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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Regenerieren eines in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors angeordneten LNT-Katalysators, eine Steuereinheit zum Steuern eines Regenerierens eines in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors angeordneten LNT-Katalysators sowie ein Kraftfahrzeug.
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Im Abgas von Verbrennungsmotoren befinden sich Schadstoffe, wie z. B. Kohlenwasserstoffe, Kohlenstoffmonoxid und Stickoxide (NOx), deren Emissionsgrenzwerte in vielen Ländern gesetzlich geregelt sind. Um die Schadstoffemission durch Abgase zu verringern, werden Abgasnachbehandlungseinrichtungen, z. B. Katalysatoren, eingesetzt, mit denen die genannten Schadstoffe in ungiftige Stoffe wie Kohlenstoffdioxid, Wasser und Stickstoff durch Oxidation oder Reduktion umgewandelt werden können.
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Mittels herkömmlicher geregelter 3-Wege-Katalysatoren können Stickoxide jedoch nur zu Stickstoff reduziert werden, sofern dem Verbrennungsmotor ein konstant stöchiometrisches Verhältnis von Luft zu Kraftstoff (λ = 1) zugeführt wird. Bereits bei geringen Abweichungen in den mageren Bereich (λ > 1), d. h. bei Sauerstoffüberschuss, werden die Stickoxide nicht mehr ausreichend reduziert. Ursache sind die in zu geringen Mengen vorhandenen Produkte unvollständiger Verbrennung, wie z. B. Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffe, da diese ihrerseits durch den überschüssigen Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid oxidiert werden. Entsprechend wird ein solcher Katalysator üblicherweise nur bei Fahrzeugen mit Ottomotor und Lambdaregelung, d. h. mit einer Überwachung der Zusammensetzung des Luft-Kraftstoff-Gemischs, eingesetzt. Bei Diesel- und Magermix-Ottomotoren sind hingegen andere Verfahren für die Behandlung von Stickoxiden notwendig.
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Für die Reduzierung von Stickoxidemissionen können als Abgasnachbehandlungseinrichtungen beispielsweise Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Katalysator) oder NOx-Speicherkatalysatoren, auch als lean NOx trap (LNT-Katalysator), bezeichnet, eingesetzt werden.
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Die Funktionsweise eines LNT-Katalysators beruht auf einer Zwischenspeicherung der Stickoxide während eines mageren Betriebsmodus des Verbrennungsmotors. Um die Speicherkapazität für Stickoxide aufrecht zu erhalten, ist von Zeit zu Zeit eine Regeneration des LNT-Katalysators erforderlich. Zur Regeneration kann der Verbrennungsmotor beispielsweise für eine Zeitdauer von einigen Sekunden mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben werden, so dass dem LNT-Katalysator ein unterstöchiometrisches Abgasgemisch zugeführt wird. Die in diesem unterstöchiometrischen Abgasgemisch enthaltenen reduzierend wirkenden Bestandteile reagieren mit gespeicherten Stickoxiden, so dass die Stickoxide idealerweise zu ungefährlichem Stickstoff umgewandelt werden.
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Das Funktionsprinzip von SCR-Katalysatoren basiert auf einer kontinuierlichen Reduktion von Stickoxide mittels Ammoniak, der beispielsweise aus einer wässrigen Harnstofflösung gewonnen werden kann, die stromaufwärts des SCR-Katalysators dem Abgasstrom zugeführt wird. Eine Spezialform eines SCR-Katalysators stellt ein SDPF-Katalysator dar, der als Dieselpartikelfilter (DPF) mit einer Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Beschichtung) ausgestattet ist.
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Den meisten Abgasnachbehandlungseinrichtungen, insbesondere Katalysatoren, ist gemein, dass sie für eine optimale Funktionsweise innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs betrieben werden sollten. Wird eine Mindesttemperatur, auch als „light-off“-Temperatur bezeichnet, unterschritten, ist die katalytische Umwandlung der Schadstoffe häufig nicht ausreichend und folglich werden Emissionsgrenzwerte überschritten. Wird hingegen die Maximaltemperatur überschritten, kann auch dies mit einer verminderten katalytischen Umwandlung einhergehen. Zudem können unerwünschte Nebenreaktionen ablaufen und es kann zu einer Schädigung der Abgasnachbehandlungseinrichtung kommen.
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Gemäß dem Stand der Technik wird ein LNT-Katalysator häufig in Kombination mit einem SCR-Katalysator eingesetzt. Dabei dient der LNT-Katalysator vorrangig der Speicherung von Stickoxiden bei niedrigen Temperaturen, z. B. nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors. Wird eine Mindesttemperatur überschritten, ist der SCR-Katalysator in der Lage Stickoxide umzuwandeln. Ab Erreichen einer bestimmten Temperatur ist der SCR-Katalysator in der Lage, allein für eine ausreichende Umwandlung der Stickoxide zu sorgen. Eine Speicherung von Stickoxiden im LNT-Katalysator ist dann nicht mehr oder nur noch in geringen Mengen erforderlich, so dass auch die Häufigkeit der Regeneration des LNT-Katalysators verringert werden kann, so dass für die Regeneration benötigter Kraftstoff eingespart und der Ausstoß von Kohlenstoffdioxid verringert werden kann.
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Eine Schwierigkeit ergibt sich, wenn ein Kraftfahrzeug mit einem nahezu voll mit Stickoxiden beladenen LNT-Katalysator abgestellt wird, bevor eine Regeneration des LNT-Katalysators stattgefunden hat. Dann steht für einen folgenden Kaltstart des Verbrennungsmotors nicht ausreichend Speicherkapazität für Stickoxide zur Verfügung. Dieses Problem wird durch die Vielzahl möglicher Fahrzyklen im realen Einsatz des Kraftfahrzeugs noch verstärkt, da üblicherweise nicht vorhersehbar ist, wann der Verbrennungsmotor abgeschaltet und wann ein erneuter Start des Verbrennungsmotors durchgeführt werden wird.
