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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.
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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 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, wodurch Ammoniak im Abgaskanal freigesetzt wird. Eine handelsübliche, wässrige Harnstofflösung setzt sich im Allgemeinen aus 32,5 % Harnstoff und 67,5 % Wasser zusammen.
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Ferner sind aus dem Stand der Technik Abgasbrenner und 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.
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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 ermöglich. 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.
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Die
WO 2019/077111 A1 offenbart einen elektrisch beheizbaren Katalysator, insbesondere mit einem metallischen oder keramischen Heizelement, sowie mit einem passiven NOx-Speicherelement, welches als Beschichtung auf einem Substrat zum aktiven Temperaturmanagement des Katalysators ausgebildet ist. Der Katalysator ist eingerichtet, um das Freisetzen von Stickoxiden mit dem Zeitpunkt zu synchronisieren, an welchem eine effiziente Konvertierung der Stickoxide durch einen stromabwärts des Katalysators angeordneten SCR-Katalysator erfolgen kann. Das passive NOx-Speicherelement ermöglicht ein Einspeichern von Stickoxiden bis zu einer Temperatur von 200°C und ein Freisetzen von Stickoxiden oberhalb von 200°C.
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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 schalten 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, die größer als die Betriebstemperatur ist.
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Aus der
DE 10 2018 208 980 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs bekannt, welcher eine Verbrennungsmaschine, eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit mindestens einem Katalysator und mindestens eine Einrichtung zum Aufheizen eines Katalysators umfasst,. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: a) Ermitteln eines Katalysators, dessen Temperatur unterhalb eines festgelegten Temperaturschwellwertes liegt; b) Bestimmen einer Mehrzahl an möglichen Maßnahmen zum Aufheizen des Katalysators, wobei jede Maßnahme eine maximale Heizleistung aufweist; c) Erfassen mindestens eines Parameters des aktuellen Betriebszustandes des Antriebsstrangs; d) Bestimmen der Effizienz der einzelnen möglichen Maßnahmen zum Aufheizen des Katalysators unter Berücksichtigung des mindestens einen erfassten Parameters des aktuellen Betriebszustandes des Antriebsstrangs; e) Ordnen der Anzahl möglicher Maßnahmen zum Aufheizen des Katalysators abhängig von der bestimmten Effizienz und Festlegen einer Reihenfolge beginnend mit der Maßnahme mit der höchsten Effizienz; und f) Durchführen der Maßnahmen zum Aufheizen des Katalysators in der festgelegten Reihenfolge, bis die Temperatur des Katalysators mindestens den Temperaturschwellwert erreicht, wobei jeweils beim Erreichen der maximalen Heizleistung einer Maßnahme die nächste Maßnahme zusätzlich durchgeführt wird.
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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.
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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, wenn ein ungünstiges Verhältnis zwischen zusätzlicher Lastanforderung an den Verbrennungsmotor und Rohemissionen des Verbrennungsmotors vorliegt, um die Rohemissionen des Verbrennungsmotors zu verringern. 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.
