DE102019119123B4 - Verfahren zum Aufheizen eines Abgasnachbehandlungssystems sowie Abgasnachbehandlungssystem - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Aufheizen eines Abgasnachbehandlungssystems eines Verbrennungsmotors (10) mit mindestens einem Brennraum (12) sowie einem Kraftstoffinjektor (14) zur Einspritzung eines Kraftstoffes in den Brennraum (12), wobei der Verbrennungsmotor (10) auslassseitig mit einer Abgasanlage (20) verbunden ist, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors (10) ein elektrisch beheizbarer, HC-/CO-konvertierungsfähiger Katalysator, insbesondere ein Oxidationskatalysator (48) oder ein elektrisch beheizbarer NOx-Speicherkatalysator (62) und stromabwärts des Oxidationskatalysators (48) oder des NOx-Speicherkatalysators (62) eine Abgasnachbehandlungskomponente (56, 58, 64) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet sind, welches folgende Schritte umfasst:- Ermitteln einer Abgastemperatur TEGstromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators (48, 62) und stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente (56, 58, 64) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden,- Ermitteln einer Temperatur TKATdes elektrisch beheizbaren Katalysators (48, 62),- Vergleichen der ermittelten Temperatur TKATmit einer Light-Off-Temperatur (TLO1) für den elektrisch beheizbaren Katalysator (48, 62), wobei anhand der Temperatur TKATdas maximale Potenzial für ein chemisches Aufheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators (48, 62) durch eine exotherme Umsetzung von unverbrannten Kraftstoffkomponenten bestimmt wird, wobei- die Heizleistung des elektrisch beheizbaren Katalysators (48, 62) in Abhängigkeit von dem Potenzial für ein chemisches Aufheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators (48, 62) angepasst wird, und wobei- ermittelt wird, über welche Lauflänge (L) der elektrisch beheizbare Katalysator (48, 62) bereits seine Light-Off-Temperatur (TLO1) erreicht hat, und in Abhängigkeit der Lauflänge (L) das Potenzial zum chemischen Beheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators (48, 62) bestimmt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen eines Abgasnachbehandlungssystems sowie ein Abgasnachbehandlungssystem zur Durchführung eines solchen Verfahrens gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
  • Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellen hohe Anforderungen an die motorischen Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Dabei stellen die Forderungen nach einem weiter sinkenden Verbrauch und die weitere Verschärfung der Abgasnormen hinsichtlich der zulässigen StickoxidEmissionen eine Herausforderung für die Motorenentwickler dar. Bei Ottomotoren erfolgt die Abgasreinigung in bekannter Weise über einen Drei-Wege-Katalysator, sowie dem Drei-Wege-Katalysator vor- und nachgeschaltete weitere Katalysatoren. Bei Dieselmotoren finden aktuell Abgasnachbehandlungssysteme Verwendung, welche einen Oxidationskatalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren aufweisen. Um die hohen Anforderungen an minimale Stickoxidemissionen zu erfüllen, sind Abgasnachbehandlungssysteme bekannt, welche zwei in Reihe geschaltete SCR-Katalysatoren aufweisen, wobei jedem der SCR-Katalysatoren ein Dosierelement zur Eindosierung eines Reduktionsmittels vorgeschaltet ist. Als Reduktionsmittel wird dabei bevorzugt eine synthetische, wässrige Harnstofflösung verwendet, die in einer dem SCR-Katalysator vorgeschalteten Mischeinrichtung mit dem heißen Abgasstrom vermischt wird. Durch diese Vermischung wird die wässrige Harnstofflösung erhitzt, wobei die wässrige Harnstofflösung Ammoniak im Abgaskanal freisetzt. Eine handelsübliche, wässrige Harnstofflösung setzt sich im Allgemeinen aus 32,5 % Harnstoff und 67,5 % Wasser zusammen.
  • Durch die zunehmende Verschärfung der Emissionsgesetzgebung ist ein schnelles Erreichen der Light-Off-Temperaturen der Abgasnachbehandlungskomponenten notwendig. Zum Erreichen der Light-Off-Temperatur der Abgasnachbehandlungskomponenten sind sowohl innermotorische Heizmaßnahmen, insbesondere eine Verschiebung des Verbrennungsschwerpunktes in Richtung spät oder eine späte Nacheinspritzung, sowie externe Heizmaßnahmen durch ein elektrisches Heizelement in der Abgasanlage oder einen externen Abgasbrenner bekannt.
