DE102016219038A1 - Steuern einer Abgasreinigungsanlage - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Steuern einer Abgasreinigungsanlage in einem Kraftfahrzeug bereitgestellt, besonders in einem Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb mit einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor, in dem die Temperatur eines Stickoxidspeicherkatalysators mittels einer elektrischen Heizeinrichtung und die Abgastemperatur so geregelt wird, dass ein Akkumulator des Kraftfahrzeugs durch den Betrieb der Heizeinrichtung einen Ladezustand erreicht, der optimal zum Wiederaufladen in einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine geeignet ist, wobei gleichzeitig durch ein erhöhtes Drehmoment Abgas mit einer geeignet hohen Temperatur zum Betrieb des Stickoxidspeicherkatalysators bereitgestellt wird, und durch die Abgasbedingungen eine Regeneration des Stickoxidspeicherkatalysators gestartet werden kann.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Abgasreinigungsanlage mit einem Stickoxidspeicherkatalysator, der wahlweise elektrisch oder durch Erhöhung der Abgastemperatur auf seine Betriebstemperatur gebracht wird.
- Eine Brennkraftmaschine benötigt zum Reinigen des von ihr produzierten Abgases eine Abgasreinigungsanlage mit einem oder mehreren Katalysatoren. Ein Stickoxidspeicherkatalysator (lean NOx trap, LNT), aber auch andere Katalysatoren, z.B. Oxidationskatalysatoren, Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion u. a., benötigen eine bestimmte Betriebstemperatur für eine effektive Funktion. Beim Starten der Brennkraftmaschine ist das Abgas, durch dessen Temperatur die Betriebstemperatur des Katalysators herkömmlicherweise erreicht wird, jedoch noch vergleichsweise kalt. Auch beim Fahren unter niedrigen Lasten, besonders im Innenstadtverkehr, erreichen das Abgas und damit der LNT häufig nicht seine Betriebstemperatur, die eine effiziente Regeneration erlaubt.
- Dabei wird, besonders in Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieb, die Brennkraftmaschine in einem normalen Betrieb wiederholt gestoppt und gestartet. Ein Hybridfahrzeug umfasst in der Regel als Antriebselemente eine Brennkraftkraftmaschine und einen Elektromotor und als Energiespeicher einen Kraftstoff- oder Gastank bzw. einen Akkumulator. Hybridfahrzeuge ermöglichen die vom Fahrer angeforderte Leistung auf eine Brennkraftmaschine und eine elektrische Maschine aufzuteilen. Die elektrische Maschine kann als Motor eingesetzt werden, oder auch als Generator. Weiterhin werden durch einen Hybridantrieb weniger Emissionen freigesetzt als bei einem Kraftfahrzeug mit ausschließlichem Antrieb durch eine Brennkraftmaschine. Dabei können die beiden Antriebselemente parallel zueinander angeordnet sein, wobei sie gleichzeitig auf das zu bewegende Teil einwirken können. Sie beiden Antriebselemente können auch seriell zueinander angeordnet sein, wobei nur ein Antriebselement unmittelbar auf das zu bewegende Teil einwirkt und das andere Antriebselement Leistung bereitstellt, die umgewandelt und dem unmittelbar wirkenden Antriebselement zugeführt wird.
- Eine herkömmliche Lösung, um einen LNT nach einem Starten der Brennkraftmaschine schnell auf Betriebstemperatur zu bringen, ist ein Anordnen des LNT in räumlicher Nähe zu der Brennkraftmaschine. Jedoch ist damit der LNT stets hohen Temperaturen ausgesetzt, wodurch sich die Lebenszeit des LNT verringert. Aber selbst mit einer Anordnung des LNT in räumlicher Nähe zu der Brennkraftmaschine bleibt es eine Herausforderung, die Aufwärmzeit gering zu halten. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von elektrischen Heizelementen, um das Abgas und / oder den LNT zu erwärmen. Für einen Betrieb elektrischer Heizelemente wir oft ein 12V-System benutzt. Dadurch ist die Leistung aber oft beschränkt und damit die Möglichkeit, den Aufwärmvorgang zu beschleunigen.
