DE102019216779A1 - Verfahren zum Betreiben eines im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten Abgasreinigungssystems und Abgasreinigungssystem - Google Patents

Verfahren zum Betreiben eines im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten Abgasreinigungssystems und Abgasreinigungssystem Download PDF

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Abstract

Es werden ein Verfahren zum Betreiben eines im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten Abgasreinigungssystems und ein Abgasreinigungssystem beschrieben. In dem Verfahren wird eine Kombination von elektrischen Katalysatorheizmaßnahmen mit verbrennungsmotorischen Katalysatorheizmaßnahmen durchgeführt, wodurch ein besonders schnelles und kostengünstiges Aufheizen eines Katalysators (3) erreicht wird. Das entsprechende Abgassystem weist in Abgasströmungsrichtung vorzugsweise zuerst einen Stützkatalysator (1) und dann einen Heizkatalysator (2) auf.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten Abgasreinigungssystems mit einem Heizkatalysator zum Vorheizen eines Katalysators, um diesen vor dem Starten der Brennkraftmaschine auf seine Anspringtemperatur zu bringen.
  • Es ist bekannt, dass im Abgasstrang von Brennkraftmaschinen angeordnete Katalysatoren erst ab einer bestimmten Temperatur, der sogenannten Anspringtemperatur, ihre volle Funktionsfähigkeit erreichen. Unterhalb dieser Temperatur findet daher die gewünschte Umwandlung von Schadstoffen im Abgas nicht in vollem Umfang statt. Um aber auch bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine eine ausreichende Schadstoffumwandlung zu erzielen, ist bekannt, sogenannte Heizkatalysatoren zu verwenden, die elektrisch beheizt werden und vor dem eigentlichen Start der Brennkraftmaschine den zugehörigen Katalysator vorheizen. Der Heizkatalysator wird dabei vor dem eigentlichen Start der Brennkraftmaschine eingeschaltet, beispielsweise 15 sec vor dem Starten der Brennkraftmaschine um die Temperatur des Katalysators über die Anspringtemperatur (light off-Temperatur) zu bringen, die beispielsweise 300°C betragen kann.
  • Um das Aufheizen des Katalysators bei einem Kaltstart zu beschleunigen, ist es dabei bekannt, die Brennkraftmaschine vor dem Starten derselben als Luftpumpe zu betreiben, um einen besonders guten Wärmeübergang des Heizkatalysators auf den Katalysator zu erreichen. Es ist daher bekannt, zusätzlich zum elektrischen Aufheizen ein größeres E-Kat-Volumen mit Hilfe der als Luftpumpe betriebenen Brennkraftmaschine zu erwärmen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, das ein besonders rasches Aufheizen des Abgasreinigungssystems vor dem Start der Brennkraftmaschine ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
    • Elektrisches Beheizen des Heizkatalysators vor dem Start der Brennkraftmaschine;
    • Betreiben der Brennkraftmaschine vor ihrem Start als Luftpumpe;
    • danach Starten der Brennkraftmaschine;
    • wobei der Katalysator vor dem Starten der Brennkraftmaschine über die Anspringtemperatur des Katalysators gebracht wird, indem die Brennkraftmaschine während ihres Luftpumpenbetriebes so gesteuert wird, dass Luft in den Brennraum rückgesaugt und/oder Luft in den Ansaugtrakt ausgeschoben wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden somit elektrische Katalysatorheizmaßnahmen mit verbrennungsmotorischen Katalysatorheizmaßnahmen kombiniert. Hierdurch wird ein besonders schnelles und kostengünstiges Aufheizen des Katalysators erreicht, so dass damit eine Verringerung der ausgestoßenen Schadstoffe, insbesondere von NOx, erzielt wird. Bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine gelingt es, die erforderliche Aufheizzeit des Katalysators zu verkürzen.
  • Erfindungsgemäß gelingt es, vor dem Start der Brennkraftmaschine, beispielsweise vor dem Beginn der Einspritzung, den Katalysator über die Anspringtemperatur, beispielsweise 300°C, zu bringen und eine möglichst hohe Temperatur am Heizkatalysator zu erreichen, wenn beispielsweise die Einspritzung dazugeschaltet wird. Die entsprechende Temperaturerhöhung wird neben dem elektrischen Aufheizen des Heizkatalysators durch zusätzliche Maßnahmen während der Steuerung der Brennkraftmaschine im Luftpumpenbetrieb erreicht. Die elektrische Heizleistung kann auf diese Weise eingeschränkt werden.
