DE102019120236A1 - Verfahren zum Betreiben einer selbstzündenden Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer selbstzündenden Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit einem Fahrerassistenzsystem, wobei die Brennkraftmaschine in einem Abgasstrang eine erste Abgasreinigungsvorrichtung, eine zweite Abgasreinigungsvorrichtung und eine dritte, der ersten und der zweiten Abgasreinigungsvorrichtung nachgeschaltete Abgasreinigungsvorrichtung aufweist, wobei die erste Abgasreinigungsvorrichtung eine niedrigere light off Temperatur aufweist als die dritte Abgasreinigungsvorrichtung und wobei die erste und die zweite Abgasreinigungsvorrichtung von einem Steuergerät gesteuert entweder wechselseitig oder gleichzeitig betreibbar sind, wobei das Fahrerassistenzsystem mit dem Steuergerät kommuniziert und das Fahrerassistenzsystem einen geplanten Fahrzyklus des Kraftfahrzeuges zumindest abschnittsweise kennt, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte, wenn dem Steuergerät ein Ende des Fahrzyklus bekannt ist:- Ständiges Durchströmen der ersten Abgasreinigungsvorrichtung über der light off Temperatur hinaus und der dritten Abgasreinigungsvorrichtung mit Abgas,- Regenerieren der ersten Abgasreinigungsvorrichtung nach Überschreitung eines Grenzwertes, wenn gewährleistet ist, dass eine Regeneration vor einem Ende desFahrzyklus vollständig durchgeführt werden kann,- Durchströmen der zweiten Abgasreinigungsanlage und der dritten- Abgasreinigungsanlage bis zum Ende des Fahrzyklus.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer selbstzündenden Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Zum technischen Umfeld wird beispielsweise auf die deutsche Patentanmeldung DE 10 2018 216 655 hingewiesen. Aus dieser Patentanmeldung sind eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben der Abgasanlage bekannt. Aus dieser Offenlegungsschrift ist eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine bekannt, bestehend zumindest aus einem Abgaskrümmer, der abgasführend mit einem Abgasstrang verbunden ist, in dem ein von einem Abgas der Brennkraftmaschine durchflutbarer erster Abgasturbolader angeordnet ist. Das Abgas durchflutet zuerst den Abgaskrümmer und anschließend den ersten Abgasturbolader, wobei der Abgasstrang in Strömungsrichtung des Abgases nach dem ersten Abgasturbolader in eine erste Flut mit einem ersten Verschlusselement und in eine zweite Flut mit einem zweiten Verschlusselement aufgetrennt wird. In der ersten Flut ist in Strömungsrichtung des Abgases nach dem ersten Verschlusselement eine erste Abgasreinigungsanlage und in der zweiten Flut in Strömungsrichtung des Abgases nach dem zweiten Verschlusselement eine zweite Abgasreinigungsanlage angeordnet. Die erste Flut und die zweite Flut sind wechselweise von dem ersten Verschlusselement und dem zweiten Verschlusselement verschließbar.
  • Ebenso sind aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2018 216 656 eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben der Abgasanlage bekannt. Das Verfahren weist folgende Verfahrensschritte nach einem Abstellen der Brennkraftmaschine auf:
    • - Schließen der ersten Flut mit dem ersten Verschlusselement und Öffnen der zweiten Flut mit dem zweiten Verschlusselement,
    • - Starten der Brennkraftmaschine,
    • - Betreiben der Brennkraftmaschine bis die zweite Abgasreinigungsanlage ihre Betriebstemperatur erreicht hat,
    • - Betreiben der Brennkraftmaschine mit einem fetten und/oder heißen Abgas, bis die erste Abgasreinigungsanlage bezüglich Stickoxide regeneriert ist,
    • - Austragen der dabei in der Abgasreinigungsanlage freigesetzten exothermen Energie zur weiteren Aufheizung der zweiten Abgasreinigungsanlage,
    • - Öffnen der ersten Flut mit dem ersten Verschlusselement und Schließen der zweiten Flut mit dem zweiten Verschlusselement.
  • Dieses Verfahren ist für eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine vorgesehen, bestehend zumindest aus einem Abgaskrümmer, der abgasführend mit einem Abgasstrang verbunden ist, in dem ein von einem Abgas der Brennkraftmaschine durchflutbarer erster Abgasturbolader angeordnet ist. Das Abgas durchflutet zuerst den Abgaskrümmer und anschließend den ersten Abgasturbolader und wobei der Abgasstrang zwischen dem Abgaskrümmer und dem ersten Abgasturbolader aus einer ersten Flut und einer zweiten Flut gebildet ist und in der zweiten Flut eine erste Abgasreinigungsanlage angeordnet ist und die erste Flut von einem ersten Verschlusselement verschließbar ist, wobei die zweite Flut von einem zweiten Verschlusselement wechselweise verschließbar ist.
