DE102017101177A1

DE102017101177A1 - Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters sowie Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit einem Partikelfilter

Info

Publication number: DE102017101177A1
Application number: DE102017101177.3A
Authority: DE
Inventors: Stefan PAUKNER; Lars Schlüter; Falk-Christian Baron von Ceumern-Lindenstjerna
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-01-23
Filing date: 2017-01-23
Publication date: 2018-07-26
Anticipated expiration: 2037-01-24
Also published as: DE102017101177B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters in einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors. Dabei ist der Partikelfilter elektrisch beheizbar und wird bei Erkennung eines Beladungszustands, der eine Regeneration des Partikelfilters notwendig macht, über ein elektrisches Heizelement auf eine Regenerationstemperatur des Partikelfilters aufgeheizt. Wenn der Partikelfilter diese Regenerationstemperatur erreicht hat, wird stromaufwärts eines dem Partikelfilter vorgeschalteten Katalysators Sekundärluft in den Abgaskanal eingeblasen und somit der zur Regeneration des im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußes notwendige Sauerstoff bereitgestellt. Das Verfahren ist insbesondere für ein Hybridfahrzeug mit einem Ottomotor vorgesehen, bei dem der Verbrennungsmotor nur selten über längere Zeit mit einer derart hohen Last betrieben wird, dass das Abgas des Verbrennungsmotors die zur Regeneration des Partikelfilters notwendige Temperatur erreicht.Ferner wird eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung vorgeschlagen, welche eingerichtet ist, um ein solches Verfahren durchführen zu können.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters in einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors sowie eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit einem Partikelfilter gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Die kontinuierliche Verschärfung der Abgasgesetzgebung stellt hohe Anforderungen an die Fahrzeughersteller, welche durch entsprechende Maßnahmen zur Reduktion der motorischen Rohemissionen und durch eine entsprechende Abgasnachbehandlung gelöst werden. Mit Einführung der Gesetzgebungsstufe EU6 wird für Ottomotoren ein Grenzwert für eine Partikelanzahl vorgeschrieben, der in vielen Fällen den Einsatz eines Ottopartikelfilters notwendig macht. Im Fahrbetrieb wird ein solcher Ottopartikelfilter mit Ruß beladen. Damit der Abgasgegendruck nicht zu stark ansteigt, muss dieser Ottopartikelfilter kontinuierlich oder periodisch regeneriert werden. Um eine thermische Oxidation des im Ottopartikelfilter zurückgehaltenen Rußes mit Sauerstoff durchzuführen, ist ein hinreichend hohes Temperaturniveau in Verbindung mit gleichzeitig vorhandenem Sauerstoff in der Abgasanlage des Ottomotors notwendig. Da moderne Ottomotoren normalerweise ohne Sauerstoffüberschuss mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ=1) betrieben werden, sind dazu zusätzliche Maßnahmen erforderlich. Dazu kommen als Maßnahmen beispielsweise eine Temperaturerhöhung durch eine Zündwinkelverstellung, eine zeitweise Magerverstellung des Ottomotors, das Einblasen von Sekundärluft in die Abgasanlage oder eine Kombination dieser Maßnahmen infrage. Bevorzugt wird bislang eine Zündwinkelverstellung in Richtung spät in Kombination mit einer Magerverstellung des Ottomotors angewandt, da dieses Verfahren ohne zusätzliche Bauteile auskommt und in den meisten Betriebspunkten des Ottomotors eine ausreichende Sauerstoffmenge liefern kann. Ferner wird angestrebt, die Katalysatoren im Abgaskanal des Verbrennungsmotors nach einem Kaltstart möglichst schnell auf eine Betriebstemperatur zu bringen, um möglichst schnell eine hohe Konvertierungsrate für schädliche Abgaskomponenten zu erreichen.
Aus der DE 10 2013 114 999A1 ist ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters im Abgaskanal eines Hybridfahrzeuges bekannt, bei dem ein stromaufwärts des Partikelfilters angeordneter Katalysator im Abgaskanal zur Regeneration elektrisch beheizt wird und die Wärme des elektrisch beheizten Katalysators über den Abgasstrom auf den Partikelfilter übertragen wird, um diesen auf eine Regenerationstemperatur aufzuheizen.
Aus der US 2004 022 6287 A1 ist ein Verfahren zur Regeneration eines elektrisch beheizbaren Partikelfilters im Abgaskanal eines Dieselmotors bekannt, welcher bei jedem Start/Stopp des Motors regeneriert wird. Dazu wird der Partikelfilter bei einem Stillstand des Verbrennungsmotors, insbesondere nach einem Betrieb des Verbrennungsmotors, elektrisch auf eine Regenerationstemperatur aufgeheizt und über eine Luftquelle Frischluft in den Abgaskanal eingeblasen, um die im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußpartikel zu oxidieren.
Aus der US 2007 027 7515 A1 ist ein Verfahren zur Regeneration eines elektrisch beheizten Partikelfilters bekannt, bei dem eine Regeneration nur dann stattfindet, wenn die Batterie des Kraftfahrzeuges eine hinreichende Restspannung aufweist.
