DE102018221245A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor während einer Warmlaufphase - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor während einer Warmlaufphase Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems (1) mit einem Verbrennungsmotor (2) und einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (3), wobei während einer Warmlaufphase des Motorsystems (1) das Motorsystem (1) abhängig von einem Sensorsignal eines stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung (3) angeordneten Abgassensors (6) mithilfe einer Zweipunktregelung geregelt wird.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren mit Abgasnachbehandlungseinrichtungen, die während einer Warmlaufphase auf eine Betriebstemperatur aufgeheizt werden. Die Erfindung betrifft weiterhin Verfahren zum Betreiben des Verbrennungsmotors, solange während der Warmlaufphase ein Abgassensorsignal eines stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordneten Abgassensors nicht zur Verfügung steht.
  • Technischer Hintergrund
  • Verbrennungsmotoren werden üblicherweise mit Abgasnachbehandlungseinrichtungen, wie beispielsweise einem Drei-Wege-Katalysator, versehen, um Verbrennungsabgas, das von dem Verbrennungsmotor ausgestoßen wird, so zu behandeln, dass der Anteil an Luftschadstoffen, wie NOx, Kohlenwasserstoffe oder Kohlenmonoxid, reduziert wird. Dazu weisen derartige Abgasnachbehandlungseinrichtungen die Fähigkeit auf, Sauerstoff aus einem durchströmenden Gasstrom aufzunehmen und diesen zum Oxidieren von Schadstoffbestandteilen des Verbrennungsabgases zu verwenden.
  • Sobald die Abgasnachbehandlungseinrichtung seine Betriebstemperatur erreicht hat, wird zum Erhalt der Katalysefähigkeit das Niveau der Sauerstoffbeladung auf etwa 50% des Sättigungswertes mithilfe einer Füllungsregelung eingestellt, so dass sowohl zu fettes (kohlenwasserstoffreiches) als auch zu mageres (sauerstoffreiches) Verbrennungsabgas nicht zu schnell zu einer vollständigen Entladung oder vollständigen Sättigung der Abgasnachbehandlungseinrichtung führen kann.
  • Zur Lambdaregelung der Sauerstoffbeladung der Abgasnachbehandlungeinrichtung sind in der Regel einer oder mehrere Abgassensoren vorgesehen, die den Sauerstoffgehalt bzw. den Kohlenwasserstoffgehalt des vorbeiströmenden Verbrennungsabgases erfassen und angeben können. Insbesondere wird in der Regel vor der Abgasnachbehandlungeinrichtung ein stromaufwärtiger Abgassensor und stromabwärts der Abgasnachbehandlungeinrichtung ein stromabwärtiger Abgassensor verbaut. Während der stromaufwärtige Abgassensor erst bei einer bestimmten Betriebstemperatur eine zuverlässige Funktion gewährleistet, ist oftmals der stromabwärtige Abgassensor als Sprungsonde ausgebildet, die lediglich angeben kann, ob das Verbrennungsabgas ausgangsseitig der Abgasnachbehandlungeinrichtung fett oder mager bezüglich eines stöchiometrischen Gleichgewichts zwischen Kohlenwasserstoff und Sauerstoff ist.
  • In der Regel wird für den Warmlaufbetrieb der Abgasnachbehandlungeinrichtung das Luft-Kraftstoff-Gemisch, das dem Verbrennungsmotor zugeführt wird, so eingestellt, dass unverbrannter Kraftstoff in die Abgasnachbehandlungeinrichtung gelangt, um diesen aufzuheizen. Sobald jedoch die Betriebsbereitschaft der Abgasnachbehandlungeinrichtung erreicht ist, muss durch den Betrieb des Motorsystems sichergestellt werden, dass sich die Sauerstoffbeladung in einem vorgegebenen Betriebsbereich bewegt. Da der stromaufwärtige Abgassensor jedoch noch nicht regelbereit ist, kann dieser nicht zur Regelung der Sauerstoffbeladung der Abgasnachbehandlungeinrichtung verwendet werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor und eine Abgasnachbehandlungseinrichtung gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung und ein Motorsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
  • Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor und einer Abgasnachbehandlungseinrichtung vorgesehen, wobei während einer Warmlaufphase des Motorsystems das Motorsystem abhängig von einem Sensorsignal eines stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordneten Abgassensors mithilfe einer Zweipunktregelung geregelt wird.
