EP4060168A1 - Abgastemperaturabhängige regeneration eines partikelfilters mittels einer heizvorrichtung - Google Patents

Abgastemperaturabhängige regeneration eines partikelfilters mittels einer heizvorrichtung Download PDF

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EP4060168A1
EP4060168A1 EP22160370.7A EP22160370A EP4060168A1 EP 4060168 A1 EP4060168 A1 EP 4060168A1 EP 22160370 A EP22160370 A EP 22160370A EP 4060168 A1 EP4060168 A1 EP 4060168A1
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EP
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exhaust gas
combustion engine
internal combustion
heating device
temperature
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Johannes Bunkus
Stephan Kraus
André Sarow
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Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Publication date
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    • F01N2900/16—Parameters used for exhaust control or diagnosing said parameters being related to the exhaust apparatus, e.g. particulate filter or catalyst
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    • F01N2900/1606—Particle filter loading or soot amount

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine, which comprises an internal combustion engine and an exhaust line for discharging exhaust gas from the internal combustion engine, with an exhaust gas aftertreatment device to be actively thermally regenerated being integrated in the exhaust line.
  • the internal combustion engine can in particular be part of a motor vehicle.
  • Such an exhaust gas aftertreatment device to be thermally regenerated can in particular be a particle filter which serves to reduce particles in exhaust gas which was produced during combustion processes in an internal combustion engine of the internal combustion engine and which is to be discharged into the environment via the exhaust line.
  • a particle filter usually has to be regenerated when a defined loading limit is reached in order to maintain its functionality. To do this, it must be temporarily heated to a temperature that is generally between 600°C and 650°C, unless the addition of an additive reduces the oxidation temperature of the particles. Using the CRT effect, a corresponding particle filter must be heated to a temperature of at least 300°C.
  • An exhaust gas aftertreatment device is usually heated to a temperature required for regeneration by a corresponding increase in the temperature of the exhaust gas, for which various measures, in particular internal engine measures, are known.
  • Such internal engine measures consist in operating the internal combustion engine of the internal combustion engine with a relatively poor degree of efficiency, as a result of which a relatively large proportion of the energy supplied to the internal combustion engine via the fuel remains unused as thermal energy in the exhaust gas for generating drive power.
  • a disadvantage of such a procedure is therefore the relatively high fuel consumption of the internal combustion engine, which results from the targeted deterioration in efficiency.
  • the DE 10 2007 036 257 A1 discloses in this regard a particle filter for a diesel internal combustion engine, the outer region of the particle filter having an electrical heating device.
  • the heating device can be used to specifically raise the temperature of the exhaust gas flowing through the particle filter in an outer area of a filter element of the particle filter, thereby improving the regeneration of the filter element in this outer area.
  • the internal combustion engine of the internal combustion engine can be operated in a targeted manner in such a way that relatively hot exhaust gas is generated by it.
  • the DE 10 2008 030 307 A1 describes an exhaust line for an internal combustion engine of a motor vehicle, with two catalytic converter arrangements being integrated into the exhaust line, each of which is assigned an electric heating device.
  • the first catalyst arrangement also includes a particle filter. By means of the heating device of the first catalytic converter arrangement, the exhaust gas flowing through it can be heated as required, which can also be done with the aim of regenerating the particle filter.
  • the DE 10 2019 204 298 A1 discloses an exhaust gas purification device for an internal combustion engine, which includes a heated catalytic converter which is set up to convert supplied fuel with exhaust gas.
  • the heated catalytic converter can also be electrically heated.
  • the object of the invention was to improve the thermal regeneration of an exhaust gas aftertreatment device and in particular of a particle filter of an internal combustion engine.
  • a method for operating an internal combustion engine comprising at least one internal combustion engine and an exhaust system for discharging exhaust gas from the internal combustion engine (and for introducing the exhaust gas into the environment), with an exhaust gas aftertreatment device that is to be actively thermally regenerated, if necessary, integrated in the exhaust system is.
  • the exhaust gas aftertreatment device can in particular be a particle filter or it can include at least one such particle filter.
  • An electrical heating device is assigned to the exhaust aftertreatment device. By means of the heating device, the exhaust gas aftertreatment device is heated as needed and temporarily in order to reach a temperature of the exhaust gas aftertreatment device that is sufficient for the regeneration of the exhaust gas aftertreatment device.
  • Such a regeneration is carried out or initiated as a function of the loading condition, so that the exhaust gas aftertreatment device is only regenerated when the loading condition is above a defined loading limit value.
  • the loading state reflects an increasing deterioration in the functioning of the exhaust gas aftertreatment device due to exhaust gas aftertreatment that has already taken place.
  • the particle filter which is preferably provided as an exhaust gas after-treatment device
  • the loading state accordingly increases with the mass of particles that have already been filtered out of the exhaust gas by means of the particle filter and thus stored in it.
  • the higher the loading condition the lower the further capacity of the particle filter for filtering.
  • an increase in the loading state can lead to an undesired increase in the flow resistance for the exhaust gas flowing through the particle filter.
  • the loading state for such a particle filter can accordingly be determined, for example, by measuring the differential pressure of the exhaust gas across the particle filter.
  • the loading limit value, from which regeneration of the exhaust gas aftertreatment device is carried out with the aid of the heating device is adjusted depending on how high the temperature of the exhaust gas generated by the internal combustion engine is. Specifically, it is provided that the heating device is operated for regeneration of the exhaust gas after-treatment device when the loading state of the exhaust after-treatment device is above a first, relatively (compared to a second loading limit) high loading limit and the internal combustion engine produces exhaust gas with an exhaust gas temperature that is within a first, relatively (compared to a second temperature range) low temperature range is generated.
