DE102022207605A1

DE102022207605A1 - Verfahren zur Steuerung einer Verbrennungskraftmaschine mit mindestens einer Abgasnachbehandlungskomponente mit einem elektrischen Heizelement

Info

Publication number: DE102022207605A1
Application number: DE102022207605.2A
Authority: DE
Inventors: Michael BACHNER; Andreas Fritsch; Thomas Zein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-07-26
Filing date: 2022-07-26
Publication date: 2024-02-01
Also published as: CN117449944A; US20240035408A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung einer Verbrennungskraftmaschine (10) mit mindestenseiner Abgasnachbehandlungskomponente (5) mit einem elektrischen Heizelement (4), wobei das elektrische Heizelement (4) die mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente (5) und das durch die mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente (5) strömende Abgas erhitzt,wobei das elektrische Heizelement (4) kurzeitig oder dauerhaft mit einem Heizstrom, insbesondere konstant oder alternierend, beaufschlagt wird,wobei ein Gas, insbesondere Frischluft und/oder Abgas, den Abgaspfad (2) stromabwärts durchströmt,wobei eine erste Temperatur (TexhUs) stromaufwärts der mindestens einen Abgasnachbehandlungskomponente (5) ermittelt wird,wobei eine zweite Temperatur (TexhDs) stromabwärts der mindestens einen Abgasnachbehandlungskomponente (5) ermittelt wirdwobei in Abhängigkeit einer ersten Temperaturdifferenz (ΔTExh) zwischen der ersten und der zweiten Temperatur (TExhUs,TExhDs) und einer Heizleistung (PwrEHC) des elektrischen Heizelements (4) der Abgasmassenstrom (dmExh) der Verbrennungskraftmaschine (10) ermittelt wird und in Abhängigkeit des Abgasmassenstroms (dmExh) die Verbrennungskraftmaschine (10) gesteuert wird.

Description

Stand der Technik
Die stetige Verschärfung von bestehenden Abgasgrenzwerten und Reglementierung von zusätzlichen Schadstoffkomponenten z.B. Ammoniak (NH3) in den verschiedenen Autoabsatzmärkten EU, US, CN führt zu steigender Komplexität der Abgasnachbehandlungssysteme, welche üblicherweise aus mehreren hintereinandergeschalteten Katalysatoren bestehen. Aus Bauraumgründen kommen dabei neben den motornah angeordneten Katalysatoren auch Katalysatoren im Unterboden zum Einsatz.
Aufgrund verschärfter EU7-Emissionsanforderungen kommen zunehmend elektrische Heizscheiben in Katalysatoren zum Einsatz. Die elektrische Energie aus dem Bordnetz ermöglicht es, unabhängig von den motorischen Bedingungen und insbesondere bereits bei einem stehendem Motor Temperatur ins Abgassystem einzubringen, welche mittels des motorischen Abgasmassenstroms oder unter Einsatz einer extern zugeführten Transportluft in die nachfolgenden Katalysatoren transportiert wird.
Durch die zunehmende Verschärfung der Emissionsgesetzgebungen ist ein schnelles Erreichen der Light-Off-Temperaturen der Abgasnachbehandlungskomponenten notwendig, dies kann durch den Einsatz von elektrischen Heizelementen positiv beeinflusst werden.
Offenbarung der Erfindung
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung einer Verbrennungskraftmaschine mit mindestens einer Abgasnachbehandlungskomponente mit einem elektrischen Heizelement, wobei das elektrische Heizelement die mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente und das durch die mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente strömende Abgas erhitzt,
wobei das elektrische Heizelement kurzeitig oder dauerhaft mit einem Heizstrom, insbesondere konstant oder alternierend, beaufschlagt wird,
wobei ein Gas, insbesondere Frischluft und/oder Abgas, den Abgaspfad stromabwärts durchströmt,
dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Temperatur stromaufwärts der mindestens einen Abgasnachbehandlungskomponente ermittelt wird,
wobei eine zweite Temperatur stromabwärts der mindestens einen Abgasnachbehandlungskomponente ermittelt wird,
wobei in Abhängigkeit einer ersten Temperaturdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Temperatur und einer Heizleistung des elektrischen Heizelements der Abgasmassenstrom der Verbrennungskraftmaschine ermittelt wird und in Abhängigkeit des Abgasmassenstroms die Verbrennungskraftmaschine gesteuert wird.
Das Verfahren hat den besonderen Vorteil, dass der Abgasmassenstrom in Abhängigkeit der Temperaturen stromaufwärts und stromabwärts der mindestens einen Abgasnachbehandlungskomponente und der Heizleistung bei einem aktivierten elektrischen Heizelement ermittelt werden kann.
Durch einen Abgasmassenstrom z.B. aus dem Verbrennungsmotor oder aus einer Sekundärluft-Einblasung wird die Wärmeenergie aus dem elektrischen Heizelement in die nachfolgenden Kats abtransportiert. Dadurch wird das Abgas, dass das elektrische Heizelement durchströmt, erhitzt. Je größer der Massenstrom und je größer die Temperaturdifferenz zwischen der einströmenden Transportluft und dem elektrischen Heizelement, desto mehr Wärme wird durch die Transportluft abtransportiert. Diesen Effekt kann man sich zunutze machen um den Abgasmassenstrom zu ermitteln.
