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DE102018218200B4 - Verfahren zum Betreiben eines Abgassystems eines Verbrennungsmotors, Abgassystem sowie Kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren zum Betreiben eines Abgassystems eines Verbrennungsmotors, Abgassystem sowie Kraftfahrzeug Download PDF

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DE102018218200B4
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Mario Balenovic
Martina Reichert
Jos van de Venne
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Ford Global Technologies LLC
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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Abgassystems (1) eines Verbrennungsmotors (2) mit einem in einem ersten Regelkreis RK1 angeordneten LNT-Katalysator (3) und einer in einem zweiten Regelkreis RK2 angeordneten Energiespeichereinrichtung (4), die zur Versorgung einer elektrischen Heizeinrichtung (5) mit elektrischem Strom ausgebildet ist, wobei im ersten Regelkreis RK1 ein Stickoxidspeicherzustand SSZ des LNT-Katalysators (3) und im zweiten Regelkreis RK2 ein Ladezustand LZ der Energiespeichereinrichtung (4) geregelt werden und wobei der erste und der zweite Regelkreis RK1, RK2 miteinander verknüpft sind, aufweisend:- Ermitteln des Stickoxidspeicherzustands SSZ im ersten Regelkreis RK1,- Verwenden des ermittelten Stickoxidspeicherzustands SSZ als Eingangsgröße für eine Steuerung eines unteren Sollwerts für den Ladezustand USWLder Energiespeichereinrichtung (4) im zweiten Regelkreis RK2, wobei der ermittelte Stickoxidspeicherzustand SSZ mit einem Minimalwert für den Stickoxidspeicherzustand SSZminverglichen wird, bei einem Unterschreiten des Minimalwerts für den Stickoxidspeicherzustand SSZminder untere Sollwert für den Ladezustand USWLerhöht oder bei einem erhöhten Wert belassen wird und bei einem Erreichen oder Überschreiten des Minimalwerts für den Stickoxidspeicherzustand SSZminder untere Sollwert für den Ladezustand USWLverringert oder bei einem verringerten Wert belassen wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Betreiben eines Abgassystems eines Verbrennungsmotors, Abgassysteme sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Abgassystem.
  • Idealerweise sollen Systeme zur Nachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors unter allen möglichen Betriebssituationen voll funktionstüchtig sein, um die Emission von Luftschadstoffen möglichst gering zu halten und gesetzliche Vorgaben zur Schadstoffemission einhalten zu können.
  • Als problematisch stellt sich insbesondere eine Kaltstartphase des Verbrennungsmotors da. In der aufgrund der niedrigen Abgastemperaturen die Light-Off-Temperatur der Katalysatoren im Abgasnachbehandlungssystem noch nicht erreicht ist und eine katalytische Umwandlung folglich nicht oder nur eingeschränkt erfolgen kann.
  • Um die Emission von Luftschadstoffen, insbesondere Stickoxiden, in der Kaltstartphase zu minimieren, werden derzeit zwei verschiedene Strategien genutzt. Zum einen kann der Katalysator oder das den Katalysator erreichende Abgas elektrisch beheizt werden ( DE 10 2008 023 394 A1 ) und zum anderen kann ein Stickoxidspeicherkatalysator, auch als LNT-Katalysator bezeichnet (engl. lean oxide trap, dt. Magerstickoxidfalle), genutzt werden, um Stickoxide zeitweise zu speichern und so aus dem Abgas für eine bestimmte Zeitdauer zu entfernen.
  • Nachteilig an einer elektrischen Beheizung ist jedoch der zusätzliche Energiebedarf, während ein LNT-Katalysator nur eine begrenzte Menge an Stickoxiden speichern kann, bevor eine sog. Regeneration des LNT-Katalysators, erforderlich ist, bei der die gespeicherten Stickoxide zu ungiftigen Substanzen reduziert und wieder in den Abgasstrom abgegeben werden.
  • Trotz dieser beiden Strategien, die auch in Kombination verwendet werden können, ist es derzeit noch nicht möglich, Stickoxide unter allen Betriebssituationen soweit aus dem Abgas zu entfernen, dass gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte eingehalten werden können und die Umweltbelastung gering ist.
  • Eine solche Betriebssituation kann beispielsweise in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors auftreten, in der einerseits die Speicherkapazität des LNT-Katalysators erschöpft ist und folglich keine weiteren Stickoxide mehr gespeichert werden können und in der andererseits der Ladezustand der Batterie so gering ist, dass elektrischer Strom zur Beheizung des Abgases bzw. Katalysators nicht mehr ausreichend zur Verfügung gestellt werden kann.
  • Aus der US 2018/ 0 281 774 A1 ist ein Abgassteuersystem für ein Hybridfahrzeug mit einem LNT-Katalysator und einer elektronische Steuereinheit bekannt. Bei ausreichendem Ladezustand der Batterie steuert die Steuereinheit den Verbrennungsmotor während der Regeneration des LNT-Katalysators derart, dass die Motordrehzahl verringert wird. Der Elektromotor wird dabei derart gesteuert, dass das erforderliche Drehmoment ausgeglichen wird. Ist der Ladezustand der Batterie hingegen gering, wird die Regeneration des LNT-Katalysators bei normalem Betreib des Verbrennungsmotors durchgeführt.
