DE102022210185A1

DE102022210185A1 - Verfahren, Recheneinheit und Computerprogramm zum optimalen Betreiben einer Brennkraftmaschine und eines Brenners eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102022210185A1
Application number: DE102022210185.5A
Authority: DE
Inventors: Chao Zhang; William Krein; Christian Disch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-09-27
Filing date: 2022-09-27
Publication date: 2024-03-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (200) zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (11) und eines Brenners (100) eines Kraftfahrzeugs (10, 50), wobei der Brenner (100) zur Beheizung zumindest eines Teils eines Abgassystems (12) stromab der Brennkraftmaschine (11) eingerichtet ist, wobei das Verfahren (200) ein Betreiben (210) des Brenners (100) zum Erzeugen eines Brennerabgases, ein Betreiben (230) der Brennkraftmaschine (11) zum Erzeugen eines Motorabgases, ein Zusammenführen des Brennerabgases und des Motorabgases stromauf des durch den Brenner (100) zu beheizenden Teils des Abgassystems (12) unter Erhalt eines Mischabgases (123), und ein Einstellen einer vorbestimmbaren Zusammensetzung (265) des Mischabgases (123) durch Einstellen (260, 270) von Menge und/oder Zusammensetzung des Brennerabgases und/oder des Motorabgases umfasst. Ferner werden eine Recheneinheit (130) und ein Computerprogramm zur Durchführung eines solchen Verfahrens (200) vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und eines Brenners eines Kraftfahrzeugs sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
Hintergrund der Erfindung
Zur Erreichung gesetzlich vorgeschriebener Emissionsgrenzwerte können Drei-Wege-Katalysatoren (engl. three way catalyst, TWC), die eine Konversion der relevanten gasförmigen Schadstoffe NO_x, HC sowie CO in unschädliche Produkte wie N₂, H₂O und CO₂ ermöglichen, eingesetzt werden. Damit diese katalytischen Reaktionen bestimmungsgemäß ablaufen, müssen die Temperaturen im Katalysator in der Regel die sogenannte Light-Off-Temperatur von typischerweise 300-400°C überschreiten. Sobald diese erreicht bzw. überschritten ist, konvertiert der Katalysator die relevanten Schadstoffe nahezu vollständig (sog. Katalysatorfenster).
Um diesen Zustand schnellstmöglich zu erreichen, können sogenannte innermotorische Katalysator-Heiznahmen angewandt werden. Dabei wird der Wirkungsgrad des Ottomotors durch späte Zündwinkel verschlechtert und so die Abgastemperatur und der Enthalpieeintrag in den Katalysator erhöht. Durch angepasste Einspritzstrategien (z. B. Mehrfacheinspritzungen) kann gleichzeitig die Verbrennungsstabilität sichergestellt werden.
Neben diesen innermotorischen Kat-Heizmaßnahmen können auch externe Katalysator-Heizmaßnahmen eingesetzt werden, beispielsweise mittels elektrisch beheizbarer Katalysatoren oder Abgasbrenner. Derartige externe Heizmaßnahmen sind beispielsweise in der DE 41 32 814 A1 und der DE 195 04 208 A1 beschrieben.
Zur weiteren Senkung der Emissionen im Vergleich zu einem konventionellen Betrieb mit innermotorischen Heizmaßnahmen, insbesondere bei Kaltabfahrten, also hohen Belastungen der Brennkraftmaschine im kalten Zustand ohne Leerlaufphase, haben sich sogenannte Kat-Brenner zur Beschleunigung des TWC-Light-Offs als äußerst wirkungsvolle Maßnahme herausgestellt.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und eines Brenners eines Kraftfahrzeugs 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.
Die Erfindung ermöglicht es, auch während einer Aufheizphase, in der ein Katalysator als zu beheizender Teil eines Abgassystems (noch) nicht (vollständig) betriebswarm ist, eine für die Konvertierung günstige Abgaszusammensetzung (Lambdawert) stromauf des Katalysators einzustellen. Dabei werden unterschiedliche Beiträge des Brennerabgases und des Abgases der Brennkraftmaschine entsprechend berücksichtigt.