  • Die DE 10 2008 013 777 B4 offenbart ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Dieselmotor mit einem elektrisch beheizbaren Oxidationskatalysator und einem dem elektrisch beheizbaren Oxidationskatalysator nachgeschalteten SCR-Katalysator. Dabei wird ein Reduktionsmittel zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden in die Abgasanlage eingespritzt, sobald der SCR-Katalysator seine zur effizienten Konvertierung von Stickoxiden notwendige Betriebstemperatur erreicht hat.
  • Aus der DE 10 2017 113 712 A1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Dieselmotor bekannt. Dabei ist stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors ein Oxidationskatalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator angeordnet, welchem unmittelbar ein elektrisch beheizbarer Katalysator nachgeschaltet ist, sodass der elektrisch beheizbare Katalysator den Abgasstrom stromabwärts des Oxidationskatalysators oder NOx-Speicherkatalysators erwärmen kann und der Oxidationskatalysator oder der NOx-Speicherkatalysator zusätzlich durch den elektrisch beheizbaren Katalysator aufgeheizt wird. Dabei ist stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators ein Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung vorgesehen, welcher durch den Wärmeeintrag in den elektrisch beheizbaren Katalysator nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors schneller auf eine Anspringtemperatur aufgeheizt werden kann.
  • Aus der DE 10 2014 001 418 A1 ist ein Verfahren zur Temperatureinstellung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung bekannt. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung umfasst ein elektrisches Heizelement, einen dem Heizelement nachgeschalteten Oxidationskatalysator sowie einen dem Oxidationskatalysator nachgeschalteten SCR-Katalysator. Die Temperaturwerte für eine aktuelle Temperatur des Oxidationskatalysators und des SCR-Katalysators werden laufend ermittelt und abhängig von den ermittelten Temperaturwerten werden die Einspritzparameter von Einspritzvorgängen für Kraftstoffeinspritzungen in Brennräume der Brennkraftmaschine und eine Heizleistung des Heizelements eingestellt.
  • DE 10 2010 035 007 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors. Dabei ist in einer Abgasleitung zumindest ein elektrisch beheizbarer Oxidationskatalysator angeordnet. Dabei wird eine katalytisch aktive Fläche des elektrisch beheizbaren Katalysators bestimmt und in Abhängigkeit von der aktiven Fläche ein Reaktionsmittel in die Abgasleitung eingebracht.
  • Darüber hinaus offenbart die DE 10 2017 117 209 A1 ein Verfahren zur Steuerung eines Abgasbehandlungssystems. Das Abgasbehandlungssystem beinhaltet einen Abgasstrom, der von einer Abgasquelle zu einer selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung und einer Partikelfiltervorrichtung befördert wird. Zusätzlich dazu oder alternativ beinhaltet das Abgasbehandlungssystem einen Abgasstrom, der von einer Abgasquelle zu einer selektiven katalytischen Reduktionsfiltervorrichtung befördert wird. Das Verfahren umfasst das Initiieren eines selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtungsservices als Reaktion auf eine Reduktionsmitteldosierungsanpassung. Das Verfahren kann weiterhin die Erfüllung einer sekundären Bedingung umfassen, bevor ein selektiver katalytischer Reduktionsvorrichtungsservice initiiert wird. Der Vorrichtungsservice kann die Erhöhung der Abgastemperatur oder die Initiierung einer aktiven Regeneration der Partikelfiltervorrichtung umfassen.
  • Nachteilig an den bekannten Verfahren zum Aufheizen eines Abgasnachbehandlungssystems ist jedoch, dass innermotorische Heizmaßnahmen den thermischen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors verringern und somit zu einem Kraftstoffmehrverbrauch führen. Externe Heizmaßnahmen durch einen Abgasbrenner oder elektrische Heizelemente führen zu Mehrkosten für zusätzliche Komponenten im Abgasnachbehandlungssystem und erhöhen ebenfalls den Kraftstoffverbrauch.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Aufheizen des Abgasnachbehandlungssystems möglichst energieeffizient zu gestalten und die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Aufheizen eines Abgasnachbehandlungssystems eines Verbrennungsmotors mit mindestens einem Brennraum gelöst, in welchen mittels eines Kraftstoffinjektors ein Kraftstoff eingespritzt wird. Der Verbrennungsmotor ist mit einer Abgasanlage verbunden, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstroms ein elektrisch beheizbarer, HC-/CO-konvertierungsfähiger Katalysator, insbesondere ein Oxidationskatalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator und stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators eine Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet sind.
  • Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
    • - Ermitteln einer Abgastemperatur stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators und stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden,
    • - Ermitteln einer Katalysatortemperatur des elektrisch beheizbaren Katalysators an zumindest einer Position im Katalysator,
    • - Vergleichen der ermittelten Katalysatortemperatur mit einer Light-Off-Temperatur des Katalysators, wobei anhand der Temperatur das maximale Potenzial für ein chemisches Aufheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators bestimmt wird, und wobei
    • - die Heizleistung des elektrisch beheizbaren Katalysators in Abhängigkeit von dem Potenzial für ein chemisches Aufheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators angepasst wird.
  • Durch ein solches Verfahren ist ein besonders schnelles und energieeffizientes Ausheizen des Abgasnachbehandlungssystems möglich. Somit kann der Mehrverbrauch in der Startphase des Verbrennungsmotors reduziert werden. Ferner kann sichergestellt werden, dass zeitnah nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors eine effiziente Konvertierung der Schadstoffe im Abgasstrom des Verbrennungsmotors erreicht wird.
  • Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass ermittelt wird, über welche Lauflänge der elektrisch beheizbare Katalysator bereits seine Light-Off-Temperatur erreicht hat und in Abhängigkeit der Lauflänge das Potenzial zum chemischen Beheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators bestimmt wird. Ein solches chemisches Beheizen wird auch als katalytisches Beheizen des Katalysators bezeichnet. Im Folgenden sollen diese beiden Begriffe als äquivalent angesehen werden. Durch ein chemisches Beheizen ist ein besonders effizientes Beheizen des Katalysators möglich, da die Wärme durch eine exotherme Reaktion unmittelbar an der katalytisch wirksamen Oberfläche des Katalysators freigesetzt wird. Durch ein Bestimmen der Lauflänge, welche bereits ihre Light-Off-Temperatur erreicht hat, kann auf einfache Art und Weise die Gesamtmenge des katalytisch umsetzbaren Kraftstoffs berechnet werden.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und nicht-triviale Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens zum Aufheizen eines Abgasnachbehandlungssystems möglich.
  • Bevorzugt ist dabei, wenn in Abhängigkeit von der durchwärmten Lauflänge des elektrisch beheizbaren Katalysators die Kraftstoffmenge und/oder der Einspritzzeitpunkt für die Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum des Verbrennungsmotors angepasst wird. Dadurch kann exakt so viel Kraftstoff eingespritzt werden, wie katalytisch auf dem elektrisch beheizbaren Katalysator umgesetzt werden kann. Somit kann ein Anstieg des Verbrauchs und/oder der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen vermieden werden.
  • Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die maximal mögliche Nacheinspritzmenge zum chemischen Beheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators ermittelt wird. Durch eine Nacheinspritzung kann mit den Kraftstoffinjektoren eine Kraftstoffmenge in die Abgasanlage eingebracht werden. Somit ist kein zusätzlicher Injektor zur Eindosierung von Kraftstoff in die Abgasanlage notwendig, wodurch zusätzliche Bauteile und damit verbundene Mehrkosten vermieden werden können.
  • In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass die chemische Heizleistung aus der Nacheinspritzmenge berechnet wird. Durch ein Berechnen der chemischen Heizleistung kann die Heizleistung des elektrischen Heizelements entsprechend angepasst werden. Somit kann die Heizleistung des elektrischen Heizelements reduziert werden, wenn eine hinreichend hohe Heizleistung durch das chemische Beheizen des Katalysators erreicht wird.
  • In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die chemische Heizleistung aus der exothermen Reaktion auf dem elektrisch beheizbaren Katalysator berechnet wird und anhand der berechneten chemischen Heizleistung die benötigte elektrische Heizleitung des elektrischen Heizelements berechnet wird. Somit kann ermittelt werden, ob weiterhin die vollständige Heizleistung des elektrischen Heizelements zum Aufheizen des Abgasnachbehandlungssystems benötigt wird oder ob diese elektrische Heizleistung reduziert werden kann. Dadurch ist eine bedarfsgerechte Steuerung des elektrischen Heizelements möglich.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Abgasmassenstrom des Verbrennungsmotors modelliert oder gemessen wird. Durch eine Ermittlung des Abgasmassenstroms kann der konvektive Wärmeübertrag von dem elektrischen Heizelement auf den Katalysator bestimmt werden. Ferner kann die Raumgeschwindigkeit in dem Katalysator ermittelt werden und daraus eine maximal mögliche Kraftstoffmenge bestimmt werden, welche katalytisch durch den Katalysator mit einem vorgebbaren Mindest-Konvertierungsgrad umgesetzt werden kann.