  • Die DE 10 2016 219 038 A1 schlägt ein Verfahren zum Steuern einer Abgasreinigungsanlage in einem Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, einem Abgastrakt, mindestens einem LNT-Katalysator, mindestens einer Batterie und mindestens einer Heizeinrichtung im Abgastrakt vor. Es sind folgende Verfahrensschritte vorgesehen: Betreiben des Verbrennungsmotors, Ermitteln der Temperatur des LNT-Katalysators, Ermitteln des Ladezustands der Batterie, Einschalten der elektrischen Heizeinrichtung zum Erwärmen des LNT-Katalysators, solange der Ladezustand der Batterie über einem ersten vorbestimmten Niveau und die Temperatur des LNT-Katalysators unter einem Schwellenwert liegen, Erhöhen des Drehmoments des Verbrennungsmotors, solange der Ladezustand der Batterie unter einem zweiten vorbestimmten Niveau liegt, Starten einer Regeneration des LNT-Katalysators und Abschalten der elektrischen Heizeinrichtung, wenn die Temperatur des LNT-Katalysators einen vorbestimmten Wert erreicht hat. Die US 2007/ 0 205 028 A1 offenbart ein Hybridfahrzeugantriebssystem mit einem Verbrennungsmotor, einem LNT-Katalysator und einer Energiespeichervorrichtung. Der Verbrennungsmotor wird bei geringem Ladezustand der Energiespeichervorrichtung in einem Funkenzündungsmodus und bei höherem Ladezustand im Selbstzündungsmodus betrieben. Hierbei kann der Stickoxidspeicherzustand des LNT-Katalysators berücksichtigt werden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, Möglichkeiten anzugeben, mit denen die zuvor genannten Nachteile behoben werden können. Insbesondere soll die Emission von Stickoxiden in einer Kaltstartphase eines Verbrennungsmotors zuverlässig reduziert werden.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Grundgedanke der Erfindung ist es, den Parameter „Ladezustand“ der Energiespeichereinrichtung, die elektrischen Strom für eine elektrische Beheizung, z. B. des Katalysators und/oder des Abgases, bereitstellt, mit dem Parameter „Stickoxidspeicherzustand“ des LNT-Katalysators zu verknüpfen.
  • Dadurch kann verhindert werden, dass bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors weder ausreichend Stickoxide gespeichert werden können, noch elektrischer Strom für die Beheizung des Katalysators und/oder Abgases zur Verfügung gestellt werden kann.
  • Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Abgassystems eines Verbrennungsmotors mit einem in einem ersten Regelkreis angeordneten LNT-Katalysator und einer in einem zweiten Regelkreis angeordneten Energiespeichereinrichtung, die zur Versorgung einer elektrischen Heizeinrichtung mit elektrischem Strom ausgebildet ist, werden im ersten Regelkreis ein Stickoxidspeicherzustand des LNT-Katalysators und im zweiten Regelkreis ein Ladezustand der Energiespeichereinrichtung geregelt, wobei der erste und der zweite Regelkreis miteinander verknüpft sind.
  • Unter einem Verbrennungsmotor, teilweise auch als Brennkraftmaschine bezeichnet, ist eine Verbrennungskraftmaschine zur Umwandlung von im Kraftstoff enthaltener chemischer Energie in mechanische Arbeit zu verstehen. Während des dafür nötigen Verbrennungsvorgangs wird Abgas gebildet. Der Verbrennungsmotor kann beispielsweise als selbstzündender oder fremdgezündeter Verbrennungsmotor ausgebildet sein. Als Kraftstoff kann beispielsweise Motorbenzin oder Diesel genutzt werden.
  • Zusätzlich zum Verbrennungsmotor kann eine Elektromaschine vorhanden sein, die wahlweise als Elektromotor oder als Generator betrieben werden kann. Verbrennungsmotor und Elektromaschine können zusammen einen Hybridantrieb bilden.
  • Das Abgassystem wird durch eine Abgasleitung gebildet, die vom Abgas durchströmt wird und in der Katalysatoren, Filter, Sensoren etc. angeordnet sind, so dass die Katalysatoren, Filter, Sensoren etc. ebenfalls vom Abgas durch- bzw. umströmt werden können und das Abgas nachbehandelt werden kann. Angegebene Strömungsrichtungen beziehen sich auf die Strömungsrichtung des Abgases vom Verbrennungsmotor in Richtung Auspuff.
  • Bei dem LNT-Katalysator handelt es sich wie eingangs beschrieben um einen Stickoxidspeicherkatalysator, der entsprechend seiner Stickoxidspeicherkapazität Stickoxide speichern kann. Ist die Stickoxidspeicherkapazität erschöpft, muss der LNT-Katalysator regeneriert werden, z. B. indem dem LNT-Katalysator unverbrannter oder teilweise verbrannter Kraftstoff als Reduktionsmittel zugeführt wird.
  • Der Stickoxidspeicherzustand SSZ des LNT-Katalysators gibt an, wie viel der Stickoxidspeicherkapazität noch genutzt werden kann, d. h. wie viele Stickoxide noch gespeichert werden können. Der Stickoxidspeicherzustand SSZ kann beispielsweise die noch nutzbare Stickoxidspeicherkapazität prozentual ausdrücken. Ein geringer Stickoxidspeicherzustand SSZ von z. B. 20 % bedeutet demnach, dass nur noch wenige Stickoxide gespeichert werden können und z. B. nur noch 20 % der ursprünglichen Stickoxidspeicherkapazität zur Verfügung stehen. Umgekehrt bedeutet ein hoher Stickoxidspeicherzustand SSZ von z. B. 90 % demnach, dass noch ausreichend Stickoxide gespeichert werden können und z. B. noch 90 % der ursprünglichen Stickoxidspeicherkapazität zur Verfügung stehen.
  • Der Stickoxidspeicherzustand SSZ wird mittels des ersten Regelkreises geregelt. Dazu wird der aktuelle Stickoxidspeicherzustand SSZ als Istwert ermittelt und mit einem unteren Sollwert für den Stickoxidspeicherzustand USWs verglichen. Unterschreitet der aktuelle Stickoxidspeicherzustand SSZ den unteren Sollwert für den Stickoxidspeicherzustand USWs, können nicht mehr ausreichend Stickoxide gespeichert werden und eine Regeneration des LNT-Katalysators wird eingeleitet. Die Regelung des ersten Regelkreises kann entsprechend als Zweipunktregelung ausgeführt sein, wobei bei einem Unterschreiten des unteren Sollwerts für den Stickoxidspeicherzustand USWs eine Regeneration des LNT-Katalysators durchgeführt wird und bei einem Erreichen oder Überschreiten des unteren Sollwerts für den Stickoxidspeicherzustand USWs weiterhin Stickoxide gespeichert werden können.