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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.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Kennfeld des Verbrennungsmotors in mehrere Bereiche unterteilt wird, wobei in einem ersten Bereich des Kennfelds ein serieller Betrieb des elektrisch beheizbaren Katalysators mit voller Heizleistung erfolgt und in einem weiteren Kennfeldbereich ein serieller Betrieb des elektrisch beheizbaren Katalysators unterbunden wird. Unter einem seriellen Betrieb des elektrisch beheizbaren Katalysators ist ein Betrieb zu verstehen, bei dem der Verbrennungsmotor mit einem Generator gekoppelt ist und die zum Aufheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators notwendige Energie unmittelbar durch den Generator erzeugt wird. Dabei wird auf eine Zwischenspeicherung der Energie in einer Batterie verzichtet. Dadurch kann ein schnelles Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponenten bei gleichzeitig geringen Emissionen in der Aufheizphase sichergestellt werden. Insbesondere wird ein Anstieg der Endrohremissionen in der Heizphase der Abgasnachbehandlungskomponenten durch die Entkopplung des Generators bei dynamischer Lastanforderung an den Verbrennungsmotor minimiert.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Kennfeld des Verbrennungsmotors einen Zwischenbereich aufweist, welcher zwischen dem ersten Kennfeldbereich und dem weiteren Kennfeldbereich liegt, wobei in dem Zwischenbereich ein Betrieb des elektrisch beheizbaren Katalysators mit reduzierten Heizleistung erfolgt. Dadurch kann ein schnelles Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponenten bei gleichzeitig minimalen Endrohremissionen in der Heizphase nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors erreicht werden. Durch eine eingeschränkte Heizleistung wird ein in Hinblick auf die Endrohremissionen guter Kompromiss erreicht. Somit können die Abgasnachbehandlungskomponenten schneller als durch den Abgasstrom allein aufgeheizt werden, wodurch der Zeitraum bis zum Erreichen der jeweiligen Light-Off-Temperatur der jeweiligen Abgasnachbehandlungskomponente minimiert wird.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn in dem Zwischenbereich eine lineare Interpolation der Heizleistung des elektrisch beheizbaren Katalysators zwischen der maximalen Heizleistung im ersten Kennfeldbereich und der vollständigen Abschaltung des elektrisch beheizbaren Katalysators in dem weiteren Bereich durchgeführt wird, um die Heizleistung des elektrisch beheizbaren Katalysators festzulegen. Durch eine lineare Interpolation wird in dem Zwischenbereich das Aufheizverhalten weiter verbessert, ohne einen signifikanten Anstieg der Rohemissionen des Verbrennungsmotors zu verursachen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Unterteilung des Kennfelds in mehrere Kennfeldbereiche auf Basis der Stickoxidrohemissionen (NOx-Rohemissionen) des Verbrennungsmotors erfolgt. Durch die Rohemissionen des Verbrennungsmotors kann eine wirkungsvolle Unterteilung des Kennfelds in mehrere Kennfeldbereiche erfolgen. Dabei kann insbesondere ein Anstieg der Rohemissionen durch ein Abschalten oder eine Reduzierung der Heizleistung des elektrisch beheizbaren Katalysators bei einem dynamischen Fahrbetrieb oder einer hohen Lastanforderung minimiert werden.
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Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass eine Unterteilung des Kennfelds in mehrere Kennfeldbereiche auf Basis der Abgasrückführungsrate (AGR) über eine Hochdruckabgasrückführung des Verbrennungsmotors erfolgt. Über die Abgasrückführungsrate ist ebenfalls eine einfache und wirkungsvolle Unterteilung des Kennfelds in mehrere Kennfeldbereiche möglich. Dabei führt eine hohe Abgasrückführungsrate zu einer deutlichen Verringerung der Stickoxidrohemissionen. Ist eine hohe Abgasrückführungsrate aufgrund einer dynamischen Lastanforderung nicht möglich, so wird in diesem Betriebsbereich gezielt die Generatorleistung und somit die Heizleistung des elektrisch beheizbaren Katalysators verringert, um einen Anstieg der Rohemissionen zu minimieren.
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In einer weiteren Alternative ist vorgesehen, dass eine Unterteilung des Kennfelds in mehrere Kennfeldbereiche auf Basis der Niederdruckabgasrückführung des Verbrennungsmotors erfolgt.
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In einer weiteren Alternative ist vorgesehen, dass eine Unterteilung des Kennfelds in mehrere Kennfeldbereiche auf Basis der gesamten Abgasrückführung über eine Niederdruckabgasrückführung und eine Hochdruckabgasrückführung des Verbrennungsmotors erfolgt. Verfügt der Verbrennungsmotor über eine Hochdruck- und eine Niederdruckabgasrückführung, so kann eine wirkungsvolle Unterteilung das Kennfeld in mehrere Kennfeldbereiche auch auf Basis der gesamten Abgasrückführungsrate erfolgen.
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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 Schub- oder Schwachlastphase des Verbrennungsmotors verhindert werden, dass die Katalysatoren unter ihre jeweilige Light-Off-Temperatur auskühlen.