  • Bevorzugt ist dabei, wenn aus dem Abgasmassenstrom ein Energieeintrag in den elektrisch beheizbaren Katalysator berechnet wird. Über den heißen Abgasmassenstrom erfolgt ein direkter Energieeintrag in die Abgasnachbehandlungskomponenten, welcher diese über eine konvektive Wärmeübertragung aufheizt. Ferner unterstützt der Abgasmassenstrom eine konvektive Wärmeübertragung von dem elektrischen Heizelement des elektrisch beheizbaren Katalysators auf die katalytisch wirksame Struktur des Katalysators. Dabei führt der Abgasmassenstrom die Wärme von dem elektrischen Heizelement ab und verhindert, dass das elektrische Heizelement thermisch geschädigt wird.
  • Besonders bevorzugt ist dabei, wenn aus dem ermittelten Abgasmassenstrom eine maximal mögliche Nacheinspritzmenge zur Kraftstoffeinspritzung in die Brennräume des Verbrennungsmotors berechnet wird. Da der Abgasmassenstrom in direktem Zusammenhang mit der Raumgeschwindigkeit in dem elektrisch beheizbaren Katalysator steht und bei einem größeren Abgasmassenstrom höhere Raumgeschwindigkeiten erreicht werden, verbleibt weniger Zeit, die im Abgasstrom enthaltenen unverbrannten Abgaskomponenten exotherm auf der katalytisch wirksamen Oberfläche des Katalysators umzusetzen. Dadurch wird auch die maximal mögliche Kraftstoffmenge über die Nacheinspritzung reduziert, welche zum Heizen des Katalysators genutzt werden kann. Somit kann der Abgasmassenstrom zum Berechnen der maximal möglichen Nacheinspritzmenge genutzt werden.
  • In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass aus dem Abgasmassenstrom ein Heizleistungsbedarf zum Aufheizen des Abgasnachbehandlungssystems ermittelt wird. Durch den heißen Abgasmassenstrom erfolgt eine konvektive Wärmeübertragung auf die Abgasnachbehandlungskomponenten in der Abgasanlage. Ferner wird der Abgasmassenstrom dazu genutzt, um die Wärme des elektrischen Heizelements konvektiv auf die katalytisch wirksame Oberfläche des elektrisch beheizbaren Katalysators zu übertragen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Temperatur der Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ermittelt wird. Dadurch kann bestimmt werden, ob die mindestens eine Abgaskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere ein SCR-Katalysator und/oder ein Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden bereits ihre Betriebstemperatur erreicht haben. Somit kann die Eindosierung eines Reduktionsmittels zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere wässrige Harnstofflösung, freigegeben werden, sobald die Light-Off-Temperatur der Abgasnachbehandlungskomponente erreicht ist, um die Stickoxidemissionen zu verringern.
  • Bevorzugt ist dabei, wenn ein Heizleistungsbedarf zum Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden auf ihre Light-Off-Temperatur ermittelt wird. Dadurch kann die Heizleistung bestimmt werden, um möglichst schnell nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors eine effiziente Konvertierung von Stickoxiden zu erreichen und somit die Endrohremissionen zu minimieren.
  • Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Heizleistung des chemischen Beheizens des elektrisch beheizbaren Katalysators über die durchgewärmte Katalysatorlauflänge und die Raumgeschwindigkeit geregelt wird. Dadurch ist eine Optimierung des katalytischen Beheizens des Katalysators möglich, sodass der Katalysator möglichst schnell seine Betriebstemperatur erreicht und eine effiziente Konvertierung von im Abgasstrom des Verbrennungsmotors enthaltenen limitierten Abgaskomponenten erreicht.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die elektrische Heizleistung des elektrischen Heizelements reduziert wird, sobald ein schnelleres und/oder energieeffizienteres Heizverfahren zur Verfügung steht. Sobald das katalytische Heizen und/oder das konvektive Heizen über den Abgasstrom zu einer hinreichend schnellen Erwärmung der Abgasnachbehandlungskomponenten führen, kann das elektrische Heizen reduziert werden.
  • Erfindungsgemäß wird ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Brennraum vorgeschlagen, wobei das Abgasnachbehandlungssystem mit einem Auslass des Verbrennungsmotors verbindbar ist, umfassend eine Abgasanlage, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors ein elektrisch beheizbarer Oxidationskatalysator oder ein elektrisch beheizbarer NOx-Speicherkatalysator und stromabwärts des Oxidationskatalysators oder des NOx-Speicherkatalysators eine Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet sind, sowie mit einem Steuergerät, welches dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Steuergerät ausgeführt wird.
  • Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • 1 einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Aufheizen des Abgasnachbehandlungssystems;
    • 2 den räumlichen Temperaturverlauf über die Lauflänge eines elektrisch beheizbaren Katalysatorsw in einem solchen Abgasnachbehandlungssystem; und
    • 3 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum energieeffizienten Aufheizen eines Abgasnachbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor.
  • 1 zeigt die schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 10 mit einem Luftversorgungssystem 20 und einer Abgasanlage 40. Der Verbrennungsmotor 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein direkteinspritzender Dieselmotor und weist mehrere Brennräume 12 auf. An den Brennräumen 12 ist jeweils ein Kraftstoffinjektor 14 zur Einspritzung eines Kraftstoffes in den jeweiligen Brennraum 12 angeordnet. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Einlass 16 mit einem Luftversorgungssystem 20 und mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 40 verbunden. Der Verbrennungsmotor 10 umfasst ferner eine HochdruckAbgasrückführung 34 mit einer Abgasrückführungsleitung 36 und einem Hochdruck-Abgasrückführungsventil 38, über welches ein Abgas des Verbrennungsmotors 10 von dem Auslass 18 zum Einlass 16 zurückgeführt werden kann. An den Brennräumen 12 sind Einlassventile und Auslassventile angeordnet, mit welchen eine fluidische Verbindung vom Luftversorgungssystem 20 zu den Brennräumen 12 oder von den Brennräumen 12 zur Abgasanlage 40 geöffnet oder verschlossen werden kann.
  • Das Luftversorgungssystem 20 umfasst einen Ansaugkanal 24, in welchem in Strömungsrichtung von Frischluft durch den Ansaugkanal 24 ein Luftfilter 22, stromabwärts des Luftfilters 22 ein Luftmassenmesser, insbesondere ein Heißfilmluftmassenmesser, stromabwärts des Luftmassenmessers ein Verdichter 28 eines Abgasturboladers 26, stromabwärts des Verdichters 26 ein Ladeluftkühler 32 angeordnet sind. Dabei kann der Luftmassenmesser auch in einem Filtergehäuse des Luftfilters 22 angeordnet sein, sodass der Luftfilter 22 und der Luftmassenmesser eine Baugruppe ausbildet. Ferner ist in dem Luftversorgungssystem 20 ein erster Drucksensor 30 angeordnet, mit welchem der Druck der den Brennräumen 12 des Verbrennungsmotors 10 zugeführten Frischluft gemessen werden kann.
  • Die Abgasanlage 40 umfasst einen Abgaskanal 42, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 42 eine Turbine 44 des Abgasturboladers 26 angeordnet ist, welche den Verdichter 28 im Luftversorgungssystem 20 über eine Welle antreibt. Der Abgasturbolader 26 ist vorzugsweise als Abgasturbolader 26 mit variabler Turbinengeometrie ausgeführt. Dazu sind einem Turbinenrad der Turbine 44 verstellbare Leitschaufeln vorgeschaltet, über welche die Anströmung des Abgases auf die Schaufeln der Turbine 44 variiert werden kann. Stromabwärts der Turbine 44 sind mehrere Abgasnachbehandlungskomponenten 48, 56, 60, 64 vorgesehen. Dabei ist unmittelbar stromabwärts der Turbine 44 als erste Komponente der Abgasnachbehandlung ein elektrisch beheizbarer Katalysator 48, 62, insbesondere ein Oxidationskatalysator 48 oder ein NOx-Speicherkatalysator 62 angeordnet. Dem elektrisch beheizbaren Katalysator 48, 62 ist ein elektrisches Heizelement 46, vorzugsweise in Form einer elektrischen Heizscheibe vorgeschaltet. Stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 48, 62 ist ein Partikelfilter 56 mit einer Beschichtung 64 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 52 ist ein weiterer SCR-Katalysator 58 angeordnet. Dem weiteren SCR-Katalysator 58 ist ein Sperrkatalysator 60 nachgeschaltet, um einen unerwünschten Austritt von Ammoniak zu vermeiden.
  • Stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 48, 62 und stromaufwärts des Partikelfilters 56 mit der SCR-Beschichtung 64 ist ein Dosierelement 50 zum Eindosieren eines Reduktionsmittels 54, insbesondere von wässriger Harnstofflösung, angeordnet. Das Dosierelement 50 ist über eine Reduktionsmittelleitung 68 mit einem Vorratsbehälter 52 verbunden, in welchem das Reduktionmittel 54 bevorratet ist.