  • In einem zweiten Regelkreis ist eine Energiespeichereinrichtung, beispielsweise eine wiederaufladbare Batterie, angeordnet, deren Ladezustand LZ mittels des zweiten Regelkreises geregelt wird. Die Energiespeichereinrichtung kann beispielsweis als Bleiakkumulator oder als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgebildet sein. Die Energiespeichereinrichtung kann beispielsweise der vorstehend erwähnten Elektromaschine zugeordnet sein, so dass die Energiespeichereinrichtung mittels der als Generator wirkenden Elektromaschine aufgeladen und/oder mittels der als Elektromotor wirkenden Elektromaschine entladen werden kann.
  • Die Energiespeichereinrichtung die der Stromversorgung einer elektrischen Heizeinrichtung. Die elektrische Heizeinrichtung dient der Erwärmung von im Abgassystem angeordneten Katalysatoren. Hierfür kann beispielsweise ein Katalysator, z. B. ein SCR-Katalysator (SCR, engl. selective catalytic reduction, dt. selektive katalytische Reduktion), direkt und/oder indirekt erwärmt werden, indem die Heizeinrichtung den Katalysator direkt und/oder das dem Katalysator zugeführte Abgas erwärmt. Die Heizeinrichtung kann beispielsweise Teil eines sogenannten E-Katalysators sein.
  • Mittels der elektrischen Heizeinrichtung wird die Temperatur der Katalysatoren erhöht, so dass deren Light-Off-Temperatur schnell erreicht und im Abgas enthaltene Luftschadstoffe effektiv nachbehandelt werden können.
  • Der Ladezustand LZ der Energiespeichereinrichtung gibt an, wie viel elektrische Ladung noch gespeichert ist oder entnommen werden kann. Der Ladezustand LZ kann beispielsweise als Prozentsatz einer maximal möglichen zu speichernden Ladungsmenge ausdrücken. Ein geringer Ladezustand LZ von z. B. 20 % bedeutet demnach, dass nur noch wenig elektrische Ladung gespeichert ist und z. B. nur noch 20 % der ursprünglich gespeicherten elektrischen Ladung zur Verfügung stehen. Umgekehrt bedeutet ein hoher Ladezustand LZ von z. B. 90 % demnach, dass noch ausreichend elektrische Ladung gespeichert ist und z. B. noch 90 % der ursprünglich gespeicherten Ladungsmenge zur Verfügung stehen.
  • Der Ladezustand LZ wird mittels des zweiten Regelkreises geregelt, indem der aktuelle Ladezustand LZ als Istwert ermittelt und mit einem unteren Sollwert für den Ladezustand USWL verglichen wird. Unterschreitet der aktuelle Ladezustand den unteren Sollwert für den Ladezustand USWL, ist ein Wiederaufladen der Energiespeichereinrichtung erforderlich.
  • Erfindungsgemäß sind der erste und der zweite Regelkreis miteinander verknüpft. Beispielsweise kann der Istwert des Stickoxidspeicherzustands SSZ zur Festlegung des unteren Sollwerts für den Ladezustand USWL und/oder der Istwert des Ladezustands LZ zur Festlegung des unteren Sollwerts für den Stickoxidspeicherzustand USWs genutzt werden.
  • Hierdurch kann sichergestellt werden, dass zumindest entweder der Ladezustand LZ ausreichend für eine elektrische Beheizung ist oder der Stickoxidspeicherzustand SSZ eine ausreichende Speicherung von Stickoxiden zulässt. Folglich können im Abgas enthaltene Stickoxide ausreichend aus dem Abgas entfernt werden, indem sie entweder im LNT-Katalysator gespeichert oder im erwärmten Katalysator nachbehandelt werden. Die Emission von Luftschadstoffen, insbesondere Stickoxiden, in die Umgebung kann weitgehend vermieden werden und gesetzliche Vorgaben hinsichtlich der Schadstoffemission können eingehalten werden.
  • Weiterhin ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine optimale Nutzung der Energiespeichereinrichtung, da deren unterer Sollwert für den Ladezustand USWL nicht ständig, sondern nur im Bedarfsfall geändert wird. Tritt dieser Bedarfsfall nicht ein, kann die Energiespeichereinrichtung in einem größeren Bereich des Ladezustands LZ betrieben werden, so dass beispielsweise bei einem dem Verbrennungsmotor zugeordneten Elektromotor ein Antrieb über einen längeren Zeitraum mittels des Elektromotors erfolgen kann und folglich Kraftstoff zum Betreiben des Verbrennungsmotors eingespart werden kann.
  • Zudem kann eine Verwendung des Verbrennungsmotors zum Erwärmen der Katalysatoren, indem der Verbrennungsmotor entweder unter erhöhter Last zum Erhöhen der Abgastemperatur betrieben oder zum Antreiben der als Generator wirkenden Elektromaschine zur Stromversorgung der elektrischen Heizeinrichtung verwendet wird, vermieden werden. Beide Varianten würden nämlich einen erhöhten Kraftstoffverbrauch erfordern und folglich die Menge der zu behandelnden Stickoxide erhöhen.
  • Erfindungsgemäß weist das Verfahren ein Ermitteln des Stickoxidspeicherzustands SSZ im ersten Regelkreis auf, d. h. es wird der Istwert der Regelgröße Stickoxidspeicherzustand SSZ bestimmt. Der ermittelte Stickoxidspeicherzustand SSZ wird anschließend als Eingangsgröße für eine Steuerung eines unteren Sollwerts für den Ladezustand USWL im zweiten Regelkreis verwendet.
  • Mit anderen Worten kann der untere Sollwert für den Ladezustand USWL in Abhängigkeit des Stickoxidspeicherzustands SSZ festgelegt werden.
  • Der ermittelte Stickoxidspeicherzustand SSZ wird mit einem Minimalwert für den Stickoxidspeicherzustand SSZmin verglichen. Bei einem Unterschreiten des Minimalwerts für den Stickoxidspeicherzustand SSZmin wird der untere Sollwert für den Ladezustand USWL der Energiespeichereinrichtung im zweiten Regelkreis erhöht oder bei einem erhöhten Wert belassen und bei einem Erreichen oder Überschreiten des Minimalwerts für den Stickoxidspeicherzustand SSZmin wird der untere Sollwert für den Ladezustand USWL der Energiespeichereinrichtung im zweiten Regelkreis verringert oder bei einem verringerten Wert belassen.
