DE102020202136A1

DE102020202136A1 - Lambdakompensation mit Abgasbrenner

Info

Publication number: DE102020202136A1
Application number: DE102020202136.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Fey; Bernd Kraewer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-02-19
Filing date: 2020-02-19
Publication date: 2021-08-19
Also published as: US11339697B2; CN113279848A; US20210254525A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasbrenners (B) eines Fahrzeugs (100), das zumindest eine Brennkraftmaschine (V) und einen Katalysator (C1, C2) aufweist, wobei Abgase (22, 24) des Abgasbrenners (B) stromauf des Katalysators (C1, C2) mit Abgasen (12) der Brennkraftmaschine (V) unter Bildung eines Abgasgemischs zusammengeführt werden, wobei ein Lambdawert der Abgase (22, 24) des Abgasbrenners (B) in Abhängigkeit von einem Lambdawert der Abgase (12) der Brennkraftmaschine (V) eingestellt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasbrenners eines Fahrzeugs sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
Stand der Technik
Zur Abgasnachbehandlung werden häufig Katalysatoren eingesetzt, die bestimmte Abgaskomponenten, beispielsweise Kohlenstoffmonoxid, Kohlenwasserstoffe, verschiedene Stickstoffoxide und/oder Schwefeloxide chemisch umsetzen.
In vielen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor werden Lambdasonden bzw. Lambdasensoren eingesetzt, um das Kraftstoff/Verbrennungsluft-Verhältnis zu regeln. Der Lambdawert entspricht einem Stöchiometrieverhältnis zwischen Verbrennungssauerstoff und Brennstoffmolekülen, wobei ein Wert von Eins bedeutet, dass so viel Sauerstoff in dem Verbrennungsraum vorhanden ist, wie theoretisch für die vollständige Verbrennung des Brennstoffs benötigt wird. Lambdawerte über Eins kennzeichnen einen Sauerstoffüberschuss (mageres Gemisch), Werte unter Eins einen Sauerstoffmangel (fettes Gemisch) im Verbrennungsraum.
Im Allgemeinen wird der Lambdawert auf einen Wert von Eins eingeregelt, um eine optimale Wirkung des Katalysators zu erzielen. Allerdings gibt es davon abweichende Anforderungen, beispielsweise um einen Partikelfilter zu regenerieren oder bestimmte Diagnoseverfahren, z.B. für Lambdasonden oder Katalysatoren, durchzuführen, oder zum sog. Katheizen. Solche Situationen können teilweise durch Sauerstoffspeicherkomponenten im Katalysator aufgefangen werden. Bei lang andauernder Abweichung kann es jedoch sein, dass Schadstoffe in die Umwelt freigesetzt werden.
Es ist daher erwünscht, ein verbessertes Verfahren zur Abgasnachbehandlung anzugeben.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasbrenners eines Fahrzeugs sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Abgasbrenners eines Fahrzeugs, das zumindest eine Brennkraftmaschine und zumindest einen Katalysator aufweist, werden Abgase des Abgasbrenners stromauf des zumindest einen Katalysators mit Abgasen der Brennkraftmaschine unter Bildung eines Abgasgemischs zusammengeführt, wobei ein Lambdawert der Abgase des Abgasbrenners in Abhängigkeit von einem Lambdawert der Abgase der Brennkraftmaschine eingestellt wird. Auf diese Weise kann die Brennkraftmaschine auch für längere Zeit mit einem irregulären Lambdawert betrieben werden und der Lambdawert des gemischten Abgases kann trotzdem regulär sein, so dass das gemischte Abgas in einem Katalysator hinter der Zusammenführung des Verbrennungsmotors und des Abgasbrenners regulär abreagieren kann. Gleichermaßen kann auch der Lambdawert der Abgase der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von dem Lambdawert der Abgase des Abgasbrenners eingestellt werden, mit dem Ziel, einen bestimmten Ziellambdawert des gemischten Abgases, vorzugsweise einen Wert von Eins, zu erreichen.
Bei der Brennkraftmaschine kann es sich insbesondere um einen Ottomotor oder einen Drehkolbenmotor („Wankelmotor“) handeln. Vorteilhafterweise ist die Brennkraftmaschine in einem Regelbetrieb mit einem stöchiometrisch zusammengesetzten Luft-Kraftstoffgemisch, insbesondere unter Verwendung von Benzin, Ethanol, Erdgas oder Autogas als Kraftstoff, betreibbar. Dadurch wird in einem überwiegenden Anteil einer Betriebsdauer ein Abgas mit einem Lambdawert nahe an dem Zielwert von Eins erzeugt.
