DE102015005650A1

DE102015005650A1 - Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102015005650A1
Application number: DE102015005650.6A
Authority: DE
Inventors: Michael Stiller; Mikolaj Gorniak
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2015-04-30
Publication date: 2015-12-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage eines Fahrzeugs, bei welchem Kraftstoff in das Abgas eingebracht und dadurch die Temperatur eines in der Abgasanlage angeordneten Partikelfilters auf einen Wert erhöht wird, bei welchem in dem Partikelfilter Ruß abbrennt. Beim Einbringen des Kraftstoffs in das Abgas wird wenigstens ein Parameter (42, 48) berücksichtigt, welcher einen Einfluss auf die Umsetzung von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid an einem Oxidationskatalysator hat, welcher stromaufwärts des Partikelfilters angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage eines Fahrzeugs. Hierbei wird Kraftstoff in das Abgas eingebracht. Dadurch wird die Temperatur eines in der Abgasanlage angeordneten Partikelfilters auf einen Wert erhöht, bei welchem in dem Partikelfilter Ruß oxidieren kann.
Mit Einführung zunehmend strengerer Abgasnormen für Fahrzeuge mit Dieselmotoren geht eine zunehmend restriktivere Reglementierung der mit dem Abgas in die Umwelt abgegebenen Partikel einher. Es sind daher geeignete Möglichkeiten zur Reduzierung der Partikelemissionen oder Rußemissionen vorzusehen. In diesem Zusammenhang hat sich der Partikelfilter durchgesetzt, welcher bei einem Fahrzeug mit Dieselmotor auch als Dieselpartikelfilter (DPF) bezeichnet wird.
Im Abgas vorhandene Rußpartikel werden im Partikelfilter abgeschieden und setzen diesen mit der Zeit zu. Dies führt zu einem Anstieg des Abgasgegendrucks. Der Partikelfilter muss aus diesem Grund regeneriert werden, indem der Ruß im Partikelfilter oxidiert bzw. abgebrannt wird.
In diesem Zusammenhang beschreibt beispielsweise die WO 2007/126592 A1 ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem Partikelfilter und einem Katalysator, bei welchem es sich um einen Dieseloxidationskatalysator (diesel oxidation catalyst, DOC) handelt kann. Des Weiteren ist ein Heizsystem vorgesehen, um periodisch die Temperatur des Partikelfilters zu erhöhen und so ein Regenerieren des Partikelfilters zu bewirken. Hierfür können Motorbetriebsparameter mittels eines Steuergeräts geregelt werden, etwa das Einbringen von Kraftstoff in den Motor. Beispielsweise kann eine späte Nacheinspritzung vorgenommen werden, und das Luft-Kraftstoffverhältnis kann verändert werden.
Beim Regenerieren eines Partikelfilters wird zwischen einer aktiven und einer passiven Regeneration unterschieden. Für eine aktive Regeneration durch Oxidation von abgelagertem Ruß mittels Sauerstoff ist eine vergleichsweise hohe Abgastemperatur erforderlich.
Bei der passiven Regeneration mittels Stickstoffdioxid sind bereits wesentlich niedrigere Temperaturen als bei der aktiven Regeneration ausreichend. Ein zufriedenstellender Ablauf ist bereits bei Temperaturen ab 250°C möglich. Für eine passive Regeneration wird innermotorisch erzeugtes Stickstoffmonoxid in beispielsweise einem Diesel-Oxidationskatalysator (DOC) zu Stickstoffdioxid oxidiert, welches dann für die Ruß-Oxidation im Partikelfilter bereitsteht. Die Temperatur, ab welcher eine wirksame Oxidation von Stickstoffmonoxid an einem Oxidationskatalysator erfolgen kann ist dabei u. a. abhängig von seiner Ausführungsform. Eine maximale Wirksamkeit wird typischerweise zwischen 250°C und 350°C erreicht, sie nimmt jedoch aus thermodynamischen Gründen mit zunehmender Temperatur ab.
Bei einer späten Nacheinspritzung für eine aktive Regeneration wird Kraftstoff sehr spät innermotorisch eingespritzt. Eine solche späte Nacheinspritzung wird auch als late-post Einspritzung bezeichnet. Die in den Verbrennungsmotor eingespritzte Menge an Kraftstoff brennt hierbei nicht mit, sondern sie dient zur exothermen Temperaturerhöhung im Oxidationskatalysator. Um die für eine aktive Regeneration hohe Temperatur von typischerweise mehr als 550°C stromabwärts des Oxidationskatalysators zu erreichen, werden üblicherweise vergleichsweise große Einspritzmengen benötigt. Dies ist mit sogenannten Common-Rail-Systemen über Mehrfacheinspritzung realisierbar. Das Common-Rail-System ist hierbei dazu in der Lage, wenigstens zwei Einspritzvorgänge, nämlich jeweils eine Einspritzung für die Hauptverbrennung und für die späte Nacheinspritzung oder late-post durchzuführen.
Für die Hauptverbrennung im Verdichtungstakt des Verbrennungsmotors wird ein relativ hoher Druck des eingespritzten Kraftstoffs benötigt, damit eine gute Zerstäubung und eine rußarme Verbrennung stattfinden kann. Wenn dieser Druck auch für die späte Nacheinspritzung anliegt, so wird auch die late-post-Menge bei hohem Druck in den Verbrennungsmotor eingebracht. Hinzu kommt, dass der Druck im Zylinder des Verbrennungsmotors nahe dem unteren Totpunkt sehr gering ist und der Kraftstoff gegen die Zylinderwand gespritzt wird. Aufgrund der Kolbenbewegung wird dann der Kraftstoff von der Zylinderwand abgewaschen und ins Motoröl eingebracht. Durch ein Aufteilen der late-post kann dieser Effekt leicht abgeschwächt, jedoch nicht gänzlich verhindert werden.