  • NOx-Speicherkatalysatoren (Ein NOx Storage Catalyst = NSC, erfordert zur Regeneration fettes Abgas) und passive NOx-Speicherkatalysatoren (Ein passiver NOx Absorber = PNA, wird ohne fettes Abgas thermisch regeneriert) sind im Stand der Technik bekannt. Beide Varianten speichern Stickoxide (NOx) bis zum Erreichen ihrer Speicherkapazität ein, wobei die Einspeicher-Effizienz unter anderem von der eingespeicherten NOx-Menge, der Abgastemperatur und dem Abgasmassenstrom und dem Alterungszustand des Katalysators abhängen. Neben vielen Vorteilen haben diese Katalysatoren, unabhängig von ihrer Einbaulage (brennkraftmaschinennah oder -fern) und von nachgeschalteten Abgasnachbehandlungskomponenten (Diesel-Partikelfilter (DPF), SCR-Katalysator (Selektive Catalytic Reduction-Katalysator)), usw. einen Nachteil: Ihre Performance zu Beginn eines Fahrzyklus hängt entscheidend von der NOx-Beladung zu Testbeginn und damit von der Vorgeschichte ab. Dieser immanente Nachteil kommt insbesondere unter den zukünftigen RDE-Randbedingungen zum Tragen, da im Gegensatz zu Testzyklen am Rollenprüfstand alle Fahrzustände zufällig eintreten.
  • NSC und PNA erfordern für die Regeneration bestimmte Randbedingungen der Brennkraftmaschine: Beide können nicht unter allen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine und nicht in beliebig kurzer Zeit erzeugt werden. Eine sichere Regeneration unmittelbar vor oder nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine ist somit nicht gewährleistet.
  • Endet ein Fahrzyklus diesbezüglich unter ungünstigen Umständen, so werden diese Katalysatoren unweigerlich mit einer gewissen NOx-Beladung abgestellt. Die Software im Steuergerät kann ohne Zuhilfenahme weiterer Informationen nicht wissen, wann der Fahrzyklus endet, daher können die Katalysatoren nicht mit Sicherheit präventiv vor dem Abstellen der Brennkraftmaschine von dem eingelagerten NOx geleert werden. Weiterhin ist es technisch nicht sinnvoll, den Füllstand der Katalysatoren permanent sehr niedrig zu halten, denn das würde erheblichen Kraftstoffmehrverbrauch bedeuten. Wird der Nachfolgezyklus mit hoher NOx-Beladung begonnen und müssen die Abgastemperaturen angehoben werden, damit die nachgeschalteten Abgasnachbehandlungskomponenten auf Betriebstemperatur gebracht werden, so besteht die Gefahr, dass das vorher eingespeicherte NOx desorbiert, bevor es umgesetzt werden kann.
  • Abhilfe schaffen hierbei die eingangs erwähnten Abgasanlagen mit den dazugehörigen Betriebsverfahren. Jedoch ist es nicht möglich, die Abgasnachbehandlungskomponenten bei jedem Start der Brennkraftmaschine frei von eingelagertem NOx darzustellen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Möglichkeit aufzuzeigen, wie für jeden neuen Start der Brennkraftmaschine unbeladene Abgasnachbehandlungskomponenten dargestellt werden können.
  • Diese Aufgabe wird durch die Verfahrensschritte gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Die erste Abgasreinigungsanlage, ein NOx-Speicherkatalysator, wird ab dem Start der Brennkraftmaschine mit Abgas durchströmt und speichert NOx aus dem Abgas ein. Dies wird so lange durchgeführt, bis die nachgeschalteten Abgasnachbehandlungskomponenten auf Betriebstemperatur sind, dann erfolgt eine Regeneration der ersten Abgasreinigungsanlage (mit fettem Abgas oder Anhebung der Abgastemperatur). Danach wird die erste Abgasreinigungsanlage für die gesamte restliche Dauer des Fahrbetriebes in einen Bypass-Modus geschalten, das heißt nicht mehr von Abgas durchströmt. Dazu wird die Strömungsführung des Abgases durch Klappen und/oder Ventile entsprechend umgeleitet. Unter Nutzung der Applikationsdaten des Fahrzeuges (Zieleingabe durch Nutzer oder Fahrprofilerkennung, z. B. täglicher Weg zur Arbeit) ergibt sich noch eine weitere Verbesserung: Der NOx-Speicherkatalysator kann nicht nur einmalig, sondern zyklisch benutzt und vor Erreichen des Fahrzieles regeneriert werden.
