DE102020207891A1 - Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors und Verbrennungsmotor - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines selbstzündenden Verbrennungsmotors (10) mit mindestens einem Brennraum (12), wobei der Verbrennungsmotor (10) mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (40) verbunden ist, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors (10) stromabwärts einer Turbine (44) eines Abgasturboladers (60) ein erster Katalysator (46) mit einem elektrischen Heizelement (76) und stromabwärts des ersten Katalysators (46) mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) zur Reduktion der Stickoxidemissionen angeordnet ist, welches folgende Schritte umfasst:- Ermittlung einer Abgastemperatur (TEG) und/oder einer Bauteiltemperatur (TANK) einer Abgasnachbehandlungskomponente (46, 48, 50, 52, 54, 56),- Ermitteln eines Lastzustands (PVM) des Verbrennungsmotors (10),- Vergleichen der ermittelten Abgastemperatur (TEG) und/oder Bauteiltemperatur (TANK) mit einer Schwellentemperatur (Ts),- Vergleichen des ermittelten Lastzustands (PVM) des Verbrennungsmotors (10) mit einer Schwellenlast (Ps), und- Aufheizen des ersten Katalysators (46) sowie der stromabwärts des ersten Katalysators (46) angeordneten Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) durch das elektrische Heizelement (76).Die Erfindung betrifft ferner einen Verbrennungsmotor (10) mit einer Abgasanlage (40) zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors sowie einen Verbrennungsmotors 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.
  • Jede Vorrichtung zur katalytischen Abgasreinigung benötigt zum Erreichen einer Wirksamkeit das Überschreiten einer Mindesttemperatur, der sogenannten Light-off-Temperatur. Bei einem Kaltstart eines Kraftfahrzeugs liegen der Verbrennungsmotor und die Komponenten zur Abgasnachbehandlung im Temperaturniveau etwa auf Umgebungstemperatur. Auch mit einem hohen Energieeintrag in die Abgasanlage müssen zunächst die thermisch träge Masse der Abgasanlage überwunden und die Strahlungs- beziehungsweise Konvektionsverluste kompensiert werden, um zumindest eine Teilwirksamkeit der Abgasnachbehandlungskomponenten zu erreichen. In dieser Zeit werden die Rohemissionen des Verbrennungsmotors weitgehend ungereinigt emittiert. Abhängig vom Energieeintrag in die Abgasanlage kann dieser Zeitraum verkürzt, jedoch niemals auf null abgesenkt werden.
  • Um die Rohemissionen eines Verbrennungsmotors zu verringern, sind Abgasrückführungssysteme bekannt, bei welchen der Abgasstrom des Verbrennungsmotors, gegebenenfalls unter zusätzlicher Kühlung des Abgasstroms, zurückgeführt wird. Prinzipiell lässt sich dabei zwischen einer motornahen Hochdruckabgasrückführung und einer stromabwärts einer Turbine eines Abgasturboladers aus dem Abgaskanal abzweigenden Niederdruckabgasrückführung unterscheiden. Dabei wird das Abgas aus der Abgasanlage dem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors stromaufwärts eines Verdichters des Abgasturboladers zugeführt, um die NOx-Rohemissionen des Verbrennungsmotors zu verringern. Für die Freigabe der Niederdruckabgasrückführung muss eine bestimmte Temperaturschwelle überschritten werden, um eine Kondensatbildung am Abgasrückführungskühler beziehungsweise im Ansaugtrakt zu vermeiden. Bis zu der Freigabe der gekühlten Niederdruckabgasrückführung steht nur die in Bezug auf die Minderung der NOx-Rohemissionen weniger effiziente Hochdruckabgasrückführung zur Verfügung.
  • Darüber hinaus sind aus dem Stand der Technik Abgasnachbehandlungssysteme mit einem elektrischen Heizsystem, insbesondere elektrisch beheizbaren Katalysatoren bekannt, die den Aufheizprozess der Abgasnachbehandlungskomponenten beschleunigen, sodass die Abgasnachbehandlungskomponenten schneller ihre jeweilige Light-Off-Temperatur erreichen. Die dafür benötigte elektrische Energie wird über einen Generator durch eine Lastpunktverschiebung des Verbrennungsmotors erzeugt. Diese Lastpunktverschiebung wirkt sich unmittelbar nach dem Motorstart des Verbrennungsmotors, insbesondere bei Betriebszuständen des Verbrennungsmotors mit höheren fahrdynamischen Anforderungen, negativ auf die Stickoxidemissionen aus.
