DE102010003705A1

DE102010003705A1 - Verfahren zum Heizen eines Katalysators in einem Motorsystem und zur Diagnose der Wirksamkeit von Maßnahmen zum Heizen des Katalysators

Info

Publication number: DE102010003705A1
Application number: DE102010003705A
Authority: DE
Inventors: Joerg Linke; Damien Bouvier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-04-08
Filing date: 2010-04-08
Publication date: 2011-10-13
Also published as: CN102812223A; WO2011124283A1; US20130097999A1; CN102812223B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (2) in einem Katalysatorheizbetrieb, wobei der Verbrennungsmotor (2) in einem Normalbetrieb betreibbar ist, mit folgenden Schritten: – Ermitteln (S1) einer ersten Abgastemperaturangabe, die die Abgastemperatur des Abgases in einem ersten Katalysator (9), insbesondere in einem Oxidationskatalysator, angibt; – Betreiben (S2) des Verbrennungsmotors (2) in einer ersten Betriebsart, bei der gegenüber dem Normalbetrieb Abgas mit einer erhöhten Abgastemperatur aus mindestens einem Zylinder (4) des Verbrennungsmotors (2) ausgestoßen wird, solange die erste Abgastemperaturangabe einen vorgegebenen ersten Temperatur-Schwellenwert nicht erreicht hat. Mit diesem Verfahren wird eine robuste und einfache Diagnose der Wirksamkeit des Katalysatorheizbetriebes gemäß den Anforderungen von CARB Title 13 CCR Section 1968.2 Kapitel (f) (12) möglicht.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Motorsysteme mit Verbrennungsmotoren, insbesondere mit Dieselmotoren, in deren Abgasabschnitt ein Oxidationskatalysator und ein Reduktionskatalysator in Reihe angeordnet sind. Die Erfindung betrifft weiterhin Verfahren zum Betreiben des Motorsystems für eine Aufheizphase, um die Katalysatoren auf eine Betriebstemperatur zu bringen.
Stand der Technik
Heutige Motorsysteme mit Verbrennungsmotoren, insbesondere mit Dieselmotoren, weisen in der Abgasanlage Katalysatoren auf, um schädliche Emissionen zu reduzieren. Bei modernen Motorsystemen werden ein sogenannter Oxidationskatalysator (kurz: Oxi-Kat) und ein nachgeordneter Reduktionskatalysator üblicherweise in Form eines SCR-Katalysators (SCR: Selective Catalytic Reduction) verwendet. Der SCR-Katalkysator benötigt zudem das Einleiten eines Reduktionsmittels in die Abgasanlage z. B. in Form von Harnstoff.
Da die Katalysatoren zum ordnungsgemäßen Betrieb eine bestimmte Betriebstemperatur benötigen, wird der Verbrennungsmotor nach dem Kaltstart des Motorsystems in der Regel gemäß einem Katalysatorheizbetrieb betrieben, bei dem zunächst der Oxidationskatalysator und anschließend der Reduktionskatalysator auf ihre Betriebstemperatur gebracht werden. Durch den Aufheizbetrieb wird ein früheres Erreichen der Betriebstemperaturen der Katalysatoren (Light-off Temperatur) erreicht, was notwendig ist, um die gesetzlich vorgeschriebenen Abgasnormen zu erfüllen.
Bisherige Verfahren für den Aufheizbetrieb des SCR-Katalysators sehen eine Steuerung vor, bei denen die Aufheizung des SCR-Katalysators zeitlich gesteuert wird. Dies wird durch eine zeitlich festgelegte Vorgabe von Maßnahmen zum Betrieb des Verbrennungsmotors durchgeführt, mit dem Ziel die Temperatur im SCR-Katalysator zu erhöhen. Dadurch können jedoch die Systemstreuungen bzw. die Einflüsse von Betriebsparametern, wie z. B. eine Umgebungstemperatur, die Kraftstoffqualität und dergleichen nicht berücksichtigt werden. Die Folge davon ist, dass die Wirksamkeit des Aufheizvorgangs und damit die angestrebte Temperaturerhöhung in dem SCR-Katalysator sehr große Steuerungen aufweisen können.