  • Eine Idee des obigen Verfahren besteht darin, dass während einer Warmlaufphase zum Aufwärmen bzw. Erreichen der Betriebsbereitschaft eines stromaufwärtigen Abgassensors, die bezüglich eines Abgasstroms stromaufwärts einer Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordnet ist, der Verbrennungsmotor durch eine Zweipunktregelung, d.h. einer so genannten Eigenfrequenzregelung, mithilfe eines stromabwärtigen, als Sprungsonde ausgebildeten Abgassensors angesteuert wird. Die Warmlaufphase wird als der Zeitraum von Start des Motorsystems bis zu einem Zeitpunkt des Erreichens der Betriebsbereitschaft eines stromaufwärtigen Abgassensors und der Abgasnachbehandlungseinrichtung verstanden.
  • Dazu wird der Verbrennungsmotor im Wechsel mit einem mageren und einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben. Mager ist ein Luft-Kraftstoff-Gemisch, wenn dieses einen Luftüberschuss bezüglich eines stöchiometrischen Gleichgewichts zwischen Kraftstoff und Sauerstoff aufweist. Fett ist ein Luft-Kraftstoff-Gemisch, wenn dieses einen Kraftstoffüberschuss bezüglich eines stöchiometrischen Gleichgewichts zwischen Kraftstoff und Sauerstoff aufweist.
  • Es kann vorgesehen sein, dass nach Erkennen eines Sauerstoffüberschusses im Verbrennungsabgas durch den stromabwärtigen Abgassensor der Verbrennungsmotor mit einem fetten Luft-Kraftstoffgemisch betrieben wird.
  • Weiterhin kann nach Erkennen eines Kohlenwasserstoffüberschusses im Verbrennungsabgas durch den stromabwärtigen Abgassensor der Verbrennungsmotor mit einem mageren Luft-Kraftstoffgemisch betrieben werden.
  • Die Zweipunktregelung sieht vor, dass, wenn der stromabwärtige Abgassensor ein zu mageres Verbrennungsabgas, d. h. einen Sauerstoffüberschuss im Verbrennungsabgas, erkennt, der Verbrennungsmotor mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch, d. h. mit einem Luft-Kraftstoff-Gemisch, das einen Kraftstoffüberschuss bezüglich des stöchiometrischen Gleichgewichts aufweist, betrieben und wenn der stromabwärtige Abgassensor ein zu fettes Verbrennungsabgas, d. h. einen Sauerstoffüberschuss im Verbrennungsabgas, erkennt, der Verbrennungsmotor mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch, d. h. mit einem Luft-Kraftstoff-Gemisch, das einen Sauerstoffüberschuss bezüglich des stöchiometrischen Gleichgewichts aufweist.
  • Dies ermöglicht es, bis zum Erreichen der Betriebsbereitschaft eines stromaufwärtigen Abgassensors und der Abgasnachbehandlungseinrichtung die Abgasnachbehandlungseinrichtung unmittelbar nach deren Betriebsbereitschaft in einem Betriebsbereich zu betreiben, in dem die Sauerstoffbeladung nicht die Sättigung gelangt und in dem der Anteil von Luftschadstoffen durch Entladung von Sauerstoff aus der Abgasnachbehandlungseinrichtung reduziert werden. Dadurch kann während der Warmlaufphase (Startphase) des Motorsystems unmittelbar nach Erreichen der Betriebsbereitschaft die Abgasnachbehandlungseinrichtung so betrieben werden, dass eine hinreichende Abgasreinigung erfolgt. Insbesondere ist auch während des Zeitraums zwischen dem Zeitpunkt des Erreichens der Betriebsbereitschaft der Abgasnachbehandlungseinrichtung und dem Zeitpunkt des Erreichens der Betriebsbereitschaft des stromaufwärtigen Abgassensors ein hinreichender Betrieb der Abgasnachbehandlungseinrichtung zum Reduzieren von Schadstoffemissionen gewährleistet.
