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DE102020210167A1 - Verfahren zur Abgasnachbehandlung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Nachheizbetrieb - Google Patents

Verfahren zur Abgasnachbehandlung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Nachheizbetrieb Download PDF

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DE102020210167A1
DE102020210167A1 DE102020210167.1A DE102020210167A DE102020210167A1 DE 102020210167 A1 DE102020210167 A1 DE 102020210167A1 DE 102020210167 A DE102020210167 A DE 102020210167A DE 102020210167 A1 DE102020210167 A1 DE 102020210167A1
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exhaust gas
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combustion engine
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Volkswagen AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei eine in einer Abgasanlage herrschende Ist-Temperatur ermittelt wird, wobei die Ist-Temperatur mit einer Temperaturschwelle verglichen wird, wobei in Abhängigkeit von dem Vergleich der Temperaturschwelle und der Ist-Temperatur ein Nachheizbetrieb der Abgasnachbehandlung aktiviert wird, wobei Streckendaten einer dem Fahrzeug vorausliegenden Fahrtstrecke ermittelt werden.Das Verfahren ist dadurch verbessert, dass eine Anpassung der Temperaturschwelle für das Nachheizen in Abhängigkeit von den Streckendaten erfolgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
  • Die zukünftig erforderlichen, minimalen NOx-Grenzwerte erfordern eine effiziente Abgasnachbehandlung. Um die Effizienz garantieren zu können, muss ein zu starkes Auskühlen der Abgasnachbehandlung vermieden werden. Deshalb wird frühzeitig ein Heizbetrieb aktiviert, um nicht unter eine kritische Temperatur zu fallen. Beispielsweise kann eine Temperatur eines Katalysators, bspw. eines SCR-Katalysators (SCR- „selective catalytic reduction“ bzw. selektive katalytische Reduktion), gemessen werden. Die kritische Temperatur des SCR-Katalysators kann bspw. bei 180 °C liegen, wobei der Heizbetrieb bereits aktiviert wird, wenn die gemessene Temperatur des SCR-Katalysators unterhalb von 200 °C liegt. Der Heizbetrieb kann durch unterschiedliche Maßnahmen realisiert werden, bspw. durch motorinterne Maßnahmen oder nachgelagerte Maßnahmen, bspw. einen elektrisch beheizten Katalysator oder dergleichen. Eine Heizmaßnahme hat immer einen erhöhten Verbrauch und damit eine erhöhte CO2-Emission zur Folge.
  • Im Stand der Technik sind unterschiedliche Verfahren zur Abgasnachbehandlung bekannt.
  • Aus der DE 10 2016 014 854 A1 ist ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einem Abgasstrang und zumindest mit einem SCR-Katalysator oder einem Stickoxyd-Speicherkatalysators bekannt. Anhand von Daten über eine dem Fahrzeug vorausliegende Fahrtstrecke werden eine Abgastemperatur und ein Abgasmassenstrom ermittelt. Die Abgastemperatur und der Abgasmassenstrom werden als Eingangsgröße für eine Regelung des SCR-Katalysators und/oder des Stickoxyd-Speicherkatalysators und/oder eines Dieselpartikelfilters verwendet. Die Abgastemperatur und der Abgasmassenstrom werden anhand einer prädizierten Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und/oder eines prädizierten Drehmoments der Verbrennungskraftmaschine und/oder einer prädizierten Geschwindigkeit des Fahrzeugs anhand zumindest eines Models des Abgasstrangs ermittelt. Hierdurch soll eine verbesserte Regelung des Stickoxyd-Speicherkatalysators und eine Minimierung von Schadstoffemissionen erreicht werden. Aufgrund der Überwachung der Abgastemperatur wird ein effektiverer Bauteilschutz erreicht, da frühzeitige Maßnahmen gegen ein Übersteigen von kritischen maximal Temperaturen in der Abgasnachbehandlung eingeleitet werden können. Solche Maßnahmen umfassen bspw. ein Absenken der Temperatur der Verbrennungskraftmaschine, wenn zum Beispiel aufgrund eines zukünftigen Drehzahl-/ Drehmomentbedarfs eine hohe Temperatur der Verbrennungskraftmaschine im aktuellen Betriebszustand festgestellt wird. Die momentane Abgastemperatur ist entscheidend für die Dosierung des Reduktionsmittels oder einer Einleitung von Heizmaßnahmen. Somit kann eine genaue Kenntnis einer zukünftigen Entwicklung der Abgastemperatur zu einer Regelung der Abgasnachbehandlung genutzt werden, um die Abgasnachbehandlung auf zukünftige Veränderungen