DE102012204478A1

DE102012204478A1 - Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102012204478A1
Application number: DE201210204478
Authority: DE
Inventors: Raffael Kuberczyk; Jürgen Legner
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2013-09-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage in einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug eine Brennkraftmaschine (1) als Antriebsaggregat für einen Antriebsstrang und eine elektrische Maschine (3) umfasst, welche durch Kopplung an den Antriebsstrang im Schubbetrieb des Kraftfahrzeugs generatorisch elektrische Energie erzeugt, mit der ein elektrischer Energiespeicher (8) geladen werden kann. Die Abgasnachbehandlungsanlage umfasst eine oder mehrere Nachbehandlungskomponenten (9, 10, 11), welche jeweils das durch die Brennkraftmaschine (1) erzeugte Abgas zur Reduktion von Schadstoffen nachbehandeln. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass im Schubbetrieb des Kraftfahrzeugs die durch die elektrische Maschine (3) erzeugte elektrische Energie zumindest teilweise einem elektrischen Heizsystem mit einer oder mehreren Heizkomponenten (12, 13, 14, 15) zugeführt wird, welche die Abgasnachbehandlungsanlage und/ oder das Abgas vor Eintritt in die Abgasnachbehandlungsanlage beheizen. Die Zufuhr der elektrischen Energie zu dem Heizsystem wird dabei unter Berücksichtigung von den jeweiligen Nachbehandlungskomponente (9, 10, 11) zugeordneten Sollbetriebsbereichen gesteuert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage in einem Kraftfahrzeug sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Betreibung einer Abgasnachbehandlungsanlage und ein Kraftfahrzeug.
Abgasnachbehandlungsanlagen werden in Kraftfahrzeugen mit Brennkraftmaschinen dazu verwendet, um die Emission von Schadstoffen, wie z. B. von Kohlenmonoxid, Stickoxiden, Rußpartikeln und dergleichen, zu reduzieren. In Abgasnachbehandlungsanlagen sind hierzu geeignete Abgaskatalysatoren bzw. Partikelfilter verbaut. Abgaskatalysatoren arbeiten dabei nur in bestimmten Temperaturfenstern effizient, d. h. nur in bestimmten Temperaturbereichen werden schädliche Abgasbestandteile effizient herausgefiltert. Auch für Partikelfilter gibt es bevorzugte Temperaturbereiche, in denen eine effiziente Zersetzung der gefilterten Partikel erfolgt. Insbesondere gibt es für Dieselpartikelfilter in der Regel einen Betriebstemperaturbereich für den Normalbetrieb sowie einen erhöhten Temperaturbereich zur aktiven Regeneration, in dem der Filter zeitweise betrieben wird, um die herausgefilterten Partikel abzubrennen.
Um einen effizienten Betriebspunkt einer Abgasnachbehandlungsanlage nach einer Auskühlung möglichst schnell wieder zu erreichen, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, die Enthalpie des Abgases zu erhöhen. Hierzu kann ein separater, über den Kraftstoff der Brennkraftmaschine betriebener Brenner im Abgasstrang verwendet werden. Ferner kann die Brennkraftmaschine in einen Heizstrategiemodus gebracht werden, welcher zu einer erhöhten Temperatur des Abgases und damit einer Erwärmung der Abgasnachbehandlungsanlage führt. Der Betrieb eines separaten Brenners führt zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch. Auch bei der Verwendung eines Heizstrategiemodus steigt der Kraftstoffverbrauch. Dies liegt daran, dass bei einer verbrennungsmotorischen Heizstrategie der Betrieb der Brennkraftmaschine (z. B. durch Androsselung zur Senkung des Massendurchsatzes bzw. eine nachgelagerte Einspritzung) derart verändert wird, dass der thermodynamische Wirkungsgrad der Maschine verschlechtert wird, was wiederum zu einer Kraftstoffzunahme führt.
In der Druckschrift DE 10 2008 000 607 A1 ist ein Verfahren zum Regenerieren einer Abgasnachbehandlungsanlage und insbesondere eines Partikelfilters beschrieben. Dabei wird die Motorlast des Fahrzeugs bei der Durchführung von Regenerationsvorgängen über gesteuerte Bremseingriffe erhöht und hierdurch ein für die Regeneration des Filters günstiger Betriebszustand erreicht.