  • Die Abgasanlage 40 weist ferner einen zweiten Drucksensor 66 auf, welcher stromabwärts des Auslasses 18 und stromaufwärts der Turbine 44 des Abgasturboladers 26 angeordnet ist. Ferner können in der Abgasanlage 40 weitere Sensoren, insbesondere ein Partikelsensor, ein NOx-Sensor oder ein Temperatursensor angeordnet sein.
  • Der Verbrennungsmotor 10 steht mit einem Steuergerät 70 in Verbindung, über welches die Einspritzmenge und der Einspritzzeitpunkt für die Kraftstoffeinspritzung geregelt werden können. Das Steuergerät 70 ist mit dem Dosierelement 50 verbunden, um eine Eindosierung des Reduktionsmittels 54 steuern zu können. Ferner kann über das Steuergerät 70 die elektrische Heizleistung des elektrischen Heizelements 46 gesteuert werden.
  • In 2 ist der zeitliche Temperaturverlauf in dem elektrisch beheizbaren Katalysator 48, 62 über die Abgaslauflänge des Katalysators 48, 62 nach einem Start des Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Dabei erreichen die in Strömungsrichtung vorderen Zonen des Katalysators 48, 62 schneller ihre Light-Off-Temperatur TLO1 , als die hinteren Zonen des Katalysators 48, 62. Während die vorderen Zonen durch das elektrisch Heizelement 46 bereits nach etwa 20 Sekunden ihre Light-Off-Temperatur TLO1 erreicht haben, benötigen die hinteren Zonen etwa 50 Sekunden, bis der Katalysator 48, 62 vollständig auf eine Temperatur oberhalb der Light-Off-Temperatur TLO1 , aufgeheizt ist. Während in den vorderen Zonen also schon eine Konvertierung von unverbrannten Abgaskomponenten möglich ist, können diese in den hinteren Zonen noch nicht konvertiert werden. Somit ergibt sich eine zeitliche Abhängigkeit der Konvertierungsleitung von der Abgaslauflänge durch den elektrisch beheizbaren Katalysator 48, 62.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, ein elektrisches Beheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators 48, 62 mit einem chemischen Beheizen zu kombinieren. Dabei wird das chemische Beheizen des Katalysators 48, 62 bevorzugt, da hierbei die Wärme unmittelbar auf der katalytisch wirksamen Oberfläche des Katalysators 48, 62 freigesetzt wird und somit ein besonders effizientes Aufheizen des Katalysators 48, 62 ermöglicht. Die Regelung des chemischen Beheizens des Katalysators 48, 62 erfolgt über die Eingangsparameter der durchwärmten Katalysatorlauflänge L, also der Länge des Katalysators in Strömungsrichtung, welche bereits ihre Light-Off-Temperatur TLO1 erreicht hat und der Raumgeschwindigkeit vKAT , also der Geschwindigkeit, mit welcher der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 den Katalysator 48, 62 durchströmt. Die Führungsgröße dieser Regelung ist der Heizleistungsbedarf, um das Abgasnachbehandlungssystem zu durchwärmen und sämtliche Abgasnachbehandlungskomponenten 48, 56, 58, 60, 62, 64 zumindest auf ihre jeweilige Light-Off-Temperatur TLO1 , TLO2 , TLO3 zu erwärmen. Dieser Heizleistungsbedarf ergibt sich aus der aktuellen Temperatur der Abgasnachbehandlungskomponente 56, 58, 64 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere dem Partikelfilter 56 mit der SCR-Beschichtung 64 sowie gegebenenfalls dem durchströmenden Abgasmassenstrom und dessen Temperatur TEG stromaufwärts des Partikelfilters 56. Abhängig von der durchwärmten Länge des elektrisch beheizbaren Katalysators 48, 62 kann Raumgeschwindigkeits-abhängig eine maximal katalytisch umsetzbare Kraftstoffmenge und deren Heizleistung errechnet werden. Die Heizleistung des elektrischen Heizelements 46 kann reduziert werden, wenn die katalytische Heizung schon wesentliche Anteile des gesamten Heizleistungsbedarfs sicherstellen kann.
  • In 3 ist ein Ablaufdiagramm zu einem solchen Verfahren zum Aufheizen eines Abgasnachbehandlungssystems dargestellt. In einem Verfahrensschritt <100> wird eine erste Abgastemperatur TEG1 stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 48, 62 und eine zweite Abgastemperatur TEG2 stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 48, 62 mit einem Temperatursensor gemessen oder modelliert. Aus der Abgastemperatur TEG1 wird in einem Verfahrensschritt <110> eine Temperatur TKAT im elektrisch beheizbaren Katalysator 48, 62 modelliert oder die Katalysatortemperatur TKAT gemessen. In einem Verfahrensschritt <115> wird berechnet, welche Katalysatorlauflänge L bereits auf eine Temperatur oberhalb eines Schwellenwertes, insbesondere oberhalb der Light-Off-Temperatur TLO1 , aufgeheizt ist. Parallel wird in einem Verfahrensschritt <120> der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 gemessen oder modelliert. Auf Basis der Katalysatortemperatur TKAT und des Abgasstroms wird in einem Verfahrensschritt <125> die maximal katalytisch durch den Katalysator 48, 62 umsetzbare Kraftstoffmenge ermittelt. In einem Verfahrensschritt <128> wird aus dieser Kraftstoffmenge eine Heizleistung berechnet, mit welcher der Katalysator 48, 62 aufgeheizt werden kann. In einem parallelen Verfahrensschritt <130> wird die Temperatur TSCR einer Abgasnachbehandlungskomponente 56, 58, 64 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere die Temperatur eines Partikelfilters 56 mit einer SCR-Beschichtung 64 gemessen oder berechnet. In einem Verfahrensschritt <135> wird aus dem ermittelten Abgasstrom und der Temperatur TSCR der Abgasnachbehandlungskomponente 56, 58, 64 ein Heizleistungsbedarf zum Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponente 56, 58, 64 ermittelt. In einem Verfahrensschritt <140> wird aus dem ermittelten Heizleistungsbedarf und der Heizleistung durch die katalytische Umsetzung des Kraftstoffs auf dem elektrisch beheizbaren Katalysator 48, 62 eine Heizleistungsanforderung an das elektrische Heizelement 46 berechnet.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Verbrennungsmotor
    12
    Brennraum
    14
    Kraftstoffinjektor
    16
    Einlass
    18
    Auslass
    20
    Luftversorgungssystem
    22
    Luftfilter
    24
    Ansaugkanal
    26
    Abgasturbolader
    28
    Verdichter
    30
    erster Drucksensor
    32
    Ladeluftkühler
    34
    Hochdruckabgasrückführung
    36
    Abgasrückführungsleitung
    38
    Abgasrückführungsventil
    40
    Abgasanlage
    42
    Abgaskanal
    44
    Turbine
    46
    elektrisches Heizelement
    48
    Oxidationskatalysator
    50
    Dosierelement
    52
    Vorratsbehälter
    54
    Reduktionsmittel
    56
    Partikelfilter
    58
    SCR-Katalysator
    60
    Sperrkatalysator
    62
    NOx-Speicherkatalysator
    64
    SCR-Beschichtung
    66
    zweiter Drucksensor
    68
    Reduktionsmittelleitung
    70
    Steuergerät
    T
    Temperatur
    TEG
    Abgastemperatur
    TLO1
    Light-Off-Temperatur des elektrisch beheizbaren Katalysators
    TLO2
    Light-Off-Temperatur des Partikelfilters
    TLO3
    Light-Off-Temperatur des SCR-Katalysators
    TKAT
    Temperatur des elektrisch beheizbaren Katalysators
    TSCR
    Temperatur der Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven katalytischen Reduktion
    L
    Abgaslauflänge im elektrisch beheizbaren Katalysator
    vKAT
    Raumgeschwindigkeit des elektrisch beheizbaren Katalysators

Claims (14)

  1. Verfahren zum Aufheizen eines Abgasnachbehandlungssystems eines Verbrennungsmotors (10) mit mindestens einem Brennraum (12) sowie einem Kraftstoffinjektor (14) zur Einspritzung eines Kraftstoffes in den Brennraum (12), wobei der Verbrennungsmotor (10) auslassseitig mit einer Abgasanlage (20) verbunden ist, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors (10) ein elektrisch beheizbarer, HC-/CO-konvertierungsfähiger Katalysator, insbesondere ein Oxidationskatalysator (48) oder ein elektrisch beheizbarer NOx-Speicherkatalysator (62) und stromabwärts des Oxidationskatalysators (48) oder des NOx-Speicherkatalysators (62) eine Abgasnachbehandlungskomponente (56, 58, 64) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet sind, welches folgende Schritte umfasst: - Ermitteln einer Abgastemperatur TEG stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators (48, 62) und stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente (56, 58, 64) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, - Ermitteln einer Temperatur TKAT des elektrisch beheizbaren Katalysators (48, 62), - Vergleichen der ermittelten Temperatur TKAT mit einer Light-Off-Temperatur (TLO1) für den elektrisch beheizbaren Katalysator (48, 62), wobei anhand der Temperatur TKAT das maximale Potenzial für ein chemisches Aufheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators (48, 62) durch eine exotherme Umsetzung von unverbrannten Kraftstoffkomponenten bestimmt wird, wobei - die Heizleistung des elektrisch beheizbaren Katalysators (48, 62) in Abhängigkeit von dem Potenzial für ein chemisches Aufheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators (48, 62) angepasst wird, und wobei - ermittelt wird, über welche Lauflänge (L) der elektrisch beheizbare Katalysator (48, 62) bereits seine Light-Off-Temperatur (TLO1) erreicht hat, und in Abhängigkeit der Lauflänge (L) das Potenzial zum chemischen Beheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators (48, 62) bestimmt wird.
