DE102020101194A1

DE102020101194A1 - Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors sowie Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102020101194A1
Application number: DE102020101194.6A
Authority: DE
Inventors: Johannes Bunkus; Sergej Jakovlev; Stephan Kellner
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-01-20
Filing date: 2020-01-20
Publication date: 2021-07-22
Anticipated expiration: 2040-01-21
Also published as: DE102020101194B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) mit mindestens einem Brennraum (12). Der Verbrennungsmotor (10) ist über seinen Auslass (18) mit einer Abgasanlage (20) verbunden, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors (10) ein elektrisch beheizbarer Katalysator (26) und stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators (26) mindestens ein weiterer Katalysator (28, 30, 40) angeordnet sind.
Es ist vorgesehen, dass die Leistung des elektrisch beheizbaren Katalysators (26) bei einer dynamischen Lastanforderung an den Verbrennungsmotor (10) reduziert wird, um die Gesamtmotorlast für den Verbrennungsmotor (10) zu reduzieren und somit die Rohemissionen des Verbrennungsmotors (10) zu verringern.
Die Erfindung betrifft ferner einen Verbrennungsmotor (10) zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors sowie einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem zur Durchführung eines solchen Verfahrens gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellt 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 Herausforderungen 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 einen 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, wodurch Ammoniak im Abgaskanal freigesetzt wird. 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.
Ferner sind aus dem Stand der Technik elektrisch beheizbare Katalysatoren bekannt, mit welchen im Wesentlichen unabhängig vom Betrieb des Verbrennungsmotors Wärme in die Abgasanlage eingebracht werden kann, um eine oder mehrere Abgasnachbehandlungskomponenten auf ihre Betriebstemperatur aufzuheizen.
Aus der EP 1 239 127 A1 ist ein Verfahren zum Aufheizen eines elektrisch beheizbaren Katalysators beim Abbremsen eines Kraftfahrzeuges bekannt, wobei der elektrisch beheizbare Katalysator durch eine Starter-Generator-Einheit bei der Verzögerung des Kraftfahrzeuges elektrisch beheizt wird, um die Temperatur des Katalysators oberhalb einer Light-Off-Temperatur des Katalysators zu halten. Dabei wird die mechanische Energie beim Verzögern des Kraftfahrzeuges durch die Starter-Generator-Einheit in elektrische Energie umgewandelt und mit dieser Energie der elektrisch beheizbare Katalysator beheizt.
Die DE 197 40 971 A1 offenbart eine Leistungszufuhrsteuerungseinrichtung für einen elektrisch beheizten Katalysator mit einem mittels einer Brennkraftmaschine angetriebenen elektrischen Generator, einer Batterie, einer elektrischen Heizeinrichtung zum Aufheizen eines in einer Abgasanlage der Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators, einer Batterieladeschaltung zum Verbinden der Batterie mit dem Generator und dem Zuführen eines elektrischen Stroms zum Aufladen der Batterie, einer Katalysatoraufheizschaltung zum direkten Verbinden der Heizeinrichtung mit dem Generator und Zuführen eines elektrischen Stroms vom Generator zur Heizeinrichtung zum Anheben der Temperatur des Katalysators auf eine Betriebstemperatur. Ferner ist eine Temperaturaufrechterhaltungsschaltung zum Verbinden der Heizeinrichtung mit der Batterie und Zuführen eines elektrischen Stroms von der Batterie zur Heizeinrichtung vorgesehen, um die Temperatur des Katalysators höher als die Betriebstemperatur zu halten. Die Leistungszufuhrsteuerungseinrichtung schaltet die Batterieladeschaltung sowie die Temperaturaufrechterhaltungsschaltung ab und die Katalysatoraufheizschaltung an, wenn die Brennkraftmaschine gestartet wurde, so dass der Katalysator bis zur Betriebstemperatur aufgeheizt wird. Eine zweite Leistungsversorgungs-Steuerungseinrichtung schaltet die Katalysatoraufheizschaltung ab und die Batterieladeschaltung sowie die Temperaturaufrechterhaltungsschaltung zu, wenn die Temperatur des Katalysators die Betriebstemperatur erreicht hat. Dabei wird die Batterie aufgeladen und gleichzeitig der Katalysator bei einer Temperatur gehalten wird, die größer als die Betriebstemperatur ist.