Eine häufige aktive Regeneration unter Anwendung einer späten Nacheinspritzung führt daher im Allgemeinen zu einer erhöhten Verdünnung des Motoröls und zu einer Verschlechterung der Ölqualität. Dies bringt es mit sich, dass das Motoröl vergleichsweise frühzeitig gewechselt werden muss.
Zur Vermeidung von Ölverdünnung wurde vorgeschlagen, Kraftstoff mittels eines separaten Sekundär-Kraftstoff-Einspritzventils insbesondere stromauf des Oxidationskatalysators direkt in den Abgasstrang einzuspritzen (so genannte Sekundäreinspritzung). Dies hat jedoch unter anderem den Nachteil eines erhöhten apparativen Aufwands sowie einer verschlechterten Kraftstoffaufbereitung.
Wenn die Abgasanlage ein Abgasrückführungssystem umfasst, ist bei der späten Nacheinspritzung des Weiteren dafür zu sorgen, dass dieses Abgasrückführungssystem möglichst nicht mit erhöhten Mengen an Kohlenwasserstoffen aus dem Kraftstoff beaufschlagt wird. Ansonsten fällt nämlich die Leistung ab, oder es kann zu mechanischen Schäden kommen. Dies gilt insbesondere für Komponenten des Abgasrückführungssystems wie einen Abgasrückführungskühler, ein Abgasrückführungsventil und die entsprechenden Rohre.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird beim Einbringen des Kraftstoffs in das Abgas wenigstens ein Parameter berücksichtigt, welcher einen Einfluss auf die Umsetzung von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid an einem Oxidationskatalysator hat, welcher stromaufwärts des Partikelfilters angeordnet ist. Mit anderen Worten wird trotz des Einbringens von Kraftstoff in das Abgas zum Zwecke des Erhöhens der Temperatur auf den Wert, bei welchem in dem Partikelfilter Ruß abbrennt, darauf geachtet, dass im Oxidationskatalysator ausreichend viel Stickstoffdioxid erzeugt wird, um mit Hilfe des Stickstoffdioxids für den Rußabbrand im Rahmen einer passiven Regeneration zu sorgen.
Es werden also insbesondere die Bedingungen für eine späte Nacheinspritzung und für die passive Regeneration verbessert. So lassen sich die ungünstigen Folgen einer späten Nacheinspritzung wie etwa die Ölverdünnung sowie gegebenenfalls das Versotten des Abgasrückführungssystems abschwächen.
Bei höheren Lasten, wie sie beispielsweise bei der Fahrt mit dem Fahrzeug auf einer Autobahn, einer hohen Beladung oder Tonnage, aufgrund der Topographie und in Abhängigkeit vom Fahrzeug auftreten können, ist das Abgas üblicherweise ausreichend heiß, so dass die passive Regeneration stattfinden kann. Im Bereich niedriger Lasten reicht demgegenüber die ohne ein Einbringen von Kraftstoff in das Abgas erreichbare Temperatur des Abgases nicht mehr für die passive Regeneration aus. Dies führt dazu, dass sich der Ruß im Partikelfilter kontinuierlich ansammelt, so dass Maßnahmen zum Einbringen von Kraftstoff in das Abgas ergriffen werden, um die Temperaturerhöhung zu erreichen.
Insbesondere um die passive Regeneration bei niedrigen Lasten mit einem als Dieselmotor ausgebildeten Verbrennungsmotor umzusetzen und zu beschleunigen, gilt es daher sowohl die innermotorische Stickoxidproduktion zu steigern als auch die Abgastemperatur zu erhöhen. Um dies zu ermöglichen wird ein Teil des in das Abgas eingebrachten Kraftstoffs am Oxidationskatalysator exotherm umgesetzt.
Der Kraftstoff kann hierbei alternativ oder zusätzlich auch durch ein Sekundär-Kraftstoff-Einspritzventil zudosiert werden. Hierdurch können zwar die Probleme der Ölverdünnung durch Kraftstoffeintrag über den Wandfilm sowie bei einem Verbrennungsmotor mit Abgasrückführung die Probleme der Versottung des Abgasrückführungspfads aufgrund des Auskondensierens von Kohlenwasserstoffen umgangen werden. Jedoch bringt eine zusätzliche Einspritzdüse, insbesondere stromabwärts einer Turbine eines Abgasturboladers, erhöhte Kosten mit sich.
Bevorzugt wird daher vorliegend der Kraftstoff mittels einer nach einem oberen Totpunkt des Verdichtungstakts des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs stattfindenden Nacheinspritzung in das Abgas eingebracht. Diese Nacheinspritzung wird auch als späte Nacheinspritzung oder late-post bezeichnet. Dieses innermotorische Einbringen des Kraftstoffs über die späte Nacheinspritzung führt dazu, dass der Kraftstoff entweder gar nicht oder nur teilweise mitbrennt. Hierfür kann der Kraftstoff beispielsweise zwischen etwa 100°KW bis etwa 180°KW nach dem oberen Totpunkt eingebracht werden.
Das Einbringen von Kohlenwasserstoffen in das Abgas hemmt jedoch die Stickstoffdioxidproduktion und verbraucht im Oxidationskatalysator Sauerstoff. Daher werden vorliegend beim Einbringen des Kraftstoffs in das Abgas Parameter berücksichtigt, welche die Umsetzung von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid am Oxidationskatalysator begünstigten.