Aus der US 2012 011 7946 ist ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters im Abgaskanal eines Dieselmotors bekannt, wobei der Partikelfilter bei einem Stillstand des Verbrennungsmotors auf eine Regenerationstemperatur aufgeheizt wird und anschließend Luft in den Abgaskanal eingeblasen wird, um den zur Oxidation der im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußpartikel notwendigen Sauerstoff zur Verfügung zu stellen. Dabei weist der Partikelfilter eine oxidativ-wirksame Beschichtung auf, um die Regenerationstemperatur abzusenken.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren beschreiben jeweils die Regeneration eines Partikelfilters bei einem Dieselmotor.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen elektrisch beheizbaren Partikelfilter im Abgaskanal eines Verbrennungsmotors zu regenerieren, welcher im Abgaskanal stromabwärts eines Katalysators angeordnet ist, wobei eine möglichst effiziente und energiesparende Aufheizung des elektrisch beheizbaren Partikelfilters ermöglicht werden soll.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Regeneration eines elektrisch beheizbaren Partikelfilters im Abgaskanal eines Verbrennungsmotors gelöst, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases durch den Abgaskanal ein erster Katalysator zur Oxidation von unverbrannten Kraftstoffkomponenten und stromabwärts des ersten Katalysators ein elektrisch beheizbarer Partikelfilter angeordnet sind, sowie mit einer Vorrichtung zur Sekundärlufteinbringung, mit welcher stromaufwärts des ersten Katalysators Sekundärluft in den Abgaskanal eingebracht werden kann, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

- Beladen des Rußpartikelfilters in einem Motorbetrieb des Verbrennungsmotors,
- Aufheizen des elektrisch beheizbaren Partikelfilters auf eine Regenerationstemperatur,
- Einblasung von Sekundärluft in den Abgaskanal stromaufwärts des ersten Katalysators, wenn der elektrisch beheizbare Partikelfilter die Regenerationstemperatur erreicht hat,
- Abschalten der Vorrichtung zur Sekundärlufteinbringung und der elektrischen Heizung des elektrisch beheizbaren Partikelfilters, wenn der elektrisch beheizbare Partikelfilter regeneriert ist.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Regeneration des elektrisch beheizbaren Partikelfilters vorgeschlagen, bei dem die Regeneration mithilfe eines direkt beheizten Partikelfilters in Verbindung mit einer Sekundärluftversorgung sichergestellt wird. Dabei kann ein Sekundärluftsystem genutzt werden, welches ansonsten zur Aufheizung des ersten Katalysators nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors dient, wodurch die Anzahl der zusätzlichen Bauteile im Abgaskanal reduziert werden kann. Partikelfilter in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor benötigen einen intermittierenden Abbrand der in dem Partikelfilter zurückgehaltenen Rußpartikel, um eine Überladung des Partikelfilters zu vermeiden und einem Mehrverbrauch des Verbrennungsmotors durch einen Anstieg des Abgasgegendrucks entgegenzuwirken.
Durch die in den abhängigen Ansprüche aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren bei einem Stillstand des Verbrennungsmotors durchgeführt wird. Prinzipiell kann das vorgeschlagene Verfahren auch bei laufendem Verbrennungsmotor durchgeführt werden. Eine Regeneration des elektrisch beheizbaren Partikelfilters bei einem Stillstand des Verbrennungsmotors hat jedoch den Vorteil, dass nur ein geringer Luftmassenstrom aufgeheizt werden muss und somit weniger Energie zum Aufheizen des Partikelfilters aufgewendet werden muss. Dadurch kann die Heizleistung vergleichsweise klein gehalten werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Verfahren unmittelbar nach einem Betrieb des Verbrennungsmotors eingeleitet wird. Dabei wird das Verfahren maximal 60 Sekunden, vorzugsweise maximal 20 Sekunden, besonders bevorzugt maximal 5 Sekunden nach einem Stopp des Verbrennungsmotors eingeleitet, um die Restwärme im Abgaskanal nach einem Betrieb des Verbrennungsmotors zu nutzen und den Partikelfilter von einer Ausgangstemperatur aufzuheizen, welche deutlich über der Umgebungstemperatur liegt. Dadurch kann die zum Aufheizen des elektrisch beheizbaren Partikelfilters benötigte elektrische Energie nochmals reduziert werden, wodurch der elektrisch beheizbare Partikelfilter schneller seine zur Oxidation des darin zurückgehaltenen Rußes notwendige Regenerationstemperatur erreicht.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das Verfahren eingeleitet wird, wenn die Temperatur des elektrisch beheizbaren Partikelfilters oberhalb einer Schwellentemperatur liegt. Durch das Aufheizen von der Schwellentemperatur auf die Regenerationstemperatur wird die benötigte elektrische Energie gering gehalten, wodurch eine sehr energieeffiziente Regeneration des elektrisch beheizbaren Partikelfilters möglich ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das elektrische Heizelement des elektrisch beheizbaren Partikelfilters aus einer Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeuges gespeist wird. Unter einer Hochvoltbatterie ist eine Batterie mit einer Nennspannung von mindestens 120 Volt zu verstehen, wie sie beispielsweise als Stromspeicher in einem Hybridfahrzeug eingesetzt wird. Eine Hochvoltbatterie kann aufgrund ihrer Spannung die Leitungsverluste reduzieren und bei gleicher Stromstärke eine wesentlich schnellere Aufheizung des elektrisch beheizbaren Partikelfilters bewirken, sodass die zur Regeneration des Partikelfilters notwendige Temperatur nach einem (im Vergleich zu einer Niederspannungsbatterie) kurzen Zeitintervall erreicht wird.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren eingeleitet wird, wenn durch ein Beladungsmodell zur Modellierung des Beladungszustands des elektrisch beheizbaren Partikelfilters ein Beladungszustand erkannt wird, welcher eine Regeneration des elektrisch beheizbaren Partikelfilters notwendig macht. Wird die Beladung des Partikelfilters durch ein Beladungsmodell errechnet, so kann auf zusätzliche Sensoren im Abgaskanal verzichtet werden, wodurch die Abgasnachbehandlungsvorrichtung kostengünstiger ausgeführt werden kann.
Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Verfahren eingeleitet wird, wenn durch eine Sensorik im Abgaskanal ein Beladungszustand des elektrisch beheizbaren Partikelfilters erkannt wird, welcher eine Regeneration des Partikelfilters notwendig macht. Über eine Sensorik kann auf einfache Art und Weise ein Beladungszustand des Partikelfilters ermittelt werden, sodass bei einem Überschreiten eines Grenzwertes für die zulässige Beladung des Partikelfilters das Verfahren zur Regeneration des Partikelfilters eingeleitet werden kann.
Erfindungsgemäß wird eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einem Abgaskanal vorgeschlagen, wobei in dem Abgaskanal in Strömungsrichtung eines Abgases durch den Abgaskanal ein erster Katalysator zur Oxidation von unverbrannten Kraftstoffkomponenten und stromabwärts des ersten Katalysators ein elektrisch beheizbarer Partikelfilter angeordnet sind, sowie mit einer Vorrichtung zur Sekundärlufteinbringung in den Abgaskanal, welche stromaufwärts des ersten Katalysators an dem Abgaskanal angeordnet ist, sowie mit einem Steuergerät, wobei das Steuergerät eingerichtet ist, um ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Durch eine solche Vorrichtung kann der Partikelfilter bei einem Stillstand des Verbrennungsmotors regeneriert werden, wodurch eine besonders effiziente Regeneration des Partikelfilters möglich ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Abgasnachbehandlungsvorrichtung ist vorgesehen, dass der erste Katalysator ein Drei-Wege-Katalysator und der Verbrennungsmotor ein fremdgezündeter Verbrennungsmotor nach dem Otto-Prinzip ist. Prinzipbedingt entstehen bei der Verbrennung in einem Ottomotoren weniger Rußpartikel als bei einem Dieselmotor. Dennoch kann es zur Einhaltung von immer strenger werdenden Abgasgesetzgebungen notwendig sein, auch bei einem Ottomotor die Rußpartikel aus dem Abgaskanal zu entfernen. Dabei kann die Sekundärlufteinblasung in einer Kaltstartphase, bei der der Verbrennungsmotor mit einem fetten Kraftstoffgemisch betrieben wird, genutzt werden, um den Drei-Wege-Katalysator durch die Oxidation von unverbrannten Kraftstoffkomponenten auf eine Betriebstemperatur aufzuheizen. Dadurch wird auch der stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators angeordnete Partikelfilter schneller erwärmt, wodurch in einer darauffolgenden elektrischen Heizphase des Partikelfilters weniger elektrische Energie benötigt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass im Abgaskanal stromabwärts des elektrisch beheizbaren Partikelfilters ein zweiter Katalysator, insbesondere ein zweiter Drei-Wege-Katalysator, angeordnet ist. Bei der Oxidation der im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußpartikel können unerwünschte Nebenprodukte, insbesondere Kohlenstoffmonoxid (CO) entstehen. Durch einen zweiten Katalysator stromabwärts des Partikelfilters können auch diese Nebenprodukte in unschädliche Abgaskomponenten konvertiert werden, sodass die Endrohr-Emissionen weiter sinken. Darüber hinaus kann durch den zweiten Drei-Wege-Katalysator eine Abnahme der Konvertierungsleistung des ersten Drei-Wege-Katalysators durch Alterung kompensiert werden. Zusätzlich wird durch den zweiten Drei-Wege-Katalysator das katalytische Volumen vergrößert, wodurch bei hohen Raumgeschwindigkeiten die Gesamtkonvertierungsleistung verbessert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Filtersubstrat des Partikelfilters direkt elektrisch beheizbar ist oder der elektrisch beheizbare Partikelfilter durch ein elektrisches Heizelement beheizt wird, welches direkt auf das Filtersubstrat des elektrisch beheizbaren Partikelfilters einwirkt. Durch eine direkte Beheizung des Filtersubstrats geht wenig Energie ungenutzt über Konvektion oder Konduktion verloren, sodass eine besonders schnelle und effiziente Aufheizung des Partikelfilters möglich ist.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das elektrische Heizelement einen elektrischen Heizwiderstand oder eine Mikrowellenheizung aufweist. Durch einen elektrischen Heizwiderstand ist auf kostengünstige Art und Weise eine Aufheizung des Filtersubstrates möglich. Alternativ kann das Filtersubstrat mittels einer Mikrowellenheizung aufgeheizt werden, wobei der Mikrowellengenerator keinen direkten Kontakt mit dem Filtersubstrat benötigt und somit in einem Bereich der Abgasanlage angeordnet werden kann, in dem er den Strömungsquerschnitt des Abgaskanals nicht versperrt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Abgasnachbehandlungsvorrichtung ist vorgesehen, dass an dem elektrisch beheizbaren Partikelfilter eine Sensorik zur Ermittlung des Beladungszustands des elektrisch beheizbaren Partikelfilters vorgesehen ist. Durch eine Sensorik kann der Beladungszustand des Partikelfilters gemessen werden. Dabei kann durch eine geeignete Sensorik nicht nur der Beladungszustand, sondern auch die Beladungsverteilung ermittelt werden. Somit können zusätzliche Informationen zur Regeneration des Partikelfilters gewonnen werden, wodurch die Temperatur des Partikelfilters an die entsprechende Beladungssituation angepasst werden kann, um eine möglichst effiziente Regeneration des Partikelfilters zu erreichen.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Sensorik einen Differenzdruckmesser oder einen Radiowellensensor aufweist. Durch eine Differenzdruckmessung kann auf einfache und kostengünstige Art und Weise ein Druckanstieg durch die im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußpartikel ermittelt werden. Über einen Radiowellensensor kann alternativ auf einfache und kostengünstige Art und Weise der Beladungszustand des elektrisch beheizbaren Partikelfilters ermittelt werden.