  • Mit anderen Worten kann der untere Sollwert für den Ladezustand USWL erhöht und damit ein frühzeitigeres Laden der Energiespeichereinrichtung initiiert werden, falls der Stickoxidspeicherzustand SSZ den Minimalwert für den Stickoxidspeicherzustand SSZmin unterschreitet, d. h. nur noch wenig Stickoxide gespeichert werden können. Durch das frühzeitigere Laden der Energiespeichereinrichtung kann sichergestellt werden, dass ausreichend elektrischer Strom zur elektrischen Beheizung zur Verfügung gestellt und beispielsweise die Light-Off-Temperatur eines Katalysators, z. B. eines SCR-Katalysators, schnell erreicht werden.
  • Vorzugsweise ist der Minimalwert für den Stickoxidspeicherzustand SSZmin höher als der untere Sollwert des Stickoxidspeicherzustands USWs. Hierdurch kann eine Änderung des unteren Sollwerts für den Ladezustand USWL bei sinkenden Stickoxidspeicherzustand SSZ erfolgen, bevor bei Unterschreiten des unteren Sollwerts des Stickoxidspeicherzustands USWs eine Regeneration des LNT-Katalysators ausgelöst wird. Vorteilhaft wird dadurch einerseits eine zu häufige Regeneration des LNT-Katalysators vermieden und andererseits können die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verbundenen Vorteile realisiert werden.
  • Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren weist statt des Ermittelns des Stickoxidspeicherzustands SSZ im ersten Regelkreis und der nachfolgenden Verfahrensschritte ein Ermitteln des Ladezustands LZ der Energiespeichereinrichtung auf. Der Ladezustand LZ kann beispielsweise anhand eine elektrischen Spannung der Energiespeichereinrichtung bei definierter Belastung ermittelt werden. Der ermittelte Ladezustand LZ wird anschließend als Eingangsgröße für eine Steuerung eines unteren Sollwerts für den Stickoxidspeicherzustand USWs im ersten Regelkreis verwendet.
  • Mit anderen Worten kann der untere Sollwert für den Stickoxidspeicherzustand USWs in Abhängigkeit des Ladezustand LZ festgelegt werden.
  • Beispielsweise kann der ermittelte Ladezustand LZ mit einem Minimalwert für den Ladezustand LZmin verglichen werden. Bei einem Unterschreiten des Minimalwerts für den Ladezustand LZmin wird der untere Sollwert für den Stickoxidspeicherzustand USWs der Energiespeichereinrichtung im ersten Regelkreis erhöht oder bei einem erhöhten Wert belassen und bei einem Erreichen oder Überschreiten des Minimalwerts für den Ladezustand LZmin wird der untere Sollwert für den Stickoxidspeicherzustand USWs der Energiespeichereinrichtung im ersten Regelkreis verringert oder bei einem verringerten Wert belassen.
  • Mit anderen Worten kann der untere Sollwert für den Stickoxidspeicherzustand USWs erhöht und damit eine frühzeitigere Regeneration des LNT-Katalysators initiiert werden, falls der Ladezustand LZ den Minimalwert für den Ladezustand LZmin unterschreitet, d. h. nur noch wenig elektrischer Strom zur elektrischen Beheizung zur Verfügung gestellt werden kann und eine ausreichende Beheizung nicht mehr sichergestellt werden kann. Durch die frühzeitigere Regeneration des LNT-Katalysators kann sichergestellt werden, dass insbesondere nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors ausreichend Stickoxide gespeichert werden können.
  • Vorzugsweise ist der Minimalwert für den Ladezustand LZmin höher als der untere Sollwert des Ladezustands USWL. Hierdurch kann eine Änderung des unteren Sollwerts für den Stickoxidspeicherzustand USWs bei sinkendem Ladezustand LZ erfolgen, bevor bei Unterschreiten des unteren Sollwerts des Ladezustands USWL eine Wiederaufladung des LNT-Katalysators ausgelöst wird. Vorteilhaft wird dadurch einerseits eine zu häufige Regeneration des LNT-Katalysators vermieden und andererseits können die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verbundenen Vorteile realisiert werden.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das Verfahren ein Ermitteln des Ladezustands LZ der Energiespeichereinrichtung und ein Verwenden des ermittelten Ladezustands LZ als Eingangsgröße für eine Steuerung eines unteren Sollwerts für den Stickoxidspeicherzustand USWs im ersten Regelkreis aufweisen.
  • Der ermittelte Ladezustand LZ kann mit einem Minimalwert für den Ladezustand LZmin verglichen werden. Bei einem Unterschreiten des Minimalwerts für den Ladezustand LZmin kann der untere Sollwert für den Stickoxidspeicherzustand USWs erhöht oder bei einem erhöhten Wert belassen werden und bei einem Erreichen oder Überschreiten des Minimalwerts für den Ladezustand LZmin kann der untere Sollwert für den Stickoxidspeicherzustand USWs verringert oder bei einem verringerten Wert belassen werden.
  • Gemäß weiteren Ausführungsvarianten können die Verfahren ein Ermitteln eines Betriebsendes des Verbrennungsmotors aufweisen. Eine Erhöhung bzw. ein Belassen bei einem erhöhten Wert des unteren Sollwerts für den Ladezustand USWL und/oder den Stickoxidspeicherzustand USWs erfolgt lediglich bei einem Bevorstehen eines Betriebsendes des Verbrennungsmotors.
  • Das Betriebsende des Verbrennungsmotors kann bei einem Fahrzeug beispielsweise anhand einer Routenberechnung zu einem Fahrziel erfolgen, wobei kurz vor Erreichen des Fahrziels von einem Bevorstehen des Betriebsendes ausgegangen werden kann. Alternativ kann das Betriebsende auch anhand einer Uhrzeit vorgenommen werden, sofern das Betriebsende zu einer bestimmten Uhrzeit vorgesehen ist.