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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, so 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 eine 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.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterentwicklung des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Ladezustand einer Batterie ermittelt wird, wobei bei einem hinreichenden Ladezustand der Batterie die Stromversorgung des elektrisch beheizbaren Katalysators zumindest teilweise durch einen Batteriestrom sichergestellt wird. Dadurch kann das Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponente in der Abgasanlage weiter beschleunigt werden. Durch die Entkopplung des Generators von dem Verbrennungsmotor und die Stromversorgung des elektrisch beheizbaren Katalysators aus der Batterie können die Rohemissionen des Verbrennungsmotors verringert und gleichzeitig ein schnelles und effizientes Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponenten erreicht werden.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn ein Schwellenwert für den Ladezustand der Batterie festgelegt wird, wobei oberhalb des Schwellenwerts eine zumindest teilweise Kompensation der eingeschränkten Generatorleistung durch einen Batteriestrom der Batterie erfolgt. Der Schwellenwert liegt vorzugsweise im Bereich von 10% - 40%, besonders bevorzugt im Bereich von 15% - 30% der maximalen Batterieladung. Durch einen Schwellenwert kann sichergestellt werden, dass die Batterie stets einen ausreichenden Ladezustand hat, um die weiteren Aufgaben zu Erfüllen und die Batterie durch das Bestromen des elektrisch beheizbaren Katalysators nicht übermäßig entleert wird.
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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.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verbrennungsmotors ist vorgesehen, dass der elektrisch beheizbare Katalysator eine Heizleistung von mindestens 2 KW, vorzugsweise von mindestens 3 KW, besonders bevorzugt von mindestens 4 kW 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 2 KW notwendig. Durch eine höhere Heizleistung wird die jeweilige Light-Off-Temperatur bei ansonsten gleichen Betriebsbedingungen entsprechend früher erreicht.
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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 bei 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.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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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 ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahren zur Abgasnachbehandlung;
- 2 ein Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors mit einem Luftversorgungssystem und einer Abgasanlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung;
- 3 ein Kennfeld eines Verbrennungsmotors mit drei Kennfeldbereichen bezüglich der Rohemissionen des Verbrennungsmotors, wobei in einem ersten Kennfeldbereich ein Betrieb des elektrisch beheizbaren Katalysators unkritisch ist, in einem zweiten Kennfeldbereich eine Reduzierung der Leistung des elektrisch beheizbaren Katalysators wünschenswert ist und in einem dritten Kennfeldbereich eine Reduzierung der Leistung des elektrisch beheizbaren Katalysators erforderlich ist;
- 4 ein Kennfeld eines Verbrennungsmotors mit drei Kennfeldbereichen bezüglich der Abgasrückführungsrate der Hochdruckabgasrückführung des Verbrennungsmotors, wobei in einem ersten Kennfeldbereich ein Betrieb des elektrisch beheizbaren Katalysators unkritisch ist, in einem zweiten Kennfeldbereich eine Reduzierung der Leistung des elektrisch beheizbaren Katalysators wünschenswert ist und in einem dritten Kennfeldbereich eine Reduzierung der Leistung des elektrisch beheizbaren Katalysators erforderlich ist; und
- 5 ein Kennfeld eines Verbrennungsmotors mit drei Kennfeldbereichen bezüglich der Abgasrückführungsrate der Niederdruckabgasrückführung des Verbrennungsmotors, wobei in einem ersten Kennfeldbereich ein Betrieb des elektrisch beheizbaren Katalysators unkritisch ist, in einem zweiten Kennfeldbereich eine Reduzierung der Leistung des elektrisch beheizbaren Katalysators wünschenswert ist und in einem dritten Kennfeldbereich eine Reduzierung der Leistung des elektrisch beheizbaren Katalysators erforderlich ist.
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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 Auslassventile 16 angeordnet, mit welchen eine fluidische Verbindung von den Brennräumen 12 zur Abgasanlage 20 geöffnet oder verschlossen werden kann.
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Die Abgasanlage 20 umfasst einen Abgaskanal 22, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 22 eine 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 72 oder ein NOx-Speicherkatalysator 74, 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 76 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Beschichtung) und weiter stromabwärts ein dritter Katalysator 40, insbesondere ein weiterer SCR-Katalysator, angeordnet. Der zweite Katalysator 30 und der dritte Katalysator 40 sind stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 angeordnet und können somit ebenfalls durch den elektrisch beheizbaren Katalysator 26 erwärmt werden.
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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 22 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.