In dem Dokument DE 10 2009 041 686 A1 wird ein Kaltstartsteuersystem für ein Kraftfahrzeug mit Brennkraftmaschine und Elektromotor beschrieben. Durch das Steuersystem wird in der Kaltstartphase das Drehmoment des Antriebs geeignet eingestellt. Die Einstellung erfolgt basierend auf einer geschätzten Wärme, die zur Erwärmung der Abgasanlage des Fahrzeugs auf eine vorbestimmte Temperatur erforderlich ist.
Die Druckschrift EP 2 211 045 A2 offenbart eine Abgasreinigungsvorrichtung mit Partikelfilter in einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmaschine und Elektromotor. Zum effizienten Betrieb der Abgasreinigungsvorrichtung wird das Drehmoment der Verbrennungsmaschine erhöht, wenn die Temperatur des Partikelfilters niedrig ist, wobei das erhöhte Drehmoment über den generatorischen Betrieb des Elektromotors aufgenommen wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Abgasnachbehandlungsanlage in einem Kraftfahrzeug derart zu betreiben, dass eine effiziente Schadstoffreduktion bei einem gleichzeitig geringen Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeugs erreicht wird.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 12 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage in einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug eine Brennkraftmaschine als Antriebsaggregat für einen Antriebsstrang und eine elektrische Maschine umfasst. Das Verfahren ist dabei für beliebige Arten von Kraftfahrzeugen, insbesondere PKWs, LKWs oder auch andere Arten von Fahrzeugen, wie z. B. Baumaschinen, einsetzbar.
Die elektrische Maschine des Kraftfahrzeugs erzeugt durch Kopplung an den Antriebsstrang im Schubbetrieb des Kraftfahrzeugs generatorisch elektrische Energie, mit der ein elektrischer Energiespeicher im Kraftfahrzeug, insbesondere eine Batterie, geladen werden kann. Der Schubbetrieb ist ein für motorisierte Fahrzeuge hinlänglich bekannter Fahrzustand, in dem die Brennkraftmaschine des Fahrzeugs über potentielle Energie (z. B. bei Bergabfahren) bzw. kinetische Energie (z. B. bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten) durch das Fahrzeug geschleppt wird. Die Abgasnachbehandlungsanlage des Fahrzeugs umfasst eine oder mehrere Nachbehandlungskomponenten, welche das durch die Brennkraftmaschine erzeugte Abgas zur Reduktion von Schadstoffen nachbehandeln. Solche Abgasnachbehandlungskomponenten sind insbesondere Katalysatoren und/oder Partikelfilter.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass im Schubbetrieb des Kraftfahrzeugs die durch die elektrische Maschine erzeugte elektrische Energie zumindest teilweise einem elektrischen Heizsystem mit einer oder mehreren Heizkomponenten zugeführt wird, welche die Abgasnachbehandlungsanlage und/oder das Abgas vor Eintritt in die Abgasnachbehandlungsanlage beheizen, wobei die Zufuhr der elektrischen Energie zu dem Heizsystem unter Berücksichtigung von den jeweiligen Nachbehandlungskomponenten zugeordneten Sollbetriebsbereichen erfolgt. Das heißt, die Steuerung der Energiezufuhr zum Heizsystem erfolgt basierend auf dem Kriterium, dass die Sollbetriebsbereiche erreicht bzw. gehalten werden.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass im Schubbetrieb des Kraftfahrzeugs, der zu einer Abkühlung des Abgases führt, die generatorisch erzeugte Leistung einer elektrischen Maschine aktiv zur Beheizung des Abgases bzw. der Abgasnachbehandlungsanlage genutzt werden kann, um somit den Betrieb der Nachbehandlungskomponenten in einem jeweiligen Sollbetriebsbereich zu gewährleisten.