  • Aus der DE 10 2011 017 486 A1 ist ein Betriebsverfahren für einen Dieselmotor mit einer Abgasanlage bekannt, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors durch die Abgasanlage ein Drei-Wege-Katalysator und stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators ein SCR-Katalysator angeordnet sind. Bei dem Verfahren wird der Dieselmotor in einem ersten Betriebsbereich, in welchem der SCR-Katalysator eine vorgebbare Mindesttemperatur unterschreitet, wenigstens zeitweise mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben. In einem zweiten Betriebsbereich, in welchem der SCR-Katalysator die vorgebbare Mindesttemperatur überschreitet, wird der Dieselmotor mit einem für einen normalen Betrieb eines Dieselmotors typischen Luftüberschuss betrieben. Dabei wird zur Einstellung des Verbrennungsluftverhältnisses in dem ersten Betriebsbereich ein mit einer NOx-Konzentration des Abgases korrelierendes Ausgangssignal eines stromabwärts des Drei-Wege-katalysators angeordneten Abgassensors ausgewertet.
  • DE 10 2009 015 900 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben einer DieselBrennkraftmaschine, in deren Abgasanlage ein Drei-Wege-Katalysator und stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators eine Abgasnachbehandlungskomponente zur Reduzierung der Stickoxidemissionen angeordnet ist. Dabei wird der Dieselmotor mit einem weitestgehend stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben, bis die Abgasnachbehandlungskomponenten zur Reduzierung der Stickoxidemissionen ihre Betriebstemperatur erreicht hat. Nach dem Erreichen der Betriebstemperatur wird der Dieselmotor mit einem Luftüberschuss betrieben, wobei die Schadstoffe CO, HC und NOx gleichzeitig während der Warmlaufphase durch den Drei-Wege-Katalysator konvertiert werden und somit besonders scharfe Emissionsgrenzwerte erfüllt werden können.
  • Die DE 10 2009 051 027 A1 offenbart ein Antriebsaggregat mit einem Dieselmotor, welcher durch einen Abgasturbolader aufgeladen ist und einen Ladeluftkühler aufweist. Das Antriebsaggregat weist ferner eine Abgasrückführung auf, wobei ein Verdichter des Abgasturboladers und der Ladeluftkühler einem Ansaugtrakt des Dieselmotors angehören. Das Abgas des Dieselmotors ist mittels der Abgasrückführung aus der Abgasanlage rückführbar. Dazu weist die Abgasrückführung eine erste Abgasrückführungsleitung auf, welche den Abgastrakt mit dem Ansaugtrakt stromaufwärts des Ladeluftkühlers verbindet und eine zweite Abgasrückführungsleitung, welche den Abgastrakt mit dem Ansaugtrakt stromabwärts des Ladeluftkühlers verbindet. In der Abgasanlage ist ein Drei-Wege-Katalysator angeordnet.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Emissionen des Verbrennungsmotors insbesondere in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors weiter zu verringern und die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines selbstzündenden Verbrennungsmotors mit mindestens einem Brennraum gelöst, wobei der Verbrennungsmotors mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors stromabwärts einer Turbine eines Abgasturboladers ein erster Katalysator mit einem elektrischen Heizelement und stromabwärts des ersten Katalysators mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente zur Reduktion der Stickoxidemissionen angeordnet ist, welches folgende Schritte umfasst:
    • - Ermittlung einer Abgastemperatur und/oder einer Bauteiltemperatur einer Abgasnachbehandlungskomponente,
    • - Ermitteln eines Lastzustands des Verbrennungsmotors,
    • - Vergleichen der ermittelten Abgastemperatur und/oder Bauteiltemperatur mit einer Schwellentemperatur,
    • - Vergleichen des ermittelten Lastzustands des Verbrennungsmotors mit einer Schwellenlast, und
    • - Aufheizen des ersten Katalysators sowie der stromabwärts des ersten Katalysators angeordneten Abgasnachbehandlungskomponente durch das elektrische Heizelement.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die Emissionen des Verbrennungsmotors bei einer kalten Abgasanlage, insbesondere nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors, zu minimieren und insbesondere einen Anstieg der Emissionen bei einem dynamischen Betrieb des Verbrennungsmotor zu reduzieren.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterentwicklungen und nicht-triviale Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens zum Betreiben eines Verbrennungsmotors möglich.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Aufheizen des elektrischen Heizelements ohne eine Zusatzlast für einen vom Verbrennungsmotor antreibbaren Generator erfolgt, wenn die ermittelte Abgastemperatur und/oder Bauteiltemperatur unterhalb einer Schwellentemperatur, insbesondere unter einer Light-Off-Temperatur des ersten Katalysators, liegt. Durch eine Stromversorgung des elektrischen Heizelements ohne eine Zusatzlast für den Verbrennungsmotor können die Rohemissionen des Verbrennungsmotors minimiert werden. Dabei erfolgt die Stromversorgung des elektrischen Heizelements in diesem Betriebszustand des Verbrennungsmotors insbesondere aus einer Batterie eines Kraftfahrzeugs.