  • Weiterhin kann die Zweipunktregelung aktiv sein, solange ein stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordneter Abgassensor seine Betriebsfähigkeit nicht erreicht hat. Sobald der stromaufwärtige Abgassensor eine Betriebsbereitschaft signalisiert, d. h. der stromaufwärtige Abgassensor hat Betriebstemperatur erreicht und/oder es liegt keine Feuchtigkeit im Messbereich des Abgassensors vor, wird die Füllungsregelung bzw. die Lambdaregelung mithilfe des Sensorsignals des stromaufwärtigen Abgassensors weitergeführt.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann nach Erreichen der Betriebsfähigkeit der Abgasnachbehandlungseinrichtung während der Warmlaufphase der Verbrennungsmotor mit einem mageren Luft-Kraftstoffgemisch betrieben werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Betreiben eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor und einer Abgasnachbehandlungseinrichtung vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um während einer Warmlaufphase des Motorsystems das Motorsystem abhängig von einem Sensorsignal eines stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordneten Abgassensors mithilfe einer Zweipunktregelung zu regeln.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor, einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, einem stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordneten Abgassensor und der obigen Vorrichtung vorgesehen.
  • Der stromabwärtige Abgassensor kann als eine Sprungsonde ausgebildet sein und/oder der stromaufwärtige Abgassensor als stetige Lambdasonde (Breitband-Lambdasonde) ausgebildet sein.
  • Figurenliste
  • Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor und einer Abgasnachbehandlungseinrichtung; und
    • 2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben des Motorsystems der 1.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • 1 zeigt schematisch eine Darstellung eines Motorsystems 1 mit einem Verbrennungsmotor 2. Beim Betrieb des Verbrennungsmotors 2 entstehen Verbrennungsabgase, die über ein Abgasabführungssystem 7 einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 zugeführt und dort nachbehandelt werden, um Schadstoffemissionen zu reduzieren.
  • In der Regel handelt es sich bei der Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 um einen Katalysator mit einer Sauerstoffspeicherfähigkeit. Dies ermöglicht es, Sauerstoffüberschuss in dem Verbrennungsabgas zu speichern und Kohlenwasserstoffüberschuss und Stickoxide durch Abgabe von Sauerstoff zu verbrennen, um diese in unschädlichere Abgasbestandteile umzusetzen. Zum Sicherstellen eines ordnungsgemäßen Betriebs der Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 muss diese eine Betriebstemperatur erreicht haben. Sobald die Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 betriebsfähig ist, nimmt diese Sauerstoff aus dem Verbrennungsabgas auf und oxidiert/verbrennt Stickoxide, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe im Verbrennungsabgas durch Abgabe von Sauerstoff.
  • Zum Erhalt der Betriebsfähigkeit sorgt eine in einem Motorsteuergerät 4 durchgeführte Füllungsregelung und Lambdaregelung dafür, dass die Sauerstoffbeladung der Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 in einem Bereich liegt, der ausreichend Potenzial zur Aufnahme und zur Abgabe von Sauerstoff bereitstellt. Insbesondere ist es wünschenswert, dass die Sauerstoffbeladung der Abgasnachbehandlungseinrichtung bei etwa 50% einer Sauerstoffmenge beträgt, die einer Sättigung der Sauerstoffbeladung der Abgasnachbehandlungseinrichtung entspricht.
  • Zum Gewährleisten einer mittleren Sauerstoffbeladung der Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 weist das Motorsystem Abgassensoren 5 und 6 auf. Ein stromaufwärtiger Abgassensor 5 ist stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 und ein stromabwärtiger Abgassensor 6 ist stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 im Abgasabführungssystem 7 angeordnet. Während der stromaufwärtige Abgassensor 5 in der Regel als empfindlicher Abgassensor 5 (Breitband-Lambdasonde) ausgebildet ist, der kontinuierlich die Sauerstoffkonzentration bzw. die Kohlenwasserstoffkonzentration im Verbrennungsabgas angibt, wird als stromabwärtiger Abgassensor 6 häufig eine sogenannte Sprungsonde verwendet, die lediglich einen Sauerstoffüberschuss oder einen Kohlenwasserstoffüberschuss im Verbrennungsabgas bezüglich eines stöchiometrischen Gleichgewichts detektieren kann, d.h.deren Kennlinie im Bereich einer Luftzahl von Lambda=1 (stöchiometrisches Gleichgewicht) sehr steil ist und mit zunehmender Abweichung von Lambda=1 abflacht.
