DE102020100532A1 - Verfahren zum Aufheizen eines Abgassensors in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Verfahren zum Aufheizen eines Abgassensors in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen eines Abgassensors (26) in der Abgasanlage (20) eines Verbrennungsmotors (10). Dabei sind in der Abgasanlage (20) ein elektrisch beheizbarer Katalysator (24) und ein Abgassensor (26) angeordnet sind. Die Abwärme des elektrisch beheizbaren Katalysators (24) wird dazu genutzt, um den Abgassensor (26) auf seine Freigabetemperatur (TF) aufzuheizen.Die Erfindung betrifft ferner eine Abgasanlage (20) mit einem elektrisch beheizbaren Katalysator (24) und einem Abgassensor (26), sowie mit einem Steuergerät (40) welches dazu eingerichtet ist, ein solches Verfahren durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Steuergerät (40) ausgeführt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen eines Abgassensors in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors sowie eine Abgasanlage mit einem elektrisch beheizbaren Katalysator und einem Abgassensor 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.
  • Mit Einführung der Gesetzgebungsstufe EU6 wird für Ottomotoren ein Grenzwert für eine Partikelanzahl vorgeschrieben, der in vielen Fällen den Einsatz eines Ottopartikelfilters notwendig macht. Solche Rußpartikel entstehen besonders nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors aufgrund einer unvollständigen Verbrennung in Kombination mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis sowie kalter Zylinderwände während des Kaltstarts. Die Kaltstartphase ist somit maßgeblich für die Einhaltung der gesetzlich vorgeschriebenen Partikelgrenzwerte. Im Fahrbetrieb wird ein solcher Ottopartikelfilter weiter mit Ruß beladen. Damit der Abgasgegendruck nicht zu stark ansteigt, muss dieser Ottopartikelfilter kontinuierlich oder periodisch regeneriert werden. Der Anstieg des Abgasgegendrucks kann zu einem Mehrverbrauch des Verbrennungsmotors, Leistungsverlust und einer Beeinträchtigung der Laufruhe bis hin zu Zündaussetzern führen. Um eine thermische Oxidation des im Ottopartikelfilter zurückgehaltenen Rußes mit Sauerstoff durchzuführen, ist ein hinreichend hohes Temperaturniveau in Verbindung mit gleichzeitig vorhandenem Sauerstoff in der Abgasanlage des Ottomotors notwendig. Da moderne Ottomotoren normalerweise ohne Sauerstoffüberschuss mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ=1) betrieben werden, sind dazu zusätzliche Maßnahmen erforderlich. Dazu kommen als Maßnahmen beispielsweise eine Temperaturerhöhung durch eine Zündwinkelverstellung, eine zeitweise Magerverstellung des Ottomotors, das Einblasen von Sekundärluft in die Abgasanlage oder eine Kombination dieser Maßnahmen infrage. Bevorzugt wird bislang eine Zündwinkelverstellung in Richtung spät in Kombination mit einer Magerverstellung des Ottomotors angewandt, da dieses Verfahren ohne zusätzliche Bauteile auskommt und in den meisten Betriebspunkten des Ottomotors eine ausreichende Sauerstoffmenge liefern kann.
  • Um den Betrieb der Abgasnachbehandlungskomponenten zu überwachen und um das Verbrennungsluftverhältnis in den Brennräumen des Verbrennungsmotors zu optimieren sind Abgassensoren bekannt, welche den Sauerstoffgehalt oder eine Schadstoffkonzentration in der Abgasanlage messen und die Abgasnachbehandlung entsprechend steuern. Ferner steuern diese Sensoren die Verbrennung des Kraftstoffs in den Brennräumen des Verbrennungsmotors. Um diese Verbrennung zu optimieren ist es notwendig, dass die Abgassensoren möglichst schnell nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors auf ihre Betriebstemperatur aufgeheizt werden, um eine emissionsoptimale Verbrennung zu erreichen.
  • Aus der DE 10 2011 101 676 A1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor mit einem elektrisch beheizbaren Katalysator und einem dem elektrisch beheizbaren Katalysator nachgeschalteten Drei-Wege-Katalysator bekannt. Dabei wird der Drei-Wege-Katalysator durch Konvektion, Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung durch den elektrisch beheizbaren Katalysator erwärmt.