Vorteilhafterweise wird dabei der Abgasbrenner in einem fetten Betriebsmodus (Brenner-Lambdawert kleiner als 1) betrieben, wenn die Brennkraftmaschine in einem mageren Betriebsmodus betrieben wird, und in einem mageren Betriebsmodus (Brenner-Lambdawert größer als 1) betrieben, wenn die Brennkraftmaschine in einem fetten Betriebsmodus betrieben wird. So kann der Abgasbrenner einen Lambdawert des Abgases der Brennkraftmaschine in Richtung eines Lambdawerts von Eins kompensieren.
Ebenso ist es jedoch in bestimmten Situationen vorteilhaft, wenn die Brennkraftmaschine in einem stöchiometrischen Betriebsmodus betrieben wird und der Abgasbrenner in einem fetten Betriebsmodus oder in einem mageren Betriebsmodus betrieben wird, um den Ziellambdawert des Abgasgemisches entsprechend vorzugeben, beispielsweise, weil eine Komponente im Abgasstrang diesen bestimmten Ziellambdawert für eine bestimmte Funktion erfordert. In diesem Fall kann die Brennkraftmaschine dann trotzdem stöchiometrisch betrieben werden, was beispielsweise für einen Dreiwegekatalysator optimal ist, und der Brenner kann einen Ziellambdawert für einen nachgeordneten Partikelfilter einstellen o.ä. Vorteilhafterweise wird der Lambdawert der Abgase des Abgasbrenners so eingestellt, dass das Abgasgemisch einen gewünschten Ziellambdawert, insbesondere Eins, hat. Dadurch sind besonders niedrige Schadstoffkonzentrationen stromab des zumindest einen Katalysators erzielbar.
Vorteilhafterweise wird ein Füllgrad des zumindest einen Katalysators ermittelt, und der Lambdawert der Abgase des Abgasbrenners so eingestellt, dass der Füllgrad des zumindest einen Katalysators einen vorbestimmten Füllgradbereich, der durch einen (halboffen) oder zwei Schwellwerte begrenzt ist, nicht verlässt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass ein Abgasstrom, der aus dem Fahrzeug emittiert wird, unabhängig von verschiedenen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine ungewünschte Komponenten nicht oder nur in einem Maß enthält, das vorbestimmte Schwellwerte, insbesondere gesetzlich festgelegte Grenzwerte, nicht überschreitet.
Der Füllgrad des zumindest einen Katalysators beschreibt dabei insbesondere eine momentan gespeicherte Menge an Sauerstoff und/oder Stickstoffoxiden, beispielsweise absolut oder relativ zu einer maximal möglichen Speichermenge. Dies ist vorteilhaft, da Katalysatoren eine gewisse Menge an diesen Stoffen speichern können und so beispielsweise Zeiträume mit veränderter Abgaszusammensetzung ohne Beeinträchtigung ihrer Katalysefunktion überbrücken können. Allerdings ist die Speicherkapazität naturgemäß begrenzt, so dass ein Leer- bzw. Volllaufen des Speichers verhindert werden muss. Durch die Überwachung des Füllgrades und entsprechende Ansteuerung des Abgasbrenners kann dies sichergestellt werden.
Dabei wird der Abgasbrenner vorteilhafterweise in einem fetten Betriebsmodus betrieben, wenn der Füllgrad des zumindest einen Katalysators sich der einen Füllgradbereichsgrenze nähert, z.B. einem ersten Schwellwert, und/oder in einem mageren Betriebsmodus betrieben, wenn der Füllgrad des zumindest einen Katalysators sich der anderen Füllgradbereichsgrenze nähert, z.B. einem zweiten Schwellwert. So kann der Abgasbrenner jeweils so betrieben werden, dass das durch den Abgasbrenner erzeugte Abgas Zusammensetzungs- bzw. Lambdaschwankungen des Abgases der Brennkraftmaschine ausgleicht und daher der zumindest eine Katalysator stets in einem optimalen Betriebspunkt betrieben werden kann. Auch ein zyklischer Betrieb eines Katalysators kann so vorteilhaft realisiert werden, ohne zeitweise erhöhte Schadstoffkonzentrationen im Abgas hinnehmen zu müssen.
Vorteilhafterweise wird der Füllgrad unter Verwendung eines Katalysatormodells ermittelt bzw. berechnet. Dadurch können ohnehin bereits vorhandene Messeinrichtungen, insbesondere Lambdasonden, zur Überwachung des Füllgrades verwendet werden, was sich positiv auf die Implementierungskosten auswirkt. Dazu kann beispielsweise ein Modell, wie es in der DE 10 2016 222 418 A1 beschrieben ist, verwendet werden.