Erfindungsgemäß wird ein Hybridfahrzeug mit einem Elektromotor, welcher aus einer Hochvoltbatterie gespeist wird, und mit einem Verbrennungsmotor vorgeschlagen, in dessen Abgaskanal eine erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsvorrichtung angeordnet ist. Dabei kann das Hybridfahrzeug sowohl als Vollhybrid als auch als Plug-In-Hybrid ausgebildet sein. Da es gerade bei einem Hybridfahrzeug, bei dem der Verbrennungsmotor in vielen Fahrzuständen nicht zugeschaltet ist, schwierig ist, die zur Regeneration des Partikelfilters notwendigen Abgastemperaturen zu erreichen, ist das vorgeschlagene Verfahren insbesondere zur Regeneration eines Partikelfilters in einem Abgaskanal eines solchen Hybridfahrzeuges angedacht. Dabei kann die Regeneration des Partikelfilters sowohl bei Stillstand des Kraftfahrzeuges als auch in einem rein elektrischen Betriebszustand des Kraftfahrzeuges erfolgen. Alternativ kann das vorgeschlagene Verfahren auch in einem Betriebszustand erfolgen, in dem der Verbrennungsmotor des Hybridfahrzeuges mit einer niedrigen Last betrieben wird, in der die Abgastemperatur ohne ein elektrische Beheizen des Partikelfilters nicht zum Erreichen der Regenerationstemperatur des Partikelfilters ausreicht.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Es zeigen:

1 ein schematisiertes Kraftfahrzeug mit einem Hybridantrieb aus einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor, bei dem im Abgaskanal ein elektrisch beheizbarer Partikelfilter angeordnet ist,
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeuges mit einem Hybridantrieb und einem im Abgaskanal angeordneten elektrisch beheizbaren Partikelfilter,
3 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regeneration eines elektrisch beheizbaren Partikelfilters im Abgaskanal eines Verbrennungsmotors,
4 einen Verbrennungsmotor mit einem Abgaskanal, in dem eine erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsvorrichtung angeordnet ist,
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors, in dessen Abgaskanal eine erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsvorrichtung angeordnet ist, und
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors, in dessen Abgaskanal eine erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsvorrichtung angeordnet ist.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeuges 1 mit einem Hybridantrieb 2. Der Hybridantrieb 2 umfasst einen Verbrennungsmotor 10 und einen Elektromotor 40, welche über einen Antriebsstrang 56 beide mit einem gemeinsamen Getriebe 42 in Wirkverbindung treten können. Der Verbrennungsmotor 10 ist einlassseitig mit einer Luftversorgung 60 verbunden. Dabei weist die Luftversorgung 60 in Strömungsrichtung von Frischluft einen Luftfilter 62, stromabwärts des Luftfilters 62 einen Luftmassenmesser 68, weiter stromabwärts einen Verdichter 66 eines Turboladers 70 und eine Drosselklappe 64 auf. Der Verbrennungsmotor 10 ist auslassseitig mit einem Abgaskanal 12 verbunden, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases eine Turbine 58 angeordnet ist, welche über eine Welle mit dem Verdichter 66 des Turboladers 70 verbunden ist. Stromabwärts der Turbine 58 ist ein erster Katalysator 14 und weiter stromabwärts ein Partikelfilter 16 angeordnet. Das Getriebe 42 ist über eine erste Kupplung 44 mit dem Verbrennungsmotor 10 und über eine zweite Kupplung 46 mit dem Elektromotor 40 verbindbar. Dabei können der Verbrennungsmotor 10 und der Elektromotor 40 entweder jeweils einzeln, oder zusammen das Kraftfahrzeug 1 antreiben. Dazu ist der Verbrennungsmotor 10 über das Getriebe 42 mit einer ersten Antriebsachse 72 des Kraftfahrzeuges 1 und der Elektromotor 40 mit einer zweiten Antriebsachse 74 des Kraftfahrzeuges 1 verbunden. Der Elektromotor 40 ist mit einer Hochvoltbatterie 30 verbunden, welche den Elektromotor 40 mit Strom versorgt. Der Elektromotor 40 und der Verbrennungsmotor 10 sind über Signalleitungen 76 mit einem Steuergerät 28 des Hybridantriebs 2 verbunden, welches die Leistungsanforderungen des Fahrers an die beiden Antriebsmotoren 10, 40 weitergibt. Im Abgaskanal 12 ist stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors 10 und stromauf des ersten Katalysators 14 eine Vorrichtung 18 zur Einbringung von Sekundärluft in den Abgaskanal 12 angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 16 kann ein weiterer Katalysator 22, insbesondere ein weiterer Drei-Wege-Katalysator 32 angeordnet sein, um eine weitere Abgasreinigung zu ermöglichen. Alternativ kann der Hybridantrieb 2 auch mit einem Saugmotor ausgeführt sein, wobei in diesem Fall der Turbolader 70 mit dem Verdichter 66 und der Turbine 58 entfällt. Alternativ kann der Luftmassenmesser 68 in einer vereinfachten Ausführungsform auch entfallen.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges 1 mit Hybridantrieb 2 dargestellt. Der Verbrennungsmotor 10 und der Elektromotor 40 sind dabei vorzugsweise quer zur Fahrtrichtung des Kraftfahrzeuges 1 in einem Motorraum im Vorderwagen des Kraftfahrzeuges 1 angeordnet. Alternativ können der Verbrennungsmotor 10 und der Elektromotor 40 auch längs zur Fahrtrichtung angeordnet sein. Zwischen dem Verbrennungsmotor 10 und dem Getriebe 42 ist eine erste Kupplung 44 angeordnet, über welche der Verbrennungsmotor 10 mit dem Getriebe 42 mechanisch verbunden werden kann. Diese erste Kupplung 44 kann sowohl als einfache Schaltkupplung als auch als, vorzugsweise automatisierte, Doppelkupplung ausgebildet sein. Zwischen dem Getriebe 42 und dem Elektromotor 40 ist eine weitere Kupplung 46 vorgesehen, welche eine Ankopplung beziehungsweise Abkopplung des Elektromotors 40 ermöglicht.
Im Fahrzeugheck sind ein Tank für den Verbrennungsmotor 10 und eine Hochvoltbatterie 30 für den Elektromotor 40 angeordnet, um eine gleichmäßige Gewichtsverteilung zwischen der ersten Antriebsachse 72, vorzugsweise der Vorderachse des Kraftfahrzeuges 1 und der zweiten Achse, vorzugsweise der Hinterachse, zu erzielen. Alternativ können der Tank und/oder die Hochvoltbatterie 30 auch an anderen Positionen des Kraftfahrzeuges 1 angeordnet werden.
Der Verbrennungsmotor 10 weist eine Luftversorgung 60 auf, in welcher in Strömungsrichtung der Frischluft ein Luftfilter 62 und stromabwärts des Luftfilters 62 ein Luftmassenmesser 68 angeordnet sind. Alternativ kann der Luftmassenmesser 68, insbesondere ein Heißfilmluftmassenmesser, auch in den Luftfilter 62 integriert sein. Stromabwärts des Luftmassenmessers 68 ist eine Drosselklappe 64 angeordnet, mit welcher die Luftzufuhr zu den Brennräumen des Verbrennungsmotors 10 gesteuert werden kann.
Der Elektromotor 40 und der Verbrennungsmotor 10 sind über einen gemeinsamen Antriebsstrang 56 miteinander verbindbar, wobei die Verbindung durch die Kupplungen 44 und 46 hergestellt beziehungsweise unterbunden werden kann. Durch das Schließen nur einer der Kupplungen 44 oder 46 kann das Kraftfahrzeug 1 wahlweise ausschließlich elektrisch durch den Elektromotor 40 oder ausschließlich mit Verbrennungsmotor 10 betrieben werden. Sind beide Kupplungen 44 und 46 geschlossen, so kann ein Boost-Betrieb mit beiden Antriebsaggregaten 10, 40, eine Rekuperation, also ein Aufladen der Hochvoltbatterie 30 des Elektromotors 40, oder ein elektrischer Bremsbetrieb durchgeführt werden. Das Getriebe 42 ist mit einem Differenzial verbunden, welches über Antriebswellen die Räder der ersten Antriebsachse 72, insbesondere der Vorderachse, antreibt.
Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Abgaskanal 12 auf, in welchem ein Drei-Wege-Katalysator 24 und ein Partikelfilter 16 angeordnet sind. Stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators 24 ist am Abgaskanal 12 eine Vorrichtung 18 zur Einbringung von Sekundärluft in den Abgaskanal 12 angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 16 ist im Abgaskanal 12 ein zweiter Drei-Wege-Katalysator 32 angeordnet, um eine zusätzliche Abgasreinigung zu ermöglichen und bei der Oxidation der im Partikelfilter 16 auftretenden Emissionen konvertieren zu können. Zur Steuerung des Verbrennungsmotors 10 und des Elektromotors 40 ist ein Steuergerät 28 vorgesehen, welches über erste Signalleitungen 76 mit dem Verbrennungsmotor 10 und über zweite Signalleitungen 76 mit dem Elektromotor 40 verbunden ist.