  • Die erfindungsgemäß durchgeführten verbrennungsmotorischen Katalysatorheizmaßnahmen betreffen das Rücksaugen der Luft in den Brennraum und/oder das Ausschieben von Luft in den Ansaugtrakt. Diese Maßnahmen werden vorzugsweise dadurch erreicht, dass die Brennkraftmaschine während des Luftpumpenbetriebes so gesteuert wird, dass sich eine erhöhte Ventilüberschneidung zwischen Auslassventilen und Einlassventilen ergibt.
  • Moderne Brennkraftmaschine sind heute mit variablen Ventilsteuerzeiten für die Einlass- und Auslassnockenwellen ausgestattet. Es lässt sich somit eine Ventilüberschneidung während des Katalysatorheizens einstellen. Diese bewirkt eine Abgasrückführung und damit eine raschere Aufheizung während des Kaltheizens. Während des Motorbetriebs ist die Ventilüberschneidung wegen der Laufruhe des Verbrennungsmotors begrenzt.
  • Vor dem Katalysator herrscht annähernd Umgebungsdruck. Im Ansaugrohr wird der Druck über die Drosselklappe der Brennkraftmaschine eingestellt. Während der Ventilüberschneidung sind das Ansaugsystem und das Auslasssystem miteinander verbunden. Wenn die Brennkraftmaschine als Luftpumpe betrieben wird, können die Auslassnockenwelle und die Einlassnockenwelle auf eine maximale Verstellposition gebracht werden. Ferner kann die Drosselklappe so eingestellt (angedrosselt) werden, dass im Ansaugrohr ein bestimmter Absolutdruck eingestellt wird. Durch den Unterdruck im Ansaugrohr wird die Luft über den Brennraum in das Saugrohr zurückgesaugt. Ein niedrigerer Saugrohrdruck erhöht die Drosselverluste und damit die Antriebsleistung, erhöht aber auch die rückgesaugte Luftmenge in den Brennraum (das Ansaugrohr).
  • Die zurückgesaugte Luftmenge ist vom Volumen des Ansaugsystems (von der Drosselklappe bis zu den Einlassventilen, dem Unterdruck im Ansaugrohr, der Fläche der Ventilüberschneidung und den Drosselverlusten an den Einlass- und Auslassventilen sowie ggf. einer Abgasturbine abhängig. Je höher der Unterdruck im Ansaugrohr ist, umso höher ist die Strömungsgeschwindigkeit der Luft, welche zurückgesaugt wird. Dadurch ergibt sich ein guter Wärmeübergang am Heizkatalysator.
  • Durch eine geeignete Steuerung der Nockenwellen und der Drosselklappe kann somit ein Teil der Luft dreimal am Heizkatalysator vorbeigeführt werden. Es ergibt sich damit insgesamt eine Erhöhung der Temperatur bei gleicher Heizleistung, die beispielsweise 30 % betragen kann.
  • Um die vorstehend genannten Ziele zu erreichen, kann daher ferner die Drosselklappe der Brennkraftmaschine während des Luftpumpenbetriebs weiter geschlossen und/oder der Ansaugrohrdruck während des Luftpumpenbetriebs reduziert werden.
  • Eine weitere Variante besteht darin, die Drehzahl der Brennkraftmaschine während des Luftpumpenbetriebs zu verringern.
  • Der erreichte gute Wärmeübergang am Heizkatalysator beim Zurücksaugen der Luft ermöglicht auch eine sehr hohe elektrische Leistung am Heizkatalysator ohne Gefahr einer örtlichen Überhitzung.