des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine und eines Verhaltens der Abgasnachbehandlung vorzubereiten. Eine erste Komponente des Verfahrens nutzt dabei ein Navigationssystem des Fahrzeugs, wobei anhand von Kartendaten ein Verlauf einer Drehzahl und eines Drehmoments der Verbrennungskraftmaschine sowie einer Geschwindigkeit des Fahrzeugs in Abhängigkeit einer dem Fahrzeug vorausliegenden Fahrstrecke prädiziert werden. Es wird aus den Kartendaten ein Streckenprofil gewonnen und damit ein erwartetes Last-, Geschwindigkeits- und Drehzahlprofil ermittelt. Dieses Last-, Geschwindigkeits- und Drehzahlprofil wird insbesondere für verschiedene Zeithorizonte ermittelt. Eine zweite Komponente des Verfahrens nutzt ein Rohemissionsmodel und Streckenmodelle für die Abgasnachbehandlung um die Abgastemperatur, den Abgasmassenstrom und Stickoxydrohemissionen basierend auf der transienten Änderung des prädikativen Betriebs der Verbrennungskraftmaschine zu bestimmen. Eine dritte Komponente des Verfahrens umfasst die Regelung der Abgasnachbehandlung, d. h. die Regelung der zur Dosierung des Reduktionsmittels, die Regelung des Zeitpunkts und der Zeitdauer der Beladungsphase und der Regenerationsphase des Stickoxyd-Speicherkatalysators und die Regelung der Regeneration des Dieselpartikelfilters, wobei die Abgastemperatur und der Abgasmassenstrom als Eingangsgrößen für die Regelung verwendet werden. Mittels der Verbrennungskraftmaschine sind Maßnahmen zur Anhebung einer Temperatur der Abgasnachbehandlung mittels eines späten Nacheinspritzens zur Steigerung der Umsatzraten der Stickoxyde oder Maßnahmen zur Absenkung von Temperaturen im Abgasstrang zum Bauteilschutz durchführbar. Die Bestimmung der Abgastemperatur ist hier aufwändig, da hierzu Katalysatormodelle, Rohrmodelle und Filtermodelle eingesetzt werden, welche Wärmeverluste, Stoffübergänge und chemische Reaktionen berücksichtigen.
  • Aus der DE 10 2016 215 718 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Optimierung einer Ablaufsteuerung für eine Dosiereinheit für eine Abgasreinigungsanlage einer Brennkraftmaschine mit SCR-Katalysator bekannt. Ausgehend von Streckendaten und/oder weiteren Zusatzdaten werden die Temperaturen des Abgases an verschiedenen Orten und/oder Temperaturen der Abgaskomponenten der Abgasreinigungsanlage vorausberechnet. Damit werden die Betriebsbereitschaft der Dosiereinheit hinsichtlich Druckaufbau oder Entleerung optimiert. Damit kann eine Optimierung der Abgasreinigungsanlage und damit eine Schadstoffemissionsminderung erreicht werden. Zudem kann durch die Einbeziehung dieser Temperaturvoraussage bei der Ablaufsteuerung eine Verringerung der Komponentenbelastung erzielt werden. Der Zeitpunkt eines Druckaufbaus wird durch mindestens einen der prognostizierten Temperaturwerte beeinflusst. Damit kann bspw. ein unnötiger Druckaufbau in Fahrtzyklen vermieden werden, in denen eine für die chemische Reaktion notwendige Temperatur des Abgases vor dem SCR-Katalysator bzw. des SCR-Katalysators nicht erreicht wird. Dadurch wird der Druckaufbau erst zu dem tatsächlich notwendigen Zeitpunkt gestartet.
  • Aus der DE 10 2017 202 435 A1 ist ein Verfahren zum Steuern des Öffnungszustandes einer Abgasklappe bekannt. Die Steuerung kann dazu dienen, die Abgasanlage nach einem Kaltstart aufzuwärmen oder die Temperatur der Abgasanlage auf einer für die Effizienz einer SCR-Abgasreinigung erforderlichen Temperatur zu halten und auf eine für eine kontinuierliche Regeneration eines Partikelfilters erforderliche Temperatur aufzuheizen oder die Abgasanlage auf eine für eine aktive, sauerstoffbasierte Partikelfilterregeneration erforderliche Temperatur aufzuheizen. Die Steuerung des Öffnungszustandes der Abgasklappe kann in Abhängigkeit von einem erwarteten Fahrprofil erfolgen. Ein Temperatursensor oder ein im Steuergerät ausgeführtes Rechenmodell liefert einen Temperatur-Istwert, wobei das Steuergerät einen Temperatur-Sollwert vorgibt. In Abhängigkeit von der Abweichung des Temperatur-Istwertes von dem Temperatur-Sollwert wird eine der Motorbetriebsmodi „optimale Effizienz“ , „Warmlauf“, „Warmhalten“ oder „Aufheizen“ ausgewählt. Der Öffnungszustand der Abgasklappe wird in Abhängigkeit von dem ausgewählten Motorbetriebsmodus gesteuert.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zu verbessern.