Im Einzelnen eignet sich ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und eines Brenners eines Kraftfahrzeugs, wobei der Brenner zur Beheizung zumindest eines Teils eines Abgassystems, insbesondere eines Katalysators oder Drei-Wege-Katalysators, stromab der Brennkraftmaschine eingerichtet ist. Das Verfahren umfasst dabei erfindungsgemäß ein Betreiben des Brenners zum Erzeugen eines Brennerabgases, ein Betreiben der Brennkraftmaschine zum Erzeugen eines Motorabgases, ein Zusammenführen des Brennerabgases und des Motorabgases stromauf des zumindest einen durch den Brenner zu beheizenden Teils des Abgassystems unter Erhalt eines Mischabgases, und ein Einstellen einer vorbestimmbaren Zusammensetzung des Mischabgases durch Einstellen von Menge und/oder Zusammensetzung des Brennerabgases und/oder des Motorabgases. So kann mit unterschiedlichen Steuermaßnahmen flexibel jeweils die gewünschte Zusammensetzung eingestellt werden. Insbesondere kann die vorbestimmbare Zusammensetzung durch einen Lambdawert ausgedrückt werden, so dass im Rahmen der Erfindung der Lambdawert stromauf des zumindest einen durch den Brenner zu beheizenden Teils des Abgassystems eingestellt werden kann.
In einigen Ausgestaltungen umfasst das Verfahren in einer ersten Betriebsphase ein Betreiben des Brenners zum Erzeugen einer ersten Menge des Brennerabgases mit einer ersten Abgaszusammensetzung und ein nicht-Betreiben der Brennkraftmaschine, und in einer zweiten, der ersten Betriebsphase folgenden Betriebsphase ein Betreiben des Brenners zum Erzeugen einer zweiten Menge des Brennerabgases mit einer zweiten Abgaszusammensetzung und ein Betreiben der Brennkraftmaschine zum Erzeugen einer dritten Menge des Motorabgases mit einer dritten Zusammensetzung, wobei die erste Zusammensetzung der vorbestimmbaren Zusammensetzung entspricht, und wobei die zweite und dritte Zusammensetzung so gewählt werden, dass die Mischung der zweiten Menge des Brennerabgases mit der dritten Menge des Motorabgases die vorbestimmbare Zusammensetzung des Mischabgases ergibt. Dadurch kann in Abhängigkeit von der aktuellen Betriebssituation jeweils die aktuell günstigste Steuermaßnahme ausgewählt werden. Insbesondere folgt die zweite Betriebsphase unmittelbar auf die erste Betriebsphase.
Insbesondere wird das Kraftfahrzeug dabei in der zweiten Betriebsphase nicht bewegt, wobei das Verfahren in einer dritten, der zweiten Betriebsphase folgenden Betriebsphase, in der das Fahrzeug bewegt wird, ferner ein Steuern der Brennkraftmaschine gemäß einer gewünschten Bewegung des Fahrzeugs, wobei eine vierte Menge des Motorabgases mit einer vierten Zusammensetzung erzeugt wird, und ein Betreiben des Brenners zur Erzeugung einer fünften Menge des Brennerabgases mit einer fünften Zusammensetzung umfasst, wobei die fünfte Menge und/oder die fünfte Zusammensetzung in Abhängigkeit von der vierten Menge und der vierten Zusammensetzung gewählt werden, um die vorbestimmbare Zusammensetzung des Mischabgases zu erreichen. Somit können die Prioritäten der Einstellung flexibel zwischen Brenner und Brennkraftmaschine verschoben werden, um externe Vorgaben neben der Zusammensetzung des Mischabgases berücksichtigen zu können. Insbesondere folgt die dritte Betriebsphase unmittelbar auf die zweite Betriebsphase.
Die vorbestimmbare Zusammensetzung des Mischabgases kann zeitlich variabel sein. Dadurch können sich verändernde Betriebsszenarien zielgenau gesteuert bzw. berücksichtigt werden. Beispielsweise kann es zu Anfang einer Heizphase günstig sein, ein möglichst mageres Abgas in den noch kalten Katalysator einzuleiten, da dieser zu diesem Zeitpunkt noch nicht in der Lage ist, überhaupt Schadstoffe katalytisch zu entfernen. Zu einem späteren Zeitpunkt kann es hingegen beispielsweise günstig sein, ein fetteres Abgas einzuleiten, um durch die dann bereits ablaufenden exothermen katalytischen Reaktionen zusätzlich Wärme im Katalysator freizusetzen und so die Aufheizung zu unterstützen.
Insbesondere umfasst das Verfahren ein Ermitteln der vorbestimmbaren Zusammensetzung in Abhängigkeit von einem oder mehreren Parametern aus der Gruppe aus einer Abgaszusammensetzung stromab der Brennkraftmaschine und/oder stromab des Brenners, einer Abgasmenge stromab der Brennkraftmaschine und/oder stromab des Brenners, einer an der Brennkraftmaschine angeforderten Last, einer Drehzahl der Brennkraftmaschine, einer Temperatur innerhalb des Abgassystems und eines Schadstoffgehalts des Abgases stromab des Brenners und/oder stromab der Brennkraftmaschine. So können für das Emissionsverhalten und/oder die möglichst schnelle Erreichung des Katalysatorfensters relevante Einflussfaktoren direkt bei der Zielvorgabe bezüglich der Abgaszusammensetzung, z.B. am Eingang eines entsprechenden Katalysators, berücksichtigt werden.