  • Die DE 10 2011 018 293 A1 offenbart einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem, in dem ein elektrisch beheizbaren Katalysator und ein stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators angeordneter Drei-Wege-Katalysator angeordnet sind. Dabei wird der Drei-Wege-Katalysator durch die Wärme des elektrisch beheizbaren Katalysators konvektiv aufgeheizt.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Abgassensoren möglichst schnell nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors auf ihre Freigabetemperatur aufzuheizen und somit eine verbesserte Regelung der Verbrennung nach dem Kaltstart des Verbrennungsmotors zu ermöglichen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Aufheizen eines Abgassensors in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors gelöst, wobei in der Abgasanlage ein elektrisch beheizbarer Katalysator und ein Abgassensor angeordnet sind, wobei die Abwärme des elektrisch beheizbaren Katalysators genutzt wird, um den Abgassensor auf seine Freigabetemperatur aufzuheizen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, die Abgassensoren unabhängig vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors aufzuheizen. Somit können die Sensoren schneller als bei einem Aufheizen durch den Abgasstrom ihre Freigabetemperatur erreichen. Zudem kann ein elektrisches Heizelement in dem Sensor entfallen, wodurch sich die Kosten für den Sensor reduzieren. Durch die frühere Freigabe der Sensoren wird eine verbesserte Verbrennung des Kraftstoffs in der Kaltstartphase erreicht, wodurch der Verbrauch und/oder die Rohemissionen des Verbrennungsmotors verringert werden können.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und nicht triviale Weiterentwicklungen des Verfahrens zum Aufheizen eines Abgassensors möglich.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abgassensor stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators angeordnet ist und durch den Abgasstrom des Verbrennungsmotors konvektiv auf seine Freigabetemperatur aufgeheizt wird. Durch eine konvektive Wärmeübertragung kann eine hohe Wärmemenge von dem elektrisch beheizbaren Katalysator auf den Abgassensor übertragen werden. Dabei ist es jedoch notwendig, dass der elektrisch beheizbare Katalysator stromaufwärts des Abgassensors angeordnet ist.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Abgassensor durch die Wärmestrahlung des elektrisch beheizbaren Katalysators auf seine Freigabetemperatur aufgeheizt wird. Durch die Wärmestrahlung ist ebenfalls eine effektive Wärmeübertragung von dem elektrisch beheizbaren Katalysator auf den Abgassensor möglich. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass die Wärmestrahlung mit der Entfernung von der Wärmequelle stark abnimmt. Deshalb sollte der Abgassensor bei einer Wärmeübertragung mittels Wärmestrahlung möglich nah an dem elektrisch beheizbaren Katalysator angeordnet sein. Da die Wärmestrahlung in alle Richtungen wirkt, kann durch Wärmestrahlung sowohl ein Abgassensor aufgeheizt werden, welcher sich in Strömungsrichtung eines Abgasstroms durch die Abgasanlage stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators befindet als auch ein Abgassensor, welches sich stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators befindet. Bei einem Abgassensor, welcher sich stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators befindet, kann die Wärmeübertragung auch konvektiv und mittels Wärmestrahlung erfolgen, sodass eine sehr effiziente Wärmeübertragung möglich ist und sich der Abgassensor besonders schnell aufheizt.
  • Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, das der elektrisch beheizbare Katalysator über eine Wärmebrücke mit dem Abgassensor verbunden ist, wobei der Abgassensor über die Wärmebrücke mittels Wärmeleitung auf seine Freigabetemperatur aufgeheizt wird. Durch eine Wärmebrücke kann die Wärme des elektrisch beheizbaren Katalysators sehr effektiv und effizient mittels Wärmeleitung auf den Abgassensor übertragen werden. Dabei kann der Abgassensor sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators angeordnet sein. Ferner kann der Abstand im Vergleich zu einer Wärmeübertragung mittels Wärmestrahlung auch größer gewählt werden, da sich über Wärmeleitung auch über längere Wegstrecken eine effiziente Übertragung der Wärme realisieren lässt.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Abgasanlage mit einem elektrisch beheizbaren Katalysator und einem Abgassensor sowie einem Steuergerät vorgeschlagen, welches dazu eingerichtet ist, ein solches Verfahren durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Steuergerät ausgeführt wird. In einer solchen Abgasanlage ist ein besonders schnelles und effizientes Aufheizen der Abgassensoren möglich.
  • Besonders bevorzugt ist dabei wenn der Abgassensor als Lambdasonde oder als ein Sauerstoffsensor ausgebildet ist. Dadurch kann eine besonders genaue Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses in den Brennräumen des Verbrennungsmotors erfolgen. Durch die zeitnahe Freigabe einer Lambdasonde oder eines Sauerstoffsensors können somit die Rohemissionen und/oder der Verbrauch des Verbrennungsmotors verringert werden.
  • Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Abgassensor als NOx-Sensor oder als NOx-NH3-Kombisensor ausgebildet ist. Dadurch können die Emissionen im Abgasstrom des Verbrennungsmotors ermittelt werden, wobei die Verbrennung in den Brennräumen des Verbrennungsmotors angepasst werden, um die Stickoxidrohemissionen zu verringern.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Abgasanlage ist vorgesehen, dass der elektrisch beheizbare Katalysator über eine Wärmebrücke mit dem Abgassensor verbunden ist. Durch eine Wärmebrücke ist eine besonders effiziente Wärmeübertragung von dem elektrisch beheizbaren Katalysator auf den Abgassensor möglich.
  • Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Wärmebrücke aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt ist. Kupfer weist gegenüber anderen Metallen eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Ferner weist Kupfer eine hohe Temperaturstabilität auf, um auch bei den hohen in der Abgasanlage auftretenden Temperatur formstabil zu bleiben.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Abgasanlage ist vorgesehen, dass der Abgassensor in einem Abgaskanal der Abgasanlage mit einem Abstand von weniger als 5 cm, vorzugsweise von weniger als 3 cm, von dem elektrisch beheizbaren Katalysator beabstandet ist. Dadurch ist eine besonders effiziente Wärmeübertragung mittels Wärmestrahlung möglich.
  • 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. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Es zeigen:
    • 1 einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasanlage, in welcher ein elektrisch beheizbarer Katalysator und ein Abgassensor angeordnet sind;
    • 2 ein Ausführungsbeispiel für eine Abgasanlage mit einem elektrisch beheizbaren Katalysator und einem Abgassensor, wobei die Abwärme von dem elektrisch beheizbaren Katalysator mittels Konvektion auf den Abgassensor übertragen wird; und
    • 3 ein Ausführungsbeispiel für eine Abgasanlage mit einem elektrisch beheizbaren Katalysator und einem Abgassensor, wobei die Abwärme von dem elektrisch beheizbaren Katalysator mittels Wärmeleitung über eine Wärmebrücke auf den Abgassensor übertragen wird.
  • 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 mit mindestens einem Brennraum 12, wobei an dem Brennraum 12 ein Kraftstoffinjektor 14 und eine Zündkerze 16 angeordnet ist. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 20 verbunden, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 ein Abgassensor 26 und stromabwärts des Abgassensors 26 ein elektrisch beheizbaren Katalysators 24 angeordnet sind. Dabei ist der elektrisch beheizbare Katalysator 24 mit einem Abstand von weniger als 5 cm, vorzugsweise von weniger als 3 cm, stromabwärts des Abgassensors 26 angeordnet. Dabei wird die Abwärme des elektrisch beheizbaren Katalysators 24 durch Wärmestrahlung auf den stromaufwärts des elektrisch beheizbarer Katalysator 24 angeordneten Abgassensor 26 übertragen. Dadurch kann ein einfaches Aufheizen des Abgassensors 26 erfolgen, wodurch ein einfacherer und kostengünstigerer Abgassensor 26 verwendet werden kann. Insbesondere kann durch das indirekte beheizen des Abgassensors 26 auf ein zusätzliches Heizelement in dem Abgassensor 26 verzichtet werden. Zudem muss der Abgassensor 26 nicht taupunktfrei ausgelegt werden, was die Kosten für den Abgassensor weiter reduziert. Der elektrisch beheizbare Katalysator 24 und der Abgassensor 26 sind über Signalleitungen mit einem Steuergerät 40 des Verbrennungsmotors 10 verbunden, wobei das Steuergerät 40 das Aufheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators 24 steuert.
  • Alternativ kann der Verbrennungsmotor 10 auch als Dieselmotor ausgeführt sein. Dabei entfallen bei ansonsten gleichem Aufbau die Zündkerzen 16 an den Brennräumen 12 des Verbrennungsmotors 10.
  • In 2 ist ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Abgasanlage 20 dargestellt. Dabei ist in einem Abgaskanal 22 der Abgasanlage stromabwärts eines elektrisch beheizbaren Katalysators 24 ein Abgassensor 26, insbesondere eine Lambdasonde 30, ein NOx-Sensor 32, ein NOx-NH3-Kombisensor 34 oder ein Sauerstoffsensor 36, angeordnet. Dabei wird die Abwärme des elektrisch beheizbaren Katalysators 24 mittels Konvektion durch den Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 und mittels Wärmestrahlung auf den Abgassensor 26 übertragen.
  • In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Abgasanlage 20 dargestellt. Dabei ist stromaufwärts eines elektrisch beheizbaren Katalysators 24 ein Abgassensor 26 angeordnet, welcher über eine Wärmebrücke 28 mit dem elektrisch beheizbaren Katalysator 24 verbunden ist. Dabei ist die Wärmebrücke 28 vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff, vorzugsweise aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung ausgeführt. Kupfer weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine entsprechend hohe Temperaturstabilität auf, sodass sich eine Wärmebrücke aus Kupfer besonders gut eignet, um die Wärme von dem elektrisch beheizbaren Katalysator 24 auf den Abgassensor 26 zu übertragen. Alternativ kann die Wärmebrücke auch aus einem Eisenwerkstoff, insbesondere einem Stahl ausgeführt sein. Ein Eisenwerkstoff weist ebenfalls eine hohe Temperaturfestigkeit und eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, um die in der Abgasanlage 20 auftretenden Temperaturen auszuhalten und die Wärme von dem elektrisch beheizbaren Katalysator 24 auf den Abgassensor 26 zu übertragen.
  • Alternativ kann der Abgassensor 26 auch stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 24 angeordnet sein, wobei der Abgassensor 26 über eine Wärmebrücke 28 mit dem elektrisch beheizbaren Katalysator 24 verbunden ist. In diesem Fall erfolgt die Wärmeübertragung sowohl über Konvektion, Wärmestrahlung und Wärmeleitung. Somit ist eine besonders effiziente Übertragung der Wärme des elektrisch beheizbaren Katalysators 24 auf den Abgassensor 26 möglich.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Verbrennungsmotor
    12
    Brennraum
    14
    Kraftstoffinjektor
    16
    Zündkerze
    18
    Auslass
    20
    Abgasanlage
    22
    Abgaskanal
    24
    elektrisch beheizbarer Katalysator
    26
    Abgassensor
    28
    Wärmebrücke
    30
    Lambdasonde
    32
    NOx-Sensor
    34
    NOx-NH3-Kombisensor
    36
    Sauerstoffsensor
    40
    Steuergerät
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011101676 A1 [0005]
    • DE 102011018293 A1 [0006]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Aufheizen eines Abgassensors (26) in der Abgasanlage (20) eines Verbrennungsmotors (10), wobei in der Abgasanlage (20) ein elektrisch beheizbarer Katalysator (24) und ein Abgassensor (26) angeordnet sind, wobei die Abwärme des elektrisch beheizbaren Katalysators (24) genutzt wird, um den Abgassensor (26) auf seine Freigabetemperatur (TF) aufzuheizen.
  2. Verfahren zum Aufheizen eines Abgassensors (26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgassensor (26) stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators (24) angeordnet ist und durch den Abgasstrom des Verbrennungsmotors (10) konvektiv auf seine Freigabetemperatur (TF) aufgeheizt wird.
  3. Verfahren zum Aufheizen eines Abgassensors (26) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgassensor (26) durch die Wärmestrahlung des elektrisch beheizbaren Katalysators (24) auf seine Freigabetemperatur (TF) aufgeheizt wird.
  4. Verfahren zum Aufheizen eines Abgassensors (26) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch beheizbaren Katalysator (24) über eine Wärmebrücke (28) mit dem Abgassensor (26) verbunden ist, wobei der Abgassensor (26) über die Wärmebrücke (28) mittels Wärmeleitung auf seine Freigabetemperatur (TF) aufgeheizt wird.
  5. Abgasanlage (20) mit einem elektrisch beheizbaren Katalysator (24) und einem Abgassensor (26), sowie mit einem Steuergerät (40) welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Steuergerät (40) ausgeführt wird.
  6. Abgasanlage (20) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgassensor (26) als Lambdasonde (30) oder als Sauerstoffsensor (36) ausgebildet ist.
  7. Abgasanlage (20) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgassensor (26) als ein NOx-Sensor (32) oder als ein NOx-NH3-Kombisensor (34) ausgebildet ist.
  8. Abgasanlage (20) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch beheizbare Katalysator (24) über eine Wärmebrücke (28) mit dem Abgassensor (26) verbunden ist.
  9. Abgasanlage (20) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebrücke (28) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt ist.
  10. Abgasanlage (20) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgassensor (26) in einem Abgaskanal (22) der Abgasanlage (20) mit einem Abstand von weniger als 5 cm, vorzugsweise von weniger als 3cm, von dem elektrisch beheizbaren Katalysator (24) beabstandet ist.
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