Im Normalbetrieb wird das Kraftfahrzeug 1 in einem Hybridmodus betrieben, in dem das Fahrerwunschmoment nach einem bestimmten Antriebsmotor 10, 40 durch das Steuergerät 28 an den Verbrennungsmotor 10, den Elektromotor 40 oder beide Motoren 10, 40 weitergegeben wird. Die im Steuergerät 28 abgelegte Betriebsstrategie des Hybridantriebs 2 gibt vor, auf welche Art und Weise der Fahrerwunsch erfüllt wird. Dabei kann das Antriebsmoment entweder vollständig durch den Elektromotor 40 bereitgestellt werden, durch eine Aufteilung zwischen Elektromotor 40 und Verbrennungsmotor 10 erfolgen oder vollständig durch den Verbrennungsmotor 10 erfolgen. Im Hybridbetrieb ist es zudem möglich, dass der Verbrennungsmotor 10 mehr Drehmoment erzeugt, als zum Antrieb des Kraftfahrzeuges notwendig ist, wobei das zusätzliche Drehmoment durch die Ankupplung des Elektromotors 40 über die Kupplung 46 genutzt wird, um die Hochvoltbatterie 30 des Elektromotors 40 zu laden.
Während der Verbrennungsmotor 10 aktiv ist, wird das Abgas des Verbrennungsmotors 10 durch den Partikelfilter 16 im Abgaskanal 12 geleitet. Während des Hybridbetriebs wird der Partikelfilter 16 mit Rußpartikeln beladen, bis ein maximal zulässiger Beladungszustand des Partikelfilters 16 erreicht ist.
In 3 ist der Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regeneration eines elektrisch beheizbaren Partikelfilters 16 im Abgaskanal 12 eines Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Dabei ist der zeitliche Verlauf der Temperatur T des elektrisch beheizbaren Partikelfilters 16 sowie eines Massenstrom m_SL der in den Abgaskanal 12 eingeblasenen Sekundärluft dargestellt. Dabei wird der elektrisch beheizbare Partikelfilter 16 in einer ersten Phase von einem Zeitpunkt I von einer Umgebungstemperatur T_Umg auf eine Regenerationstemperatur T_reg aufgeheizt, bei der eine Oxidation der im Partikelfilter 16 zurückgehaltenen Rußpartikel möglich ist. Sobald der elektrisch beheizbare Partikelfilter 16 zu einem Zeitpunkt II die Regenerationstemperatur T_reg erreicht hat, wird die Einblasung der Sekundärluft gestartet, während der Partikelfilter 16 weiterhin beheizt wird. Durch die Einblasung der Sekundärluft wird der zur Oxidation der Rußpartikel notwendige Sauerstoff zur Verfügung gestellt, um eine effiziente Regeneration des Partikelfilters 16 zu ermöglichen. Ist der Partikelfilter 16 zu einem Zeitpunkt III vollständig regeneriert, wird die elektrische Heizung 20 des elektrisch beheizbaren Partikelfilters 16 sowie die Vorrichtung zur Sekundärlufteinbringung 18 deaktiviert. Alternativ kann der Partikelfilter 16 auch, insbesondere nach einem Betrieb des Verbrennungsmotors 10 von einer Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur T_Umg, insbesondere von einer Temperatur oberhalb einer Schwellentemperatur T_S auf die Regenerationstemperatur T_reg aufgeheizt werden.
In 4 ist eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 50 für einen Verbrennungsmotor 10 dargestellt. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 50 weist einen Abgaskanal 12 auf, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases durch den Abgaskanal 12 stromabwärts eines Drei-Wege-Katalysator 24 ein elektrisch beheizbarer Partikelfilter 16 angeordnet ist. Stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators 24 ist eine Vorrichtung 18 zur Einbringung von Sekundärluft in den Abgaskanal 12 angeordnet. Die vorgeschlagene Abgasnachbehandlungsvorrichtung ermöglicht eine Regeneration des Partikelfilters 16 auch bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor 10, sofern ein ausreichender Ladezustand der Hochvoltbatterie 30 vorliegt oder während des Ladevorgangs der Hochvoltbatterie 30. Hierzu ist der elektrisch beheizbare Partikelfilter 16 derart ausgeführt, dass das Filtersubstrat 48 direkt beheizt wird. Dies kann beispielsweise mittels eines elektrischen Heizwiderstandes 52 oder mit einer Mikrowellenheizung 54 erfolgen. Dies bewirkt eine direkte Aufheizung des Filtersubstrats 48 ohne einen Trägerström, welcher zusätzlich den Abgaskanal 12 und darin stromaufwärts des Partikelfilters 16 angeordnete Bauteile 14, 58 erwärmt. Für eine Rußoxidation wird neben einer hinreichenden Regenerationstemperatur T_reg ein Sauerstoffmassenstrom durch den Partikelfilter 16 benötigt. Dieser kann vorzugsweise mithilfe der Vorrichtung 18 zur Einbringung von Sekundärluft in den Abgaskanal 12, insbesondere mittels einer Sekundärluftpumpe, in den Partikelfilter 16 eingebracht werden. Die Zuführung der Sekundärluft erfolgt stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators 24. Die direkte Aufheizung des Filtersubstrats 48 und die Entkopplung der Regeneration des Partikelfilters 16 vom Motorbetrieb des Verbrennungsmotors 10 ergeben energetische Vorteile, da nur ein geringer Luftmassenstrom, der dem Abgaskanal 12 durch die Vorrichtung 18 zur Sekundärlufteinbringung zugeführt wird, aufgeheizt werden muss und nicht der gesamte Abgasmassenstrom des Verbrennungsmotors 10. Dies begrenzt die erforderliche elektrische Heizleistung der elektrischen Heizung 20 am elektrisch beheizbaren Partikelfilter 16.