In einer alternativen Ausgestaltung wird eine Freigabe für das Verfahren erteilt, wenn ein Schubbetrieb für die Verbrennungskraftmaschine erkannt wird und/oder wenn eine Aktivierung des elektrischen Heizelements vorliegt.
Ferner liegt ein stationärer Zustand für das elektrische Heizelement vor, wenn eine Ist-Temperatur für das elektrische Heizelement eine Soll-Temperatur für das elektrische Heizelement 4 für eine vorgebbare Zeitdauer überschreitet.
Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn für das elektrische Heizelement ein stationärer Zustand erreicht ist, da das elektrische Heizelement seine Wärmeenergie vornehmlich bzw. vollständig an das vorbeiströmende Abgas abgibt. Somit kann das Verfahren robust durchgeführt werden.
In einer besonderen Ausgestaltung liegt ein stationärer Zustand für das elektrische Heizelement vor, wenn eine vorgebbare Zeitdauer abgelaufen ist, nach dem das elektrische Heizelement aktiviert wurde. Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn für das elektrische Heizelement ein stationärer Zustand erreicht ist, da das elektrische Heizelement seine Wärmeenergie vornehmlich bzw. vollständig an das vorbeiströmende Abgas abgibt. Somit kann das Verfahren robust durchgeführt werden.
Weiterhin kann die mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente ein Dreiwegekatalysator oder ein Partikelfilter oder ein selektiver katalytischer Reduktionskatalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator oder ein Oxidationskatalysator sein.
In einer besonderen Ausgestaltung wird die elektrische Heizleistung in Abhängigkeit einer Spannung und einer Stromstärke für das elektrische Heizelement ermittelt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Abgasmassenstrom nach der folgenden Formel ermittelt: $d m_{E x h} = \frac{P w r_{E H C}}{(c p_{E x h} \cdot Δ T_{E x h})} = \frac{P w r_{E H C}}{(c p_{E x h} \cdot (T_{E x h D s} - T_{E x h U s}))}$
mit der elektrisch eingebrachten Leistung in das elektrische Heizelement, der spezifischen Wärmekapazität des Abgases bei konstantem Druck, der ersten Temperaturdifferenz zwischen der Abgastemperatur stromabwärts und der Abgastemperatur stromaufwärts der mindestens einen Abgasnachbehandlungskomponente.
Ferner kann ein Frischluftmassenstrom mit dem Abgasmassenstrom verglichen werden und in Abhängigkeit, ob eine Differenz zwischen dem Frischluftmassenstrom und dem Abgasmassenstrom einen vorgebbaren oberen oder unteren Schwellenwert über- oder unterschreitet ein defekter Luftmassensensor erkannt werden.
Weiterhin wird in Abhängigkeit eines Frischluftmassenstroms, eines Sekundärluftmassenstrom und einer eingespritzten Kraftstoffmenge ein modellierter Abgasmassenstrom ermittelt, und wenn eine Differenz zwischen dem modellierten Abgasmassenstrom und dem über das elektrische Heizelement ermittelte Abgasmassenstrom einen oberen oder unteren Schwellenwert über- oder unterschreiten ein Abschalten oder ein Begrenzen der Heizleistung für das elektrische Heizelement vorgenommen.
Durch eine ungleichmäßige Durchströmung des elektrischen Heizelements kann es dazu kommen, dass die durch die elektrische Beheizung erzeugte Wärme nicht gleichmäßig oder nur an bestimmten Stellen des elektrischen Heizelements gar nicht konvektiv abtransportiert wird. An diesen Stellen kann es daher zu einer lokalen Überhitzung (HotSpots) kommen. Durch die Begrenzung der Heizleistung oder durch ein Abschalten des elektrischen Heizelements kann ein Bauteilschutz realisiert werden.
Die in der Erfindung verwendeten Gleichungen beruhen auf der Vereinfachung eines OD-Modells. D.h. es liegt die Annahme zugrunde, dass sich die Temperatur des elektrischen Heizelements und die Abgastemperatur durch einen punktuellen repräsentativen Wert abbilden lassen. Das kann z.B. eine mittlere Temperatur für das elektrische Heizelement und eine mittlere
Abgastemperatur über der Querschnittsfläche und der Länge des elektrischen Heizelements sein.
Ebenso wird davon ausgegangen, dass die Heizscheibe gleichmäßig vom Abgasmassenstrom durchströmt wird und dass die elektrische Heizleistung gleichmäßig über die Fläche der Heizscheibe verteilt eingebracht wird.
In der Realität kann es bei einer ungünstigen Anströmung des elektrischen Heizelements zu lokal sehr unterschiedlicher Durchströmung des elektrischen Heizelements kommen. Dadurch kann in Zonen mit sehr geringer Durchströmung eine starke Überhitzung auftreten (sog. HotSpots). Daher lässt sich aus der Abweichung zwischen dem modellierten Abgasmassenstrom und dem in Abhängigkeit der Heizscheiben ermittelten Massenstrom auf eine ungleichmäßige Durchströmung des elektrischen Heizelements schließen.