Wenn erkannt wird, dass der Füllgrad des Katalysators einen vorbestimmten Füllgradbereich verlässt, wird der Abgasbrenner vorteilhafterweise so betrieben, dass sein Abgas ein durch das Verlassen des Füllgradbereichs verursachtes Abweichen des Lambdawerts des Abgases von einem Ziellambdawert, der insbesondere Eins beträgt, kompensiert. Dadurch können Emissionen von unerwünschten Schadstoffen sicher verhindert werden, da ein Verlassen des vorgegebenen Füllgradbereichs insbesondere schon vor einem Durchbrechen der unerwünschten Abgaskomponenten erkannt wird.
Besonders vorteilhaft ist das Verfahren, wenn dabei eine Totzeit (bzw. Strömzeit) des Abgases von der Brennkraftmaschine und/oder eine Totzeit des Abgases von dem Abgasbrenner jeweils bis zu der Zusammenführung der Abgase ermittelt wird, und der Abgasbrenner so betrieben wird, dass sein Abgas zur selben Zeit in die Zusammenführung eingespeist wird, wie das Abgas der Brennkraftmaschine, dessen Lambdawert für die Einstellung seines Lambdawerts verwendet wurde. Dadurch kann der Abgasbrenner zeitlich so gesteuert werden, dass die zusammengehörigen Abgasströme gleichzeitig an der Stelle der Zusammenführung eintreffen und somit die Zusammensetzungen optimal aufeinander abgestimmt sind.
Eine Regelung oder Steuerung des Lambdawerts ist allgemein möglich, indem ein Lambdawert eines Gasstroms, z.B. durch eine oder mehrere Lambdasensoren bzw. Lambdasonden, gemessen wird und auf der Grundlage dieses Messwertes ein Betriebsparameter, der die Zusammensetzung des betreffenden Gasstroms beeinflusst, gesteuert wird. Insbesondere kommen als Betriebsparameter die Zusammensetzung, die Menge, der Druck und/oder die Temperatur eines der Brennkraftmaschine und/oder dem Abgasbrenner zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs, oder einer oder mehrerer von dessen Komponenten in Frage. Auch eine Vorsteuerung und/oder Störgrößenaufschaltung unter Verwendung verschiedener Einflussparameter ist möglich. Beispielsweise kann zur Realisierung bestimmter Funktionen ein anderer Lambdawert in bestimmten Teilströmen vorgesehen sein, als dies in einem Normalbetrieb der Fall ist. Daher können beispielsweise auch die Temperatur, die Betriebsdauer oder ein Fehlerzustand bestimmter Bauteile als Einflussgrößen für die Steuerung oder Regelung herangezogen werden.
Vorteilhafterweise wird ein Lambdawert eines Abgases an zumindest einer Stelle unmittelbar stromab der Brennkraftmaschine und/oder unmittelbar stromab des Abgasbrenners und/oder unmittelbar stromab des zumindest einen Katalysators und/oder unmittelbar stromab der Zusammenführung der Abgase der Brennkraftmaschine und des Abgasbrenners erfasst. Dadurch ist jeweils eine sehr präzise Steuerung bzw. Regelung der betreffenden Abgasströme möglich.
Bevorzugt wird ein Ziellambdawert eingestellt, der für die Durchführung einer Funktion einer oder mehrerer Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems erforderlich ist. Dazu kann die Brennkraftmaschine so betrieben werden, dass sie ein Abgas erzeugt, das den Ziellambdawert aufweist, oder der Abgasbrenner kann so betrieben werden, dass das gemischte Abgas stromab der Zusammenführung des Brennerabgases mit dem Abgas der Brennkraftmaschine den Ziellambdawert aufweist. Der Ziellambdawert kann dabei Eins betragen oder ein von Eins abweichender Wert sein, also größer oder kleiner als Eins sein.
Beispielsweise kann die Brennkraftmaschine so betrieben werden, dass sie ein Abgas erzeugt, dessen Lambdawert gezielt von Eins abweicht. In einem solchen Fall wird in dem Abgasnachbehandlungssystem eine Funktion ausgeführt, die einen solchen Lambdawert erfordert, insbesondere um einen Partikelfilter zu regenerieren, zum sog. Katheizen oder für bestimmte Diagnoseverfahren, z.B. für Lambdasonden oder Katalysatoren. In solchen Fällen wird der Abgasbrenner insbesondere so betrieben, dass ein das Abgasnachbehandlungssystem verlassendes Abgas einen Lambdawert von Eins aufweist, also die gezielte Abweichung stromab der die Funktion ausführenden Komponente durch entsprechende Steuerung des Lambdawerts des Brennerabgases kompensiert wird.
