einrichtung, wobei mit der Steuerung das erfindungsgemäße Verfahren, wie zuvor beschrieben, durchführbar ist. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist vorzugsweise eine elektrische Zusatzheizung auf.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung eine Hybridfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, wie zuvor beschrieben, sowie mit mindestens einer elektrischen Maschine.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Die Erläuterungen beziehen sich sowohl auf das erfindungsgemäße Verfahren, als auch auf die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine und das erfindungsgemäße Hybridfahrzeug. Die Ausführungen sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.
  • 1 zeigt in einem Diagramm einen Verfahrensablauf gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
  • In der 1 ist ein Verfahren zur Regeneration bei einer Abgasnachbehandlungs-Einrichtung einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs anhand eines Flußdiagramms dargestellt, wobei das dargestellte Ausführungsbeispiel sich auf ein Hybridfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und mindestens einer elektrischen Maschine bezieht. Durch die Hybridisierung eines Fahrzeugs in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein Thermoschock eines Partikelfilters einer Abgasnachbehandlungs-Einrichtung effektiv vermieden und die Regeneration des Partikelfilters beschleunigt werden. Durch die Hybridtechnik ist es möglich, den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine nahezu frei zu wählen. Je nach Hybridisierungsgrad und -art kann die Brennkraftmaschine frei in ihrem Kennfeld betrieben und sogar abgestellt werden. Es ist möglich, eine auftretende Mehrleistung der Brennkraftmaschine mittels der im Generatorbetrieb betriebenen elektrischen Maschine in elektrische Energie umzuwandeln und in einer Batterie zu speichern. Des weiteren kann die gespeicherte Energie dazu verwendet werden, eine elektrische Zusatzheizung im Ab gasstrang schneller aufzuheizen. Der Normalbetrieb des Fahrzeugs bzw. der Brennkraftmaschine ist im Diagramm gemäß 1 mit dem Bezugszeichen 100 gekennzeichnet. Ob eine Regeneration des Partikelfiters durchzuführen ist (101), wird in der Regel anhand des Differenzdrucks über dem Partikelfilter überprüft. Solange dies nicht der Fall ist (102) wird der Normalbetrieb (100) fortgesetzt. Wenn eine Regeneration des Partikelfilters nötig wird (103), erfolgt zunächst eine Überprüfung (104) daraufhin, ob der Batteriefüllstand für eine Regeneration geeignet ist. Bei einer notwendigen Regeneration des Filters kann durch eine Leistungsaufnahme der Hybridkomponente, hier also der elektrischen Maschine, erreicht werden, daß die Brennkraftmaschine in einem erhöhten Lastbereich betrieben werden kann, ohne daß die Mehrleistung zum Vortrieb des Fahrzeugs genutzt wird. Die Brennkraftmaschine muß des weiteren nicht mehr im Schubbetrieb oder Leerlauf betrieben werden, so daß eine Erhöhung des Sauerstoffanteils im Abgasstrang vorteilhaft vermieden werden kann. Abhängig vom Hybridisierungsgrad und der maximalen Leistungsaufnahme der Hybridkomponente kann die Brennkraftmaschine auch abgestellt werden, was ebenfalls effektiv zur Vermeidung einer erhöhten Sauerstoffkonzentration beiträgt. Für die Kompensation der überschüssigen Leistung der Brennkraftmaschine wird die elektrische Maschine als Generator betrieben, welche die Batterie lädt. Dazu ist eine gewisse Aufnahmekapazität der Batterie notwendig. Ist dies nicht der Fall (105) so wird im Schritt 106 zunächst die Batterieladung angepaßt. Anschließend (107) wird der Batteriefüllstand erneut überprüft (104). Erst wenn dieser geeignet für einen Regenerationsbetrieb ist (108) erfolgt in Schritt 109 eine Umschaltung in den Regenerationsbetrieb. Die Regeneration