Der Sollbetriebsbereich zeichnet sich dabei dadurch aus, dass in diesem Betriebsbereich die entsprechende Nachbehandlungskomponente einen besonders effizienten Abbau der Schadstoffe im Abgas bzw. eine besonders effiziente Zersetzung von gefilterten Partikeln gewährleistet. In einer bevorzugten Variante wird der Sollbetriebsbereich dabei durch einen vorbestimmten Temperaturbereich festgelegt. Der Sollbetriebsbereich kann gegebenenfalls je nach gewünschtem Betrieb der Nachbehandlungskomponente unterschiedlich sein, z. B. kann der Sollbetriebsbereich bei der Regeneration eines Partikelfilters in einem höheren Temperaturbereich als im Normalbetrieb des Filters liegen.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine erzeugte Energie gegebenenfalls unter Zwischenschaltung des elektrischen Energiespeichers dem Heizsystem zugeführt werden, d. h. die erzeugte Leistung wird dem elektrischen Energiespeicher zugeführt und von dort an das Heizsystem abgegeben. Alternativ oder zusätzlich besteht auch die Möglichkeit, dass die generatorisch erzeugte Energie von der elektrischen Maschine ohne Zwischenschaltung des elektrischen Energiespeichers (z. B. über einen Wechselrichter) an das Heizsystem abgegeben wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform für die Abgasnachbehandlungsanlage eines Hybridfahrzeugs eingesetzt. Dabei stellt die elektrische Maschine neben der Brennkraftmaschine des Fahrzeugs ein weiteres Antriebsaggregat für den Antriebsstrang dar, d. h. die Brennkraftmaschine und die elektrische Maschine sind Teil des Antriebsstrangs.
Zur geeigneten Steuerung der Beheizung des Heizsystems werden in einer besonders bevorzugten Ausführungsform als Regelgrößen die Temperatur des Abgases und/ oder der Enthalpiestrom (d. h. die Wärmemenge pro Zeiteinheit) des Abgases vor Eintritt in die Abgasnachbehandlungsanlage und/ oder an einer oder mehreren Stellen in der Abgasnachbehandlungsanlage bestimmt. Basierend auf diesen Regelgrößen wird dann die Zufuhr von elektrischer Energie zum Heizsystem gesteuert bzw. geregelt. Gegebenenfalls können dabei unterschiedliche Betriebsarten der einzelnen Nachbehandlungskomponenten berücksichtigt werden. Insbesondere kann bei der Aufheizphase einer Nachbehandlungskomponente die Beheizung durch das Heizsystem im Hinblick auf einen besonders hohen Enthalpiestrom eingestellt werden, wohingegen in einer Betriebsart, in der die Nachbehandlungskomponente lediglich warm gehalten wird, die Beheizung im Hinblick auf eine konstante Temperatur des Abgases erfolgt.
Eine besonders effiziente Nutzung der durch die elektrische Maschine erzeugten elektrischen Energie wird in einer bevorzugten Variante der Erfindung dadurch erreicht, dass im Falle, dass im Schubbetrieb des Kraftfahrzeugs der Energiespeicher voll geladen ist, die durch die Maschine erzeugte elektrische Energie dem Heizsystem zur Verfügung steht. Das heißt, es wird nur überschüssige elektrische Energie zur Beheizung des Heizsystems genutzt.
In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird im Falle, dass die bei voll geladenem Energiespeicher zur Verfügung stehende elektrische Energie nicht zur Erreichung der Sollbetriebsbereiche der jeweiligen Nachbehandlungskomponenten ausreicht, elektrische Energie aus dem Energiespeicher zur Zufuhr zu dem Heizsystem entnommen.
Da im Betrieb des Kraftfahrzeugs in der Regel ein voll geladener Zustand des elektrischen Energiespeichers wünschenswert ist, wird in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zu Beginn des Schubbetriebs zunächst der elektrische Energiespeicher über die elektrische Maschine voll geladen.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dem Heizsystem im Schubbetrieb intermittierend elektrische Energie aus dem elektrischen Energiespeicher durch Entladung desselben zugeführt, wobei der elektrische Energiespeicher nach Erreichen einer vorbestimmten Entladung wieder mittels der durch die elektrische Maschine erzeugten elektrischen Energie bis zu einem vorbestimmten Ladezustand aufgeladen wird. Der vorbestimmte Ladezustand kann dabei gegebenenfalls der voll geladene Zustand der Batterie sein. Der Zustand des Energiespeichers nach der vorbestimmten Entladung entspricht vorzugsweise nicht der komplett entladenen Batterie, sondern einer vorbestimmten prozentualen Entladung, welche in der Regel relativ klein gewählt wird (z.B. 10 % Entladung). Somit wird der elektrische