- Eine weitere Möglichkeit ist ein Erhöhen der Abgastemperatur durch eine Erhöhung der Last der Brennkraftmaschine, so dass das Drehmoment der Brennkraftmaschine erhöht wird, wodurch eine höhere Temperatur des Abgases bewirkt wird. Die dabei anfallende mechanische Energie wird in der Regel mittels eines Generators, z.B. einer Lichtmaschine, in elektrische Energie umgewandelt und zum Laden einer Fahrzeugbatterie verwendet, die ein mehrfach aufladbarer Akkumulator ist. Diese Strategie ist jedoch davon abhängig, wieviel Energie in der Fahrzeugbatterie gespeichert werden kann. Bei manchen Batterien ist es notwendig, sie vor einem Aufladen zu entladen. Ein Entladen der Fahrzeugbatterien geschieht bei niedrigen Lasten der Brennkraftmaschine, was jedoch einem Erhöhen der Abgastemperatur und damit Erreichen der Betriebstemperatur eines LNT entgegenwirkt. Es besteht darum die Aufgabe, in einem Kraftfahrzeug schnell die Betriebstemperatur eines LNT zu erreichen und dabei eine effiziente Art und Weise des Ent- und Aufladens einer Batterie zu erreichen.
- Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhaft Ausführungsformen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Neben- und Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen.
- Ein erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern einer Abgasreinigungsanlage in einem Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, einem Abgastrakt, mindestens einem LNT, mindestens einem Akkumulator und mindestens einer Heizeinrichtung im Abgastrakt, mit den Schritten
- – Betreiben der Brennkraftmaschine,
- – Ermitteln der Temperatur des LNT,
- – Ermitteln des Ladezustands des Akkumulators,
- – Einschalten der elektrischen Heizeinrichtung zum Erwärmen des LNT, solange der Ladezustand des Akkumulators über einem ersten vorbestimmten Niveau und die Temperatur des LNT unter einem Schwellenwert liegt,
- – Erhöhen des Drehmoments der Brennkraftmaschine, solange der Ladezustand des Akkumulators unter einem zweiten vorbestimmten Niveau liegt,
- – Starten einer Regeneration des LNT, indem die Brennkraftmaschine mit einem fetten Abgasgemisch betrieben wird,
- – Abschalten der elektrischen Heizeinrichtung, wenn die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung einen vorbestimmten Wert erreicht hat.
- Das Verfahren ist vorteilhaft, weil durch das Verwenden einer elektrischen Heizeinrichtung der LNT zum Betriebsstart der Brennkraftmaschine, in einer kurzen Zeitspanne nach einem Betriebsstart der Brennkraftmaschine im kalten Zustand oder im Rahmen eines wiederholten Stoppens und Wiederstartens, besonders während eines Stadtverkehrs mit gewöhnlich niedrigen Lasten, betriebsbereit ist. Dabei wird vorteilhaft der Akkumulator entladen, so dass er in einem Betriebsmodus der Brennkraftmaschine unter erhöhter Last wieder aufgeladen werden kann. Durch den Betrieb unter erhöhter Last wird durch das dabei wirkende hohe Drehmoment eine höhere Abgastemperatur erzielt, so dass der LNT seine Betriebstemperatur durch Wirkung des Abgases erreicht, wenn er nicht über die elektrische Heizeinrichtung beheizt werden kann, weil der Ladezustand der Batterie das nicht zulässt. Durch das gleichzeitige Aufladen des Akkumulators und Erzielen einer hohen Abgastemperatur zum Betrieb des LNT im Betriebsmodus der Brennkraftmaschine unter erhöhter Last werden zwei positive Wirkungen in einem Ansatz erreicht, und damit vorteilhaft ein schnelles Aufheizen erreicht und Kraftstoff gespart, wodurch das Verfahren ökonomischer ist als herkömmliche Verfahren. Weiterhin wird vorteilhafterweise weniger Kraftstoff zum Bewirken eines fetten Abgases zum Starten einer Regeneration des LNT benötigt.
- Das vorbestimmte zweite Niveau des Ladezustands des Akkumulators entspricht einem gewählten Wert, von dem ab ein Wiederaufladen des Akkumulators effizient ist. Weiterhin wird das vorbestimmte erste Niveau so gewählt, das es über dem Niveau einer Tiefenentladung des Akkumulators liegt, so dass dieser keinen Schaden nimmt. Der Ladezustand ist ein wichtiger Kennwert von Akkumulatoren und wird üblicherweise in Prozentwerten angegeben, wobei der Akkumulator bei 100% vollständig geladen ist.
- In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die elektrische Heizeinrichtung und das Erhöhen des Drehmoments der Brennkraftmaschine zeitweise gleichzeitig verwendet, um die Betriebstemperatur des LNT zu erreichen. Durch diese Strategie kann die Betriebstemperatur des LNT sehr schnell erreicht werden.