  2. Verfahren zum Aufheizen eines Abgasnachbehandlungssystems nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der durchwärmten Lauflänge des elektrisch beheizbaren Katalysators (48, 62) die Kraftstoffmenge und/oder der Einspritzzeitpunkt für die Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum (12) des Verbrennungsmotors (10) angepasst wird.
  3. Verfahren zum Aufheizen eines Abgasnachbehandlungssystems nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die maximal mögliche Nacheinspritzmenge zum chemischen Beheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators (48, 62) ermittelt wird.
  4. Verfahren zum Aufheizen eines Abgasnachbehandlungssystems nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Heizleistung aus der Nacheinspritzmenge berechnet wird.
  5. Verfahren zum Aufheizen eines Abgasnachbehandlungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Heizleistung aus der exothermen Reaktion auf dem elektrisch beheizbaren Katalysator (48, 62) berechnet wird und anhand der berechneten chemischen Heizleistung die benötigte elektrische Heizleitung des elektrischen Heizelements (46) berechnet wird.
  6. Verfahren zum Aufheizen eines Abgasnachbehandlungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasmassenstrom des Verbrennungsmotors (10) modelliert oder berechnet wird.
  7. Verfahren zum Aufheizen eines Abgasnachbehandlungssystems nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Abgasmassenstrom ein Energieeintrag in den elektrisch beheizbaren Katalysator (48, 62) berechnet wird.
  8. Verfahren zum Aufheizen eines Abgasnachbehandlungssystems nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem ermittelten Abgasmassenstrom eine maximal mögliche Nacheinspritzmenge zur Kraftstoffeinspritzung in die Brennräume (12) des Verbrennungsmotors (10) berechnet wird.
  9. Verfahren zum Aufheizen eines Abgasnachbehandlungssystems nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Abgasmassenstrom ein Heizleistungsbedarf zum Aufheizen des Abgasnachbehandlungssystems ermittelt wird.
  10. Verfahren zum Aufheizen eines Abgasnachbehandlungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur TSCR der Abgasnachbehandlungskomponente (56, 58, 64) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ermittelt wird.
  11. Verfahren zum Aufheizen eines Abgasnachbehandlungssystems nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizleistungsbedarf zum Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden (56, 58, 64) auf ihre Light-Off-Temperatur (TLO2, TLO3) ermittelt wird.
  12. Verfahren zum Aufheizen eines Abgasnachbehandlungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleistung des chemischen Beheizens des elektrisch beheizbaren Katalysators (48, 62) über die durchgewärmte Katalysatorlauflänge (L) und die Raumgeschwindigkeit (vKAT) geregelt wird.
  13. Verfahren zum Aufheizen eines Abgasnachbehandlungssystems nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizleistung des elektrischen Heizelements (46) reduziert wird, sobald ein schnelleres und/oder energieeffizienteres Heizverfahren zur Verfügung steht.
  14. Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor (10) mit mindestens einem Brennraum (12), wobei das Abgasnachbehandlungssystem mit einem Auslass (18) des Verbrennungsmotors (10) verbindbar ist, umfassend eine Abgasanlage (20), in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors (10) ein elektrisch beheizbarer Oxidationskatalysator (48) oder ein elektrisch beheizbarer NOx-Speicherkatalysator (62) und stromabwärts des Oxidationskatalysators (48) oder des NOx-Speicherkatalysators (62) eine Abgasnachbehandlungskomponente (56, 58, 64) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet ist, sowie mit einem Steuergerät (70), welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Steuergerät (70) ausgeführt wird.
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