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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. Alternativ kann der Generator 52, 56, insbesondere der Riemen-Starter-Generator 56, auch direkt mit der Batterie 64 verbunden sein, um die Batterie 64 zu laden.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Verbrennungsmotor 10 dargestellt. Der Verbrennungsmotor 10 ist einlassseitig mit einem Luftversorgungssystem 90 und auslassseitig mit einer Abgasanlage 20 verbunden. Der Verbrennungsmotor 10 umfasst eine Mehrzahl von Brennräumen 12, an welchen jeweils ein Kraftstoffinjektor 14 zum Einspritzen eines Kraftstoffs in den jeweiligen Brennraum 12 angeordnet ist. Die Brennräume 12 weisen jeweils mindestens ein Auslassventil 16, vorzugsweise jeweils zwei Auslassventile auf, mit welchem eine fluidische Verbindung von dem jeweiligen Brennraum 12 zur Abgasanlage 20 geöffnet oder verschlossen werden kann.
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Das Luftversorgungssystem 90 umfasst einen Ansaugkanal, in welchem in Strömungsrichtung von Frischluft durch den Absaugkanal ein Verdichter 92 des Abgasturboladers 24 und stromabwärts des Verdichters 92 ein Ladeluftkühler 98 angeordnet sind.
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Der Verbrennungsmotor 10 weist eine Hochdruckabgasrückführung 84 mit einem Abgasrückführungskanal auf, welche einen Auslass 18 des Verbrennungsmotors 10 mit einem Einlass des Verbrennungsmotors 10 verbindet. Die Hochdruckabgasrückführung umfasst einen Abgasrückführungskanal, in welchem ein Abgasrückführungskühler 88 und ein Abgasrückführungsventil 86 zur Steuerung der über den Abgasrückführungskanal zurückgeführten Abgasmenge angeordnet sind.
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In der Abgasanlage 20 des Verbrennungsmotors 10 sind in Strömungsrichtung eines Abgasstroms durch die Abgasanlage 20 eine Turbine 34 des Abgasturboladers 24, stromabwärts der Turbine 34 ein elektrisch beheizbarer Katalysator 26 und weiter stromabwärts ein erster Katalysator 28 angeordnet, welcher vorzugsweise als Oxidationskatalysator 72 oder als NOx-Speicherkatalysator 74 ausgebildet ist. Stromabwärts des ersten Katalysators 28 ist ein zweiter Katalysator 30 angeordnet, welcher vorzugsweise als Partikelfilter 32 mit einer Beschichtung 76 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ausgebildet ist. Stromabwärts des zweiten Katalysators 30 ist eine Verzweigung 94 ausgebildet, an welcher ein Abgasrückführungskanal einer Niederdruckabgasrückführung 80 aus dem Abgaskanal 22 der Abgasanlage 20 abzweigt. Die Niederdruckabgasrückführung 80 verbindet die Abgasanlage 20 stromabwärts des zweiten Katalysators 30 mit dem Ansaugkanal des Luftversorgungssystems 90 stromaufwärts des Verdichters 92 des Abgasturboladers 24. In dem Abgasrückführungskanal der Niederdruckabgasrückführung 80 ist ein Abgasrückführungsventil 82 angeordnet, mit welchem die über die Niederdruckabgasrückführung 80 zurückgeführte Abgasmenge steuerbar ist. Der Abgasrückführungskanal der Niederdruckabgasrückführung 80 mündet an einer Einmündung 96 in den Ansaugkanal des Luftversorgungssystems 90. Stromabwärts der Verzweigung 94 ist in dem Abgaskanal 22 eine Abgasklappe 78 angeordnet, um den Abgaskanal 22 zumindest teilweise zu versperren und somit die über die Niederdruckabgasrückführung 80 zurückgeführte Abgasmenge zu steuern.
