WO2022096742A1 - Verfahren zum wärmeeintrag in zumindest eine komponente einer abgasnachbehandlungseinrichtung, software und steuer- oder regeleinrichtung - Google Patents

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Robert Szolak
Anand Bhurabhai KAKADIYA
Paul BEUTEL
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Definitions

  • the invention relates to a method for introducing heat into at least one component of an exhaust gas aftertreatment device of an internal combustion engine, in which a partial flow of an exhaust gas flow is at least partially converted with fuel in a heated catalytic converter and returned to the exhaust gas flow.
  • the invention also relates to a control or regulating device and a computer program for carrying out such a method.
  • the component enables chemical conversion of the raw exhaust gas, the component generally requires a certain operating temperature of, for example, more than 200° C. or even more than 300 C. in order to clean the raw exhaust gas with sufficient efficiency.
  • Particulate filters can already be effective at ambient temperature. However, these have to be regenerated at a certain load, which is usually caused by oxidation of the embedded particles at high levels Temperatures and gaseous discharge of the combustion products takes place.
  • this known device has the disadvantage that during dynamic operation of an internal combustion engine, in particular in motor vehicles, the exhaust gas mass flow and its composition varies. Since the amount of heat given off by the heated catalytic converter to the components of the exhaust aftertreatment device depends non-linearly on the supplied exhaust gas quantity, the supplied fuel quantity and the composition of the supplied exhaust gas, this leads to strong fluctuations in the heat emitted by the heated catalytic converter. In addition, the temperature control becomes one Component of an exhaust aftertreatment device complicated by long dead times.
  • the internal combustion engine can, in some embodiments of the invention, be a spark-ignition engine or be a petrol engine. In other embodiments of the invention, the internal combustion engine can be a self-igniting internal combustion engine or be a diesel engine.
  • the internal combustion engine used according to the invention can be part of a motor vehicle, for example a car or a truck. In other embodiments of the invention, the internal combustion engine can be used in a construction machine or a ship. In still other embodiments of the invention, the internal combustion engine can also be used in stationary power generators or compressors.
  • the component of an exhaust gas aftertreatment device used according to the invention can be a three-way catalytic converter, for example.
  • the component can be selected from an oxidation catalytic converter, a storage catalytic converter, an SCR system and/or a particle filter.
  • a plurality of such components can also be present in an exhaust gas aftertreatment device and the raw exhaust gas of the internal combustion engine can flow through them in parallel or sequentially.
  • the device for generating heat is largely independent of the internal combustion engine, so that the internal combustion engine does not have to be operated under unfavorable operating conditions in order to generate additional heat. Rather, the internal combustion engine can always be operated in such a way that the mechanical power required in each case is provided with the lowest possible pollutants and/or the lowest possible use of fuel.
  • the method according to the invention is based on determining the exhaust gas temperature upstream and/or downstream of the component of the exhaust gas aftertreatment device provided for heat input and controlling or regulating the amount of heat emitted by the heated catalytic converter as a function of the temperature.
  • the heat emitted by the heated catalytic converter can be influenced by the fuel quantity supplied and/or the mass flow of the partial flow of the raw exhaust gas supplied to the heated catalytic converter as a reference variable will .
  • the heated catalytic converter can have further reference variables, for example a supply of ambient air or an electrical heating device. These can be controlled in the same way.
  • the fuel supplied to the heating catalytic converter is completely or at least partially liquid.
  • the setpoint value of the exhaust gas temperature controlled in this way at at least one predeterminable point of the exhaust gas aftertreatment device can vary during operation of the internal combustion engine.
  • the target value upstream of a particle filter can be temporarily increased if a differential pressure sensor detects an impermissibly high loading of the particle filter and the particle filter is to be regenerated by oxidizing the particles.
  • the target value of the exhaust gas temperature can then be lowered again as a function of time or as a function of measured values when the particle filter has been regenerated.
  • the exhaust gas temperature can be regulated in such a way that it does not fall below certain minimum values, for example when operating oxidation catalytic converters or SCR systems, which require a minimum temperature for operation. If the temperature falls below this minimum, for example due to partial load operation of the internal combustion engine, additional heat can be introduced by the heated catalytic converter used according to the invention.
  • the exhaust gas temperature can be before and/or after the component of the exhaust gas after- treatment device can be detected with at least one temperature sensor.
  • Thermocouples or resistance thermometers which generate an electrical signal corresponding to the temperature, can be used as temperature sensors in a manner known per se.
  • the command variables on the heated catalytic converter can then be influenced in order to control or regulate the manipulated variable for the thermal output of the heated catalytic converter.
  • the exhaust gas temperature can be determined upstream and/or downstream of the component of the exhaust gas aftertreatment device from the operating state of the internal combustion engine. This feature makes it possible to save on additional sensors and thereby increase operational reliability.
  • the temperature that occurs at a catalytic converter or a particle filter can be calculated or tabulated from the thermal power converted in the internal combustion engine, the proportion of this power released into the exhaust gas and the heat dissipation of the exhaust pipe upstream of the component as a function of the outside temperature and the inflow speed of the relative wind . This allows a heat balance to be drawn up for the component and the resulting temperatures to be derived without using a temperature sensor in the exhaust gas flow.
  • a portion of the exhaust gas temperatures may be measured and another portion of the exhaust gas temperatures may be calculated.
  • the temperature upstream of the oxidation catalytic converter can be calculated from a measured temperature downstream of an oxidation catalytic converter and the operating state of the internal combustion engine, or vice versa.
  • the inlet temperature or the outlet temperature of an oxidation catalyst can be derived from a temperature downstream of an oxidation catalyst SCR system are determined, which is located downstream of the oxidation catalyst.
  • the operating state of the internal combustion engine that is used to determine the exhaust gas temperature can be determined from currently present map values or map ranges of the engine controller of the internal combustion engine. It is therefore no longer necessary, for example, to measure the exhaust gas mass flow of the raw exhaust gas of the internal combustion engine. Instead, the exhaust gas mass flow can be determined with high accuracy from the intake air quantity and the fuel quantity supplied. In some cases, the operating state of the internal combustion engine can be determined with greater accuracy using other maps, for example the measured values of an ⁇ probe, the speed, the accelerator pedal position, the position of the EGR valve, the cooling water temperature or other values not explicitly mentioned here.
  • Heated catalytic converters of the type used show a non-linear behavior of the heat emission as a function of the supplied fuel quantity and/or the partial flow of the raw exhaust gas supplied to the heated catalytic converter.
  • the fuel quantity supplied to the heated catalytic converter and/or the partial flow of the raw exhaust gas supplied to the heated catalytic converter is determined by means of at least one heated catalytic converter characteristics map.
  • the input variables of the heated catalytic converter map can be selected, for example, from the exhaust gas mass flow of the internal combustion engine and/or the oxygen content of the raw exhaust gas and/or at least one exhaust gas temperature and/or a driving profile and/or a navigation destination and/or position data and/or the state of charge of at least a battery .
  • the control or regulation by means of a heating catalyst map has the particular advantage that the regulation can be carried out very quickly even in highly dynamic operation, since only the conversion table stored in the control unit The setpoint values of the command variables that are just right for the operating conditions of the internal combustion engine must be read out and set on the heated catalytic converter.
  • the exhaust gas mass flow of the internal combustion engine and/or the oxygen content of the raw exhaust gas of the internal combustion engine and/or at least one exhaust gas temperature can be determined with a first reference-controlled synthesizer.
  • a reference-controlled synthesizer designates a system which reconstructs non-measurable variables from known input variables and output variables of the internal combustion engine.
  • the synthesizer reproduces the internal combustion engine as a model and uses a controller to adjust the state variables that can be measured and are therefore comparable with the real internal combustion engine.
  • an exhaust gas mass flow of the raw exhaust gas of the internal combustion engine can be calculated from the intake air mass and the supplied fuel quantity, without the exhaust gas mass flow having to be measured with great technical effort and without a growing error being generated over the operating time.
  • the thermal power emitted by the heated catalytic converter can be determined from the fuel quantity fed to the heated catalytic converter and/or the partial flow of the raw exhaust gas of the internal combustion engine fed to the heated catalytic converter and/or the oxygen content of the raw exhaust gas by means of a second, reference-controlled synthesizing. This means that there is always an exact measured value of the thermal output or the amount of heat introduced by the heated catalytic converter into the exhaust aftertreatment is available without this thermal output having to be measured with great technical effort.
  • the heated catalytic converter can have at least one second operating state in which the air ratio ⁇ of the heated catalytic converter is between approximately 0.75 and approximately 30.
  • the heated catalytic converter can have at least a second operating state in which the air ratio ⁇ of the heated catalytic converter is between approximately 1.0 and approximately 10.
  • This first operating state can also be referred to as burner operation, since the fuel quantity supplied is largely or completely converted in the heated catalytic converter with the residual oxygen in the raw exhaust gas.
  • the heated catalytic converter emits a hot gas which can be fed via an exhaust gas line to the component of the exhaust gas aftertreatment and heats it up by direct heat input.
  • the heated catalytic converter can also have at least a fourth operating state in which the air ratio ⁇ of the heated catalytic converter is between approximately 0.05 and approximately 0.7.
  • the air ratio ⁇ of the heated catalytic converter is between approximately 0.05 and approximately 0.7.
  • part of the fuel is converted exothermically.
  • the heat released as a result can be used to vaporize another part of the supplied fuel and release it in gaseous form into the exhaust pipe.
  • the fuel can be converted into a synthesis gas by chemical reactions at the heated catalytic converter, which is also released into the exhaust pipe.
  • the synthesis gas and/or the fuel vapor can, for example, be oxidized on an exhaust gas catalytic converter and release thermal energy there directly in the component of the exhaust gas aftertreatment device to be heated, so that it is heated with lower thermal losses and/or greater thermal output.
  • the heating catalyst can have at least one electrical heating device included, which is used in a first operating state to bring the heated catalytic converter to an operating temperature at which fuel supplied to the heated catalytic converter can be at least partially implemented. This allows the heated catalytic converter to be brought up to operating temperature after a cold start.
  • the heated catalytic converter can contain at least one electrical heating device which, in an eighth operating state, is used to heat a partial flow of the raw exhaust gas of the internal combustion engine that is supplied to the heated catalytic converter.
  • This embodiment makes it possible to introduce heat into at least one component of the exhaust aftertreatment device when there is an excess of available electrical energy, for example when the internal combustion engine is in overrun mode and is recuperating, even without the supply of fuel.