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Um eine mangelnde Speicherkapazität für Stickoxide beim Start eines Verbrennungsmotors zu vermeiden, wird in der
DE 10 2013 205 541 A1 vorgeschlagen, einen LNT-Katalysator unmittelbar vor dem Ausschalten des Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs zu regenerieren. Somit steht bei einem anschließenden Neustart des Verbrennungsmotors die vollständige Speicherkapazität des LNT-Katalysators für die Stickoxide zur Verfügung.
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Allerdings bestehen Schwierigkeiten, die korrekten Regenerationsbedingungen während des kurzen Ausschaltvorgangs des Verbrennungsmotors einzustellen und eine ausreichende Menge an Reduktionsmittel in diesem Zeitfenster zur Verfügung zu stellen, da die Kraftstoffzufuhr mit dem Ausschalten des Verbrennungsmotors komplett unterbrochen wird. Zudem erfordert auch für die effektive Regeneration des LNT-Katalysators das Einhalten einer Mindesttemperatur.
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Weiterentwicklungen gemäß
DE 10 2015 224 652 A1 und
DE 10 2013 205 541 A1 basieren daher auf einem Verzögern des Ausschaltens des Verbrennungsmotors und der Regeneration des LNT-Katalysators während der Verzögerung durch Zuführen eines fetten Abgasgemischs zum LNT-Katalysator.
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Auch aus der
DE 10 2012 018 673 A1 ist ein Verfahren zur Regenerierung eines LNT-Katalysators bekannt. Hierbei wird die Betriebstemperatur des LNT-Katalysators überwacht und die Regenerierung erfolgt zu einem Zeitpunkt, zu dem sich eine Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms durch den LNT-Katalysator im Vergleich zu einem unmittelbar vorherigen Zeitbereich verringert hat. Als Reduktionsmittel dient von einem Reformer erzeugtes Reformat, sodass die Regenerierung bei Motorstillstand durchgeführt werden kann.
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Nachteilig an diesen Lösungen ist, dass für die Regeneration zusätzliche Energie, z. B. in Form von Kraftstoff, zum Antreiben des Verbrennungsmotors und für die Regeneration an sich, d. h. die Bereitstellung von Reduktionsmitteln, benötigt wird.
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Die JP H11- 81 992 A offenbart ein Verfahren, bei dem ein LNT-Katalysator ausschließlich mittels thermischer Desorption regeneriert wird.
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Aus der
US 2014 / 0 090 362 A1 sind weitere Verfahren zur Regeneration eines LNT-Katalysators in bestimmten Betriebssituationen eines Fahrzeugs bekannt. Die
US 2013 / 0 204 476 A1 offenbart Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters.
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Die
DE 10 2016 222 012 A1 offenbart ein Verfahren zum Steuern eines LNT-Katalysators während des Betriebs eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor.
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Hierbei wird ein Modell verwendet, dass die Stickoxidspeicherfähigkeit beschreibt und Untermodelle zur Niedertemperaturspeicherfähigkeit und Hochtemperaturspeicherfähigkeit umfasst. Das zu nutzende Regenerationsverfahren, z. B. Regenerieren durch fetten Betrieb des Verbrennungsmotors und/oder Regenerieren durch thermische Stickoxiddesorption, wird anhand einer Fahrprofilanalyse festgelegt. Wird ein baldiges Fahrtende angenommen, erfolgt das Regenerieren mittels fetten Betriebs des Verbrennungsmotors.
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Weitere Informationen zu Katalysatoren sind zudem in Reif, Konrad: Abgastechnik für Verbrennungsmotoren. Wiesbaden : Springer Vieweg, 2015, S. 61 - 62. - ISBN 978-3-658-09522-2 offenbart. Verfahren zum Betreiben eines Hybridfahrzeugs sind aus
DE 10 2014 220 860 A1 bekannt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Möglichkeiten anzugeben, mit denen die vorgenannten Nachteile behoben oder zumindest abgeschwächt werden können. Es soll ermöglicht werden, einen leeren LNT-Katalysator, d. h. einen LNT-Katalysator mit einer möglichst hohen Speicherkapazität für Stickoxide, am Ende eines zufälligen Fahrzyklus bereitzustellen. Wünschenswert wäre, den dafür benötigten Kraftstoffverbrauch gering zu halten.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, dass ein LNT-Katalysator Niedertemperaturspeicherplätze und Hochtemperaturspeicherplätze aufweisen kann, wobei nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors vorrangig die Niedertemperaturspeicherplätze zum Speichern von Stickoxiden genutzt werden. Entsprechend sollte sichergestellt sein, dass bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors ausreichend Speicherkapazität in den Niedertemperaturspeicherplätzen vorhanden ist. Um dies zu erreichen, werden die Niedertemperaturspeicherplätze des LNT-Katalysators regeneriert, falls eine Ausschaltungsanforderung zum Ausschalten des Verbrennungsmotors vorliegt, beispielsweise also am Ende eines Fahrzyklus eines Kraftfahrzeugs vor dem endgültigen Abstellen des Kraftfahrzeugs. Die Regeneration der Niedertemperaturspeicherplätze erfolgt ausschließlich durch thermische Desorption bei Temperaturen von ca. 250 °C bis 300 °C. Unter Regeneration der Niedertemperaturspeicherplätze ist demnach die Durchführung von Maßnahmen, wie z. B. einer thermischen Desorption (thermische Regeneration), zu verstehen, mit der ein Leeren der Stickoxidspeicher erreicht werden kann, so dass nach Abschluss der Regeneration eine höhere Stickoxidspeicherkapazität in den Niedertemperaturspeicherplätzen zur Verfügung steht.