Weiterhin wird eine Überwachung des Aufheizvorgangs gefordert. Bislang werden die am Aufheizvorgang beteiligten Einzelkomponenten auf ihre Funktionsfähigkeit überwacht, damit der gewünschte Aufheizeffekt auch wirklich erzielt wird. Dies ist jedoch aufwändig zu realisieren.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators in einem Motorsystem zur Verfügung zu stellen, bei dem insbesondere die Einflüsse von Betriebsparametern und Systemstreuungen berücksichtigt werden, so dass schnellstmöglich eine vorgegebene Betriebstemperatur erreicht werden kann. Zudem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Diagnose zur Überwachung der Wirksamkeit des Aufheizens des Katalysators zu ermöglichen.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung und das Motorsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors in einem Katalysatorheizbetrieb vorgesehen, wobei der Verbrennungsmotor in einem Normalbetrieb betreibbar ist. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

– Ermitteln einer ersten Abgastemperaturangabe, die die Abgastemperatur des Abgases in einem ersten Katalysator, insbesondere in einem Oxidationskatalysator, angibt;
– Betreiben des Verbrennungsmotors in einer ersten Betriebsart, bei der gegenüber dem Normalbetrieb Abgas mit einer erhöhten Abgastemperatur aus mindestens einem Zylinder des Verbrennungsmotors ausgestoßen wird, solange die erste Abgastemperaturangabe einen vorgegebenen ersten Temperatur-Schwellenwert nicht erreicht hat.

Eine Idee des obigen Verfahrens besteht grundsätzlich darin, den Aufheizvorgang für den ersten Katalysator abhängig von der ersten Abgastemperaturangabe über die Abgastemperatur des ersten Katalysators durchzuführen, um die Betriebstemperatur des Katalysators schnellstmöglich zu erreichen. Dabei werden Bauteiltoleranzen und sonstige Einflüsse berücksichtigt, da die jeweils aktuelle Abgastemperatur erfasst und der Heizvorgang solange vorgenommen wird, bis die Betriebstemperatur, die durch den ersten Temperatur-Schwellenwert angegeben werden kann, erreicht ist.
Weiterhin kann bei der ersten Betriebsart zusätzlicher Kraftstoff vor oder während des Verbrennungsvorgangs bei Luftüberschuß in den mindestens einen Zylinder eingespritzt werden, um eine sogenannte frühe Nacheinspritzung zu realisieren.
Insbesondere kann bei der ersten Betriebsart der Verbrennungsmotor so betrieben werden, dass kein unverbrannter Kraftstoff in den Abgasabführungsabschnitt gelangt.
Gemäß einer Ausführungsform kann bei der ersten Betriebsart die erste Abgastemperaturangabe auf eine vorgegebene ersten Soll-Betriebstemperatur geregelt werden, wobei der Regeleingriff lediglich innermotorische Maßnahmen betrifft, insbesondere wobei der Regeleingriff durch die Aufteilung einer zusätzlichen Aufheizkraftstoffmenge zwischen einer Haupteinspritzung und Vor- und/oder Nacheinspritzungen umfasst.
Weiterhin kann die vorgegebene erste Soll-Betriebstemperatur abhängig von einem Betriebszustand des Motorsystems variiert werden, so dass der Unterschied zwischen der ersten Abgastemperaturangabe und der vorgegebenen ersten Soll-Betriebstemperatur einen vorgegebenen Grenzwert nicht überschreitet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können, wenn der vorgegebene erste Temperatur-Schwellenwert erreicht worden ist, die weiteren Schritte durchgeführt werden:

– Ermitteln einer zweiten Abgastemperaturangabe, die die Abgastemperatur des Abgases in einem zweiten Katalysator angibt, der dem ersten Katalysator nachgeschaltet ist;
– Betreiben des Verbrennungsmotors in einer zweiten Betriebsart, bei der das aus den Zylindern des Verbrennungsmotors ausgestoßene Abgas unverbrannten Kraftstoff enthält, der zum Erhöhen der Abgastemperatur in dem Abgasabführungsabschnitt verbrennt und/oder in dem ersten Katalysator oxidiert, so dass dadurch die Abgastemperatur erhöht wird, solange die zweite Abgastemperaturangabe eine vorgegebene zweite Soll-Betriebstemperatur für den zweiten Katalysator nicht erreicht hat.

Es kann vorgesehen sein, dass bei der zweiten Betriebsart die Abgastemperatur des Abgases in dem zweiten Katalysator auf die vorgegebene zweite Soll-Betriebstemperatur geregelt wird, wobei der Regeleingriff eine späte Nacheinspritzung von Kraftstoff nach einem Verbrennungsvorgang in dem mindestens einen Zylinder betrifft.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann ein Verfahren zur Überprüfung der Funktion des Katalysatorheizbetriebs vorgesehen sein, wobei ein Fehler der Funktion des Katalysatorheizbetriebs erkannt wird, wenn bei den Regelungen der Unterschied zwischen der ersten Abgastemperaturangabe und der vorgegebenen ersten Soll-Betriebstemperatur bzw. der Unterschied zwischen der zweiten Abgastemperaturangabe und der vorgegebenen zweiten Soll-Betriebstemperatur während einer vorgegebenen Zeitdauer einen vorgegebenen Diagnose-Grenzwert überschreitet.