In der in 4 dargestellten Ausführungsform ist der beheizbare Partikelfilter 16 stromabwärts eines ersten Katalysators 14, 24 angeordnet. Diese Konfiguration ergibt zusätzlich den Vorteil, dass der Abgasgegendruck durch den geringen Volumenstrom in dem Partikelfilter 16 gering bleibt. Die Einbringung der Sekundärluft erfolgt vorzugsweise direkt an den Auslassventilen des Verbrennungsmotors 10. Dadurch kann die Vorrichtung 18 zur Einbringung von Sekundärluft auch zum Aufheizen des ersten Katalysators 14, 24 bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 genutzt werden. Wird der Partikelfilter 16 ausschließlich bei stehendem Verbrennungsmotor 10 regeneriert, muss bei der Positionierung des elektrisch beheizbaren Partikelfilters 16 in dem Abgaskanal 12 keine Rücksicht auf die Darstellbarkeit von zur Regeneration des Partikelfilters 16 notwendigen Abgastemperaturen genommen werden. Dadurch ist es möglich, den elektrisch beheizbaren Partikelfilter 16 sehr weit stromabwärts des ersten Katalysators 14, 24 zu positionieren, wodurch der Abgasgegendruck weiter reduziert werden kann.
Bevorzugt ist der elektrisch beheizbare Partikelfilter 16 ohne eine katalytisch wirksame Beschichtung ausgeführt, um zu vermeiden, dass eine solche Beschichtung die gasförmige Konvertierung beeinflusst. Dies führt dazu, dass eine Überwachung mittels On-Board-Diagnose nicht zwangsläufig erforderlich ist. Die Regeneration des elektrisch beheizbaren Partikelfilters 16 wird vorzugsweise dann ausgelöst, wenn ein im Steuergerät 28 hinterlegtes Beladungsmodell oder eine geeignete Sensorik 26, insbesondere ein Differenzdrucksensor 34 oder ein Radiowellensensor 36 eine maximal zulässige Beladung des Partikelfilters 16 erkennt. Die Regeneration kann dann noch im aktuellen Fahrbetrieb, insbesondere bei rein elektrischer Fahrt des Hybridfahrzeuges 2 oder nach Abstellen des Kraftfahrzeuges 1 durchgeführt werden, da kein Abgasmassenstrom des Verbrennungsmotors 10 benötigt wird. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit einer vollständigen Entkopplung des Regenerationsvorgangs des Partikelfilters 16 von dem Betrieb des Verbrennungsmotors 10. Besonders bevorzugt wird die Regeneration eingeleitet, wenn der Partikelfilter 16 durch einen aktuellen oder vorhergehenden Betrieb des Verbrennungsmotors 10 bereits aufgeheizt ist. Durch diese Steuerung kann die Regeneration energieoptimal ablaufen. Das Ende der Regeneration kann ebenfalls mittels eines in dem Steuergerät 28 abgelegten Beladungsmodells oder mithilfe der Sensorik 26, 34, 36 gesteuert werden. Dazu wird die aktuelle Rußbeladung des Partikelfilters 16 mit einem Zielwert abgeglichen.
Alternativ kann der elektrisch beheizbare Partikelfilter 16 eine geringfügige Edelmetallbeschichtung aufweisen. Somit bleibt der Partikelfilter im Wesentlichen ohne eine Sauerstoffspeicherfähigkeit, es können jedoch bei der Oxidation des Rußes auftretende Kohlenmonoxide katalytisch in Kohlenstoffdioxid umgesetzt werden. Der Verzicht auf eine Sauerstoffspeicherfähigkeit der Beschichtung ermöglicht es, dass der Drei-Wege-Katalysator 24 und der elektrisch beheizbare Partikelfilter 16 im Rahmen der On-Board-Diagnose wie ein Bauteil bewertet werden können.