  • Während die Sprungsonde in der Regel sofort betriebsbereit ist, benötigt der stromaufwärtige Abgassensor 5 für seine Betriebsfähigkeit eine Betriebstemperatur. Auch muss sichergestellt sein, dass der Abgassensor 5 frei von Feuchtigkeit ist. In der Regel wird die Bereitschaft des stromaufwärtigen Abgassensors 5 zeitlich nach dem Erreichen der Betriebsbereitschaft der Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 erreicht. Das Erreichen der Betriebsbereitschaft des stromaufwärtigen Abgassensor 5 wird durch den stromaufwärtigen Abgassensor 5 durch ein Bereitschaftssignal signalisiert
  • Um während der Aufwärmphase des stromaufwärtigen Abgassensors 5 eine Regelung der Sauerstoffbeladung der Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 zu ermöglichen, wird das nachfolgend in Verbindung mit 2 beschriebene Verfahren angewendet.
  • In Schritt S1 wird überprüft, ob sich das Verfahren zum Betrieb des Motorsystems 1 in einer Warmlaufphase (Kaltstartphase) befindet. Die Warmlaufphase ist so lange aktiv, bis alle Komponenten einen für die Betriebsfähigkeit notwendigen Betriebszustand erreicht haben. Dies betrifft insbesondere die Abgasnachbehandlungseinrichtung 3, die zum ordnungsgemäßen Betrieb eine Betriebstemperatur erreicht haben muss. Weiterhin betrifft dies den stromaufwärtigen Abgassensor 5, der ebenfalls eine Betriebstemperatur erreicht haben muss und bei dem angelagerte Feuchtigkeit verdampft sein muss. Dies signalisiert der stromaufwärtige Abgassensor 5 mithilfe eines entsprechenden Bereitschaftssignals. Wird festgestellt, dass nicht alle Komponenten des Motorsystems 1 Betriebsbereitschaft erreicht haben (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S2 fortgesetzt, anderenfalls wird zu Schritt S1 zurückgesprungen.
  • In Schritt S2 wird der Verbrennungsmotor 2 mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben und gleichzeitig ein Zündwinkel nach spät verstellt.. Dazu wird die einzuspritzende Kraftstoffmenge unter ein im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors 2 gefordertes Maß verringert, insbesondere um ein Luft-Kraftstoff-Gemisch der Verbrennung zuzuführen, bei dem ein Sauerstoffüberschuss bezüglich eines stöchiometrischen gleichgewichts vorherrscht. Dies führt zu einer erhöhten Abgastemperatur, wodurch die Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 auf die Betriebstemperatur erwärmt wird. Die Abmagerung des Luft-Kraftstoff-Gemisches erfolgt in einer Größenordnung um 2% -10%, vorzugsweise um 5% - 8% bezüglich der für Lambda=1 benötigten Kraftstoffmenge.
  • Gleichzeitig wird auch der stromaufwärtige Abgassensor 5 erwärmt, so dass die Betriebstemperatur erreicht wird und anlagernde Feuchtigkeit verdampft wird. In der Regel erreicht die Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 die Betriebsbereitschaft deutlich vor dem stromaufwärtigen Abgassensor 5.
  • In Schritt S3 wird überprüft, ob der stromabwärtige Abgassensor 6 ein Verbrennungsabgas mit einem Sauerstoffüberschuss erkennt Abgassensorlst dies der Fall (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S4 fortgesetzt, andernfalls (Alternative. Nein) wird zu Schritt S2 zurückgesprungen. Es kann optional vorgesehen sein, dass, sobald die Betriebsbereitschaft der Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 erreicht ist, die Spätverstellung des Zündwinkels zurückgenommen wird.