Es versteht sich, dass der Abgasbrenner nicht unbedingt dauerhaft betrieben werden muss. Vielmehr kann es auch vorteilhaft sein, ihn insbesondere dann zu betreiben, wenn ein Abgas-Lambdawert der Brennkraftmaschine oder ein Füllgrad eines Katalysators von einem gewünschten Wert abweicht. Dadurch kann beispielsweise Kraftstoff gespart werden.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt ein Fahrzeug, das zur Durchführung einer vorteilhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, in stark schematisierter Darstellung.
2 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines vereinfachten Flussdiagramms.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist ein Fahrzeug 100 mit einer Brennkraftmaschine V und einem Abgasnachbehandlungssystem 110 schematisch dargestellt.
Die Brennkraftmaschine V kann beispielsweise in Form eines Ottomotors, eines Dieselmotors und/oder eines Wankel- bzw. Drehkolbenmotors ausgeführt sein. Auch ein Magermotor mit Fremdzündung kann als die Brennkraftmaschine V verwendet werden.
Das Abgasnachbehandlungssystem 110 ist stromab der Brennkraftmaschine V angeordnet und umfasst zumindest einen, im dargestellten Beispiel zwei, Katalysatoren) C1, C2, einen Abgas-Brenner B sowie einen oder mehrere Sensoren L1 bis L7, wovon zumindest einer in Form einer Lambdasonde L1 ausgeführt ist.
Das Abgas 22, 24, 26 des Abgasbrenners B kann dabei an verschiedenen Stellen mit dem Abgas 12 der Brennkraftmaschine V zusammengeführt werden. Mögliche Stellen für die Zusammenführung sind jeweils stromauf und stromab der beiden Katalysatoren, da an diesen Stellen jeweils unterschiedliche Zusammensetzungen des Abgases 12, 14, 16 der Brennkraftmaschine V zu erwarten sind.
Auch die Sensoren L1 bis L7 können an unterschiedlichen Stellen positioniert sein, wobei insbesondere jeweils unmittelbar stromauf und stromab von Komponenten C1, C2, B des Abgasnachbehandlungssystems 110 besonders relevante Werte für die Steuerung der jeweiligen Komponenten erfasst werden können. Besonders zweckmäßig ist in diesem Zusammenhang die Lambdasonde L1 unmittelbar stromab der Brennkraftmaschine V, so dass diese in jedem Fall vorgesehen ist, auf die anderen Sensoren kann gegebenenfalls verzichtet werden, insbesondere, wenn mathematische Verfahren zur Ermittlung der Abgaszusammensetzung an anderen Stellen im Abgasnachbehandlungssystem 110 verwendet werden.
Einer der beiden dargestellten Katalysatoren C1, C2 kann beispielsweise einen Dreiwegekatalysator C1 (für Otto-Motoren; beispielsweise NO_x-Speicherkatalysator oder Oxidationskatalysator für Diesel-Motoren) umfassen, während ein weiterer Katalysator C2 ebenfalls einen Dreiwegekatalysator oder einen Partikelfilter (beschichtet oder unbeschichtet) (für Otto-Motoren; beispielsweise SCR-Katalysator oder Partikelfilter für Diesel-Motoren) umfassen kann. Es sei hier ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die relative Anordnung der Katalysatoren C1, C2 zueinander hier nur beispielhaft dargestellt ist und dass es auch vorteilhaft sein kann, diese in umgekehrter Reihenfolge anzuordnen. Des Weiteren kann vorgesehen sein, weitere gleichartige und/oder andere Katalysatoren und/oder Filtersysteme, beispielsweise Rußpartikelfilter, in das Abgasnachbehandlungssystem 110 zu integrieren. Auch ist es möglich, mehrere unterschiedliche Katalysatortypen in einem einzigen Multifunktionskatalysator zusammenzufassen, wie es beispielsweise in einem Dreiwegekatalysator üblich ist.