In einer besonderen Ausführungsform wird, wenn ein defekter Luftmassensensor oder ein Abschalten oder Begrenzen der Heizleistung für das elektrische Heizelement erkannt wird, ein Fehlerbit im Steuergerät gesetzt oder eine Motorkontrollleuchte im Armaturenbrett aktiviert werden.
In weiteren Aspekten betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, insbesondere ein Steuergerät und ein Computerprogramm, die zur Ausführung eines der Verfahren eingerichtet, insbesondere programmiert, sind. In einem noch weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit mindestens einer Abgasnachbehandlungskomponente mit einem elektrischen Heizelement,
2 ein Flussdiagramm zur graphischen Darstellung des Ablaufs eines ersten Ausführungsbeispiels des Verfahrens,
3 ein Flussdiagramm zur graphischen Darstellung des Ablaufs eines zweiten Ausführungsbeispiels des Verfahrens.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Der 1 ist eine Verbrennungskraftmaschine 10 zu entnehmen, die einlassseitig an einen Frischluftpfad 1 und auslassseitig an einen Abgaspfad 2 angeschlossen ist. Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist vorzugsweise ein Ottomotor oder ein Dieselmotor.
Weiterhin kann die Verbrennungskraftmaschine 10 eine nicht weiter dargestellte Stelleinrichtung zur Kraftstoffzumessung in jeden Zylinder sowie eine Verstelleinrichtung für die Ventilerhebungskurven, z.B. eine Nockenwellenverstelleinrichtung (nicht weiter gezeigt) für die Verbrennungskraftmaschine 10 aufweisen.
Die Luftzuführung 60 des Frischluftpfads 1 steht über Einlassventile (nicht gezeigt) mit den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine 10 in an sich bekannter Weise in Verbindung.
Verbrennungsabgas wird über entsprechende Auslassventile (nicht gezeigt) der Zylinder in das Abgassystem 70 in an sich bekannter Weise ausgestoßen.
Ferner kann ein Turbolader (nicht gezeigt) im Abgaspfad 2 und ein Verdichter 11 sowie ein Luftmassenmesser 9 im Frischluftpfad 1 angeordnet sein. Der Luftmassenmesser 9 kann vorzugsweise ein Heißfilmluftmassensmesser 9 (HFM) oder ein druckbasierter Luftmassenmesser 9 (PFM) zu Ermittlung des Frischluftmassenstroms dm_Air sein.
Über den Abgaspfad 2 wird das bei dem Verbrennungsprozess im Verbrennungskraftmaschine 10 anfallende Abgas abgeführt. Das Abgas wird dabei einer Abgasnachbehandlung unterzogen. Hierzu sind stromabwärts im Abgaspfad 2 ein erster Temperatursensor 3, eine erste Abgasnachbehandlungskomponente 5 mit einem elektrischen Heizelement ein zweiter Temperatursensor 6 und eine optionale zweite Abgasnachbehandlungskomponente 7 angeordnet.
Der erste Temperatursensor 3 misst eine erste Temperatur T_ExhUs stromabwärts der Verbrennungskraftmaschine 10 und stromaufwärts der mindestens einen Abgasnachbehandlungskomponente 5.
Der zweite Temperatursensor 6 misst eine zweite Temperatur T_ExhDs stromabwärts der mindestens einen Abgasnachbehandlungskomponente 5.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die erste Temperatur T_ExhUs auch mittels eines Temperaturmodells durch das Steuergerät 100 ermittelt werden.
Das Temperaturmodell kann vorzugsweise in Abhängigkeit des Abgasmassenstroms dm_Exh, dem Frischluftmassenstrom dm_Air der eingespritzten Kraftstoffmenge q_inj ermittelt werden.
Weiterhin kann das System eine optionale Sekundärluftpumpe 12 aufweisen, mit der Frischluft bzw. ein Frischluftmassenstrom in das Abgassystem 2 eingebracht werden kann. Vorzugsweise wird die Sekundärluft stromaufwärts der mindestens einen Abgasnachbehandlungskomponente 5 in den Abgastrakt 2 eingebracht, so dass die Frischluft stromab der Richtung des Abgases gen Ausgang des Auspuffs strömt.
Die mindestens erste Abgasreinigungskomponente 5 kann dabei vorzugsweise ein Oxidationskatalysator, ein selektiver katalytischer Reduktionskatalysator, ein Partikelfilter, ein NOx-Speicherkatalysator oder ähnliches sein. Wichtig hierbei ist, dass die mindestens erste Abgasreinigungskomponente 5 ein elektrisches Heizelement 4 aufweist.
Das elektrische Heizelement 4 kann vorzugsweise als eine elektrische Heizscheibe ausgestaltet sein, wobei die elektrische Heizscheibe bei Aktivierung zum einen die mindestens erste Abgasreinigungskomponente 5 und sowohl auch vorbeiströmendes Gas bzw. Abgas erhitzt. Im Folgenden wird unter Abgas auch eine Mischung aus zugeführter Frischluft und/oder Abgas von der Verbrennungskraftmaschine 10 verstanden.