  • In Verbindung mit Schritt S3 wird eine Lambdaregelung basierend auf dem Sensorsignal des stromabwärtigen Abgassensors 6 ausgeführt. Da der stromabwärtige Abgassensor 6 als Sprungsonde ausgebildet ist, entspricht die Regelung einer Zweipunktregelung bzw. einer Eigenfrequenzregelung. Dazu wird nach der Erkennung eines mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch mithilfe des stromabwärtigen Abgassensors 6 der Verbrennungsmotor mit einem fetten Luft-Kraftstoffgemisch (Kraftstoffüberschuss) eingestellt. Dies erfolgt durch eine Erhöhung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge. Die Anfettung des Luft-Kraftstoff-Gemsiches erfolgt in einer Größenordnung um 2% -10%, vorzugsweise um 5% - 8% bezüglich der für Lambda=1 benötigten Kraftstoffmenge.
  • In Schritt S5 wird überprüft, ob aufgrund der Ansteuerung des Verbrennungsmotors 2 mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch eine entsprechende Änderung durch den stromabwärtigen Abgassensor 6 erfasst wird (Fetterkennung). Der als Sprungsonde ausgeführte stromabwärtige Abgassensor 6 signalisiert dies durch eine entsprechende Änderung des Sensorsignals. Ist dies der Fall (Alternative: Ja) (Fetterkennung), so wird das Verfahren mit Schritt S6 fortgesetzt, andernfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt S4 zurückgesprungen.
  • In Schritt S6 wird überprüft, ob der stromaufwärtige Abgassensor 5 Betriebsbereitschaft signalisiert hat. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S8 fortgesetzt, anderenfalls (Alternative: Nein) wird die Eigenfrequenzregelung der Schritte S4 bis S6 durch Rücksprung zu Schritt S4 fortgesetzt.
  • In Schritt S7 wird die Füllungsregelung bzw. die Lambdaregelung auf einen Normalbetrieb umgeschaltet, bei dem das Sensorsignal (Lambdawert) des stromaufwärtigen Abgassensors 6 für die Regelung der Verbrennung in dem Verbrennungsmotor 2 verwendet wird.
  • Erreicht während der Eigenfrequenzregelung die Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 ihre Betriebsbereitschaft, so nimmt die Frequenz der Eigenfrequenzregelung zu. Die Betriebsbereitschaft wird erreicht, wenn die Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 ihre Betriebstemperatur erreicht hat.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems (1) mit einem Verbrennungsmotor (2) und einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (3), wobei während einer Warmlaufphase des Motorsystems (1) das Motorsystem (1) abhängig von einem Sensorsignal eines stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung (3) angeordneten Abgassensors (6) mithilfe einer Zweipunktregelung geregelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zweipunktregelung aktiv ist, zumindest solange während der Warmlaufphase ein stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung (3) angeordneter Abgassensor (5) seine Betriebsfähigkeit nicht erreicht hat.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei nach Erreichen der Betriebsfähigkeit der Abgasnachbehandlungseinrichtung (3) während der Warmlaufphase der Verbrennungsmotor (2) mit einem mageren Luft-Kraftstoffgemisch betrieben wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei nach Erkennen eines Sauerstoffüberschusses im Verbrennungsabgas durch den stromabwärtigen Abgassensor (6) der Verbrennungsmotor (2) mit einem fetten Luft-Kraftstoffgemisch betrieben wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei nach Erkennen eines Kohlenwasserstoffüberschusses im Verbrennungsabgas durch den stromabwärtigen Abgassensor (6) der Verbrennungsmotor (2) mit einem mageren Luft-Kraftstoffgemisch betrieben wird.
  6. Vorrichtung zum Betreiben eines Motorsystems (1) mit einem Verbrennungsmotor (2) und einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (3), wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um während einer Warmlaufphase des Motorsystems (1) das Motorsystem (1) abhängig von einem Sensorsignal eines stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung (3) angeordneten Abgassensors (6) mithilfe einer Zweipunktregelung zu regeln.
  7. Motorsystem (1) mit einem Verbrennungsmotor (2), einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (3) und einer Vorrichtung nach Anspruch 6.
  8. Motorsystem (1) nach Anspruch 7, wobei ein stromaufwärtiger Abgassensor (6) stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung (3) vorgesehen ist und/oder der stromabwärtige Abgassensor (6) stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung (3) vorgesehen ist.
  9. Motorsystem (1) nach Anspruch 8, wobei der stromabwärtige Abgassensor (6) als eine Sprungsonde ausgebildet ist und/oder der stromaufwärtige Abgassensor (5) als stetige Lambdasonde ausgebildet ist.
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