Aus der DE 10 2016 122 304 A1 ist ein Verfahren zum Aufheizen eines elektrisch beheizbaren Katalysators in einem Abgaskanal eines Kraftfahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor bekannt. Um den Katalysator vor einem Start des Verbrennungsmotors aufzuheizen, ist vorgesehen, dass der Katalysator bereits vor dem Motorstart des Verbrennungsmotors elektrisch aufgeheizt wird und bereits mit dem Motorstart eine effiziente Abgasnachbehandlung ermöglicht. Dabei erfolgt nach einer elektrischen Vorheizphase nach dem Motorstart eine weitere Aufheizung des Katalysators durch eine kombinierte elektrische und chemische Aufheizung durch die exotherme Umsetzung von unverbrannten Kraftstoffkomponenten auf einer katalytisch wirksamen Oberfläche des elektrisch beheizbaren Katalysators.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Abgasnachbehandlungskomponenten dauerhaft auf einem Temperaturniveau zu halten, bei dem eine effiziente Konvertierung der Schadstoffe im Abgasstrom des Verbrennungsmotors möglich ist und die Energieeffizienz des Abgasnachbehandlungssystems zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit mindestens einem Brennraum gelöst. Der Verbrennungsmotor ist über seinen Auslass mit einer Abgasanlage verbunden, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors ein elektrisch beheizbarer Katalysator und stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators mindestens ein weiterer Katalysator angeordnet sind. Es ist vorgesehen, dass die Leistung des elektrisch beheizbaren Katalysators bei einer dynamischen Lastanforderung an den Verbrennungsmotor reduziert wird, um die Gesamtmotorlast für den Verbrennungsmotor zu verringern und somit die Rohemissionen des Verbrennungsmotors zu reduzieren. Die dynamische Lastanforderung an den Verbrennungsmotor führt zu einem Anstieg der Rohemissionen, insbesondere der Stickoxidrohemissionen, welcher eine Erhöhung der Abgasrückführungsrate notwendig macht, um diesen Anstieg zumindest teilweise zu kompensieren. Durch die gleichzeitige Reduzierung der Leistung des elektrisch beheizbaren Katalysators kann dieser dynamische Lastanstieg für den Verbrennungsmotor verringert werden, wodurch sich der Anstieg der Rohemissionen des Verbrennungsmotors begrenzen lässt. Dies ist insbesondere in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors oder nach einem Schwachlastbetrieb hilfreich, wenn die Abgasnachbehandlungskomponenten noch nicht ihre Betriebstemperatur erreicht haben und eine vollständige Konvertierung der schädlichen Abgaskomponenten durch die Katalysatoren nicht gewährleistet ist.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und nicht-triviale Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors möglich.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der elektrisch beheizbare Katalysator abgeschaltet wird, wenn die Dynamikanforderung einen Schwellenwert übersteigt. Um die Regelbarkeit des Verfahrens zu verbessern ist es vorteilhaft, wenn das Verfahren erst dann ausgeführt wird, wenn ein definierter Schwellenwert für die dynamische Lastanforderung an den Verbrennungsmotor überschritten wird.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der elektrisch beheizbare Katalysator nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors oder eine Schwachlastphase des Verbrennungsmotors aktiviert wird, bis die Abgastemperatur stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators mindestens 150°C, vorzugsweise mindestens 180°C, besonders bevorzugt mindestens 200°C beträgt. Um die Kaltstartemissionen zu verringern ist es vorteilhaft, wenn bei niedrigen Abgastemperaturen von weniger als 150°C stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators ein Dauerbetrieb des elektrisch beheizbaren Katalysators, vorzugsweise ein Dauerbetrieb mit der größtmöglichen Heizleistung erfolgt, um die in Strömungsrichtung nachfolgenden Katalysatoren möglichst schnell auf ihre jeweilige Light-Off-Temperatur aufzuheizen. Ferner kann durch ein rechtzeitiges Zuschalten des elektrisch beheizbaren Katalysators in einer Schubphase des Verbrennungsmotors verhindert werden, dass die Katalysatoren unter ihre jeweilige Light-Off-Temperatur auskühlen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die dynamische Lastanforderung eine Beschleunigung des Kraftfahrzeugs von mindestens 1 m/s² übersteigt. Dazu ist ein entsprechend hoher Lastsprung für den Verbrennungsmotor notwendig, dass sich in diesem Betriebszustand in der Regel eine Verschlechterung der Rohemissionen des Verbrennungsmotors ergibt. Um diese Verschlechterung der Rohemissionen zumindest teilweise zu kompensieren, wird die Leistung des elektrisch beheizbaren Katalysators reduziert, um den Anstieg der Gesamtmotorleistung für den Antrieb sowie zur Generierung von elektrischem Strom für den elektrisch beheizbaren Katalysator zu begrenzen. Somit kann der Anstieg der Rohemissionen begrenzt werden. Dies führt insbesondere in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors zu geringeren Umweltemissionen, da in einer Kaltstartphase die Konvertierung der Schadstoffe im Abgasstrom durch die Abgasnachbehandlungskomponenten noch eingeschränkt ist. Alternativ kann ein Grenzwert für einen dynamische Lastanforderung aus einer Kombination von Geschwindigkeit und Beschleunigung definiert werden. Da bei höheren Geschwindigkeiten größere Fahrwiderstände auftreten, ist für eine gleiche Beschleunigung bei einer höheren Geschwindigkeit eine verhältnismäßig höhere Leistung notwendig. Als Grenzwert für die dynamische Lastanforderung wird ein Produkt aus Geschwindigkeit v und Beschleunigung a angesehen, für welches gilt: v * a ≥ 3 m² / s³.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die dynamische Lastanforderung aus einem ansteigenden Straßenverlauf mit einer mittleren Steigung von mindestens 5% resultiert. Um eine mittlere Steigung von 5% zu bewältigen, muss kontinuierlich eine Hangabtriebskraft überwunden werden, um die Geschwindigkeit zumindest konstant zu halten. Dies führt zu einer hohen Lastanforderung an den Verbrennungsmotor. Eine solche Steigung führt daher auch zu einer dynamischen Lastanforderung und damit verbunden einem Anstieg der Rohemissionen, welcher durch eine zeitgleiche Reduzierung der elektrischen Heizleistung für den elektrisch beheizbaren Katalysator minimiert werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens zur Abgasnachbehandlung ist vorgesehen, dass das Aufheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators in einem Schubbetrieb des Verbrennungsmotors erfolgt. In einem Schubbetrieb kann eine Rekuperation von Energie durch den Generator erfolgen. Diese Energie kann genutzt werden, um den elektrisch beheizbaren Katalysator aufzuheizen, sodass diese Energie effizient dazu genutzt wird, die Abgasnachbehandlungskomponenten, insbesondere die Katalysatoren, auf ihrer jeweiligen Betriebstemperatur zu halten. Ferner führt ein Schubbetrieb nicht zu einem Anstieg der Rohemissionen des Verbrennungsmotors.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leistung des elektrisch beheizbaren Katalysators reduziert wird, sobald eine Regelabweichung der Abgasrückführrate aufgrund einer dynamischen Lastanforderung von >40%, vorzugsweise >20%, besonders bevorzugt >10% detektiert wird. Eine dynamische Lastanforderung an den Verbrennungsmotor führt aufgrund der Totzeit der Abgasrückführung dazu, dass die aktuelle Abgasrückführungsrate von der emissionsoptimalen Abgasrückführungsrate an diesem Lastpunkt des Verbrennungsmotors abweicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leistung des elektrisch beheizbaren Katalysators wieder angehoben wird, wenn eine Regelabweichung der Abgasrückführungsrate des Verbrennungsmotors kleiner als 40%, vorzugsweise kleiner als 20%, besonders bevorzugt kleiner als 10%, ist.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Anhebung der Heizleistung mit einem maximalen Gradienten von 800 W/s, vorzugsweise mit einem maximalen Gradienten von 500 W/s, besonders bevorzugt mit einem maximalen Gradienten von 300 W/s erfolgt. Dadurch kann verhindert werden, dass der Anstieg der Heizleistung zu einer Verschlechterung der Rohemissionen, insbesondere der Stickoxidrohemissionen führt, welcher nicht durch eine entsprechende Anpassung der Abgasrückführungsrate durch die Abgasrückführung kompensiert werden kann.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Brennraum, wobei der Verbrennungsmotor mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist. In der Abgasanlage des Verbrennungsmotors sind ein elektrisch beheizbarer Katalysator und stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators mindestens ein weiterer Katalysator angeordnet. Der Verbrennungsmotor steht mit einem Steuergerät in Wirkverbindung, welches dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Abgasnachbehandlung durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Steuergerät ausgeführt wird. Bei einem solchen Verbrennungsmotor können die Schadstoffemissionen durch den elektrisch beheizbaren Katalysator minimiert werden, da eine effiziente Konvertierung der Schadstoffe im Abgasstrom gewährleistet ist, wobei durch die selektive Ansteuerung des elektrisch beheizbaren Katalysators die Rohemissionen des Verbrennungsmotors verringert werden. Somit können insbesondere in einer Kaltstartphase oder nach einer Schwachlastphase, bei der eine vollständige Konvertierung der schädlichen Abgaskomponenten durch die Abgasnachbehandlungskomponenten noch nicht gewährleistet ist, die Endrohremissionen und somit die Umweltbelastung minimiert werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verbrennungsmotors ist vorgesehen, dass der elektrisch beheizbaren Katalysator eine Heizleistung von mindestens 2 KW, vorzugsweise von mindestens 3 KW, besonders bevorzugt von mindestens 4kW aufweist. Um ein hinreichend schnelles Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponenten, insbesondere der Katalysatoren auf ihrer jeweilige Betriebstemperatur, insbesondere die jeweilige Light-Off-Temperatur des Katalysators zu gewährleisten, ist eine Heizleistung des elektrisch beheizbaren Katalysators von mindestens 2KW notwendig. Durch eine höhere Heizleistung wird die jeweilige Light-Off-Temperatur bei ansonsten gleichen Betriebsbedingungen entsprechend früher erreicht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verbrennungsmotors ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor mit einem Generator, insbesondere mit einem Riemen-Starter-Generator, gekoppelt ist, wobei eine Stromversorgung des elektrisch beheizbaren Katalysators unmittelbar durch den Generator erfolgt. Durch einen Generator kann der Strom für den elektrisch beheizbaren Katalysator ohne Zwischenschaltung einer Batterie bereitgestellt werden. Dies ist insbesondere in einer Kaltstartphase bei kalten Außentemperaturen, insbesondere Temperaturen unter 0°C hilfreich, um die Batterie in dieser Phase zu entlasten und den Strom direkt durch den Generator zu erzeugen. Durch einen Riemen-Starter-Generator ist eine besonders einfache und kostengünstige Variante eines Generators möglich, um den Strom zum Beheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators zur Verfügung zu stellen und bei einem Schubbetrieb eine Rekuperation der Bewegungsenergie eines Kraftfahrzeugs zu ermöglichen. Wird die Stromversorgung über den Generator reduziert, um die Rohemissionen des Verbrennungsmotors bei einer dynamischen Lastanforderung zu verringern, so kann der daraus resultierende Leistungsabfall des elektrisch beheizbaren Katalysators anteilig oder vollständig durch eine Erhöhung des Batteriestroms kompensiert werden, um die Rohemissionen des Verbrennungsmotors zu senken und gleichzeitig ein schnelles Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponenten, insbesondere der Katalysatoren, zu ermöglichen.
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 gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Es zeigen:

1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahren zur Abgasnachbehandlung;
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahren zur Abgasnachbehandlung;
3 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, bei welchem die Heizleistung des elektrisch beheizbaren Katalysators reduziert wird, wenn die dynamische Anforderung an den Verbrennungsmotors steigt, um die dynamische Motorlast und somit die Rohemissionen zu reduzieren.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 1 mit einem Verbrennungsmotor 10. 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 Auslass 18 mit einer Abgasanlage 20 verbunden. An den Brennräumen 12 sind Einlass- und Auslassventile angeordnet, mit welchen eine fluidische Verbindung von den Brennräumen 12 zur Abgasanlage 20 geöffnet oder verschlossen werden können.
Die Abgasanlage 20 umfasst einen Abgaskanal 22, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 22 einen Turbine 34 eines Abgasturboladers 24 und stromabwärts der Turbine 34 ein elektrisch beheizbarer Katalysator 26 angeordnet sind. Dem elektrisch beheizbaren Katalysator 26 ist ein erster Katalysator 28, insbesondere ein Oxidationskatalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator, nachgeschaltet, welcher durch den elektrisch beheizbaren Katalysator 26 erwärmt werden kann. Stromabwärts des ersten Katalysators 28 ist ein zweiter Katalysator 30, insbesondere ein Partikelfilter 32 mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Beschichtung) und weiter stromabwärts ein dritter Katalysator 40, insbesondere ein weiterer SCT-Katalysator, angeordnet.
Stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 ist ein erster Temperatursensor 36 und stromabwärts des ersten Katalysators 28 ein zweiter Temperatursensor 38 angeordnet. Stromabwärts des ersten Katalysators 28 und stromaufwärts des zweiten Katalysators 30 ist ein Dosierelement 42 zur Eindosierung eines Reduktionsmittels in den Abgaskanal 42 vorgesehen, welchem ein Abgasmischer 44 zur besseren Gleichverteilung des Reduktionsmittels über den Abgasstrom nachgeschaltet ist. Stromabwärts des zweiten Katalysators 30 und stromaufwärts des dritten Katalysators 40 ist ein zweites Dosierelement 46 angeordnet, welchem ein zweiter Abgasmischer 48 nachgeschaltet ist.
Der Verbrennungsmotor 10 ist mit einem Getriebe 50 gekoppelt, über welches die Räder 68 einer Antriebsachse 66 des Kraftfahrzeugs 1 angetrieben werden. Ferner ist der Verbrennungsmotor 10 mit einem Generator 52 verbunden, welcher die kinetische Energie des Verbrennungsmotors 10 in elektrische Energie umwandelt. Vorzugsweise ist der Generator 52 als Riemen-Starter-Generator 56 ausgeführt und über einen Riemen 54 mit dem Verbrennungsmotor 10 verbunden. Der Generator 52, 56 ist über eine erste elektrische Leitung 58 mit einem Steuergerät 70 zur Steuerung des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 verbunden. Das Steuergerät 70 ist über eine zweite elektrische Leitung 60 mit dem elektrisch beheizbaren Katalysator 26 verbunden. Das Steuergerät 70 ist über einen dritte elektrische Leitung 62 mit einer Batterie 64 des Kraftfahrzeugs 1 verbunden, welche durch den Generator 52, 56 aufladbar ist.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugs 1 mit einem Verbrennungsmotor 10 in schematischer Darstellung gezeigt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, ist der Verbrennungsmotor 10 in diesem Ausführungsbeispiel als direkteinspritzender Ottomotor ausgeführt. Dazu ist an jedem der Brennräume 12 eine Zündkerze 16 angeordnet, um ein brennbares Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem jeweiligen Brennraum 12 zu entzünden.
In der Abgasanlage 20 ist stromabwärts einer Turbine 34 eines Abgasturboladers 24 ein elektrisch beheizbarer Katalysator 26 angeordnet, welchem ein erster Katalysator 28, insbesondere ein Drei-Wege-Katalysator oder ein Vier-Wege-Katalysator, nachgeschaltet ist. Stromabwärts des ersten Katalysators 28 ist ein zweiter Katalysator 30 vorgesehen, welcher vorzugsweise als Drei-Wege-Katalysator oder Vier-Wege-Katalysator ausgeführt ist.
Stromabwärts der Turbine 34 und stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 ist ein erster Temperatursensor 36 an dem Abgaskanal 22 angeordnet. Stromabwärts des ersten Katalysators 28 und stromaufwärts des zweiten Katalysators 30 ist ein zweiter Temperatursensor an dem Abgaskanal 22 angeordnet. Die Temperatursensoren sind jeweils über Signalleitungen mit dem Steuergerät 70 verbunden.
Ein aus dem Stand der Technik bekannter Ansatz zielt auf ein möglichst schnelles Aufheizen des Abgasnachbehandlungskomponenten 28, 30, 40 zur Reduzierung der Stickoxidemissionen ab, um schnellstmöglich hohe Stickoxid-Umsatzraten zu erreichen. Dabei wird der elektrisch beheizbare Katalysator 26 mit der maximal möglichen Leistung beheizt, welche zu einer Lastpunktverschiebung des Verbrennungsmotors 10 durch den Generator 52, 56 führt. Ein beispielhafter Leistungsverlauf ist in 3 im P-t-Diagramm in der Kurve 1 dargestellt. Die Kurve 2 bildet diesen Leistungsverlauf inklusive der Lastpunktverschiebung durch den elektrisch beheizten Katalysator.
Der vorliegenden Patentanmeldung liegt die Idee zugrunde, die Leistung des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 bei einer Dynamikanforderung an den Verbrennungsmotor 10 zu reduzieren. Die Reduzierung der Last kann insbesondere auch ein vollständiges Abschalten des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 bedeuten. Die durch die Dynamikanforderung erforderliche Zielleistung des Verbrennungsmotors 10 wird durch das Reduzieren oder Abschalten des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 schneller erreicht, da die dazu bereitgestellte Leistung des Verbrennungsmotors 10 unmittelbar für den Vortrieb des Kraftfahrzeugs 1 genutzt werden kann. Die um die Generatorleistung des Generators 52, 56 verringerte Differenz zwischen der Sollleistung und der Ist-Leistung des Verbrennungsmotors 10 führt zu einer reduzierten Rohemission des Verbrennungsmotors, da insbesondere der Ansaugpfad auf kleine Änderungen stabiler reagiert.
Weiterhin führt die Temperaturträgheit der Abgasnachbehandlungskomponenten 28, 30, 32, 40 zu einem verzögerten Auskühlen der Abgasnachbehandlungskomponenten 28, 30, 32, 40, wenn der elektrisch beheizbare Katalysator 26 kurzfristig abgeschaltet oder in seiner Leistung reduziert ist, sodass eine solche Leistungsreduzierung des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 bei gleichzeitig erhöhter Last des Verbrennungsmotors 10 nur geringe Auswirkungen auf das Aufheizverhalten der Abgasnachbehandlungskomponenten 28, 30, 32, 40 hat. Auf einen Fahrzyklus bezogen kann definiert werden, dass in den Beschleunigungsphasen oder bei Bergfahrten die Leistung des elektrisch beheizbaren Katalysators reduziert und in Betriebsphasen des Verbrennungsmotors 10 bei Konstantfahrt oder im Schubbetrieb der elektrisch beheizbaren Katalysator 26 mit maximaler Leistung betrieben wird. Ein solcher Heizverlauf ist in Figur durch die Kurve V1 dargestellt.
Ist eine Batterie 64 mit einer ausreichenden Kapazität vorhanden, ist es für ein schnelles Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponenten 28, 30, 32, 40 bei gleichzeitiger Entlastung des Verbrennungsmotors 10 durch das Abschalten des Generators 52, 56 möglich, zumindest einen Teil der Energie für den elektrisch beheizbaren Katalysator 26 unmittelbar durch die Batterie 64 zur Verfügung zu stellen, um so den Verbrennungsmotor 10 zu entlasten.
Mit Vorteil für das Aufheizen ist optional nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 vorgesehen betriebspunktunabhängig ein Dauerbetrieb des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 vorgesehen, um anschließend bei zuvor beschriebenen temporären Abschalten des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 unter Nutzung der Temperaturträgheit keine Reduzierung der Aufheizzeit zu erhalten. Der Dauerbetrieb wird beendet, wenn die Temperatur in der Abgasanlage 20 stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 eine Schwellentemperatur von mindestens 150°C, vorzugsweise von mindestens 180°C, besonders bevorzugt von mindestens 200°C erreicht. Diese Temperatur in der Abgasanlage 20 kann wahlweise messtechnisch durch den zweiten Temperatursensor 38 erfasst werden, oder in einem Ersatzmodell aus dem Abgasmassenstrom und der Heizleistung des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 berechnet werden.
In einer ersten Variante V1 des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Reduzierung der Heizleistung des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 für die Dauer der erhöhten Lastanforderung an den Verbrennungsmotor 10 aufgrund von Fahranforderungen wie einer Beschleunigung a von mindestens 1 m/s² oder einem Produkt aus Geschwindigkeit v und Beschleunigung a von mindestens v * a ≥ 3 m² / s³ erfolgt. Ferner kann das Verfahren durch ein Befahren eines Anstiegs mit einer mittleren Steigung von mindestens 5% ausgelöst werden.
In einer zweiten Variante V2 des Verfahrens erfolgt die Reduzierung der Leistung des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 für die Dauer der Regelabweichung AAGR der Abgasrückführungsrate, mit anschließend sukzessiver Steigerung der Heizleistung des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 bis hin zu seiner maximal geforderten Heizleistung. Dabei wird die Leistungssteigerung des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 eingeleitet, wenn die Regelabweichung ΔAGR kleiner als 40%, vorzugsweise kleiner als 20%, besonders bevorzugt kleiner als 10% ist. Der maximale Gradient der Leistungssteigerung des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 beträgt dabei 800 W/s, vorzugsweise 500 W/s, besonders bevorzugt 300 W/s, um durch die Leistungsanpassung keine negativen Sekundäreffekte auszulösen.
Der Vorteil dieser Varianten ist, dass durch das Abschalten des elektrisch beheizbaren Katalysators die zuvor für den elektrischen Heizbetrieb benötigte Leistung des Verbrennungsmotors 10 unmittelbar für den Vortrieb des Kraftfahrzeugs 1 zur Verfügung steht. Dadurch ist bei einer dynamischen Lastanforderung der Sprung zur Zielleistung für den Verbrennungsmotor 10 geringer, was die Rohemissionen in diesem dynamischen Betrieb verringert.
Generell kann mit beiden Varianten V1 und V2 die Reduzierung der Leistung des Verbrennungsmotors 10 sowie damit verbunden die Reduzierung der Leistung des Generators 52, 56 über einen Strom aus der Batterie 64 ausgeglichen werden, wenn ausreichend Energie in der Batterie 64 zur Verfügung steht.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug 10 Verbrennungsmotor
12: Brennraum
14: Kraftstoffinjektor
16: Zündkerze
18: Auslass
20: Abgasanlage
22: Abgaskanal
24: Abgasturbolader
26: elektrisch beheizbarer Katalysator
28: erster Katalysator
30: zweiter Katalysator
32: Partikelfilter
34: Turbine
36: erster Temperatursensor
38: zweiter Temperatursensor
40: dritter Katalysator
42: erstes Dosierelement
44: erster Abgasmischer
46: zweites Dosierelement
48: zweiter Abgasmischer
50: Getriebe
52: Generator
54: Riemen
56: Riemen-Starter-Generator
58: erste elektrische Leitung
60: zweite elektrische Leitung
62: dritte elektrische Leitung
64: Batterie
66: Antriebsachse
68: Rad
70: Steuergerät
a: Beschleunigung
m: Meter
s: Sekunde
t: Zeit
v: Geschwindigkeit
Ds: Schwellenwert für eine dynamische Lastanforderung an den Verbrennungsmotor
KW: Kilowatt
P: Leistung
T: Temperatur
TEG: Abgastemperatur
I: erfindungsgemäßes Verfahren
II: Verfahren nach Stand der Technik
V1: erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
V2: zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens

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

EP 1239127 A1 [0005]
DE 19740971 A1 [0006]
DE 102016122304 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) mit mindestens einem Brennraum (12), wobei der Verbrennungsmotor (10) mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (20) verbunden ist, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors (10) ein elektrisch beheizbarer Katalysator (26) und stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators (26) mindestens ein weiterer Katalysator (28, 30, 40) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des elektrisch beheizbaren Katalysators (26) bei einer dynamischen Lastanforderung an den Verbrennungsmotor (10) reduziert wird, um die Gesamtmotorlast für den Verbrennungsmotor (10) zu reduzieren und somit die Rohemissionen des Verbrennungsmotors (10) zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch beheizbare Katalysator (26) abgeschaltet wird, wenn die Dynamikanforderung einen Schwellenwert (D_s) übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch beheizbare Katalysator (26) nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors (10) oder nach einer Schwachlastphase des Verbrennungsmotors (10) aktiviert wird, bis die Abgastemperatur (T_EG) stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators (26) mindestens 150°C beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dynamische Lastanforderung eine Beschleunigung (a) des Kraftfahrzeugs (1) von mindestens 1 m/s² oder eine Kombination von Geschwindigkeit (v) und Beschleunigung (a) einen Grenzwert übersteigt, für den gilt: v * a ≥ 3 m²/s³.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dynamische Lastanforderung aus einem ansteigenden Straßenverlauf mit einer mittleren Steigung von mindestens 5% resultiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators (26) in einem Schubbetrieb des Verbrennungsmotors (10) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des elektrisch beheizbaren Katalysators (26) wieder angehoben wird, wenn eine Regelabweichung der Abgasrückführungsrate des Verbrennungsmotors (10) kleiner als 40% ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Anhebung der Heizleistung mit einem maximalen Gradienten von 800 W/s erfolgt.
Verbrennungsmotor (10) mit mindestens einem Brennraum (12), wobei der Verbrennungsmotor (10) mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (20) verbunden ist, wobei in der Abgasanlage (20) ein elektrisch beheizbarer Katalysator (26) und stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators (26) mindestens ein weiterer Katalysator (28, 30, 40) angeordnet ist, sowie mit einem Steuergerät (70), welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Steuergerät (70) ausgeführt wird.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) mit einem Generator (52, 56) gekoppelt ist, wobei eine Stromversorgung des elektrisch beheizbaren Katalysators (26) unmittelbar durch den Generator (52, 56) erfolgt.