  • Mit anderen Worten können die vorstehend beschriebenen Steuerungen des unteren Sollwerts für den Ladezustand USWL und/oder den Stickoxidspeicherzustand USWs unter der Bedingung durchgeführt werden, dass ein Betriebsende des Verbrennungsmotors bevorsteht.
  • Vorteilhaft werden also der untere Sollwert für den Ladezustand USWL und/oder der untere Sollwert für den Stickoxidspeicherzustand USWs nur dann erhöht bzw. bei einem erhöhten Wert belassen, wenn aufgrund eines bevorstehenden Betriebsendes des Verbrennungsmotors nachfolgend mit einem Kaltstart gerechnet werden muss, bei dem aufgrund einer zu niedrigen Temperatur der Katalysatoren eine ausreichende Abgasnachbehandlung ansonsten nicht gewährleistet wäre. Steht das Betriebsende nicht bevor, können der untere Sollwert für den Ladezustand USWL und/oder der untere Sollwert für den Stickoxidspeicherzustand USWs hingegen verringert bzw. bei einem verringerten Wert belassen werden, so dass die Anzahl der Regeneration des LNT-Katalysators möglichst geringgehalten werden kann und die Speicherkapazität der Energiespeichereinrichtung möglichst vollständig, z. B. zum Antreiben des Elektromotors, ausgenutzt werden kann.
  • Insgesamt wird also eine Verringerung der Emission von Luftschadstoffen erreicht, ohne dass sich der Kraftstoffverbrauch signifikant erhöht.
  • Ein erfindungsgemäßes Abgassystem für einen Verbrennungsmotor weist einen in einem ersten Regelkreis angeordneten LNT-Katalysator auf, wobei im ersten Regelkreis ein Stickoxidspeicherzustand SSZ des LNT-Katalysators geregelt wird. Weiterhin weist das Abgassystem eine in einem zweiten Regelkreis angeordnete Energiespeichereinrichtung auf, die zur Versorgung einer elektrischen Heizeinrichtung mit elektrischem Strom ausgebildet ist, wobei im zweiten Regelkreis ein Ladezustand LZ der Energiespeichereinrichtung geregelt wird.
  • Außerdem verfügt das Abgassystem über eine Einrichtung zur Ermittlung des Stickoxidspeicherzustands SSZ des LNT-Katalysators und eine Steuereinheit, die zur Steuerung eines unteren Sollwerts für den Ladezustand USWL im zweiten Regelkreis in Abhängigkeit des ermittelten Stickoxidspeicherzustands SSZ, wobei der ermittelte Stickoxidspeicherzustand SSZ mit einem Minimalwert für den Stickoxidspeicherzustand SSZmin verglichen wird, bei einem Unterschreiten des Minimalwerts für den Stickoxidspeicherzustand SSZmin der untere Sollwert für den Ladezustand USWL erhöht oder bei einem erhöhten Wert belassen wird und bei einem Erreichen oder Überschreiten des Minimalwerts für den Stickoxidspeicherzustand SSZmin der untere Sollwert für den Ladezustand USWL verringert oder bei einem verringerten Wert belassen wird, eingerichtet und ausgebildet ist.
  • Ein alternatives Abgassystem für einen Verbrennungsmotor weist einen in einem ersten Regelkreis angeordneten LNT-Katalysator auf, wobei im ersten Regelkreis ein Stickoxidspeicherzustand SSZ des LNT-Katalysators geregelt wird. Weiterhin weist das Abgassystem eine in einem zweiten Regelkreis angeordnete Energiespeichereinrichtung auf, die zur Versorgung einer elektrischen Heizeinrichtung mit elektrischem Strom ausgebildet ist, wobei im zweiten Regelkreis ein Ladezustand LZ der Energiespeichereinrichtung geregelt wird.
  • Außerdem verfügt das alternative Abgassystem über eine Einrichtung zur Ermittlung des Ladezustands LZ der Energiespeichereinrichtung und eine Steuereinheit, die zur Steuerung eines unteren Sollwerts für den Stickoxidspeicherzustand USWs im ersten Regelkreis in Abhängigkeit des ermittelten Ladezustands LZ eingerichtet und ausgebildet ist.
  • Die erfindungsgemäßen Abgassysteme können beispielsweise zur Ausführung der obenstehend erläuterten erfindungsgemäßen Verfahren geeignet sein. Daher dienen die obigen Ausführungen zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Verfahren auch zur Beschreibung der erfindungsgemäßen Abgassysteme. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Abgassysteme entsprechen denen der erfindungsgemäßen Verfahren und deren Ausführungsvarianten.
  • Die Steuereinheit empfängt Eingangssignale der Einrichtungen zur Ermittlung des Stickoxidspeicherzustands SSZ des LNT-Katalysators und/oder des Ladezustands LZ der Energiespeichereinrichtung, verarbeitet diese und löst Aktuatoren in Reaktion auf die verarbeiteten Eingangssignale basierend auf Anweisungen oder einem im Steuersystem programmiertem Code entsprechend einer oder mehrerer Routinen aus.
  • Die Steuereinheit kann hardware- und/oder softwaremäßig realisiert sein und physisch ein- oder mehrteilig ausgebildet sein.
  • Optional kann die Steuereinheit dazu ausgebildet und eingerichtet sein, ein Betriebsende des Verbrennungsmotors zu ermitteln. Die Steuerung des unteren Sollwerts für den Ladezustand USWL im zweiten Regelkreis in Abhängigkeit des ermittelten Stickoxidspeicherzustands SSZ und/oder die Steuerung des unteren Sollwerts für den Stickoxidspeicherzustand USWs im ersten Regelkreis in Abhängigkeit des ermittelten Ladezustands LZ kann dann unter der Bedingung erfolgen, dass ein Betriebsende des Verbrennungsmotos bevorsteht, da dann mit einem nachfolgenden Kaltstart gerechnet werden kann.
  • Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug weist ein Abgassystem gemäß vorstehender Beschreibung auf.