Energiespeicher im Betrieb nicht zu stark entladen. Nichtsdestotrotz kann die Entladung gegebenenfalls auch variabel immer so weit erfolgen, bis alle Sollbetriebsbereiche der Nachbehandlungskomponenten erreicht sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann für Abgasnachbehandlungsanlagen mit verschiedenen Nachbehandlungskomponenten verwendet werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält die Abgasnachbehandlungsanlage einen oder mehrere Katalysatoren, insbesondere einen Dieseloxidationskatalysator, der auch als DOC-Katalysator (DOC = Diesel Oxidation Catalyst) bezeichnet wird, und/ oder einen SCR-Katalysator (SCR = Selective Catalytic Reduction). Ebenso kann die Abgasnachbehandlungsanlage gegebenenfalls einen Partikelfilter und insbesondere einen Dieselpartikelfilter umfassen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weisen eine oder mehrere der Nachbehandlungskomponenten jeweils mehrere Betriebsarten auf, wobei für die verschiedenen Betriebsarten unterschiedliche Sollbetriebsbereiche und/ oder unterschiedliche Arten zur Steuerung der Zufuhr von elektrischer Energie zu einer oder mehreren der Heizkomponenten festgelegt sind. Die Betriebsarten umfassen dabei vorzugsweise eine Erwärmung der jeweiligen Nachbehandlungskomponente und/oder ein Warmhalten der jeweiligen Nachbehandlungskomponente und/ oder eine Regeneration der jeweiligen Nachbehandlungskomponente. Beispielsweise kann für einen Partikelfilter und insbesondere einen Dieselpartikelfilter eine Betriebsart des Normalbetriebs bzw. der passiven Regeneration festgelegt werden, bei der in einem niedrigen Temperaturbereich eine gute Zersetzung der gefilterten Partikel erfolgt. Ferner kann für einen solchen Filter auch zusätzlich ein Sollbetriebsbereich mit erhöhter Temperatur zur aktiven Regeneration und damit zur besonders effizienten Zersetzung der gefilterten Partikel festgelegt sein. Bei der Betriebsart der Erwärmung (z. B. beim Start des Fahrzeugs) erfolgt die Beheizung des Abgases bzw. des Abgasstroms vorzugsweise im Hinblick auf einen sehr hohen Enthalpiestrom. Demgegenüber erfolgt die Beheizung in der Betriebsart des Warmhaltens (z. B. bei längerem Betrieb des Fahrzeugs) im Hinblick auf das Halten der Temperatur des Abgases.
Neben dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung ferner eine Vorrichtung zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage in einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug eine Brennkraftmaschine als Antriebsaggregat für einen Antriebsstrang und eine elektrische Maschine umfasst, welche durch Kopplung an den Antriebsstrang im Schubbetrieb des Kraftfahrzeugs generatorisch elektrische Energie erzeugt, mit der ein elektrischer Energiespeicher geladen werden kann. Die Abgasnachbehandlungsanlage umfasst eine oder mehrere Nachbehandlungskomponenten, welche das durch die Brennkraftmaschine erzeugte Abgas zur Reduktion von Schadstoffen nachbehandeln.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung beinhaltet eine Steuereinrichtung für ein elektrisches Heizsystem mit einer oder mehreren Heizkomponenten. Mit diesen Heizkomponenten ist die Abgasnachbehandlungsanlage und/ oder das Abgas vor Eintritt in die Abgasnachbehandlungsanlage beheizbar. Die Steuereinrichtung ist dabei derart ausgestaltet, dass im Schubbetrieb des Kraftfahrzeugs die durch die elektrische Maschine erzeugte elektrische Energie zumindest teilweise dem elektrischen Heizsystem zugeführt wird, wobei die Zufuhr der elektrischen Energie zu dem Heizsystem unter Berücksichtigung von den jeweiligen Nachbehandlungskomponenten zugeordneten Sollbetriebsbereichen gesteuert wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich somit durch eine als Hardware und/oder Software realisierte Steuereinrichtung aus, mit der die Abgasnachbehandlungsanlage basierend auf dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Kraftfahrzeug und insbesondere ein Hybridfahrzeug, welches die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben der Abgasnachbehandlungsanlage des Kraftfahrzeugs umfasst.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs, in dem eine Variante der Erfindung realisiert ist; und
2 und 3 Diagramme, welche den Ladezustand des elektrischen Energiespeichers des Fahrzeugs aus 1 im Betrieb der Abgasnachbehandlungsanlage basierend auf Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens verdeutlichen.