Eine Idee des obigen Diagnoseverfahrens besteht darin, die Regelabweichung auszuwerten und einen Fehler zu erkennen, wenn die Regelabweichung für eine vorgegebene Maximalzeitdauer überschritten wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann eine Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors in einem Katalysatorheizbetrieb vorgesehen sein, wobei der Verbrennungsmotor in einem Normalbetrieb betreibbar ist. Die Vorrichtung kann umfassen:

– einen ersten Temperatursensor zum Ermitteln einer ersten Abgastemperaturangabe, die die Abgastemperatur des Abgases in einem ersten Katalysator angibt;
– ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um den Verbrennungsmotor in einer ersten Betriebsart zu betreiben, bei der gegenüber dem Normalbetrieb Abgas mit einer erhöhten Abgastemperatur aus mindestens einem Zylinder des Verbrennungsmotors ausgestoßen wird, solange die erste Abgastemperaturangabe einen vorgegebenen ersten Temperatur-Schwellenwert nicht erreicht hat.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor und der obigen Vorrichtung vorgesehen sein, wobei der Verbrennungsmotor ausgebildet ist, Abgas in einen Abgasabführungsabschnitt auszustoßen, wobei der erste Temperatursensor zwischen dem Verbrennungsmotor und dem ersten Katalysator angeordnet ist.
Weiterhin kann die obige Vorrichtung einen zweiten Temperatursensor zum Ermitteln einer zweiten Abgastemperaturangabe, die eine Abgastemperatur des Abgases in einem zweiten Katalysator angibt, der dem ersten Katalysator nachgeschaltet ist, und das Steuergerät umfassen, das ausgebildet ist, um, wenn der vorgegebene erste Temperatur-Schwellenwert erreicht worden ist, den Verbrennungsmotor in einer zweiten Betriebsart zu betreiben, bei der das aus den Zylindern des Verbrennungsmotors ausgestoßene Abgas unverbrannten Kraftstoff enthält, der zum Erhöhen der Abgastemperatur in dem Abgasabführungsabschnitt verbrennt und/oder in dem ersten Katalysator oxidiert, so dass dadurch die Abgastemperatur erhöht wird, solange die zweite Abgastemperaturangabe eine vorgegebene zweite Soll-Betriebstemperatur nicht erreicht hat.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor und der vorstehenden Vorrichtung vorgesehen sein, wobei der zweite Temperatursensor zwischen dem ersten Katalysator und dem zweiten Katalysator angeordnet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogrammprodukt vorgesehen, das einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführt wird, das obige Verfahren durchführt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen.
Bevorzugte Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einem Oxidationskatalysator und einem nachgeschalteten Reduktionskatalysator;
2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens für einen Aufheizvorgang zum Aufheizen der Katalysatoren auf deren Betriebstemperaturen.
Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Motorsystems 1 mit einem Verbrennungsmotor 2, insbesondere einem Dieselmotor. Dem Verbrennungsmotor 2 wird über einen Luftzuführungsabschnitt 3 Umgebungsluft zugeführt und Verbrennungsabgase werden aus Zylindern 4 des Verbrennungsmotors 2 über einen Abgasabführungsabschnitt 5 in die Umgebung abgeführt. Der Verbrennungsmotor 2 umfasst im vorliegenden Beispiel vier Zylinder 4, in denen zum Direkteinspritzen von Kraftstoff jeweils ein Einspritzventil 8 angeordnet ist. Luft wird in die Zylinder 4 über entsprechende Einlassventile 19 eingelassen und über Auslassventile 21 in den Abgasabführungsabschnitt 5 ausgestoßen.
In dem Luftzuführungsabschnitt 3 und dem Abgaszuführungsabschnitt 5 ist ein Turbolader 6 angeordnet, der einen Verdichter 61 und eine Turbine 62 aufweist.
Die Turbine 62 ist im Abgaszuführungsabschnitt 5 angeordnet und entnimmt der Abgasenthalpie Antriebsenergie für den Verdichter 61. Die Turbine 62 ist mit dem Verdichter 61 gekoppelt, um diesen anzutreiben. Der Verdichter 61 saugt Luft aus der Umgebung an und stellt diese unter einem Ladedruck bereit. Die unter dem Ladedruck bereitgestellte Luft, die sogenannte Ladeluft, wird über eine Drosselklappe 7 dem Verbrennungsmotor 2 zugeführt. Dort wird die Luft über die entsprechenden Einlassventile 19 in die Zylinder 4 entsprechend dem Arbeitstakt eingelassen.
Stromabwärts der Turbine 62 ist ein Oxidationskatalysator 9 angeordnet, der zur Abgasnachbehandlung dient. Durch den Oxidationskatalysator 9 können die Schadstoffemissionen im Abgas drastisch reduziert werden. Insbesondere werden Kohlenmonoxid und Stickoxide in unschädlichere Gase oxidiert.
Anschließend kann der Abgasstrom durch einen optionalen Partikelfilter 10 geleitet werden, um die im Abgas von Dieselmotoren vorhandenen Partikel, insbesondere Rußpartikel, die bei Dieselmotoren entstehen, zu reduzieren.
Nach dem Partikelfilter 10 werden die gefilterten Abgase in einen nachfolgend angeordneten Reduktionskatalysator 11 geführt, der beispielsweise als SCR-Katalysator (SCR: Selektive katalytische Reduktion) ausgebildet sein kann, geführt wird. Beim SCR-Katalysator wird kontinuierlich eine wässrige Harnstofflösung als Reduktionsmittel in den Abgasstrom eingespritzt, so dass durch Hydrolyse Wasser und Ammoniak entstehen. Ammoniak ist in der Lage, die Stickoxide im Abgas zu Stickstoff zu reduzieren.
Zwischen dem Partikelfilter 10 und dem SCR-Katalysator 11 ist ein Dosiermodul 12 an einem entsprechenden Teil des Abgasabführungsabschnitts 5 angeordnet, um das Reduktionsmittel aus einem Reduktionsmittelbehälter 13 in geeigneter Dosierung dem Abgas hinzuzufügen, so dass eine Reduktion von Stickoxiden in dem SCR-Katalysator 11 erfolgt.
Stromaufwärts des Oxidationskatalysators 9 ist ein erster Temperatursensor 18 vorgesehen, um eine erste Abgastemperatur am Eingang des Oxidationskatalysators 9 als Zustandsgröße zu messen. In dem Teil des Abgasabführungsabschnitts zwischen den Partikelfilter 10 und dem SCR-Katalysators 11 ist ein zweiter Temperatursensor 14 vorgesehen, um eine zweite Abgastemperatur des Abgases am Ausgang des Oxidationskatalysators 9 bzw. vor Eintritt in den SCR-Katalysator 11 als Zustandsgröße zu messen.
Zwischen dem Verbrennungsmotor 2 und der Turbine 62 des Turboladers 6 ist eine Abgasrückführungsleitung 15 vorgesehen, um Verbrennungsabgase aus dem Abgasabführungsabschnitt 5 in den Bereich des Luftzuführungsabschnittes 3 zwischen der Drosselklappe 7 und den Einlassventilen 19 des Verbrennungsmotor 2 zurückzuführen. Das rückgeführte Abgas dient als Inertgas und ist an den Verbrennungen in den Brennräumen der Zylinder 4 nicht beteiligt. Es dient jedoch dazu, eine übermäßige Entstehung von Stickoxiden zu vermeiden, die bei einer Verbrennung unter Sauerstoffüberschuß vermehrt auftritt.
In der Abgasrückführungsleitung 15 kann ein Abgaskühler 16 und ein Abgasrückführungsventil 17 vorgesehen sein, um die Menge des rückgeführten Abgases und die sich daraus ergebende Abgasrückführungsrate einstellen zu können.
Zum Betreiben des Verbrennungsmotors ist ein Steuergerät 20 vorgesehen, das den Verbrennungsmotor 2 basierend auf einer Vorgabegröße E, wie z. B. einer Angabe zu einer Fahrpedalstellung, eines Wunschantriebsmoments und dergleichen, sowie basierend auf in dem Motorsystem 1 erfasste Zustandsgrößen Stellgeber des Motorsystems 1 ansteuert, um den Verbrennungsmotor 1 gemäß der Vorgabegröße zu betreiben. Die Stellgeber des Motorsystems 1 können z. B. der Drosselklappensteller für die Einstellung der Drosselklappe 7, worüber der Saugrohrdruck bzw. die den Zylindern zugeführte Luftmenge eingestellt werden kann, der Turbolader 6, mit dem der Ladedruck (z. B. über eine Einstellung des Wirkungsgrads durch Verstellen der Turbinengeometrie) eingestellt werden kann, das Abgasrückführungsventil 17, mit dem die Abgasrückführungsrate einstellbar ist, die Einspritzventile 8 in den Zylindern 4 zum Einstellen der Kraftstoffmenge und der Einspritzzeitpunkte umfassen.