  • the heater for regeneration the exhaust aftertreatment device is also operated when the loading state of the exhaust aftertreatment device is above the second, relatively low loading limit value and the internal combustion engine produces exhaust gas with an exhaust gas temperature that lies within the second, relatively high temperature range.
  • the second loading limit value can preferably correspond to a value between 30% and 50%, in particular 40%, of the first loading limit value.
  • the exhaust gas temperature can be all the higher, the higher the operating load or the combination of operating speed and operating load at which the internal combustion engine is operated. Accordingly, starting from the operating load or the combination of operating speed and operating load, the exhaust gas temperature can be inferred. Alternatively or additionally, the exhaust gas temperature can also be measured directly.
  • the exhaust gas aftertreatment device is therefore already regenerated at a relatively low loading state, when this is not yet functionally necessary but makes sense due to the current operation of the internal combustion engine, because the relatively hot exhaust gas that is generated by the internal combustion engine requires the implementation or at least initiation of the regeneration required heating power that must be provided by the heater can be kept low. Because of this procedure, regenerations that have to be carried out because the first loading limit value for the loading state of the exhaust gas aftertreatment device is exceeded when the internal combustion engine is operating in which it generates relatively cold exhaust gas, can be reduced to a minimum. Overall, this can have an advantageous effect, at least with regard to the energy consumption of the heating device and thus with regard to the fuel consumption of the internal combustion engine, which preferably directly or indirectly provides the electrical power required to operate the heating device.
  • the first temperature range extends from a first lower temperature limit to a first upper temperature limit and the second temperature range extends from a second lower temperature limit to a second upper temperature limit.
  • the first upper temperature limit value can be identical to the second lower temperature limit value, so that the two temperature ranges can consequently merge directly into one another.
  • the first upper temperature limit value it is also possible for the first upper temperature limit value to be smaller or larger than the second lower temperature limit value.
  • the first lower temperature limit value can correspond to a minimum value of the overall temperature range within which the exhaust gas temperature can lie during operation of the internal combustion engine, the minimum value being the smallest value of the overall temperature range in absolute terms. Accordingly, a regeneration of the exhaust gas aftertreatment device can be initiated at any exhaust gas temperature, provided the loading condition is above the first, relatively high loading limit value. However, the first lower temperature limit can also be greater than the minimum value of the overall temperature range, so that regeneration of the exhaust aftertreatment device can be delayed despite a load state above the first load limit until the exhaust gas has at least a sufficient minimum temperature.
  • the second upper temperature limit preferably corresponds to a maximum value of the overall temperature range, the maximum value being the greatest value of the overall temperature range in absolute terms.
  • the heating device In order to sensibly carry out a regeneration of the exhaust gas after-treatment device according to a method according to the invention even with a relatively low load, it can be useful for the heating device to be put into operation when the exhaust gas after-treatment device is loaded below the first loading limit value only when the internal combustion engine has already been running for a defined minimum period of time Has generated exhaust gas with an exhaust gas temperature within the second temperature range.
  • the additional heating power which is provided by the heating device for the regeneration, has to be significantly increased during the regeneration because the exhaust gas temperature was only briefly within the second temperature range.
  • the operation of the heating device is terminated and thus the regeneration of the exhaust gas aftertreatment device is also interrupted if the combustion engine, after generating exhaust gas with an exhaust gas temperature within the second, relatively high temperature range, exhaust gas with an exhaust gas temperature below the second temperature range (and in particular within the first temperature range) is generated.
  • This can be provided at least when the internal combustion engine generates exhaust gas with the exhaust gas temperature below the second temperature range for a defined minimum period of time.
  • the support provided by the heating device when heating the exhaust gas aftertreatment device for regeneration makes it possible for the internal combustion engine to be operated at least temporarily, preferably always during operation of the heating device (for regenerating the exhaust gas aftertreatment device) without a targeted increase in the exhaust gas temperature of the exhaust gas generated by the internal combustion engine.
  • the internal engine measures for raising an exhaust gas temperature which are customary according to the state of the art and which are associated with the disadvantages already described can be avoided as a result.
  • the heating device is at least temporarily supplied with the electrical energy required for operation from an electrical energy storage source, for example a battery.
  • the heating device is supplied with the electrical energy required for operation at least temporarily directly (i.e. without the interposition of an electrical energy storage source) from a generator coupled to the internal combustion engine.
  • This second option has the advantage that the internal combustion engine usually has to be operated at a relatively high operating load in order to supply the heating device with electrical energy when the heating device is in operation and regeneration of the exhaust gas aftertreatment device is provided. Due to this relatively high operating load when the internal combustion engine is in operation, it also generates a relatively high exhaust gas temperature, which in turn means that only relatively little thermal energy has to be provided for the regeneration by means of the heating device.
  • the heating device can provide at least an electrical heating power of 4 kW or 5 kW or 6 kW.
  • Such a powerful heating device can in particular enable the internal combustion engine to be operated during the operation of the heating device without a targeted increase in the exhaust gas temperature, which, as already described, can have an advantageous effect on the fuel consumption of the internal combustion engine.
  • the exhaust gas aftertreatment device can be used directly by means of (preferably in the Exhaust aftertreatment device integrated) heater are heated.
  • indirect heating via the exhaust gas provided for flowing through the exhaust gas aftertreatment device can also be provided.
  • the exhaust gas is heated by the heating device, which then flows through the exhaust gas aftertreatment device and heats it up in the process.