  • the electrical power supplied to the heated catalytic converter can be made dependent on the state of charge of at least one battery, i. H .
  • the heated catalytic converter is only heated electrically when the electrical energy is not required as charging current or when position data and the navigation destination enable the battery to be charged at a later point in time in a forward-looking view of the journey.
  • the battery can be selected from a starter battery and/or a high-voltage battery of a hybrid drive.
  • the partial flow of the raw exhaust gas from the internal combustion engine, which is supplied to the heated catalytic converter can be between approximately 3 kg/h and approximately 200 kg/h. In other embodiments of the invention, the partial flow of the raw exhaust gas from the internal combustion engine, which is supplied to the heated catalytic converter, can be between approximately 3 kg/h and approximately 100 kg/h. In still other embodiments of the invention, the partial flow can be selected between about 6 kg/h and about 80 kg/h. In In still other embodiments of the invention, the partial flow can be selected between about 6 kg/h and about 150 kg/h. The partial flow can be selected as a function of the oxygen content of the raw exhaust gas and/or as a function of the desired operating state of the heated catalytic converter and/or as a function of the required thermal heating output.
  • the method proposed according to the invention can be implemented in a computer program which carries out the method according to the invention when the computer program runs on a microprocessor.
  • the computer program can be present on a data carrier with data stored on it or in the form of a data-representing signal sequence suitable for transmission via a computer network.
  • this relates to a control or regulating device which is set up to carry out the method according to the invention.
  • the control or regulating device can have at least one microprocessor or one microcontroller.
  • the open-loop or closed-loop control device can contain memories that are set up to hold a computer program.
  • the control or regulating device can also contain analog or digital interfaces which can process sensor data, for example the oxygen content of the raw exhaust gas and/or the exhaust gas temperature upstream and/or downstream of the component of the exhaust gas aftertreatment device.
  • control or regulating device can have a digital interface which is set up to receive data from an engine controller of the internal combustion engine in order to derive the operating conditions of the heated catalytic converter from the current operating state of the internal combustion engine.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of an exhaust gas aftertreatment device that can be used according to the invention.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of an exhaust gas aftertreatment device that can be used according to the invention.
  • FIG. 3 shows a block diagram of a control or regulating device according to the present invention.
  • FIG. 4 shows a structogram of the method according to the invention in a first embodiment.
  • FIG. 5 shows a structogram of the method according to the invention in a second embodiment.
  • FIG. 6 shows the application of the method according to the invention in a first exemplary embodiment.
  • FIG. 7 shows the use of the method according to the invention in a second exemplary embodiment.
  • the exhaust aftertreatment device 1 is connected to an internal combustion engine 15 via an exhaust line.
  • the internal combustion engine 15 can be a self-igniting or a spark-ignited internal combustion engine of known design.
  • the internal combustion engine 15 draws in ambient air and converts it exothermically with the supplied fuel.
  • the internal combustion engine 15 delivers mechanical power.
  • a raw exhaust gas is produced which, in addition to CO 2 and H 2 O, also Pollutants such as CH X , CO and / or NO X may contain.
  • the raw exhaust gas is fed to the exhaust gas aftertreatment device 1 via an exhaust pipe.
  • a sensor system can be installed in the exhaust pipe, for example an ⁇ probe to measure the oxygen content of the raw exhaust gas.
  • the exhaust gas aftertreatment device 1 contains a first SCR system 13a and a second SCR system 13b.
  • the SCR systems are each set up to catalytically reduce nitrogen oxides in the raw exhaust gas by adding a reducing agent. Temperatures above 220°C, preferably above 250°C, are required for this.
  • a particle filter 12 is located in the direction of flow between the two SCR systems 13a and 13b.
  • the particle filter 12 is set up to retain fine dust or soot particles that occur during operation of the internal combustion engine 15 . If the particle filter 12 becomes clogged with increasing use, it can be temporarily heated to high temperatures with the supply of oxygen, so that the embedded particles are oxidized and discharged in gaseous form.
  • the first SCR system 13a and the particle filter 12 are installed close to the engine, so that the thermal energy of the raw exhaust gas is sufficient to bring these components to operating temperature or to keep them at operating temperature.
  • the second SCR system 13b is located further downstream in the exhaust pipe, so that it reaches the operating temperature only slowly and/or can cool down below its operating temperature when the internal combustion engine 15 is operated under partial load.
  • the exhaust gas cleaning is therefore only insufficient in part-load operation, which is referred to as emission slip in the context of the present description.
  • a heated catalytic converter 2 is located in front of the second SCR system 13b.
  • a partial flow of the raw exhaust gas flowing in the exhaust line is fed to the heated catalytic converter 2 . Furthermore, a fuel is supplied to the heated catalytic converter, which is mixed with the exhaust gas or the residual oxygen contained in the exhaust gas is converted. The resulting heat is fed back to the exhaust pipe in the form of a hot gas and entered into the second SCR system 13b. This additional heat input can take place both after a cold start and in part-load operation, thus enabling rapid heating on the one hand and preventing cooling during operation on the other.
  • the heated catalytic converter 2 can be switched off at full load or when the internal combustion engine is in operating conditions close to full load.
  • FIG. 2 shows an oxidation catalyst 11, which is set up to post-oxidize oxidizable components of the raw exhaust gas, such as CO and / or CH x . Downstream of the oxidation catalyst is a particulate filter 12 as described above. Downstream of the particle filter 12 there is an SCR system which serves in particular to reduce NO x .
  • the heating catalytic converter 2 is located before the oxidation catalytic converter 11 and after the internal combustion engine 15 . During operation, a partial flow of the untreated exhaust gas of the internal combustion engine 15 that has not been pre-cleaned is thus fed to the heated catalytic converter 2 .
  • FIG. 11 also shows three temperature sensors 111 , 112 and 132 .
  • the temperature sensors measure the exhaust gas temperature at the inlet to the oxidation catalytic converter and at the outlet from the oxidation catalytic converter and at the exit from the SCR system. These three temperature sensors are only to be understood as examples. In other embodiments of the invention, the number of temperature sensors used can be greater or less. In some cases, no temperature sensor at all can be used, as described above with reference to FIG. In this case, the temperatures can be determined from the operating state of the internal combustion engine, for example with a reference-controlled synthesizer.
  • the exhaust gas aftertreatment devices 1 shown in FIGS. 1 and 2 are only to be understood as examples. In other embodiments of the invention, other components can be used, for example three-way catalysts or storage catalysts. Likewise, individual components can be omitted. It is only essential to the invention that at least one component 11 , 12 , 13 is present in the exhaust gas aftertreatment device 1 .
  • the object of the invention is to reach the operating temperature of at least one component 11, 12, 13 quickly and/or to maintain it at low exhaust gas temperatures of the internal combustion engine 15, which can occur particularly in the lower part-load range.
  • An exhaust gas temperature upstream and/or downstream of the component can either be measured, as shown in FIG. 2, or determined from the operating state of the internal combustion engine. In this second case, too, the temperature is referred to as a "measured value" for the purposes of the present description, even if it was not measured directly, for example by a thermocouple or a resistance thermometer.
  • This manipulated variable can be influenced as reference variables by the fuel quantity supplied to the heated catalytic converter 2 and the exhaust gas quantity supplied to the heated catalytic converter and, in some cases, by the electrical energy supplied to the heated catalytic converter.
  • the reference variables in turn depend on the oxygen content of the raw exhaust gas, the exhaust gas temperature and the exhaust gas mass flow of the raw exhaust gas of the internal combustion engine 15 .
  • the control or regulating device 3 therefore uses a heating catalytic converter map 35 .
  • the temperatures measured or determined via a first reference-controlled synthesizer from the data of the engine controller 16 and the oxygen content of the raw exhaust gas are supplied to the heating catalytic converter map 35 .
  • the control or regulating device 3 is optionally supplied with measured values read out from the engine controller 16 via a digital data link 351 . The control or regulating device 3 can then read and set the reference variables with the aid of the heating catalytic converter map 35 .
  • control or regulating device 3 in addition to the data from the engine controller 16, can be provided with further data, which can then control the reference variables of the heated catalytic converter 2 more quickly or with greater accuracy using characteristic diagrams or by calculation.
  • This additional data can be selected from a driving profile and/or a navigation destination and/or position data and/or the state of charge of a battery.
  • the heat output of the heated catalytic converter 2 can already be reduced proactively when it is known that the vehicle is about to drive up an incline and this means that a larger and also hotter exhaust gas mass flow of the raw exhaust gas from the internal combustion engine is available.
  • Heated catalytic converters can already be activated proactively at the end of an incline in order to avoid or reduce a temperature drop in the components of the exhaust aftertreatment device, which results from the fact that the internal combustion engine only works under partial load or even in overrun mode when driving downhill.
  • position data can be used to define a base load range for the heated catalytic converter 2, since, for example, a lower average load on the internal combustion engine 15 can be expected in built-up areas than when driving on the freeway.
  • the operation of the vehicle in built-up areas can indicate higher dynamics, whereas a more uniform load requirement is placed on the internal combustion engine 15 when driving overland.
  • a navigation destination can also be used to control the heated catalytic converter 2, for example by preventing the regeneration of a particle filter 12 shortly before the destination is reached or by deferring it until the city limits are reached.
  • FIG. 4 shows a structogram of a first embodiment of the method according to the invention.
  • the heated catalytic converter 2 can be operated in seven different operating states, which are denoted by the reference numerals 51 to 57.
  • the procedure according to FIG. 4 is not to be understood in such a way that the seven operating states are necessarily run through sequentially. Rather, at least one temperature is determined after an oxidation catalytic converter, either directly by measurement or indirectly from the operating state of the internal combustion engine. Depending on the temperature and optionally other parameters, for example the operating time of the internal combustion engine, one of the illustrated operating states of the heated catalytic converter 2 is then selected.
  • the control or regulating device changes to another depending on the temperature operating status .
  • a hysteresis can be used in order to avoid frequent changes in the operating state of the heated catalytic converter 2 .
  • the first operating state 51 denotes the start of the heating catalyst.
  • the heated catalytic converter can first be preheated with an optional electric heating device by supplying an exhaust gas mass flow, until the supplied fuel is converted exothermically at the heated catalytic converter and the heated catalytic converter continues to heat up to its operating temperature.
  • a comparatively large exhaust gas mass flow of, for example, approximately 60 kg/h to approximately 100 kg/h is fed to the heated catalytic converter.