  • Diese der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird nun durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
  • Das Verfahren dient zur Abgasnachbehandlung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Es wird eine in einer Abgasanlage herrschende Ist-Temperatur ermittelt, wobei die Ist-Temperatur mit einer Temperaturschwelle verglichen wird, wobei in Abhängigkeit von dem Vergleich der Temperaturschwelle und der Ist-Temperatur ein Nachheizbetrieb der Abgasnachbehandlung aktiviert wird, wobei Streckendaten einer dem Fahrzeug vorausliegenden Fahrtstrecke ermittelt werden. Erfindungsgemäß erfolgt eine Anpassung der Temperaturschwelle für das Nachheizen in Abhängigkeit von den Streckendaten. Die Anpassung der Temperaturschwelle für das Nachheizen erfolgt in Abhängigkeit von den Streckendaten, insbesondere zur Reduzierung der CO2-Emissionen. Die Anpassung kann insbesondere in einem Absenken der Temperaturschwelle oder einer Deaktivierung der Temperaturschwelle erfolgen, wenn bestimmte Streckenbedingungen vorliegen.
  • Eine Streckenbedingung zum Absenken oder Deaktivieren der Temperaturschwelle ist, dass das Ziel fast erreicht ist und ein Abstellen des Fahrzeugmotors zu erwarten ist. Vorzugsweise wird anhand der Streckendaten ein zu erwartendes Abstellen des Motors in einer bestimmten Zeitspanne ermittelt, wobei die Temperaturschwelle Ts auf einen geringeren Temperaturschwellwert Ts-red reduziert wird, wenn das Abstellen des Motors in einer bestimmten Zeitspanne erwartet wird. Hierzu wird die aktuelle Fahrzeugposition mit einer im Navigationsgerät ausgewählten Zielposition verglichen. Die Bedingung, ob das Ziel fast erreicht ist, ist insbesondere dann erfüllt, wenn die restliche Fahrzeit bis zum Ziel eine vorbestimmte Zeitspanne unterschreitet. Insbesondere wird diese Zeitspanne mit der Zeit verglichen, wie lange es dauert, bis die Ist-Temperatur eine kritische Temperatur unterschreiten würde.
  • Der normale Temperaturschwellwert Ts kann 200 °C betragen. Der reduzierte Temperaturschwellwert Ts-red beträgt vorzugsweise zwischen 120 °C und 180 °C, weiter vorzugsweise zwischen 140 °C und 160°C , vorzugsweise 140 °C oder 160 °C.
  • Eine weitere Streckensituation zum Absenken oder Deaktivieren der Temperaturschwelle liegt vor, wenn das Fahrzeug sich in einem Schwachlastbetrieb bspw. in einer Ortschaft oder in einem Stau befindet.
  • Ferner können die Streckendaten Staudaten umfassen, wobei die Zeitspanne bis der Stau endet oder das Fahrzeug den Stau verlässt bestimmt werden kann. Aus der mittleren Geschwindigkeit des Fahrzeuges im Stau und der Position des Stauendes kann die Zeitspanne bis zum Ende der Schwachlastphase bestimmt werden. Ferner kann sich der Stau in nächster Zeit auflösen. Auch in einem solchen Fall kann die Temperaturschwelle abgesenkt oder deaktiviert werden. Hierzu wird vorzugsweise die Zeitspanne bis zum Erreichen des Stauendes oder bis zum Auflösen des Staus mit der Zeitspanne verglichen, bis die Ist-Temperatur unter eine kritische Temperatur fallen würde.
  • Es wird eine Zeitspanne bestimmt, in der die Schwachlastphase endet, wobei der reduzierte Temperaturschwellwert Ts-red so reduziert wird, dass ein SCR-System der Abgasanlage einen bestimmten Wirkungsgrad nicht unterschreitet.
  • Die Zeitspanne bis zum Ende der Schwachlastphase kann auf unterschiedliche Weise ermittelt werden. Wenn die Streckendaten zeigen, dass ein Ortsausgang, d. h. die im Navigationsgerät gespeicherte Position des Ortsausgangsschilds fast erreicht ist und somit eine Beschleunigung des Fahrzeugs zu erwarten ist, die ausreichend thermische Energie für das Warmhalten der Abgasnachbehandlung generiert, so wird die Temperaturschwelle bis zum Erreichen des Ortsausgangsschilds abgesenkt oder deaktiviert.
  • Es ist vorteilhaft, dass der reduzierte Temperaturschwellwert Ts-red mindestens 150 °C, vorzugsweise 160 °C, bevorzugt 180 °C beträgt. Dies verhindert, dass der Wirkungsgrad des SCR-Systems unter mindestens 20 %, unter insbesondere mindestens 30 %, vorzugsweise unter mindestens 40 % fällt.
  • Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren auszugestalten und weiterzubilden. Hierfür darf zunächst auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen werden. Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung anhand der Zeichnung und der dazugehörigen Beschreibung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt:
    • 1 ein Diagramm, in dem ein SCR-Wirkungsgrad über der Temperatur aufgezeichnet ist.
  • In 1 ist ein SCR-Wirkungsgrad in Form einer Kurve 1 dargestellt. Ferner ist eine Temperaturschwelle Ts dargestellt, die ein Nachheizen der Abgasnachbehandlung aktiviert. Diese Temperaturschwelle Ts ist so gewählt, dass das SCR-System trotz eines leichten Unterschwingers der Temperatur weiterhin hohe Wirkungsgrade aufweist.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird nun dieser Schwellwert Ts zu einem Schwellwert Ts-red reduziert, wenn ein Abstellen des Motors unmittelbar bevorsteht oder das Fahrzeug sich in einer Schwachlastphase befindet, aber eine zukünftige Phase in einer bestimmten Zeitspanne zu erwarten ist, die die Verbrennungskraftmaschine höher belastet, wodurch eine ausreichend hohe Abgastemperatur erzeugt wird. Das Abstellen des Motors oder das Ende der Schwachlastphase kann aufgrund der Streckendaten gegebenenfalls vorausgesagt werden.
  • Im ersten Fall, wenn ein Abstellen des Motors erwartet wird, wird der Schwellwert Ts so gewählt, dass ein Auskühlen des Dieseloxidationskatalysators vermieden wird. Sollte die Verbrennungskraftmaschine entgegen der Erwartung nicht abgestellt werden, muss vor allem bei motorinternen Heizstrategien ein erneutes Aufheizen über die Exothermie des Dieseloxidationskatalysators (DOC) sichergestellt sein. Daher ist der Schwellwert mindestens bei mehr als 120 °C, besser bei mehr als 140 °C bevorzugt bei 150 °C anzusetzen.
  • Im zweiten Fall wird ein Ende der Schwachlastphase erwartet. Der reduzierte Schwellwert Ts-red ist so definiert, dass der Wirkungsgrad des SCR-Systems nicht unter 20 % besser nicht 30 %, bevorzugt nicht 40 % fällt. Auch ist ein Absinken der Temperatur unterhalb eines DOC-Wirkungsgrades von 80 % zu vermeiden, insbesondere wenn der Heizbetrieb durch motorinterne Maßnahmen praktiziert ist. Daher ist der Schwellwert mit mindesten 150 °C, bevorzugt 180 °C anzusetzen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kurve des Wirkungsgrades aufgetragen über die Temperatur
    Ts
    Temperaturschwelle
    Ts-red
    reduzierte Temperatur
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016014854 A1 [0004]
    • DE 102016215718 A1 [0005]
    • DE 102017202435 A1 [0006]

Claims (6)

  1. Verfahren zur Abgasnachbehandlung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei eine in einer Abgasanlage herrschende Ist-Temperatur ermittelt wird, wobei die Ist-Temperatur mit einer Temperaturschwelle verglichen wird, wobei in Abhängigkeit von dem Vergleich der Temperaturschwelle und der Ist-Temperatur ein Nachheizbetrieb der Abgasnachbehandlung aktiviert wird, wobei Streckendaten einer dem Fahrzeug vorausliegenden Fahrtstrecke ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anpassung der Temperaturschwelle für das Nachheizen in Abhängigkeit von den Streckendaten erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Streckendaten ein zu erwartendes Abstellen des Motors in einer bestimmten Zeitspanne ermittelt wird, wobei die Temperaturschwelle Ts auf einen geringeren Temperaturschwellwert Ts-red reduziert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der reduzierte Temperaturschwellwert bei einem erwarteten Abstellen des Motors Ts-red mindestens 120 °C, vorzugsweise mindestens 140 °C, insbesondere 160 °C beträgt.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende einer Schwachlastphase in einer bestimmten Zeitspanne ermittelt wird, wobei der reduzierte Temperaturschwellwert Ts-red so reduziert wird, dass der Wirkungsgrad des SCR-Systems der Abgasanlage einen bestimmten Wirkungsgrad nicht unterschreitet.
  5. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkungsgrad des SCR-Systems nicht unter 20 %, insbesondere von unter 30 %, vorzugsweise von unter 40 % fällt.
  6. Verfahren nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der reduzierte Temperaturschwellwert Ts-red in einer Schwachlastphase mindestens 150 °C, vorzugsweise mindestens 160 °C, bevorzugt 180 °C beträgt.
DE102020210167.1A 2020-08-11 2020-08-11 Verfahren zur Abgasnachbehandlung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Nachheizbetrieb Active DE102020210167B4 (de)

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