  • the internal combustion engine of an internal combustion engine according to the invention can preferably be self-igniting and in particular designed as a (self-igniting and quality-controlled) diesel engine, because such a generally relatively cold exhaust gas is generated, so that thermal regeneration of an associated exhaust gas aftertreatment device requires a specific increase in the exhaust gas temperature.
  • the internal combustion engine is a (spark-ignited and quantity-controlled) Otto engine or a combination of diesel and Otto engine, i.e. e.g. an internal combustion engine with homogeneous compression ignition.
  • the internal combustion engine can be operated with both liquid fuel (i.e. diesel or petrol) and gaseous fuel (especially natural gas, LNG or LPG).
  • An internal combustion engine operated according to the invention can in particular be part of a motor vehicle, in particular a wheel-based and non-rail-bound motor vehicle (preferably a car or a truck).
  • the internal combustion engine of the internal combustion engine can be provided in particular for the (direct or indirect) provision of the driving power for the motor vehicle.
  • the internal combustion engine shown comprises an internal combustion engine 1, which is designed, for example, in the form of a reciprocating piston engine with four cylinder openings 2 arranged in a row.
  • the cylinder openings 2 each delimit a combustion chamber 4 with reciprocating pistons 3 guided therein and a cylinder head.
  • these combustion chambers 4 are supplied with fresh gas via a fresh gas line 5, with the fresh gas being supplied by means of inlet valves 6, which are connected to the individual combustion chambers 4 are assigned is controlled.
  • the fresh gas is exclusively or mainly air that is sucked in from the environment.
  • the exhaust gas flows through an exhaust gas aftertreatment device 10 integrated into the exhaust line 8, which is designed in the form of a particle filter.
  • the exhaust gas after-treatment device 10 is assigned an electrical heating device 11 which is integrated into the exhaust line 8 directly upstream of the exhaust gas after-treatment device 10 . If necessary, the exhaust gas flowing around and/or through the heating device 11 can be heated until it reaches an exhaust gas temperature that enables regeneration of the exhaust gas aftertreatment device 10 .
  • the exhaust gas heated by means of heating device 11 heats exhaust gas aftertreatment device 10 to a temperature of at least 600° C., which causes or initiates oxidation of (soot) particles that are stored within exhaust gas aftertreatment device 10, which is designed as a particle filter. This oxidation of the particles burns them off and the exhaust gas aftertreatment device 10 is thereby regenerated.
  • the energy required to operate the heating device 11 is provided by means of a generator 12 which is driven directly by the internal combustion engine 1 or by an output shaft (crankshaft) 13 thereof.
  • the corresponding resistance caused by the generator 12 during the operation of the heating device 11 increases the operating load with which the internal combustion engine 1 is operated to a relevant extent.
  • the internal combustion engine 1 generates relatively hot exhaust gas, which has an advantageous effect with regard to the goal of regenerating the exhaust gas aftertreatment device 10, because only a relatively low heat output of the heating device 11 is required to achieve a sufficiently high exhaust gas temperature for such a regeneration.
  • a regeneration of the exhaust gas aftertreatment device 10 is initiated at the latest when it has a loading condition that is above a first, relatively high loading limit value. The regeneration is then initiated even when the internal combustion engine 1 is being operated at a relatively low operating load and accordingly produces exhaust gas with relatively low exhaust gas temperatures. This is intended to ensure that the exhaust gas aftertreatment device 10 continues to function properly.
  • the disadvantage of this, however, is that the heating device 11 has to provide a relatively high heat output. This applies at least when, as is preferably provided, the internal combustion engine 1 during a regeneration Exhaust aftertreatment device 10 is to be operated in a normal operating mode.
  • This normal operating mode is also provided when no regeneration of the exhaust gas aftertreatment device 10 is being carried out and this is designed in particular with regard to the highest possible efficiency for the operation of the internal combustion engine. Accordingly, there is no provision for the internal combustion engine 1 to be operated in a targeted manner with a relatively poor degree of efficiency during a regeneration of the exhaust gas aftertreatment device 10 in order to thereby generate relatively hot exhaust gas.
  • exhaust gas aftertreatment device 10 In order to regenerate exhaust gas aftertreatment device 10 as seldom as possible during operation of internal combustion engine 1 in which it produces relatively cold exhaust gas, provision is also made for exhaust gas aftertreatment device 10 to be regenerated when the loading state of exhaust gas aftertreatment device 10 is still below the first loading limit. At the same time, however, the loading state should be above a second, relatively low loading limit value, which corresponds, for example, to 40% of the first loading limit value, in order to ensure that regeneration of exhaust gas aftertreatment device 10 also takes place to a relevant extent.
  • a regeneration of exhaust gas aftertreatment device 10 is provided whenever the loading state of exhaust gas aftertreatment device 10 is above this second loading limit value and internal combustion engine 1 produces exhaust gas with relatively high exhaust gas temperatures.
  • the exhaust gas aftertreatment device 10 is always regenerated "prematurely" if this is worthwhile due to a load state above the second load limit value and if the conditions for this are advantageous due to the generation of relatively hot exhaust gas by means of the internal combustion engine 1, because then the heating device 11 only a relatively low heat output has to be provided in order to reach the exhaust gas temperature required for regeneration.

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die einen Verbrennungsmotor (1) und einen Abgasstrang (8) zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor (1) umfasst, wobei in den Abgasstrang (8) eine thermisch zu regenerierende Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) integriert ist, der eine elektrische Heizvorrichtung (11) zugeordnet ist, wobei die Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) mittels der Heizvorrichtung (11) erwärmt wird, um eine für die Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) ausreichende Temperatur zu erreichen, wobei die Heizvorrichtung (11) betrieben wird,- wenn der Beladungszustand der Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) oberhalb eines ersten, relativ hohen Beladungsgrenzwerts liegt und der Verbrennungsmotor (1) Abgas mit einer Abgastemperatur, die innerhalb eines ersten, relativ niedrigen Temperaturbereichs liegt, erzeugtund auch- wenn der Beladungszustand der Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) oberhalb eines zweiten, relativ niedrigen Beladungsgrenzwerts liegt und der Verbrennungsmotor (1) Abgas mit einer Abgastemperatur, die innerhalb eines zweiten, relativ hohen Temperaturbereichs liegt, erzeugt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die einen Verbrennungsmotor und einen Abgasstrang zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor umfasst, wobei in den Abgasstrang eine aktiv thermisch zu regenerierende Abgasnachbehandlungseinrichtung integriert ist. Die Brennkraftmaschine kann insbesondere Teil eines Kraftfahrzeugs sein.
  • Bei einer solchen thermisch zu regenerierenden Abgasnachbehandlungseinrichtung kann es sich insbesondere um einen Partikelfilter handeln, der der Reduzierung von Partikeln in Abgas, das bei Verbrennungsprozessen in einem Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine erzeugt wurde und das über den Abgasstrang in die Umgebung abgeführt werden soll, dient. Ein Partikelfilter muss üblicherweise beim Erreichen einer definierten Beladungsgrenze regeneriert werden, um dessen Funktionsfähigkeit aufrecht zu erhalten. Dazu muss dieser temporär auf eine Temperatur, die in der Regel zwischen 600°C und 650°C liegt, aufgeheizt werden, sofern nicht durch die Zugabe eines Additivs eine Verringerung der Oxidationstemperatur der Partikel realisiert wird. Unter Nutzung des CRT-Effekts muss ein entsprechender Partikelfilter auf eine Temperatur aufgeheizt werden, die mindestens 300°C beträgt.
  • Das Aufheizen einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung auf eine für eine Regeneration erforderliche Temperatur erfolgt üblicherweise durch eine entsprechende Erhöhung der Temperatur des Abgases, wofür verschiedene, insbesondere innermotorische Maßnahmen bekannt sind. Solche innermotorischen Maßnahmen bestehen darin, den Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine gezielt mit einem relativ schlechten Wirkungsgrad zu betreiben, wodurch ein relativ großer Anteil der dem Verbrennungsmotor über den Kraftstoff zugeführten Energie als Wärmeenergie des Abgases für die Erzeugung von Antriebsleistung ungenutzt bleibt. Nachteilig an einem solchen Vorgehen ist demnach der relativ hohe Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors, der aus der gezielten Verschlechterung des Wirkungsgrads resultiert. Weiterhin kann ein Betrieb des Verbrennungsmotors mit dem Ziel, relativ hohe Abgastemperaturen zu erreichen, zu relativ hohen Schadstoffemissionen, insbesondere hinsichtlich unverbrannter Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenmonoxid (CO), sowie zu einer verstärkten sogenannten Ölverdünnung, d.h. dem Eintrag von Kraftstoffbestandteilen in das Schmiermittel, mit dem der Verbrennungsmotor geschmiert wird, führen. Durch eine solche Ölverdünnung können sich relativ kurze Intervalle, in denen das Schmiermittel gewechselt werden muss, ergeben. Dadurch erhöhen sich die Betriebskosten der Brennkraftmaschine.
  • Um diese Nachteile, die sich aus einem Betrieb des Verbrennungsmotors einer Brennkraftmaschine, bei dem gezielt relativ heißes Abgas erzeugt wird, ergeben, abzuschwächen kann vorgesehen sein, einen Partikelfilter der Brennkraftmaschine für eine thermische Regeneration zusätzlich elektrisch zu beheizen, so dass dafür entsprechend weniger Wärmeenergie über das Abgas bereitgestellt werden muss.
  • Die DE 10 2007 036 257 A1 offenbart diesbezüglich einen Partikelfilter für eine DieselBrennkraftmaschine, wobei der äußere Bereich des Partikelfilters eine elektrische Heizvorrichtung aufweist. Mittels der Heizvorrichtung kann bei Bedarf gezielt die Temperatur des den Partikelfilter durchströmenden Abgases in einem äußeren Bereich eines Filterelements des Partikelfilters angehoben und dadurch die Regeneration des Filterelements in diesem äußeren Bereich verbessert werden. Gleichzeitig oder kurz nach einer Inbetriebnahme der Heizvorrichtung kann der Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine gezielt so betrieben werden, dass von diesem relativ heißes Abgas erzeugt wird.
  • Die DE 10 2008 030 307 A1 beschreibt einen Abgasstrang für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei in den Abgasstrang zwei Katalysatoranordnungen integriert sind, denen jeweils eine elektrische Heizvorrichtung zugeordnet ist. Die erste Katalysatoranordnung umfasst zudem einen Partikelfilter. Mittels der Heizvorrichtung der ersten Katalysatoranordnung kann bedarfsweise das diese durchströmende Abgas erwärmt werden, was auch mit dem Ziel erfolgen kann, den Partikelfilter zu regenerieren.
  • Die DE 10 2019 204 298 A1 offenbart eine Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, die einen Heizkatalysator umfasst, der dazu eingerichtet ist, zugeführten Kraftstoff mit Abgas umzusetzen. Der Heizkatalysator kann dabei zusätzlich auch elektrisch beheizbar sein.
  • Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die thermische Regeneration einer Abgasnachbehandlungseinrichtung und insbesondere eines Partikelfilters einer Brennkraftmaschine zu verbessern.