Mittels der Lambdasonde L1 wird der Lambdawert des Abgases 12 der Brennkraftmaschine V überwacht und ggf. eingestellt bzw. geregelt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird in Betriebsphasen, in denen dieser Lambdawert von Eins abweicht, der Abgasbrenner B so betrieben, dass er dem Abgas 12 der Brennkraftmaschine V ein Brennerabgas 22, 24, 26 zuführt, das diese Abweichung zumindest teilweise kompensiert. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, die Brennkraftmaschine V in einem fetten (oder mageren) Betriebsmodus zu betreiben, um einen erhöhten Anteil an nicht vollständig verbranntem Kraftstoff in einem Abgasstrom 12 zu erzielen. Dies kann für verschiedene Funktionen sinnvoll sein, beispielsweise um zu Beginn einer Fahrt bei noch kaltem Abgasnachbehandlungssystem 110 den Katalysator C1, C2 zu heizen, so dass er möglichst schnell seine Betriebstemperatur erreicht, oder um einen Partikelfilter auf eine zur Partikelverbrennung notwendige Temperatur aufzuheizen. Auch Analyse- bzw. Diagnosefunktionen, bspw. zur Funktionsüberwachung einer Lambdasonde L1 bis L7 oder eines Katalysators C1, C2, können ein fettes (oder mageres) Abgasgemisch erfordern.
Wird die Brennkraftmaschine V in einem fetten Betriebsmodus betrieben, so dass der Brennkraftmaschine V zugeführter Kraftstoff 10 nicht vollständig verbrannt in das Abgas 12 der Brennkraftmaschine V überführt wird, stellt der Abgasbrenner B ein mageres Abgas 22, 24, 26 bereit, um zusätzlichen Sauerstoff für die Verbrennung der Kraftstoffreste zur Verfügung zu stellen. Insbesondere wird der Abgasbrenner B dabei so betrieben, dass ein das Abgasnachbehandlungssystem 110 verlassendes Abgas 30 einen Lambdawert von Eins aufweist, die Abweichungen des Lambdawertes Abgases 12 der Brennkraftmaschine V von Eins also vollständig kompensiert.
Ein derartiges Verfahren ist schematisch auch in 2 dargestellt und insgesamt mit 200 bezeichnet. In einem Schritt S1 wird ein Luft-Kraftstoff-Gemisch 10 eingestellt und eine Brennkraftmaschine V damit betrieben, wobei ein Abgas 12 erzeugt wird. In einem Schritt S2 wird ein Lambdawert dieses Abgases 12, beispielsweise unter Verwendung der Lambdasonde L1, gemessen. Der in Schritt S2 gemessene Lambdawert wird im Rahmen eines, insbesondere geschlossenen, Regelkreises zur Einstellung des Luft-Kraftstoff-Gemischs 10 in dem Schritt S1 verwendet.
Wenn der Lambdawert einem ersten Ziellambdawert entspricht, der für eine Funktion, beispielsweise eine Katalysatorregeneration, erforderlich ist, wird unter Verwendung des den ersten Ziellambdawert aufweisenden Abgases 12 in einem Schritt S3 die Funktion ausgeführt. Im dargestellten Beispiel wird dementsprechend in dem Schritt S3 der Katalysator C1, hier ein Dreiwegekatalysator C1, geheizt. Dazu ist das Abgas insbesondere fett, weist also einen Lambdawert von unter Eins auf.
Um zu verhindern, dass unerwünschte Bestandteile des den Katalysator C1 verlassenden Abgases 14 in die Umwelt abgegeben werden, wird in einem Schritt S4 der Abgasbrenner B unter Verwendung des in dem Schritt S2 gemessenen Lambdawertes so betrieben, dass das stromab der Zusammenführung von Katalysatorabgas 14 und Brennerabgas 24 entstehende Abgasgemisch einen zweiten Ziellambdawert, der beispielsweise Eins beträgt, aufweist.
In dem dargestellten Beispiel wird der Lambdawert des Abgasgemischs in einem Schritt S5 gemessen, beispielsweise unter Verwendung einer weiteren Lambdasonde L5. der in dem Schritt S5 gemessene Lambdawert wird zur Regelung bzw. Steuerung des Abgasbrenners in S4 herangezogen.
In dem dargestellten Beispiel weist zumindest einer der Katalysatoren C1, C2 eine Speicherfunktion auf. Beispielsweise kann der Dreiwegekatalysator C1 eine bestimmte Menge an Sauerstoff speichern. Auch bestimmte Typen von NO_x-Speicherkatalysatoren weisen eine Speicherfähigkeit für Stickstoffdioxid auf, die auf eine maximale Speicherkapazität begrenzt ist.
Die Werte, die mittels des einen oder der mehreren Sensoren L1 bis L7, beispielsweise der Lambdasonde L1, ermittelt werden, können zumindest teilweise dazu verwendet werden, einen Füllgrad zumindest eines Katalysators C1, C2 zu bestimmen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Lambdawert der Abgase 22, 24 des Abgasbrenners B auch so eingestellt werden, dass der Füllgrad des Katalysators C1 bzw. C2 einen vorbestimmten Füllgradbereich nicht verlässt. Nähert sich der Füllgrad daher einer Füllgradbereichsgrenze, erreicht beispielsweise einen vorbestimmten ersten Schwellwert, der beispielsweise nahe an der maximalen Speicherkapazität, beispielsweise bei 90 % der Speicherkapazität, liegt, werden der Brenner B und ggf. auch die Brennkraftmaschine V so gesteuert, dass der Speicher wieder geleert wird.