  • the heated catalytic converter is operated with an air ratio ⁇ of between about 0.75 and about 3.5 or between about 1.5 and about 2.5. This leads to almost complete conversion of the supplied fuel with the residual oxygen in the exhaust gas supplied to the heated catalytic converter 2 , with the heated catalytic converter in some embodiments being able to deliver a thermal output of approximately 5 kW to approximately 20 kW in the form of a hot gas.
  • the third operating state 53 designates an alternating operation in which there is a cyclical switching between a first partial step 53a and a second partial step 53b.
  • the operating conditions correspond approximately to the operation in the second method step 52.
  • the exhaust gas mass flow is reduced by a factor of 10 to 25, for example to about 3 kg/h to about 10 kg/h, so that the heated catalytic converter with an air ratio /. between about 0.05 and about 0.5 or between about 0.1 and about 0.4 .
  • the supplied fuel is not completely converted, but is partially vaporized and partially converted into a synthesis gas. which is fed to the oxidation catalytic converter via the exhaust pipe.
  • the heat supplied in the first sub-step 53a allows the synthesis gas to ignite on the oxidation catalyst and be converted there exothermally, so that a heat output of about 13 kW to about 20 kW is released directly on the oxidation catalyst.
  • the fourth method step 54 is similar to the second partial step 53b of the third method step 53 .
  • the partial flow of exhaust gas fed to the heated catalytic converter is larger and can amount to between approximately 5 kg/h and approximately 20 kg/h.
  • the regulation can take place in such a way that a predeterminable proportion of the raw exhaust gas is passed through the heated catalytic converter. For example, approximately 2% and approximately 10% or between approximately 3% and approximately 8% of the exhaust gas flow of the internal combustion engine can be fed to the heated catalytic converter 2 as a partial flow.
  • the heated catalytic converter can introduce a thermal output of approximately 10 kW to approximately 50 kW or from approximately 14 kW to approximately 36 kW in the form of an ignitable synthesis gas in the oxidation catalytic converter 11 .
  • the fourth operating state 54 is therefore particularly suitable for rapidly heating up the exhaust gas aftertreatment device after a cold start and after the heated catalytic converter has been started in the first method step 51 and a certain preconditioning of the exhaust gas aftertreatment device has taken place in the second and third method steps 52 and 53 .
  • the heated catalytic converter 2a can be cleaned in the fifth method step 55 .
  • the supplied partial flow is increased again, for example to about 50 kg/h to about 100 kg/h.
  • the fuel quantity supplied can be reduced compared to the second method step 52, so that the heat released in the heated catalytic converter 2 is primarily used to oxidize and vaporize remaining deposits and residual fuel to avoid permanent deposits and dirt in the heated catalytic converter 2.
  • the sixth method step 56 is suitable for keeping warm, for example when the internal combustion engine 15 generates only low exhaust gas temperatures in the low part-load range or no fuel at all is fed to the internal combustion engine in the overrun mode.
  • the thermal output of the heating catalytic converter can be between approximately 0 kW and approximately 10 kW.
  • a comparatively small partial flow of about 5 kg/h to about 50 kg/h of the raw exhaust gas is fed to the heated catalytic converter 2, while the heated catalytic converter is supplied with an air ratio ⁇ between about 0.75 and about 3.5 or between about 1.5 and about 2 , 5 is operated .
  • the heated catalytic converter 2 is not permanently required at high exhaust gas temperatures, it can also be switched off in the seventh method step 57 . In this case, no fuel is fed to the heated catalytic converter 2, so that it does not emit any heat even if the heated catalytic converter is permanently flowed through by a partial flow of the exhaust gas due to its installation position.
  • the method steps 51, 52, 53 and 54 are run through cyclically after a cold start, with switching to the next operating state in each case when predeterminable temperature thresholds are reached.
  • With permanent operation of the internal combustion engine can then depending on the exhaust gas temperature or. the deviation of the temperature setpoint of the oxidation catalytic converter from the actual value between the operating states 54 , 55 , 56 and 57 .
  • the temperature limit values between the individual operating states can be provided with a hysteresis in order to avoid frequent undesired changes in the operating state.
  • a structogram of a second embodiment of the method according to the invention is explained in more detail with reference to FIG. Same components of the invention or. the same operating states are provided with the same reference symbols, so that the following description is limited to the essential differences.
  • the control or regulating device checks whether the exhaust gas temperatures before and after the oxidation catalytic converter 11 are above predeterminable limit values and whether the exhaust gas mass flow of the raw exhaust gas exceeds a predeterminable minimum value. If this is the case, the fourth operating state can be started up immediately with a comparatively small partial flow and a low air ratio, which enables rapid heating of the oxidation catalytic converter. If this is not the case, the component of the exhaust gas aftertreatment device is first preheated in catalytic burner operation according to second operating state 52 .
  • heated catalytic converter 2 is switched to a warming mode according to sixth operating state 56 described above.
  • the procedure according to FIG. 5 differs from the previous regulation primarily in that the control or regulating device 3 of the heated catalytic converter 2 reads the operating data from the engine control 16 of the internal combustion engine 15 and, if necessary. more data, like For example, the remaining driving distance, the topography and the road class are used to determine the required thermal output of the heated catalytic converter 2 in advance and based on the current and/or future operating conditions of the internal combustion engine using the heated catalytic converter map 35 to calculate the respective optimal values for the partial flow and the power Material quantity of the heated catalytic converter 2 is set. In this way, dead times of the control circuit can be eliminated, so that the target values for the temperature of the components of the exhaust aftertreatment can be reached more quickly or the actual temperature fluctuates to a lesser extent.
  • FIG. 6 shows the application of the method according to the invention in a first exemplary embodiment of a multi-stage control according to FIG.
  • FIG. 6 shows a) the exhaust gas mass flow of a raw exhaust gas in curve A on the left ordinate and the oxygen content of the exhaust gas in curve B on the right ordinate versus time in seconds.
  • FIG. 6 b) shows the temperature of the temperature sensor 12 behind the oxidation catalytic converter 11 on the right ordinate in curve C and the output power of the heated catalytic converter in curve D on the left ordinate on the same time axis.
  • FIG. 6 shows b) measured values for a target value of 400.degree.
  • FIG. 6c shows measured values similar to FIG. 6b), but for a target value of 280° C.
  • the output power of the internal combustion engine 15 in the section shown from a WHTC cycle is not constant over time, but rather highly dynamic. Accordingly, the exhaust gas mass flow and the oxygen content of the exhaust gas also change within a few seconds.
  • the heated catalytic converter 2 can be controlled very quickly with the control or regulating device according to the invention, so that the heat input through the heated catalytic converter largely compensates for the fluctuating heat input through the internal combustion engine compensated, so that the outlet temperature behind the oxidation catalytic converter 11 varies only to a small extent.
  • the oxidation catalytic converter 11 can therefore always be used even when the internal combustion engine is operated under partial load. An emission slip does not occur.
  • FIG. 7 The exhaust gas mass flow is shown in curve A in FIG. 7a).
  • Figure 7 b) shows in curve F the exhaust gas temperature of the raw exhaust gas downstream of the internal combustion engine.
  • curve C the temperature at the outlet of the oxidation catalyst or shown at the entrance of the particle filter.
  • FIG. 7c) shows the CO content of the raw exhaust gas in curve E and the CH x content in curve G.
  • High exhaust gas temperatures are required for the regeneration of the particle filter 12 in order to oxidize the deposited particles and discharge them from the particle filter 12 in gaseous form.
  • the exhaust gas temperature is increased by internal engine measures, which leads to poor consumption and emission values during regeneration.
  • FIG. 7 shows, switching on the heated catalytic converter 2 after about 60 seconds leads to a rapid increase in the exhaust gas temperature from about 200° C. to about 600° C.
  • the exhaust gas temperature is kept constant within a narrow temperature range by the heated catalytic converter despite the dynamic load requirement on the internal combustion engine and the corresponding fluctuating exhaust gas mass flow over time.
  • curves E, F and G show, further internal engine measures for regeneration are not necessary, i. H . the temperature of the raw exhaust gas remains below 250 ° C at all times .
  • the pollutant emissions shown in curves E and G during the regeneration of the Particle filters unlike the prior art, not increased.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wärmeeintrag in zumindest eine Komponente (11, 12, 13) einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) einer Brennkraftmaschine (15), bei welchem ein Teilstrom eines Abgasstromes mit Kraftstoff in einem Heizkatalysator (2) zumindest teilweise umgesetzt und dem Abgasstrom wieder zugeführt wird, wobei die dem Heizkatalysator (2) zugeführte Kraftstoffmenge und/oder der dem Heizkatalysator (2) zugeführte Teilstrom in Abhängigkeit der Abgastemperatur (Tn, Tv) vor und/oder hinter der Komponente (11, 12, 13) gesteuert oder geregelt wird, wobei die dem Heizkatalysator (2) zugeführte Kraftstoffmenge und/oder der dem Heizkatalysator (2) zugeführte Teilstrom mittels zumindest eines Heizkatalysatorkennfeldes (35) bestimmt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Datenträger mit darauf gespeicherten Daten, eine Daten repräsentierende, zur Übertragung über ein Computernetzwerk geeignete Signalfolge sowie eine Steuer- oder Regeleinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Verfahren zum Wärmeeintrag in zumindest eine Komponente einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, Software und Steueroder Regeleinrichtung
Die Erf indung betrif ft ein Verfahren zum Wärmeeintrag in zumindest eine Komponente einer Abgasnachbehandlungseinrichtung einer Brennkraftmaschine , bei welchem ein Teilstrom eines Abgasstromes mit Kraftstof f in einem Heizkatalysator zumindest teilweise umgesetzt und dem Abgasstrom wieder zugeführt wird . Weiterhin betrif ft die Erf indung eine Steuer- oder Regeleinrichtung sowie ein Computerprogramm zur Durchführung eines solchen Verfahrens .
Es ist aus der Praxis bekannt , in der Abgasleitung einer Brennkraftmaschine zumindest eine Komponente anzuordnen, welche das Rohabgas der Brennkraftmaschine reinigt . Diese Reinigung umfasst oftmals eine katalytische Nachoxidation, die Filterung von Partikeln oder die katalytische Umsetzung von Stickoxiden mit einem Reduktionsmittel . Fallweise können auch mehrere Komponenten für unterschiedliche Verfahrens schritte der Abgasnachbehandlung bzw . Abgasreinigung sequenziell durchlaufen werden .
Sofern diese Komponente eine chemische Umsetzung des Rohabgases ermöglicht , benötigt die Komponente in der Regel eine gewisse Betriebstemperatur von beispielsweise mehr als 200 ° C oder auch mehr als 300 C , um das Rohabgas mit hinreichender Ef f izienz zu reinigen . Partikelf ilter können zwar bereits bei Umgebungstemperatur wirksam sein . Jedoch müssen diese bei einer bestimmten Beladung regeneriert werden, was in der Regel durch Oxidation der eingelagerten Partikel bei hohen Temperaturen und gasförmiges Austragen der Verbrennungs produkte erfolgt .
Es besteht somit ein Bedürfnis , alle oder zumindest einzelne Komponenten einer Abgasnachbehandlungseinrichtung durch Zufuhr von Wärmeenergie zumindest zweitweise zu beheizen . Dies kann beispielsweise durch innermotorische Maßnahmen erfolgen, welche zwar den Wirkungsgrad und/oder den Schadstof fausstoß der Brennkraftmaschine nachteilig beeinf lussen, andererseits aber die Abgastemperatur des Rohabgases anheben, sodass zusätzliche Wärme in die Komponenten der Abgasnachbehandlungseinrichtung eingetragen wird .
Aus der WO 2020/193595 Al ist darüber hinaus bekannt , einen Heizkatalysator einzusetzen, welchem ein Teilstrom des von der Brennkraftmaschine abgegebenen Rohabgases zugeführt wird . Dieser Teilstrom des Rohabgases wird mit Kraftstof f umgesetzt . Dabei kann einerseits durch exotherme Reaktion unabhängig von der Betriebsführung der Brennkraftmaschine Wärme erzeugt und der Abgasnachbehandlungseinrichtung zugeführt werden . Darüber hinaus erlaubt dieser bekannte Heizkatalysator die Herstellung eines leicht entzündlichen Synthesegases aus dem zugeführten Kraftstof f . Dieses Synthesegas kann an einem Abgaskatalysator exotherm umgesetzt werden und so Wärme unmittelbar innerhalb des Abgaskatalysators erzeugen .
Diese bekannte Vorrichtung weist j edoch den Nachteil auf , dass bei dynamischem Betrieb einer Brennkraftmaschine , insbesondere in Kraftfahrzeugen, der Abgasmassenstrom und dessen Zusammensetzung variiert . Da die vom Heizkatalysator in die Komponente der Abgasnachbehandlungseinrichtung abgegebene Wärmemenge nichtlinear von der zugeführten Abgas menge , der zugeführten Kraf tstof fmenge und der Zusammensetzung des zugeführten Abgases abhängt , führt dies zu starken Schwankungen der vom Heizkatalysator abgegebenen Wärme . Darüber hinaus wird die Temperaturregelung einer Komponente einer Abgasnachbehandlungseinrichtung durch lange Totzeiten erschwert .
Ausgehend vom Stand der Technik besteht somit ein Bedürfnis , den Wärmeeintrag in zumindest eine Komponente einer Abgas - nachbehandlungseinrichtung zuverlässiger zu steuern bzw . zu regeln, um einerseits ein Auskühlen der Abgasnachbehandlungseinrichtung mit nachfolgenden Emissionsschlupf zu verhindern und andererseits keine unnötige Energie für die Aufheizung einzusetzen .
Die Aufgabe wird erf indungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 , einen Datenträger mit darauf gespeicherten Daten oder eine Daten repräsentierende , zur Übertragung über ein Computernetzwerk geeignete Signalfolge nach Anspruch 12 und eine Steuer- oder Regeleinrichtung nach Anspruch 13 gelöst . Vorteilhafte Weiterbildungen der Erf indung f inden sich in den Unteransprüchen .
Erf indungsgemäß wird ein Verfahren zum Wärmeeintrag in zumindest eine Komponente einer Abgasnachbehandlungseinrichtung einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen . Die Brennkraft maschine kann in einigen Ausführungsformen der Erf indung eine fremdgezündete Brennkraftmaschine bzw . ein Ottomotor sein . In anderen Ausführungsformen der Erf indung kann die Brennkraftmaschine eine selbstzündende Brennkraftmaschine bzw . ein Dieselmotor sein . Die erf indungsgemäß eingesetzte Brennkraftmaschine kann Teil eines Kraftfahrzeuges sein, beispielsweise eines PKW oder eines LKW . In anderen Aus führungsformen der Erf indung kann die Brennkraftmaschine in einer Baumaschine oder einem Schif f verwendet werden . In wiederum anderen Ausführungsformen der Erf indung kann die Brennkraftmaschine auch in ortsfesten Stromerzeugern oder Kompressoren eingesetzt werden . Die Vorzüge des erf indungs gemäßen Verfahrens zeigen sich insbesondere im dynamischen Betrieb , d . h . wenn sich die Lastanforderungen der Brenn- Kraftmaschine kurzzeitig ändern . Dies ist beispielsweise bei Kraftfahrzeugen insbesondere im Stadtverkehr der Fall .
Die erf indungsgemäß eingesetzte Komponente einer Abgasnachbehandlungseinrichtung kann beispielsweise ein Dreiwegekatalysator sein . In anderen Ausführungsformen der Erf indung kann die Komponente ausgewählt sein aus einem Oxidations katalysator , einem Speicherkatalysator , einem SCR- System und/oder einem Partikelf ilter . In einigen Ausführungsformen der Erf indung kann auch eine Mehrzahl von solchen Komponenten in einer Abgasnachbehandlungseinrichtung vorhanden sein und parallel oder sequenziell vom Rohabgas der Brennkraftmaschine durchströmt werden .
Erf indungsgemäß wird vorgeschlagen, einen Teilstrom des Abgasstromes der Brennkraftmaschine mit Kraftstof f in einem Heizkatalysator zumindest teilweise umzusetzen, um das im Heizkatalysator erzeugte Produkt dem Abgasstrom wieder zuzuführen . Daraus ergibt sich der Vorteil , dass die Einrichtung zur Wärmeerzeugung von der Brennkraftmaschine weitgehend unabhängig ist , sodass die Brennkraftmaschine nicht mit ungünstigen Betriebsbedingungen betrieben werden muss , um zusätzliche Wärme zu erzeugen . Vielmehr kann die Brennkraftmaschine stets so betrieben werden, dass die j eweils angeforderte mechanische Leistung mit geringstmöglichen Schadstof fen und/oder geringstmöglichem Kraf tstof f einsatz erbracht wird .
Das erf indungsgemäße Verfahren stellt nun darauf ab , in Strömungsrichtung vor und/oder hinter der zum Wärmeeintrag vorgesehenen Komponente der Abgasnachbehandlungseinrichtung die Abgastemperatur zu bestimmen und die vom Heizkatalysator abgegebene Wärmemenge in Abhängigkeit der Temperatur zu steuern oder zu regeln . Die vom Heizkatalysator abgegebene Wärme kann dabei durch die zugeführte Kraf tstof fmenge und/oder den Massenstrom des dem Heizkatalysator zugeführten Teilstroms des Rohabgases als Führungsgröße beeinf lusst werden . Erf indungsgemäß wird somit vorgeschlagen, eine oder beide Einf lussgrößen auf die vom Heizkatalysator abgegebene Wärme pro Zeiteinheit in Abhängigkeit zumindest einer Abgas temperatur anzupassen, sodass die Abgastemperatur vor und/oder hinter der Komponente auf einem vorgebbaren Soll wert konstant oder innerhalb vorgebbarer Schwankungsbreiten gehalten wird . In einigen Ausführungsformen der Erf indung kann der Heizkatalysator weitere Führungsgrößen aufweisen, beispielsweise eine Umgebungsluftzufuhr oder eine elektrische Heizeinrichtung . Diese können in gleicher Weise kontrolliert werden . Der dem Heiz-'kata-'lysa-'tor zugeführte Kraftstof f ist dabei in einigen Ausführungsformen der Erf indung vollständig oder zumindest teilweise f lüssig .
Der solchermaßen kontrollierte Sollwert der Abgastemperatur an zumindest einer vorgebbaren Stelle der Abgasnachbehandlungseinrichtung kann während des Betriebs der Brennkraftmaschine variieren . Beispielsweise kann der Sollwert vor einem Partikelf ilter temporär erhöht werden, wenn ein Dif ferenzdrucksensor eine unzulässig hohe Beladung des Partikelf ilters erkennt und der Partikelf ilter durch Oxidation der Partikel regeneriert werden soll . Der Sollwert der Abgastemperatur kann sodann zeitabhängig oder in Abhängigkeit von Messwerten wieder abgesenkt werden, wenn der Partikelf ilter regeneriert wurde . In anderen Aus führungsformen der Erf indung kann die Abgastemperatur so geregelt werden, dass diese gewisse Mindestwerte nicht unterschreitet , beispielsweise beim Betrieb von Oxidations katalysatoren oder SCR- Systemen, welche eine Mindesttemperatur zum Betrieb benötigen . Wird diese Mindesttemperatur unterschritten, beispielsweise durch Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine , kann durch den erf indungsgemäß verwendeten Heizkatalysator zusätzliche Wärme eingetragen werden .
In einigen Ausführungsformen der Erf indung kann die Abgas temperatur vor und/oder hinter der Komponente der Abgasnach- behandlungseinrichtung mit zumindest einem Temperatursensor erfasst werden . Als Temperatursensor können in an sich bekannter Weise Thermoelemente oder Widerstandsthermometer eingesetzt werden, welche ein der Temperatur entsprechendes elektrisches Signal erzeugen . In Abhängigkeit der so erfassten Messgröße der Abgastemperatur können sodann die Führungsgrößen am Heizkatalysator beeinf lusst werden, um die Stellgröße der thermischen Leistung des Heizkatalysators zu steuern oder zu regeln .
In einigen Ausführungsformen der Erf indung kann die Abgastemperatur vor und/oder hinter der Komponente der Abgasnachbehandlungseinrichtung aus dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine bestimmt werden . Dieses Merkmal erlaubt es , zusätzliche Sensorik einzusparen und dadurch die Betriebssicherheit zu erhöhen . Beispielsweise kann die sich an einem Katalysator oder einem Partikelf ilter einstellende Temperatur aus der in der Brennkraftmaschine umgesetzten thermischen Leistung , dem in das Abgas abgegebenen Anteil dieser Leistung und der Wärmeabfuhr der Abgasleitung vor der Komponente in Abhängigkeit von Außentemperatur und Anströmgeschwindigkeit des Fahrtwindes berechnet oder tabelliert werden . Dies erlaubt das Auf stellen einer Wärmebilanz für die Komponente und das Ableiten der sich einstellenden Temperaturen ohne den Einsatz eines Temperaturmessfühlers im Abgas ström .
In einigen Ausführungsformen der Erf indung kann ein Teil der Abgastemperaturen gemessen und ein anderer Teil der Abgas temperaturen berechnet werden . Beispielsweise kann aus einer gemessenen Temperatur hinter einem Oxidationskatalysator und dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine die Temperatur vor dem Oxidationskatalysator berechnet werden oder umgekehrt . In anderen Ausführungsformen der Erf indung kann aus einer Temperatur hinter einem Oxidationskatalysator die Eintrittstemperatur oder auch die Austrittstemperatur eines SCR- Systems bestimmt werden, welches sich stromabwärts des Oxidationskatalysators bef indet .
In einigen Ausführungsformen der Erf indung kann der zur Bestimmung der Abgastemperatur herangezogene Betriebszustand der Brennkraftmaschine aus aktuell anliegenden Kennfeldwerten oder Kennfeldbereichen der Motorsteuerung der Brennkraftmaschine bestimmt werden . Somit ist es nicht mehr erforderlich, beispielsweise den Abgasmassenstrom des Rohabgases der Brennkraftmaschine zu messen . Der Abgasmassenstrom kann stattdessen mit hoher Genauigkeit aus der Ansaugluft menge und der zugeführten Kraf tstof fmenge ermittelt werden . Fallweise kann der Betriebszustand der Brennkraftmaschine unter Nutzung weiterer Kennfelder mit größerer Genauigkeit bestimmt werden, beispielsweise den Messwerten einer Ä-Sonde , der Drehzahl , der Gaspedalstellung , der Stellung des AGR- Ventils , der Kühlwassertemperatur oder weiterer , hier nicht explizit genannter Werte .
Heizkatalysatoren der verwendeten Art zeigen ein nichtli neares Verhalten der Wärmeabgabe in Abhängigkeit der zugeführten Kraf tstof fmenge und/oder des dem Heizkatalysator zugeführten Teilstroms des Rohabgases . Erf indungsgemäß wird daher die dem Heizkatalysator zugeführte Kraf tstof fmenge und/oder der dem Heizkatalysator zugeführte Teilstrom des Rohabgases mittels zumindest eines Heizkatalysatorkennfeldes bestimmt . Die Eingangsgrößen des Heizkatalysatorkennfeldes können beispielsweise ausgewählt sein aus dem Abgasmassenstrom der Brennkraftmaschine und/oder dem Sauerstof f gehalt des Rohabgases und/oder zumindest einer Abgastemperatur und/oder einem Fahrprof il und/oder einem Navigationsziel und/oder Positionsdaten und/oder dem Ladezustand von zumindest einer Batterie . Die Steuerung oder Regelung mittels eines Heizkatalysatorkennfeldes weist dabei insbesondere den Vorteil auf , dass die Regelung auch bei hochdynamischem Betrieb sehr rasch erfolgen kann, da aus der im Steuergerät gespeicherten Umsetzungstabelle nur die zu den Betriebsbedingungen der Brennkraf maschine gerade passenden Sollwerte der Führungsgrößen ausgelesen und am Heizkatalysator eingestellt werden müssen .
In einigen Ausführungsformen der Erf indung kann der Abgas massenstrom der Brennkraftmaschine und/oder der Sauerstof f - gehalt des Rohabgases der Brennkraftmaschine und/oder zumindest eine Abgastemperatur mit einem ersten referenz geregelten Synthetisierer bestimmt werden . Ein solcher referenzgeregelter Synthetisierer bezeichnet für die Zwecke der vorliegenden Erf indung ein System, welches aus bekannten Eingangsgrößen und Ausgangsgrößen der Brennkraftmaschine nicht messbare Größen rekonstruiert . Hierzu bildet der Synthetisierer die Brennkraftmaschine als Modell nach und führt mit einem Regler die messbaren und daher mit der realen Brennkraftmaschine vergleichbaren Zustandsgrößen nach . Auf diese Weise kann beispielsweise aus der angesaugten Luftmasse und der zugeführten Kraf tstof fmenge ein Abgasmassenstrom des Rohabgases der Brennkraftmaschine berechnet werden, ohne dass der Abgasmassenstrom mit großem technischen Aufwand gemessen werden muss und ohne dass über die Betriebszeit ein wachsender Fehler generiert wird .
In einigen Ausführungsformen der Erf indung kann die vom Heizkatalysator abgegebene thermische Leistung aus der dem Heizkatalysator zugeführten Kraf tstof fmenge und/oder dem dem Heizkatalysator zugeführten Teilstrom des Rohabgases der Brennkraftmaschine und/oder dem Sauerstof f gehalt des Rohabgases mittels eines zweiten referenzgeregelten Synthetisierens bestimmt werden . Somit steht zur Temperaturregelung stets ein exakter Messwert der thermischen Leistung bzw . der vom Heizkatalysator in die Abgasnachbehandlung eingetragenen Wärmemenge zur Verfügung , ohne dass diese thermische Leistung mit großem technischen Aufwand gemessen werden muss . In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann der Heiz - katalysator zumindest einen zweiten Betriebszustand auf weisen, bei welchem die Luftzahl Ä des Heizkatalysators zwischen etwa 0 , 75 und etwa 30 beträgt . In anderen Aus führungsformen des Verfahrens kann der Heizkatalysator zumindest einen zweiten Betriebszustand aufweisen, bei welchem die Luftzahl Ä des Heizkatalysators zwischen etwa 1 , 0 und etwa 10 beträgt . Dieser erste Betriebszustand kann auch als Brennerbetrieb bezeichnet werden, da die zugeführte Kraf tstof fmenge weitgehend oder vollständig im Heizkatalysator mit dem Restsauerstof f des Rohabgases umgesetzt wird . Der Heizkatalysator gibt in diesem ersten Betriebszustand ein Heißgas ab , welches über eine Abgasleitung der Komponente der Abgasnachbehandlung zugeführt werden kann und diese durch unmittelbaren Wärmeeintrag erwärmt .
In einigen Ausführungsformen der Erf indung kann der Heiz - katalysator darüber hinaus zumindest einen vierten Betriebszustand aufweisen, bei welchem die Luftzahl Ä des Heizkatalysators zwischen etwa 0 , 05 und etwa 0 , 7 beträgt . In diesem Betriebszustand wird ein Teil des Kraftstof fes exotherm umgesetzt . Die hierdurch freigesetzte Wärme kann dazu verwendet werden, einen anderen Teil des zugeführten Kraftstof fes zu verdampfen und gasförmig in die Abgasleitung abzugeben . Alternativ oder zusätzlich kann der Kraftstof f durch chemische Reaktionen am Heizkatalysator in ein Synthesegas umgewandelt werden, welches ebenfalls in die Abgasleitung abgegeben wird . Das Synthesegas und/oder der Kraf tstof f dampf kann beispielsweise an einem Abgaskatalysator oxidiert werden und dort Wärmeenergie unmittelbar in der auf zuheizenden Komponente der Abgasnachbehandlungseinrichtung freisetzen, sodass diese mit geringeren thermischen Verlusten und/oder größerer thermischer Leistung erwärmt wird .
In einigen Ausführungsformen der Erf indung kann der Heiz - katalysator zumindest eine elektrische Heizeinrichtung enthalten, welche in einem ersten Betriebszustand dazu verwendet wird, den Heizkatalysator auf eine Betriebs temperatur zu bringen, bei welcher zugeführter Kraftstof f am Heizkatalysator zumindest teilweise umgesetzt werden kann . Hierdurch kann der Heizkatalysator nach einem Kaltstart auf Betriebstemperatur gebracht werden .
In einigen Ausführungsformen der Erf indung kann der Heiz - katalysator zumindest eine elektrische Heizeinrichtung enthalten, welche in einem achten Betriebszustand dazu verwendet wird, einen dem Heizkatalysator zugeführten Teilstrom des Rohabgases der Brennkraftmaschine zu erwärmen . Diese Ausführungsform ermöglicht es , bei einem Überschuss an verfügbarer elektrischer Energie , beispielsweise wenn sich die Brennkraftmaschine im Schubbetrieb bef indet und rekuperiert , auch ohne Zufuhr von Kraftstof f Wärme in zumindest eine Komponente der Abgasnachbehandlungseinrichtung einzubringen . In einigen dieser Ausführungsform kann die dem Heizkatalysator zugeführte elektrische Leistung vom dem Ladezustand von zumindest einer Batterie abhängig gemacht werden, d . h . der Heizkatalysator wird erst elektrisch beheizt , wenn die elektrische Energie nicht als Ladestrom benötigt wird oder wenn Positionsdaten und Navigationsziel in einer vorausschauenden Betrachtung der Fahrt die Batterieladung zu einem späteren Zeitpunkt ermöglichen . Die Batterie kann ausgewählt sein aus einer Starterbatterie und/oder einer Hochvoltbatterie eines Hybridantriebes .
In einigen Ausführungsformen der Erf indung kann der Teilstrom des Rohabgases der Brennkraftmaschine , welcher dem Heizkatalysator zugeführt wird, zwischen etwa 3 kg/h und etwa 200 kg/h betragen . In anderen Ausführungsformen der Erf indung kann der Teilstrom des Rohabgases der Brennkraft maschine , welcher dem Heizkatalysator zugeführt wird, zwischen etwa 3 kg/h und etwa 100 kg/h betragen . In wieder anderen Ausführungsformen der Erf indung kann der Teilstrom zwischen etwa 6 kg/h und etwa 80 kg/h gewählt sein . In wieder anderen Ausführungsformen der Erf indung kann der Teilstrom zwischen etwa 6 kg/h und etwa 150 kg/h gewählt sein . Der Teilstrom kann in Abhängigkeit des Sauerstof f gehaltes des Rohabgases und/oder in Abhängigkeit des gewünschten Betriebszustandes des Heizkatalysators und/oder in Abhängigkeit der benötigten thermischen Heizleistung gewählt sein .
Das erf indungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann in einem Computerprogramm implementiert werden, welches das erf indungsgemäße Verfahren durchführt , wenn das Computerprogramm auf einem Mikroprozessor läuft . Das Computerprogramm kann auf einem Datenträger mit darauf gespeicherten Daten vorliegen oder in Form einer datenrepräsentierenden, zur Übertragung über ein Computernetzwerk geeigneten Signal - folge .
In einigen Ausführungsformen der Erf indung betrif ft diese eine Steuer- oder Regeleinrichtung , welche dazu eingerichtet ist , das erf indungsgemäße Verfahren durchzuführen . Hierzu kann die Steuer- oder Regeleinrichtung zumindest einen Mikroprozessor oder einen Mikrocontroller aufweisen . Darüber hinaus kann die Steuer- oder Regeleinrichtung Speicher enthalten, welche zur Aufnahme eines Computerprogrammes eingerichtet sind . Die Steuer- oder Regeleinrichtung kann darüber hinaus analoge oder digitale Schnittstellen enthalten, welche Sensordaten verarbeiten können, beispiels weise den Sauerstof f gehalt des Rohabgases und/oder die Abgastemperatur vor und/oder hinter der Komponente der Abgasnachbehandlungseinrichtung . Schließlich kann die Steuer- oder Regeleinrichtung eine digitale Schnittstelle aufweisen, welche dazu eingerichtet ist , Daten einer Motorsteuerung der Brennkraftmaschine zu empfangen, um aus dem aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine die Betriebsbedingungen des Heizkatalysators abzuleiten . Nachfolgend soll die Erf indung ohne Beschränkung des allgemeinen Erf indungsgedankens anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert werden . Dabei zeigt
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erf indungsgemäß verwendbaren Abgasnachbehandlungseinrichtung .
Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erf indungsgemäß verwendbaren Abgasnachbehandlungseinrichtung .
Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild einer Steuer- oder Regeleinrichtung gemäß der vorliegenden Erf indung .
Figur 4 zeigt ein Struktogramm des erf indungsgemäßen Verfahrens in einer ersten Ausführungsform .
Figur 5 zeigt ein Struktogramm des erf indungsgemäßen Verfahrens in einer zweiten Ausführungsform .
Figur 6 zeigt die Anwendung des erf indungsgemäßen Verfahrens in einem ersten Ausführungsbeispiel .
Figur 7 zeigt die Anwendung des erf indungsgemäßen Verfahrens in einem zweiten Ausführungsbeispiel .
Anhand der Figur 1 wird ein erstes Ausführungsbeispiel einer erf indungsgemäß verwendbaren Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 näher erläutert . Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 ist über eine Abgasleitung mit einer Brennkraftmaschine 15 verbunden . Die Brennkraftmaschine 15 kann eine selbst zündende oder auch eine fremdgezündete Brennkraftmaschine bekannter Bauweise sein . Die Brennkraftmaschine 15 saugt Umgebungsluft an und setzt diese mit zugeführtem Kraftstof f exotherm um . Dabei gibt die Brennkraftmaschine 15 mechanische Leistung ab . Bei Betrieb der Brennkraftmaschine 15 entsteht ein Rohabgas , welches neben CO2 und H2O auch Schadstoffe wie beispielsweise CHX, CO und/oder NOX enthalten kann .
Das Rohabgas wird über eine Abgasleitung der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 zugeführt. Optional kann in der Abgasleitung eine Sensorik verbaut sein, beispielsweise eine Ä-Sonde zur Messung des Sauerstoff gehaltes des Rohabgases. Im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel enthält die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 ein erstes SCR-System 13a und ein zweites SCR-System 13b. Die SCR-Systeme sind jeweils dazu eingerichtet, Stickoxide im Rohabgas unter Zugabe eines Reduktionsmittels katalytisch zu reduzieren. Hierfür werden Temperaturen über 220°C, bevorzugt über 250°C benötigt.
In Strömungsrichtung zwischen den beiden SCR-Systemen 13a und 13b befindet ein Partikelfilter 12. Der Partikelfilter 12 ist dazu eingerichtet, beim Betrieb der Brennkraftmaschine 15 entstehende Feinstaub- oder Rußpartikel zurückzuhalten. Sofern der Partikelfilter 12 bei zunehmendem Gebrauch verstopft, kann dieser zeitweilig unter Sauerstoffzufuhr auf hohe Temperaturen aufgeheizt werden, sodass die eingelagerten Partikel oxidiert und gasförmig abgeführt werden .
In dem in Figur 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist das erste SCR-System 13a und der Partikelfilter 12 motornah eingebaut, sodass die thermische Energie des Rohabgases ausreicht, um diese Komponenten auf Betriebstemperatur zu bringen bzw. auf Betriebstemperatur zu halten. Das zweite SCR-System 13b befindet sich hingegen weiter stromab in der Abgasleitung, sodass dieses die Betriebstemperatur nur langsam erreicht und/oder im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine 15 unterhalb seiner Betriebstemperatur abkühlen kann. Die Abgasreinigung ist somit im Teillastbetrieb nur unzureichend, was im Sinne der vorliegenden Beschreibung als Emissionsschlupf bezeichnet wird. Zur Lösung dieses Problems bef indet sich vor dem zweiten SCR- System 13b ein Heizkatalysator 2 . Dem Heizkatalysator 2 wird ein Teilstrom des in der Abgasleitung strömenden Rohabgases zugeführt . Weiterhin wird dem Heizkatalysator ein Kraftstof f zugeführt , welcher mit dem Abgas bzw . dem im Abgas enthaltenen Restsauerstof f umgesetzt wird . Die hierbei entstehende Wärme wird der Abgasleitung in Form eines Heißgases wieder zugeführt und in das zweite SCR- System 13b eingetragen . Dieser zusätzliche Wärmeeintrag kann sowohl nach einem Kaltstart als auch im Teillastbetrieb erfolgen und so einerseits eine rasche Aufheizung ermöglichen und andererseits das Auskühlen im Betrieb verhindern . Bei Voll last oder volllast -nahen Betriebszuständen der Brennkraft maschine kann der Heizkatalysator 2 abgeschaltet werden .
Anhand der Figur 2 wird ein zweites Ausführungsbeispiel einer erf indungsgemäß verwendbaren Abgasnachbehandlungseinrichtung näher erläutert . Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Bestandteile der Erf indung , sodass die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränkt ist . Figur 2 zeigt einen Oxidationskatalysator 11 , welcher dazu eingerichtet ist , oxidierbare Bestandteile des Rohabgases nachzuoxidieren, beispielsweise CO und/oder CHX . Stromabwärts des Oxidationskatalysators bef indet sich ein Partikelf ilter 12 , wie vorstehend beschrieben . Stromabwärts des Partikelf ilters 12 bef indet sich ein SCR- System, welches insbesondere der Reduktion von NOX dient .
Im dargestellten Ausführungsbeispiel bef indet sich der Heiz katalysator 2 vor dem Oxidationskatalysator 11 und nach der Brennkraftmaschine 15 . Bei Betrieb wird dem Heizkatalysator 2 somit ein Teilstrom des nicht vorgereinigten Rohabgases der Brennkraftmaschine 15 zugeführt .
Weiter zeigt Figur 11 drei Temperatursensoren 111 , 112 und 132 . Die Temperatursensoren messen die Abgastemperatur am Eintritt in den Oxidationskatalysator , am Austritt aus dem Oxidationskatalysator und am Austritt aus dem SCR- System . Diese drei Temperatursensoren sind lediglich beispielhaft zu verstehen . In anderen Ausführungsformen der Erf indung kann die Anzahl verwendeter Temperatursensoren größer oder auch geringer sein . Fallweise kann auch überhaupt kein Temperatursensor verwendet werden, wie vorstehend anhand der Figur 1 beschrieben . In diesem Fall können die Temperaturen aus dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine bestimmt werden, beispielsweise mit einem referenzgeregelten Synthetisierer .
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in Figuren 1 und 2 gezeigten Abgasnachbehandlungseinrichtungen 1 lediglich beispielhaft zu verstehen sind . In anderen Ausführungsformen der Erf indung können andere Komponenten eingesetzt werden, beispielweise Dreiwegekatalysatoren oder Speicherkatalysatoren . Ebenso können einzelne Komponenten entfallen . Erf indungswesentlich ist lediglich, dass zumindest eine Komponente 11 , 12 , 13 in der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 vorhanden ist .
Die Aufgabe der Erf indung besteht darin, die Betriebs temperatur zumindest einer Komponente 11 , 12 , 13 rasch zu erreichen und/oder bei niedrigen Abgastemperaturen der Brennkraftmaschine 15 , welche insbesondere im unteren Teillastbereich auf treten können, aufrecht zu erhalten . Eine Abgastemperatur vor und/oder hinter der Komponente kann entweder , wie in Figur 2 gezeigt , gemessen oder aus dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine bestimmt werden . Auch in diesem zweiten Fall wird die Temperatur für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung als „Messwert" bezeichnet , auch wenn diese nicht unmittelbar gemessen wurde , beispiels weise durch ein Thermoelement oder ein Widerstandsthermometer .
Aus dem Messwert der Temperatur , dessen Abweichung zu einem vorgebbaren Sollwert , der Wärmekapazität der Abgasleitung und vorgeschalteter Komponenten der Abgasnachbehandlungsein- richtung und dem Wärmeverlust oder -gewinn des Rohabgases auf seinem Weg durch die Abgasnachbehandlungseinrichtung ergibt sich eine erforderliche thermische Leistung des Heiz katalysators 2 als Stellgröße . Diese Stellgröße kann durch die dem Heizkatalysator 2 zugeführte Kraf tstof fmenge sowie die dem Heizkatalysator zugeführte Abgasmenge und fallweise der dem Heizkatalysator zugeführten elektrischen Energie als Führungsgrößen beeinf lusst werden . Die Führungsgrößen hängen wiederum vom Sauerstof f gehalt des Rohabgases , der Abgas temperatur und dem Abgasmassenstrom des Rohabgases der Brennkraftmaschine 15 ab . Das in Figur 3 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Steuer- oder Regeleinrichtung 3 verwendet daher ein Heizkatalysatorkennfeld 35 . Dem Heiz katalysatorkennfeld 35 werden die gemessenen oder über einen ersten referenzgeregelten Synthetisierer aus den Daten der Motorsteuerung 16 bestimmten Temperaturen und der Sauerstof fgehalt des Rohabgases zugeführt . Ebenso werden der Steuer- oder Regeleinrichtung 3 optional aus der Motorsteuerung 16 ausgelesene Messwerte über eine digitale Datenverbindung 351 zugeführt . Sodann kann die Steuer- oder Regeleinrichtung 3 unter Zuhilfenahme des Heizkatalysatorkennfeldes 35 die Führungsgrößen ablesen und einstellen .