Auf dem Steuergerät 100 ist weiter eine Regelung für das elektrische Heizelement 4 gespeichert. Vornehmlich wird die Aktivierung durch das Steuergerät 100 vorgenommen und es wird eine Soll-Temperatur T_EHC,Soll für das elektrische Heizelement 4 durch die Regelung vorgegeben. Weiterhin kann das Steuergerät 100 eine Spannung U_EHC und eine Stromstärke I_EHC für das elektrische Heizelement 4 ermitteln. Aus einer Strom- und Spannungsrücklesung I_EHC;U_EHC kann das Steuergerät 100 eine Ist-Temperatur T_EHC,Ist für das elektrische Heizelement 4 bestimmen. Die im Steuergerät 100 hinterlegte Regelung ist vorzugsweise ein Soll-Ist-Regelung.
Die Heizleistung Pwr_EHC des elektrischen Heizelements 4 kann wie folgt ermittelt werden: $P w r_{E H C} = d Q_{E x h} + d Q_{E C H} + d Q_{E H C \to E n v}$
mit Pwr_EHC der Heizleistung, um sowohl das elektrische Heizelement 4 als auch den zugeführten Abgasmassenstrom aufzuheizen, als auch die Wandwärmeverluste an die Umgebung zu kompensieren. $d Q_{E x h} = d m_{E x h} \cdot c p_{e x h} \cdot Δ T_{E x h}$
$d Q_{E H C} = m_{E H C} \cdot c p_{E H C} \cdot Δ T_{E H C} / t i_{H e a t U p}$
$d Q_{E H C \to E n v} = α \cdot A \cdot (T_{E n v} - T_{E H C, I s t})$
mit dQ_Exh der in das Abgas eingebrachten Heizleistung, dQ_EHC die in das elektrische Heizelement 4 eingebrachte Heizleistung, dQ_EHC→Env die an die Umgebung bzw. Umgebungsluft abgegebene Wärmeenergie, Pwr_EHC der elektrisch eingebrachten Leistung, cp_Exh der spezifischen Wärmekapazität des Abgases bei konstanten Druck, m_EHC der Masse des elektrischen Heizelements 4, cp_EHC der spezifischen Wärmekapazität bei konstanten Druck für das elektrische Heizelement 4, ΔT_Exh der ersten Temperaturdifferenz zwischen der der Abgastemperatur T_ExhDs stromabwärts und der Abgastemperatur T_Exhs stromaufwärts der mindestens einen Abgasnachbehandlungskomponente 5, ΔT_EHC der zweiten Temperaturdifferenz D₂ zwischen der Soll-Temperatur T_EHC,Soll für das elektrische Heizelement 4 und der Ist-Temperatur T_EHC,Ist des elektrischen Heizelements 4, ti_HeatUp der Aufheizzeit des elektrischen Heizelements 4 zum Erreichen der Soll-Temperatur T_EHC,Soll, α dem Wärmeübergangskoeffizient und A der exponierten Oberfläche der mindestens einen Abgasnachbehandlungskomponente 5.
Somit ergibt sich die elektrische Heizleistung Pwr_EHC für das elektrische Heizelement 4 zu: $P w r_{E H C} = d m_{E x h} \cdot c p_{E x h} \cdot Δ T_{E x h} + m_{E H C} \cdot c p_{E H C} \cdot \frac{Δ T_{E H C}}{t i_{H e a t U p}} + α \cdot A \cdot (T_{E n v} - T_{E H C, I s t}) .$
Aus diesen Abhängigkeiten lässt sich nun direkt der Abgasmassenstrom dm_Exh wie folgt ermitteln: $d m_{E x h} = \frac{(P w r_{E H C} - m_{E H C} \cdot c p_{E H C} \cdot \frac{Δ T_{E H C}}{t i_{H e a t U p}} - α \cdot A \cdot (T_{E n v} - T_{E H C, I s t}))}{(c p_{E x h} \cdot Δ T_{E x h})}$
Die elektrisch eingebrachte Leistung Pwr_EHC in das elektrische Heizelements 4 kann aus der gemessenen Stromstärke I_EHC und der Spannung U_EHC während des Heizvorgangs des elektrischen Heizelements 4 ermittelt werden: $P w r_{E H C} = U_{E H C} \cdot I_{E H C}$
mit U_EHC der Spannung und I der elektrischen Stromstärke des Heizkreislaufs des elektrischen Heizelements 4.
Die Erhöhung der Abgastemperatur ΔT_Exh durch die eingebrachte elektrische Heizleistung Pwr_EHC kann mittels der Temperaturen stromauf- und stromabwärts des elektrischen Heizelements 4 ermittelt werden.
Unter der Annahme, dass eine perfekte Isolierung der mindestens einen Abgasnachbehandlungskomponente 5 gegen die Umgebung vorliegt, kann der Term dQ_EHC→Env vernachlässigt werden.