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Die Erfindung stellt eine einfache Möglichkeit zur Regeneration des LNT-Katalysators bereit. Indem eine ausreichende Speicherkapazität für Stickoxide für einen Kaltstart des Verbrennungsmotors bereitgestellt wird, können im Abgasgemisch enthaltene Stickoxide gespeichert und nachbehandelt werden. Eine unerwünschte Emission von Stickoxiden in die Umgebung kann verringert werden, so dass beispielsweise die Einhaltung von Emissionsgrenzwerten ermöglicht werden kann.
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Das Vorsehen von Niedertemperaturspeicherplätzen und Hochtemperaturspeicherplätzen im LNT-Katalysator ermöglicht außerdem eine geteilte Regeneration. Mit anderen Worten muss nicht der gesamte LNT-Katalysator regeneriert werden, sondern es können selektiv lediglich die Niedertemperaturspeicherplätze regeneriert werden, die hauptverantwortlich für die Speicherung von Stickoxiden nach dem Kaltstart des Verbrennungsmotors ist. Für die selektive Regeneration der Niedertemperaturspeicherplätze wird vorteilhaft weniger Kraftstoff, z. B. für das Antreiben des Verbrennungsmotors und ggf. für die Durchführung von Maßnahmen zur Temperaturerhöhung des Abgasgemischs, als für die Regeneration des gesamten LNT-Katalysators benötigt. Die Regeneration der Hochtemperaturspeicherplätze kann dann beispielsweise unter abweichenden Bedingungen, die für die Regeneration der Hochtemperaturspeicherplätze optimiert sind, erfolgen. Eine getrennte Regeneration von Niedertemperatur- und Hochtemperaturspeicherplätzen wäre mittels fetten Betriebs des Verbrennungsmotors nicht möglich.
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Bei einem erfindungsgemäßes Verfahren zum Regenerieren eines in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors angeordneten LNT-Katalysators mit Niedertemperaturspeicherplätzen und Hochtemperaturspeicherplätzen erfolgt bei einem Vorliegen einer Ausschaltungsanforderung zum Ausschalten des Verbrennungsmotors ein Wechsel von einem Verbrennungsbetrieb in einen Regenerationsbetrieb. Der Regenerationsbetrieb weist folgende Merkmale auf: Überwachen der Temperatur des LNT-Katalysators, Sicherstellen der Entkoppelung des Verbrennungsmotors eines Antriebsstrangs vom restlichen Antriebsstrang, Durchführen einer Kraftstoffverbrennung im Verbrennungsmotor zum Erzeugen eines Abgasgemischs, Zuführen des Abgasgemischs zum LNT-Katalysator und damit auch zu den Niedertemperaturspeicherplätzen bis die Temperatur des LNT-Katalysators und damit auch die Temperatur der Niedertemperaturspeicherplätze die Schwelltemperatur erreicht, bei Erreichen der Schwelltemperatur Regenerieren der Niedertemperaturspeicherplätze und Ausschalten des Verbrennungsmotors nach Abschluss des Regenerierens der Niedertemperaturspeicherplätze.
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Die Merkmale des Regenerationsbetriebs können als aufeinanderfolgende Schritte, beispielsweise in der Reihenfolge der Nennung, durchgeführt werden. Je nach Bedarf können die Merkmale jedoch auch gleichzeitig, überlappend oder in einer abweichenden Reihenfolge durchgeführt werden. Beispielsweise kann das Überwachen der Temperatur der Niedertemperaturspeichereinheit während des gesamten Verfahrens durchgeführt werden.
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Bei den Niedertemperaturspeicherplätzen und Hochtemperaturspeicherplätzen des LNT-Katalysators handelt es sich um Speicherplätze, die zur Speicherung von Stickoxiden innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs optimiert sind, wobei der Temperaturbereich der Niedertemperaturspeicherplätze unterhalb des Temperaturbereichs der Hochtemperaturspeicherplätze liegt. Die Niedertemperaturspeicherplätze und Hochtemperaturspeicherplätze können beliebig im LNT-Katalysator verteilt sein. Die Niedertemperaturspeicherplätze können für das Speichern von Stickoxiden in einem Temperaturbereich unterhalb einer Schwelltemperatur von beispielsweise 200 °C oder 250 °C ausgebildet sein. Demgegenüber können die Hochtemperaturspeicherplätze für das Speichern von Stickoxiden in einem Temperaturbereich oberhalb der Schwelltemperatur ausgebildet sein.
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Beispielsweise können die Niedertemperatur- und Hochtemperaturspeicherplätze durch unterschiedliche chemische Elemente innerhalb des LNT-Katalysators gebildet sein. So können z. B. die Niedertemperaturspeicherplätze Cerium aufweisen oder durch Cerium gebildet sein, während die Hochtemperaturspeicherplätze Barium aufweisen oder durch Barium gebildet sein können.
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Bei geringen Temperaturen kann Stickstoffmonoxid (NO) in den Niedertemperaturspeicherplätzen gespeichert werden. Bei höheren Temperaturen von ca. 150 °C bis 200 °C wird Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid (NO2) oxidiert. Dieses Stickstoffdioxid kann dann in den Hochtemperaturspeicherplätzen gespeichert werden.
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Die in den Niedertemperaturspeicherplätzen gespeicherten NO-Moleküle desorbieren bei Temperaturen von ca. 250 °C bis 300 °C, während bei diesen Temperaturen in den Hochtemperaturspeicherlätzen gespeicherte NO2-Moleküle weiterhin gespeichert bleiben. Die aus den Niedertemperaturspeicherplätzen desorbierten NO-Moleküle können oxidiert und dann in den Hochtemperaturspeicherplätzen gespeichert werden. Eine Desorption von NO2-Molekulen aus den Hochtemperaturspeicherplätzen findet hingegen nur bei höheren Temperaturen ab ca. 350 °C, bevorzugt ab Temperaturen von ca. 400 °C statt. Die konkreten Temperaturbereiche sind u. a. von der konkreten Materialauswahl eines LNT-Katalysators abhängig. Üblicherweise beginnt eine thermische Desorption aus den Niedertemperaturspeicherplätzen bei ca. 250 °C. Ab einer Temperatur von 310 °C kann üblicherweise von einer vollständigen thermischen Desorption der Stickoxide aus den Niedertemperaturspeicherplätzen ausgegangen werden.