  • Diese Aufgabe ist bei der Durchführung eines Verfahrens gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen dieses Verfahrens sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
  • Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine vorgesehen, wobei die Brennkraftmaschine zumindest einen Verbrennungsmotor und einen Abgasstrang zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor (und zur Einleitung des Abgases in die Umgebung) umfasst, wobei in den Abgasstrang eine bedarfsweise aktiv thermisch zu regenerierende Abgasnachbehandlungseinrichtung integriert ist. Bei der Abgasnachbehandlungseinrichtung kann es sich insbesondere um einen Partikelfilter handeln oder diese kann zumindest einen solchen Partikelfilter umfassen. Der Abgasnachbehandlungseinrichtung ist eine elektrische Heizvorrichtung zugeordnet. Mittels der Heizvorrichtung wird bedarfsweise und temporär die Abgasnachbehandlungseinrichtung erwärmt, um eine für die Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtung ausreichende Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung zu erreichen.
  • Eine solche Regeneration wird dabei in Abhängigkeit von dem Beladungszustand durchgeführt beziehungsweise initiiert, so dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung erst dann regeneriert wird, wenn der Beladungszustand oberhalb eines definierten Beladungsgrenzwerts liegt. Der Beladungszustand gibt dabei eine sich aufgrund einer bereits erfolgten Nachbehandlung von Abgas mittels der Abgasnachbehandlungseinrichtung zunehmende Verschlechterung der Funktionsweise der Abgasnachbehandlungseinrichtung wieder. Bei dem vorzugsweise als Abgasnachbehandlungseinrichtung vorgesehenen Partikelfilter steigt der Beladungszustand demnach mit der Masse an Partikeln, die bereits mittels des Partikelfilters aus dem Abgas gefiltert und dadurch in diesem eingelagert wurden. Je höher der Beladungszustand ist, desto geringer kann die weitere Kapazität des Partikelfilters für die Filterung sein. Ebenso kann eine Erhöhung des Beladungszustands zu einer unerwünschten Erhöhung des Strömungswiderstands für das den Partikelfilter durchströmende Abgas führen. Der Beladungszustand für einen solchen Partikelfilter kann dementsprechend beispielsweise mittels einer Messung des Differenzdrucks des Abgases über dem Partikelfilter ermittelt werden.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Beladungsgrenzwert, ab dem eine Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtung unter Zuhilfenahme der Heizvorrichtung durchgeführt wird, in Abhängigkeit davon angepasst wird, wie hoch die Temperatur des von dem Verbrennungsmotor erzeugten Abgases ist. Konkret ist dazu vorgesehen, dass die Heizvorrichtung sowohl dann für eine Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtung betrieben wird, wenn der Beladungszustand der Abgasnachbehandlungseinrichtung oberhalb eines ersten, relativ (im Vergleich zu einem zweiten Beladungsgrenzwert) hohen Beladungsgrenzwerts liegt und der Verbrennungsmotor Abgas mit einer Abgastemperatur, die innerhalb eines ersten, relativ (im Vergleich zu einem zweiten Temperaturbereich) niedrigen Temperaturbereichs liegt, erzeugt. Andererseits wird die Heizvorrichtung für eine Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtung auch dann betrieben, wenn der Beladungszustand der Abgasnachbehandlungseinrichtung oberhalb des zweiten, relativ niedrigen Beladungsgrenzwerts liegt und der Verbrennungsmotor Abgas mit einer Abgastemperatur, die innerhalb des zweiten, relativ hohen Temperaturbereichs liegt, erzeugt. Der zweite Beladungsgrenzwert kann dabei vorzugsweise einem Wert zwischen 30% und 50%, insbesondere 40%, des ersten Beladungsgrenzwerts entsprechen.
  • Die Abgastemperatur kann umso höher liegen, je höher die Betriebslast oder die Kombination aus Betriebsdrehzahl und Betriebslast ist, mit der der Verbrennungsmotor betrieben wird. Demnach kann ausgehend von der Betriebslast oder der Kombination aus Betriebsdrehzahl und Betriebslast auf die Abgastemperatur geschlossen werden. Alternativ oder ergänzend kann die Abgastemperatur auch direkt gemessen werden.
  • Erfindungsgemäß wird die Abgasnachbehandlungseinrichtung folglich bereits schon bei einem relativ niedrigen Beladungszustand regeneriert, wenn dies funktionell zwar noch nicht erforderlich jedoch aufgrund des aktuell vorliegenden Betriebs des Verbrennungsmotors sinnvoll ist, weil durch das relativ heiße Abgas, das von dem Verbrennungsmotor erzeugt wird, die für die Durchführung oder zumindest Initiierung der Regeneration erforderliche Heizleistung, die von der Heizvorrichtung bereitgestellt werden muss, gering gehalten werden kann. Aufgrund dieses Vorgehens können Regenerationen, die aufgrund eines Überschreitens des ersten Beladungsgrenzwerts für den Beladungszustand der Abgasnachbehandlungseinrichtung bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors, in dem dieser relativ kaltes Abgas erzeugt, durchgeführt werden müssen, auf ein Minimum reduziert werden. Dies kann sich im Gesamtergebnis vorteilhaft zumindest hinsichtlich des Energieverbrauchs der Heizvorrichtung und damit hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs der Brennkraftmaschine, die die für den Betrieb der Heizvorrichtung erforderliche elektrische Leistung vorzugsweise direkt oder indirekt bereitstellt, auswirken.
  • Der erste Temperaturbereich erstreckt sich von einem ersten unteren Temperaturgrenzwert zu einem ersten oberen Temperaturgrenzwert und der zweite Temperaturbereich erstreckt sich von einem zweiten unteren Temperaturgrenzwert zu einem zweiten oberen Temperaturgrenzwert. Der erste obere Temperaturgrenzwert kann dabei mit dem zweiten unteren Temperaturgrenzwert identisch sein, so dass die zwei Temperaturbereiche folglich direkt ineinander übergehen können. Möglich ist aber auch, dass der erste obere Temperaturgrenzwert kleiner oder größer als der zweite untere Temperaturgrenzwert ist.
  • Der erste untere Temperaturgrenzwert kann einem Minimalwert des Gesamttemperaturbereichs, innerhalb dessen die Abgastemperatur während eines Betriebs des Verbrennungsmotors liegen kann, entsprechend, wobei der Minimalwert der absolut gesehen kleinste Wert des Gesamttemperaturbereichs ist. Demnach kann eine Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtung bei jeder Abgastemperatur initiiert werden, sofern der Beladungszustand oberhalb des ersten, relativ hohen Beladungsgrenzwerts liegt. Der erste untere Temperaturgrenzwert kann jedoch auch größer als der Minimalwert des Gesamttemperaturbereichs sein, so dass für eine Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtung trotz eines oberhalb des ersten Beladungsgrenzwerts liegenden Beladungszustands gewartet werden kann, bis das Abgas zumindest eine ausreichende Mindesttemperatur aufweist.
  • Der zweite obere Temperaturgrenzwert entspricht vorzugsweise einem Maximalwert des Gesamttemperaturbereichs, wobei der Maximalwert der absolut gesehen größte Wert des Gesamttemperaturbereichs ist.
  • Um gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren eine Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtung sinnvoll auch schon bei relativ geringer Beladung durchzuführen, kann es sinnvoll sein, dass die Heizvorrichtung bei einem Beladungszustand der Abgasnachbehandlungseinrichtung unterhalb des ersten Beladungsgrenzwerts erst dann in Betrieb genommen wird, wenn der Verbrennungsmotor bereits für einen definierten Mindestzeitraum Abgas mit einer Abgastemperatur innerhalb des zweiten Temperaturbereichs erzeugt hat. Dadurch kann mit relativ großer Wahrscheinlichkeit davon ausgegangen werden, dass ein entsprechender Betrieb des Verbrennungsmotors auch noch über möglichst den gesamten für die Regeneration erforderlichen Zeitraum entsprechend weiter vorliegen wird. Somit kann möglichst vermieden werden, dass die zusätzliche Heizleistung, die mittels der Heizvorrichtung für die Regeneration bereitgestellt wird, während der Regeneration erheblich erhöht werden muss, weil die Abgastemperatur nur kurzfristig innerhalb des zweiten Temperaturbereichs gelegen hat.
  • Weiterhin kann zur Vermeidung einer unnötig großen Heizleistung, die mittels der Heizvorrichtung bereitgestellt wird, vorgesehen sein, dass der Betrieb der Heizvorrichtung beendet und damit gegebenenfalls auch die Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtung unterbrochen wird, wenn der Verbrennungsmotor, nach einer Erzeugung von Abgas mit einer Abgastemperatur innerhalb des zweiten, relativ hohen Temperaturbereichs, Abgas mit einer unterhalb des zweiten Temperaturbereichs (und insbesondere innerhalb des ersten Temperaturbereichs) liegenden Abgastemperatur erzeugt. Dies kann zumindest dann vorgesehen sein, wenn der Verbrennungsmotor für einen definierten Mindestzeitraum Abgas mit der unterhalb des zweiten Temperaturbereichs liegenden Abgastemperatur erzeugt.
  • Durch die Unterstützung mittels der Heizvorrichtung beim Erwärmen der Abgasnachbehandlungseinrichtung für eine Regeneration ist es möglich, dass der Verbrennungsmotor zumindest zeitweise, vorzugsweise immer während des Betriebs der Heizvorrichtung (zur Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtung) ohne gezielte Anhebung der Abgastemperatur des von dem Verbrennungsmotor erzeugten Abgases betrieben wird. Die gemäß dem Stand der Technik üblichen innermotorischen Maßnahmen zur Anhebung einer Abgastemperatur, die mit den bereits beschriebenen Nachteilen verbunden sind, können dadurch vermieden werden.
  • Bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Heizvorrichtung zumindest temporär aus einer elektrischen Energiespeicherquelle, beispielsweise einer Batterie, mit der für einen Betrieb erforderlichen elektrischen Energie versorgt wird. Ergänzend oder alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Heizvorrichtung zumindest temporär direkt (d.h. ohne Zwischenschaltung einer elektrischen Energiespeicherquelle) von einem mit dem Verbrennungsmotor gekoppelten Generator mit der für einen Betrieb erforderlichen elektrischen Energie versorgt wird. Diese zweite Möglichkeit weist den Vorteil auf, dass der Verbrennungsmotor zur Versorgung der Heizvorrichtung mit elektrischer Energie üblicherweise mit relativ hoher Betriebslast betrieben werden muss, wenn die Heizvorrichtung in Betrieb und eine Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtung vorgesehen ist. Durch diese relativ hoher Betriebslast im Betrieb des Verbrennungsmotors erzeugt dieser auch eine relativ hohe Abgastemperatur, was wiederum dazu führt, dass mittels der Heizvorrichtung nur relativ wenig Wärmeenergie für die Regeneration bereitgestellt werden muss.
  • Für eine vorteilhafte Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann es sinnvoll sein, dass die Heizvorrichtung zumindest eine elektrische Heizleistung von 4 kW oder 5 kW oder 6 kW bereitstellt. Durch eine derart leistungsfähige Heizvorrichtung kann insbesondere erreicht werden, dass der Verbrennungsmotor während des Betriebs der Heizvorrichtung ohne gezielte Anhebung der Abgastemperatur betrieben werden kann, was sich, wie bereits beschrieben wurde, vorteilhaft auf den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine auswirken kann.
  • Im Rahmen der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Abgasnachbehandlungseinrichtung direkt mittels der (vorzugsweise in die Abgasnachbehandlungseinrichtung integrierten) Heizvorrichtung erwärmt werden. Ergänzend oder alternativ kann auch eine indirekte Erwärmung über das für eine Durchströmung der Abgasnachbehandlungseinrichtung vorgesehene Abgas vorgesehen sein. In diesem Fall wird mittels der Heizvorrichtung das Abgas erwärmt, das dann die Abgasnachbehandlungseinrichtung durchströmt und diese dabei erwärmt.
  • Der Verbrennungsmotor einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorzugsweise selbstzündend und insbesondere als (selbstzündender und qualitätsgeregelter) Dieselmotor ausgestaltet sein, weil ein solcher grundsätzlich relativ kaltes Abgas erzeugt, so dass eine thermische Regeneration einer dazugehörigen Abgasnachbehandlungseinrichtung im besonderen Maße einer gezielten Abgastemperaturerhöhung bedarf. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass es sich bei dem Verbrennungsmotor um einen (fremdgezündeten und quantitätsgeregelten) Ottomotor oder um eine Kombination aus Diesel- und Ottomotor, d.h. z.B. um einen Verbrennungsmotor mit homogener Kompressionszündung, handelt. Der Verbrennungsmotor kann dabei sowohl mit Flüssigkraftstoff (d.h. Diesel oder Benzin) als auch mit einem gasförmigen Kraftstoff (insbesondere Erdgas, LNG oder LPG) betrieben werden.
  • Eine erfindungsgemäß betriebene Brennkraftmaschine kann insbesondere Teil eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines radbasierten und nicht schienengebundenen Kraftfahrzeugs (vorzugsweise ein PKW oder ein LKW) sein. Dabei kann der Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine insbesondere zur (direkten oder indirekten) Bereitstellung der Fahrantriebsleistung für das Kraftfahrzeug vorgesehen sein.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausgestaltungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
    • Fig. 1:
    eine für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Brennkraftmaschine in vereinfachter Darstellung.
  • Die in der Fig. 1 gezeigte Brennkraftmaschine umfasst einen Verbrennungsmotor 1, der beispielhaft in Form eines Hubkolbenmotors mit vier in Reihe angeordneten Zylinderöffnungen 2 ausgestaltet ist. Die Zylinderöffnungen 2 begrenzen mit darin geführten Hubkolben 3 und einem Zylinderkopf jeweils einen Brennraum 4. Diesen Brennräumen 4 wird im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 und damit der Brennkraftmaschine Frischgas über einen Frischgasstrang 5 zugeführt, wobei die Zufuhr des Frischgases mittels Einlassventilen 6, die den einzelnen Brennräumen 4 zugeordnet sind, gesteuert wird. Bei dem Frischgas handelt es sich ausschließlich oder hauptsächlich um Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Bei der Verbrennung von Gemischmengen, die aus dem Frischgas sowie aus direkt über Kraftstoffinjektoren 7 in die Brennräume 4 eingespritztem Kraftstoff bestehen, wird Abgas erzeugt. Dieses Abgas wird über einen Abgasstrang 8 der Brennkraftmaschine abgeführt, wobei das Ausbringen des Abgases aus den einzelnen Brennräumen 4 mittels Auslassventilen 9 gesteuert wird.
  • Das Abgas durchströmt eine in den Abgasstrang 8 integrierte Abgasnachbehandlungseinrichtung 10, die in Form eines Partikelfilters ausgestaltet ist. Der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 ist eine elektrische Heizvorrichtung 11 zugeordnet, die unmittelbar stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 in den Abgasstrang 8 integriert ist. Mittels der Heizvorrichtung 11 kann bedarfsweise das diese um- und/oder durchströmende Abgas bis zum Erreichen einer Abgastemperatur erwärmt werden, die eine Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 ermöglicht. Konkret erwärmt das mittels der Heizvorrichtung 11 erhitzte Abgas die Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 auf eine Temperatur von mindestens 600°C, wodurch eine Oxidation von (Ruß-)Partikeln, die innerhalb der als Partikelfilter ausgestalteten Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 eingelagert sind, bewirkt beziehungsweise initiiert wird. Durch diese Oxidation der Partikel werden diese abgebrannt und die Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 dadurch regeneriert.
  • Die für einen Betrieb der Heizvorrichtung 11 erforderliche Energie wird mittels eines Generators 12 bereitgestellt, der direkt von dem Verbrennungsmotor 1 beziehungsweise von einer Abtriebswelle (Kurbelwelle) 13 von diesem angetrieben wird. Der entsprechende Widerstand, den der Generator 12 während des Betriebs der Heizvorrichtung 11 bewirkt, erhöht in einem relevanten Ausmaß die Betriebslast, mit der der Verbrennungsmotor 1 betrieben wird. Dadurch erzeugt der Verbrennungsmotor 1 relativ heißes Abgas, was sich vorteilhaft hinsichtlich des Ziels einer Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 auswirkt, denn für ein Erreichen einer für eine solche Regeneration ausreichend hohen Abgastemperatur ist dadurch eine nur relativ geringe Heizleistung der Heizvorrichtung 11 erforderlich.