Erreicht die Ist-Temperatur T_EHC,Ist des elektrischen Heizelements 4 die Soll-Temperatur T_EHC,Soll und liegt dieser für eine vorgebbare Zeitdauer ti_HeatUp vor, kann von einem stationären Zustand für die Temperatur des elektrischen Heizelements ausgegangen werden. Somit wird der Term ΔT_EHC gleich Null. Die elektrisch eingebrachte Leistung Pwr_EHC in das elektrische Heizelement 4 wird somit vollständig für die Erhitzung des zugeführten (kalten) Gases herangezogen, da das Heizelement die Soll-Temperatur bereits T_EHC,Soll erreicht hat.
In einer alternativen Ausgestaltung kann die Zeitdauer ti_HeatUp in Abhängigkeit der Soll-Temperatur T_EHC,Soll und/oder der Ist-Temperatur T_EHC,Ist ermittelt werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird eine Anfangsdifferenz zwischen der Soll-Temperatur T_EHC,Soll und der Ist-Temperatur T_EHC,Ist durch das Steuergerät 100 ermittelt. Anschließend wird mit dem Erreichen der Soll-Temperatur T_EHC,Soll vorzugsweise aus einem Kennfeld die Zeitdauer ti_HeatUp bestimmt, ab dem ein stationärer Zustand für das elektrische Heizelement 4 vorliegt.
Das verwendete Kennfeld kann in einer Applikationsphase für das elektrische Heizelement 4 an einem Prüfstand ermittelt und anschließend im Steuergerät 100 gespeichert werden.
Somit vereinfacht sich die Gleichung zu: $d m_{E x h} = \frac{P w r_{E H C}}{(c p_{E x h} \cdot Δ T_{E x h})} = \frac{P w r_{E H C}}{(c p_{E x h} \cdot (T_{E x h D s} - T_{E x h U s}))}$
Sobald sich die Temperatur des elektrischen Heizelements 4 auf einen stationären Wert einpendelt, hat, kann man aus der eingebrachten elektrischen Heizleistung Pwr_EHC, der spezifischen Wärmekapazität des Abgases bei konstanten Druck cp_Exh und der ersten Temperaturdifferenz ΔT_Exh zwischen der Abgastemperatur T_ExhDs stromabwärts und der Abgastemperatur T_ExhUs stromaufwärts der mindestens einen Abgasnachbehandlungskomponente 5 direkt auf den Abgasmassenstrom dm_Exh schließen.
Die 2 zeigt beispielhaft einen ersten Ablauf des Verfahrens zur Steuerung der Verbrennungskraftmaschine 10 mit mindestens einer Abgasnachbehandlungskomponente 5 mit einem elektrischen Heizelement 4. Es werden beispielhaft die wesentlichen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
In einem ersten Schritt 200 werden Freigabebedingungen für das Verfahren abgeprüft. Hierzu wird mittels des Steuergeräts 100 überwacht, ob eine Aktivierung des elektrischen Heizelements 4 der mindestens einen Abgasnachbehandlungskomponente 5 durchgeführt wird.
Die Aktivierung des elektrischen Heizelements 4 wird dabei vorzugsweise von einer auf dem Steuergerät 100 berechneten Heizerregelung durchgeführt. Weiterhin wird überwacht, ob sich die Verbrennungskraftmaschine 10 in einem Schubbetrieb befindet. Das Steuergerät 100 ist dabei derart ausgestaltet, dass mittels eines Betriebskoordinators, welcher auf dem Steuergerät 100 ausgeführt wird, der Schubbetrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 erkannt wird. Während eines Schubbetriebs für die Verbrennungskraftmaschine 10 wird kein Kraftstoff in die Zylinder der Verbrennungskraftmaschine 10 eingespritzt. Daher ist im Schubbetrieb der Abgasmassenstrom dm_Exh identisch bzw. nahezu identisch zum Frischluftmassenstrom dm_air.
Liegt also eine Schubbetrieb sowie ein aktviertes elektrisches Heizelement 4 vor so wird die Freigabe für das Verfahren erteilt und das Verfahren in einem Schritt 210 fortgesetzt.
In einem Schritt 210 wird das elektrische Heizelement 4 nun auf die von der Heizerregelung vorgegebene Soll-Temperatur T_EHC,Soll gebracht. Vorzugsweise wird dies über einen Soll-Ist-Regelung durch das Steuergerät 100 durchgeführt. Erreicht die Ist-Temperatur T_EHC,Ist des elektrischen Heizelements die Soll-Temperatur T_EHC,Soll wird vorzugsweise eine vorgebbare Zeitdauer ti_HeatUp gestartet. Wenn die vorgebbare Zeitdauer ti_HeatUp abgelaufen ist, wird ein stationärer Zustand für das elektrische Heizelement 4 angenommen. Unter einem stationären Zustand für das elektrische Heizelement 4 wird insbesondere ein Zustand verstanden, bei dem davon ausgegangen wird, dass das elektrische Heizelement 4 seine Wärmeenergie vornehmlich bzw. vollständig an das vorbeiströmende Abgas weitergibt. Wenn die vorgebbare Zeitdauer abgelaufen ist und somit ein stationärer Zustand vorliegt, wird das Verfahren im Schritt 220 fortgesetzt.