Der Oxidationskatalysator 9 und der Reduktionskatalysator 11 müssen für einen ordnungsmäßen Betrieb auf eine Betriebstemperatur aufgeheizt werden. Nach einem Kaltstart des Motorsystem 1 ist daher ein sogenannter Aufheizbetrieb vorgesehen, mit dem das Aufheizen sowohl des Oxidationskatalysators 9 als auch des Reduktionskatalysators 11 beschleunigt durchgeführt werden kann.
Während des Aufheizvorgangs wird zunächst das Erreichen der Betriebstemperatur des Oxidationskatalysators 9 angestrebt. Dies kann mit Hilfe eines ersten Regelkreises erreicht werden, der über innermotorische Maßnahmen die Betriebstemperatur des Oxidationskatalysators 9 erhöht, um den Oxidationskatalysator 9 in die Lage zu versetzen, Kohlenwasserstoff zu oxidieren. Dazu wird eine Soll-Betriebstemperatur für den Oxidationskatalysator 9 vorgegeben, die einen Sollwert für den ersten Regelkreis darstellt. Mit Hilfe des ersten Temperatursensors 18, wird erste Abgastemperatur des Abgases vor dem Oxidationskatalysator 9 gemessen und abhängig von der Höhe der Regelabweichung, d. h. abhängig von der Höhe der Temperaturdifferenz zwischen der vorgegebenen Soll-Betriebstemperatur des Oxidationskatalysators 9 und der gemessenen Betriebstemperatur 18 ausgewählt. Für den Fall einer großen positive Regelabweichung, d. h. einer Regelabweichung über einen vorgegebenen Schwellenwert soll der erste Regelkreis abhängig von dem Verhalten des Oxidationskatalysators 9 die Einspritzzeitdauern und die Einspritzzeitpunkte entsprechend variieren.
Möglichkeiten der Variation von Einspritzmengen und Einspritzzeitpunkten zum Aufheizen des Oxidationskatalysators 9 bestehen darin, Kraftstoff als frühe Nacheinspritzung nach oder während der Verbrennung in den Zylinder 4 einzuspritzen. Der so eingespritzte Kraftstoff verbrennt im Wesentlichen nach dem Arbeitstakt im Zylinder oder im sich unmittelbar anschließenden Bereich des Abgasabführungsabschnittes und wirkt sich lediglich in einer Erhöhung der Abgastemperatur aus, ohne zum Antriebsmoment des Verbrennungsmotors 2 beizutragen.
Eine weitere Möglichkeit, die Abgastemperatur zu erhöhen, besteht darin, mehr Kraftstoff wahrend der Haupteinspritzung und bei etwaigen vor der Haupteinspritzung erfolgenden Voreinspritzungen hinzuzufügen.
Bei einer sogenannten späten Nacheinspritzung wird der Kraftstoff so spät in den Zylinder eingespritzt, das dieser nicht mehr in dem Zylinder verbrennt, sondern unverbrannt in den Oxidationskatalysator 9 gelangt und dort mit Luftsauerstoff reagiert. Diese Oxidation setzt Wärme frei.
In 2 ist das Verfahren zum Heizen der Katalysatoren als Flussdiagramm dargestellt.
In Schritt S1 wird anhand des ersten Temperatursensors 18 überprüft, ob ein Aufheizbetrieb vorgenommen werden muss. Ein Aufheizbetrieb ist notwendig, wenn festgestellt wird, dass die in den Oxidationskatalysator 9 strömenden Abgase kühler sind als durch einen vorgegebenen ersten Temperatur-Schwellenwert angegeben. Ist der Aufheizbetrieb notwendig (Alternative: Ja), so wird in Schritt S2 der Verbrennungsmotor 2 gemäß einer ersten Aufheizbetriebsart betrieben. Dazu wird der erste Regelkreis in dem Steuergerät 20 aktiviert, dem die Soll-Betriebstemperatur des Oxidationskatalysators 9 als Sollwert vorgegeben ist. Diese Soll-Betriebstemperatur wird mit der aktuellen Ist-Temperatur beim Start des Aufheizbetriebes initialisiert und in Abhängigkeit des Motorbetriebspunkt und der Dauer der Aufheizbetriebsart aktualisiert und bis auf einen ersten Temperatur-Schwellenwert kontinuierlich oder schrittweise erhöht. Der erste Regelkreis steuert den Verbrennungsmotor 2 so, dass die Abgastemperatur des aus den Zylindern 4 ausgestoßenen Abgases höher ist als im Normalbetrieb, so dass sich der Oxidationskatalysator 9 aufwärmen kann.
Während der erste Regelkreis aktiv ist, wird die erste Abgastemperatur in Schritt S3 überwacht und sobald der erste Temperatur-Schwellenwert durch die erste Abgastemperatur überschritten wird (Alternative: Ja), wird in Schritt S4 die zweite Aufheizbetriebsart eingenommen, bei der ausschließlich oder ergänzend ein Heizen des SCR-Katalysators 11 vorgenommen wird. Bei der zweiten Aufheizbetriebsart ist daher der zweite Regelkreis alternativ oder zusätzlich zu dem ersten Regelkreis aktiviert. Der zweite Regelkreis steuert abhängig von der Differenz zwischen der zweiten Abgastemperatur und einer vorgegebenen zweiten Soll-Betriebstemperatur, die einer Arbeitstemperatur des SCR-Katalysators 11 entsprechen kann, durch Vornehmen einer späten Nacheinspritzung die Menge an unverbranntem Kraftstoff, der in den Abgasabführungsabschnitt 5 bzw. in den Oxidationskatalysator 9 gelangt. Diese zweite Soll-Betriebstemperatur wird mit der aktuellen Ist-Temperatur beim Start des Aufheizbetriebes initialisiert und in Abhängigkeit von dem Motorbetriebspunkt 8 und von der Dauer der Aufheizbetriebsart aktualisiert und bis auf einen zweiten Temperatur-Schwellenwert kontinuierlich oder schrittweise erhöht.
In Schritt S5 wird überprüft, ob die vorgegebene zweite Soll-Betriebstemperatur erreicht worden ist. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), wird in Schritt S6 der Verbrennungsmotor in einer Normalbetriebsart betrieben und der Aufheizbetrieb beendet (Schritt S6).
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass, wenn die Regelabweichung des ersten Regelkreises größer ist als ein vorgegebener Regelabweichungs-Schwellenwert, der Verbrennungsmotor 2 ausschließlich in der ersten Aufheizbetriebsart betrieben wird, die einem Magerbetrieb mit einer frühen Nacheinspritzung von zusätzlichem Kraftstoff entspricht. Dadurch wird aus den Zylindern 4 ein Verbrennungsabgas mit einer höheren Abgastemperatur ausgestoßen, wodurch der Oxidationskatalysator 9 schneller erwärmt wird, als dies bei einem Normalbetrieb der Fall ist.
Sinkt die Temperaturdifferenz zwischen der mit dem ersten Temperatursensor 18 gemessenen ersten Abgastemperatur und der vorgegebenen ersten Soll-Betriebstemperatur unter den Regelabweichungs-Schwellenwert, so wird zusehends die zum Aufheizen vorgesehene Kraftstoffmenge gemäß einer späten Nacheinspritzung eingespritzt, so dass die Verbrennung des Kraftstoffs im Auslassbereich oder eine Oxidation im Oxidationskatalysator 9 stattfindet und somit direkt Wärme dort erzeugt wird.
Jedoch sollte bei zu hoher Temperaturdifferenz, d. h. einer zu großen Regelabweichung, die Kraftstoffmenge, die als späte Nacheinspritzung eingespritzt wird, nicht zu stark erhöht sein, da dann die Gefahr besteht, dass der Kraftstoff nicht vollständig in dem Oxidationskatalysator 9 verbrennt und Kohlenwasserstoffe in den nachfolgenden SCR-Katalysator 11 gelangen, so dass dieser dadurch „vergiftet” wird. Die Kohlenwasserstoffe können insbesondere die Funktion des SCR-Katalysators blockieren und eine häufige Auffrischung des SCR-Katalysators notwendig machen, die die Effizienz des Motorsystems erheblich reduziert.
Dieses Verhalten kann dadurch vermieden werden, dass der Reglereingriff des ersten Regelkreises ausschließlich innermotorische Maßnahmen betrifft und keine späte Nacheinspritzung zulässt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Aufteilung einer zusätzlichen Aufheizkraftstoffmenge zwischen einer Haupteinspritzung und Voreinspritzungen die Hauptstellgröße des ersten Regelkreises ist.
Die Überwachung der Regelabweichung zwischen der ersten Abgastemperatur und der ersten Soll-Betriebstemperatur kann als Diagnose verwendet werden. Insbesondere kann damit die Wirkung der mit der ersten Aufheizbetriebsart verbundenen Maßnahmen überprüft werden.
Ist der erste Temperatur-Schwellenwert den Oxidationskatalysator 9 betreffend erreicht, so wird gemäß der zweiten Aufheizbetriebsart des Aufheizvorgangs der Reduktionskatalysator 11 aufgeheizt. Dazu wird die zweite Abgastemperatur des Abgases vor dem SCR-Katalysator 11 durch den zweiten Temperatursensor 14 gemessen. Abhängig von einer Temperaturdifferenz zwischen der vorgegeben zweiten Soll Betriebstemperatur des SCR-Katalysators 11 und der zweiten Abgastemperatur des Abgases vor dem SCR-Katalysator 11 wird die Regelung des zweiten Regelkreises durchgeführt.
Als wesentliche Stellgröße des zweiten Regelkreises wird nun eine Einspritzung von Kraftstoff nach der Verbrennung in den Zylindern als späte Nacheinspritzung durchgeführt. Dadurch verbrennt der Kraftstoff im Auslassbereich der Zylinder 4 bzw. erst im Oxidationskatalysator 9 und erwärmt das aus den Zylindern 4 ausgestoßene Abgas so, dass der SCR-Katalysator 11 aufgeheizt wird.
Sowohl bei der ersten als auch bei der zweiten Regelung kann vorgesehen sein, dass die vorgegebenen Soll-Betriebstemperaturen des Abgases abhängig von dem Betriebspunkt des Verbrennungsmotors 2, der durch die Drehzahl, Einspritzmenge, Abgasrückführungsrate, Fahrgeschwindigkeit, der Umweltbedingungen, wie z. B. Umgebungstemperatur und Umgebungsluftdruck, sowie die Zeitdauer, während der der Aufheizbetrieb aktiv ist, bestimmt werden. Insbesondere können die Soll-Betriebstemperaturen moderat an den momentanen Betriebszustand so angepasst werden, dass vermieden wird, dass die Regelabweichung zu hoch wird. Eine hohe Regelabweichung hätte zur Folge, dass eine hohe Kraftstoffmenge zusätzlich in die Zylinder 4 des Verbrennungsmotors eingespritzt würde. Dies führt bei einer zu geringen ersten Abgastemperatur vor dem Oxidationskatalysator 9 bzw. im Oxidationskatalysator 9 dazu, dass unverbrannter Kraftstoff in dem Oxidationskatalysator 9 nicht verbrennt und dadurch Kraftstoff in den SCR-Katalysator 11 gelangt. Eine Vergiftung des SCR-Katalysators 11 mit Kohlenwasserstoffen wäre die Folge.
Weiterhin kann ein Verfahren zur Überwachung der Wirksamkeit des Aufheizvorganges durchgeführt werden, dazu wird die Diagnose freigegeben, wenn die Regelungen die gesamten Stellmöglichkeiten ausgeschöpft haben, d. h. wenn die Stellgrößen wie z. B. die Einspritzmenge, die bei der späten Nacheinspritzung eingespritzt wird, einen Maximalwert hat, und die allgemeinen Freigabebedingungen, die von der Drehzahl, der Einspritzmenge und dergleichen abhängen, für eine bestimmte Zeitdauer bestanden haben. Ein Fehler wird erkannt, wenn die Regelabweichung in einer der Regelungen einen vorgegebenen Schwellwert für eine bestimmte Zeitdauer überschreitet.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (2) in einem Katalysatorheizbetrieb, wobei der Verbrennungsmotor (2) in einem Normalbetrieb betreibbar ist, mit folgenden Schritten: – Ermitteln (S1) einer ersten Abgastemperaturangabe, die die Abgastemperatur des Abgases in einem ersten Katalysator (9), insbesondere in einem Oxidationskatalysator, angibt; – Betreiben (S2) des Verbrennungsmotors (2) in einer ersten Betriebsart, bei der gegenüber dem Normalbetrieb Abgas mit einer erhöhten Abgastemperatur aus mindestens einem Zylinder (4) des Verbrennungsmotors (2) ausgestoßen wird, solange die erste Abgastemperaturangabe einen vorgegebenen ersten Temperatur-Schwellenwert nicht erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei der ersten Betriebsart zusätzlicher Kraftstoff vor oder während des Verbrennungsvorgangs bei Luftüberschuß in den mindestens einen Zylinder (4) eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei bei der ersten Betriebsart der Verbrennungsmotor (2) so betrieben wird, dass kein unverbrannter Kraftstoff in den Abgasabführungsabschnitt (5) gelangt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei bei der ersten Betriebsart die erste Abgastemperaturangabe auf eine vorgegebene erste Soll-Betriebstemperatur geregelt wird, wobei der Regeleingriff lediglich innermotorische Maßnahmen betrifft, insbesondere wobei der Regeleingriff durch die Aufteilung einer zusätzlichen Aufheizkraftstoffmenge zwischen einer Haupteinspritzung und Voreinspritzungen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die vorgegebene Soll-Betriebstemperatur abhängig von einem Betriebszustand des Motorsystems (1) variiert wird, so dass der Unterschied zwischen der ersten Abgastemperaturangabe und der vorgegebenen ersten Soll-Betriebstemperatur einen vorgegebenen Grenzwert nicht überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei, wenn der vorgegebene erste Temperatur-Schwellenwert erreicht worden ist, die weiteren Schritte durchgeführt werden: – Ermitteln einer zweiten Abgastemperaturangabe, die die Abgastemperatur des Abgases in einem zweiten Katalysator (11) angibt, der dem ersten Katalysator (9) nachgeschaltet ist; – Betreiben (S4) des Verbrennungsmotors (2) in einer zweiten Betriebsart, bei der das aus den Zylindern (4) des Verbrennungsmotors (2) ausgestoßene Abgas unverbrannten Kraftstoff enthält, der zum Erhöhen der Abgastemperatur in dem Abgasabführungsabschnitt verbrennt und/oder in dem ersten Katalysator oxidiert, so dass dadurch die Abgastemperatur erhöht wird, solange die zweite Abgastemperaturangabe eine zweite Soll-Betriebstemperatur für den zweiten Katalysator nicht erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei bei der zweiten Betriebsart die Abgastemperatur des Abgases in dem zweiten Katalysator (11) auf die vorgegebene zweite Soll-Betriebstemperatur geregelt wird, wobei der Regeleingriff eine späte Nacheinspritzung von Kraftstoff nach einem Verbrennungsvorgang in dem mindestens einen Zylinder (4) betrifft.
Verfahren zur Überprüfung der Funktion des Katalysatorheizbetriebs mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 und 7, wobei ein Fehler der Funktion des Katalysatorheizbetriebs erkannt wird, wenn der Unterschied zwischen der ersten Abgastemperaturangabe und der vorgegebenen ersten Soll-Betriebstemperatur bzw. der Unterschied zwischen der zweiten Abgastemperaturangabe und der vorgegebenen zweiten Soll-Betriebstemperatur während einer vorgegebenen Zeitdauer einen vorgegebenen Diagnose-Grenzwert überschreitet.
Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (2) in einem Katalysatorheizbetrieb, wobei der Verbrennungsmotor (2) in einem Normalbetrieb betreibbar ist, umfassend: – einen ersten Temperatursensor (18) zum Ermitteln einer ersten Abgastemperaturangabe, die die Abgastemperatur des Abgases in einem ersten Katalysator (9) angibt; – ein Steuergerät (20), das ausgebildet ist, um den Verbrennungsmotor (2) in einer ersten Betriebsart zu betreiben, bei der gegenüber dem Normalbetrieb Abgas mit einer erhöhten Abgastemperatur aus mindestens einem Zylinder (4) des Verbrennungsmotors (2) ausgestoßen wird, solange die erste Abgastemperaturangabe einen vorgegebenen ersten Temperatur-Schwellenwert nicht erreicht hat.
Motorsystem (1) mit einem Verbrennungsmotor (2) und einer Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Verbrennungsmotor (2) ausgebildet ist, Abgas in einen Abgasabführungsabschnitt (5) auszustoßen, wobei der erste Temperatursensor (18) zwischen dem Verbrennungsmotor (2) und dem ersten Katalysator (9) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, weiterhin umfassend: – einen zweiten Temperatursensor (14) zum Ermitteln einer zweiten Abgastemperaturangabe, die eine Abgastemperatur des Abgases in einem zweiten Katalysator (11) angibt, der dem ersten Katalysator (9) nachgeschaltet ist; – das Steuergerät (20), das ausgebildet ist, um, wenn der vorgegebene erste Temperatur-Schwellenwert erreicht worden ist, den Verbrennungsmotor (2) in einer zweiten Betriebsart zu betreiben, bei der das aus den Zylindern (4) des Verbrennungsmotors (2) ausgestoßene Abgas unverbrannten Kraftstoff enthält, der zum Erhöhen der Abgastemperatur in dem Abgasabführungsabschnitt (5) verbrennt und/oder in dem ersten Katalysator (9) oxidiert, so dass dadurch die Abgastemperatur erhöht wird, solange die zweite Abgastemperaturangabe eine vorgegebene zweite Soll-Betriebstemperatur nicht erreicht hat.
Motorsystem (1) mit einem Verbrennungsmotor (2) und einer Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der zweite Temperatursensor (14) zwischen dem ersten Katalysator (9) und dem zweiten Katalysator (11) angeordnet ist.
Computerprogrammprodukt, das einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführt wird, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchführt.