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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Erwärmen von Abgasnachbehandlungseinrichtungen in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors sowie ein Kraftfahrzeug.
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Für die Emission von Luftschadstoffen, wie z. B. Stickoxiden, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffen, die während des Betriebs eines Verbrennungsmotors entstehen, werden vom Gesetzgeber einzuhaltende Grenzwerte vorgegeben. Um diesen gerecht zu werden, werden im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors Abgasnachbehandlungseinrichtungen angeordnet, um die Luftschadstoffe in weniger schädliche Substanzen umzuwandeln.
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Zu den Abgasnachbehandlungseinrichtungen zählen u. a. exotherm arbeitende Katalysatoren, die während der katalytischen Reaktion Wärmeenergie abgeben, wie z. B. Oxidationskatalysatoren oder LNT-Katalysatoren (engl. Lean NOx trap, Stickoxidspeicherkatalysator), und SCR-Katalysatoren (engl. selective catalytic reduction, Stickoxidreduktionskatalysator). Die SCR-Funktionalität kann mit einem Partikelfilter kombiniert werden, indem eine katalytisch wirkende SCR-Beschichtung auf einen Partikelfilter aufgebracht wird. Ein solcher Katalysator wird nachfolgend als SDPF-Katalysator bezeichnet.
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Vielen Abgasnachbehandlungseinrichtungen, insbesondere Katalysatoren, ist gemein, dass diese erst ab Erreichen einer katalysatorabhängigen Mindesttemperatur, der sog. Anspring- oder Light-Off-Temperatur ausreichend funktionieren. Bei einer zu geringen Temperatur, z. B. nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors, ist daher eine Erwärmung der Abgasnachbehandlungseinrichtungen nötig.
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Eine Erwärmung der Abgasnachbehandlungseinrichtungen kann außerdem erforderlich sein, falls nur geringe Abgastemperaturen erzielt werden und die Abgasnachbehandlungseinrichtungen folglich nicht ausreichend mittels des Abgases erwärmt werden können. Dies kann beispielsweise beim Betreiben des Verbrennungsmotors unter geringer Last, z. B. beim Fahren im Stadtverkehr, der Fall sein.
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Aber auch nach dem Erreichen der Light-Off-Temperatur, d. h. bei höheren katalytischen Umsetzungsraten, kann eine Erwärmung z. B. bei exotherm arbeitenden Katalysatoren erforderlich sein, z. B. um bei einem LNT-Katalysator ein ausreichendes Regenerieren zu ermöglichen oder um im Falle eines SCR-Katalysators eine ausreichende Umwandlung der Stickoxide zu erreichen.
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Die Light-Off-Temperatur für einen exothermen Katalysator kann im Bereich von ca. 180 °C liegen. Zur Regeneration eines LNT-Katalysators werden üblicherweise Temperaturen im Bereich von 250 °C bis 300 °C benötigt. Die optimale Temperatur für den Betrieb eines SCR-Katalysators liegt bei ca. 220 °C. Daran wird deutlich, dass eine Erwärmung auch nach Erreichen der Light-Off-Temperatur des exothermen Katalysators notwendig ist, zumal der exotherme Katalysator häufig der erste Katalysator stromabwärts des Verbrennungsmotors ist und die weiteren Katalysatoren weiter stromabwärts, also weiter entfernt vom Verbrennungsmotor, angeordnet sind und folglich in kälteren Bereichen des Abgasstrangs.
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Eine Möglichkeit zum Erwärmen der Abgasnachbehandlungseinrichtungen bietet die sog. Kraftstoffnacheinspritzung (engl. post injection), bei der Kraftstoff nach dem eigentlichen Verbrennungsvorgang in den Verbrennungsraum eingespritzt wird und zusammen mit dem Abgasstrom in den Abgasstrang gelangt. Die Oxidation des nacheingespritzten Kraftstoffs in einer dafür geeigneten Abgasnachbehandlungseinrichtung, z. B. in einem Oxidationskatalysator, bewirkt eine Temperaturerhöhung des Abgasstroms und folglich eine Erwärmung der Abgasnachbehandlungseinrichtungen.
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Alternativ hierzu können Abgasnachbehandlungseinrichtungen elektrisch beheizt werden. Dies erfordert jedoch einen zusätzlichen Kraftstoffverbrauch zur Bereitstellung der elektrischen Energie, der seinerseits die Bildung und Emission von Luftschadstoffen erhöht.
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Insbesondere bei hohen katalytischen Umsetzungsraten, bei denen die meisten Kohlenwasserstoffe in einem exothermen Katalysator verbrannt werden, ist ein Erwärmen mittels Kraftstoffnacheinspritzung daher effizienter als ein elektrisches Beheizen.
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Die Erwärmung mittels Kraftstoffnacheinspritzung führt jedoch zu einer unerwünschten Ölverdünnung aufgrund der späten Einspritzung von Kraftstoff in den Zylinder zu einem Zeitpunkt, zu dem der Kolben weit vom oberen Totpunkt entfernt ist, und der damit einhergehenden Einbringung eines Teils des Kraftstoffes in die die Zylinderwandung benetzende Ölschicht. In der Folge vermischt sich der Kraftstoff mit dem Motoröl, so dass sich die Schmiereigenschaften verschlechtern und der Verbrennungsmotor beschädigt werden kann. Um dies zu vermeiden, ist ein häufiger Ölwechsel erforderlich, der Kosten verursacht und die Anwenderzufriedenheit negativ beeinflusst.
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Die
US 2010/0011745 A1 schlägt daher vor, das Ausmaß der Ölverdünnung zu überwachen und bei einer zu großen Ölverdünnung zunächst eine Warnmeldung auszugeben, um einen Ölwechsel zu ermöglichen und zu einem späteren Zeitpunkt die Kraftstoffnacheinspritzung zu verhindern. Wird die Kraftstoffnacheinspritzung jedoch gestoppt, kann ein Erreichen der gewünschten Temperatur für die Abgasnachbehandlungseinrichtungen nicht mehr gewährleistet werden. In der Folge können Luftschadstoffe nicht mehr ausreichend behandelt werden und gelangen unbehandelt in die Umgebung. Die Einhaltung der gesetzlichen Grenzwerte kann nicht mehr sichergestellt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Möglichkeiten anzugeben, die eine verbesserte Erwärmung von Abgasnachbehandlungseinrichtungen ermöglichen. Die genannten Nachteile der Kraftstoffnacheinspritzung sollen weitgehend vermieden werden. Zudem soll die Erwärmung möglichst effektiv unter allenfalls geringem Kraftstoffmehrverbrauch erfolgen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Grundgedanke der Erfindung ist es, das Ausmaß der Ölverdünnung zu überwachen und die Erwärmung von Abgasnachbehandlungseinrichtungen in Abhängigkeit der ermittelten Ölverdünnung durchzuführen. Solange das Ausmaß der Ölverdünnung unter einem Grenzwert liegt, erfolgt die Erwärmung mittels Kraftstoffnacheinspritzung. Wird der Grenzwert erreicht oder überschritten, erfolgt die Erwärmung elektrisch.
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Alternativ oder zusätzlich kann eine zusätzliche Last auf den Verbrennungsmotor aufgebracht und so die Abgastemperatur und damit auch die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtungen erhöht werden. Beispielsweise kann eine Elektromaschine, z. B. in einem Hybridkraftfahrzeug, genutzt werden, um die zusätzliche Last auf den Verbrennungsmotor aufzubringen.
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Eine weitere Ölverdünnung kann dadurch vermieden und der Verbrennungsmotor vor Beschädigung geschützt werden. Gleichzeitig kann eine ausreichende Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtungen sichergestellt und somit eine effektive Abgasnachbehandlung ermöglicht werden.
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Mit anderen Worten wird ein System geschaffen, das unter Berücksichtigung des aktuellen Ausmaßes der Ölverdünnung die Erwärmungsmethode für die Abgasnachbehandlungseinrichtungen auswählt und die Erwärmung dadurch verbessert.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Erwärmen von Abgasnachbehandlungseinrichtungen in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors weist ein Festlegen eines Grenzwertes für ein Ausmaß einer Verdünnung eines Motorenöls des Verbrennungsmotors, im Folgenden als Ausmaß der Ölverdünnung bezeichnet, und ein Ermitteln des aktuellen Ausmaßes der Ölverdünnung, auf.
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Das Ausmaß der Ölverdünnung kann beispielsweise anhand der Viskosität des Öls ermittelt werden. Mit zunehmender Verdünnung des Öls durch Kraftstoff nimmt die Viskosität ab. Die Viskosität kann daher als inverses Maß für das Ausmaß der Ölverdünnung genutzt werden. Mit anderen Worten kann jeder Viskosität ein bestimmtes Ausmaß der Ölverdünnung, z. B. ein Verdünnungsgrad, zugeordnet werden.
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Alternativ kann das Ausmaß der Ölverdünnung anhand des Ölvolumens ermittelt werden, z. B. indem der Ölstand überwacht wird. Mit zunehmender Ölverdünnung nimmt das Ölvolumen, d. h. das Gesamtvolumen des ursprünglichen Öls sowie des das Öl verdünnenden Kraftstoffs, zu. Jeder Volumendifferenz kann daher ein bestimmtes Ausmaß der Ölverdünnung zugeordnet werden.
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Weiter alternativ kann das Ausmaß der Ölverdünnung auch anhand der Kraftstoffeinspritzmengen und des zeitlichen Verlaufs der Kraftstoffeinspritzung abgeschätzt werden. Umso später die Kraftstoffeinspritzung erfolgt, desto mehr Kraftstoff gelangt in das Öl und desto größer ist das Ausmaß der Ölverdünnung.
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Wird der festgelegte Grenzwert für das Ausmaß der Ölverdünnung unterschritten, werden die Abgasnachbehandlungseinrichtungen mittels Kraftstoffnacheinspritzung erwärmt, da eine durch die Kraftstoffnacheinspritzung bedingte Ölverdünnung noch tolerierbar ist.
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Wird der festgelegte Grenzwert für das Ausmaß der Ölverdünnung hingegen erreicht oder überschritten, werden die Abgasnachbehandlungseinrichtungen elektrisch und/oder mittels Aufbringen einer zusätzlichen Last auf den Verbrennungsmotor erwärmt. Eine Ölverdünnung wird vermieden.
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Unter einem Verbrennungsmotor, teilweise auch als Brennkraftmaschine bezeichnet, ist eine Verbrennungskraftmaschine zur Umwandlung von im Kraftstoff enthaltener chemischer Energie in mechanische Arbeit zu verstehen. Der Verbrennungsmotor kann beispielsweise als selbstzündender oder fremdgezündeter Verbrennungsmotor ausgebildet sein. Als Kraftstoff kann beispielsweise Motorbenzin oder Diesel genutzt werden.
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Dem Verbrennungsmotor kann ein Turbolader zugeordnet sein, der eine oder mehrere im Abgasstrang angeordnete Abgasturbinen und einen im Zuluftstrang angeordneten Verdichter aufweist, wobei die Abgasturbine und der Verdichter über eine Turboladerwelle miteinander verbunden sind. Eine oder mehrere Abgasturbinen können als elektrische Turbine (E-Turbine) ausgebildet sein.
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Der Abgasstrang wird durch eine Abgasleitung gebildet, die vom Abgasdurchströmt wird und in der die Abgasnachbehandlungseinrichtungen angeordnet sind, so dass die Abgasnachbehandlungseinrichtungen ebenfalls vom Abgasdurchströmt werden können. Angegebene Strömungsrichtungen beziehen sich auf die Strömungsrichtung des Abgases vom Verbrennungsmotor in Richtung Auspuff.
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Als Abgasnachbehandlungseinrichtungen kommen u. a. die eingangs genannten Katalysatoren sowie Partikelfilter in Betracht. Im Abgasstrang können ein oder mehrere Abgasnachbehandlungseinrichtungen, beispielsweise zwei oder drei in Reihe angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtungen angeordnet sein, wobei mindestens eine Abgasnachbehandlungseinrichtung elektrisch beheizbar ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erwärmen von Abgasnachbehandlungseinrichtungen kann durchgeführt werden, sobald mindestens eine Abgasnachbehandlungseinrichtung eine Erwärmung erfordert. Dies kann, wie eingangs beschreiben, beispielsweise nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors der Fall sein, um die light-off Temperatur eines Katalysators zu erreichen oder um eine Regeneration eines Katalysators oder Partikelfilters zu ermöglichen.
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Sind mehrere Abgasnachbehandlungseinrichtungen vorhanden, können eine oder aber auch mehrere Abgasnachbehandlungseinrichtungen eine Erwärmung erfordern. Das Erwärmen kann dann solange durchgeführt werden, bis eine, mehrere oder alle Abgasnachbehandlungseinrichtungen die gewünschte Temperatur erreicht haben. Zur Temperaturermittlung können Temperatursensoren im Abgasstrang, z. B. unmittelbar stromabwärts der zu betrachtenden Abgasnachbehandlungseinrichtung, angeordnet sein.
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Die Kraftstoffnacheinspritzung erfolgt, indem Kraftstoff nach dem eigentlichen Verbrennungsvorgang in den Verbrennungsraum eingespritzt wird. Dieser nacheingespritzte Kraftstoff wird nicht verbrannt, sondern durch Restwärme im Zylinder verdampft und zusammen mit dem Abgas in den Abgasstrang eingebracht. Durch Oxidation des nacheingespritzten Kraftstoffs im Abgasstrang, z. B. in einem exotherm arbeitenden Katalysator, beispielsweise einem Oxidationskatalysator oder einem LNT-Katalysator, wird Wärmeenergie freigesetzt, die der Erwärmung der Abgasnachbehandlungseinrichtungen dient.
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Bei einem elektrischen Erwärmen wird entweder das Abgas oder die Abgasnachbehandlungseinrichtung selbst elektrisch erwärmt. Bei mehreren im Abgasstrang angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtungen kann entweder die zu erwärmende Abgasnachbehandlungseinrichtung selbst oder eine stromaufwärts der zu erwärmenden Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordnete weitere Abgasnachbehandlungseinrichtung oder das Abgas stromaufwärts der zu erwärmenden Abgasnachbehandlungseinrichtung erwärmt werden. Wird eine stromaufwärts der zu erwärmenden Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordnete weitere Abgasnachbehandlungseinrichtung elektrisch erwärmt, führt dies zu einer Erwärmung des diese Abgasnachbehandlungseinrichtung durchströmenden Abgas und folglich zu einer Erwärmung der zu erwärmenden Abgasnachbehandlungseinrichtung aufgrund von Wärmeübertragung vom Abgas in Richtung der zu erwärmenden Abgasnachbehandlungseinrichtung.
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Alternativ oder zusätzlich zum elektrischen Erwärmen kann im Falle eines Erreichens oder Überschreitens des Grenzwertes ein Erwärmen der Abgasnachbehandlungseinrichtungen mittels Aufbringen einer zusätzlichen Last auf den Verbrennungsmotor erfolgen. Durch die Lasterhöhung steigt die Abgastemperatur und folglich werden auch die Abgasnachbehandlungseinrichtungen erwärmt. Die zusätzliche Last kann beispielsweise mittels einer Elektromaschine auf den Verbrennungsmotor aufgebracht werden. Die Elektromaschine wirkt in diesem Fall als Generator, wobei die erzeugte elektrische Energie direkt weiter verwendet werden kann, z. B. zum elektrischen Erwärmen der Abgasnachbehandlungseinrichtungen. Optional kann die erzeugte elektrische Energie auch gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt weiterverwendet werden. Das Aufbringen der zusätzlichen Last verursacht daher allenfalls einen geringen Kraftstoffmehrverbrauch. Als Elektromaschine kann beispielsweise eine in einem Hybridelektrofahrzeug vorhandene Elektromaschine genutzt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine bedarfsgerechte Erwärmung der Abgasnachbehandlungseinrichtungen, wobei der dafür notwendige Kraftstoffmehrverbrauch minimiert werden kann und die mit einer Ölverdünnung einhergehenden Nachteile nicht oder allenfalls in geringem Ausmaß auftreten.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann weiterhin ein Grenzwert für ein zukünftiges Ausmaß der Ölverdünnung festgelegt und ein zukünftiges Ausmaß der Ölverdünnung ermittelt werden. Unterschreitet das ermittelte zukünftige Ausmaß der Ölverdünnung den Grenzwert für das zukünftige Ausmaß der Ölverdünnung, werden die Abgasnachbehandlungseinrichtungen mittels Kraftstoffnacheinspritzung erwärmt. Erreicht oder überschreitet das ermittelte zukünftige Ausmaß der Ölverdünnung den Grenzwert für das zukünftige Ausmaß der Ölverdünnung, werden die Abgasnachbehandlungseinrichtungen elektrisch und/oder mittels Aufbringen einer zusätzlichen Last erwärmt. Der Grenzwert für ein zukünftiges Ausmaß der Ölverdünnung kann dem Grenzwert für das Ausmaß der Ölverdünnung gemäß vorstehender Beschreibung entsprechen.
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Neben dem aktuellen Status der Ölverdünnung kann damit auch eine zukünftige Entwicklung vorhergesagt werden, so dass die Erwärmungsmethode, d. h. Erwärmen mittels Kraftstoffnacheinspritzung oder elektrisches Erwärmen und/oder Erwärmen mittels Aufbringen einer zusätzlichen Last, vorausschauend ausgewählt werden kann. Mit anderen Worten kann vorhergesagt werden, ob innerhalb eines Erwärmungsvorgangs mit einem Erreichen oder Überschreiten des Grenzwerts für das Ausmaß der Ölverdünnung zu rechnen ist. Dadurch kann ein Wechsel der Erwärmungsmethode innerhalb eines Erwärmungsvorgangs vermieden werden, der anderenfalls erforderlich wäre, wenn das aktuelle Ausmaß der Ölverdünnung den Grenzwert erreicht oder überschreitet.
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Gemäß weiteren Ausführungsvarianten können bei nicht ausreichender elektrischer Heizleistung beim elektrischen Erwärmen die Abgasnachbehandlungseinrichtungen zusätzlich mittels Kraftstoffnacheinspritzung erwärmt werden. Dies kann beispielsweise bei hohem Erwärmungsbedarf, z. B. zur Regeneration eines Katalysators oder Partikelfilters, auftreten. Ein zügiges Erreichen der erforderlichen Temperaturen kann somit auch in solchen Situationen sichergestellt werden.
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Eine erfindungsgemäße Anordnung zum Erwärmen von Abgasnachbehandlungseinrichtungen in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors weist einen Verbrennungsmotor, einen sich an den Verbrennungsmotor anschließenden Abgasstrang zur Aufnahme eines vom Verbrennungsmotor erzeugten Abgases, im Abgasstrang angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtungen, von denen mindestens eine Abgasnachbehandlungseinrichtung elektrisch beheizbar ist, eine Einrichtung zur Ermittlung des Ausmaßes der Ölverdünnung und eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet und ausgebildet ist, in Abhängigkeit des Ausmaßes der Ölverdünnung eine Erwärmung der Abgasnachbehandlungseinrichtungen mittels Kraftstoffnacheinspritzung einerseits oder elektrischer Erwärmung und/oder Aufbringen einer zusätzlichen Last auf den Verbrennungsmotor andererseits herbeizuführen, auf.
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Die Steuereinheit empfängt Eingangsdaten von der Einrichtung zur Ermittlung des Ausmaßes der Ölverdünnung, verarbeitet diese Eingangsdaten basierend auf Anweisungen oder einem programmierten Code entsprechend einer oder mehrerer Routinen und sendet Steuersignale an Aktuatoren, wie z. B. die Kraftstoffeinspritzanlage oder die elektrische Heizung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, als Reaktion auf die verarbeiteten Eingangsdaten.
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Die Steuereinheit kann hardware- und/oder softwaremäßig realisiert sein und physisch ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Insbesondere kann die Steuereinheit Teil einer Motorsteuerung sein oder in diese integriert sein. In einer typischen Ausgestaltung fungiert die Motorsteuerung eines Kraftfahrzeugs als Steuereinheit.
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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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Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann die Anordnung eine Einrichtung zur Ermittlung eines zukünftigen Ausmaßes der Ölverdünnung aufweisen, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet und ausgebildet ist, in Abhängigkeit des zukünftigen Ausmaßes der Ölverdünnung eine Erwärmung der Abgasnachbehandlungseinrichtungen mittels Kraftstoffnacheinspritzung einerseits oder elektrischer Erwärmung und/oder Aufbringen einer zusätzlichen Last auf den Verbrennungsmotor andererseits herbeizuführen.
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Als erste Abgasnachbehandlungseinrichtung stromabwärts des Verbrennungsmotors kann ein exotherm arbeitender Katalysator, bevorzugt ein Oxidationskatalysator oder ein LNT-Katalysator, angeordnet sein. Diese Katalysatoren sind in der Lage, nacheingespritzten Kraftstoff in einer exothermen Reaktion umzuwandeln, so dass Wärmeenergie freigesetzt wird, die den exotherm arbeitenden Katalysator selbst sowie weitere optional stromabwärts angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtungen erwärmt. Der Oxidationskatalysator kann z. B. als Dieseloxidationskatalysator (DOC-Katalysator) ausgebildet sein.
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Als zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung stromabwärts des Verbrennungsmotors kann ein Partikelfilter, z. B. ein Dieselpartikelfilter (DPF), oder ein SDPF-Katalysator angeordnet sein. Die zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung kann u. a. mittels der bei der exothermen Reaktion in der ersten Abgasnachbehandlungseinrichtung freigesetzten Wärmeenergie erwärmt werden. Durch eine möglichst motornahe Anordnung des Partikelfilters bzw. SDPF-Katalysator kann eine effizientere Regeneration bewirkt werden, da bei einer motornahen Anordnung die für die Regeneration erforderlichen hohen Temperaturen aufgrund einer kürzeren Abkühlungsstrecke für das Abgas einfacher erreicht werden können. Eine zusätzliche Erwärmung in geringem Ausmaß kann daher ausreichend sein.
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Als dritte Abgasnachbehandlungseinrichtung stromabwärts des Verbrennungsmotors kann ein SCR-Katalysator angeordnet sein.
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Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Anordnung eine Elektromaschine aufweisen, die dazu eingerichtet und ausgebildet ist, eine Last auf den Verbrennungsmotor aufzubringen.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug weist eine Anordnung gemäß vorstehende Beschreibung auf.
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Unter einem Kraftfahrzeug ist ein durch einen Motor angetriebenes Fahrzeug, z. B. ein Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug zu verstehen. Das Fahrzeug kann als Elektro- oder Hybridelektrofahrzeug, z. B. als Mildhybridelektrofahrzeug oder Vollhybridelektrofahrzeug, ausgebildet sein.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs entsprechen denen der erfindungsgemäßen Anordnung und deren entsprechender Ausführungsvarianten. Darüber hinaus wirkt sich die Erfindung bei einem Kraftfahrzeug besonders vorteilhaft aus, da sie die Einhaltung strenger gesetzlicher Vorgaben hinsichtlich der zulässigen Emission von Luftschadstoffen ermöglicht.
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Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden Beschreibung und den Abbildungen ersichtlich. Es zeigen:
- 1a eine beispielhafte Anordnung;
- 1b eine weitere beispielhafte Anordnung;
- 1c eine weitere beispielhafte Anordnung; und
- 2 ein Ablaufschema eines beispielhaften Verfahrens.
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In der 1a ist eine beispielhafte Anordnung 4 schematisch dargestellt. Die Anordnung 4 weist einen Verbrennungsmotor 3 auf, der über vier Zylinder 10 verfügt und beispielsweise als Dieselmotor ausgebildet sein kann. Es sein darauf hingewiesen, dass der Verbrennungsmotor 3 auch über eine abweichende Anzahl an Zylindern 10, z. B. sechs oder acht Zylinder 10 verfügen kann.
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An den Verbrennungsmotor 3 schließt sich ein Abgasstrang 2 an, der ein vom Verbrennungsmotor 3 gebildetes Abgas aufnimmt. Dem Verbrennungsmotor 3 ist ein Turbolader zugeordnet, dessen Abgasturbine 11 im Abgasstrang 2 angeordnet ist. Stromabwärts der Abgasturbine 11 sind zwei Abgasnachbehandlungseinrichtungen 1 im Abgasstrang 2 angeordnet. Auf die Abgasturbine 11 folgt zunächst ein Oxidationskatalysator 5, bei dem es sich im Beispiel um einen Dieseloxidationskatalysator handelt. Stromabwärts des Dieseloxidationskatalysators ist ein SDPF-Katalysator angeordnet.
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1b zeigt eine alternative Anordnung 4, bei der im Unterschied zur 1a stromabwärts der Abgasturbine 11 zunächst ein LNT-Katalysator 6 und stromabwärts des LNT-Katalysators 6 ein Partikelfilter 7 angeordnet sind. Bei dem Partikelfilter 7 handelt es sich um einen Dieselpartikelfilter.
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1c zeigt eine weitere alternative Anordnung 4, bei der im Unterschied zur 1a stromabwärts der Abgasturbine 11 drei Abgasnachbehandlungseinrichtungen 1 angeordnet sind. Dabei handelt es sich in Strömungsrichtung betrachtet um einen LNT-Katalysator 6, einen SDPF-Katalysator 8 und einen SCR-Katalysator 9.
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In allen drei beispielhaften Anordnungen ist mindestens eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 elektrisch beheizbar ausgebildet. Beispielsweise kann der exotherm arbeitende Katalysator, d. h. der Oxidationskatalysator 5 in 1 a oder der LNT-Katalysator 6 in 1 b und 1 c, elektrisch beheizbar ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich können auch die weiteren Abgasnachbehandlungseinrichtungen 1 elektrisch beheizbar ausgebildet sein.
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Zudem verfügen alle Anordnungen über eine Einrichtung zur Ermittlung des Ausmaßes der Ölverdünnung (nicht dargestellt) und eine Steuereinheit (nicht dargestellt) die dazu eingerichtet und ausgebildet ist, in Abhängigkeit des Ausmaßes der Ölverdünnung eine Erwärmung der Abgasnachbehandlungseinrichtungen 1 mittels Kraftstoffnacheinspritzung oder elektrischer Erwärmung und/oder Aufbringen einer zusätzlichen Last auf den Verbrennungsmotor 3 herbeizuführen.
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Optional können außerdem Temperatursensoren angeordnet sein, um die Temperatur T einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 zu ermitteln, um anhand der ermittelten Temperatur T über einen Erwärmungsbedarf entscheiden zu können. Erwärmungsbedarf besteht, sofern die ermittelte Temperatur T geringer als die Mindesttemperatur Tmin ist.
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Weiter optional kann eine Elektromaschine vorhanden sein, die dazu eingerichtet und ausgebildet ist, eine Last auf den Verbrennungsmotor 3 aufzubringen.
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Mittels der Anordnungen der 1a bis 1c kann das in 2 schematisch dargestellte, beispielhafte Verfahren zum Erwärmen der Abgasnachbehandlungseinrichtungen 1 durchgeführt werden.
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Im Schritt S1 (2) wird geprüft, ob eine Erwärmungsanforderung vorliegt. Eine Erwärmungsanforderung kann beispielsweise vorliegen, wenn die von einer der Abgasnachbehandlungseinrichtungen 1 benötigte Zieltemperatur noch nicht erreicht ist, z. B. nach einem Kaltstart, oder die Zieltemperatur unterschritten wird, z. B. aufgrund zu geringer Last. Die Zieltemperatur kann für eine Ziel-Abgasnachbehandlungseinrichtung festgelegt werden, z. B. für den exotherm arbeitenden Katalysator oder einen stromabwärts des exotherm arbeitenden Katalysators angeordneten weiteren Katalysator, beispielsweise den SDPF-Katalysator 8. Im Falle des SDPF-Katalysators 8 ist unter der Zieltemperatur diejenige Temperatur zu verstehen, die für eine ausreichende Umwandlung der im Abgas enthaltenen Stickoxide benötigt wird. Diese Zieltemperatur des SDPF-Katalysators 8 kann bei ungefähr 220 °C liegen.
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Liegt keine Erwärmungsanforderung vor, wird das Verfahren beendet (Schritt S8). Liegt hingegen eine Erwärmungsanforderung vor, wird in einem nächsten Schritt S2 geprüft, ob die Temperatur T größer oder gleich einer Mindesttemperatur Tmin ist. Die Mindesttemperatur Tmin kann der Light-off-Temperatur entsprechen. Die Mindesttemperatur Tmin ist im Ausführungsbeispiel dabei so festgelegt, dass eine Mindestumwandlung von Kohlenwasserstoffen und Kohlenstoffmonoxid im Oxidationskatalysator 5 oder im LNT-Katalysator 6 erreicht werden kann. Beispielsweise kann die Mindesttemperatur des Oxidationskatalysators 5 bei ungefähr 180 °C liegen.
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Eine Erwärmung des SDPF-Katalysators 8 ist daher auch nach Erreichen der Mindesttemperatur Tmin erforderlich, da zum einen die Zieltemperatur über der Mindesttemperatur Tmin liegt und zum anderen der SDPF-Katalysator 8 stromabwärts und somit an einer kälteren Position angeordnet ist.
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Wird die Mindesttemperatur Tmin nicht erreicht, geht das Verfahren weiter zu Schritt S6 und die Abgasnachbehandlungseinrichtungen 1 werden elektrisch erwärmt. Wird die Mindesttemperatur Tmin erreicht oder überschritten, geht das Verfahren weiter zu Schritt S3.
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Im Schritt S3 wird das aktuelle Ausmaß der Ölverdünnung ermittelt und mit einem Grenzwert für das Ausmaß der Ölverdünnung verglichen. Wird der Grenzwert erreicht oder überschritten, geht das Verfahren weiter zu Schritt S6 und die Abgasnachbehandlungseinrichtungen 1 werden elektrisch erwärmt. Wird der Grenzwert hingegen unterschritten, geht das Verfahren weiter zu Schritt S4.
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Im Schritt S4 wird ein zukünftiges Ausmaß der Ölverdünnung ermittelt und mit einem Grenzwert für das zukünftige Ausmaß der Ölverdünnung verglichen, wobei dieser Grenzwert dem Grenzwert aus Schritt S3 entsprechen kann. Wird der Grenzwert für das zukünftige Ausmaß der Ölverdünnung erreicht oder überschritten, geht das Verfahren weiter zu Schritt S6 und die Abgasnachbehandlungseinrichtungen 1 werden elektrisch erwärmt. Wird der Grenzwert für das zukünftige Ausmaß der Ölverdünnung hingegen unterschritten, geht das Verfahren weiter zu Schritt S5.
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Im Schritt S5 werden die Abgasnachbehandlungseinrichtungen 1 mittels Kraftstoffnacheinspritzung erwärmt. Hierbei wird der nacheingespritzte Kraftstoff in einer exothermen Reaktion im Oxidationskatalysator 5 oder im LNT-Katalysator 6 umgesetzt, wobei Wärmeenergie freigesetzt wird und die Abgasnachbehandlungseinrichtungen 1 erwärmt werden. Anschließend geht das Verfahren wieder zurück zu Schritt S1, d. h. es wird geprüft, ob (weiterhin) eine Erwärmungsanforderung vorliegt.
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Werden die Abgasnachbehandlungseinrichtungen 1 im Schritt S6 elektrisch erwärmt, wird in einem nachfolgenden Schritt S7 geprüft, ob die maximale elektrische Heizleistung erreicht ist und trotzdem ein zusätzliches Erwärmen nötig ist. Ist beides der Fall, geht das Verfahren weiter zu Schritt S5 und die Abgasnachbehandlungseinrichtungen werden zusätzlich mittels Kraftstoffnacheinspritzung erwärmt. Wird eines der beiden Kriterien des Schritts S5 nicht erfüllt, geht das Verfahren wieder zurück zu Schritt S1, d. h. es wird geprüft, ob (weiterhin) eine Erwärmungsanforderung vorliegt.
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Optional kann zusätzlich zur elektrischen Erwärmung eine zusätzliche Last auf den Verbrennungsmotor 3 aufgebracht werden, um auch durch diese Maßnahme eine Temperaturerhöhung zu bewirken. Beispielsweise kann über eine mit dem Verbrennungsmotor 3 gekoppelte, als Generator wirkende Elektromaschine eine Batterie aufgeladen werden. Die Lasterhöhung kann dann beispielsweise stattfinden bis die Batterie einen aufgeladenen Zustand erreicht, d. h. keine Energie mehr gespeichert werden kann.
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Die Erfindung bietet also die Möglichkeit, eine optimale Erwärmungsmethode für die Erwärmung der Abgasnachbehandlungseinrichtungen 1 unter Berücksichtigung des aktuellen Ausmaßes der Ölverdünnung auszuwählen und die Abgasnachbehandlungseinrichtungen 1 entsprechend zu erwärmen. Die einleitend genannten Nachteile können somit vermieden werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abgasnachbehandlungseinrichtung
- 2
- Abgasstrang
- 3
- Verbrennungsmotor
- 4
- Anordnung
- 5
- Oxidationskatalysator
- 6
- LNT-Katalysator
- 7
- Partikelfilter
- 8
- SDPF-Katalysator
- 9
- SCR-Katalysator
- 10
- Zylinder
- 11
- Abgasturbine
- T
- Temperatur
- Tmin
- Mindesttemperatur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0011745 A1 [0012]