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In 3 ist ein Kennfelddiagramm eines Verbrennungsmotors 10 dargestellt, bei dem die Leistung P des Verbrennungsmotors 10 über die Drehzahl n aufgetragen ist. Dabei ist das Kennfeld des Verbrennungsmotor 10 in Abhängigkeit von der Zunahme der Stickoxidrohemissionen ΔNOx in drei Kennfeldbereiche I, II, III unterteilt. In einem ersten Kennfeldbereich I erfolgt ein Betrieb des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 mit voller Heizleistung, da in diesem Kennfeldbereich eine zusätzliche Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors zur Erzeugung der elektrischen Energie zum Beheizen des elektrisch heizbaren Katalysators 26 unkritisch ist. In einem zweiten Kennfeldbereich II wird bevorzugt, die Heizleistung des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 zu reduzieren, um einen weiteren Anstieg der Rohemissionen des Verbrennungsmotors 10 zu vermeiden. In dem dritten Kennfeldbereich III ist eine Reduzierung der Heizleistung des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 erforderlich. Die Unterteilung der Kennfeldbereiche I, II, III kann insbesondere über einen Anstieg der Stickoxidrohemissionen des Verbrennungsmotors 10 erfolgen.
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Dabei wird in Abhängigkeit von den Rohemissionen des Verbrennungsmotors 10 im aktuellen Betriebspunkt die Leistung des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 verändert, um die Heizenergie PEH mit möglichst geringen Rohemissionen bereitzustellen, und insbesondere in Punkten mit hohen Rohemissionen den Verbrennungsmotor 10 zu entlasten. Wenn eine Batterie 64 des Kraftfahrzeugs 1 einen ausreichenden Ladezustand aufweist, ist es vorteilhaft, zumindest einen Teil der Leistung, um den der Verbrennungsmotor 10 entlastet wird, aus der Batterie 64 zu beziehen, sodass weiterhin eine hohe Heizleistung an den elektrisch beheizbaren Katalysator 26 übertragen wird.
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Nachfolgend sind beispielhafte Daten für einen Verbrennungsmotor 10 aufgeführt. Ausgehend von einer Leistung von 10 KW bei einer Drehzahl von 1000 rpm (rpm = rotation per minute (Umdrehungen pro Minute)) ist unterhalb einer Geraden mit einer Steigung von 1 KW / 60 rpm ein serieller Betrieb des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 unkritisch (Kennfeldbereich I). Ausgehend von einer Leistung von 12 KW bei einer Drehzahl von 1000 rpm ist oberhalb einer Geraden mit einer Steigung von 1 KW / 25 rpm von einem seriellen Betrieb des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 abzusehen (Kennfeldbereich III). Zwischen diesen Geraden liegt der Kennfeldbereich II, in welchem eine lineare Interpolation zwischen der vollen Heizleistung in Kennfeldbereich I und einem Abschalten des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 in Kennfeldbereich III anzustreben ist. Unter einem seriellen Betrieb des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 ist dabei ein Betrieb zu verstehen, bei dem der Verbrennungsmotors 10 mit einem Generator 52 gekoppelt ist und der Generator 52 den elektrisch beheizbaren Katalysator 26 unmittelbar, also ohne Zwischenschaltung einer Batterie 64, mit elektrischem Strom versorgt.
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In 4 ist ein weiteres Kennfeld eines Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Dabei erfolgt die Unterteilung des Kennfelds in drei unterschiedliche Kennfeldbereiche auf Basis der Abgasrückführungsrate AGRHD über die Hochdruckabgasrückführung 84. Selbst wenn der Verbrennungsmotor 10 über eine Niederdruckabgasrückführung 80 und eine Hochdruckabgasrückführung 84 verfügt, ist bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotor 10, bei dem der elektrisch beheizbare Katalysator 26 hauptsächlich betrieben wird, bis zum Erreichen einer gewissen Mindesttemperatur des Kühlwassers die Rohemissionsminderung ausschließlich mit einer ungekühlten Hochdruckabgasrückführung 84 möglich. Andernfalls besteht die Gefahr der Kondensatbildung in der Abgasrückführungsleitung der Niederdruckabgasrückführung 80, welche zu Bauteilschäden in der Abgasanlage 20, dem Luftversorgungssystem 90 oder an dem Verbrennungsmotor 10 führen kann.