erfolgt durch eine Erhöhung der Temperatur in der Abgasnachbehandlungs-Einrichtung von einer Betriebstemperatur auf eine Regenerationstemperatur, d. h. durch die Aufheizung des Partikelfilters durch Maßnahmen innerhalb der Brennkraftmaschine, sowie durch Exothermie auf einer gegebenenfalls vorhandenen katalytischen Schicht auf dem Filter und/oder einem vorgeschalteten Oxidationskatalysator auf etwa 650°C. Schritt 110 beinhaltet, die Batterieladung in einem geeigneten Bereich zu halten. Eine gezielte Entladung der Batterie kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß eine elektrische Zusatzbeheizung für die Abgasnachbehandlungs-Einrichtung betrieben wird, welche dazu beiträgt die zur Regeneration notwendige Temperatur schneller zu erreichen bzw. aufrechtzuerhalten. In Schritt 114 wird geprüft, ob die Gefahr besteht, daß die zulässigen Maximaltempe raturen des Partikelfilters überschritten werden. Dies kann beispielsweise durch Messung der Temperatur im Partikelfilter, oder auch vor oder hinter dem Partikelfilter erfolgen. Des weiteren kann allgemein aus dem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine auf die Gefahr eines Thermoschocks geschlossen werden, beispielsweise auf Grund der Drehzahl, Pedalstellung oder Einspritzmenge an Kraftstoff. Ebenso kann auf einen Luftmengenmesser zurückgegriffen werden. Solange die Gefahr eines Thermoschocks nicht besteht (115), wird die Regeneration unverändert fortgesetzt.
  • In Schritt 111 wird geprüft, ob die Regeneration erfolgreich war. Dies wird beispielsweise, ebenso wie die Notwendigkeit einer Regeneration, durch Messung des Differenzdrucks über dem Partikelfilter bestimmt. Wenn die Regeneration abgeschlossen ist (113) kehrt die Brennkraftmaschine in ihren Normalbetrieb (100) zurück. Solange die Regeneration nicht beendet ist (112), wird die Regeneration bei Schritt 110 fortgesetzt. Sobald gemäß der Prüfung 114 die Gefahr besteht, daß die zulässige Maximaltemperaturen des Partikelfilters überschritten werden (116), wird in Schritt 117 die Sauerstoffkonzentration im Abgas reduziert, unabhängig davon, welche Fahrbetriebsanforderungen in diesem Moment an das Fahrzeug gestellt werden. Die Absenkung der Sauerstoffkonzentration erfolgt insbesondere durch eine Lastanhebung der Brennkraftmaschine bei gleichzeitigem Generatorbetrieb der elektrischen Maschine, wodurch die Batterie geladen wird. Darauf wird in Schritt 111 überprüft, ob die Regeneration erfolgreich war. Die Schritte 110, 111, 114 und gegebenenfalls 117 werden solange wiederholt, bis die Regeneration des Partikelfilters abgeschlossen ist. Die Hybridisierung eines Fahrzeugs erlaubt den Betrieb der Brennkraftmaschine in einem erhöhten Lastbereich, ohne daß die Mehrleistung zum Vortrieb des Fahrzeugs benutzt wird. Diese Schutzmaßnahme vor einem Thermoschock des Partikelfilters bietet die Vorteile einer erhöhten Betriebssicherheit. Es wird vermieden, daß der Filter einem erhöhten Sauerstoffmassenstrom ausgesetzt wird und es so zu einer kritischen Temperatur kommen kann. Durch die Erhöhung der Last des Verbrennungsmotors auch in einer niedriglastigen Fahrbetrieb, ist es beispielsweise nicht mehr notwendig, für eine Regeneration eine Autobahnfahrt durchzuführen. Des weiteren kann die Regeneration durch schnellere Aufheizung des Abgasstrangs erheblich beschleunigt werden, was bedeutet, daß für die Regeneration des Filters eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen ereicht werden kann. Als Werkstoff für Partikelfilter werden teure Keramiken verwendet, um trotz hoher Temperaturen einem Versagen vorzubeugen. Durch die Betriebssicherheit des Partikelfilters, die durch die Hybridisierung des Fahrzeugs gewonnen werden kann, ist es möglich, einen gegenüber Keramik kostengünstigeren Werkstoff für Partikelfilter zu verwenden.
  • Bei einem Hybridfahrzeug ist die Hauptmaßnahme zur Vermeidung des Thermoschocks, wie bereits beschrieben, die Erhöhung der Last der Brennkraftmaschine, so daß die Sauerstoffkonzentration verringert wird und gleichzeitig der Abgasmassenstrom steigt und damit der Wärmeaustrag erhöht wird. Dies kann durch zusätzliche motorische Maßnahmen begleitet werden, die ebenfalls das Ziel der Reduzierung der Sauerstoffkonzentration im Abgas haben, wie beispielsweise Drosselung des Ansaugluftstroms, Zirkulation des Abgases über ein Abgasrückführungs-Einrichtung, sowie Nach-Einspritzung und/oder späte Haupt-Einspritzung von Kraftstoff. Diese Maßnahmen sind einzeln sowie in Kombination wirksam und können auch bei konventionellen, nicht hybridisierten Antrieben zur Thermoschockvermeidung genutzt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10049659 A1 [0002]

Claims (12)

  1. Verfahren zur Regeneration bei einer Abgasnachbehandlungs-Einrichtung einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, wobei zur Regeneration eine Temperatur in der Abgasnachbehandlungs-Einrichtung von einer Betriebstemperatur auf eine Regenerationstemperatur erhöht wird, dadurch gekennzeichnet, daß während der Regeneration zumindest zeitweise eine Sauerstoffkonzentration in dem Abgas der Brennkraftmaschine unabhängig von Fahrbetriebsanforderungen des Fahrzeugs reduziert wird.
  2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduzierung der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas der Brennkraftmaschine durch eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen erreicht wird: – Drosselung eines Ansaugluftstroms, – Zirkulation des Abgases über eine Abgasrückführungseinrichtung, – Nach-Einspritzung und/oder Spät-Einspritzung von Kraftstoff.
  3. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Hybridfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und mindestens einer elektrischen Maschine bei der Regeneration der Abgasnachbehandlungs-Einrichtung der Brennkraftmaschine eine von der Brennkraftmaschine abgegebenen Leistung durch die elektrische Maschine kompensiert wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine in einem erhöhten Lastbereich betrieben wird, wobei die Mehrleistung nicht zum Vortrieb des Fahrzeugs genutzt wird.
  5. Verfahren nach einem der Patentansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrleistung der Brennkraftmaschine durch die elektrische Maschine, welche als Generator betrieben wird, in elektrische Energie umgewandelt wird.
  6. Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Energie in einem elektrischen Speicher gespeichert wird.
  7. Verfahren nach einem der Patentansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Energie zur Aufheizung einer elektrischen Zusatzheizung der Abgasnachbehandlungs-Einrichtung verwendet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine während der Regeneration zumindest zeitweise abgeschaltet wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einleitung der Regeneration und/oder während der Regeneration eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen durchgeführt werden: – Verringerung oder Abschaltung der Abgasrückführung, – späte Vor- und Haupt-Einspritzung von Kraftstoff und/oder Nach-Einspritzung bei verringerter Haupt-Einspritzung von Kraftstoff, – Frühverstellung der Auslaßsteuerzeiten des Auslaßventils.
  10. Brennkraftmaschine mit einer Abgasnachbehandlungs-Einrichtung und einer Steuerung zur Regeneration der Abgasnachbehandlungs-Einrichtung, wobei mit der Steuerung ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche durchführbar ist.
  11. Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasnachbehandlungs-Einrichtung eine elektrische Zusatzheizung aufweist.
  12. Hybridfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 10 oder 11, sowie mit mindestens einer elektrischen Maschine.
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