Bevorzugt wird bei der späten, also nach dem oberen Totpunkt des Verdichtungstakts stattfindenden Nacheinspritzung der Druck, mit welchem der Kraftstoff in den Verbrennungsmotor eingebracht wird, gegenüber einer Haupteinspritzung verringert. Dies beruht auf der Erkenntnis, dass die Ölverdünnung maßgeblich durch den Einspritzdruck beeinflusst wird. Daher wird bevorzugt der Einspritzdruck in allen Betriebspunkten herabgesetzt. Der Einspritzdruck wird gegenüber der Normalverbrennung vorzugsweise auf ein vorgebbares Minimum reduziert. Bei druckverstärkten Einspritzsystemen, ist der Druckverstärker für die Nacheinspritzung vorzugsweise ausgeschaltet Größere Nacheinspritzmengen können durch zeitlich versetzte (gesplittete) einzelne, nacheinander stattfindende Nacheinspritzvorgänge realisiert werden. Als weitere Möglichkeit kann der Kraftstoff auch außermotorisch mit einem Sekundär Sekundär-Krafstoffeinspritzventil eingebracht werden.
Wenn bei dem Fahrzeug ein Abgasrückführungspfad vorhanden ist, wird bevorzugt ein Abgasrückführungsventil geschlossen und so der Versottung des Abgasrückführungspfads entgegen gewirkt. Das Schließen des Abgasrückführungsventils bewirkt des Weiteren eine erwünschte Steigerung der Stickoxid-Rohemissionen sowie eine Reduzierung der Rußemissionen.
Die Steigerung der Stickoxid-Rohemissionen und die Reduzierung der Rußemissionen können zusätzlich noch durch eine frühe, also vor dem oberen Totpunkt stattfindende Haupteinspritzung verbessert werden. Im Idealfall kann hierbei der Zylinder-Spitzendruck voll ausgenutzt werden.
Bei turboaufgeladenen Motoren kann sich sich bei einem Betriebspunktwechsel ein Luftmangelbetrieb ergeben. Hierbei ist die Verbrennung insbesondere bei späten Verbrennungslagen, meist nicht mehr stabil darstellbar. In diesem Fall hat es sich als günstig erwiesen, eine sehr frühe rußarme Verbrennungslage zu wählen und damit eine hohe Stickoxid-Rohemission zu erzeugen. Im Luftmangelbetrieb 115 werden bevorzugt alle Drosselungen aufgehoben, das Wastegate geschlossen und die Ventil-Steuerzeiten für eine optimale Zylinderfüllung eingestellt, so dass ein maximal schneller Ladedruckaufbau erfolgen kann. Die Nacheinspritzungsregelung bzw. Sekundärkraftstoffeinspritzung ist dabei unabhängig von diesem Vorgang.
Wenn die Abgasanlage einen SCR-Katalysator umfasst (SCR = selective catalytic reduction, selektive katalytische Reduktion), so wird bevorzugt des Weiteren der maximale SCR-Umsatz beachtet. Der Grund liegt darin, dass erhöhte Abgastemperaturen zu einem Abfall der Umsetzung von Stickoxiden mit Ammoniak im SCR-Katalysator in einer selektiven katalytischen Reduktionsreaktion führen. Des Weiteren können die erhöhten Abgastemperaturen die motorischen Zielwerte für Stickoxide limitieren. Bevorzugt erfolgt daher eine Regelung der Stickoxid-Rohemissionen in Abhängigkeit vom Wirkungsgrad des SCR-Katalysators. So kann stets eine maximale Stickoxid-Rohemission erreicht werden.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn eine Menge des in das Abgas einzubringenden Kraftstoffs so bemessen wird, dass im Partikelfilter eine Temperatur von etwa 400°C bis etwa 450°C eingestellt wird. Eine erhebliche Reduzierung der Ölverdünnung kann nämlich erreicht werden, indem geringere Mengen an Kraftstoff über die späte Nacheinspritzung für den passiven Rußabbrand zur Verfügung gestellt werden. Hierfür kann die Zieltemperatur des Partikelfilters auf Werte aus dem genannten Bereich herabgesetzt werden, anstatt den Partikelfilter auf eine Temperatur in dem Bereich zwischen 500°C und 650°C zu bringen.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, das Verbrennungsluftverhältnis zu reduzieren, etwa indem der Motor gedrosselt wird und zwar bevorzugt im Abgaspfad und im Luftpfad. Auch können die Steuerzeiten von Ventilen des Verbrennungsmotors angepasst werden, falls ein variabler Ventiltrieb vorhanden ist. Des Weiteren kann zur Reduktion des Verbrennungsluftverhältnisses ein sogenanntes Wastegate geöffnet werden, also eine Umgehungsleitung um ein Turbinenrad eines Abgasturboladers. Denn dies bringt eine Verringerung des Ladedrucks mit sich. Eine Reduzierung des Verbrennungsluftverhältnisses kann auch über einen Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie erreicht werden, mittels welcher sich der Ladedruck herabsetzen lässt. Insbesondere derartige Maßnahmen führen zu verbesserten Bedingungen bei der Umsetzung der passiven Regeneration. Die genannten Maßnahmen können insbesondere im stationären Betrieb des Verbrennungsmotors sogar ausreichend sein, so dass keine späte Nacheinspritzung benötigt wird.