Insbesondere ist die Temperatur innerhalb des Abgassystems eine Temperatur des zumindest einen durch den Brenner zu beheizenden Teils des Abgassystems, wie eines (Drei-Wege-)Katalysators. Insbesondere kann somit in einer Ausgestaltung ein Lambdawert stromauf eines Katalysators in Abhängigkeit von der Temperatur dieses Katalysators eingestellt werden. Dies kann über ein Kennfeld erfolgen. Der Verlauf des Lambdawerts stromauf des Katalysators kann dabei so frei gewählt werden, dass zu jeder beliebigen Kattemperatur ein optimales Lambda während der Konvertierungsphase gegeben ist.
In einigen Ausgestaltungen des Verfahrens werden eine Laufzeit des Brennerabgases und eine Laufzeit des Motorabgases bis zu der Zusammenführung des Brennerabgases mit dem Motorabgas beim Einstellen von Menge und/oder Zusammensetzung des Brennerabgases und/oder des Motorabgases berücksichtigt. So kann gezielt die gewünschte Zusammensetzung in jedem Zeitpunkt eingestellt werden, ohne dass dabei eine zeitliche Verzögerung bzw. Mittelung in Kauf genommen werden muss.
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. Schließlich ist ein maschinenlesbares Speichermedium vorgesehen mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm wie oben beschrieben. Geeignete Speichermedien bzw. 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. Ein solcher Download kann dabei drahtgebunden bzw. kabelgebunden oder drahtlos (z.B. über ein WLAN-Netz, eine 3G-, 4G-, 5G- oder 6G-Verbindung, etc.) erfolgen.
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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 zeigt ein Fahrzeug, wie es in Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, in schematischer Darstellung.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form eins stark vereinfachten Blockdiagramms.
3 zeigt beispielhaft Betriebszustände von Brenner und Brennkraftmaschine, wie sie im Rahmen von Ausführungsbeispielen der Erfindung durchlaufen werden können.
4 zeigt beispielhafte Verläufe verschiedener Steuerparameter, wie sie im Rahmen von Ausgestaltungen der Erfindung auftreten bzw. eingestellt werden können.
5 und 6 zeigen beispielhaft mögliche Anordnungen von Abgassystemen, wie sie im Rahmen von verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung verwendet werden können.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist ein Fahrzeug, wie es im Rahmen eines Ausführungsbeispiels der Erfindung verwendet werden kann, schematisch dargestellt und insgesamt mit 10 bezeichnet. Das Fahrzeug 10 umfasst im gezeigten Beispiel eine Brennkraftmaschine 11, beispielsweise einen Hub- oder Drehkolbenmotor mit Fremdzündung, zum Antrieb von Rädern 15 des Fahrzeugs 10. Das Fahrzeug 10 umfasst ferner eine Abgasanlage bzw. ein Abgassystem 12, die bzw. das zur Nachbehandlung eines durch die Brennkraftmaschine 11 erzeugten Abgases eingerichtet ist und zu diesem Zweck z.B. Katalysatoren 122, 124 und Rußpartikelfilter 126 aufweist, einen Abgasbrenner 100 zur Beheizung zumindest eines Teils der Abgasanlage 12 sowie ein Sekundärluftsystem 13, das dazu eingerichtet ist, der Abgasanlage 12 und/oder dem Abgasbrenner 100 Luft zuzuführen, um Oxidationsreaktionen zu ermöglichen bzw. zu fördern.
Der Abgasbrenner 100 umfasst eine Zündanlage 120, hier in Form einer Zündkerze, die beispielsweise mittels einer Zündspule bestromt werden kann, sowie eine Kraftstoffzufuhr 140, hier in Form einer Einspritzanlage. In den Abgasbrenner 100 eingebrachter Kraftstoff wird im Betrieb des Abgasbrenners 100 zusammen mit eingebrachter Luft unter Verwendung der Zündanlage 120 zur Reaktion gebracht, wobei heiße Abgase entstehen, die zur Beheizung von stromab des Abgasbrenners angeordneten Komponenten des Abgassystems 12, beispielsweise Katalysatoren 124, Partikelfilter 126, Lambdasonden (in 1 nicht dargestellt) o.Ä. genutzt werden. Wesentliches Merkmal dieser Bauform ist die Direkteinspritzung des Kraftstoffs und die damit verbundene Interaktion mit der Zündanlage 120, wobei die Erfindung nicht auf dieses Bauprinzip beschränkt ist.
Das Sekundärluftsystem 13 beinhaltet hier einen Luftfilter 132, einen Sensor 136, beispielsweise einen Luftmassen- und/oder Temperatursensor, eine Luftpumpe 134, sowie ein Sekundärluftventil 138, das beispielsweise in Form eines Sperrventils bereitgestellt sein kann und die Luftzufuhr aus dem Sekundärluftsystem 13 in den Abgasbrenner 100 bzw. die Abgasanlage 12 unterbinden oder erlauben kann.
Stromab der Brennkraftmaschine 11 ist ein Lambdasensor 121, beispielsweise eine Breitbandlambdasonde, angeordnet, die dazu eingerichtet ist, eine Zusammensetzung des von der Brennkraftmaschine 11 erzeugten Motorabgases zu ermitteln. Stromab des Brenners ist in dem gezeigten Beispiel ein weiterer Lambdasensor 131 angeordnet, der dazu eingerichtet ist, eine Zusammensetzung des Brennerabgases zu ermitteln, wobei die beiden Sensoren 121, 131 jeweils stromauf der Zusammenführung von Brennerabgas und Motorabgas angeordnet sind, so dass die ermittelten Zusammensetzungen sich jeweils exklusiv auf einen der beiden Abgasströme beziehen. Insbesondere ist der Sensor 131 in der Einleitstrecke des Brenners angeordnet, so dass er nur den Lambdawert des Brennerabgases misst. Stromab der Zusammenführung von Motorabgas und Brennerabgas wird der resultierende Abgasstrom als Mischabgas 123 bezeichnet.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines stark vereinfachten Blockdiagramms schematisch gezeigt und insgesamt mit 200 bezeichnet. Beispielsweise kann es sich um ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens 200 handeln. Bezugnahmen auf Fahrzeugkomponenten in der Beschreibung des Verfahrens 200 beziehen sich insbesondere auf das in 1 gezeigte Fahrzeug 10, wobei selbstverständlich zur Durchführung des Verfahrens 200 andere geeignete Fahrzeuge verwendet werden können.
In einem Schritt 210 des Verfahrens 200 wird der Brenner 100 betrieben, indem ihm Kraftstoff und Luft zugeführt und in dem Brenner 100 gezündet werden. Dabei erzeugt der Brenner 100 ein Abgas, das in Richtung des Abgassystems 12 ausgestoßen wird.
Der stromab des Brenners 100 angeordnete Lambdasensor 131 ermittelt in einem Schritt 220 eine Zusammensetzung des Brennerabgases, insbesondere in Form eines Lambdawerts, also des stöchiometrischen Verhältnisses zwischen Sauerstoff und Kohlenwasserstoffen (bezogen auf die zur vollständigen Verbrennung der Kohlenwasserstoffe erforderlichen Menge an Sauerstoff) in dem Brennerabgas.
In einem Schritt 230 werden der Brennkraftmaschine Kraftstoff und Luft zugeführt und dort gezündet, wobei ein Motorabgas erzeugt wird, das in Richtung des Abgassystems 12 ausgestoßen wird.
Analog zu Schritt 220 wird in einem Schritt 240 die Zusammensetzung des Motorabgases ermittelt, wozu der Lambdasensor 121 verwendet werden kann.
Die in den Schritten 220 und 240 ermittelten Abgaszusammensetzungen werden in einem Schritt 250 miteinander verrechnet, um eine Zusammensetzung des Mischabgases 123 zu ermitteln. Dabei werden die unterschiedlichen Massenströme von Luft und Kraftstoff zum Brenner 100 bzw. zur Brennkraftmaschine 11 berücksichtigt. Diese sind aus der Steuerung der jeweiligen Komponenten ohnehin bekannt: $λ_{V o r k a t} = \frac{\dot{m} l_{G e s a m t}}{L_{s t} \cdot \dot{m} k_{G e s a m t}} = \frac{\dot{m} l_{G e s a m t} \cdot λ_{B r e n n e r} \cdot λ_{M o t o r}}{λ_{M o t o r} \cdot \dot{m} l_{B r e n n e r} + λ_{B r e n n e r} \cdot \dot{m} l_{M o t o r}}$
Dabei gelten folgende Zusammenhänge:

λ_Brenner: Lambdawert Brenner (z.B. von Sensor 131)
λ_Motor: Lambdawert Brennkraftmaschine (z.B. von Sensor 121)
λ_Vorkat: Lambdawert am Katalysatoreinlass
ṁl_Brenner: Luftmassenstrom Brenner
ṁl_Motor: Luftmassenstrom Brennkraftmaschine (alternativ auch Abgasmassenstrom Brennkraftmaschine)
ṁl_Gesamt: Gesamtluftmassenstrom vor Katalysator (Mischabgas 123)
ṁk_Gesamt: Gesamtkraftstoffmassenstrom (Brenner und Brennkraftmaschine)
L_st : stöchiometischer Luftbedarf (=14,7; bezogen auf die Kraftstoffmasse bei Normalbenzin)

Ferner werden in einer Ausgestaltung unterschiedliche Laufzeiten von Brennerabgas und Motorabgas zur Zusammenführung der beiden Abgasströme berücksichtigt. Diese hängen ebenfalls von den jeweiligen Massenströmen ab und können empirisch ermittelt und beispielsweise in der Recheneinheit 130 (z.B. in Form einer Kennlinie) hinterlegt werden.