In einer alternativen Ausgestaltung liegt der stationäre Zustand für das elektrische Heizelement 4 vor, wenn mit Start der Soll-Ist-Regelung die vorgebbare Zeitdauer ti_HeatUp abgelaufen ist. Vorzugsweise wird die vorgebbare Zeitdauer ti_HeatUp wie ein Countdown vom Steuergerät 100 ermittelt und mit Ablauf der vorgebbaren Zeitdauer ti_HeatUp liegt dann der stationäre Zustand für das elektrische Heizelement 4 vor.
In einem Schritt 220 wird nun kontinuierlich die erste Temperatur T_exhUs und die zweite Temperatur T_ExhDs durch das Steuergerät 100 ermittelt. Ebenfalls werden kontinuierlich die gemessene Stromstärke I_EHC, die Spannung U_EHC sowie der Frischluftmassenstrom dm_air durch das Steuergerät 100 ermittelt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung werden die erste und die zweite Temperatur T_exhUs,T_exhDs und die Stromstärke I_EHC, die Spannung U_EHC und der Frischluftmassenstrom dm_air über einen vorgebbaren Zeitraum gemittelt.
Anschließend wird eine erste Temperaturdifferenz ΔT_Exh zwischen der zweiten und ersten Temperatur T_extDs, T_exhUs oder den gemittelten Temperaturen der zweiten und der ersten Temperatur T_exhDs,T_exhUs durch das Steuergerät 100 ermittelt. In Abhängigkeit der gemessenen der Stromstärke I_EHC und der Spannung U_EHC wird mittels des Steuergeräts 100 die elektrische Heizleistung Pwr_EHC des elektrischen Heizelements 4 ermittelt.
Falls die erste Temperaturdifferenz ΔT_Exh zwischen der zweiten Temperatur und der ersten Temperaturdifferenz ΔT_Exh größer Null Grad bzw. Kelvin ist, wird mittels der Formel $d m_{E x h} = \frac{P w r_{E H C}}{(c p_{E x h} \cdot Δ T_{E x h})}$
der Abgasmassenstrom dm_Exh ermittelt und das Verfahren im Schritt 230 fortgesetzt.
Andernfalls wird das Verfahren im Schritt 200 von vorne begonnen oder beendet.
In einem Schritt 230 wird ein Vergleich zwischen dem ermittelten Abgasmassenstrom dm_exh und dem Frischluftmassenstrom dm_air durchgeführt. In einer bevorzugten Ausgestaltung kann der Vergleich als eine Differenz zwischen ermittelten Abgasmassenstrom dm_exh und dem Frischluftmassenstrom dm_air durchgeführt werden.
Überschreitet die ermittelte Differenz einen vorgebbaren oberen Schwellenwert S_max oder unterschreitet die Differenz einen vorgebbaren unteren Schwellenwert S_min wird der Frischluftmassenstrom dm_air als unplausibel erkannt. Weiterhin kann in Abhängigkeit einer vorgebbaren Entprellung oder eines Filters der eingesetzte Luftmassenmesser 9 (HFM, PFM) als defekt erkannt und/oder eine Motorkontrollleuchte im Armaturenbrett aktiviert werden.
Ansonsten wird der Frischluftmassenstrom dm_air als valide erkannt und das Verfahren kann beendet oder im Schritt 200 von vorne begonnen werden.
Die 3 zeigt beispielhaft einen zweiten Ablauf des Verfahrens zur Steuerung der Verbrennungskraftmaschine 10 mit mindestens einer Abgasnachbehandlungskomponente 5 mit einem elektrischen Heizelement 4 und einem optionalen Sekundärluftsystem. Es werden beispielhaft die wesentlichen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
In einem ersten Schritt 300 wird eine Freigabebedingung für das Verfahren abgeprüft. Hierzu wird mittels des Steuergeräts 100 überwacht, ob eine Aktivierung des elektrischen Heizelements 4 der mindestens einen Abgasnachbehandlungskomponente 5 durchgeführt wird.
Die Aktivierung des elektrischen Heizelements 4 wird dabei vorzugsweise von einer auf dem Steuergerät 100 berechneten Heizerregelung durchgeführt. Liegt ein aktviertes elektrisches Heizelement 4 vor, so wird die Freigabe für das Verfahren erteilt und das Verfahren in einem Schritt 310 fortgesetzt.
In einem Schritt 310 wird das elektrische Heizelement 4 nun auf die von der Heizerregelung vorgegebene Soll-Temperatur T_EHC,Soll gebracht. Vorzugsweise wird dies über einen Soll-Ist-Regelung durch das Steuergerät 100 durchgeführt. Erreicht die Ist-Temperatur T_EHC,Ist des elektrischen Heizelements die Soll-Temperatur T_EHC,Soll wird vorzugsweise eine vorgebbare Zeitdauer ti_HeatUp gestartet. Wenn die vorgebbare Zeitdauer ti_HeatUp abgelaufen ist, wird ein stationärer Zustand für das elektrische Heizelement 4 angenommen. Unter einem stationären Zustand für das elektrische Heizelement 4 wird insbesondere ein Zustand verstanden, bei dem davon ausgegangen wird, dass das elektrische Heizelement 4 seine Wärmeenergie vornehmlich bzw. vollständig an das vorbeiströmende Abgas weitergibt. Wenn die vorgebbare Zeitdauer abgelaufen ist und somit ein stationärer Zustand vorliegt, wird das Verfahren im Schritt 320 fortgesetzt.