  • Folgende verbrennungsmotorischen Katalysatorheizmaßnahmen lassen sich daher einzeln oder zusammen durchführen, um eine besonders schnelle Aufheizung zu erreichen: Eine kleinere Drehzahl des Verbrennungsmotors zu Beginn, beispielsweise 600 - 800 Umdrehungen/min anstelle von 1.000 Umdrehungen/min während der ersten 15 sec;
    ein kleinerer Saugrohrdruck durch weiteres Schließen der Drosselklappe;
    eine größere Ventilüberschneidung;
    Rücksaugen der Luft in den Brennraum;
  • Ausschieben von Luft in den Ansaugtrakt;
  • Einstellung der Drosselklappe zur Reduzierung des Saugrohrdrucks zur Erhöhung der rückgesaugten Luftmenge.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise mit einem Abgasreinigungssystem durchgeführt, das in Abgasströmungsrichtung zuerst einen Stützkatalysator und dann einen Heizkatalysator aufweist. Der Heizkatalysator dient dabei vorzugsweise zum Vorheizen eines Dreiwegekatalysators.
  • Die Verwendung von derartigen Stützkatalysatoren in Kombination mit Heizkatalysatoren (Heizscheiben ist bekannt). Es handelt sich hierbei um entsprechende Wabenkörper, die vom Abgas durchströmt werden. Dabei ist es bekannt, den Heizkatalysator so anzuordnen, dass er zuerst vom Abgas durchströmt wird, das danach den Stützkatalysator passiert.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nunmehr vorzugsweise eine Anordnung getroffen, bei dem das Abgas zuerst in den Stützkatalysator und dann in den Heizkatalysator strömt. Diese Anordnung hat zwar den Nachteil, dass der Stützkatalysator eine Wärmesenke darstellt, wodurch die Anspringtemperatur später erreicht wird und damit die Konvertierung der Schadstoffe später startet. Die im Vergleich zum Stand der Technik gedrehte Anordnung bietet aber den Vorteil, dass das Katalysatorsystem an zwei Stellen aufgeheizt werden kann. Die Brennkraftmaschine erwärmt nämlich den Stützkatalysator, während der Heizkatalysator den stromabwärts liegenden Katalysator (Dreiwegekatalysator) erwärmt.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die verbesserte Aufheizung sowohl am Stützkatalysator als auch am Heizkatalysator erreicht. Insbesondere werden durch die kombinierten Maßnahmen (elektrische Aufheizung und verbrennungsmotorische Heizmaßnahmen) sowohl der Stützkatalysator als auch der Heizkatalysator vor dem Start des Verbrennungsmotors über die Anspringtemperatur von beispielsweise 300°C gebracht. Am Heizkatalysator wird eine besonders hohe Temperatur erreicht, wenn die Brennkraftmaschine gestartet wird (Beginn der Einspritzung).
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Abgasreinigungssystem zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens. Das Abgasreinigungssystem weist vorzugsweise in Abgasströmungsrichtung zuerst einen Stützkatalysator und dann einen Heizkatalysator auf.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine stark schematisierte Darstellung eines Abgasreinigungssystems; und
    • 2 ein stark schematisiertes Blockbild einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasreinigungssystem.
  • Im vorliegenden Fall geht es um das schnelle Aufheizen eines Katalysators 3, bei dem es sich beispielsweise um einen Dreiwegekatalysator handeln kann, der im Abgasstrang 4 einer Brennkraftmaschine 6 angeordnet ist. Zum raschen Aufheizen des Katalysators 3 dient ein Heizkatalysator 2, der als elektrisch beheizter Wabenkörper ausgebildet ist. Ferner weist das System einen ebenfalls als Wabenkörper ausgebildeten Stützkatalysator 1 auf.
  • Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem in Strömungsrichtung zuerst der Heizkatalysator und danach der Stützkatalysator angeordnet ist, ist bei der hier beschriebenen Lösung in Abgasströmungsrichtung zuerst der Stützkatalysator 1 und dann der Heizkatalysator 2, der über einen elektrischen Anschluss 7 verfügt, angeordnet. Das Abgas strömt daher zuerst in den Stützkat 1 und danach in den Heizkat 2. Diese Anordnung bietet den Vorteil, dass das Katalysatorsystem an zwei Stellen aufgeheizt werden kann. Die Brennkraftmaschine erwärmt den Stützkatalysator 1, und der Heizkatalysator 2 erwärmt den stromabwärts liegenden Katalysator (Dreiwegekatalysator).