Es kann auch sein, dass zur Sicherstellung der Katalysefunktion eines Katalysators ein bestimmter Mindestfüllgrad des Katalysators vorliegen muss. Dies ist beispielsweise bei Dreiwegekatalysatoren der Fall, die Sauerstoff benötigen, um Schadstoffe aus dem ihnen zugeführten Abgas zu oxidieren. In solchen Fällen ist es zweckmäßig, den Brenner B so zu steuern, dass der Füllgrad einen vorbestimmten Schwellwert, der beispielsweise nahe an diesem Mindestfüllgrad liegen kann, nicht unterschreitet.
Ein ähnliches Vorgehen ist beispielsweise auch für einen NO_x-Speicherkatalysator an der Stelle C1 (auch als Lean NO_xTrap oder Stickoxidfalle bezeichnet) vorteilhaft, da er zur Reduktion der gespeicherten Stickstoffoxide eine sauerstoffarme Atmosphäre benötigt. So kann der NO_x-Speicherkatalysator beispielsweise nahe an der Brennkraftmaschine V positioniert werden und mit einem Abgas 12 der Brennkraftmaschine V beaufschlagt werden. Um den Stickstoffoxid-Speicher zu leeren, kann das Abgas 12 als fettes Abgas bereitgestellt werden. Dazu wird beispielsweise der Brennkraftmaschine V ein fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch 10 zugeführt.
Stromab des NO_x-Speicherkatalysators C1 kann ein Abgas 24 des Abgasbrenners B mit einem Abgas 14 des Katalysators C1 zusammengeführt werden. Stromab der Zusammenführung kann ein Dreiwegekatalysator C2 angeordnet sein, um in dem Abgasgemisch 14, 24 vorhandene Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenstoffmonoxid zu oxidieren, wozu Sauerstoff nötig ist. Dieser zur Oxidation benötigte Sauerstoff kann in dem Dreiwegekatalysator C2 gespeichert sein und/oder durch geeignete Einstellung der Betriebsparameter des Abgasbrenners B über das Brennerabgas 24 bereitgestellt werden.
Die Bereitstellung eines fetten Abgasgemischs stromauf des NO_x-Speicherkatalysators C1 kann auch unter Verwendung des Brenners B erfolgen, indem dieser so betrieben wird, dass eine Verbrennung von ihm zugeführtem Luft-Kraftstoff-Gemisch 20 nicht vollständig abläuft. Ein entsprechendes fettes Brennerabgas 22 kann dann dem Abgas 12 der Brennkraftmaschine V zugemischt werden, um dem NO_x-Speicherkatalysators C1 das zur Regeneration (bzw. Speicherleerung) benötigte fette Abgas 12, 22 zuzuführen. Dadurch muss nicht in die Betriebsparameter der Brennkraftmaschine V eingegriffen werden, um ein fettes Abgas 12 zu erzeugen, was sich beispielsweise positiv auf die durch die Brennkraftmaschine abgegebene Leistung oder deren Wirkungsgrad auswirken kann.
Der Füllgrad der entsprechenden Katalysatoren C1, C2 kann jeweils separat bestimmt werden, so dass die Funktion des Abgasnachbehandlungssystems 110 sehr präzise gesteuert werden kann. Zur Füllstandsüberwachung werden beispielsweise jeweils Daten zumindest eines Sensors L1 bis L7 herangezogen. Beispielsweise können die durch die Lambdasonde L1 ermittelten Lambdawerte verwendet werden, um einen zeitlichen Verlauf der Sauerstoffkonzentration im Abgas 12 der Brennkraftmaschine V zu bestimmen. Da die Dimensionierung der Katalysatoren bekannt ist, kann aus diesem zeitlichen Verlauf der Sauerstoffkonzentration auf den Füllgrad des Sauerstoffspeichers des Dreiwegekatalysators C2 geschlossen werden. Insbesondere vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang die Berechnung eines mathematischen Modells des Katalysators C2, um den jeweils nötigen Eingriffszeitpunkt für die Brennersteuerung genau zu ermitteln. Dadurch kann die Steuerung auf ein notwendiges Minimum beschränkt werden, was die Effizienz eines derartigen Verfahrens steigert. Vorteilhafterweise können zur Präzisionssteigerung auch Werte weiterer Lambdasonden L2, L3, L5, L7 an anderen Stellen herangezogen werden, die beispielsweise unmittelbar stromauf und/oder stromab des Dreiwegekatalysators C2 befinden können.
Auch ist in bestimmten Ausführungsformen vorgesehen, dass der Füllgrad des Dreiwegekatalysators C2 und/oder der des NO_x-Speicherkatalysators C1 über einen entsprechenden Sensor L4, L6 direkt erfasst werden. Ein solcher Sensor L4, L6 kann beispielsweise ein Partialdruckmesser sein, der selektiv den Partialdruck einer bestimmten Abgaskomponente, insbesondere Sauerstoff bzw. Stickstoffdioxid, misst. Dazu ist es vorteilhaft, wenn ein solcher Partialdruckmesser L4, L6 in der Nähe eines Ausgangs des entsprechenden Katalysators C1, C2 angeordnet ist, um zu erkennen, wenn ein Durchbruch von Schadstoffen in das jeweils stromab fließende Abgas 14, 16 durchzubrechen droht. So kann jeweils rechtzeitig die Zusammensetzung des entsprechenden Abgasstroms 12, 22 bzw. 14, 24, der dem jeweiligen Katalysator C1, C2 zugeführt wird, angepasst werden.
Weitere Reinigungssysteme können innerhalb des Abgasnachbehandlungssystems 110 ebenfalls vorgesehen sein. Beispielsweise kann stromab des Dreiwegekatalysators C2 ein Rußpartikelfilter (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Zur Leerung eines solchen Rußpartikelfilters kann es notwendig sein, den Rußpartikelfilter auf eine bestimmte Temperatur aufzuheizen und/oder einen bestimmten Sauerstoffgehalt in dem dem Rußpartikelfilter zugeführten Abgas 16 einzustellen. Dazu kann vorteilhafterweise ebenfalls der Abgasbrenner B verwendet werden, beispielsweise indem er so betrieben wird, dass er zunächst einen fetten Abgasstrom 26 in das Abgas 16 einbringt, um zusammen mit in dem den Dreiwegekatalysator verlassenden Abgas 16 enthaltenen Restsauerstoff eine exotherme Verbrennungsreaktion stromauf des Rußpartikelfilters oder in dem Rußpartikelfilter herbeizuführen. Ist die nötige Temperatur erreicht, kann der Betrieb des Abgasbrenners B so umgesteuert werden, dass er einen heißen und sauerstoffreichen Abgasstrom 26 in Richtung des Rußpartikelfilters abgibt, um Rußpartikel in dem Rußpartikelfilter zu verbrennen und so den Filter zu regenerieren. Die Zusammensetzung des Brennerabgases 26 kann dabei beispielsweise über die dafür vorgesehene Lambdasonde L2 überwacht werden, die Zusammensetzung des Abgasgemischs 30, das das Abgasnachbehandlungssystem 110 verlässt, über den entsprechenden Sensor L7.
Es sei hier nochmals ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die relative Position der einzelnen Sensoren L1 bis L7 zueinander sowie zu den übrigen Komponenten C1, C2, B des Abgasnachbehandlungssystems 110 nicht notwendigerweise auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann beispielsweise auch mit deutlich weniger, beispielsweise einem oder zwei, Sensoren durchgeführt werden.
Auch die Einleitung der Brennerabgase 22, 24, 26 ist, wie erwähnt, nicht in allen Ausführungsformen an allen drei beschriebenen Stellen vorgesehen. Entscheidend ist in diesem Zusammenhang, dass die Einleitung der Brennerabgase eine zumindest teilweise Kompensation von Abweichungen des Lambdawertes des Abgases 12 der Brennkraftmaschine V bewirkt und insbesondere so erfolgt und gesteuert wird, dass das Verlassen eines vorbestimmten Füllgradbereichs zumindest eines der Katalysatoren C1, C2 dadurch verhindert wird. In bestimmten Fällen kann der Brenner beispielsweise im Rahmen einer Lambdaregelung dazu verwendet werden, einen vorbestimmten Lambdawert in einem der Abgasströme einzustellen, beispielsweise in dem dem Katalysator C2 zugeführten Abgas 14, 24.