In einigen Ausführungsformen der Erf indung können neben den Daten der Motorsteuerung 16 der Steuer- oder Regeleinrichtung 3 weitere Daten zur Verfügung gestellt werden, welche sodann kennfeldgesteuert oder auch durch Berechnung die Führungsgrößen des Heizkatalysators 2 rascher oder mit größerer Genauigkeit kontrollieren kann . Diese weiteren Daten können ausgewählt sein aus einem Fahrprof il und/oder einem Navigationsziel und/oder Positionsdaten und/oder dem Ladezustand einer Batterie . So kann beispielsweise die Heizleistung des Heizkatalysators 2 bereits proaktiv reduziert werden, wenn bekannt ist , dass das Fahrzeug in Kürze eine Steigung hinauf fährt und hierdurch ein größerer und auch heißerer Abgasmassenstrom des Rohabgases aus der Brennkraftmaschine zur Verfügung steht . Ebenso kann der Heizkatalysator bereits am Ende einer Steigung proaktiv aktiviert werden, um einen Temperaturabfall der Komponente der Abgasnachbehandlungseinrichtung zu vermeiden oder zu reduzieren, welcher sich daraus ergibt , dass die Brennkraft maschine bei Bergabfahrt nur noch im Teillastbetrieb oder sogar im Schubbetrieb arbeitet . In gleicher Weise können Positionsdaten dazu verwendet werden, einen Grundlastbereich des Heizkatalysators 2 festzulegen, da beispielsweise innerorts eine niedrigere mittlere Last der Brennkraft maschine 15 erwartet werden kann als bei Autobahnfahrt . Ebenso kann der Betrieb des Fahrzeuges innerorts auf eine höhere Dynamik hinweisen, wohingegen bei Überlandfahrt eine gleichmäßigere Lastanforderung an die Brennkraftmaschine 15 gestellt wird . Schließlich kann auch ein Navigationsziel zur Steuerung des Heizkatalysators 2 herangezogen werden, beispielsweise indem das Regenerieren eines Partikelf ilters 12 kurz vor Erreichen des Fahrziels unterbunden oder bis zum Erreichen der Stadtgrenze auf geschoben wird .
Figur 4 zeigt ein Struktogramm einer ersten Ausführungsform des erf indungsgemäßen Verfahrens . In der ersten Ausführungs form kann der Heizkatalysator 2 in sieben verschiedenen Betriebszuständen betrieben werden, welche mit den Bezugs zif fern 51 bis 57 bezeichnet sind . Die Verfahrensführung gemäß Figur 4 ist nicht dahingehend zu verstehen, dass die sieben Betriebszustände zwingend sequenziell durchlaufen werden . Vielmehr wird zumindest eine Temperatur nach einem Oxidationskatalysator bestimmt , entweder unmittelbar durch Messung oder mittelbar aus dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine . In Abhängigkeit der Temperatur und optional weiterer Parameter , beispielsweise der Betriebsdauer der Brennkraftmaschine , wird sodann einer der dargestellten Betriebszustände des Heizkatalysators 2 ausgewählt . Verändert sich die Temperatur am Ausgang des Oxidations katalysators , sodass der anliegende Betriebszustand nicht mehr angemessen ist , wechselt die Steuer- oder Regeleinrichtung in Abhängigkeit der Temperatur in einen anderen Betriebszustand . Dabei kann eine Hysterese genutzt werden, um häuf ige Wechsel des Betriebszustandes des Heizkatalysators 2 zu vermeiden . Nachfolgend werden die einzelnen Betriebszustände näher erläutert .
Der erste Betriebszustand 51 bezeichnet den Start des Heiz katalysators . Hierzu kann der Heizkatalysator zunächst unter Zufuhr eines Abgasmassenstromes mit einer optionalen elektrischen Heizeinrichtung vorgewärmt werden, bis zugeführter Kraftstof f am Heizkatalysator exotherm umgesetzt wird und den Heizkatalysator weiter bis auf seine Betriebs temperatur heizt .
Im zweiten Betriebszustand 52 wird dem Heizkatalysator ein vergleichsweise großer Abgasmassenstrom von beispielsweise etwa 60 kg/h bis etwa 100 kg/h zugeführt . Der Heizkatalysator wird mit Luftzahl Ä zwischen etwa 0 , 75 und etwa 3 , 5 oder zwischen etwa 1 , 5 und etwa 2 , 5 betrieben . Dies führt zu einer nahezu vollständigen Umsetzung des zugeführten Kraftstof fes mit dem Restsauerstof f des dem Heizkatalysator 2 zugeführten Abgases , wobei der Heizkatalysator in einigen Ausführungsformen eine thermische Leistung von etwa 5 kW bis etwa 20 kW in Form eines Heißgases abgeben kann .
Der dritte Betriebszustand 53 bezeichnet einen Wechselbetrieb , bei welchem zwischen einem ersten Teilschritt 53a und einem zweiten Teilschritt 53b zyklisch geschaltet wird . Im ersten Teilschritt 53a entsprechen die Betriebsbedingungen in etwa dem Betrieb im zweiten Verfahrensschritt 52 . Im zweiten Teilschritt 53b wird der Abgasmassenstrom um einen Faktor 10 bis 25 reduziert , auf beispielsweise etwa 3 kg/h bis etwa 10 kg/h, sodass der Heizkatalysator mit einer Luftzahl /. zwischen etwa 0 , 05 und etwa 0 , 5 oder zwischen etwa 0 , 1 und etwa 0 , 4 betrieben wird . Im zweiten Teilschritt 53b wird somit der zugeführte Kraftstof f nicht vollständig umgesetzt , sondern teilweise verdampft und teilweise in ein Synthesegas umgewandelt , welches über die Abgasleitung dem Oxidationskatalysator zugeführt wird . Durch die im ersten Teilschritt 53a zugeführte Wärme kann sich das Synthesegas am Oxidations katalysator entzünden und dort exotherm umgesetzt werden, sodass eine Heizleistung von etwa 13 kW bis etwa 20 kW unmittelbare am Oxidationskatalysator freigesetzt wird .
Der vierte Verfahrensschritt 54 ist dem zweiten Teilschritt 53b des dritten Verfahrensschritts 53 ähnlich . Jedoch ist der dem Heizkatalysator zugeführte Abgasteilstrom größer und kann zwischen etwa 5 kg/h und etwa 20 kg/h betragen . Die Regelung kann dergestalt erfolgen, dass ein vorgebbarer Anteil des Rohabgases durch den Heizkatalysator geführt wird . Beispielsweise können etwa 2 % und etwa 10 % oder zwischen etwa 3 % und etwa 8 % des Abgasstromes der Brennkraftmaschine als Teilstrom dem Heizkatalysator 2 zugeführt werden . Der Heizkatalysator kann im vierten Betriebszustand 54 eine thermische Leistung von etwa 10 kW bis etwa 50 kW oder von etwa 14 kW bis etwa 36 kW in Form eines zündfähigen Synthesegases in den Oxidationskatalysator 11 einbringen .
Der vierte Betriebszustand 54 eignet sich daher insbesondere zum raschen Aufheizen der Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem Kaltstart und nachdem der Heizkatalysator im ersten Verfahrensschritt 51 gestartet wurde und eine gewisse Vorkonditionierung der Abgasnachbehandlungseinrichtung in den zweiten und dritten Verfahrensschritten 52 und 53 erfolgt ist .
Nach Aufheizung der Abgasnachbehandlungseinrichtung auf eine vorgebbare Solltemperatur kann der Heizkatalysator 2a im fünften Verfahrensschritt 55 gereinigt werden . Hierzu wird der zugeführte Teilstrom wieder erhöht , auf beispielsweise etwa 50 kg/h bis etwa 100 kg/h . Die zugeführte Kraftstof f menge kann gegenüber dem zweiten Verfahrensschritt 52 reduziert sein, sodass die im Heizkatalysator 2 freigesetzte Wärme primär dafür verwendet wird, verbleibende Ablagerungen und Restkraftstof f zu oxidieren und zu verdampfen, um dauerhafte Ablagerungen und Verschmutzungen im Heizkatalysator 2 zu vermeiden .
Der sechste Verfahrensschritt 56 eignet sich für einen Warmhaltebetrieb , beispielsweise wenn die Brennkraftmaschine 15 im tiefen Teillastbereich nur niedrige Abgastemperaturen erzeugt oder der Brennkraftmaschine im Schubbetrieb überhaupt kein Kraftstof f zugeführt wird . Im sechsten Verfahrensschritt 56 kann die thermische Leistung des Heiz katalysators zwischen etwa 0 kW und etwa 10 kW betragen . Hierfür wird dem Heizkatalysator 2 ein vergleichsweise kleiner Teilstrom von etwa 5 kg/h bis etwa 50 kg/h des Rohabgases zugeführt , während der Heizkatalysator mit einer Luftzahl Ä zwischen etwa 0 , 75 und etwa 3 , 5 oder zwischen etwa 1 , 5 und etwa 2 , 5 betrieben wird .
Wenn der Heizkatalysator 2 bei hohen Abgastemperaturen dauerhaft nicht benötigt wird, kann dieser im siebten Verfahrensschritt 57 auch abgeschaltet werden . In diesem Fall wird dem Heizkatalysator 2 kein Kraftstof f zugeführt , sodass dieser selbst für den Fall , dass der Heizkatalysator aufgrund seiner Einbausituation dauerhaft von einem Teil - strom des Abgases durchströmt wird, keine Wärme abgibt .
In einigen Ausführungsformen der Erf indung werden die Verfahrensschritte 51 , 52 , 53 und 54 nach einem Kaltstart zyklisch durchlaufen, wobei j eweils beim Erreichen vorgebbarer Temperaturschwellen in den nächsten Betriebszustand umgeschaltet wird . Bei dauerhaftem Betrieb der Brennkraft maschine kann dann in Abhängigkeit der Abgastemperatur bzw . der Abweichung des Temperatursollwertes des Oxidations katalysators vom I stwert zwischen den Betriebszuständen 54 , 55 , 56 und 57 geschaltet werden . Die Temperaturgrenzwerte zwischen den einzelnen Betriebszuständen können mit einer Hysterese versehen sein, um häuf ige unerwünschte Wechsel des Betriebszustandes zu vermeiden . Anhand der Figur 5 wird ein Struktogramm einer zweiten Aus führungsform des erf indungsgemäßen Verfahrens näher erläutert . Gleiche Bestandteile der Erf indung bzw . gleiche Betriebszustände sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränkt . Nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine bzw . des damit versehenen Fahrzeuges wird der Heizkatalysator im ersten Verfahrensschritt 51 gestartet .