  • Im vorliegenden Fall geht es darum, den Katalysator so schnell wie möglich auf seine Anspringtemperatur zu bringen, damit beim Starten der Brennkraftmaschine als Verbrennungsmotor der Katalysator bereits die gewünschte Schadstoffkonvertierung durchführen kann. Hierzu werden elektrische Katalysatorheizmaßnahmen (mit Hilfe des Heizkatalysators 2) mit verbrennungsmotorischen Katalysatorheizmaßnahmen kombiniert. Die entsprechende Vorgehensweise ist dabei in 2 schematisch dargestellt.
  • Es wird so vorgegangen, dass die Brennkraftmaschine bis zu ihrem Start als Luftpumpe betrieben wird. Hierzu wird die Brennkraftmaschine bei abgeschalteter Einspritzung von einer E-Maschine, beispielsweise von einem Riemenstartergenerator geschleppt oder einem Elektromotor in P1-P4 Hybridkonfiguration angetrieben. Zusätzlich zum elektrischen Beheizen des Heizkatalysators 2 wird dabei die Brennkraftmaschine 6 während ihres Luftpumpenbetriebes so gesteuert, dass Luft in den Brennraum rückgesaugt und/oder Luft in den Ansaugtrakt ausgeschoben wird. Dies kann durch diverse Maßnahmen einzeln oder gemeinsam erfolgen, beispielsweise durch ein weiteres Schließen der Drosselklappe im Luftansaugkanal 5, durch eine entsprechende Ventilverstellung der Auslassventile und Einlassventile, so dass sich eine erhöhte Ventilüberschneidung ergibt, und/oder durch eine Drehzahlverringerung der Brennkraftmaschine 6 während des Luftpumpenbetriebes derselben. Jedenfalls wird hierdurch eine Temperaturerhöhung erzielt, so dass insgesamt ein rasches und kostengünstiges Aufheizen des Katalysators erreicht wird.
  • Geht man im vorliegenden Ausführungsbeispiel von einer Anspringtemperatur des Katalysators bei 300°C aus, so wird diese Anspringtemperatur noch vor dem Starten der Brennkraftmaschine erreicht, beispielsweise innerhalb von 15 sec vor dem Start, wobei die Brennkraftmaschine in dieser Zeitspanne als Luftpumpe betrieben wird.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betreiben eines im Abgasstrang (4) einer Brennkraftmaschine (6) angeordneten Abgasreinigungssystems mit einem Heizkatalysator (2) zum Vorheizen eines Katalysators (3), um diesen vor dem Starten der Brennkraftmaschine (6) auf seine Anspringtemperatur zu bringen, mit den folgenden Schritten: elektrisches Beheizen des Heizkatalysators (2) vor dem Start der Brennkraftmaschine (6); Betreiben der Brennkraftmaschine (6) vor ihrem Start als Luftpumpe; danach Starten der Brennkraftmaschine (6); wobei der Katalysator (3) vor dem Starten der Brennkraftmaschine (6) über die Anspringtemperatur des Katalysators (3) gebracht wird, indem die Brennkraftmaschine (6) während ihres Luftpumpenbetriebes so gesteuert wird, dass Luft in den Brennraum rückgesaugt und/oder Luft in den Ansaugtrakt (5) ausgeschoben wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (6) während des Luftpumpenbetriebes so gesteuert wird, dass sich eine erhöhte Ventilüberschneidung zwischen Auslassventilen und Einlassventilen ergibt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansaugrohrdruck während des Luftpumpenbetriebes und der Brennkraftmaschine (6) reduziert wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl der Brennkraftmaschine (6) während des Luftpumpenbetriebes verringert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselklappe der Brennkraftmaschine (6) während des Luftpumpenbetriebes weiter geschlossen wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem Abgasreinigungssystem durchgeführt wird, das in Abgasströmungsrichtung zuerst einen Stützkatalysator (1) und dann einen Heizkatalysator (2) aufweist.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkatalysator (2) zum Vorheizen eines Dreiwegekatalysators dient.
  8. Abgasreinigungssystem zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche.
  9. Abgasreinigungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es in Abgasströmungsrichtung zuerst einen Stützkatalysator (1) und dann einen Heizkatalysator (2) aufweist.
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