  • Wird das Fahrzeug in einem niederlastigen Fahrzyklus betrieben, der länger als die Aufheiz- und Regenerationsphasen, d. h. länger als ca. 5 bis 10 Minuten dauert (ein Großteil der Fahrten in größeren Städten während der üblichen Stoßzeiten vor und nach der Arbeit, Stau, usw.), so wird nach dem Wegschalten des NOx-Speicherkatalysators nur mehr die im Vollstrom sitzende zweite Abgasreinigungsanlage, vorzugsweise ein Oxidationskatalysator (ohne NOx-Speicher- und ohne NOx-Umsatz) durchströmt und die nachgeschaltete dritte Abgasreinigungsanlage, bevorzugt ein SCR-Katalysator, muss die komplette Stickoxidkonvertierung leisten. Dazu muss dieser auf deutlich über 200°C gehalten werden, um auch aus diesen tiefen Temperaturen starke Beschleunigungen gut umsetzen zu können. Da die Abgastemperaturen im anhaltenden Stadtbetrieb (nach den erwähnten 5 bis 10 Minuten) deutlich tiefer liegen, bleibt permanentes Heizen der Abgasreinigungsanlagen als Maßnahme übrig und das kostet Kraftstoffverbrauch und CO2.
  • Weiß man allerdings, wie lange die Stadtfahrt dauert und wo/wann sie endet (durch Eingabe in ein Fahrerassistenzsystem, wie einem Navigationssystem), so kann die erste Abgasreinigungsanlage, der so genannte HUC (Heat-up-Catayst), vorzugsweise ein NOx-Speicherkatalysator weiterhin genutzt werden, ohne Gefahr zu laufen, dass dieser mit hohem NOx-Füllstand abgestellt und im nächsten Fahrzyklus mit geringer Wirksamkeit zur Verfügung steht. Rechtzeitig vor dem Erreichen des Zieles wird somit erfindungsgemäß der NOx-Speicher regeneriert, in den Bypass geschalten und für den nächsten Warmlauf ohne NOx-Beladung vorgehalten.
  • Eine weitere Variante ergibt sich, wenn die aktuelle Route nicht in das Navigationssystem eingegeben wurde. In diesem Fall greift man auf die Daten der Routen-Prognose zurück, das Fahrzeug lernt die gefahrenen Strecken, deren Häufigkeit, Wochentage usw. Damit kann der Einsatz des NOx-Speichers wieder optimal auf die aktuelle Route angepasst werden.
  • In einer weiteren Variante greift man auf ADASIS-Daten zurück, die jede Route in Abschnitte zerlegt und deren Parameter wie die Länge, Steigung, Geschwindigkeitsbegrenzung usw. liefert (ebenfalls Stand der Technik). Anhand dieser Daten ist das System in der Lage, die Regenerierbarkeit des NOx-Speicherkatalysators, die NOx-Emissionen dieses Teilstücks usw. abzuschätzen und die Regenerationen optimal zu timen.
  • ADASIS:
  • Im ADASIS-Forum (Advanced Driver Assistence Systems Interface Specifications) arbeiten Vertreter der Automobilindustrie an der Weiterentwicklung einer standardisierten Schnittstelle (ADASIS-v2-Standard) für den Zugriff auf prädiktive Streckendaten. Ziel ist es, die Entwicklung und den Einsatz von kartenbasierten, vorausschauenden Fahrerassistenzsystemen zu vereinfachen. Weitere Informationen über ADASIS finden sich im Internet beispielsweise unter: http://adasis.org/.
  • Im Folgenden ist die Erfindung anhand von zwei Figuren kurz erläutert.
    • 1 zeigt schematisch einen ersten Aufbau einer Brennkraftmaschine zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren.
    • 2 zeigt schematisch einen zweiten Aufbau einer Brennkraftmaschine zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren.
  • 1 zeigt schematisch einen ersten Aufbau einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren. 1 zeigt eine schematisch dargestellte Brennkraftmaschine mit sechs Zylindern, die durch Kreise angedeutet sind. Eine Ansaugluft wird in einem Ansaugstrang 7 zuerst durch einen Verdichter 6' eines Abgasturboladers 6 gefördert. Nach dem Verdichter 6' wird die Luft in einem Ladeluftkühler 8 heruntergekühlt, und durchströmt anschließend eine Drosselklappe 9, bevor sie durch einen nicht bezifferten Sammler auf die Zylinder aufgeteilt wird.