- Es ist weiterhin bevorzugt, wenn in dem erfindungsgemäßen Verfahren das Erhöhen des Drehmoments der Brennkraftmaschine zum Erzeugen von elektrischer Energie und zum Erhöhen der Abgastemperatur vor dem Einschalten der elektrischen Heizeinrichtung durchgeführt wird, wenn der Ladezustand des Akkumulators unter dem zweiten vorbestimmten Niveau liegt. Dadurch wird vorteilhaft eine Tiefenentladung des Akkumulators vermieden.
- Weitere Abgasnachbehandlungseinrichtungen können in dem Verfahren verwendet werden, z.B. Katalysatoren wie Oxidationskatalysatoren, Drei-Wege-Katalysatoren oder Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion. Auch diese Einrichtungen benötigen eine bestimmte Temperatur für ihre Funktion, die durch das Verfahren zeitweise effizient bereitgestellt wird. Vorzugsweise ist eine weitere Abgasnachbehandlungseinrichtung ein Partikelfilter. Besonders bevorzugt ist der Partikelfilter ein Dieselpartikelfilter.
- In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Kraftfahrzeug zusätzlich einen Elektromotor auf, der mit der Brennkraftmaschine einen Hybridantrieb des Kraftfahrzeugs bildet. Bevorzugt wird in dieser Ausführungsform der Akkumulator zum Betrieb des Elektromotors verwendet. Das Verfahren ist vorteilhaft für einen Akkumulator eines Elektromotors, da dieser eine höhere Energiemenge zum Erwärmen der Heizeinrichtung bereitstellen kann als eine herkömmliche Kraftfahrzeugbatterie. Weiterhin kann durch das Verfahren vorteilhaft ein Betrieb der Brennkraftmaschine unter hoher Last zum Aufladen des Akkumulators des Elektromotors und zum Erwärmen des LNT und / oder anderer Katalysatoren und / oder Partikelfiltern im Abgastrakt der Brennkraftmaschine genutzt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl in einem seriellen als auch in einem parallelen Hybridantrieb durchgeführt werden.
- Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Anordnung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennkraftmaschine, einen Generator, einen Akkumulator, einen LNT, eine elektrische Heizeinrichtung, Temperatursensoren zum Ermitteln einer Temperatur des LNT, und einer Steuereinrichtung zum selektiven Steuern der elektrischen Heizeinrichtung und des Drehmoments der Brennkraftmaschine. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung entsprechen dabei denen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Anordnung einen Elektromotor, der mit der Brennkraftmaschine in einem Hybridantrieb angeordnet ist.
- Ein dritter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Anordnung.
- Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
-
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung. -
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit parallelem Hybridantrieb. -
3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit seriellem Hybridantrieb. -
4 ein Fließdiagram einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. - Eine Anordnung
1 gemäß der Darstellung von1 umfasst eine Brennkraftmaschine2 , die eine selbstzündende oder eine fremdgezündete Brennkraftmaschine sein kann. Die Brennkraftmaschine2 weist drei Zylinder2a auf, kann alternativ aber auch zwei, vier, fünf, sechs oder acht Zylinder aufweisen. Die Brennkraftmaschine2 ist weiterhin mit einem Generator3 zum Aufladen eines ersten Akkumulators4 des Kraftfahrzeugs verbunden. Ein Abgastrakt5 ist mit der Brennkraftmaschine2 verbunden, um Abgas abzuleiten. In dem Abgastrakt5 ist eine Abgasnachbehandlungsanlage6 angeordnet. Die Abgasnachbehandlungsanlage6 umfasst mindestens einen Stickoxidspeicherkatalysator7 (LNT), und weitere Abgasnachbehandlungseinrichtungen, z.B. einen Oxidationskatalysator, einen Partikelfilter und / oder einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion. - Eine elektrische Heizeinrichtung
8 ist in Verbindung mit dem LNT7 in der Abgasnachbehandlungsanlage6 angeordnet. Die Heizeinrichtung8 kann alternativ auch stromaufwärts des LNT7 , auch stromaufwärts der Abgasnachbehandlungsanlage6 im Abgastrakt5 angeordnet sein, um das Abgas zu erwärmen. - In der Abgasnachbehandlungsanlage
6 ist mindestens ein Temperatursensor9 zum Messen der Temperatur des LNT7 und des Abgases angeordnet. Mindestens ein weiterer Temperatursensor9 ist stromaufwärts der Abgasnachbehandlungsanlage6 im Abgastrakt5 zum Messen der Abgastemperatur angeordnet. Die Sensoren9 sind mit einer Steuereinrichtung10 verbunden. Die Steuereinrichtung10 ist weiterhin mit der Heizeinrichtung8 , der Brennkraftmaschine2 und Vorrichtungen zum Steuern von Parametern der Brennkraftmaschine2 verbunden. - In
2 ist eine Anordnung1a eines parallelen Hybridantriebs dargestellt, wobei der Hybridantrieb zusätzlich zu der Brennkraftmaschine2 einen Elektromotor11 umfasst. Die Brennkraftmaschine2 ist dabei parallel zum Elektromotor11 angeordnet und über ein Getriebe12 mit diesem verbunden, wobei beide zum Antrieb eines entsprechenden Kraftfahrzeugs über einen Antriebsstrang13 vorgesehen sind, über den die Räder14 des Kraftfahrzeugs angetrieben werden. Die Brennkraftmaschine2 ist mit einem Kraftstofftank15 und der Elektromotor11 über eine Wandlereinheit16 mit einem Akkumulator17 als Energiespeicher verbunden. - In
3 ist eine Anordnung1b eines seriellen Hybridantriebs dargestellt. In dieser Anordnung hat die Brennkraftmaschine2 keine mechanische Verbindung zum Antriebsstrang13 , sondern treibt einen Generator18 mechanisch an, der mechanische Energie in elektrische umwandelt. Eine Ladeeinheit19 stellt elektrischen Strom zum Laden eines zweiten Akkumulators17 bereit. Weiterhin stellt die Ladeeinheit19 elektrische Energie für eine Wandlereinheit16 bereit, die elektrische Energie mit adäquaten Parametern für den Elektromotor bereitstellt. Der Elektromotor11 ist zum Antrieb des Kraftfahrzeugs über die Räder14 mit dem Antriebsstrang13 verbunden. Zur Energierückgewinnung ist ein Schwungradspeicher oder Kondensator20 in der Anordnung1 angeordnet. - Um den LNT
7 möglichst schnell auf seine Betriebstemperatur zu bringen, wird in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß4 zum Steuern der Abgasreinigungsanlage6 in einem ersten Schritt S1 die Brennkraftmaschine2 betrieben. In einem zweiten Schritt S2 wird die Temperatur des LNT7 oder auch die Temperatur vor oder nach dem LNT7 mit einem Temperatursensor9 ermittelt. Liegt die Temperatur des LNT7 unter seiner Betriebstemperatur, muss er auf seine Betriebstemperatur gebracht werden. Dazu wird in einem dritten Schritt S3 der Ladezustand des ersten Akkumulators4 ermittelt. Ist der Ladezustand des ersten Akkumulators4 hoch genug, d.h. derart hoch über einem Mindestladezustand, dass ein Betreiben der elektrischen Heizeinrichtung8 nicht zu einer Tiefenentladung des ersten Akkumulators4 führen würde, und ist die Temperatur des LNT7 unter einem Schwellenwert, die für eine effiziente Funktion des LNT7 erreicht werden muss, wird in einem vierten SchrittS4 die elektrische Heizeinrichtung8 zum Erwärmen des LNT7 eingeschaltet. Die Heizeinrichtung8 bleibt solange eingeschaltet, bis die Betriebstemperatur des LNT7 erreicht wurde und noch nicht durch entsprechend hohe Abgastemperaturen beibehalten werden kann. Weiterhin bleibt die Heizeinrichtung8 solange in Betrieb oder wird wiederholt zum Erwärmen des LNT7 oder des Abgases verwendet, wie der Ladezustand des ersten Akkumulators4 hoch genug ist. - Um elektrische Energie zu erzeugen – und gleichzeitig die Abgastemperatur zu erhöhen – wenn der Ladezustand des Akkumulators
4 unter einem zweiten vorbestimmten Niveau liegt, wird in einem fünften Schritt S5 von der Steuereinrichtung10 ein Steuersignal an die Brennkraftmaschine2 oder an Vorrichtungen, die zum Steuern von Parametern der Brennkraftmaschine2 ausgebildet sind, gesendet. Daraufhin wird die Last und damit das Drehmoment der Brennkraftmaschine2 erhöht. Dabei wird mit der von der Brennkraftmaschine nun zusätzlich erzeugten elektrischen Energie der Akkumulator4 geladen. - In einem sechsten Schritt S6 wird die Regeneration des LNT
7 gestartet. Dabei wird ein fettes Abgas erzeugt, soweit es noch nicht durch die Lasterhöhung angefettet wurde. In einem siebten Schritt S7 wird die elektrische Heizeinrichtung8 abgeschaltet, wenn die Temperatur des LNT7 einen vorbestimmten Wert erreicht hat. Der erste Akkumulator4 wird in Schritt S7 nicht zum Betrieb der elektrischen Heizeinrichtung8 verwendet und wird unter diesen Bedingungen aufgeladen. - In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens, die in einem Hybridfahrzeug durchgeführt wird, wird in Schritt S2 der Ladezustand des zweiten Akkumulators
17 ermittelt und in Schritt S3 der zweite Akkumulator17 bei ausreichendem Ladezustand zum Betreiben der elektrischen Heizeinrichtung genutzt, um dann in Schritt S4 bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine, vor allem unter hoher Last, aufgeladen zu werden. - In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die Heizeinrichtung
8 bei Erhöhung des Drehmoments der Brennkraftmaschine2 eingeschaltet gelassen, um die Betriebstemperatur des LNT7 möglichst schnell zu erreichen. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Anordnung
- 1a
- Anordnung mit parallelem Hybridantrieb
- 1b
- Anordnung mit seriellem Hybridantrieb
- 2
- Brennkraftmaschine
- 2a
- Zylinder
- 3
- Generator
- 4
- erster Akkumulator
- 5
- Abgastrakt
- 6
- Abgasreinigungsanlage
- 7
- Stickoxidspeicherkatalysator
- 8
- elektrische Heizeinrichtung
- 9
- Temperatursensor
- 10
- Steuereinrichtung
- 11
- Elektromotor
- 12
- Getriebe
- 13
- Antriebsstrang
- 14
- Rad
- 15
- Kraftstoffbehälter
- 16
- Stromwandler
- 17
- zweiter Akkumulator
- 18
- Generator
- 19
- Ladeeinheit
- 20
- Schwungradspeicher oder Kondensator
Claims (9)
- Verfahren zum Steuern einer Abgasreinigungsanlage in einem Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, einem Abgastrakt, mindestens einem Stickoxidspeicherkatalysator, mindestens einem Akkumulator und mindestens einer Heizeinrichtung im Abgastrakt, mit den Schritten – Betreiben der Brennkraftmaschine, – Ermitteln der Temperatur des Stickoxidspeicherkatalysators, – Ermitteln des Ladezustands des Akkumulators, – Einschalten der elektrischen Heizeinrichtung zum Erwärmen des Stickoxidspeicherkatalysators, solange der Ladezustand des Akkumulators über einem ersten vorbestimmten Niveau und die Temperatur des LNT unter einem Schwellenwert liegt, – Erhöhen des Drehmoments der Brennkraftmaschine, solange der Ladezustand des Akkumulators unter einem zweiten vorbestimmten Niveau liegt, – Starten einer Regeneration des Stickoxidspeicherkatalysators, indem die Brennkraftmaschine mit einem fetten Abgasgemisch betrieben wird, – Abschalten der elektrischen Heizeinrichtung wenn die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung einen vorbestimmten Wert erreicht hat.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei die elektrische Heizeinrichtung und das Erhöhen des Drehmoments der Brennkraftmaschine zeitweise gleichzeitig verwendet werden, um die Betriebstemperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung zu erreichen.
- Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Erhöhen der Abgastemperatur vor dem Einschalten der elektrischen Heizeinrichtung durchgeführt wird, wenn der Ladezustand des Akkumulators über dem ersten vorbestimmten Niveau liegt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, wobei eine weitere Abgasnachbehandlungseinrichtung ein Partikelfilter ist.
- Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Kraftfahrzeug zusätzlich einen Elektromotor aufweist, der mit der Brennkraftmaschine einen Hybridantrieb des Kraftfahrzeugs bildet.
- Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Akkumulator zum Betrieb des Elektromotors verwendet wird.
- Anordnung (
1 ) zum Ausführen des Verfahrens gemäß einem der vorherigen Ansprüche in einem Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennkraftmaschine (2 ), einen Generator (3 ), einen Akkumulator (4 ), einen Stickoxidspeicherkatalysator (7 ), eine elektrischen Heizeinrichtung (8 ), mindestens einen Temperatursensor (9 ) zum Ermitteln einer Temperatur des Stickoxidspeicherkatalysators (7 ), und einer Steuereinrichtung (10 ) zum selektiven Steuern der elektrischen Heizeinrichtung (8 ) und des Drehmoments der Brennkraftmaschine (2 ). - Anordnung (
1 ) nach Anspruch 8, zusätzlich umfassend einen Elektromotor, der mit der Brennkraftmaschine in einem Hybridantrieb angeordnet ist. - Kraftfahrzeug mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 8 oder 9.
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