1 zeigt ein Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs in der Form eines Hybridfahrzeugs, in dem Komponenten zum erfindungsgemäßen Betrieb seiner Abgasnachbehandlungsanlage verbaut sind. Das Antriebssystem umfasst in an sich bekannter Weise eine Brennkraftmaschine 1, welche im Bereich der Vorderradachse 2 des Fahrzeugs vorgesehen ist. Die Brennkraftmaschine ist Teil des Antriebsstrangs des Fahrzeugs, der ferner eine elektrische Maschine 3 umfasst, die sowohl als Antriebsaggregat motorisch betrieben werden kann als auch generatorisch Energie aus dem Antriebsstrang in elektrische Energie umwandeln kann. Der Antriebsstrang beinhaltet ferner einen Wandler 4 sowie ein Getriebe 5, welche mit dem Abtrieb 6 verbunden sind, der zwei Hinterradachsen 601 und 602 aufweist. Die elektrische Maschine 3 ist über einen Wechselrichter 7 mit einer Hochvolt-Batterie 8 verbunden, über welche die elektrische Maschine 3 angetrieben werden kann bzw. welche durch elektrische Leistung aus der Maschine 3 geladen werden kann.
Das durch die Brennkraftmaschine 1 erzeugte Abgas wird an ein Abgasnachbehandlungssystem geleitet, welches in der Ausführungsform der 1 die drei Nachbehandlungskomponenten 9, 10 und 11 umfasst. Die Nachbehandlungskomponente 9 ist dabei ein DOC-Katalysator, die Nachbehandlungskomponente 10 ein Dieselpartikelfilter und die Nachbehandlungskomponente 11 ein SCR-Katalysator. Vor der ersten Nachbehandlungskomponente 9 ist ferner eine Heizkomponente 12 (z. B. eine Heizspirale) vorgesehen, die gestrichelt angedeutet ist und über eine Steuereinheit 16 gesteuert wird. Diese Heizkomponente dient dazu, das Abgas vor Eintritt in die Abgasnachbehandlungsanlage geeignet zu erwärmen. Die Steuereinheit 16 berücksichtigt bei der Steuerung der Heizkomponente 12 den Enthalpiestrom des Abgases, der über einen Enthalpiestromsensor 18 gemessen wird. Der Enthalpiestromsensor 18 sowie die weiteren Enthalpiestromsensoren 19 und 20 können derart realisiert werden, dass die Temperatur des Abgases erfasst wird und hieraus mittels der Charakteristik der Brennkraftmaschine die Wärmemenge pro Zeiteinheit bestimmt wird. Die Heizkomponente 12 wird über elektrische Energie aus der elektrischen Maschine 3 betrieben. Diese Energie wird über den Wechselrichter 7 zur Heizkomponente 12 geführt. Ferner kann Energie aus dem elektrischen Energiespeicher 8 zur Speisung der Heizkomponente entnommen werden.
Zusätzlich zu der Heizkomponente 12, die vor die Abgasnachbehandlungsanlage vorgesehen ist, sind in der Ausführungsform der 1 weitere Heizkomponenten 13, 14 und 15 vorhanden, welche auch als Heizspiralen realisiert sein können. Die Heizkomponente 13 dient dabei zur Beheizung des DOC-Katalysators 9, die Heizkomponente 14 zur Beheizung des Dieselpartikelfilters 10 und die Heizkomponente 15 zur Beheizung des SCR-Katalysators 11. Die Heizkomponenten 13 bis 15 werden über eine gemeinsame Steuereinheit 17 geeignet geregelt. In Analogie zur Heizkomponente 12 werden auch diese Heizkomponenten über die elektrische Maschine 3 bzw. die Batterie 8 gespeist. Zur geeigneten Steuerung der Beheizung der Nachbehandlungskomponenten 9 bis 11 sind ferner die weiteren Enthalpiestromsensoren 19 und 20 vorgesehen, welche in gleicher Weise wie der Enthalpiestromsensor 18 aufgebaut sind. Die Steuereinheiten 16 und 17 verwenden die gemessenen Enthalpieströme alr Regelgrößen, um das Abgas bzw. die Nachbehandlungskomponenten im Schubbetrieb des Fahrzeugs geeignet zu erwärmen, so dass eine ausreichend hohe Betriebstemperatur der Komponenten für einen effizienten Abbau der Schadstoffe gewährleistet wird.