Insbesondere im Übergangsbetrieb oder Transientbetrieb ist die Abgastemperatur jedoch geringer, da im Luftmangelbetrieb stationäre Einstellungen des Thermomanagements nicht stabil sind. Zudem führen Schubphasen und ein Leerlauf zum Auskühlen des Abgases. Besonders kritisch ist in diesem Zusammenhang eine stark transiente, innerstädtische Fahrweise mit geringer Tonnage, bei einem Stopp-und-Go-Verkehr oder bei einem häufigen Abstellen des Fahrzeugs. Bei derartigen Betriebszuständen wird zum Unterstützen des Regenerierens des Partikelfilters der Kraftstoff in das Abgas eingebracht, und zwar bevorzugt über die späte Nacheinspritzung. So gelangen unverbrannte Kohlenwasserstoffe in den Abgastrakt, welche dann im Oxidationskatalysator unter Wärmefreisetzung oxidiert werden können. Die einzuspritzende Menge kann hierbei auf eine festgelegte Zieltemperatur hin berechnet werden. Da diese Art der Temperaturerhöhung jedoch die Produktion des für die passive Regeneration wichtigen Stickstoffdioxids hemmt, werden bevorzugt Maßnahmen zur Regelung umgesetzt, welche zugleich zu einer hohen Ausbeute an Stickstoffdioxid bei immer noch ausreichend hoher Temperatur des Partikelfilters führen.
Bevorzugt wird daher das Einbringen des Kraftstoffs in das Abgas unterbunden, wenn die Temperatur des Oxidationskatalysators geringer ist als eine Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators oder größer als eine vorbestimmte Austrittstemperatur des Oxidationskatalysators. Die Anspringtemperatur wird auch als Light-off-Temperatur bezeichnet, und die Austrittstemperatur bezeichnet die Temperatur des Abgases am Auslass des Oxidationskatalysators. Auf diese Weise wird dafür gesorgt, dass lediglich dann Kraftstoff in das Abgas eingebracht wird, wenn der Oxidationskatalysator überhaupt in ausreichendem Maße dazu in der Lage ist, Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid umzusetzen.
Des Weiteren wird das Einbringen des Kraftstoffs bevorzugt dann unterbunden, wenn eine im Abgas vorhandene Menge an Sauerstoff geringer ist als eine zum Oxidieren des einzubringenden Kraftstoffs vorzusehende Menge an Sauerstoff. Mit anderen Worten wird die Nacheinspritzung dann abgeschaltet, wenn nicht genügend Restsauerstoff zur Oxidation von Kohlenwasserstoffen in dem Abgas vorhanden ist. Hierbei kann die maximal einzubringende Menge an Kraftstoff berechnet und mit der bereits eingespritzten Menge an Kraftstoff verglichen werden. Über das Verbrennungsluftverhältnis kann die maximal einzubringende Kraftstoffmenge beeinflusst werden.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, eine Menge des in das Abgas einzubringenden Kraftstoffs in Abhängigkeit von einer im Abgas vorhandenen Menge an Sauerstoff zu erhöhen. Dies kann geschehen, indem eine Verstärkungsfunktion implementiert wird, welche bei hohem Sauerstoffüberschuss die Einspritzmenge deutlich erhöht. In der Verstärkungsfunktion vorhandene Faktoren können hierbei beliebig angepasst werden, und sie erlauben die Anpassung der Regelung an verschiedene Arten von Verbrennungsmotoren.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn zum Bestimmen eines Zeitpunkts, in welchem der Kraftstoff in das Abgas eingebracht wird, ein Kennfeld herangezogen wird. In dem Kennfeld können insbesondere eine Drehzahl und/oder ein Drehmoment des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs berücksichtigt werden. Durch das Heranziehen dieses Kennfelds kann der Einspritzzeitpunkt besonders einfach automatisch ermittelt werden. Bei Motoren mit variablem Ventiltrieb ist es vorteilhaft, den Einspritzzeitpunkt abhängig von den Ventil-Steuerzeiten einzustellen. Vorteilhaft ist auch eine von der Zylindertemperatur abhängige Berechnung des Einspritzzeitpunkts.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn eine Menge des in das Abgas einzubringenden Kraftstoffs in Abhängigkeit von einem Gradienten einer Temperatur des Abgases an einem Auslass des Oxidationskatalysators bestimmt wird. Durch ein solches Überwachen des Temperaturgradienten am Auslass des Oxidationskatalysators kann die Maximaltemperatur angehoben werden, ohne dass Abstriche bei der Bauteilsicherheit im Hinblick auf den Oxidationskatalysator gemacht zu werden brauchen. Steigt die Temperatur nämlich zu rasch an, so kann die späte Nacheinspritzung ausgesetzt werden, bis der Temperaturgradient wieder kleiner wird.
Des Weiteren kann eine Schaltung realisiert werden, welche bei einem stark negativen Gradienten die Nacheinspritzung auch oberhalb der Maximaltemperatur wieder zuschaltet. So kann dazu beigetragen werden, dass ein hohes Temperaturniveau gehalten wird.
Auch bei der generellen Regelstrategie der Nacheinspritzung können unterschiedliche Möglichkeiten realisiert werden. Beispielsweise kann eine Menge des in das Abgas einzubringenden Kraftstoffs in Abhängigkeit von einer Temperatur des Abgases an einem Einlass des Oxidationskatalysators und in Abhängigkeit von einem Drehmoment des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs bestimmt werden. Es kann also über das Drehmoment und die Eintrittstemperatur am Oxidationskatalysator geregelt werden. Wird entsprechend ein höheres Drehmoment abgerufen oder liegt einlassseitig am Oxidationskatalysator eine höhere Temperatur vor als sie durch einen Grenzwert angegeben ist, so wird das Einbringen des Kraftstoffs in das Abgas unterbunden, etwa durch Abschalten der Nacheinspritzung.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, als weitere Möglichkeit der generellen Regelstrategie der Nacheinspritzung eine Menge des in das Abgas einzubringenden Kraftstoffs in Abhängigkeit von einem Stickoxid-Massenstrom durch die Abgasanlage hindurch zu bestimmen. Es kann also der Stickoxid-Massenstrom ermittelt und zum Regeln der Nacheinspritzung herangezogen werden. Auch hier kann die Nacheinspritzung oder ein derartiges Einbringen des Kraftstoffs in das Abgas abgeschaltet werden, wenn der Stickoxid-Massenstrom durch die Abgasanlage einen Grenzwert überschreitet.
Die entsprechenden Varianten der Regelung der Nacheinspritzung haben gute Ergebnisse insbesondere bei Versuchen im transienten Betrieb des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs gezeigt. Durch diese Regelungsstrategien können nämlich sehr gute Kompromisse zwischen einer das passive Regenerieren des Partikelfilters begünstigenden Temperatur und der Stickstoffdioxid-Produktion erreicht werden. Dies bringt insbesondere eine schnelle passive Regeneration des Partikelfilters mit sich, insbesondere in niedrigen Lastbereichen.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 Blöcke einer Regelungsstrategie für eine späte Nacheinspritzung, welche im Rahmen des passiven Regenerierens eines Dieselpartikelfilters eines Fahrzeugs zum Einsatz kommt, wobei eine bereits in einen Dieselmotor des Fahrzeugs eingespritzte Menge an Kraftstoff mit einer Maximalmenge verglichen wird;
2 weitere Blöcke der Regelungsstrategie, bei welcher Verstärkungsfaktoren für ein Erhöhen der Einspritzmenge sorgen, wenn ein Sauerstoffüberschuss im Abgas vorliegt;
3 Kennlinien eines Kennfelds, welches für die Regelung der Einspritzmenge herangezogen wird;
4 Blöcke der Regelungsstrategie, bei welcher ein positiver Temperaturgradient einer Temperatur des Abgases am Auslass des Oxidationskatalysators berücksichtigt wird;
5 Blöcke der Regelungsstrategie, bei welcher ein negativer Temperaturgradient der Temperatur des Abgases am Auslass des Oxidationskatalysators berücksichtigt wird;
6 weitere Blöcke der Regelungsstrategie, wobei die Temperatur am Eingang des Oxidationskatalysators und das abgerufene Drehmoment berücksichtigt werden;
7 Blöcke einer Regelungsstrategie, bei welcher der Stickoxid-Massenstrom berücksichtigt wird;
8 die Rußbeladung des Partikelfilters als Funktion der Zeit, wobei eine erste Kurve das passive Regenerieren und eine zweite Kurve das aktive Regenerieren veranschaulicht; und
9 den zeitlichen Verlauf der Temperatur des Abgases am Oxidationskatalysator in Abhängigkeit von einem jeweiligen Betriebsmodus, wobei zum schnellen Erreichen einer Anspringtemperatur ein Modus zur aktiven Regeneration aktiviert wird.
Anhand der im Folgenden gezeigten Figuren wird eine Regelungsstrategie einer späten Nacheinspritzung veranschaulicht, bei welcher sowohl die für das passive Regenerieren eines Partikelfilters erforderliche Temperaturerhöhung als auch das Bereitstellen von Stickstoffdioxid durch Oxidieren von Stickstoffmonoxid an einem Oxidationskatalysator berücksichtigt werden, wobei der Oxidationskatalysator stromaufwärts des Partikelfilters in einer Abgasanlage eines Fahrzeugs angeordnet ist.
Beim passiven Regenerieren wird Ruß, welcher sich im Partikelfilter der Abgasanlage des Fahrzeugs ansammelt, mit Hilfe von Stickstoffdioxid oxidiert und dadurch abgebrannt. Dies geschieht allerdings bei niedrigeren Temperaturen als beim sogenannten aktiven Regenerieren mit Sauerstoff als Oxidationsmittel, bei welchem Temperaturen von 500°C bis 650°C stromabwärts des Oxidationskatalysators eingestellt werden.
Beim passiven Regenerieren ist es hingegen ausreichend, eine Zieltemperatur des Partikelfilters, bei welchem es sich bevorzugt um einen Dieselpartikelfilter (DPF) handelt, auf etwa 400°C bis 450°C einzustellen. Dadurch braucht weniger Kraftstoff in das Abgas eingebracht zu werden, dessen exothermes Umsetzen für das Erhöhen der Temperatur sorgt. Das Einbringen des Kraftstoffs in das Abgas erfolgt bevorzugt durch eine sogenannte späte Nacheinspritzung, bei welcher etwa zwischen 100°KW bis 180°KW nach dem oberen Totpunkt der Kraftstoff in den jeweiligen Zylinder des Verbrennungsmotors eingespritzt wird. Das Einspritzen des Kraftstoffs in das Abgas hemmt jedoch die Produktion des für die passive Regeneration wichtigen Stickstoffdioxids. Mit den nachstehend beschriebenen Maßnahmen kann jedoch eine Regelung erreicht werden, welche sowohl zu einer hohen Stickstoffdioxidausbeute als auch zu einer für das passive Regenerieren ausreichend hohen Temperatur des Partikelfilters führt.