Sobald der Heizkatalysator 2 seine Betriebsbereitschaft erreicht hat , prüft die Steuer- oder Regeleinrichtung , ob die Abgastemperaturen vor und nach dem Oxidationskatalysator 11 oberhalb vorgebbarer Grenzwerte liegen und ob der Abgas massenstrom des Rohabgases einen vorgebbaren Mindestwert überschreitet . I st dies der Fall , kann unmittelbar der vierte Betriebszustand mit vergleichsweise geringem Teilstrom und niedriger Luftzahl angefahren werden, welcher eine rasche Aufheizung des Oxidationskatalysators ermöglicht . I st dies nicht der Fall , wird die Komponente der Abgasnachbehandlungseinrichtung zunächst im katalytischen Brennerbetrieb gemäß dem zweiten Betriebszustand 52 vorgeheizt .
Sobald die im vierten Verfahrensschritt 54 erzeugte Wärmefront alle Komponenten der Abgasnachbehandlungseinrichtung durchdrungen hat und auch der Temperatursensor 132 am Ausgang des SCR- Systems einen Wert oberhalb eines vorgebbaren Grenzwertes erfasst , wird der Heizkatalysator 2 in einen Warmhaltebetrieb gemäß dem vorstehend beschriebenen sechsten Betriebszustand 56 versetzt .
Die Verfahrensführung gemäß Figur 5 unterscheidet von der vorangegangenen Regelung primär dadurch, dass die Steueroder Regeleinrichtung 3 des Heizkatalysators 2 die Betriebsdaten aus der Motorsteuerung 16 der Brennkraft maschine 15 ausliest sowie ggf . weitere Daten, wie beispielsweise die verbleibende Fahrstrecke , die Topographie und die Straßenklasse dazu nutzt , die erforderliche thermische Leistung des Heizkatalysators 2 vorausschauend zu bestimmen und anhand der gegenwärtigen und/oder zukünftigen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine unter Verwendung des Heizkatalysatorkennfeldes 35 die j eweils optimalen Werte für den Teilstrom und die Kraf tstof fmenge des Heizkatalysators 2 einstellt . Auf diese Weise können Totzeiten des Regelkreises eliminiert werden, sodass die Sollwerte der Temperatur der Komponente der Abgasnachbehandlung schneller erreicht werden können oder die I st -Temperatur in geringerem Maße schwankt .
Figur 6 zeigt die Anwendung des erf indungsgemäßen Verfahrens in einem ersten Ausführungsbeispiel einer mehrstuf igen Regelung gemäß Figur 4 . Dargestellt ist in Figur 6 a) der Abgasmassenstrom eines Rohabgases in Kurve A auf der linken Ordinate und der Sauerstof f gehalt des Abgases in Kurve B auf der rechten Ordinate gegen die Zeit in Sekunden . Figur 6 b) zeigt auf der gleichen Zeitachse die Temperatur des Temperatursensors 12 hinter dem Oxidationskatalysator 11 auf der rechten Ordinate in Kurve C sowie die Ausgangsleistung des Heizkatalysators in Kurve D auf der linken Ordinate . Dargestellt sind in Figur 6 b) Messwerte für einen Sollwert von 400 ° C . Figur 6 c ) zeigt ähnliche Messwerte wie Figur 6 b) , j edoch für einen Sollwert von 280 ° C .
Wie aus Figur 6 ersichtlich ist , ist die Ausgangsleistung der Brennkraftmaschine 15 im dargestellten Ausschnitt aus einem WHTC- Zyklus zeitlich nicht konstant , sondern vielmehr hochdynamisch . Dementsprechend ändert sich auch der Abgas massenstrom und der Sauerstof f gehalt des Abgases innerhalb weniger Sekunden . Wie Figuren 6 b) und 6 c ) j eweils zeigen, kann der Heizkatalysator 2 mit der erf indungsgemäßen Steueroder Regeleinrichtung sehr rasch geregelt werden, sodass der Wärmeeintrag durch den Heizkatalysator den schwankenden Wärmeeintrag durch die Brennkraftmaschine weitgehend kompensiert , sodass die Ausgangstemperatur hinter dem Oxidationskatalysator 11 nur in geringem Maße schwankt . Der Oxidationskatalysator 11 ist daher auch im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine stets einsetzbar . Ein Emissions schlupf tritt nicht auf .
Anhand der Figur 7 wird die Anwendung des erf indungsgemäßen Verfahrens in einem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben, nämlich der Regeneration eines Partikelf ilters 12 . Dargestellt ist in Figur 7 a) der Abgasmassenstrom in Kurve A . Figur 7 b) zeigt in Kurve F die Abgastemperatur des Rohabgases hinter der Brennkraftmaschine . In Kurve C ist die Temperatur am Ausgang des Oxidationskatalysators bzw . am Eingang des Partikelf ilters dargestellt . Figur 7 c ) zeigt in Kurve E den CO-Gehalt des Rohabgases und in Kurve G den Gehalt an CHX .
Zur Regeneration des Partikelf ilters 12 werden hohe Abgastemperaturen benötigt , um die eingelagerten Partikel zu oxidieren und gasförmig aus dem Partikelf ilter 12 auszutragen . Hierzu wird nach dem Stand der Technik die Abgas temperatur durch innermotorische Maßnahmen angehoben, was zu schlechten Verbrauchs - und Emissionswerten während der Regenerierung führt .
Wie Figur 7 zeigt , führt das Einschalten des Heizkatalysators 2 nach etwa 60 Sekunden zu einem raschen Anstieg der Abgas temperatur von etwa 200 ° C auf etwa 600 ° C . Die Abgas - temperatur wird vom Heizkatalysator trotz dynamischer Lastanf orderung an die Brennkraftmaschine und dement sprechend zeitlich schwankenden Abgasmassenstrom des Rohabgases innerhalb eines engen Temperaturbereiches konstant gehalten . Wie die Kurven E , F und G zeigen, sind weitere innermotorische Maßnahmen zur Regeneration nicht erforderlich, d . h . die Temperatur des Rohabgases bleibt zu j eder Zeit unter 250 ° C . Ebenso sind die in Kurve E und G gezeigten Schadstof femissionen während dem Regenerieren des Partikelf ilters , anders als nach dem Stand der Technik , nicht erhöht .
Selbstverständlich ist die Erf indung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt . Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen . Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erf indung vorhanden ist . Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus . Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „ erste" und „ zweite" Ausführungsformen def inieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Aus führungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen .

Claims

25
Ansprüche Verfahren zum Wärmeeintrag in zumindest eine Komponente (11, 12, 13) einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) einer Brennkraftmaschine (15) , bei welchem ein Teilstrom eines Abgasstromes mit Kraftstoff in einem Heizkatalysator (2) zumindest teilweise umgesetzt und dem Abgasstrom wieder zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Heizkatalysator (2) zugeführte Kraf tstof fmenge und/oder der dem Heizkatalysator (2) zugeführte Teilstrom in Abhängigkeit der Abgastemperatur vor und/oder hinter der Komponente (11, 12, 13) gesteuert oder geregelt wird, wobei die dem Heizkatalysator (2) zugeführte Kraftstoffmenge und/oder der dem Heizkatalysator (2) zugeführte Teilstrom mittels zumindest eines Heizkatalysatorkennfeldes (35) bestimmt wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgastemperatur vor und/oder hinter der Komponente (11, 12, 13) mit zumindest einem Temperatursensor (111, 112, 132) erfasst wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgastemperatur vor und/oder hinter der Komponente (11, 12, 13) aus dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine (15) bestimmt wird. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebszustand der Brennkraftmaschine aus aktuell anliegenden Kennfeldwerten oder Kennfeldbereichen der Motorsteuerung (16) bestimmt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dassdie Eingangsgrößen (351) des Heizkatalysatorkennfeldes (35) ausgewählt sind aus dem Abgasmassenstrom der Brennkraftmaschine und/oder dem Sauerstoff gehalt des Rohabgases der Brennkraftmaschine und/oder zumindest einer Abgas emperatur und/oder einem Fahrprofil und/oder einem Navigationsziel und/oder Positionsdaten und/oder dem Ladezustand von zumindest einer Batterie. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasmassenstrom der Brennkraftmaschine (2) und/oder der Sauerstoff gehalt des Rohabgases der Brennkraftmaschine und/oder zumindest eine Abgastemperatur mit einem ersten referenzgeregelten Synthetisierer bestimmt werden . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Heizkatalysator (2) abgegebene thermische Leistung aus der dem Heizkatalysator (2) zugeführten Kraf tstof fmenge und/oder dem dem Heizkatalysator (2) zugeführten Teilstrom mittels eines zweiten referenzgeregelten Synthetisierers bestimmt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkatalysator (2) zumindest einen zweiten Betriebszustand (52) aufweist, bei welchem die Luftzahl Ä des Heizkatalysators (2) zwischen etwa 0,75 und etwa 30 oder zwischen etwa 1,0 und etwa 10 beträgt und der Heizkatalysator (2) zumindest einen vierten Betriebszustand (54) aufweist, bei welchem die Luftzahl Ä des Heizkatalysators (2) zwischen etwa 0,05 und etwa 0,7 beträgt . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilstrom zwischen etwa 3 kg/h und etwa 100 kg/h oder zwischen etwa 6 kg/h und etwa 80 kg/h gewählt ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkatalysator (2) zumindest eine elektrische Heizeinrichtung enthält, welche in einem ersten Betriebszustand dazu verwendet wird, den Heizkatalysator () auf eine Betriebstemperatur zu bringen, bei welcher zugeführter Kraftstoff am Heizkatalysator (2) zumindest teilweise umgesetzt werden kann und/oder dass der Heizkatalysator (2) zumindest eine elektrische Heizeinrichtung enthält, welche in einem achten Betriebszustand dazu verwendet wird, einen dem Heizkatalysator (2) zugeführten Teilstrom des Rohabgases der Brennkraftmaschine (15) zu erwärmen. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (11, 12, 13) ausgewählt ist aus einem Oxidationskatalysator (11) und/oder einem Dreiwegekatalysator und/oder einem SCR-Katalysator (13) und/oder einem Partikelfilter (12) . Datenträger mit darauf gespeicherten Daten oder Daten repräsentierende, zur Übertragung über ein Computernetzwerk geeignete Signalfolge, wobei die Daten ein Computerprogramm repräsentieren, welches ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchführt, wenn das Computerprogramm auf einem Mikroprozessor ausgeführt wird. Steuer- oder Regeleinrichtung (3) , welche dazu eingerichtet ist ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchzuführen.
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