In einem Schritt 260 wird die ermittelte Zusammensetzung des Mischabgases 123 mit einem vorbestimmbaren Sollwert verglichen. Dieser Sollwert kann in einem Schritt 265 bestimmt werden, wobei beispielsweise aktuelle Betriebsparameter der Brennkraftmaschine 11, des Brenners 100 und/oder des Abgassystems 12 berücksichtigt werden können. Insbesondere kann eine Temperatur einer oder mehrere Komponenten des Abgassystems für die Bestimmung 265 des Sollwerts bzw. der vorbestimmbaren Zusammensetzung des Mischabgases 123 herangezogen werden, da sich die aus Emissionssicht optimale Abgaszusammensetzung in Abhängigkeit von der Temperatur eines zur Konvertierung des jeweiligen Abgases verwendeten Katalysators ändert. Insbesondere kann bei einer Katalysatortemperatur unterhalb der Light-Off-Temperatur ein höherer Lambdawert vorgegeben werden als nach Erreichen der minimal erforderlichen Betriebstemperatur.
Entspricht die in dem Schritt 260 ermittelte Abgaszusammensetzung des Mischabgases 123 dem Sollwert, kann das Verfahren zu den Schritten 210 und 230 zurückkehren, ohne Veränderungen an der Betriebsweise von Brenner 100 und Brennkraftmaschine 11 vorzunehmen.
Stimmen Sollwert und ermittelte Abgaszusammensetzung des Mischabgases 123 hingegen nicht überein, fährt das Verfahren 200 in dem hier dargestellten Beispiel mit einem Schritt 270 fort, in dem eine Anpassungsstrategie festgelegt wird. Dabei können verschiedenste Anforderungen an den Betrieb von Brennkraftmaschine 11 und Brenner 100 mitberücksichtigt werden, beispielsweise ein noch erforderlicher Heizbedarf des zu beheizenden Katalysators 124, eine Lastanforderung an die Brennkraftmaschine 11 und Ähnliches mehr. Mit anderen Worten wird in Schritt 270 die Aufteilung des Ziel-Lambdawerts (bzw. der vorbestimmbaren Abgaszusammensetzung des Mischabgases) auf die beiden Teilabgasströme (Motorabgas und Brennerabgas) festgelegt. Das Verfahren kehrt im Anschluss mit entsprechend angepassten Steuerparametern zu den Schritten 210 und 230 zurück, um Motorabgas und Brennerabgas mit entsprechend veränderten Zusammensetzungen und/oder in entsprechend angepassten Mengen zu erzeugen.
Im Falle einer Steuerung des Brenners in Abhängigkeit von der ermittelten Zusammensetzung des Motorabgases ergibt sich für das einzustellende Brennerlambda: $λ_{B r e n n e r} = \frac{1}{λ_{B r e n n e r_{r e c}}} = \frac{\dot{m} l_{G e s a m t}}{\dot{m} l_{B r e n n e r}} \cdot λ_{V o r k a t_{r e c}} - \frac{\dot{m} l_{M o t o r}}{\dot{m} l_{B r e n n e r}} \cdot λ_{M o t o r_{r e c}}$
Dabei bezeichnet ein tiefgestelltes „rec“ den jeweiligen Reziprokwert.
Umgekehrt ergibt sich mm Falle einer Steuerung der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der ermittelten Zusammensetzung des Brennerabgases für das einzustellende Motorlambda: $λ_{M o t o r} = \frac{1}{λ_{M o t o r_{r e c}}} = \frac{\dot{m} l_{G e s a m t}}{\dot{m} l_{M o t o r}} \cdot λ_{V o r k a t_{r e c}} - \frac{\dot{m} l_{B r e n n e r}}{\dot{m} l_{M o t o r}} \cdot λ_{B r e n n e r_{r e c}}$
In 3 sind beispielhaft Betriebszustände von Brenner 100 und Brennkraftmaschine 11 in Form eines Diagramms 300 gezeigt, wie sie im Rahmen von Ausführungsbeispielen der Erfindung durchlaufen werden können.
In dem Diagramm 300 sind mehrere Kurven 301, 302, 303 dargestellt, die jeweils unterschiedliche Betriebsparameter des Fahrzeugs 10 beschreiben. Die Abszisse ist dabei eine gemeinsame Zeitachse, während die Ordinate jeweils eine beliebig skalierte Achse mit jeweils unterschiedlicher physikalischer Größe ist.
Im Falle der Kurve 301 ist auf der Ordinate der Luftmassenstrom zum Brenner aufgetragen. Dieser korreliert mit der Heizleistung des Brenners und ist (bei konstanter Zusammensetzung des Brennerabgases) auch im Wesentlichen zu dessen Abgasmassenstrom proportional. Zum Zeitpunkt t0 wird das Sekundärluftsystem 13 aktiviert, woraufhin sich der zum Brenner 100 geführte Luftmassenstrom 301 stark erhöht. Zum Zeitpunkt t1 wird der Brenner gestartet und bis zum Zeitpunkt t2 auf seine Nennleistung hochgefahren. Die Zeitspanne zwischen t1 und t2 stellt eine erste Betriebsphase gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung dar.
Im Zeitpunkt t2 wird die Brennkraftmaschine 11 gestartet, was sich an der Kurve 302 ablesen lässt, die einen Drehzahlverlauf der Brennkraftmaschine darstellt. Bis zum Zeitpunkt t3 befindet sich die Brennkraftmaschine im Leerlauf, ist also nicht mit den Rädern 15 des Fahrzeugs 10 gekoppelt. Die Zeitspanne zwischen t2 und t3 stellt eine zweite Betriebsphase gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung dar.
Alternativ können Brenner 100 und Brennkraftmaschine parallel zueinander gestartet werden. In einer solchen Ausgestaltung wäre die Kurve 302 relativ zur Kurve 301 in Richtung t0 verschoben.
Im Zeitpunkt t3 wird daraufhin eine mechanische Verbindung zwischen den Rädern 15 und der Brennkraftmaschine hergestellt, was an der Kurve 303, die eine Geschwindigkeit des Fahrzeugs über der Zeit darstellt, erkennbar ist. Im Zeitpunkt t4 wird der Brenner abgeschaltet. Die Zeitspanne zwischen t3 und t4 stellt eine dritte Betriebsphase gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung dar.
In der Zeitspanne zwischen t2 und t3, in der das Fahrzeug 10 noch nicht bewegt wird, werden prinzipiell keine äußeren Ansprüche an die von der Brennkraftmaschine 11 abgegebene Leistung gestellt, so dass in dieser Phase die in Bezug auf Schritt 270 beschriebene Priorisierung auf die Beheizung und damit die Steuerung des Brenners 100 gelegt werden kann. Somit kann in dieser Phase die Zusammensetzung des Motorabgases in Abhängigkeit von der ermittelten Zusammensetzung des Brennerabgases eingestellt werden, um bei der Steuerung des Brenners 100 möglichst viel Freiheit zur Einstellung der gewünschten Heizleistung zu haben. Mit anderen Worten wird bei der Priorisierung des Brenners zusätzlich zu dem vorbestimmbaren Lambdawert des Mischabgases ein gewünschter Lambdawert des Brennerabgases vorgegeben und die Brennkraftmaschine entsprechend gesteuert um mit dem gewünschten Brennerlambda zusammen den vorbestimmten Lambdawert des Mischabgases einzustellen.
Ab dem Zeitpunkt t3 kann hingegen die Priorität auf einen möglichst ungestörten Betrieb der Brennkraftmaschine 11 gelegt werden, so dass dann die Zusammensetzung des Brennerabgases in Abhängigkeit von der ermittelten (bzw. gewünschten) Abgaszusammensetzung des Motorabgases eingestellt werden kann.
In 4 sind beispielhafte Verläufe verschiedener Steuerparameter gezeigt, wie sie im Rahmen von Ausgestaltungen der Erfindung, insbesondere im Hinblick auf die in 3 gezeigten Betriebszustände, auftreten bzw. eingestellt werden können.
Die Abszisse ist in den hier gezeigten Beispielen für Steuerparameter eine gemeinsame Temperaturachse, wobei sich die Temperatur T hier auf den Katalysator 124 bezieht.
In einem Diagramm 401 ist beispielhaft ein möglicher Verlauf des vorbestimmbaren Lambdawerts λv des Mischabgases 123 gezeigt, der zunächst (in einem Bereich 410) über 1, also im mageren Bereich liegen kann und ab einer bestimmten Katalysatoreingangstemperatur auf 1 gesenkt wird. Der Zeitpunkt des Absenkens des Lambdawerts des Mischabgases (gestrichelte Linie zwischen Bereichen 410 und 420) fällt in dem hier gezeigten Beispiel mit dem Start der Brennkraftmaschine 11 zusammen (Zeitpunkt t2 in 3).