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Bei der Ausschaltungsanforderung zum Ausschalten des Verbrennungsbetriebs kann es sich beispielsweise um eine mittels einer Start/Stopp-Automatik erzeugte Anforderung zum Ausschalten des Verbrennungsbetriebs, z. B. zum Ausrollen oder zum sogenannten Segeln, oder, im Falle eines Hybridelektrokraftfahrzeugs, um eine Anforderung zum Ausschalten des Verbrennungsbetriebs durch Umschalten in einen Elektrofahrbetrieb handeln. Die Ausschaltungsanforderung kann automatisch ohne Eingriff einer die Anordnung bedienenden Person ausgegeben werden.
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Ein Spezialfall einer Ausschaltungsanforderung zum Ausschalten des Verbrennungsbetriebs ist eine Anforderung zum Ausschalten der Anordnung, mit welcher das Verfahren ausgeführt wird, da bei einem Ausschalten der Anordnung auch der Verbrennungsbetrieb beendet wird.
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Eine Ausschaltungsanforderung kann beispielsweise durch eine geeignete Bewegung des Schlüssels im Zündschloss oder ein Bewegen eines Schalters, z. B. Drücken eines Start/Stopp-Knopfes, erfolgen. Beispielsweise kann die Ausschaltungsanforderung in einem Ausschalten eines Fahrzeugs und damit auch dessen Verbrennungsmotors durch einen Benutzer des Fahrzeugs mittels Schlüssel oder Start/Stopp-Knopf bestehen.
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Optional kann der Wechsel vom Verbrennungsbetrieb in den Regenerationsbetrieb von der Erfüllung weiterer Bedingungen abhängig sein. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Wechsel nur erfolgt, falls ein Abkühlen des LNT-Katalysators auf eine Temperatur unterhalb einer Mindesttemperatur zu erwarten ist. Ein solches Abkühlen kann beispielsweise erwartet werden, wenn die Analyse eines Fahrprofils ergibt, dass der Verbrennungsmotor endgültig ausgeschaltet wird und ein erneutes Einschalten bis zum Absinken der Temperatur auf eine Temperatur unterhalb der Mindesttemperatur nicht zu erwarten ist. Dies kann z. B. der Fall sein, wenn die Analyse des Fahrprofils das Erreichen eines Parkplatzes ergibt.
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Das Überwachen der Temperatur des LNT-Katalysators kann mittels Temperatursensoren erfolgen. Diese können im Abgasstrang, beispielsweise unmittelbar stromaufwärts des LNT-Katalysators, angeordnet sein und die Temperatur des Abgasgemischs ermitteln. Anhand der Temperatur des Abgasgemischs kann dann die Temperatur des LNT-Katalysators und somit auch die Temperatur der Niedertemperaturspeicherplätze abgeleitet werden. Alternativ kann die Temperatur des LNT-Katalysators direkt bestimmt werden, z. B. mittels im LNT-Katalysator angeordneter Temperatursensoren.
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Zu Beginn des Regenerationsbetriebs wird sichergestellt, dass der Verbrennungsmotor des Antriebsstrangs vom restlichen Antriebsstrang, z. B. den Rädern eines Kraftfahrzeugs, entkoppelt ist. Dazu kann geprüft werden, ob sich die Gangschaltung in einer neutralen Position, d. h. im Leerlauf befindet. Ist dies nicht der Fall, wird der Verbrennungsmotor vom restlichen Antriebsstrang entkoppelt, indem eine Kupplung, bevorzugt eine elektrisch betätigte Kupplung, gelöst wird.
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Im Verbrennungsmotor wird eine Kraftstoffverbrennung durchgeführt, um ein Abgasgemisch zu erzeugen. Hierzu kann der Verbrennungsmotor mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben werden. Die Temperatur des Abgasgemischs ist dabei aufgrund der beim Verbrennungsvorgang entstehenden Wärme gegenüber der Umgebungstemperatur erhöht. Die konkrete Temperatur des Abgasgemischs ist u. a. abhängig von der Menge des zugeführten und verbrannten Kraftstoffs.
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Die Kraftstoffverbrennung im Regenerationsbetrieb kann beispielsweise durch Aufrechterhalten einer vorherigen Kraftstoffverbrennung des Verbrennungsbetriebs erfolgen. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, eine Kraftstoffverbrennung erst im Rahmen des Regenerationsbetriebs zu beginnen, z. B. falls ein Hybridelektrokraftfahrzeug zuvor in einem Elektrofahrbetrieb betrieben wurde.
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Das erzeugte warme Abgasgemisch wird anschließend zum LNT-Katalysator und somit auch zu den Niedertemperaturspeicherplätzen zugeführt, so dass die Niedertemperaturspeicherplätze erwärmt werden. Das Zuführen des Abgasgemischs erfolgt zumindest bis zum Erreichen einer Schwelltemperatur. Diese Schwelltemperatur kann zuvor festgelegt werden und ist abhängig vom gewünschten Regenerationsverfahren. Die Schwelltemperatur kann abhängig von dem Temperaturbereich der Niedertemperaturspeicherplätze sein und beispielsweise 200 °C oder 250 °C betragen. Beispielsweise kann die Schwelltemperatur auf eine Temperatur festgelegt werden, bei der eine thermische Desorption von Stickoxiden aus den Niedertemperaturspeicherplätzen stattfindet, d. h. mehr Stickoxide desorbiert als adsorbiert werden.
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Ist die Schwelltemperatur erreicht, werden die Niedertemperaturspeicherplätze regeneriert, d. h. die gespeicherten Stickoxide werden entfernt, um die Speicherkapazität für Stickoxide zu vergrößern.
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Nach dem Abschluss des Regenerierens der Niedertemperaturspeicherplätze wird der Verbrennungsmotor ausgeschaltet. Für einen erneuten Start des Verbrennungsmotors, insbesondere für einen Kaltstart, steht nun wieder ausreichend Speicherkapazität für Stickoxide in den Niedertemperaturspeicherplätzen zur Verfügung. Die Emission von Stickoxiden insbesondere nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors, d. h. bei einer Temperatur, bei der Stickoxide noch nicht ausreichend in den Hochtemperaturspeicherplätzen des LNT-Katalysators gespeichert oder mittels eines SCR-Katalysators nachbehandelt werden können, kann vorteilhaft deutlich verringert werden.
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Optional kann die Temperatur des LNT-Katalysators so gesteuert werden, dass ausschließlich eine Regeneration der Niedertemperaturspeicherplätze, nicht jedoch der Hochtemperaturspeicherplätze stattfindet. Beispielsweise kann die Temperatur des LNT-Katalysators so gesteuert werden, dass eine Maximaltemperatur, ab deren Erreichen eine Regeneration, insbesondere eine Regeneration mittels thermischer Desorption, der Hochtemperaturspeicherplätze stattfindet, nicht überschritten wird.
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Das Regenerieren der Niedertemperaturspeicherplätze erfolgt ausschließlich mittels thermischer Desorption
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Das Regenerieren der Niedertemperaturspeicherplätze mittels thermischer Desorption kann durch passive thermische Desorption der Stickoxide erfolgen. Das heißt, dass bei Erreichen einer bestimmten Temperatur, beispielsweise der Schwelltemperatur, in den Niedertemperaturspeicherplätzen gespeicherte Stickoxide desorbiert werden. Die desorbierten Stickoxide können anschließend in den Hochtemperaturspeicherplätzen adsorbiert werden. Bevorzugt kann die Temperatur so gesteuert werden, dass eine thermische Desorption von Stickoxiden aus den Hochtemperaturspeicherplätzen vermieden wird. Mit anderen Worten kann die Regeneration mittels thermischer Desorption selektiv nur für die Niedertemperaturspeicherplätze durchgeführt werden.
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Für die Regeneration mittels dieses Regenerationsverfahren ist vorteilhaft kein zusätzlicher Kraftstoff erforderlich, so dass der Kraftstoffmehrverbrauch geringgehalten werden kann. Eine durch Kraftstoffmehrverbrauch bedingte Emission von Kohlenstoffdioxid kann verringert werden, da zunächst kein Reduktionsmittel zur Umwandlung der Stickoxide benötigt wird. Vielmehr kann die Reduktion optional bei günstigeren Temperaturbedingungen, z. B. nach Erreichen einer Mindesttemperatur, durchgeführt werden, bei denen weniger Reduktionsmittel zur Reduktion einer bestimmten Menge an Stickoxiden benötigt wird.
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Der Abschluss des Regenerierens der Niedertemperaturspeicherplätze mittels thermischer Desorption kann modellbasiert festgestellt werden. Ein derartiges Modell kann beispielsweise ausgehend von der in den Niedertemperaturspeicherplätzen gespeicherten Menge an Stickoxiden die für deren thermische Desorption benötigte Temperatur und Zeitdauer angeben. Werden zusätzliche Maßnahmen zur Erhöhung der Temperatur des Abgasgemischs genutzt, können diese im Modell berücksichtigt werden.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann der Abschluss des Regenerierens der Niedertemperaturspeicherplätze mittels eines Modells festgestellt werden. Ein solches Modell kann als 0-dimensionales oder 1-dimensionales Modell sowie kennfeldbasiertes oder reaktionskinetisches Modell ausgebildet sein.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann der Regenerationsbetrieb weiterhin ein Vergrößern eines Drehmoments des Verbrennungsmotors zur Erhöhung einer Temperatur des Abgasgemischs aufweisen. Durch eine Erhöhung der Last des Verbrennungsmotors kann das Drehmoment des Verbrennungsmotors erhöht werden, wodurch eine höhere Temperatur TA des Abgases bewirkt wird. Beispielsweise kann eine erhöhte Menge an Kraftstoff in den Verbrennungsmotor eingespritzt werden, um dessen Drehmoment und damit auch die Temperatur des Abgasgemischs zu erhöhen. Mit anderen Worten ist die Temperatur des LNT-Katalysators und damit auch die Temperatur der Niedertemperaturspeicherplätze abhängig vom Drehmoment des Verbrennungsmotors.
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Hierdurch kann vorteilhaft eine schnelle Erwärmung der Niedertemperaturspeicherplätze bis zur Schwelltemperatur erreicht werden, so dass die Regeneration schnell begonnen und die Zeitdauer des Regenerationsbetriebs insgesamt kurzgehalten werden kann. Weitere Maßnahmen zur Erhöhung der Temperatur des Abgasgemischs, wie z. B. die Durchführung einer Kraftstoffnacheinspritzung und/oder ein Androsseln des Luftmassenstroms des Verbrennungsmotors, sind nicht erforderlich, da die notwendige Temperatur durch Lasterhöhung des Verbrennungsmotors realisiert werden kann. Durch den Verzicht auf derartige weitere Maßnahmen kann Kraftstoff eingespart werden, da sowohl eine Kraftstoffnacheinspritzung als auch ein Androsseln des Luftmassenstroms kraftstoffineffizient sind.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann der Regenerationsbetrieb weiterhin das Rekuperieren von vom Verbrennungsmotor erzeugter kinetischer Energie aufweisen.
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Hierzu kann der Verbrennungsmotor mit einer als Generator wirkenden Elektromaschine trieblich verbunden sein oder werden. Die Elektromaschine dient der Umwandlung von vom Verbrennungsmotor erzeugter kinetischer Energie in elektrische Energie, die beispielsweise zum Aufladen einer mit der Elektromaschine verbundenen wieder aufladbaren Batterie genutzt werden kann.
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Bei der Elektromaschine kann es sich beispielsweise um die Elektromaschine eines Hybridelektroantriebsstrangs, z. B. eines Hybridelektrokraftfahrzeugs, handeln. Die Elektromaschine kann an unterschiedlichen Positionen des Hybridelektroantriebsstrangs vorgesehen sein, z. B. an der PC-Position, z. B. als sog. belt integrated starter generator, BISG, an der P1-Position, z. B. als sog. crank integrated starter generator, CISG oder an der P2-Position.
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Die bei der Erzeugung des Abgasgemischs entstehende kinetische Energie kann somit vorteilhaft weiter genutzt werden, indem sie in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Energiebilanz kann dadurch insgesamt verbessert werden.
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Gemäß verschiedener Ausführungsvarianten kann der Regenerationsbetrieb weiterhin ein Ausgeben eines optischen und/oder akustischen Signals, um ein Durchführen des Regenerationsbetriebs zu signalisieren. Beispielsweise kann eine Anzeigeeinrichtung zum Ausgeben einer optischen Mitteilung, beispielsweise an einen Fahrzeugführer, vorhanden sein, um über die Durchführung des Regenerationsbetriebs zu informieren. Hierdurch kann eine unerwünschte Reaktion des Fahrzeugführers vermieden werden, da dieser ansonsten über die Durchführung des Regenerationsbetriebs überrascht sein könnte, die mit einem Betreiben des Verbrennungsmotors und ggf. sogar mit einer Drehmomenterhöhung einhergeht, trotz, dass eine Ausschaltungsanforderung ausgegeben wurde.
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Eine erfindungsgemäße Steuereinheit zum Steuern eines Regenerierens eines in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors angeordneten LNT-Katalysators mit Niedertemperaturspeicherplätzen und Hochtemperaturspeicherplätzen, ist dazu ausgebildet, bei einem Vorliegen einer Ausschaltungsanforderung zum Ausschalten des Verbrennungsmotors ein Steuersignal zum Herbeiführen eines Wechsels von einem Verbrennungsbetrieb in einen Regenerationsbetrieb auszugeben. Der Regenerationsbetrieb weist ein Überwachen der Temperatur des LNT-Katalysators, Sicherstellen der Entkoppelung des Verbrennungsmotors eines Antriebsstrangs vom restlichen Antriebsstrang, Durchführen einer Kraftstoffverbrennung im Verbrennungsmotor zum Erzeugen eines Abgasgemischs, Zuführen des Abgasgemischs zum LNT-Katalysator bis die Temperatur des LNT-Katalysators die Schwelltemperatur erreicht, Regenerieren der Niedertemperaturspeicherplätze bei Erreichen der Schwelltemperatur und Ausschalten des Verbrennungsmotors nach Abschluss des Regenerierens der Niedertemperaturspeicherplätze auf. Das Regenerieren der Niedertemperaturspeicherplätze erfolgt ausschließlich mittels thermischer Desorption.
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Die Schwelltemperatur kann wie zum Verfahren beschrieben festgelegt werden.
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Nach dem Herbeiführen des Wechsels in den Regenerationsbetrieb kann die Steuereinheit den Regenerationsbetrieb steuern. Der Regenerationsbetrieb kann gemäß den obigen Erläuterungen zum erfindungsgemäßen Verfahren ausgestaltet werden. Insofern dienen die obigen Ausführungen zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch zur Beschreibung der erfindungsgemäßen Steuereinheit. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Steuereinheit entsprechen denen des erfindungsgemäßen Verfahrens und dessen entsprechender Ausführungsvarianten.
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Eine erfindungsgemäße Anordnung zum Regenerieren eines LNT-Katalysators mit Niedertemperaturspeicherplätzen und Hochtemperaturspeicherplätzen weist neben einer erfindungsgemäßen Steuereinheit einen Antriebsstrang mit einer Kupplung und einem Verbrennungsmotor, wobei der Verbrennungsmotor mittels der Kupplung vom restlichen Antriebsstrang entkoppelbar ist, einen sich an den Verbrennungsmotor anschließenden Abgasstrang zur Aufnahme eines von dem Verbrennungsmotor erzeugten Abgasgemischs, den in dem Abgasstrang angeordneten LNT-Katalysator und Mittel zum Überwachen der Temperatur des LNT-Katalysators auf.
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Die erfindungsgemäße Anordnung kann beispielsweise zur Ausführung des obenstehend erläuterten erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt werden. Daher dienen die obigen Ausführungen zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch zur Beschreibung der erfindungsgemäßen Anordnung. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung entsprechen denen des erfindungsgemäßen Verfahrens und dessen entsprechender Ausführungsvarianten.
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Optional können im Abgasstrang weitere Abgasnachbehandlungseinrichtungen, z. B. ein SCR-Katalysator, angeordnet sein. Ein solcher SCR-Katalysator ist bevorzugt stromabwärts des LNT-Katalysators angeordnet.
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Darüber hinaus kann die Anordnung optional über eine Hochdruck- und/oder Niederdruckabgasrückführung verfügen.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann die Anordnung weiterhin eine Elektromaschine aufweisen, die zum Rekuperieren von vom Verbrennungsmotor während des Regenerationsbetriebs erzeugter kinetischer Energie ausgebildet ist.
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Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Kupplung als elektrisch betätigte Kupplung (E-Kupplung, e-clutch) ausgebildet sein.
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Der Verbrennungsmotor kann also vom restlichen Antriebsstrang mittels einer elektrisch betätigten Kupplung entkoppelt werden. Eine solche E-Kupplung kann beispielsweise eine manuelle Kupplung eines manuellen Getriebes ersetzen oder als zusätzliche Kupplung vorgesehen sein, um z. B. eine Trennung von einem Automatikgetriebe zu ermöglichen.
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Eine elektrisch betätigte Kupplung weist üblicherweise einen elektrischen Aktuator auf, der von einem elektronischen Steuergerät der Anordnung betätigt werden kann. Beispielsweise kann die elektrisch betätigte Kupplung vollständig vom elektronischen Steuergerät der Anordnung, z. B. von einem elektronischen Steuergerät eines Kraftfahrzeugs mit einer solchen Anordnung gesteuert werden, welches die Kupplung automatisch auskuppelt, um den Verbrennungsmotor vom restlichen Antriebsstrang zu entkoppeln. Die elektrisch betätigte Kupplung ermöglicht es, den Verbrennungsmotor vom Antriebsstrang automatisch, z. B. ohne Eingriff des Fahrers, zu entkoppeln und den Regenerationsbetrieb automatisch durchzuführen.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug weist eine Anordnung mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen auf. Unter einem Kraftfahrzeug ist ein durch einen Motor angetriebenes Fahrzeug, z. B. ein Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug zu verstehen. Das Fahrzeug kann als Hybridelektrofahrzeug, z. B. als Mildhybridelektrofahrzeug oder Vollhybridelektrofahrzeug, ausgebildet sein.
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Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden Beschreibung und den Abbildungen ersichtlich. Die Erfindung wird anhand der Abbildungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs; und
- 2 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 10, welches als Hybridelektrokraftfahrzeug ausgebildet ist. Das Kraftfahrzeug 10 weist einen Antriebsstrang 4 zum Bewegen der Räder 14 mit einem Verbrennungsmotor 2, der über vier Zylinder 13 verfügt, einer Kupplung 7 und einem Getriebe 15 auf. Es sei darauf hingewiesen, dass die Anzahl der Zylinder 13 in keiner Weise einschränkend ist und auch Verbrennungsmotoren 2 mit einer abweichenden Anzahl an Zylinder 13, z. B. mit sechs oder acht Zylindern 13 eingesetzt werden können. Bei dem Getriebe 15 kann es sich um ein Automatik-Getriebe oder ein manuelles Getriebe handeln.
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Bei dem Verbrennungsmotor 2 kann es sich um einen handelsüblichen Diesel- oder Ottomotor handeln. Diese können zur Ausführung verschiedener Verbrennungs- und Gemischaufbereitungsverfahren ausgebildet sein und mit verschiedenen Brennstoffen betrieben werden. Die vorliegende Erfindung ist von besonderer Relevanz für Verbrennungsmotoren 2, die zumindest zeitweise im Magerbetrieb (mit Luftüberschuss) und mit Kraftstoffen aus Kohlenwasserstoffverbindungen betrieben werden. Solche Verbrennungsmotoren 2 stoßen ein Abgasgemisch 5 aus, welches Stickoxide enthält. Beispiele dafür sind handelsübliche PKW- und LKW-Dieselmotoren.
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Weiterhin ist ein Zuluftstrang 11 zum Zuführen von Zuluft 12 oder eines mittels der Zuluft 12 gebildeten Luft-Kraftstoff-Gemischs zum Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors 2 vorgesehen. Außerdem verfügt das Kraftfahrzeug 10 gemäß 1 über einen Abgasstrang 1 zum Abführen eines vom Verbrennungsmotor 2 gebildeten Abgasgemischs 5. In dem Abgasstrang 1 ist ein LNT-Katalysator 3 mit Niedertemperaturspeicherplätzen und Hochtemperaturspeicherplätzen angeordnet. Um die Temperatur des LNT-Katalysators 3 überwachen zu können, ist am LNT-Katalysator 3 ein Temperatursensor 8 angeordnet.
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Optional können im Abgasstrang 1 weitere Abgasnachbehandlungseinrichtungen, z. B. ein SCR-Katalysator, angeordnet sein (nicht dargestellt).
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Darüber hinaus ist eine Elektromaschine 9 vorhanden, bei der es sich um einen sog. belt integrated starter generator (BISG), z. B. mit einer Nennspannung von 12 V oder 48 V handelt, und welche an der P0-Position angeordnet ist. Alternativ kann die Elektromaschine 9 als P1- oder P2-Elektromaschine ausgebildet sein und ggf. mit einer weiteren, z. B. einer P3- oder P4-Elektromaschine, kombiniert werden. Die Elektromaschine 9 dient der Energierückgewinnung (Rekuperation) von vom Verbrennungsmotor 2 erzeugter kinetischer Energie. Die Elektromaschine 9 kann mit einer wieder aufladbaren Batterie (nicht dargestellt) verbunden sein oder werden, um während der Rekuperation erzeugte elektrische Energie speichern zu können.
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Bei dem Kraftfahrzeug 10 in der Darstellung gemäß 1 handelt es sich also um ein Hybridelektrokraftfahrzeug, bei dem der Antriebsstrang 4 als Parallelhybridantriebsstrang ausgebildet ist und die Elektromaschine 9 Teil des Parallelhybridantriebsstrangs ist.
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Der Verbrennungsmotor 2 ist mittels einer elektrisch betätigten Kupplung 7 vom restlichen Antriebsstrang 4 entkoppelbar.
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Das Kraftfahrzeug 10 weist zudem eine Steuereinheit 6 auf, die signaltechnisch mit dem Temperatursensor 8, der Elektromaschine 9, dem Verbrennungsmotor 2 und der Kupplung 7 verbunden ist. Die Steuereinheit 6 kann Hardware- und/oder softwaremäßig realisiert sein und physisch ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Insbesondere kann die Steuereinheit 6 Teil einer Motorsteuerung sein oder in diese integriert sein. In einer typischen Ausgestaltung fungiert die Motorsteuerung eines Kraftfahrzeugs 10 als Steuereinheit 6.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei Vorliegen einer Ausschaltungsanforderung zum Ausschalten des Verbrennungsmotors 2 ein Wechsel von einem Verbrennungsbetrieb in einen Regenerationsbetrieb zur Regeneration der Niedertemperaturspeicherplätze des LNT-Katalysators 3 durchgeführt.
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Ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Verfahren wird nachfolgend bezugnehmend auf 2 beschrieben. Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise die Schritte S1 bis S8 aufweisen und mittels des Kraftfahrzeugs 10 gemäß 1 durchgeführt werden.
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In einem Verfahrensschritt S1 wird geprüft, ob eine Ausschaltungsanforderung zum Ausschalten des Verbrennungsmotors 2 vorliegt. Eine solche Ausschaltungsanforderung kann beispielsweise in einem Drehen des Zündschlüssels im Zündschloss oder einem Betätigen eines Ausschalttasters durch den Fahrzeugführer bestehen, der ein Ausschalten des Kraftfahrzeugs 10 anfordert. Liegt eine solche Ausschaltungsanforderung vor, erfolgt ein Wechsel vom Verbrennungsbetrieb in den Regenerationsbetrieb.
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Der Regenerationsbetrieb weist die nachfolgend erläuterten Schritte S2 bis S8 auf. Im Schritt S2 wird sichergestellt, dass der Verbrennungsmotor 2 des Antriebsstrangs 4 vom restlichen Antriebsstrang 4 entkoppelt ist. Dazu kann geprüft werden, ob sich die Gangschaltung des Kraftfahrzeugs 10 in einer neutralen Position, d. h. im Leerlauf befindet. Ist dies nicht der Fall, wird der Verbrennungsmotor 2 vom restlichen Antriebsstrang 4 entkoppelt, indem die elektrisch betätigte Kupplung 6 gelöst wird.
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Anschließend wird im Schritt S3 eine Kraftstoffverbrennung im Verbrennungsmotor 2 durchgeführt, um ein Abgasgemisch 5 zu erzeugen. Hierzu wird dem Verbrennungsmotor 2 zunächst ein mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch zugeführt, so dass auch ein mageres Abgasgemisch 5 in den Abgasstrang 1 abgegeben wird. Um möglichst schnell eine hohe Temperatur des Abgasgemischs 5 und damit der Niedertemperaturspeicherplätze des LNT-Katalysators 3 erreichen zu können, wird im Schritt S3 das Drehmoment des Verbrennungsmotors 2 erhöht.
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Im Schritt S4 wird das Abgasgemisch 5 dem LNT-Katalysators 3 zugeführt, um dessen Temperatur und somit auch die Temperatur der Niedertemperaturspeicherplätze zu erhöhen. Im Schritt S5 wird geprüft, ob die Temperatur des LNT-Katalysators 3 eine Schwelltemperatur, die zuvor vorgegeben wurde, erreicht hat. Hierfür wird die Temperatur des LNT-Katalysators 3überwacht.
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Wird im Schritt S5 festgestellt, dass die Schwelltemperatur noch nicht erreicht ist, geht das Verfahren zurück zum Schritt S4 und dem LNT-Katalysator 3 wird weiterhin ein mageres Abgasgemisch 5 zugeführt, um dessen Temperatur zu erhöhen. Wird im Schritt S5 hingegen festgestellt, dass die Schwelltemperatur erreicht ist, verläuft das Verfahren weiter mit Schritt S6.
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Im Schritt S6 werden die Niedertemperaturspeicherplätze regeneriert. Die Regeneration erfolgt ausschließlich mittels thermischer Desorption.
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Durch das Regenerieren wird die Speicherkapazität für Stickoxide in den Niedertemperaturspeicherplätzen erhöht, so dass insbesondere nach einem Kaltstart im Abgasgemisch 5 enthaltene Stickoxide gespeichert und deren Abgabe in die Umgebung verhindert werden kann.
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Im nachfolgenden Schritt S7 wird geprüft, ob die Regeneration ausreichend durchgeführt wurde, d. h. ob die Regeneration der Niedertemperaturspeicherplätze als abgeschlossen angesehen werden kann. Dies kann beispielsweise anhand eines Modells festgestellt werden.
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Wird im Schritt S7 festgestellt, dass die Regeneration noch nicht abgeschlossen ist, geht das Verfahren zurück zu Schritt S6 und die Niedertemperaturspeicherplätze werden weiter regeneriert. Wird im Schritt S7 hingegen festgestellt, dass die Regeneration abgeschlossen ist, geht das Verfahren weiter zu Schritt S8. Im Schritt S8 wird der Verbrennungsmotor 2 ausgeschaltet. Nun kann auch das Kraftfahrzeug 10 insgesamt gemäß der Ausschaltungsanforderung des Fahrzeugführers ausgeschaltet werden.
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Optional kann ab dem Schritt S3 vom Verbrennungsmotor 2 erzeugte kinetische Energie mittels der Elektromaschine 9 rekuperiert werden. Die Elektromaschine 9 wandelt die kinetische Energie in elektrische Energie um, welche beispielsweise zur Speicherung einer wieder aufladbaren Batterie zugeführt werden kann. Die gespeicherte elektrische Energie kann anschließend anderweitig verwendet werden, so dass die erzeugte kinetische Energie nicht „verloren“ geht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abgasstrang
- 2
- Verbrennungsmotor
- 3
- LNT-Katalysator
- 4
- Antriebsstrang
- 5
- Abgasgemisch
- 6
- Steuereinheit
- 7
- Kupplung
- 8
- Temperatursensor
- 9
- Elektromaschine
- 10
- Kraftfahrzeug
- 11
- Zuluftstrang
- 12
- Zuluft
- 13
- Zylinder
- 14
- Rad
- 15
- Getriebe