  • In einer vorteilhaften Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor mit einem im Wesentlichen stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird, wenn der erste Katalysator eine Schwellentemperatur erreicht hat. Dadurch kann ab dem Erreichen der Schwellentemperatur eine effiziente Konvertierung der Schadstoffe im Abgasstrom des Verbrennungsmotors erfolgen. Insbesondere können unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenstoffmonoxid oxidiert und in Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf konvertiert werden. Ferner können bei einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis die Stickoxide mit den unverbrannten Kohlenwasserstoffen reduziert werden, sodass in diesem Betriebszustand des Verbrennungsmotors eine signifikante Reduktion der Stickoxidemissionen möglich ist.
  • Bevorzugt ist dabei, dass die Last des Verbrennungsmotors durch eine Lastpunktverschiebung erhöht wird, indem die Stromversorgung des elektrischen Heizelements bei einer Bauteiltemperatur des ersten Katalysators oberhalb der Schwellentemperatur durch einen mit dem Verbrennungsmotor koppelbaren Generator erfolgt. Durch eine Lastpunktverschiebung des Verbrennungsmotors kann die Abgastemperatur angehoben werden, wodurch die Abgasnachbehandlungskomponenten schneller auf ihre Betriebstemperatur aufgeheizt werden, ab welcher eine effiziente Konvertierung der Schadstoffe im Abgasstrom des Verbrennungsmotors möglich ist. Dadurch können die Emissionen des Verbrennungsmotors in einer Kaltstartphase weiter minimiert werden.
  • In einer vorteilhaften Verbesserung des Verfahren ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird, wenn die Temperatur einer Abgasnachbehandlungskomponente zur Reduktion der Stickoxidemissionen eine zweite Schwellentemperatur überschritten hat. Durch einen für einen Dieselmotor typischen überstöchiometrischen Betrieb kann der Verbrennungsmotor gegenüber dem stöchiometrischen Betrieb Kraftstoff einsparen.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Niederdruckabgasrückführung des Verbrennungsmotors freigegeben wird, wenn die Abgastemperatur eine dritte Schwellentemperatur überschritten hat. Durch die Freigabe der Niederdruckabgasrückführung können die Rohemissionen des Verbrennungsmotors minimiert werden. Dadurch kann bei gleichem Aufwand der Abgasnachbehandlung die Endrohremissionen weiter verringert werden oder der Aufwand bei der Abgasnachbehandlung verringert werden, wodurch der Verbrauch des Verbrennungsmotors und/oder die Betriebskosten reduziert werden können.
  • Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Brennraum, wobei der Verbrennungsmotor mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist. In der Abgasanlage sind in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors eine Turbine eines Abgasturboladers, stromabwärts der Turbine ein erster Katalysator mit einem elektrischen Heizelement und stromabwärts des ersten Katalysators mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente zur Reduktion der Stickoxidemissionen angeordnet. Der Verbrennungsmotor ist mit einem Steuergerät verbunden, welches dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Steuergerät ausgeführt wird. Bei einem solchen Verbrennungsmotor können die Emissionen bei kalter Abgasanlage, insbesondere nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors verringert werden, wodurch die Umweltbelastung weiter verringert werden kann. Da die Kaltstartphase signifikanten Einfluss auf die Gesamtemissionen eines Verbrennungsmotors hat, kann dabei insbesondere in der kritischen Phase, in welcher eine effiziente Konvertierung der Schadstoffe durch die Abgasnachbehandlungskomponenten nur eingeschränkt möglich ist, die Umweltbelastung reduziert werden.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verbrennungsmotors ist vorgesehen, dass der erste Katalysator ein erstes Katalysatorsegment und ein stromabwärts des ersten Katalysatorsegments angeordnetes zweites Katalysatorsegment aufweist, wobei das elektrische Heizelement zwischen dem ersten Katalysatorsegment und dem zweiten Katalysatorsegment angeordnet ist. Durch eine Anordnung des elektrischen Heizelements zwischen den beiden Segmenten des ersten Katalysators kann die Aufheizzeit der Abgasanlage verringert werden. Insbesondere muss nur das zweite Katalysatorsegment durchwärmt werden, sodass mehr Wärme in den Abgasstrom übertragen wird und sich die Abgasnachbehandlungskomponente zur Reduktion der Stickoxidemissionen schneller aufheizt. Dadurch erreicht diese Abgasnachbehandlungskomponente zeitnäher ihre Light-Off-Temperatur, wodurch eine effiziente Konvertierung der Stickoxide möglich ist und die Umweltbelastung minimiert werden kann.