  • Ein Abgas der Brennkraftmaschine 1, vorzugsweise eine Dieselbrennkraftmaschine, strömt durch einen nicht bezifferten Abgaskrümmer in einen Abgastrakt 2. Dort durchströmt das Abgas zuerst eine Turbine 6" des Abgasturboladers 6 bevor es durch ein Umschaltventil 11 gefördert wird. Mit dem Umschaltventil 11 erfolgt eine Aufteilung entweder auf eine erste Abgasreinigungsanlage 3 oder eine zweite Abgasreinigungsanlage 4. Bei der ersten Abgasreinigungsanlage 3 handelt es sich um einen so genannten HUC (Heat-up-Catalyst), bevorzugt ein Stickoxidspeicherkatalysator, bei der zweiten Abgasreinigungsanlage handelt es sich bevorzugt um einen DOC (Dieseloxidationskatalysator) oder einen NSC (einen Stickoxidspeicherkatalysator). Nach der ersten Abgasreinigungsanlage 3 und der zweiten Abgasreinigungsanlage 4 werden die Abgase wieder durch den Abgasstrang 2 geführt. Anschließend durchströmt das Abgas eine dritte Abgasreinigungsanlage 5, bevorzugt ein SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction) oder ein SCRF-Katalysator (Selective Catalytic Reduction mit Filterwirkung). Vor der dritten Abgasreinigungsanlage 5 ist eine Reduktionsmitteleindüsvorrichtung 10 für den SCR-Katalysator vorgesehen. Anschließend verlässt das Abgas die Abgasanlage 2 in die Umgebung. Die Abgasanlage 2 kann in anderen Ausführungsbeispielen auch noch weitere, nicht dargestellte Komponenten beinhalten.
  • Nicht dargestellt sind ein Fahrerassistenzsystem sowie ein Steuergerät für die Brennkraftmaschine 1 und das Kraftfahrzeug. Das Fahrerassistenzsystem, bspw. ein Navigationsgerät, ist in der Lage, mit dem Steuergerät zu kommunizieren, sodass ein eingegebenes Ziel in das Navigationssystem von dem Steuergerät erkannt wird.
  • Mit dieser Konfiguration ist es nun möglich, folgende Verfahrensschritte durchzuführen, wenn dem Steuergerät ein Ende des Fahrzyklus bekannt ist:
    • - Ständiges Durchströmen der ersten Abgasreinigungsvorrichtung 3 über der light off Temperatur hinaus und der dritten Abgasreinigungsvorrichtung 5 mit Abgas,
    • - Regenerieren der ersten Abgasreinigungsvorrichtung 3 nach Überschreiten eines Grenzwertes, wenn gewährleistet ist, dass eine Regeneration vor einem Ende des Fahrzyklus vollständig durchgeführt werden kann,
    • - Durchströmen der zweiten Abgasreinigungsanlage 4 und der dritten Abgasreinigungsanlage 5 bis zum Ende des Fahrzyklus.
  • Weiter können folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden, wenn dem Steuergerät kein Ende des Fahrzyklus bekannt ist oder wenn die Regeneration der ersten Abgasreinigungsvorrichtung 3 vor dem Ende des Fahrzyklus nicht mehr vollständig durchgeführt werden kann:
    • - Durchströmen der ersten Abgasreinigungsvorrichtung 3 und der dritten Abgasreinigungsvorrichtung 5 mit Abgas, bis die dritte Abgasreinigungsvorrichtung 5 ihre light off Temperatur erreicht hat,
    • - Regenerieren der ersten Abgasreinigungsvorrichtung 3 und
    • - keine weitere Beaufschlagung der ersten Abgasreinigungsvorrichtung 3 mit Abgas,
    • - Durchströmen der zweiten Abgasreinigungsanlage 4 und der dritten Abgasreinigungsanlage 5 mit Abgas bis zum Ende des Fahrzyklus.
  • Wie bereits erwähnt wird vorzugsweise das Ende des Fahrzyklus dem Steuergerät von dem Fahrerassistenzsystem wie bspw. einem Navigationssystem, oder ein Advanced Driver Assistence System (ADASIS) zur Verfügung gestellt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass das Ende des Fahrzyklus durch einen Algorithmus zur Bestimmung des Fahrzyklus anhand vergangener Fahrzyklen ermittelt wird.