2 zeigt den Betrieb des Kraftfahrzeugs bei einer Bergauffahrt und einer anschließenden langen Bergabfahrt, wie im unteren Diagramm der Figur verdeutlicht ist. Dabei bezeichnet t die Zeitachse und h das Höhenprofil der Fahrt. Die Bergauffahrt ist durch den Pfeil P1 und die Bergabfahrt durch den Pfeil P2 verdeutlicht. Die Bergauffahrt findet zwischen den Betriebspunkten A und B und die Bergabfahrt zwischen den Betriebspunkten B und D statt. Im oberen Diagramm der 2 ist dabei der Ladezustand SOC (SOC = State of Charge) der Batterie 8 des Fahrzeugs dargestellt. Während der Bergauffahrt zwischen den Betriebspunkten A und B nimmt der Ladezustand der Batterie ab, da die Last des Verbrennungsmotors 1 durch Unterstützung der elektrischen Maschine 8 abgesenkt wird. Nach Abschluss der Bergauffahrt hat der Ladezustand der Batterie vom Niveau SOC_max auf das Niveau SOC_min abgenommen.
In der hier beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im anschließenden Schubbetrieb im Rahmen der Bergabfahrt zunächst die Batterie 8 des Fahrzeugs über den generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine 3 voll geladen. Dies erfolgt zwischen den Betriebszuständen B und C. Die Batterie ist dabei schon in kurzer Zeit voll geladen, so dass im Rahmen der Bergabfahrt die generatorisch erzeugte Energie nicht mehr zur Ladung der Batterie genutzt werden kann. Erfindungsgemäß wird nunmehr die rekuperierte Energie dazu verwendet, um in geeigneter Weise mittels der Steuereinheiten 16 und 17 die Heizkomponenten 12 bis 15 zu beheizen, so dass sich das im Rahmen der Bergabfahrt abkühlende Abgas der Brennkraftmaschine wieder erwärmt und somit ein effizienter Betriebsbereich der einzelnen Nachbehandlungskomponenten sichergestellt wird. Die rekuperierte Energie wird dabei von der elektrischen Maschine 3 über den Wechselrichter 7 in die Steuereinheiten 16 und 17 geführt. Von dort aus werden die einzelnen elektrischen Heizkomponenten 12 bis 15 zur Beheizung des Abgases bzw. der Nachbehandlungskomponenten mit Energie versorgt.
Bei der Beheizung können gegebenenfalls verschiedene Betriebsarten bzw. Betriebsstrategien für die einzelnen Nachbehandlungskomponenten vorgegeben sein. Diese Strategien umfassen insbesondere die Strategien Erwärmung, Warmhaltung und Regeneration. Die Strategie Erwärmung wird insbesondere bei kalter Abgasnachbehandlungsanlage, z. B. nach Start der Brennkraftmaschine, genutzt und führt zu einer Beheizung der Heizkomponenten derart, dass ein möglichst hoher Enthalpiestrom zur schnellen Erwärmung der Abgasnachbehandlungsanlage erzeugt wird. Die Strategie Warmhaltung wird dazu genutzt, um die bereits erwärmte Abgasnachbehandlungsanlage auf Temperatur zu halten. Gemäß dieser Strategie wird versucht, die Temperatur des Abgases auf einem vorbestimmten Niveau zu halten. Die Strategie Regeneration betrifft insbesondere den Dieselpartikelfilter 10. In dieser Betriebsart wird eine deutlich höhere Betriebstemperatur dieses Filters als im Normalbetrieb erzeugt, um hierdurch ein schnelles Abbrennen der gefilterten Partikel und damit eine Reinigung des Filters zu bewirken. Bei der Regeneration wird somit die Beheizung der Heizkomponente 14 stark erhöht, um das höhere Temperaturniveau, welches bei ca. 580 bis 620 °C liegt, zu erreichen bzw. zu halten.
In dem Szenario der 2 wird davon ausgegangen, dass nach vollständiger Ladung der Batterie im Betriebszustand C die im Rahmen der weiteren Bergabfahrt rekuperierte Energie ausreichend ist, um die Heizkomponenten derart zu beheizen, dass die Abgasnachbehandlungsanlage effizient betrieben wird. Sollte diese Energie nicht ausreichen, wird in einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zusätzlich Energie über den Energiespeicher 8 zugeführt. Dies wird in dem Szenario der 3 verdeutlicht. Die dort dargestellten Diagramme entsprechen den Diagrammen der 2. Insbesondere ist wiederum eine Bergauffahrt zwischen den Betriebspunkten A und B und eine Bergabfahrt zwischen den Betriebspunkten B und D dargestellt. Ebenso erfolgt zu Beginn der Bergabfahrt zunächst die vollständige Ladung des Energiespeichers 8 zwischen den Betriebspunkten B und C. Im Unterschied zu 2 wird in 3 nach Erreichen des Betriebspunkts C ein intermittierender Betrieb durchgeführt, bei dem zur Beheizung der Heizkomponenten 12 bis 15 zusätzlich zu der über die elektrische Maschine 3 rekuperierten Energie elektrische Leistung aus der Batterie 8 entnommen wird, was zu deren Entladung bis zu dem Ladezustand SOC_min führt (durchgezogener Pfeil). Anschließend wird die Batterie dann wieder durch die Energie der elektrischen Maschine bis zum Ladezustand SOC_max geladen, was durch einen gestrichelten Pfeil angedeutet ist. Dieser Vorgang wiederholt sich dann bis zum Ende der Bergabfahrt.
In einer bevorzugten Variante wird die Batterie im Szenario der 3 immer soweit entladen, bis der effiziente Betrieb der Abgasnachbehandlung gewährleistet ist, d. h. bis entsprechende Sollbetriebsbereiche bzw. Solltemperaturen der Nachbehandlungskomponenten erreicht sind. Ist die Bergabfahrt gemäß 3 schließlich im Betriebspunkt D abgeschlossen, ist die Betriebstemperatur der einzelnen Nachbehandlungskomponenten dann so hoch, dass eine Abgasnachbehandlung mit hohen Konvertierungsraten durchgeführt wird. Eine Aufheizstrategie ist dann nicht mehr erforderlich und kann dann deaktiviert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere wird die im Schubbetrieb rekuperierte Energie einer elektrischen Maschine effizient dazu genutzt, um eine Abgasnachbehandlungsanlage effizient durch Beheizung des Abgases bzw. der Abgasnachbehandlungsanlage zu betreiben. Dabei ist es nicht erforderlich, die verbrennungsmotorische Heizstrategie des Fahrzeugs anzupassen bzw. Kraftstoff in einem separaten Brenner zu verbrauchen. Demzufolge wird ein energieeffizienter Betrieb der Abgasnachbehandlungsanlage gewährleistet.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Vorderradachse
3: Elektrische Maschine
4: Wandler
5: Getriebe
6: Abtrieb
601, 602: Hinterradachsen
7: Wechselrichter
8: elektrischer Energiespeicher
9: DOC-Katalysator
10: Dieselpartikelfilter
11: SCR-Katalysator
12, 13, 14, 15: Heizeinheiten
16, 17: Steuereinheiten
18, 19, 20: Enthalpiestromsensor
SOC: Ladeszustand der Batterie
SOC_min: minimaler Ladezustand
SOC_max: maximaler Ladezustand
A, B, C, D: Betriebspunkte
h: Höhe
t: Zeit
P1, P2: Pfeile

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008000607 A1 [0004]
DE 102009041686 A1 [0005]
EP 2211045 A2 [0006]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage in einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug eine Brennkraftmaschine (1) als Antriebsaggregat für einen Antriebsstrang und eine elektrische Maschine (3) umfasst, welche durch Kopplung an den Antriebsstrang im Schubbetrieb des Kraftfahrzeugs generatorisch elektrische Energie erzeugt, mit der ein elektrischer Energiespeicher (8) geladen werden kann, wobei die Abgasnachbehandlungsanlage eine oder mehrere Nachbehandlungskomponenten (9, 10, 11) umfasst, welche das durch die Brennkraftmaschine (1) erzeugte Abgas zur Reduktion von Schadstoffen nachbehandeln, dadurch gekennzeichnet, dass im Schubbetrieb des Kraftfahrzeugs die durch die elektrische Maschine (3) erzeugte elektrische Energie zumindest teilweise einem elektrischen Heizsystem mit einer oder mehreren Heizkomponenten (12, 13, 14, 15) zugeführt wird, welche die Abgasnachbehandlungsanlage und/ oder das Abgas vor Eintritt in die Abgasnachbehandlungsanlage beheizen, wobei die Zufuhr der elektrischen Energie zu dem Heizsystem unter Berücksichtigung von den jeweiligen Nachbehandlungskomponenten (9, 10, 11) zugeordneten Sollbetriebsbereichen gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungsanlage eines Hybridfahrzeugs betrieben wird, in dem die elektrische Maschine (3) ein weiteres Antriebsaggregat für den Antriebsstrang darstellt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Abgases und/ oder der Enthalpiestrom des Abgases vor Eintritt in die Abgasnachbehandlungsanlage und/ oder an einer oder mehreren Stellen in der Abgasnachbehandlungsanlage bestimmt wird und basierend auf der Temperatur und/ oder dem Enthalpiestrom die Zufuhr von elektrischer Energie zum Heizsystem gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollbetriebsbereich einer oder mehrerer der Nachbehandlungskomponenten (9, 10, 11) durch einen Solltemperaturbereich spezifiziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle, dass im Schubbetrieb des Kraftfahrzeugs der Energiespeicher (8) voll geladen ist, die durch die elektrische Maschine (3) erzeugte elektrische Energie dem Heizsystem zur Verfügung steht.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle, dass die bei voll geladenem Energiespeicher (8) zur Verfügung stehende elektrische Energie nicht zur Erreichung der Sollbetriebsbereiche der jeweiligen Nachbehandlungskomponenten (9, 10, 11) ausreicht, elektrische Energie aus dem elektrischen Energiespeicher (8) zur Zufuhr zu dem Heizsystem entnommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn des Schubbetriebs zunächst der elektrische Energiespeicher (8) über die elektrische Maschine (3) voll geladen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Heizsystem im Schubbetrieb intermittierend elektrische Energie aus dem elektrischen Energiespeicher (8) durch Entladung zugeführt wird, wobei der elektrische Energiespeicher (8) nach Erreichen einer vorbestimmten Entladung wieder mittels der durch die elektrische Maschine (3) erzeugten elektrischen Energie bis zu einem vorbestimmten Ladezustand aufgeladen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgasnachbehandlungsanlage betrieben wird, welche eine oder mehrere der folgenden Abgasnachbehandlungskomponenten (9, 10, 11) umfasst: – einen oder mehrere Katalysatoren (9, 11), insbesondere einen DOC-Katalysator und/ oder eine SCR-Katalysator; – einen Partikelfilter (10), insbesondere einen Dieselpartikelfilter.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der Nachbehandlungskomponenten (9, 10, 11) jeweils mehrere Betriebsarten aufweisen, wobei für die verschiedenen Betriebsarten unterschiedliche Sollbetriebsbereiche und/ oder unterschiedliche Arten zur Steuerung der Zufuhr von elektrischer Energie zu einer oder mehreren der Heizkomponenten (12, 13, 14, 15) festlegt sind.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsarten eine Erwärmung der jeweiligen Nachbehandlungskomponente (9, 10, 11) und/ oder ein Warmhalten der jeweiligen Nachbehandlungskomponente (9, 10, 11) und/ oder eine Regeneration der jeweiligen Nachbehandlungskomponente (9, 10, 11) umfassen.
Vorrichtung zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage in einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug eine Brennkraftmaschine (1) als Antriebsaggregat für einen Antriebsstrang und eine elektrische Maschine (3) umfasst, welche durch Kopplung an den Antriebsstrang im Schubbetrieb des Kraftfahrzeugs generatorisch elektrische Energie erzeugt, mit der ein elektrischer Energiespeicher (8) geladen werden kann, wobei die Abgasnachbehandlungsanlage eine oder mehrere Nachbehandlungskomponenten (9, 10, 11) umfasst, welche das durch die Brennkraftmaschine (1) erzeugte Abgas zur Reduktion von Schadstoffen nachbehandeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Steuereinrichtung (16, 17) für ein elektrisches Heizsystem mit einer oder mehreren Heizkomponenten (12, 13, 14, 15) umfasst, mit denen die Abgasnachbehandlungsanlage und/ oder das Abgas vor Eintritt in die Abgasnachbehandlungsanlage beheizbar ist, wobei die Steuereinrichtung (16, 17) derart ausgestaltet ist, dass im Schubbetrieb des Kraftfahrzeugs die durch die elektrische Maschine (3) erzeugte elektrische Energie zumindest teilweise dem elektrischen Heizsystem zugeführt wird, wobei die Zufuhr der elektrischen Energie zu dem Heizsystem unter Berücksichtigung von den jeweiligen Nachbehandlungskomponenten (9, 10, 11) zugeordneten Sollbetriebsbereichen gesteuert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart ausgestaltet ist, dass ein Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11 mit der Vorrichtung durchführbar ist.
Kraftfahrzeug, insbesondere Hybridfahrzeug, umfassend eine Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13.