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Eine weitere sinnvolle Möglichkeit der Abgrenzung der drei Bereiche ist daher die Abgasrückführungsrate über die Hochdruckabgasrückführung 84. Oberhalb einer Abgasrückführungsrate von 18 - 20% ist ein Betrieb des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 aus Sicht der Stickoxidrohemissionen unkritisch (Kennfeldbereich I). Unterhalb einer Abgasrückführungsrate von 7 - 10% ist von einem seriellen Betrieb des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 abzusehen (Kennfeldbereich III). Zwischen diesen Bereichen ist eine lineare Interpolation der Leistung des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 anzustreben (Kennfeldbereich II), wobei mit sinkender Abgasrückführungsrate die Leistung des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 reduziert wird.
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Die hier beschriebenen Grenzen für die Hochdruckabgasrückführung lassen sich ebenso auf eine motorinterne Abgasrückführung des Verbrennungsmotors 10, bei der Abgas im Saugrohr vorgelagert, im Zylinder zurückgehalten, oder aus dem Abgaskrümmer zurückgesaugt wird, anwenden. Dies gilt insbesondere auch für die Summe aus zurückgeführtem Abgas über die Hochdruckabgasrückführung 84 und die motorinterne Abgasrückführung 80. Erfolgt die Abgasrückführung über eine gekühlte Hochdruckabgasrückführung 84 mit einem Abgasrückführungskühler 88, so kann der prozentuale Anteil des zurückgeführten Abgases bei der Einteilung der Kennfeldbereiche I, II, III erhöht werden.
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In 5 ist ein weiteres Kennfeld des Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Dabei erfolgt die Unterteilung des Kennfelds in drei unterschiedliche Kennfeldbereiche I, II, II auf Basis der gesamten Abgasrückführungsrate AGRges über die Niederdruckabgasrückführung 80 und die Hochdruckabgasrückführung 84. Besteht eine Heizanforderung an den elektrisch beheizbaren Katalysator 26 auch nach der Freigabe der Niederdruckabgasrückführung 80, so ist es sinnvoll die drei Kennfeldbereiche I, II, III anhand der gesamten Abgasrückführung, als der Summe des über die Hochdruckabgasrückführung 84 und die Niederdruckabgasrückführung 80 zurückgeführten Abgases zu unterteilen. Oberhalb einer Abgasrückführungsrate von 33 - 35% ist ein serieller Betrieb des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 aus Sicht der Stickoxidrohemissionen unkritisch (Kennfeldbereich I). Unterhalb einer Abgasrückführungsrate von 20 - 25% ist von einem seriellen Betrieb des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 abzusehen (Kennfeldbereich III). Zwischen diesen Bereichen ist eine lineare Interpolation anzustreben (Kennfeldbereich II). Diese Unterteilung der Kennfeldbereiche gilt ebenfalls für Verbrennungsmotoren 10 mit gekühlter Hochdruckabgasrückführung 84, sowie Verbrennungsmotoren 10 mit gekühlter Niederdruckabgasrückführung 80.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Brennraum
- 14
- Kraftstoffinjektor
- 16
- Auslassventil
- 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
- 72
- Oxidationskatalysator
- 74
- NOx-Speicherkatalysator
- 76
- SCR-Beschichtung
- 78
- Abgasklappe
- 80
- Niederdruckabgasrückführung
- 82
- Abgasrückführungsventil
- 84
- Hochdruckabgasrückführung
- 86
- Abgasrückführungsventil
- 88
- Abgasrückführungskühler
- 90
- Luftversorgungssystem
- 92
- Verdichter
- 94
- Verzweigung
- 96
- Einmündung
- 98
- Ladeluftkühler
- AGR
- Abgasrückführungsrate
- AGRHD
- Abgasrückführungsrate über die Hochdruckabgasrückführung
- AGRges
- Gesamte Abgasrückführungrate über die Hochdruck- und Niederdruckabgasrückführung
- KW
- Kilowatt
- ΔNOx
- Zunahme der Stickoxidrohemissionen des Verbrennungsmotors
- P
- Leistung des Verbrennungsmotors
- PEH
- Heizleistung des elektrisch beheizbaren Katalysators
- T
- Temperatur
- TEG
- Abgastemperatur
- U
- Umdrehungen
- min
- Minute
- n
- Drehzahl
- rpm
- Umdrehungen pro Minute (rotation per minute)
- I
- erster Kennfeldbereich
- II
- zweiter Kennfeldbereich
- III
- dritter Kennfeldbereich