  • Die Vorteile des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs entsprechen daher denen des erfindungsgemäßen Abgassystems. Darüber hinaus wirkt sich die Erfindung bei einem Kraftfahrzeug besonders vorteilhaft aus, da sie die Einhaltung strenger gesetzlicher Vorgaben hinsichtlich der zulässigen Emission von Luftschadstoffen ermöglicht.
  • Unter einem Kraftfahrzeug ist ein durch einen Motor angetriebenes Fahrzeug, z. B. ein Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug zu verstehen.
  • Das Kraftfahrzeug kann als Hybridelektrofahrzeug, z. B. als Mildhybridelektrofahrzeug oder Vollhybridelektrofahrzeug, ausgebildet sein. Beispielsweise kann es sich bei der Energiespeichereinrichtung des Abgassystems des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs um eine Traktionsbatterie eines Hybridelektrofahrzeugs handeln.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Abbildungen und der zugehörigen Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 ein Abgassystem in einer beispielhaften Ausgestaltung; und
    • 2 ein beispielhaftes Ablaufschema eines Verfahrens zum Betreiben des Abgassystems.
  • In der 1 ist ein erfindungsgemäßes Abgassystem 1 in einer beispielhaften Ausgestaltung schematisch dargestellt. Das Abgassystem 1 schließt sich an einen Verbrennungsmotor 2 an, der während seines Betriebs ein Abgas 13 erzeugt, dass dem Abgassystem 1 zugeführt wird. Im Ausführungsbeispiel ist der Verbrennungsmotor 2 mit vier Zylindern dargestellt, er kann jedoch auch über eine andere Anzahl an Zylindern, z. B. 2, 3, 6 oder 8 Zylinder verfügen.
  • Bei dem Verbrennungsmotor 2 kann es sich beispielsweise um einen Dieselmotor handeln.
  • Dem Verbrennungsmotor 9 ist eine Elektromaschine 9 zugeordnet, die wahlweise als Generator oder als Elektromotor betrieben werden kann. Der Verbrennungsmotor 2 und die Elektromaschine 9 bilden zusammen einen Hybridantrieb, z. B. den Hybridantrieb eines Hybridelektrokraftfahrzeugs.
  • Die Elektromaschine 9 ist stromleitend mit einer Energiespeichereinrichtung 4 verbunden, bei der es sich im Ausführungsbeispiel um einen Lithium-Ionen-Akkumulator handelt. Alternativ können jedoch auch andere wiederaufladbare Akkumulatoren als Energiespeichereinrichtung 4 genutzt werden.
  • Wird die Elektromaschine 9 als Generator betrieben, so wird ein Stromfluss 11 von der Elektromaschine 9 zur Energiespeichereinrichtung 4 ausgebildet und die Energiespeichereinrichtung wird aufgeladen. Wird die Elektromaschine 9 hingegen als Elektromotor betrieben, so erfolgt ein Stromfluss 11 von der Energiespeichereinrichtung 4 zur Elektromaschine 9.
  • Das Abgassystem 1 weist einen LNT-Katalysator 3 und stromabwärts des LNT-Katalysators 3 einen SCR-Katalysator 10 auf. Außerdem ist eine elektrische Heizeinrichtung 5 vorhanden, mit der das Abgas 13 stromaufwärts des LNT-Katalysators 3 erwärmt und folglich auch der vom Abgas 13 durchströmte LNT-Katalysator 3 sowie der SCR-Katalysator 10 erwärmt werden können. Die Heizeinrichtung 5 ist stromleitend mit der Energiespeichereinrichtung 4 verbunden, so dass ein Stromfluss 11 zwischen der Energiespeichereinrichtung 4 und der Heizeinrichtung 5 ausgebildet und die Heizeinrichtung 5 mit elektrischem Strom versorgt werden kann.
  • Der LNT-Katalysator 3 ist in einem ersten Regelkreis RK1 (nicht dargestellt) angeordnet, der der Regelung des Stickoxidspeicherzustands SSZ des LNT-Katalysators 3 dient. Teil des ersten Regelkreises RK1 ist zudem eine Einrichtung 6 zur Ermittlung des Stickoxidspeicherzustands SSZ. Ist der Stickoxidspeicherzustand SSZ zu gering, d. h. unterschreitet der Stickoxidspeicherzustand SSZ einen unteren Sollwert für den Stickoxidspeicherzustand USWs, so wird eine Regeneration des LNT-Katalysators 3 eingeleitet, um den Stickoxidspeicherzustand SSZ wieder zu erhöhen und eine Speicherung von Stickoxiden zu ermöglichen.
  • Die Energiespeichereinrichtung 4 ist in einem zweiten Regelkreis RK2 (nicht dargestellt) angeordnet, der der Regelung des Ladungszustands LZ der Energiespeichereinrichtung 4 dient. Teil des zweiten Regelkreises RK2 ist zudem eine Einrichtung 7 zur Ermittlung des Ladezustands LZ. Ist der Ladezustand LZ zu gering, d. h. unterschreitet der Ladezustand LZ einen unteren Sollwert für den Ladezustand USWL, so wird ein Aufladen der Energiespeichereinrichtung 4 eingeleitet, um den Ladezustand LZ wieder zu erhöhen und u. a. genügend elektrische Energie für das Betreiben der Heizeinrichtung 5 bereitstellen zu können.
  • Sowohl die Einrichtung 6 zur Ermittlung des Stickoxidspeicherzustands SSZ als auch die Einrichtung 7 zur Ermittlung des Ladezustands LZ sind signalleitend mit der Steuereinheit 8 verbunden, so dass die Steuereinheit 8 Eingangssignale 12 der beiden Einrichtungen 6, 7 erhalten kann und eine Verbindung des ersten Regelkreises mit dem zweiten Regelkreis RK2 ermöglicht wird.
  • Die Steuereinheit 8 steuert den unteren Sollwert für den Ladezustand USWL im zweiten Regelkreis RK2 in Abhängigkeit des ermittelten Stickoxidspeicherzustands SSZ, wobei der ermittelte Stickoxidspeicherzustand SSZ mit einem Minimalwert für den Stickoxidspeicherzustand SSZmin verglichen wird, bei einem Unterschreiten des Minimalwerts für den Stickoxidspeicherzustand SSZmin der untere Sollwert für den Ladezustand USWL erhöht oder bei einem erhöhten Wert belassen wird und bei einem Erreichen oder Überschreiten des Minimalwerts für den Stickoxidspeicherzustand SSZmin der untere Sollwert für den Ladezustand USWL verringert oder bei einem verringerten Wert belassen wird.
  • Optional kann zusätzlich auch der untere Sollwert für den Stickoxidspeicherzustand USWs im ersten Regelkreis RK1 in Abhängigkeit des ermittelten Ladezustands LZ gesteuert werden.
  • Optional kann die Steuereinheit 8 dazu ausgebildet und eingerichtet sein, ein Betriebsende des Verbrennungsmotors 2 zu ermitteln. Dadurch besteht die Möglichkeit, bei der Steuerung der unteren Sollwerte für den Ladezustand USWL und ggf. für den Stickoxidspeicherzustand USWs ein bevorstehendes Betriebsende zu berücksichtigen.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Abgassystem 1 kann beispielsweise das nachstehend mit Bezug auf 2 beschrieben Verfahren ausgeführt werden.
  • In einen ersten Schritt S1 wird das Bevorstehen eines Betriebsendes des Verbrennungsmotors 2 ermittelt, z. B. indem die Annäherung an ein Fahrziel geprüft wird.
  • In einem nächsten Schritt S2 wird geprüft, ob ein Betriebsende des Verbrennungsmotors 2 bevorsteht. Ist dies nicht der Fall, geht das Verfahren zurück zu Schritt S1.
  • Steht ein Betriebsende des Verbrennungsmotors bevor, so wird im Schritt S3 der Stickoxidspeicherzustand SSZ ermittelt und in einem nachfolgenden Schritt S4 wird geprüft, ob der Stickoxidspeicherzustand SSZ einen Minimalwert für den Stickoxidspeicherzustand SSZmin unterschreitet. Ist dies nicht der Fall, können also noch genügend Stickoxide im LNT-Katalysator 3 gespeichert werden, geht das Verfahren weiter zu Schritt S6 und der untere Sollwert für den Ladezustand USWL wird verringert oder bei einem verringerten Wert belassen. Verringerter Wert bedeutet, dass der Wert geringer als der nachfolgend genannte erhöhte Wert ist. Bei dem verringerten Wert kann es sich beispielsweise um den bisher üblichen unteren Sollwert für den Ladezustand USWL im zweiten Regelkreis RK2 handeln.
  • Wird hingegen im Schritt S4 festgestellt, dass der Stickoxidspeicherzustand SSZ den Minimalwert für den Stickoxidspeicherzustand SSZmin unterschreitet, also SSZ < SSZmin gilt, wird der untere Sollwert für den Ladezustand USWL im Schritt S5 erhöht oder bei einem erhöhten Wert belassen. Der erhöhte Wert verhindert, dass die Energiespeichereinrichtung 4 zu stark entladen wird und nicht mehr ausreichend elektrische Energie für die Heizeinrichtung 5 zur Verfügung steht. Sollte bei einem nachfolgenden Kaltstart des Verbrennungsmotors 2 der Stickoxidspeicherzustand SSZ des LNT-Katalysators 3 für eine Speicherung von Stickoxiden nicht ausreichend sein, so kann in jedem Fall die Heizeinrichtung zur schnellen Erwärmung der Katalysatoren genutzt werden, so dass auch in diesem Fall eine Emission von Stickoxiden weitgehend vermieden werden kann.
  • Optional können die Verfahrensschritte S1 und S2 entfallen.
  • In entsprechender Weise kann bei einem Unterschreiten eines Minimalwerts für den Ladezustand LZmin der untere Sollwert für den Stickoxidspeicherzustand USWs erhöht werden.
  • Bezugszeichenliste
    • SSZ
    Stickoxidspeicherzustand
    SSZmin
    Minimalwert für den Stickoxidspeicherzustand
    USWS
    unterer Sollwert für den Stickoxidspeicherzustand
    LZ
    Ladezustand
    LZmin
    Minimalwert für den Ladezustand
    USWL
    unterer Sollwert für den Ladezustand
    RK1
    erster Regelkreis
    RK2
    zweiter Regelkreis
    1
    Abgassystem
    2
    Verbrennungsmotor
    3
    LNT-Katalysator
    4
    Energiespeichereinrichtung
    5
    Heizeinrichtung
    6
    Einrichtung zur Ermittlung des Stickoxidspeicherzustands
    7
    Einrichtung zur Ermittlung des Ladezustands
    8
    Steuereinheit
    9
    Elektromaschine
    10
    SCR-Katalysator
    11
    Stromfluss
    12
    Eingangssignal
    13
    Abgas
    S1 bis S6
    Verfahrensschritte

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Abgassystems (1) eines Verbrennungsmotors (2) mit einem in einem ersten Regelkreis RK1 angeordneten LNT-Katalysator (3) und einer in einem zweiten Regelkreis RK2 angeordneten Energiespeichereinrichtung (4), die zur Versorgung einer elektrischen Heizeinrichtung (5) mit elektrischem Strom ausgebildet ist, wobei im ersten Regelkreis RK1 ein Stickoxidspeicherzustand SSZ des LNT-Katalysators (3) und im zweiten Regelkreis RK2 ein Ladezustand LZ der Energiespeichereinrichtung (4) geregelt werden und wobei der erste und der zweite Regelkreis RK1, RK2 miteinander verknüpft sind, aufweisend: - Ermitteln des Stickoxidspeicherzustands SSZ im ersten Regelkreis RK1, - Verwenden des ermittelten Stickoxidspeicherzustands SSZ als Eingangsgröße für eine Steuerung eines unteren Sollwerts für den Ladezustand USWL der Energiespeichereinrichtung (4) im zweiten Regelkreis RK2, wobei der ermittelte Stickoxidspeicherzustand SSZ mit einem Minimalwert für den Stickoxidspeicherzustand SSZmin verglichen wird, bei einem Unterschreiten des Minimalwerts für den Stickoxidspeicherzustand SSZmin der untere Sollwert für den Ladezustand USWL erhöht oder bei einem erhöhten Wert belassen wird und bei einem Erreichen oder Überschreiten des Minimalwerts für den Stickoxidspeicherzustand SSZmin der untere Sollwert für den Ladezustand USWL verringert oder bei einem verringerten Wert belassen wird.
  2. Verfahren zum Betreiben eines Abgassystems (1) eines Verbrennungsmotors (2) mit einem in einem ersten Regelkreis RK1 angeordneten LNT-Katalysator (3) und einer in einem zweiten Regelkreis RK2 angeordneten Energiespeichereinrichtung (4), die zur Versorgung einer elektrischen Heizeinrichtung (5) mit elektrischem Strom ausgebildet ist, wobei im ersten Regelkreis RK1 ein Stickoxidspeicherzustand SSZ des LNT-Katalysators (3) und im zweiten Regelkreis RK2 ein Ladezustand LZ der Energiespeichereinrichtung (4) geregelt werden und wobei der erste und der zweite Regelkreis RK1, RK2 miteinander verknüpft sind, aufweisend: - Ermitteln des Ladezustands LZ der Energiespeichereinrichtung (4), - Verwenden des ermittelten Ladezustands LZ als Eingangsgröße für eine Steuerung eines unteren Sollwerts für den Stickoxidspeicherzustand USWs im ersten Regelkreis RK1.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der ermittelte Ladezustand LZ mit einem Minimalwert für den Ladezustand LZmin verglichen wird, bei einem Unterschreiten des Minimalwerts für den Ladezustand LZmin der untere Sollwert für den Stickoxidspeicherzustand USWS erhöht oder bei einem erhöhten Wert belassen wird und bei einem Erreichen oder Überschreiten des Minimalwerts für den Ladezustand LZmin der untere Sollwert für den Stickoxidspeicherzustand USWs verringert oder bei einem verringerten Wert belassen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3 aufweisend: - Ermitteln des Stickoxidspeicherzustands SSZ im ersten Regelkreis RK1, - Verwenden des ermittelten Stickoxidspeicherzustands SSZ als Eingangsgröße für eine Steuerung eines unteren Sollwerts für den Ladezustand USWL der Energiespeichereinrichtung (4) im zweiten Regelkreis RK2.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der ermittelte Stickoxidspeicherzustand SSZ mit einem Minimalwert für den Stickoxidspeicherzustand SSZmin verglichen wird, bei einem Unterschreiten des Minimalwerts für den Stickoxidspeicherzustand SSZmin der untere Sollwert für den Ladezustand USWL erhöht oder bei einem erhöhten Wert belassen wird und bei einem Erreichen oder Überschreiten des Minimalwerts für den Stickoxidspeicherzustand SSZmin der untere Sollwert für den Ladezustand USWL verringert oder bei einem verringerten Wert belassen wird.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend: - Ermitteln eines Betriebsendes des Verbrennungsmotors (2) wobei der untere Sollwert für den Ladezustand USWL und/oder der untere Sollwert für den Stickoxidspeicherzustand USWs lediglich bei einem bevorstehenden Betriebsende des Verbrennungsmotors (2) erhöht oder bei dem erhöhten Wert belassen werden.
  7. Abgassystem (1) für einen Verbrennungsmotor (2), aufweisend: - einen in einem ersten Regelkreis RK1 angeordneten LNT-Katalysator (3), wobei im ersten Regelkreis RK1 ein Stickoxidspeicherzustand SSZ des LNT-Katalysators (3) geregelt wird, - eine in einem zweiten Regelkreis RK2 angeordnete Energiespeichereinrichtung (4), die zur Versorgung einer elektrischen Heizeinrichtung (5) mit elektrischem Strom ausgebildet ist, wobei im zweiten Regelkreis RK2 ein Ladezustand LZ der Energiespeichereinrichtung (4) geregelt wird, - eine Einrichtung (6) zur Ermittlung des Stickoxidspeicherzustands SSZ des LNT-Katalysators (3) und - eine Steuereinheit (8), eingerichtet und ausgebildet zur Steuerung eines unteren Sollwerts für den Ladezustand USWL im zweiten Regelkreis RK2 in Abhängigkeit des ermittelten Stickoxidspeicherzustands SSZ, wobei der ermittelte Stickoxidspeicherzustand SSZ mit einem Minimalwert für den Stickoxidspeicherzustand SSZmin verglichen wird, bei einem Unterschreiten des Minimalwerts für den Stickoxidspeicherzustand SSZmin der untere Sollwert für den Ladezustand USWL erhöht oder bei einem erhöhten Wert belassen wird und bei einem Erreichen oder Überschreiten des Minimalwerts für den Stickoxidspeicherzustand SSZmin der untere Sollwert für den Ladezustand USWL verringert oder bei einem verringerten Wert belassen wird.
  8. Abgassystem (1) für einen Verbrennungsmotor (2), aufweisend: - einen in einem ersten Regelkreis RK1 angeordneten LNT-Katalysator (3), wobei im ersten Regelkreis RK1 ein Stickoxidspeicherzustand SSZ des LNT-Katalysators (3) geregelt wird, - eine in einem zweiten Regelkreis RK2 angeordnete Energiespeichereinrichtung (4), die zur Versorgung einer elektrischen Heizeinrichtung (5) mit elektrischem Strom ausgebildet ist, wobei im zweiten Regelkreis RK2 ein Ladezustand LZ der Energiespeichereinrichtung (4) geregelt wird, - eine Einrichtung (7) zur Ermittlung des Ladezustands LZ der Energiespeichereinrichtung (4) und - eine Steuereinheit (8), eingerichtet und ausgebildet zur Steuerung eines unteren Sollwerts für den Stickoxidspeicherzustand USWs im ersten Regelkreis RK1 in Abhängigkeit des ermittelten Ladezustands LZ.
  9. Kraftfahrzeug mit einem Abgassystem (1) nach Anspruch 7 oder 8.
  10. Kraftfahrzeug nach Anspruch 9, ausgebildet als Hybridelektrofahrzeug.
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