So wird beispielsweise die Nacheinspritzung dann abgeschaltet, wenn nicht genügend Restsauerstoff zur Oxidation von Kraftstoff im Abgas vorhanden ist. Hierbei wird in einem in 1 gezeigten Block 10 eine bereits eingespritzte Menge 12 an Kraftstoff mit einer Maximalmenge 14 verglichen. Des Weiteren werden eine Luftmasse 16, eine Last 18 und eine Lambda-Vorgabe 20 in einem weiteren Block 22 als Eingangsgrößen berücksichtigt, dessen Ergebnis wiederum in den Block 10 eingeht.
Des Weiteren wird, wie anhand von 2 veranschaulicht werden soll, eine Verstärkungsfunktion implementiert. Hierbei gehen eine berechnete Einspritzmenge 24 und eine maximale Einspritzmenge 26 in einen Block 28 ein. In weiteren Blöcken 30, 32 werden Verstärkungsfaktoren berücksichtigt. Entsprechend wird bei hohem Sauerstoffüberschuss die Einspritzmenge erhöht.
3 zeigt ein Kennfeld 34, über welches eine Drehzahl 36 und ein Drehmoment 38 des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs berücksichtigt werden. Unter Verwendung des Kennfelds 34 werden Einspritzzeitpunkte einer späten Nacheinspritzung 40 definiert.
Des Weiteren wird eine Schaltung angewendet, welche den Temperaturgradienten am Oxidationskatalysator, und zwar vorliegend eine Austrittstemperatur 42 des aus dem Oxidationskatalysator austretenden Abgases überwacht (vergleiche 4). Diese Austrittstemperatur 42 und eine Zieltemperatur 44 gehen als Eingangsgrößen in einen Block 46 ein. Des Weiteren gehen ein Gradient 48 der Austrittstemperatur 42 des Oxidationskatalysators und ein maximaler Gradient 50 als Eingangsgrößen in einen weiteren Block 52 ein. In einem Kombinationsblock 54 werden die Ausgaben dieser beiden Blöcke 46, 52 zusammengeführt und von dort einem weiteren Block 56 zugeführt, in welchen auch die berechnete Einspritzmenge 24 eingeht. So kann bei einem positiven Gradienten die Maximaltemperatur angehoben werden, ohne dass eine Bauteilschädigung zu befürchten ist. Es kann nämlich die Nacheinspritzung ausgesetzt werden, wenn die Temperatur zu rasch ansteigt. Dies kann erfolgen, bis der positive Temperaturgradient wieder abnimmt.
In analoger Weise kann eine Schaltung realisiert werden, bei welcher ein negativer Gradient berücksichtigt wird (vergleiche 5). Hier wird einem Block 58 die Austrittstemperatur 42 und eine Maximaltemperatur 60 zugeführt. Des Weiteren werden der Gradient 48 der Austrittstemperatur des Oxidationskatalysators oder Dieseloxidationskatalysators (DOC) und ein minimaler Gradient 62 einem Block 64 zugeführt. Die berechnete Einspritzmenge 24 wird einmal einem Block 66 zugeführt, welchem auch das Ergebnis des Blocks 64 zugeführt wird, und andererseits einem weiteren Block 68, welchem die Ergebnisse der Blöcke 66 und 58 zugeführt werden.
Eine Möglichkeit einer generellen Regelungsstrategie lässt sich anhand von 6 veranschaulichen. Hierbei werden die Maximaltemperatur 60 und eine Eintrittstemperatur 70 des Oxidationskatalysators einem Block 72 zugeführt. Einem weiteren Block 74 werden demgegenüber ein abgerufenes Drehmoment 76 und ein maximales Drehmoment 78 des Verbrennungsmotors zugeführt. Das Ergebnis des Blocks 74 und die berechnete Einspritzmenge 24 werden einem weiteren Block 79 zur Verfügung gestellt. Das Ergebnis des Blocks 79 geht zusammen mit dem Ergebnis des Blocks 72 in einen weiteren Block 80 ein. Bei dieser Variante der Regelungsstrategie wird also über das Drehmoment und über die Eintrittstemperatur 70 am Oxidationskatalysator geregelt. Entsprechend kann eine Abschaltung der späten Nacheinspritzung in Abhängigkeit vom Drehmoment und der Eintrittstemperatur 70, also der Temperatur des Abgases an einem Einlass des Oxidationskatalysators erfolgen.
In analoger Weise können ein den Stickoxid-Massenstrom 82 angebender Wert und ein Maximalwert 84 des Stickoxid-Massenstroms 82 einem Block 86 zugeführt werden (vergleiche 7). Es kann also zum Regeln der späten Nacheinspritzung der Stickoxid-Massenstrom 82 gemessen werden. Das Ergebnis des Blocks 86 wird ebenso wie die berechnete Einspritzmenge 24 einem weiteren Block 88 zugeführt (vergleiche 7). Entsprechend kann bei dieser Variante der Regelungsstrategie auch eine Abschaltung der späten Nacheinspritzung anhand des Stickoxid-Massenstroms 82 stattfinden.
Mit Hilfe dieser vorstehend beschriebenen Maßnahmen lässt sich eine zweckmäßige Betriebsstrategie zum passiven Regenerieren des Partikelfilters, insbesondere Dieselpartikelfilters, realisieren. Aufgrund der niedrigeren beim passiven Regenerieren zum Abbrennen des Rußes benötigten Temperatur kann der Partikelfilter mit mehr Ruß beladen werden. Dies lässt sich anhand von 8 veranschaulichen, gemäß welcher auf einer Ordinate 90 die Rußbeladung und auf einer Abszisse 92 die Zeit t in Stunden aufgetragen sind. Eine erste Kurve 94 veranschaulicht hierbei einen zeitlichen Verlauf der Rußbeladung mit passivem Regenerieren und eine zweite Kurve 96 demgegenüber das Verhalten mit Regenerieren. Mit passivem regenerieren (Kurve 94) kann der Partikelfilter vergleichsweise hoch mit Ruß beladen werden. Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen umfassend eine späte Nacheinspritzung erfolgt bei Erreichen einer insbesondere vorgebbaren oberen Grenzbeladung ein passives Regenerieren 98, wobei die Rußbeladung abgebaut wird. Die ein passives Regenerieren bewirkenden Maßnahmen können beendet werden, wenn eine insbesondere vorgebbare untere Grenzbeladung erreicht ist. Diese Vorgehensweise ist insbesondere bei einem Motorbetrieb mit vergleichsweise niedriger Last und damit vergleichsweise niedrigen ursprünglichen Abgastemperaturen, wie beispielsweise bei einem Fahrbetrieb im Stadtverkehr vorteilhaft. Demgegenüber kann bei höherer Last, wie sie beispielsweise bei Fahrt auf einer Autobahn auftritt, während einer längeren Zeitspanne 100 ohne unterstützende Maßnahmen wie eine späte Nacheinspritzung ein passives Regenerieren stattfinden und Ruß im Partikelfilter oxidiert werden. Dies führt auch zu einem stärkeren Verringern der Rußbeladung als im Stadtverkehr oder Stadtbetrieb (vergleiche 8).
In 9 ist in einem ersten Graphen auf einer Ordinate 102 die Temperatur T des Oxidationskatalysators in °C aufgetragen. Hierbei veranschaulicht eine Linie 104 die Zieltemperatur 44 für die am Auslass des Oxidationskatalysators vorliegende Temperatur des Abgases, also für die Austrittstemperatur 42. In einem zweiten Graphen 106 in 9 sind verschiedene Betriebsmodi dargestellt. In einem ersten Modus 108 soll schnellstmöglich die Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators erreicht werden. Hierbei wird im Stadtbetrieb vorzugsweise u. a. durch maximale Drosselung des Luft- und/oder Abgaspfads, Verstellung der Ventilsteuerzeiten und gegebenenfalls weiterer Maßnahmen ein rascher Anstieg der Temperatur des Oxidationskatalysators erzielt. Ist dann die Anspringtemperatur oder Light-off-Temperatur des Oxidationskatalysators erreicht, so wird in einen zweiten Modus 110, nämlich den Modus der passiven Regeneration umgeschaltet. Entsprechend kommt die späte Nacheinspritzung mit den vorgestellten Regelungen zum Einsatz. Während einer Zeitspanne, während welcher der zweite Modus 110 eingestellt ist, finden entsprechend späte Nacheinspritzungen 112 statt, welche in einem weiteren Graphen 114 in 9 dargestellt sind. Anstelle der späten Nacheinspritzung kann auch eine Sekundär-Kraftstoffeinspritzung vorgesehen sein.
Die Taktung ist durch den beschriebenen Regelungsmechanismus typischerweise unregelmäßig. Die Taktung ist kann jedoch insofern von Bedeutung sein, als die Stickoxidbildung durch den exothermen Prozess im DOC gehemmt sein kann. Im Stationärbetrieb kann bei ausreichend hohen Abgastemperaturen 102 auf eine Nacheinspritzung verzichtet werden. Die Nacheinspritzung dient jedoch insbesondere zur Erhöhung der Abgastemperatur im dynamischen Betrieb, wie sie speziell im Stadtzyklus mit niedriger Motorleistung für eine passive Regeneration typischerweise notwendig ist
Die Betriebsweise im zweiten Modus 110 ist vorliegend ein Motorbetrieb, welcher im Hinblick auf ein Verdünnen des Motoröls und im Hinblick auf die Bildung von Stickstoffdioxid optimiert ist. Es kann entsprechend zu einem leichten Absinken der Abgastemperatur kommen, welches in 9 durch einen Pfeil 116 veranschaulicht ist. Wird bei diesem Absinken die Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators unterschritten, so wird die Nacheinspritzung 112 wieder abgeschaltet. Entsprechend wird dann wieder in den Modus 108 umgeschaltet, in welchem ein optimierter Heizbetrieb erfolgt. Anschließend kann wieder in den passiven Regenerationsbetrieb entsprechend dem Modus 110 umgeschaltet werden, in welchem das Stickstoffdioxid zum Oxidieren des im Partikelfilter angesammelten Rußes verwendet wird. Das Umschalten zwischen dem Modus 108 und dem Modus 110 erfolgt zyklisch und bevorzugt so lange, bis ein ausreichender Rußabbrand erreicht ist.
Mit Hilfe dieses Verfahrens kann ein nennenswerter Anteil des Rußes auch bei sehr niedriglastigem städtischen Stopp-und-Go-Betrieb passiv abgebrannt werden (vergleiche 8). Die vorgestellte Betriebsstrategie und die Regelungsstrategie der auch als late-post bezeichneten späten Nacheinspritzungen 112 oder einer alternativen Sekundäreinspritzung ermöglicht größtmögliche Freiheitsgrade im Hinblick auf die Bereitstellung von für das passive Regenerieren geeigneten Temperaturen bei zugleich größtmöglicher Bildung von Stickstoffdioxid und bei geringen Rußemissionen.
Es kann bei bestimmten Anwendungen von Fahrzeug und Motor zur Erzielung einer passiven Regeneration auch vorgesehen sein, auf eine zusätzliche Anreicherung des Abgases mit Kohlenwasserstoffen zu verzichten. In diesem Fall wird vorzugsweise ein anhand von 9 erläuterter Modus 108 zum Abgasaufheizen eingestellt. Nach Erreichen einer für eine passive Regeneration günstigen Temperatur von beispielsweise 300°C bis 400°C wird ein Motorbetrieb mit einer erhöhten Stickoxid-Rohemission eingestellt. Dadurch ergibt sich ein hoher Stickstoffdioxid-Eintrag in den Partikelfilter und somit eine wirksame passive Regeneration.
Nach dem Abbrennen des Rußes während der Zeitspannen 98 kann wieder längere Zeit im Stadtzyklus gefahren werden. Im Gegensatz zu einem aktiven System, also im Gegensatz zum aktiven Regenerieren (vergleiche Kurve 96), bei welchem mittels Sauerstoff der Ruß im Partikelfilter abgebrannt wird, erfolgt beim passiven Regenerieren aus betriebswirtschaftlichen Gründen ein weniger weit gehendes Verringern der Rußbeladung des Partikelfilters (vergleiche 8).
Bei höheren Lasten, wie sie beispielsweise bei einer Fahrt auf der Autobahn, bei einer hohen Beladung oder Tonnage des Fahrzeugs oder in Abhängigkeit von der Topographie vorkommen können, kann auch ohne zusätzliche Maßnahmen ein passiver Rußabbrand stattfinden. Dies ist anhand von dem in 8 beispielhaft gezeigten Rußabbrand während der Zeitspanne 100 veranschaulicht, während welcher beispielsweise eine Fahrt auf der Autobahn stattfinden kann.
Bezugszeichenliste

10: Block
12: eingespritzte Menge
14: Maximalmenge
16: Luftmasse
18: Last
20: Lamda-Vorgabe
22: Block
24: berechnete Einspritzmenge
26: maximale Einspritzmenge
28: Block
30: Block
32: Block
34: Kennfeld
36: Drehzahl
38: Drehmoment
40: Einspritzzeitpunkt
42: Austrittstemperatur
44: Zieltemperatur
46: Block
48: Gradient
50: maximaler Gradient
52: Block
54: Kombinationsblock
56: Block
58: Block
60: Maximaltemperatur
62: minimaler Gradient
64: Block
66: Block
68: Block
70: Eintrittstemperatur
72: Block
74: Block
76: abgerufenes Drehmoment
78: maximales Drehmoment
79: Block
80: Block
82: Stickoxid-Massenstrom
84: Maximalwert
86: Block
88: Block
90: Ordinate
92: Abszisse
94: Kurve
96: Kurve
98: Zeitspanne
100: Zeitspanne
102: Ordinate
104: Linie
106: Graph
108: Modus
110: Modus
112: Nacheinspritzung
114: Graph
116: Pfeil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2007/126592 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage eines Fahrzeugs, bei welchem Kraftstoff in das Abgas eingebracht und dadurch die Temperatur eines in der Abgasanlage angeordneten Partikelfilters auf einen Wert erhöht wird, bei welchem in dem Partikelfilter Ruß oxidieren kann, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einbringen des Kraftstoffs in das Abgas wenigstens ein Parameter (42, 48, 70, 76, 82) berücksichtigt wird, welcher einen Einfluss auf die Umsetzung von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid an einem Oxidationskatalysator hat, welcher stromaufwärts des Partikelfilters angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff mittels einer nach einem oberen Totpunkt des Verdichtungstakts eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugs, insbesondere bei zwischen etwa 100°KW bis etwa 180°KW nach dem oberen Totpunkt, stattfindenden Nacheinspritzung (112) in das Abgas, insbesondere mit einem gegenüber einer Haupteinspritzung verringerten Druck, eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Menge des in das Abgas einzubringenden Kraftstoffs so bemessen wird, dass im Partikelfilter eine Temperatur (T) von etwa 350°C bis etwa 450°C eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen des Kraftstoffs in das Abgas unterbunden wird, wenn die Temperatur (T) des Oxidationskatalysators geringer ist als eine Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators oder größer als eine vorbestimmte Austrittstemperatur (104) des Oxidationskatalysators.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen des Kraftstoffs in das Abgas unterbunden wird, wenn eine im Abgas vorhandene Menge an Sauerstoff geringer ist, als eine zum Oxidieren des einzubringenden Kraftstoffs vorzusehende Menge an Sauerstoff.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Menge des in das Abgas einzubringenden Kraftstoffs in Abhängigkeit von einer im Abgas vorhandenen Menge an Sauerstoff erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen eines Zeitpunkts, in welchem der Kraftstoff in das Abgas eingebracht wird, ein Kennfeld (34) herangezogen wird, in welchem eine Drehzahl (36) und/oder ein Drehmoment (38) eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugs berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Menge des in das Abgas einzubringenden Kraftstoffs in Abhängigkeit von einem Gradienten (48) einer Temperatur des Abgases an einem Auslass des Oxidationskatalysators bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Menge des in das Abgas einzubringenden Kraftstoffs in Abhängigkeit von einer Temperatur (T) des Abgases an einem Einlass des Oxidationskatalysators und von einem Drehmoment (76) eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugs bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Menge des in das Abgas einzubringenden Kraftstoffs in Abhängigkeit von einem Stickoxid-Massenstrom (82) durch die Abgasanlage bestimmt wird.