  • Eine Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 wird spätestens dann initiiert, wenn diese einen Beladungszustand aufweist, der oberhalb eines ersten, relativ hohen Beladungsgrenzwerts liegt. Die Regeneration wird dann eingeleitet, auch wenn der Verbrennungsmotor 1 mit einer relativ geringen Betriebslast betrieben wird und dementsprechend Abgas mit relativ niedrigen Abgastemperaturen erzeugt. Dadurch soll die andauernde Funktionsfähigkeit der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 sichergestellt werden. Nachteilig daran ist jedoch, dass mittels der Heizvorrichtung 11 eine relativ große Heizleistung bereitgestellt werden muss. Dies gilt zumindest dann, wenn, wie dies vorzugsweise vorgesehen ist, der Verbrennungsmotor 1 auch während einer Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 in einer Normalbetriebsart betrieben werden soll. Diese Normalbetriebsart ist zudem dann vorgesehen, wenn keine Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 durchgeführt wird und diese ist insbesondere hinsichtlich eines möglichst hohen Wirkungsgrads für den Betrieb des Verbrennungsmotors ausgelegt. Vorgesehen ist demnach nicht, den Verbrennungsmotor 1 während einer Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 gezielt mit einem relativ schlechten Wirkungsgrad zu betreiben, um dadurch relativ heißes Abgas zu erzeugen.
  • Um eine Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors 1, in dem dieser relativ kaltes Abgas erzeugt, so selten wie möglich durchführen zu müssen, ist zudem vorgesehen, die Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 bereits dann zu regenerieren, wenn der Beladungszustand der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 noch unter dem ersten Beladungsgrenzwert liegt. Gleichzeitig soll der Beladungszustand jedoch oberhalb eines zweiten, relativ niedrigen Beladungsgrenzwerts, der beispielsweise 40% des ersten Beladungsgrenzwerts entspricht, liegen, um zu gewährleisten, dass dabei auch in einem relevanten Ausmaß eine Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 erfolgt. Vorgesehen ist eine solche Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 immer dann, wenn der Beladungszustand der Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 einerseits oberhalb dieses zweiten Beladungsgrenzwerts liegt und andererseits der Verbrennungsmotor 1 Abgas mit relativ hohen Abgastemperaturen erzeugt. Erfindungsgemäß wird somit die Abgasnachbehandlungseinrichtung 10 immer dann schon "vorzeitig" regeneriert, sofern sich dies aufgrund eines oberhalb des zweiten Beladungsgrenzwerts liegenden Beladungszustands lohnt und wenn die Bedingungen dafür aufgrund der Erzeugung relativ heißen Abgases mittels des Verbrennungsmotors 1 vorteilhaft sind, weil dann durch die Heizvorrichtung 11 lediglich noch eine relativ geringe Heizleistung bereitgestellt werden muss, um die für die Regeneration erforderliche Abgastemperatur zu erreichen.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 1
    Verbrennungsmotor
    2
    Zylinderöffnung
    3
    Hubkolben
    4
    Brennraum
    5
    Frischgasstrang
    6
    Einlassventil
    7
    Kraftstoffinjektor
    8
    Abgasstrang
    9
    Auslassventil
    10
    Abgasnachbehandlungseinrichtung
    11
    Heizvorrichtung
    12
    Generator
    13
    Abtriebswelle des Verbrennungsmotors

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die einen Verbrennungsmotor (1) und einen Abgasstrang (8) zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor (1) umfasst, wobei in den Abgasstrang (8) eine thermisch zu regenerierende Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) integriert ist, der eine elektrische Heizvorrichtung (11) zugeordnet ist, wobei die Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) mittels der Heizvorrichtung (11) erwärmt wird, um eine für die Regeneration der Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) ausreichende Temperatur zu erreichen, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (11) betrieben wird,
    - wenn der Beladungszustand der Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) oberhalb eines ersten, relativ hohen Beladungsgrenzwerts liegt und der Verbrennungsmotor (1) Abgas mit einer Abgastemperatur, die innerhalb eines ersten, relativ niedrigen Temperaturbereichs liegt, erzeugt
    und auch
    - wenn der Beladungszustand der Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) oberhalb eines zweiten, relativ niedrigen Beladungsgrenzwerts liegt und der Verbrennungsmotor (1) Abgas mit einer Abgastemperatur, die innerhalb eines zweiten, relativ hohen Temperaturbereichs liegt, erzeugt.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) ein Partikelfilter ist.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Beladungsgrenzwert einem Wert zwischen 30% und 50% und insbesondere 40% des ersten Beladungsgrenzwerts entspricht.
  4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (11) bei einem Beladungszustand der Abgasnachbehandlungseinrichtung (10) unterhalb des ersten Beladungsgrenzwerts erst dann in Betrieb genommen wird, wenn der Verbrennungsmotor (1) bereits für einen definierten Mindestzeitraum Abgas mit einer Abgastemperatur innerhalb des zweiten Temperaturbereichs erzeugt hat.
  5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb der Heizvorrichtung (11) beendet wird, wenn der Verbrennungsmotor (1), nachdem dieser Abgas mit einer Abgastemperatur innerhalb des zweiten Temperaturbereichs erzeugt hat, Abgas mit einer unterhalb des zweiten Temperaturbereichs liegenden Abgastemperatur erzeugt.
  6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) während des Betriebs der Heizvorrichtung (11) ohne gezielte Anhebung der Abgastemperatur betrieben wird.
  7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (11) aus einer Energiespeicherquelle mit der für den Betrieb erforderlichen elektrischen Energie versorgt wird.
  8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (11) direkt von einem mit dem Verbrennungsmotor (1) gekoppelten Generator (12) mit der für den Betrieb erforderlichen elektrischen Energie versorgt wird.
  9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (11) eine elektrische Heizleistung von mindestens 2 kW oder mindestens 4 kW oder mindestens 6 kW bereitstellt.
  10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) selbstzündend ausgestaltet ist.
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