Es sei hier ausdrücklich darauf verwiesen, dass sich in sämtlichen Abgasströmen 12, 14, 16, 22, 24, 26, 30 jeweils ein Lambdawert, der durch den Betrieb der Brennkraftmaschine V und/oder des Abgasbrenners B bestimmt ist, ergibt. Ein Ziellambdawert in diesen Abgasströmen kann beispielsweise Eins betragen, es sind jedoch auch in bestimmten Betriebsmodi von Eins abweichende Ziellambdawerte einstellbar. Ein Ziellambdawert kann also Eins, größer als Eins oder kleiner als Eins sein. Die Brennkraftmaschine kann beispielsweise ein fettes oder ein mageres Abgasgemisch erzeugen, beispielsweise um bestimmte Funktionen des Katalysators C1 zu ermöglichen. Auch ein stöchiometrischer Betrieb der Brennkraftmaschine kann in bestimmten Betriebsmodi vorgesehen sein. Ebenso kann der Abgasbrenner sowohl mager als auch fett oder auch stöchiometrisch bzw. gar nicht betrieben werden, je nachdem, welcher Ziellambdawert stromab der Zusammenführung eingestellt werden soll.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016222418 A1 [0014]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Abgasbrenners (B) eines Fahrzeugs (100), das zumindest eine Brennkraftmaschine (V) und einen Katalysator (C1, C2) aufweist, wobei Abgase (22, 24) des Abgasbrenners (B) stromauf des Katalysators (C1, C2) mit Abgasen (12) der Brennkraftmaschine (V) unter Bildung eines Abgasgemischs zusammengeführt werden, wobei ein Lambdawert der Abgase (22, 24) des Abgasbrenners (B) in Abhängigkeit von einem Lambdawert der Abgase (12) der Brennkraftmaschine (V) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Lambdawert der Abgase (22, 24) des Abgasbrenners (B) so eingestellt wird, dass das Abgasgemisch einen gewünschten Ziellambdawert, insbesondere Eins, hat.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Abgase (12) der Brennkraftmaschine (V) einen ersten Lambdawert haben, die Abgase (22, 24) des Abgasbrenners (B) einen zweiten Lambdawert haben, und wobei eine Funktion einer Komponente (C1, C2, L1, L3, L4, L5, L6, L7) eines Abgasstrangs des Fahrzeugs ausgeführt wird, die ein Abgas, das den ersten Lambdawert, den zweiten Lambdawert oder den Ziellambdawert hat, benötigt, wobei die Funktion insbesondere eine Diagnose und/oder eine Regeneration und/oder eine Temperaturveränderung der Komponente umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Abgasbrenner (B) in einem fetten Betriebsmodus betrieben wird, wenn die Brennkraftmaschine in einem mageren Betriebsmodus betrieben wird, und in einem mageren Betriebsmodus betrieben wird, wenn die Brennkraftmaschine in einem fetten Betriebsmodus betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Brennkraftmaschine in einem stöchiometrischen Betriebsmodus betrieben wird und der Abgasbrenner in einem fetten Betriebsmodus oder in einem mageren Betriebsmodus betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Füllgrad des Katalysators (C1, C2) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Füllgrad unter Verwendung eines Katalysatormodells ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Lambdawert der Abgase (22, 24) des Abgasbrenners (B) so eingestellt wird, dass der Füllgrad des Katalysators (C1, C2) einen vorbestimmten Füllgradbereich nicht verlässt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei, wenn erkannt wird, dass der Füllgrad des Katalysators (C1, C2) einen vorbestimmten Füllgradbereich verlässt, der Abgasbrenner (B) so betrieben wird, dass sein Abgas (24, 26) ein durch das Verlassen des Füllgradbereichs verursachtes Abweichen des Lambdawerts des Abgases (14, 16) von einem Ziellambdawert, der insbesondere Eins beträgt, kompensiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der Füllgrad des Katalysators (C1, C2) eine momentan gespeicherte Menge an Sauerstoff und/oder Stickstoffoxiden beschreibt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Totzeit des Abgases (12) von der Brennkraftmaschine (V) und/oder eine Totzeit des Abgases (22, 24, 26) von dem Abgasbrenner (B) jeweils bis zu der Zusammenführung der Abgase ermittelt wird, und der Abgasbrenner (B) so betrieben wird, dass sein Abgas (22, 24, 26) zur selben Zeit in die Zusammenführung eingespeist wird, wie das Abgas (12) der Brennkraftmaschine (V), dessen Lambdawert für die Einstellung seines Lambdawerts verwendet wurde.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Lambdawert eines Abgases an zumindest einer Stelle unmittelbar stromab der Brennkraftmaschine (V) und/oder unmittelbar stromab des Abgasbrenners (B) und/oder unmittelbar stromab des zumindest einen Katalysators (C1, C2) und/oder unmittelbar stromab der Zusammenführung der Abgase (12, 22, 24, 26) der Brennkraftmaschine (V) und des Abgasbrenners (B), insbesondere unter Verwendung eines oder mehrerer Lambdasensoren (L1, L2, L3, L5, L7), erfasst wird.
Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 14.