  • 2 zeigt schematisch einen zweiten Aufbau einer Brennkraftmaschine zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren. 2 unterscheidet sich von 1 dadurch, dass die erste Abgasreinigungsvorrichtung 3 in Strömungsrichtung des Abgases vor der Turbine 6" des Abgasturboladers 6 angeordnet ist. Auch bei dieser Konfiguration können die erfindungsgemäßen Verfahren zum Einsatz kommen.
  • Somit ist erfindungsgemäß gewährleistet, dass die Startbeladung des NOx-Speicherkatalysators zu Beginn eines jeden Fahrzyklus immer leer ist. Der NOx-Speicherkatalysator wird nach der Warmlaufphase oder ausreichend lange vor dem Ende der Fahrt geleert und auch dann nicht mehr durchströmt, somit wird für den nächsten, kritischen Kaltstart und die Warmlaufphase ein leerer NOx-Speicherkatalysator vorgehalten.
  • Bezugszeichenliste
    • 1.
    Brennkraftmaschine
    2.
    Abgasstrang
    3.
    erste Abgasreinigungsvorrichtung
    4.
    zweite Abgasreinigungsvorrichtung
    5.
    dritte Abgasreinigungsvorrichtung
    6.
    Abgasturbolader
    6'
    Verdichter
    6"
    Turbine
    7.
    Ansaugstrang
    8.
    Ladeluftkühler
    9.
    Drosselklappe
    10.
    Reduktionsmitteleindüsung
    11.
    Umschaltventil
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102018216655 [0002]
    • DE 102018216656 [0003]

Claims (4)

  1. Verfahren zum Betreiben einer selbstzündenden Brennkraftmaschine (1) für ein Kraftfahrzeug mit einem Fahrerassistenzsystem, wobei die Brennkraftmaschine (1) in einem Abgasstrang (2) eine erste Abgasreinigungsvorrichtung (3), eine zweite Abgasreinigungsvorrichtung (4) und eine dritte, der ersten und der zweiten Abgasreinigungsvorrichtung (3, 4) nachgeschaltete Abgasreinigungsvorrichtung (5) aufweist, wobei die erste Abgasreinigungsvorrichtung (3) eine niedrigere light off Temperatur aufweist als die dritte Abgasreinigungsvorrichtung (5) und wobei die erste und die zweite Abgasreinigungsvorrichtung (3, 4) von einem Steuergerät gesteuert entweder wechselseitig oder gleichzeitig betreibbar sind, wobei das Fahrerassistenzsystem mit dem Steuergerät kommuniziert und das Fahrerassistenzsystem einen geplanten Fahrzyklus des Kraftfahrzeuges zumindest abschnittsweise kennt, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte, wenn dem Steuergerät ein Ende des Fahrzyklus bekannt ist: - Ständiges Durchströmen der ersten Abgasreinigungsvorrichtung (3) über der light off Temperatur hinaus und der dritten Abgasreinigungsvorrichtung (5) mit Abgas, - Regenerieren der ersten Abgasreinigungsvorrichtung (3) nach Überschreitung eines Grenzwertes, wenn gewährleistet ist, dass eine Regeneration vor einem Ende des Fahrzyklus vollständig durchgeführt werden kann, - Durchströmen der zweiten Abgasreinigungsanlage (4) und der dritten Abgasreinigungsanlage (5) bis zum Ende des Fahrzyklus.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte, wenn dem Steuergerät kein Ende des Fahrzyklus bekannt ist oder wenn eine Regeneration der ersten Abgasreinigungsvorrichtung (3) vor dem Ende des Fahrzyklus nicht mehr vollständig durchgeführt werden kann: - Durchströmen der ersten Abgasreinigungsvorrichtung (3) und der dritten Abgasreinigungsvorrichtung (5) mit Abgas, bis die dritte Abgasreinigungsvorrichtung (5) ihre light off Temperatur erreicht hat, - Regenerieren der ersten Abgasreinigungsvorrichtung (3) und - keine weitere Beaufschlagung der ersten Abgasreinigungsvorrichtung (3) mit Abgas, - Durchströmen der zweiten Abgasreinigungsanlage (4) und der dritten Abgasreinigungsanlage (5) mit Abgas bis zum Ende des Fahrzyklus.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende des Fahrzyklus dem Steuergerät von dem Fahrerassistenzsystem oder einem Advanced Driver Assistence System (ADASIS) zur Verfügung gestellt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende des Fahrzyklus durch einen Algorithmus zur Bestimmung des Fahrzyklus anhand vergangener Fahrzyklen ermittelt wird.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102007042448A1 (de) * 2007-09-06 2009-03-12 Continental Automotive Gmbh Abgasreinigungsanlage für die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden und Verfahren zur Abgasreinigung
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