In einer alternativen Ausgestaltung liegt der stationäre Zustand für das elektrische Heizelement 4 vor, wenn mit Start der Soll-Ist-Regelung die vorgebbare Zeitdauer ti_HeatUp abgelaufen ist. Vorzugsweise wird die vorgebbare Zeitdauer ti_HeatUp wie ein Countdown vom Steuergerät 100 ermittelt und mit Ablauf der vorgebbaren Zeitdauer ti_HeatUp liegt dann der stationäre Zustand für das elektrische Heizelement 4 vor.
In einem Schritt 320 wird nun kontinuierlich die erste Temperatur T_exhUs und die zweite Temperatur T_exhDs durch das Steuergerät 100 ermittelt. Ebenfalls werden kontinuierlich die gemessene Stromstärke I_EHC, die Spannung U_EHC sowie der Frischluftmassenstrom dm_air durch das Steuergerät 100 ermittelt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung werden die erste und die zweite Temperatur T_ExhUs,T_ExhDs und die Stromstärke I_EHC, die Spannung U_EHC und der Frischluftmassenstrom dm_air über einen vorgebbaren Zeitraum gemittelt. Zusätzlich wird die eingespritzte Kraftstoffmasse q_inj und optional ein Sekundärluftmassenstrom dm_Sek durch das Steuergerät 100 ermittelt.
Anschließend wird eine erste Temperaturdifferenz ΔT_Exh zwischen der zweiten und ersten Temperatur T_ExhDs, T_ExhUs oder den gemittelten Temperaturen der zweiten und der ersten Temperatur T_ExfDs,T_ExhUs durch das Steuergerät 100 ermittelt. In Abhängigkeit der gemessenen der Stromstärke I_EHC und der Spannung U_EHC wird mittels des Steuergeräts 100 die elektrische Heizleistung Pwr_EHC des elektrischen Heizelements 4 ermittelt.
Falls die erste Temperaturdifferenz ΔT_Exh zwischen der zweiten Temperatur und der ersten Temperaturdifferenz ΔT_Exh größer Null Grad bzw. Kelvin ist, wird mittels der Formel $d m_{E x h} = \frac{P w r_{E H C}}{(c p_{E x h} \cdot Δ T_{E x h})}$
der Abgasmassenstrom dm_Exh ermittelt und das Verfahren im Schritt 330 fortgesetzt.
Andernfalls wird das Verfahren im Schritt 300 von vorne begonnen oder beendet.
In einem Schritt 330 wird anschließend in Abhängigkeit der ermittelten Kraftstoffmasse q_inj, des Frischluftmassenstroms dm_air und dem Sekundärluftmassenstrom dm_Sek ein modellierter Abgasmassenstrom dm_Exh,mod durch das Steuergerät 100 ermittelt. Der dabei modellierte Abgasmassenstrom dm_Exh,mod entspricht dabei einem zu erwartenden Massenstrom.
Dieser modellierte Abgasmassenstrom dm_Exh,mod wird anschließend mit dem im Schritt 320 ermittelten Abgasmassenstrom dm_Exh verglichen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann der Vergleich als eine Differenz zwischen dem im Schritt 320 ermittelten Abgasmassenstrom dm_Exh mit dem modellierten Abgasmassenstrom dm_Exh,mod durchgeführt.
Überschreitet die ermittelte Differenz einen vorgebbaren oberen Schwellenwert S_max oder unterschreitet die Differenz einen vorgebbaren unteren Schwellenwert S_min so wird auf eine ungleichmäßige Anströmung des elektrischen Heizelements 4 durch einen Abgasmassenstrom geschlossen.
Weiterhin kann in Abhängigkeit einer vorgebbaren Entprellung oder eines Filters eine Fehlerreaktion wie z.B. das Abschalten oder ein Begrenzen der Heizleistung für das elektrische Heizelement 4 durch das Steuergerät 100 vorgenommen werden. Bei einem ausbleibenden oder zu geringen Abgasmassenstrom kann es lokal zu einer sehr unterschiedlichen Durchströmung des elektrischen Heizelements 4 (Hotspot Bildung) kommen, so dass das elektrische Heizelement 4 irreparabel zerstört oder die Lebensdauer ungewollt beeinträchtigt wird.
Bei einer sehr ungleichmäßigen Durchströmung des elektrischen Heizelements 4 kann es dazu kommen, dass die durch die elektrische Beheizung erzeugte Wärme nicht gleichmäßig oder nur an bestimmten Stellen des elektrischen Heizelements 4 gar nicht konvektiv abtransportiert wird. An diesen Stellen kann es daher zu einer lokalen Überhitzung (Hotspots) kommen. Durch die Begrenzung der Heizleistung oder durch ein Abschalten des elektrischen Heizelements 4 kann ein Bauteilschutz realisiert werden.