Dies ist in Zusammenschau mit den Diagrammen 402 und 403 erkennbar, die den Soll-Lambdaverlauf von Brenner 100 (Diagramm 402; λ_B) bzw. Brennkraftmaschine 11 (Diagramm 403; λ_M) darstellen. Um den anfangs fetten Verlauf des Motorabgases, wie es beim Start einer Brennkraftmaschine üblich sein kann, zu kompensieren, wird in dieser Betriebsphase (Bereich 420; entspricht der Zeitspanne zwischen t2 und t3 bzw. zwischen t2 und t4 in 3) ein magereres Brennerabgas eingestellt. Trotz des relativ konstant fetten Lambdaverlaufs 403 in dem Bereich 420 (Zeitfenster zwischen t2 und t3 bzw. t4) und gleichzeitig konstantem Lambdawert λv des Mischabgases ändert sich die Zusammensetzung des Brennerabgases hier, wie aus Diagramm 402 ersichtlich. Dies trägt einer veränderlichen Abgasmenge Rechnung, wobei eine sinkende Abgasmenge seitens der Brennkraftmaschine mit sinkendem Lambdawert seitens des Brenners kompensiert werden kann. Alternativ könnte der Brenner 100 auch zur Erzeugung einer geringeren Abgasmenge gesteuert werden, wodurch allerdings der Wärmeeintrag in den zu beheizenden Katalysator gesenkt würde, was typischerweise während einer Heizphase nicht erwünscht ist.
In Diagramm 404 ist beispielhaft eine Prioritätenverteilung Pr zwischen Brenner (niedriges Niveau) und Brennkraftmaschine (hohes Niveau) dargestellt. Wie bereits oben in Bezug auf 2 diskutiert, kann diese Priorisierung jedoch auch anders verlaufen, so dass beispielsweise eine längere Priorisierung des Brenners eingestellt werden kann, oder auch intermittierend die Priorisierung zwischen Brenner und Brennkraftmaschine gewechselt werden kann.
Diagramme 405 und 406 zeigen schließlich einen relativen Fortschritt der Heizmaßnahme H und eine durch den Katalysator erreichte Konvertierungsrate K an. Sobald der relative Heizfortschritt H 100% erreicht, kann der Brenner 100 gedrosselt (Bereich 430; entspricht der Zeitspanne nach t3 bzw. nach t4 in 3) bzw. ganz abgeschaltet werden, womit auch das Verfahren 200 beendet werden kann.
In 5 ist schließlich eine alternative Anordnung des Abgasnachbehandlungssystems in einem Fahrzeug 50 gezeigt, wobei im Vergleich zu dem in 1 gezeigten System ein Katalysator (dort 122) weniger zum Einsatz kommt. Das Motorabgas wird dementsprechend direkt vor dem Katalysator 124 mit dem Brennerabgas vereinigt, ohne zuvor durch eine weitere Reinigungskomponente gebremst bzw. in seiner Zusammensetzung verändert zu werden. Diese Aspekte können im Rahmen von Ausgestaltungen der Erfindung ebenfalls berücksichtigt werden, insbesondere in dem oben beschriebenen Schritt 270 des Verfahrens 200, in dem die Aufteilung auf Brenner und Brennkraftmaschine festgelegt und auch die zeitliche Verzögerung zwischen Erzeugung und Ankunft an der Zusammenführung von Motorabgas und Brennerabgas berücksichtigt werden. Durch eine derartige Kompensation der unterschiedlichen Abgaslaufzeiten lässt sich eine höhere Regelgüte in Bezug auf die Zusammensetzung des Mischabgases 123 erzielen, da die entsprechend berechneten Abgaszusammensetzungen zeitgleich an der Zusammenführung von Motorabgas und Brennerabgas ankommen und somit jeweils die korrekte Zusammensetzung des Mischabgases 123 eingestellt wird. Ohne Laufzeitkompensation wäre die gewünschte Zusammensetzung des Mischabgases im Mittel zwar ebenfalls gegeben, nicht jedoch für jeden Zeitpunkt individuell.