  • In einer weiteren vorteilhaften Verbesserung des Verbrennungsmotors ist vorgesehen, dass die Abgasnachbehandlungskomponente zur Reduktion der Stickoxidemissionen ein Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Beschichtung) ist. Durch einen Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung können sowohl die Stickoxidemissionen reduziert als auch die Partikelemissionen minimiert werden. Dadurch kann ein zusätzliches Bauteil zur Abgasnachbehandlung entfallen, wodurch die Kosten gegenüber zwei separaten Bauteilen reduziert werden können.
  • 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. Es zeigen:
    • 1 einen Verbrennungsmotor, der mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist, und
    • 2 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines solchen Verbrennungsmotors.
  • 1 zeigt die schematische Darstellung eines selbstzündenden Verbrennungsmotors 10. Der Verbrennungsmotor 10 ist als direkteinspritzender Dieselmotor ausgeführt. Der Verbrennungsmotor 10 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 Einlass 16 mit einem Luftversorgungssystem 20 und mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 40 verbunden. Der Verbrennungsmotor 10 umfasst ferner eine Hochdruckabgasrückführung 30 mit einer Abgasrückführungsleitung 36 und einem Hochdruckabgasrückführungsventil 38, über welches ein Abgas des Verbrennungsmotors 10 von dem Auslass 18 zum Einlass 16 zurückgeführt werden kann. An den Brennräumen 12 sind Einlassventile und Auslassventile angeordnet, mit welchen eine fluidische Verbindung vom Luftversorgungssystem 20 zu den Brennräumen 12 oder von den Brennräumen 12 zur Abgasanlage 40 geöffnet oder verschlossen werden kann.
  • Das Luftversorgungssystem 20 umfasst einen Ansaugkanal 28, in welchem in Strömungsrichtung von Frischluft durch den Ansaugkanal 28 ein Luftfilter 22, stromabwärts des Luftfilters 22 ein Luftmassenmesser 24, insbesondere ein Heißfilmluftmassenmesser, stromabwärts des Luftmassenmessers 24 ein Verdichter 26 eines Abgasturboladers 60 und stromabwärts des Verdichters 26 ein Ladeluftkühler 32 angeordnet sind. Dabei kann der Luftmassenmesser 24 auch in einem Filtergehäuse des Luftfilters 22 angeordnet sein, sodass der Luftfilter 22 und der Luftmassenmesser 24 eine Baugruppe ausbilden. Stromabwärts des Luftfilters 22 und stromaufwärts des Verdichters 26 ist eine Einmündung 34 vorgesehen, an welcher eine Abgasrückführungsleitung 86 einer Niederdruckabgasrückführung 80 in den Ansaugkanal 28 mündet.
  • Die Abgasanlage 40 umfasst einen Abgaskanal 42, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 42 eine Turbine 44 des Abgasturboladers 60 angeordnet ist, welche den Verdichter 26 im Luftversorgungssystem 20 über eine Welle antreibt. Der Abgasturbolader 60 ist vorzugsweise als Abgasturbolader 60 mit variabler Turbinengeometrie ausgeführt. Dazu sind einem Turbinenrad der Turbine 44 verstellbare Leitschaufeln vorgeschaltet, über welche die Anströmung des Abgases auf die Schaufeln der Turbine 44 variiert werden kann. Stromabwärts der Turbine 44 sind mehrere Abgasnachbehandlungskomponenten 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58 vorgesehen. Dabei ist unmittelbar stromabwärts der Turbine 44 als erste Komponente der Abgasnachbehandlung ein erster Katalysator 46, insbesondere ein Oxidationskatalysator 50, ein NOx-Speicherkatalysator 48 oder ein Drei-Wege-Katalysator 62 angeordnet. Der erste Katalysator 46 weist ein erstes Katalysatorsegment 92 und ein stromabwärts des ersten Katalysatorsegments 92 angeordnetes zweites Katalysatorsegment 94 auf, wobei zwischen dem ersten Katalysatorsegment 92 und dem zweiten Katalysatorsegment 94 ein elektrisches Heizelement 76 angeordnet ist, mit welchem der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 aufgeheizt werden kann.
  • Stromabwärts des ersten Katalysators 46 ist ein Partikelfilter 52 mit einer Beschichtung 54 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 52 ist ein weiterer SCR-Katalysator 56 angeordnet, welchem ein Sperrkatalysator 58 nachgeschaltet ist. Stromabwärts des Partikelfilters 52 ist in dem Abgaskanal 42 eine Abgasklappe 78 vorgesehen, mit welcher der Querschnitt des Abgaskanals 42 zumindest teilweise versperrt werden kann, um den Abgasgegendruck im Abgaskanal 42 zu erhöhen. Stromabwärts des Partikelfilters 52 und stromaufwärts der Abgasklappe 78 ist am Abgaskanal 42 eine Verzweigung 74 vorgesehen, an welcher eine Abgasrückführungsleitung 86 einer Niederdruckabgasrückführung 80 aus dem Abgaskanal 42 abzweigt.
  • Die Niederdruckabgasrückführung 80 umfasst neben der Abgasrückführungsleitung 86 einen Niederdruckabgasrückführungskühler 82 und ein Abgasrückführungsventil 84, über welches die Abgasrückführung durch die Abgasrückführungsleitung 86 steuerbar ist. An der Abgasrückführungsleitung 86 der Niederdruckabgasrückführung 80 ist ein Temperatursensor 70 vorgesehen, über welchen eine Abgastemperatur in der Niederdruckabgasrückführung 80 ermittelt werden kann, um die Niederdruckabgasrückführung 80 zu aktivieren, sobald die Abgastemperatur in der Niederdruckabgasrückführung 80 einen definierten Schwellenwert überschritten hat. Somit kann verhindert werden, dass Wasserdampf oder im Abgas enthaltenes Reduktionsmittel zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere flüssige Harnstofflösung, auskondensiert und in der Niederdruckabgasrückführung 80 oder im Luftversorgungssystem 20 zu Beschädigungen oder Ablagerungen führt.
  • In dem Abgaskanal 42 ist, vorzugsweise an einer der Abgasnachbehandlungskomponenten 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, insbesondere am ersten Katalysator 46, ein Temperatursensor 70 vorgesehen, mit welchem eine Abgastemperatur TEG in der Abgasanlage 40 überwacht werden kann, um eine effektive und effiziente Abgasnachbehandlung des Abgases des Verbrennungsmotors 10 zu ermöglichen. Ferner sind Differenzdrucksensoren 72 vorgesehen, um eine Druckdifferenz über den Partikelfilter 52 zu bestimmen. Auf diese Weise kann der Beladungszustand des Partikelfilters 52 ermittelt und bei Überschreiten eines definierten Beladungsniveaus eine Regeneration des Partikelfilters 52 eingeleitet werden. Ferner ist am Abgaskanal 42 mindestens ein Dosiermodul 66, 68 vorgesehen, um ein Reduktionsmittel, insbesondere wässrige Harnstofflösung, stromaufwärts des SCR-Katalysators 56 und/oder stromaufwärts des Partikelfilters 52 in den Abgaskanal 42 zu dosieren. Vorzugsweise sind zwei Dosierelemente 66, 68 vorgesehen, wobei das erste Dosierelement 66 stromabwärts des ersten Katalysators 46 und stromaufwärts des Partikelfilters 52 und das zweite Dosierelement 68 stromabwärts der Abgasklappe 78 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 56 angeordnet sind. Jedem Dosierelement 66, 68 kann ein Abgasmischer 64 nachgeschaltet sein, um eine verbesserte Durchmischung des Abgasstroms mit dem Reduktionsmittel zu erzielen.
  • Der Verbrennungsmotor 10 ist mit einem Motorsteuergerät 90 verbunden, welches über nicht dargestellte Signalleitungen mit den Druck- und Temperatursensoren 70, 72, der Lambdasonde 88 sowie mit den Kraftstoffinjektoren 14 des Verbrennungsmotors 10 und den Steuereinrichtungen 24, 38, 78, 84 des Luftversorgungssystems 20 sowie der Abgasanlage 40 verbunden ist.
  • In 2 ist ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Dabei erfolgt in einem Verfahrensschritt <100> der Start des Verbrennungsmotors 10. Unmittelbar nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 liegt die Temperatur der Abgasnachbehandlungskomponenten 46, 48, 50, 52, 54, 56, 62 unter ihrer jeweiligen Light-Off-Temperatur, sodass eine effiziente Konvertierung der im Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 enthaltenen Schadstoffe noch nicht möglich ist. In der ersten Phase, insbesondere wenn der erste Katalysator 46 noch nicht seine Light-Off-Temperatur erreicht hat, die Abgasnachbehandlungskomponente 52, 54, 56 zur Reduktion von Stickoxiden ebenfalls noch nicht ihre Light-Off-Temperatur erreicht hat und die Niederdruckabgasrückführung aufgrund der Gefahr von Kondensatbildung im Ansaugtrakt 20 noch nicht freigegeben werden kann, wird der erste Katalysator 46 in einem Verfahrensschritt <110> durch das elektrische Heizelement 76 aufgeheizt. Die Stromversorgung des elektrischen Heizelements 76 erfolgt in dieser ersten Phase vorzugsweise aus einer Batterie eines Kraftfahrzeuges, sodass nicht die gesamte oder zumindest nur eine eingeschränkte Leistung durch den Generator 96 erzeugt werden muss und somit zu einem Anstieg der Rohemissionen führt.
  • In einer zweiten Phase des Betriebs des Verbrennungsmotors 10 hat der erste Katalysator 46 seine Light-Off-Temperatur erreicht, während die Abgasnachbehandlungskomponente zur Reduktion der Stickoxidemissionen 52, 54, 56 noch nicht ihre Light-Off-Temperatur erreicht hat und die Niederdruckabgasrückführung 80 noch nicht freigegeben ist. Dabei erfolgt in einem Verfahrensschritt <120> eine Lastanhebung des Verbrennungsmotors 10, in dem der Generator 96 angekoppelt wird und die Leistung des elektrischen Heizelements 76 vorzugsweise vollständig durch den Generator 96 bereitgestellt wird. Der Verbrennungsmotor 10 wird in diesem Betriebszustand mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben, um eine Konvertierung der Schadstoff im Abgasstrom durch den ersten Katalysator 46 zu ermöglichen. Dabei werden sowohl die unverbrannten Abgaskomponenten, insbesondere unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenmonoxide (CO) oxidiert, als auch Stickoxide (NOx) reduziert.
  • In einer dritten Phase hat die Abgasnachbehandlungskomponente 52, 54, 56 zur Reduktion der Stickoxide ihre Betriebstemperatur erreicht. Dabei wird in einem Verfahrensschritt <130> Reduktionsmittel in die Abgasanlage 40 stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente 52, 54, 56 eindosiert. Dadurch erfolgt eine effiziente Konvertierung der Stickoxide. In einem Verfahrensschritt <140> wird der Verbrennungsmotor 10 mit einem für einen Dieselmotor typischen überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben. Ferner wird in einem Verfahrensschritt <150> die Niederdruckabgasrückführung 80 freigegeben, wodurch die Rohemissionen des Verbrennungsmotors 10 abgesenkt werden können.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Verbrennungsmotor
    12
    Brennraum
    14
    Kraftstoffinjektor
    16
    Einlass
    18
    Auslass
    20
    Luftversorgungssystem
    22
    Luftfilter
    24
    Luftmassenmesser
    26
    Verdichter
    28
    Ansaugkanal
    30
    Hochdruckabgasrückführung
    32
    Ladeluftkühler
    34
    Einmündung
    36
    Abgasrückführungskanal
    38
    Hochdruckabgasrückführungsventil
    40
    Abgasanlage
    42
    Abgaskanal
    44
    Turbine
    46
    erster Katalysator
    48
    NOx-Speicherkatalysator
    50
    Oxidationskatalysator
    52
    Partikelfilter
    54
    SCR-Beschichtung
    56
    SCR-Katalysator
    58
    Sperrkatalysator
    60
    Abgasturbolader
    62
    Drei-Wege-Katalysator
    64
    Abgasmischer
    66
    erstes Dosierelement
    68
    zweites Dosierelement
    70
    Temperatursensor
    72
    Differenzdrucksensoren
    74
    Verzweigung
    76
    elektrisches Heizelement
    78
    Abgasklappe
    80
    Niederdruckabgasrückführung
    82
    Niederdruckabgasrückführungskühler
    84
    Abgasrückführungsventil
    86
    Abgasrückführungsleitung
    88
    Lambda-Sonde
    90
    Steuergerät
    92
    erstes Katalysatorsegment
    94
    zweites Katalysatorsegment
    96
    Generator
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011017486 A1 [0006]
    • DE 102009015900 A1 [0007]
    • DE 102009051027 A1 [0008]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines selbstzündenden Verbrennungsmotors (10) mit mindestens einem Brennraum (12), wobei der Verbrennungsmotor (10) mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (40) verbunden ist, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors (10) stromabwärts einer Turbine (44) eines Abgasturboladers (60) ein erster Katalysator (46) mit einem elektrischen Heizelement (76) und stromabwärts des ersten Katalysators (46) mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) zur Reduktion der Stickoxidemissionen angeordnet ist, umfassend folgende Schritte: - Ermittlung einer Abgastemperatur (TEG) und/oder einer Bauteiltemperatur (TANK) einer Abgasnachbehandlungskomponente (46, 48, 50, 52, 54, 56), - Ermitteln eines Lastzustands (PVM) des Verbrennungsmotors (10), - Vergleichen der ermittelten Abgastemperatur (TEG) und/oder Bauteiltemperatur (TANK) mit einer Schwellentemperatur (Ts), - Vergleichen des ermittelten Lastzustands (PVM) des Verbrennungsmotors (10) mit einer Schwellenlast (Ps), und - Aufheizen des ersten Katalysators (46) sowie der stromabwärts des ersten Katalysators (46) angeordneten Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) durch das elektrische Heizelement (76).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen des elektrischen Heizelements (76) ohne eine Zusatzlast für einen vom Verbrennungsmotor (10) antreibbaren Generator (96) erfolgt, solange der erste Katalysator (46) noch nicht seine Light-Off-Temperatur (TLO1) erreicht hat.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) mit einem im Wesentlichen stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird, wenn der erste Katalysator (46) eine Schwellentemperatur (TS1) erreicht hat.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Last des Verbrennungsmotors (10) durch eine Lastpunktverschiebung erhöht wird, indem die Stromversorgung des elektrischen Heizelements (76) durch einen mit dem Verbrennungsmotor (10) koppelbaren Generator (96) erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird, wenn die Temperatur einer Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) zur Reduktion der Stickoxidemissionen eine zweite Schwellentemperatur (TS2) überschritten hat.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Niederdruckabgasrückführung (80) des Verbrennungsmotors (10) freigegeben wird, wenn die Abgastemperatur (TEG) eine dritte Schwellentemperatur (TS3) überschritten hat.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellentemperatur (TS) eine Light-Off-Temperatur (TLO1) des ersten Katalysators (46) ist.
  8. Verbrennungsmotor (10) mit mindestens einem Brennraum (12), wobei der Verbrennungsmotor (10) mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (40) verbunden ist, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors (10) stromabwärts einer Turbine (44) eines Abgasturboladers (60) ein erster Katalysator (46) mit einem elektrischen Heizelement (76) und stromabwärts des ersten Katalysators (46) mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) zur Reduktion der Stickoxidemissionen angeordnet ist, sowie mit einem Steuergerät (90), welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Steuergerät (90) ausgeführt wird.
  9. Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator (46) ein erstes Katalysatorsegment (92) und ein stromabwärts des ersten Katalysatorsegments (92) angeordnetes zweites Katalysatorsegment (94) aufweist, wobei das elektrische Heizelement (76) zwischen dem ersten Katalysatorsegment (92) und dem zweiten Katalysatorsegment (94) angeordnet ist.
  10. Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) zur Reduktion der Stickoxide ein Partikelfilter (52) mit einer SCR-Beschichtung ist.
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Wikipedia-Artikel „Abgasrückführung" in der Fassung vom 07.06.2020, online abgerufen am 29.01.2021

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