Wenn der motornahe erste Drei-Wege-Katalysator 14, 24 für die gasförmige Konvertierung nicht ausreicht, kann es erforderlich sein, einen zweiten Drei-Wege-Katalysator 32 zu verbauen. Dieser kann wie in 5 dargestellt stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 24 und stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Partikelfilters 16 oder wie in 6 dargestellt stromabwärts des elektrisch beheizbaren Partikelfilters 16 angeordnet sein.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: Hybridfahrzeug
10: Verbrennungsmotor
12: Abgaskanal
14: erster Katalysator
16: elektrisch beheizbarer Partikelfilter
18: Vorrichtung zur Sekundärlufteinbringung
20: elektrische Heizung
22: zweiter Katalysator
24: Drei-Wege-Katalysator
26: Sensorik
28: Steuergerät
30: Hochvoltbatterie
32: zweiter Drei-Wege-Katalysator
34: Differenzdrucksensor
36: Radiowellensensor
40: Elektromotor
42: Getriebe
44: erste Kupplung
46: zweite Kupplung
48: Filtersubstrat
50: Abgasnachbehandlungsvorrichtung
52: elektrischer Heizwiderstand
54: Mikrowellenheizung
56: Antriebsstrang
58: Turbine
60: Luftversorgungssystem
62: Luftfilter
64: Drosselklappe
66: Verdichter
68: Luftmassenmesser
70: Turbolader
72: erste Antriebsachse
74: zweite Antriebsachse
76: Signalleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013114999 A1 [0003]
US 20040226287 A1 [0004]
US 20070277515 A1 [0005]
US 20120117946 [0006]

Claims

Verfahren zur Regeneration eines elektrisch beheizbaren Partikelfilters (16) im Abgaskanal (12) eines Verbrennungsmotors (10), in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases durch den Abgaskanal (12) ein erster Katalysator (14) zur Oxidation von unverbrannten Kraftstoffkomponenten und stromabwärts des ersten Katalysators (14) ein elektrisch beheizbarer Partikelfilter (16) angeordnet sind, sowie mit einer Vorrichtung zur Sekundärlufteinbringung (18), mit welcher stromaufwärts des ersten Katalysators (14) Sekundärluft in den Abgaskanal (12) eingebracht werden kann, umfassend folgende Schritte: - Beladen des Rußpartikelfilters (16) in einem Motorbetrieb des Verbrennungsmotors, - Aufheizen des elektrisch beheizbaren Partikelfilters (16) auf eine Regenerationstemperatur (T_reg), - Einblasen von Sekundärluft in den Abgaskanal (12) stromaufwärts des ersten Katalysators (14), wenn der elektrisch beheizbare Partikelfilter (16) die Regenerationstemperatur (T_reg) erreicht hat, und - Abschalten der Vorrichtung zur Sekundärlufteinbringung und der elektrischen Heizung (20) des elektrisch beheizbaren Partikelfilters (16), wenn der elektrisch beheizbare Partikelfilter (16) regeneriert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei einem Stillstand des Verbrennungsmotors (10) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren unmittelbar nach einem Betrieb des Verbrennungsmotors (10) eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren eingeleitet wird, wenn die Temperatur des elektrisch beheizbaren Partikelfilters (16) oberhalb einer Schwellentemperatur (T_S) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (20) des elektrisch beheizbaren Partikelfilters (16) aus einer Hochvoltbatterie (30) eines Kraftfahrzeuges (1) gespeist wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren eingeleitet wird, wenn durch eine Sensorik (26, 34, 36) im Abgaskanal (12) ein Beladungszustand des elektrisch beheizbaren Partikelfilters (16) erkannt wird, welcher eine Regeneration notwendig macht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren eingeleitet wird, wenn ein Beladungsmodell zur Modellierung des Beladungszustands des elektrisch beheizbaren Partikelfilters (16) einen Beladungszustand erkennt, welcher eine Regeneration des elektrisch beheizbaren Partikelfilters (16) notwendig macht.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (50) für einen Verbrennungsmotor (10), mit einem Abgaskanal (12), wobei in dem Abgaskanal (12) in Strömungsrichtung eines Abgases durch den Abgaskanal (12) ein erster Katalysator (14) zur Oxidation von unverbrannten Kraftstoffkomponenten und zur Reduktion von Stickoxiden und stromabwärts des ersten Katalysators (14) ein elektrisch beheizbarer Partikelfilter (16) angeordnet sind, sowie mit einer Vorrichtung zur Sekundärlufteinbringung (18), welche stromaufwärts des ersten Katalysators (14) an dem Abgaskanal (12) angeordnet ist, sowie mit einem Steuergerät (28), wobei das Steuergerät (28) eingerichtet ist, um ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (50) für einen Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator (14) als ein Drei-Wege-Katalysator (24) ausgebildet ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (50) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgaskanal (12) stromabwärts des elektrisch beheizbaren Partikelfilters (16) ein zweiter Katalysator (22), insbesondere ein zweiter Drei-Wege-Katalysator (32), angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (50) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch beheizbare Partikelfilter (16) durch ein elektrisches Heizelement (20) beheizt wird, welches direkt auf ein Filtersubstrat (48) des elektrisch beheizbaren Partikelfilters (16) einwirkt, oder das Filtersubstrat (48) des Partikelfilters (16) direkt elektrisch beheizt wird.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (50) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (20) einen elektrischen Heizwiderstand (52) oder eine Mikrowellenheizung (54) aufweist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (50) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass an dem elektrisch beheizbaren Partikelfilter (16) eine Sensorik (26) zur Ermittlung des Beladungszustands des elektrisch beheizbaren Partikelfilters (16) vorgesehen ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (50) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik (26) einen Differenzdrucksensor (34) oder einen Radiowellensensor (36) aufweist.
Hybridfahrzeug (2) mit einem elektrischen Antriebsmotor (40), welcher aus einer Hochvoltbatterie (30) gespeist wird und mit einem Verbrennungsmotor (1), in dessen Abgaskanal eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung (50) nach einem der Ansprüche 8 bis 14 angeordnet ist.