Es versteht sich, dass die hierin beschriebene Erfindung unabhängig von der konkreten Lage der vorbestimmbaren Zusammensetzung des Mischabgases anwendbar ist. Sie ist somit zur Realisierung aller Brennverfahren einer Brennkraftmaschine (z.B. Lambda-1-Konzepte, Magerbrennverfahren, Fettkonzepte mit Sekundärluft) geeignet und auch unabhängig von der konkreten Ausgestaltung der Brennkraftmaschine (Ottomotor, Dieselmotor, Drehkolbenmaschine, Hubkolbenmaschine, ...) und des Brenners. Auch das beschriebene schrittweise Vorgehen ist nicht zwingend erforderlich, sondern wurde lediglich zum besseren Verständnis als Beispiel gewählt. Einzelne oder alle Schritte können vielmehr auch kontinuierlich und parallel zueinander oder auch in anderer Reihenfolge durchgeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4132814 A1 [0004]
DE 19504208 A1 [0004]

Claims

Verfahren (200) zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (11) und eines Brenners (100) eines Kraftfahrzeugs (10, 50), wobei der Brenner (100) zur Beheizung zumindest eines Teils eines Abgassystems (12) stromab der Brennkraftmaschine (11) eingerichtet ist, wobei das Verfahren (200) umfasst: Betreiben (210) des Brenners (100) zum Erzeugen eines Brennerabgases, Betreiben (230) der Brennkraftmaschine (11) zum Erzeugen eines Motorabgases, Zusammenführen des Brennerabgases und des Motorabgases stromauf des zumindest einen durch den Brenner (100) zu beheizenden Teils des Abgassystems (12) unter Erhalt eines Mischabgases (123), und Einstellen einer vorbestimmbaren Zusammensetzung (265) des Mischabgases (123) durch Einstellen (260, 270) von Menge und/oder Zusammensetzung des Brennerabgases und/oder des Motorabgases.
Verfahren (200) nach Anspruch 1, umfassend in einer ersten Betriebsphase, Betreiben (210) des Brenners (100) zum Erzeugen einer ersten Menge des Brennerabgases mit einer ersten Abgaszusammensetzung (220) und nicht-Betreiben der Brennkraftmaschine (11), in einer zweiten, auf die erste Betriebsphase folgenden Betriebsphase, Betreiben (210) des Brenners (100) zum Erzeugen einer zweiten Menge des Brennerabgases mit einer zweiten Abgaszusammensetzung (220) und Betreiben (230) der Brennkraftmaschine (11) zum Erzeugen einer dritten Menge des Motorabgases mit einer dritten Zusammensetzung (240), wobei die erste Zusammensetzung der vorbestimmbaren Zusammensetzung (265) entspricht, und wobei die zweite und dritte Zusammensetzung so gewählt werden, dass die Mischung der zweiten Menge des Brennerabgases mit der dritten Menge des Motorabgases die vorbestimmbare Zusammensetzung des Mischabgases (123) ergibt.
Verfahren (200) nach Anspruch 2, wobei das Kraftfahrzeug (10, 50) in der zweiten Betriebsphase nicht bewegt wird, und wobei das Verfahren (200) in einer dritten, auf die zweite Betriebsphase folgenden Betriebsphase, in der das Fahrzeug (10, 50) bewegt wird, umfasst: Steuern (230) der Brennkraftmaschine (11) gemäß einer gewünschten Bewegung des Fahrzeugs (10, 50), wobei eine vierte Menge des Motorabgases mit einer vierten Zusammensetzung (240) erzeugt wird, und Betreiben (210) des Brenners (100) zur Erzeugung einer fünften Menge des Brennerabgases mit einer fünften Zusammensetzung (220), wobei die fünfte Menge und/oder die fünfte Zusammensetzung in Abhängigkeit von der vierten Menge und der vierten Zusammensetzung gewählt (260, 270) werden, um die vorbestimmbare Zusammensetzung (265) des Mischabgases (123) zu erreichen.
Verfahren (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die vorbestimmbare Zusammensetzung (265) des Mischabgases (123) zeitlich variabel ist.
Verfahren (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend ein Ermitteln (265) der vorbestimmbaren Zusammensetzung in Abhängigkeit von einem oder mehreren Parametern aus der Gruppe aus einer Abgaszusammensetzung stromab der Brennkraftmaschine (11) und/oder stromab des Brenners (100), einer Abgasmenge stromab der Brennkraftmaschine (11) und/oder stromab des Brenners (100), einer an der Brennkraftmaschine (11) angeforderten Last, einer Drehzahl der Brennkraftmaschine (11), einer Temperatur innerhalb des Abgassystems (12) und eines Schadstoffgehalts des Abgases stromab des Brenners (100) und/oder stromab der Brennkraftmaschine (11).
Verfahren (200) nach Anspruch 5, wobei das die Temperatur innerhalb des Abgassystems (12) eine Temperatur des zumindest einen durch den Brenner (100) zu beheizenden Teils des Abgassystems (12) ist.
Verfahren (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Laufzeit des Brennerabgases und eine Laufzeit des Motorabgases bis zu der Zusammenführung des Brennerabgases mit dem Motorabgas beim Einstellen (260, 270) von Menge und/oder Zusammensetzung des Brennerabgases und/oder des Motorabgases berücksichtigt werden.
Recheneinheit (130), die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit (130) dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (130) ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 9.