Andernfalls wird auf einen funktionalen Abgasmassenstrom geschlossen und das Verfahren kann beendet oder im Schritt 300 von vorne begonnen werden.

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Verbrennungskraftmaschine (10) mit mindestens einer Abgasnachbehandlungskomponente (5) mit einem elektrischen Heizelement (4), wobei das elektrische Heizelement (4) die mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente (5) und das durch die mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente (5) strömende Abgas erhitzt, wobei das elektrische Heizelement (4) kurzeitig oder dauerhaft mit einem Heizstrom, insbesondere konstant oder alternierend, beaufschlagt wird, wobei ein Gas, insbesondere Frischluft und/oder Abgas, den Abgaspfad (2) stromabwärts durchströmt, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Temperatur (T_exhUs) stromaufwärts der mindestens einen Abgasnachbehandlungskomponente (5) ermittelt wird, wobei eine zweite Temperatur (T_exhDs) stromabwärts der mindestens einen Abgasnachbehandlungskomponente (5) ermittelt wird wobei in Abhängigkeit einer ersten Temperaturdifferenz (ΔT_Exh) zwischen der ersten und der zweiten Temperatur (T_ExhUs,T_ExhDs) und einer Heizleistung (Pwr_EHC) des elektrischen Heizelements (4) der Abgasmassenstrom (dm_Exh) der Verbrennungskraftmaschine (10) ermittelt wird und in Abhängigkeit des Abgasmassenstroms (dm_Exh) die Verbrennungskraftmaschine (10) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Freigabe für das Verfahren erteilt wird, wenn ein Schubbetrieb für die Verbrennungskraftmaschine (10) erkannt wird und/oder wenn eine Aktivierung des elektrischen Heizelements (4) vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein stationärer Zustand für das elektrische Heizelement (4) vorliegt, wenn eine Ist-Temperatur für das elektrische Heizelement (4) eine Soll-Temperatur (T_EHC,Soll) für das elektrische Heizelement (4) für eine vorgebbare Zeitdauer (ti_HeatUP) überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein stationärer Zustand für das elektrische Heizelement (4) vorliegt, wenn eine vorgebbare Zeitdauer (ti_HeatUP) abgelaufen ist, nach dem das elektrische Heizelement (4) aktiviert wurde.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente (5) ein Dreiwegekatalysator oder ein Partikelfilter oder ein selektiver katalytischer Reduktionskatalysator oder ein NOX-Speicherkatalysator oder ein Oxidationskatalysator ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizleistung (Pwr_EHC) in Abhängigkeit einer Spannung (U_EHC) und einer Stromstärke (I_EHC) für das elektrische Heizelement (4) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasmassenstrom (dm_Exh) nach der folgenden Formel ermittelt wird: $d m_{E x h} = \frac{P w r_{E H C}}{(c p_{E x h} \cdot Δ T_{E x h})} = \frac{P w r_{E H C}}{(c p_{E x h} \cdot (T_{E x h D s} - T_{E x h U s}))}$
Mit (Pwr_EHC) der elektrisch eingebrachten Leistung in das elektrische Heizelement (4), (cp_Exh) der spezifischen Wärmekapazität des Abgases bei konstantem Druck, (ΔT_Exh) der ersten Temperaturdifferenz (ΔT_Exh) zwischen der Abgastemperatur (T_ExhDS) stromabwärts und der Abgastemperatur (T_ExhUs) stromaufwärts der mindestens einen Abgasnachbehandlungskomponente (5).
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frischluftmassenstrom (dm_Air) mit dem Abgasmassenstrom (dm_Exh) verglichen wird und in Abhängigkeit, ob eine Differenz zwischen dem Frischluftmassenstrom (dm_Air) und dem Abgasmassenstrom (dm_Exh) einen vorgebbaren oberen oder unteren Schwellenwert (S_max,S_min) über- oder unterschreitet ein defekter Luftmassensensor (9) erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit eines Frischluftmassenstroms (dm_Air), eines Sekundärluftmassenstrom (dm_Sec) und einer eingespritzten Kraftstoffmenge (q_inj) ein modellierter Abgasmassenstrom (d_MExh,mod) ermittelt wird, und wenn eine Differenz zwischen dem modellierten Abgasmassenstrom (dm_Exh,mod und dem Abgasmassenstrom (dm_Exh) einen oberen oder unteren Schwellenwert (S_max,S_min) über- oder unterschreiten ein Abschalten oder ein Begrenzen der Heizleistung (Pwr_EHC) für das elektrische Heizelement (4) vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenn ein defekter Luftmassensensor (9) oder ein Abschalten oder Begrenzen der Heizleistung (Pwr_EHC) für das elektrische Heizelement (4) erkannt wird, ein Fehlerbit im Steuergerät (100) gesetzt wird oder eine Motorkontrollleuchte im Armaturenbrett aktiviert wird.
Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen.
Elektronisches Speichermedium mit einem Computerprogramm nach Anspruch 11.
Vorrichtung, insbesondere Steuergerät (100), welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen.