DE102012211717A1

DE102012211717A1 - Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102012211717A1
Application number: DE102012211717.2A
Authority: DE
Inventors: Arthur Bastoreala; Tobias Pfister; Alexander Heinrich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-07-05
Filing date: 2012-07-05
Publication date: 2014-01-09
Also published as: US20140010745A1; US8883101B2

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage (10) für eine Brennkraftmaschine (12) beschrieben, wobei die Abgasanlage (10) mindestens eine erste und mindestens eine zweite katalytische Beschichtung umfasst, und wobei die zweite katalytische Beschichtung im Abgasstrom stromabwärts der ersten katalytischen Beschichtung angeordnet ist. Erfindungsgemäß wird zeitweise eine zusätzliche Menge von Kohlenwasserstoffen stromaufwärts der ersten katalytischen Beschichtung in das Abgas derart eingebracht, dass eine wärmeerzeugende Reaktion in der zweiten katalytischen Beschichtung stattfinden kann. Mittels mindestens eines Temperatursensors (38b, 38c) und/oder mindestens eines Kohlenwasserstoffsensors (40) und/oder mindestens einer Lambdasonde (34b, 34c) wird stromaufwärts und/oder stromabwärts der zweiten katalytischen Beschichtung mindestens eine Eigenschaft des Abgases ermittelt, welche eine Reaktion der zweiten katalytischen Beschichtung als Folge der zusätzlichen Menge von Kohlenwasserstoffen charakterisiert.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung und ein Computerprogramm nach den nebengeordneten Patentansprüchen.
Vom Markt her bekannt sind Brennkraftmaschinen, deren Abgas mittels eines Abgasnachbehandlungssystems verbessert bzw. von Schadstoffen gereinigt wird. Beispielsweise weist eine Abgasanlage für einen Dieselmotor in Stromrichtung des Abgases einen Diesel-Oxidationskatalysator, einen Dieselpartikelfilter und einen SCR-Katalysator (engl. "selective catalytic reduction") auf. Weiterhin ist es bekannt, in der Abgasanlage Sensoren anzuordnen, mit denen eine Zusammensetzung des Abgases optimal eingestellt werden kann beziehungsweise mittels derer einige Elemente der Abgasanlage auf ihren ordnungsgemäßen Betrieb überwacht werden können.
Eine Patentveröffentlichung aus diesem Fachgebiet ist beispielsweise die DE 10 2009 046 433 A1 .
Offenbarung der Erfindung
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, sowie durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung und ein Computerprogramm nach den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass eine zweite katalytische Beschichtung einer Abgasanlage, insbesondere in einem Dieselpartikelfilter einer Abgasanlage einer nach dem Dieselprinzip arbeitenden Brennkraftmaschine, besonders gut überwacht werden kann, ohne das aufwändige Zusatzeinrichtungen vorgesehen werden müssen. Insbesondere kann durch das Verfahren leicht auf einen Zustand der zweiten katalytischen Beschichtung bzw. des Dieselpartikelfilters in Bezug auf die Eigenschaft, Kohlenwasserstoffe umzusetzen, geschlossen werden. Dies kann im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine mit Sensoren erfolgen, welche häufig bereits in der Abgasanlage verbaut sind.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben der Abgasanlage für die Brennkraftmaschine, wobei die Abgasanlage mindestens eine erste und mindestens eine zweite katalytische Beschichtung umfasst, wobei die zweite katalytische Beschichtung im Abgasstrom stromabwärts der ersten katalytischen Beschichtung angeordnet ist. Erfindungsgemäß wird zeitweise eine zusätzliche Menge von Kohlenwasserstoffen stromaufwärts der ersten katalytischen Beschichtung in das Abgas derart eingebracht wird, dass eine wärmeerzeugende Reaktion in der zweiten katalytischen Beschichtung stattfinden kann. Dabei wird mittels mindestens eines Temperatursensors und/oder mindestens eines Kohlenwasserstoffsensors und/oder mindestens einer Lambdasonde stromaufwärts und/oder stromabwärts der zweiten katalytischen Beschichtung mindestens eine Eigenschaft des Abgases ermittelt, welche eine Reaktion der zweiten katalytischen Beschichtung als Folge der zusätzlichen Menge von Kohlenwasserstoffen charakterisiert.
Die zweite katalytische Beschichtung weist unter anderem die Fähigkeit auf, unverbrannte Kohlenwasserstoffe zu oxidieren und ein definiertes Verhältnis von NO zu NO2 (Stickoxide) im Abgas bereitzustellen, so dass in einem stromabwärts angeordneten SCR-Katalysator (engl. "selective catalytic reduction") eine Reduktion der Stickoxide (NOx) optimal ablaufen kann. Diese Fähigkeiten können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders einfach und genau überwacht werden. Bei einer funktionierenden zweiten katalytischen Beschichtung in der Abgasanlage wird bei der Umsetzung der Kohlenwasserstoffe eine Wärmemenge erzeugt, welche durch das Verfahren ermittelt wird. In Abhängigkeit von einer jeweiligen Ausgestaltung der Erfindung wird dazu mindestens ein Temperatursensor und/oder mindestens ein Kohlenwasserstoffsensor und/oder mindestens eine Lambdasonde verwendet. Diese Sonden beziehungsweise Sensoren sind stromaufwärts und/oder stromabwärts der zweiten katalytischen Beschichtung angeordnet. Damit ist es unter anderem möglich, Eigenschaften des Abgases und einen entsprechenden Betriebszustand der zweiten katalytischen Beschichtung zu ermitteln. Die erfindungsgemäß zusätzlich eingebrachte Menge von Kohlenwasserstoffen erfolgt vorzugsweise stromaufwärts der ersten katalytischen Beschichtung. Es ist jedoch auch möglich, die zusätzliche Menge von Kohlenwasserstoffen räumlich zwischen der ersten und der zweiten katalytischen Beschichtung in das Abgas einzubringen.
Allgemein versteht es sich, dass die Bedeutung von "stromaufwärts der zweiten katalytischen Beschichtung" – wo es sinnvoll ist – die Bedeutung von "stromaufwärts der ersten katalytischen Beschichtung" einschließen kann.
Vorzugsweise ist die erste katalytische Beschichtung ein Diesel-Oxidationskatalysator und die zweite katalytische Beschichtung ein Dieselpartikelfilter. Die erste katalytische Beschichtung in dem Diesel-Oxidationskatalysator besitzt ebenfalls die Fähigkeit, in dem Abgas enthaltene unverbrannte Kohlenwasserstoffe zu vermindern. Daher ist ein Kohlenwasserstoffanteil eingangs des Dieselpartikelfilters im Allgemeinen zu gering, um die Funktion der zweiten katalytischen Beschichtung zuverlässig zu beurteilen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch dazu in der Lage, indem eine so große Menge an Kohlenwasserstoffen in das Abgas eingebracht wird, dass diese nicht vollständig von der ersten katalytischen Beschichtung umgewandelt werden kann, also sicher noch etwas an der zweiten katalytischen Beschichtung ankommt, wie es weiter unten noch näher erläutert werden wird.
Insbesondere ist vorgesehen, dass aus der ermittelten Eigenschaft auf einen Zustand der zweiten katalytischen Beschichtung geschlossen wird. Damit kann die Funktion der zweiten katalytischen Beschichtung bzw. des Dieselpartikelfilters – beispielsweise im Rahmen einer so genannten "On-Board-Diagnose" (OBD) – vergleichsweise einfach überprüft bzw. überwacht werden.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Eigenschaft eine Differenz einer Wärmemenge (auch "Wärmestrom, Einheit Energie pro Zeit) stromaufwärts und stromabwärts der zweiten katalytischen Beschichtung und/oder eine mittels der zweiten katalytischen Beschichtung umgesetzte Wärmemenge ist. Die Eigenschaft des Abgases, welche zur Überwachung der zweiten katalytischen Beschichtung verwendet wird, ist vorliegend also die Differenz der Wärmemengen stromaufwärts und stromabwärts der zweiten katalytischen Beschichtung beziehungsweise des Dieselpartikelfilters. Vorzugsweise kann die umgesetzte Wärmemenge mittels einer Temperaturdifferenz stromaufwärts und stromabwärts des Dieselpartikelfilters ermittelt werden, wobei die ermittelte Temperaturdifferenz mittels einer Integration in eine Differenz der Wärmemengen umgerechnet wird. Dies kann mittels in der Abgasanlage angeordneter Temperatursensoren erfolgen, welche vergleichsweise robust und kostengünstig sind. Möglich ist aber auch, dass zur Ermittlung der Temperaturdifferenz ein Modellwert der Temperatur stromabwärts von der zweiten katalytischen Beschichtung verwendet wird. Diese Temperatur wird ermittelt unter der Annahme, dass durch die zweite katalytische Beschichtung kein Kohlenwasserstoff umgesetzt wird. Im einfachsten Fall wird angenommen, dass diese ermittelte Temperatur der Temperatur stromaufwärts von der zweiten katalytischen Beschichtung entspricht. Dies hat den Vorteil, dass auf einen zusätzlichen Temperatursensor stromabwärts von der zweiten katalytischen Beschichtung verzichtet werden kann.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Eigenschaft eine zeitliche Veränderung einer Abgastemperatur stromabwärts der zweiten katalytischen Beschichtung ist. Weil die zusätzliche Menge von in den Abgasstrom eingebrachten Kohlenwasserstoffen zeitweise erfolgt, kann mittels einer zeitlichen Veränderung der Abgastemperatur stromabwärts des Dieselpartikelfilters beziehungsweise der zweiten katalytischen Beschichtung ebenfalls die Eigenschaft des Abgases beziehungsweise der Zustand der zweiten katalytischen Beschichtung ermittelt werden. Besonders vorteilhaft ist, dass dies mittels eines einzigen Temperatursensors erfolgen kann. Es versteht sich, dass die beiden beschriebenen Ausgestaltungen des Verfahrens auch kombiniert werden können, um beispielsweise die Genauigkeit zu erhöhen.
Eine nochmals weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Eigenschaft eine Differenz eines Kohlenwasserstoffanteils stromaufwärts und stromabwärts der zweiten katalytischen Beschichtung ist. Dadurch kann auf einfache Weise die Wirkung der zweiten katalytischen Beschichtung in Bezug auf die Umsetzung von Kohlenwasserstoffen unmittelbar und ohne die Verwendung anderen Größen ermittelt werden.
Eine nochmals weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Eigenschaft mittels einer Differenz von Signalen von Lambdasonden stromaufwärts und stromabwärts der zweiten katalytischen Beschichtung ermittelt wird. Lambdasonden können eine "Querempfindlichkeit" in Bezug auf eine Zusammensetzung der Kohlenwasserstoffe (HC-Kettenlänge) aufweisen. Beim Vorhandensein von langkettigen Kohlenwasserstoffen können diese ein Signal ausgeben, welches auf ein scheinbar zu mageres Gemisch schließen lässt. Falls also die Lambdasonden stromaufwärts und stromabwärts der zweiten katalytischen Beschichtung vergleichbare Signale ausgeben, so kann daraus geschlossen werden, dass in dem Dieselpartikelfilter keine wesentliche Umsetzung von Kohlenwasserstoffen erfolgt. Temperatursensoren oder Kohlenwasserstoffsensoren sind für diese Ausgestaltung der Erfindung nicht erforderlich, wodurch Kosten gespart werden können.
Ergänzend kann vorgesehen sein, dass eine Abgastemperatur und/oder ein Anteil von Kohlenwasserstoff stromaufwärts der zweiten katalytischen Beschichtung mittels eines Modells ermittelt wird. Auf diese Weise kann ein Kohlenwasserstoffsensor beziehungsweise ein Temperatursensor stromaufwärts des Dieselpartikelfilters eingespart werden. Das Modell ermittelt den Anteil von Kohlenwasserstoff beziehungsweise die Abgastemperatur aus übrigen Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine beziehungsweise der Abgasanlage, welche im Allgemeinen ohnehin in einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung der Brennkraftmaschine bzw. der Abgasanlage vorliegen.
Vorzugsweise wird die zusätzliche Menge von Kohlenwasserstoffen in das Abgas mittels mindestens einer späten Nacheinspritzung in mindestens einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingebracht und/oder es wird die zusätzliche Menge von Kohlenwasserstoffen unmittelbar in das Abgas eingebracht. Damit werden zwei besonders einfache Möglichkeiten zur Einbringung zusätzlicher Mengen von Kohlenwasserstoffen in das Abgas beschrieben, welche einen vergleichsweise geringen oder sogar keinen zusätzlichen baulichen Aufwand erfordern.
Das Verfahren arbeitet besonders genau, wenn die zusätzliche Menge an Kohlenwasserstoffen dann in das Abgas eingebracht wird und/oder wenn die Eigenschaft dann ermittelt wird, wenn ein Volumenstrom des Abgases größer als ein Schwellwert ist und/oder wenn eine Abgastemperatur kleiner als ein Schwellwert ist und die zweite katalytische Beschichtung eine Temperatur aufweist, welche größer als ein Schwellwert ist. Für den ersten Fall, dass ein Volumenstrom des Abgases größer als ein Schwellwert ist, wird erreicht, dass in dem Diesel-Oxidationskatalysator, welcher stromaufwärts des Dieselpartikelfilters angeordnet ist, ein sogenannter HC-Schlupf stattfindet. Als Folge des vergleichsweise großen Volumenstroms (Abgasmassenstrom) kann der Diesel-Oxidationskatalysator nicht alle der ihm angebotenen Kohlenwasserstoffe umsetzen. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren besonders einfach durchgeführt werden.
Für den zweiten Fall, dass die Abgastemperatur kleiner als ein Schwellwert ist und die zweite katalytische Beschichtung eine Temperatur aufweist, welche größer als ein Schwellwert ist, ist ebenfalls eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich. Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass bei niedrigen Temperaturen des Abgases (beispielsweise kleiner als 180°C) eine stromaufwärts des Diesel-Oxidationskatalysators erfolgende Einbringung von Kohlenwasserstoffen auch bei niedrigen Raumgeschwindigkeiten des Abgases den nachfolgenden Dieselpartikelfilter zumindest teilweise erreichen kann. Dies ist möglich, weil der Kohlenwasserstoff-Umsatz der ersten katalytischen Beschichtung als Folge der vergleichsweisen niedrigen Abgastemperatur ebenfalls gering ist.
Gleichzeitig ist es jedoch erforderlich, dass der Dieselpartikelfilter eine vergleichsweise hohe Temperatur aufweist. Beide für diese Ausgestaltung des Verfahrens erforderlichen Vorbedingungen sind in der Praxis realisierbar, weil im Allgemeinen der Diesel-Oxidationskatalysator eine vergleichsweise kleine Masse beziehungsweise ein kleines Volumen aufweist und deshalb schneller abkühlen kann, als der stromabwärts angeordnete Dieselpartikelfilter. Im Betrieb der Brennkraftmaschine – insbesondere bei einer "dynamischen" Fahrweise des Kraftfahrzeugs – können diese Vorbedingungen zumindest gelegentlich erfüllt sein.
Ergänzend kann vorgesehen sein, dass die zusätzliche Menge an Kohlenwasserstoffen nur dann in das Abgas eingebracht wird, wenn ein Sauerstoffanteil des Abgases stromaufwärts der zweiten katalytischen Beschichtung größer als ein Schwellwert ist, insbesondere dass ein Lambdawert des Abgases größer als eins beträgt. Damit wird erreicht, dass ausreichend Sauerstoff für die Verbrennung im Dieselpartikelfilter zur Verfügung steht. Dadurch kann das erfindungsgemäße Verfahren genügend präzise durchgeführt werden. Es ist darauf zu achten, dass der Diesel-Oxidationskatalysator beziehungsweise die erste Beschichtung nicht durch eine zu hohe Exothermie beschädigt wird.
Das Verfahren kann besonders einfach und genau auf einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine bzw. für eine Abgasanlage durchgeführt werden. Vorzugsweise wird dazu ein Computerprogramm verwendet, welches zur Durchführung des Verfahrens entsprechend programmiert ist.
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine und einer Abgasanlage;
2 ein Zeitdiagramm mit zwei Kurven einer Kohlenwasserstoff-Konzentration;
3 ein Zeitdiagramm mit einem Einspritzmuster einer Kraftstoffeinspritzung;
4 ein Diagramm mit einem Schlupf von Kohlenwasserstoffen im Abgas über einer Abgasgeschwindigkeit;
5 ein Zeitdiagramm mit zwei Kurven einer Abgastemperatur; und
6 ein Flussdiagramm zur Durchführung eines Verfahrens zum Betreiben der Abgasanlage.
Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt im unteren Bereich der Zeichnung ein vereinfachtes Schema einer Abgasanlage 10 eines Kraftfahrzeugs. Links oberhalb der Abgasanlage 10 ist eine Brennkraftmaschine 12 symbolisch dargestellt, die über eine Rohrverbindung 14 Abgas in die Abgasanlage 10 einströmt. Eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 16 ist über ankommende und abgehende elektrische Leitungen 20 und 22 mit der Brennkraftmaschine 12 sowie über ankommende und abgehende elektrische Leitungen 24 und 26 mit Komponenten der Abgasanlage 10 verbunden. Diese Verbindungen sind in der Zeichnung lediglich angedeutet. Weiterhin umfasst die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 16 ein Computerprogramm 18 und ein oder mehrere Modelle 21. Das Computerprogramm 18 kann mit dem Modell 21 Daten austauschen.
In der Abgasanlage 10 wird das Abgas im Wesentlichen von links nach rechts durchgeleitet und aufbereitet. Vorliegend handelt es sich um die Abgasanlage 10 eines Dieselkraftfahrzeugs. Die Abgasanlage 10 weist dazu in Flussrichtung des Abgases einen Diesel-Oxidationskatalysator 28, einen Dieselpartikelfilter 30, eine Zuführeinrichtung 31 für eine wässrige Harnstofflösung 33, und einen SCR-Katalysator 32 auf (SCR bedeutet "selective catalytic reduction"). Der Diesel-Oxidationskatalysator 28 entspricht einer ersten katalytischen Beschichtung und der Dieselpartikelfilter 30 entspricht einer zweiten katalytischen Beschichtung der Abgasanlage 10.
Stromaufwärts des Diesel-Oxidationskatalysators 28 sowie stromaufwärts und stromabwärts des Dieselpartikelfilters 30 ist jeweils eine Lambdasonde 34a bis 34c im Abgasstrom angeordnet. Stromaufwärts und stromabwärts des SCR-Katalysators 32 ist je ein NOx-Sensor 36 (NOx bedeutet "Stickoxide") im Abgasstrom angeordnet. Des Weiteren weist die Abgasanlage 10 vorliegend vier Temperatursensoren 38a bis 38d und einen HC-Sensor 40 ("Kohlenwasserstoffsensor") auf. Die Lambdasonden 34a bis 34c, die NOx-Sensoren 36, die Temperatursensoren 38a bis 38d und der HC-Sensor 40 sind mit der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 16 über die ankommenden und abgehenden elektrischen Leitungen 24 und 26 verbunden. Dies ist in der Zeichnung der 1 jedoch nicht einzeln dargestellt.
Es sei angemerkt, dass die in der Zeichnung der 1 dargestellten Sensoren, also die Lambdasonden 34a bis 34c, die NOx-Sensoren 36, die Temperatursensoren 38a bis 38d und der HC-Sensor 40 nicht unbedingt in der vorliegenden Anzahl gleichzeitig in der Abgasanlage 10 verbaut sind. Die Zeichnung zeigt eher eine Summe von Möglichkeiten zur Analyse des Abgases bzw. zur Überwachung der Elemente der Abgasanlage 10.
Im oberen rechten Bereich der Zeichnung von 1 ist ein Speicherbehälter 42 angeordnet, welcher die wässrige Harnstofflösung 33 enthält und über eine hydraulische Leitung 44 mit der Zuführeinrichtung 31 verbunden ist. Die Zuführeinrichtung 31 kann über die elektrischen Leitungen 26 angesteuert und somit betätigt werden. Das Einbringen der wässrigen Harnstofflösung 33 stromaufwärts des SCR-Katalysators 32 ist jedoch unerheblich für das nachfolgend beschriebene Verfahren zur Überwachung der zweiten katalytischen Beschichtung.
Im Betrieb der Abgasanlage 10 werden im Diesel-Oxidationskatalysator 28 Kohlenwasserstoffanteile (C_mH_n,welche allgemein auch als "HC" bezeichnet werden) und Kohlenmonoxidanteile (CO) des Abgases vermindert. Im nachfolgenden Dieselpartikelfilter 30 werden Rußpartikel aus dem Abgas gefiltert sowie mittels der zweiten katalytischen Beschichtung in dem Abgas noch enthaltene unverbrannte Kohlenwasserstoffe oxidiert. Weiterhin ermöglichen es der Diesel-Oxidationskatalysator 28 und der Dieselpartikelfilter 30, ein definiertes NO-zu-NOx-Verhältnis im Abgas bereitzustellen, damit in dem stromabwärts angeordneten SCR-Katalysator 32 die NOx-Reduktion des Abgases optimal ablaufen kann.
Zur Überwachung der zweiten katalytischen Beschichtung in dem Dieselpartikelfilter 30 erfolgt gelegentlich oder periodisch eine späte Nacheinspritzung 58 (siehe 3) in der Brennkraftmaschine 12. Alternativ kann auch zeitweise eine definierte zusätzliche Menge von Kohlenwasserstoffen unmittelbar in das Abgas eingebracht werden, beispielsweise stromaufwärts des Diesel-Oxidationskatalysators 28 oder in einem Bereich zwischen dem Diesel-Oxidationskatalysator 28 und dem Dieselpartikelfilter 30. Dabei wird die Menge derart bemessen, dass es der ersten katalytischen Beschichtung – vorliegend also dem Diesel-Oxidationskatalysator 28 – nicht gelingt, diese vollständig umzusetzen. Daraus ergibt sich ein so genannter "HC-Schlupf", welcher nachfolgend mittels der zweiten katalytischen Beschichtung oxidiert werden kann bzw. werden soll, wobei in dem Dieselpartikelfilter 30 eine wärmeerzeugende Reaktion stattfindet.
Dabei wird mittels mindestens einer der oben beschriebenen Sonden bzw. Sensoren 34a bis 34c, 36, 38a bis 38d sowie 40 mindestens eine Eigenschaft des Abgases ermittelt, welche eine Reaktion der zweiten katalytischen Beschichtung als Folge der zusätzlich eingebrachten Menge von Kohlenwasserstoffen charakterisiert. Ein bevorzugtes Ziel des Verfahrens ist es dabei, auf einen Zustand der zweiten katalytischen Beschichtung zu schließen und somit eine Aussage über die Brauchbarkeit der zweiten katalytischen Beschichtung bzw. des Dieselpartikelfilters 30 in Bezug auf die Umsetzung von Kohlenwasserstoffen zu ermöglichen.
Vorzugsweise wird die bei der Reaktion freigesetzte Wärmemenge unter Verwendung des Temperatursensors 38c stromabwärts des Dieselpartikelfilters 30 ermittelt. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines Temperatur-Referenzwertes stromaufwärts des Dieselpartikelfilters 30 und einer Differenzbildung mit einer von dem Temperatursensor 38c ermittelten Abgastemperatur 72 (siehe 5). Der Temperatur-Referenzwert kann mittels des Temperatursensors 38b oder alternativ mittels des bzw. eines Modells 21 ermittelt werden. In dem letztgenannten Fall wird zur Ermittlung der Temperaturdifferenz beispielsweise ein Modellwert der Temperatur stromabwärts von der zweiten katalytischen Beschichtung 30 verwendet. Diese Temperatur wird ermittelt unter der Annahme, dass durch die zweite katalytische Beschichtung (30) kein Kohlenwasserstoff umgesetzt wird. Es wird dann angenommen, dass diese ermittelte Temperatur der Temperatur stromaufwärts von der zweiten katalytischen Beschichtung (30) entspricht.
Aus der Temperatur-Differenzbildung kann in Abhängigkeit von einem die Abgasanlage 10 durchströmenden Abgasmassenstrom (Volumenstrom 62, siehe 4) eine Differenz der Wärmemengen (Einheit: Joule pro Sekunde) ermittelt werden. Aus dieser Differenz kann nachfolgend durch Integration die in dem Dieselpartikelfilter 30 bzw. die mittels der zweiten katalytischen Beschichtung umgesetzte Wärmemenge (Einheit: Joule bzw. Kilojoule) ermittelt werden. Allgemein ist die Funktionsfähigkeit des Dieselpartikelfilters 30 bzw. der zweiten katalytischen Beschichtung in Bezug auf die Umsetzung von Kohlenwasserstoffen umso besser, je größer die umgesetzte Wärmemenge ist.
Alternativ kann die mittels der zweiten katalytischen Beschichtung umgesetzte Wärmemenge auch durch Auswertung einer zeitlichen Veränderung (zeitliche Ableitung bzw. Bildung eines Gradienten) der Abgastemperatur 72 stromabwärts des Dieselpartikelfilters 30 ermittelt werden. Dies erfolgt mittels des Temperatursensors 38c in einem zeitlichen Zusammenhang mit der Einbringung der zusätzlichen Menge an Kohlenwasserstoffen.
Vorzugsweise wird das oben beschriebene Verfahren zur Überwachung der zweiten katalytischen Beschichtung in dem Dieselpartikelfilter 30 dann durchgeführt, wenn der Volumenstrom 62 des Abgases bzw. eine Abgasgeschwindigkeit größer als ein Schwellwert ist. Bei hohen Abgasgeschwindigkeiten ist eine Verweilzeit des Abgases in dem Diesel-Oxidationskatalysator 28 vergleichsweise gering, so dass die in dem Abgas enthaltenden Kohlenwasserstoffe dort nicht vollständig umgesetzt werden können. Dadurch wird es ermöglicht, dem Dieselpartikelfilter 30 einen für das Verfahren ausreichend hohen Anteil an unverbrannten Kohlenwasserstoffen zuzuführen.
Falls die Abgastemperatur 72 in der Abgasanlage 10 – welche beispielsweise mittels des Temperatursensors 38a ermittelt wird – kleiner als ein vorgegebener Schwellwert ist (beispielsweise kleiner als 180°C), kann die unmittelbar oder mittels der späten Nacheinspritzung in das Abgas eingebrachte Kraftstoffmenge den Dieselpartikelfilter 30 auch bei kleinen Volumenströmen noch erreichen, da der Umsatz an Kohlenwasserstoffen in dem Diesel-Oxidationskatalysator 28 vergleichsweise gering ist. Dazu ist es erforderlich, dass zugleich die zweite katalytische Beschichtung bzw. der Dieselpartikelfilter 30 eine Temperatur aufweist, welche größer als ein vorgegebener Schwellwert ist (so genannte "light off"-Temperatur, vorliegend für einen Kohlenwasserstoff-Umsatz von mindestens 50 Prozent), damit eine ausreichend starke Reaktion in dem Dieselpartikelfilter 30 stattfinden kann. Diese Voraussetzungen können beispielsweise bei einem "dynamischen" Betrieb der Brennkraftmaschine 12 bzw. des Kraftfahrzeugs vorliegen, sofern der Diesel-Oxidationskatalysator 28 schneller abkühlt als der Dieselpartikelfilter 30. Dies wird zusätzlich begünstigt, wenn der Diesel-Oxidationskatalysator 28 ein kleineres Volumen bzw. eine kleinere Masse aufweist als der Dieselpartikelfilter 30.
Vorzugsweise wird das oben beschriebene Verfahren zur Überwachung der zweiten katalytischen Beschichtung in dem Dieselpartikelfilter 30 dann durchgeführt, wenn ein Sauerstoffanteil des Abgases stromaufwärts der zweiten katalytischen Beschichtung größer als ein Schwellwert ist, insbesondere wenn ein Lambdawert des Abgases größer als eins beträgt. Dabei ist es wichtig, dass die erste katalytische Beschichtung in dem Diesel-Oxidationskatalysator 28 nicht durch eine zu hohe Exothermie beschädigt wird.
In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird ein Anteil von Kohlenwasserstoff in dem Abgas stromaufwärts des Dieselpartikelfilters 30 mittels eines Modells 21 ermittelt und nachfolgend als Referenzwert verwendet. Dieser Referenzwert wird mit einem Messwert des HC-Sensors 40 verglichen. Aus beiden Werten wird mittels Differenzbildung ein Umsatz von Kohlenwasserstoffen in dem Dieselpartikelfilter 30 ermittelt, wodurch ebenfalls auf einen Zustand der zweiten katalytischen Beschichtung geschlossen werden kann.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform des Verfahrens werden insbesondere die Lambdasonden 34b und 34c für die Überwachung der zweiten katalytischen Beschichtung verwendet. Vorliegend weisen die Lambdasonden 34b und 34c eine "Querempfindlichkeit" in Bezug auf eine Zusammensetzung der Kohlenwasserstoffe (HC-Kettenlänge) auf. Die Lambdasonden 34b bzw. 34c können beim Vorhandensein von langkettigen Kohlenwasserstoffen ein Signal ausgeben, welches auf ein scheinbar zu mageres Gemisch schließen lässt. Falls also beide Lambdasonden 34b und 34c vergleichbare Signale ausgeben, so kann daraus geschlossen werden, dass in dem Dieselpartikelfilter 30 keine wesentliche Umsetzung von Kohlenwasserstoffen erfolgt. Umgekehrt kann dann, wenn die Lambdasonden 34b und 34c unterschiedliche Signale ausgeben, daraus geschlossen werden, dass eine Umsetzung von Kohlenwasserstoffen stattfindet. Diese Unterschiede können auch eine quantifizierte Bewertung ermöglichen.
2 zeigt ein Zeitdiagramm, auf dessen Abszisse die Zeit t und auf dessen Ordinate ein Kohlenwasserstoffanteil 46 im Abgas der Abgasanlage 10 eingetragen ist. Dargestellt ist eine erste Kurve 48, welche die zeitweise Einbringung einer zusätzlichen Menge von Kohlenwasserstoffen – beispielsweise 10 Gramm in 15 Sekunden, entsprechend einer HC-Konzentration von etwa 10.000 ppm, "parts per million", im Abgas – stromaufwärts des Diesel-Oxidationskatalysators 28 charakterisiert. Weiterhin ist eine zweite Kurve 50 eingetragen, welche den Kohlenwasserstoffanteil 46 stromabwärts des Diesel-Oxidationskatalysators 28 charakterisiert. Die zweite Kurve 50 entspricht vorliegend einer durchschnittlichen HC-Konzentration von in etwa 2.000 ppm während eines Messintervalls von 15 Sekunden.
Für einen in der Zeichnung 2 nicht näher bezeichneten Zeitbereich zeigt die Kurve 48, dass die zusätzliche Menge von Kohlenwasserstoffen sozusagen paketweise in das Abgas eingebracht wird. Die zweite Kurve 50 weist in Bezug auf die erste Kurve 48 eine deutlich verminderte Amplitude sowie einen veränderten Zeitverlauf auf. Man erkennt, dass die durch die zweite Kurve 50 charakterisierte Menge von Kohlenwasserstoffen hinter dem Diesel-Oxidationskatalysator 28 jedoch vergleichsweise groß ist, um nachfolgend in dem Dieselpartikelfilter 30 eine ausreichende wärmeerzeugende Reaktion herbeizuführen. Aus Gründen des besseren Vergleichs wurden die beiden Kurven der 2 zeitlich übereinander gezeichnet. Es versteht sich, dass die zweite Kurve 50 mit einem gewissen zeitlichen Versatz zu der ersten Kurve 48 erzeugt wird, welche durch die Bauart des Diesel-Oxidationskatalysators 28 sowie durch den jeweiligen Volumenstrom des Abgases bedingt ist.
3 zeigt ein Zeitdiagramm, welches eine in einen beziehungsweise mehrere Brennräume der Brennkraftmaschine 12 eingespritzte Kraftstoffmenge 52 charakterisiert. Das der Zeichnung von 3 zu Grunde liegende Einspritzmuster des Kraftstoffs weist vorliegend zwei Voreinspritzungen 54, eine Haupteinspritzung 56 und eine Nacheinspritzung 58 auf.
Die zeitliche Lage der beiden Voreinspritzungen 54 sowie der Haupteinspritzung 56 ist so gewählt, dass sie im Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine 12 einen Beitrag zu einem Drehmoment leisten und somit im Wesentlichen vollständig verbrannt werden. Der durch die ("späte") Nacheinspritzung 58 eingespritzte Kraftstoff kann jedoch von der Brennkraftmaschine 12 nicht oder nur teilweise verbrannt werden. Beispielsweise beträgt die mittels der Nacheinspritzung 58 eingespritzte Kraftstoffmenge 10 Milligramm je Arbeitshub der Brennkraftmaschine 12. Dadurch werden von der Brennkraftmaschine 12 im Ausschiebetakt eines jeweiligen Zylinders unverbrannte Kohlenwasserstoffe in das Abgas abgegeben und strömen somit in die Abgasanlage 10 ein. Die Nacheinspritzung 58 wird also dazu verwendet, zeitweise eine zusätzliche Menge von Kohlenwasserstoffen stromaufwärts der ersten katalytischen Beschichtung in das Abgas einzubringen. Die in der 3 dargestellten Teileinspritzungen sind der Einfachheit halber jeweils durch eine Rechteckform angenähert.
4 zeigt eine Umsetzrate 60 von Kohlenwasserstoffen in dem Diesel-Oxidationskatalysator 28 über einem Volumenstrom 62 in dem Diesel-Oxidationskatalysator 28. Die in der Zeichnung dargestellten Pfeile der Achsen weisen jeweils in Richtung einer hohen Umsetzrate 60 beziehungsweise einer hohen Abgasgeschwindigkeit beziehungsweise Volumenstroms 62. Die dargestellte Kurve 64 weist für geringe Volumenströme 62 eine Umsetzrate 60 von näherungsweise 100 Prozent auf. Mit steigendem Volumenstrom (Abgasgeschwindigkeit, Abgasmassenstrom) durchläuft die Kurve 64 einen Bereich 66, bei welchem die Umsetzrate 60 monoton kleiner als 100 Prozent wird. Der Bereich 66 kennzeichnet somit einen Schlupf von Kohlenwasserstoffen (HC-Schlupf) beim Durchlaufen des Diesel-Oxidationskatalysators 28.
Man erkennt, dass die Umsetzrate 60 bei kleinen Volumenströmen in etwa 100 Prozent beträgt, was gleichbedeutend damit ist, dass das Abgas stromabwärts des Diesel-Oxidationskatalysators 28 keine wesentlichen Anteile von Kohlenwasserstoffen aufweist. Entsprechend ist der in der Zeichnung linke Bereich des Diagramms im Allgemeinfall für das beschriebene Verfahren nicht geeignet. Es ist jedoch möglich, wie oben bei der 1 bereits beschrieben, den in der Zeichnung linken Bereich für das Verfahren dann zu verwenden, wenn eine Temperatur des Diesel-Oxidationskatalysators 28 unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts liegt, und zugleich eine Temperatur des Dieselpartikelfilters 30 über einem vorgegebenen Schwellwert liegt.
Die 5 zeigt ein Zeitdiagramm mit zwei Kurven 68 und 70 einer Abgastemperatur 72 stromabwärts des Dieselpartikelfilters 30. Die Abgastemperatur 72 wird vorliegend mittels des Temperatursensors 38c ermittelt.
Die Kurve 68 entspricht einem Zeitverlauf der Abgastemperatur 72, wenn der Dieselpartikelfilter 30 keine (funktionsfähige) zweite katalytische Beschichtung aufweist. Die Kurve 68 wurde mittels eines Modells 21 ermittelt. Die zweite Kurve 70, zeigt einen Zeitverlauf der Abgastemperatur 72, welcher sich an dem Ort des Temperatursensors 38c einstellt, wenn der Dieselpartikelfilter 30 eine funktionsfähige zweite katalytische Beschichtung aufweist. Ein Pfeil 74 bezeichnet eine Differenz der bei den jeweiligen Kurven 68 und 70 vorliegenden maximalen Abgastemperaturen 72. Beispielsweise beträgt diese Differenz in etwa 50° K, Kelvin. Ein jeweils über die Kurve 68 bzw. 70 ermitteltes Zeitintegral und eine anschließende zwischen diesen Zeitintegralen durchgeführte Differenzbildung ergibt eine Wärmemenge von in etwa 150 KJ, Kilojoule.
Man erkennt, dass die Ermittlung des in der 5 dargestellten Zeitverlaufs der Abgastemperatur 72 als Folge der in der 2 dargestellten zeitweisen Einbringung einer zusätzlichen Menge von Kohlenwasserstoffen entsprechend der ersten Kurve 48 dazu geeignet ist, auf einen Zustand der zweiten katalytischen Beschichtung in dem Dieselpartikelfilter 30 zu schließen.
6 zeigt ein Flussdiagramm zur Durchführung des Verfahrens. In einem Startblock 76 beginnt die in der 6 dargestellte Prozedur. In einem folgenden Abfrageblock 78 wird geprüft, ob geeignete Bedingungen zur Durchführung des Verfahrens vorliegen. Diese Bedingungen wurden weiter oben bereits beschrieben und betreffen den Volumenstrom 62 des Abgases, die Abgastemperatur 72 in dem Diesel-Oxidationskatalysator 28 und in dem Dieselpartikelfilter 30. Weiterhin ist ein Sauerstoffanteil des Abgases stromaufwärts der zweiten katalytischen Beschichtung, welcher unter Verwendung der Lambdasonden 34a bzw. 34b ermittelt werden kann, von Bedeutung.
Falls für das Verfahren geeignete Bedingungen nicht vorliegen, so wird an den Eingang des Abfrageblocks 78 zurück verzweigt. Andernfalls wird an einen folgenden Block 80 verzweigt.
In dem Block 80 werden verschiedene Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 12 und der Abgasanlage 10 ermittelt, insbesondere unter Verwendung der in 1 dargestellten Sensoren. In einem folgenden Block 82 wird für eine bestimmte Zeit eine zusätzliche Menge von Kohlenwasserstoffen stromaufwärts des Diesel-Oxidationskatalysators 28 in das Abgas eingebracht, wie es oben ebenfalls bereits beschrieben wurde.
In einem folgenden Block 84 wird eine auf Grund der wärmerzeugenden Reaktion in dem Dieselpartikelfilter 30 sich im Abgas ergebende Temperaturerhöhung ermittelt, zeitlich integriert und mit einem Referenzwert verglichen. Daraus kann auf einen Zustand der zweiten katalytischen Beschichtung geschlossen werden. Dabei ist im Allgemeinen die zweite katalytische Beschichtung in dem Dieselpartikelfilter 30 umso funktionsfähiger, je stärker die Temperatur stromabwärts des Dieselpartikelfilters 30 ansteigt, beziehungsweise wie groß das gebildete Zeitintegral ist. Alternativ können in dem Block 84 auch übrige Ausführungsformen des Verfahrens, welche weiter oben beschrieben wurden, durchgeführt werden. In einem nachfolgenden Endeblock 86 endet die in der 6 dargestellte Prozedur.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009046433 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage (10) für eine Brennkraftmaschine (12), wobei die Abgasanlage (10) mindestens eine erste (28) und mindestens eine zweite katalytische Beschichtung (30) umfasst, wobei die zweite katalytische Beschichtung (30) im Abgasstrom stromabwärts der ersten katalytischen Beschichtung (28) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zeitweise eine zusätzliche Menge von Kohlenwasserstoffen stromaufwärts der ersten katalytischen Beschichtung (28) in das Abgas derart eingebracht wird, dass eine wärmeerzeugende Reaktion in der zweiten katalytischen Beschichtung (30) stattfinden kann, und dass mittels mindestens eines Temperatursensors (38b, 38c) und/oder mindestens eines Kohlenwasserstoffsensors (40) und/oder mindestens einer Lambdasonde (34b, 34c) stromaufwärts und/oder stromabwärts der zweiten katalytischen Beschichtung mindestens eine Eigenschaft des Abgases ermittelt wird, welche eine Reaktion der zweiten katalytischen Beschichtung (30) als Folge der zusätzlichen Menge von Kohlenwasserstoffen charakterisiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste katalytische Beschichtung ein Diesel-Oxidationskatalysator (28) ist und die zweite katalytische Beschichtung in einem Dieselpartikelfilter (30) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus der ermittelten Eigenschaft auf einen Zustand der zweiten katalytischen Beschichtung (30) geschlossen wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaft eine Differenz einer Wärmemenge stromaufwärts und stromabwärts der zweiten katalytischen Beschichtung (30) und/oder eine mittels der zweiten katalytischen Beschichtung (30) umgesetzte Wärmemenge ist.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaft eine zeitliche Veränderung einer Abgastemperatur (72) stromabwärts der zweiten katalytischen Beschichtung (30) ist.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaft eine Differenz eines Kohlenwasserstoffanteils (46) stromaufwärts und stromabwärts der zweiten katalytischen Beschichtung (30) ist.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaft mittels einer Differenz von Signalen von Lambdasonden (34b, 34c) stromaufwärts und stromabwärts der zweiten katalytischen Beschichtung (30) ermittelt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgastemperatur und/oder ein Kohlenwasserstoffanteil (46) stromaufwärts der zweiten katalytischen Beschichtung (30) mittels eines Modells (21) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass anhand eines Modells und unter der Annahme, dass durch die zweite katalytische Beschichtung (30) kein Kohlenwasserstoff umgesetzt wird, eine Temperatur stromabwärts von der zweiten katalytischen Beschichtung (30) ermittelt wird, und diese ermittelte Temperatur als Abgastemperatur stromaufwärts von der zweiten katalytischen Beschichtung (30) verwendet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Menge von Kohlenwasserstoffen in das Abgas mittels mindestens einer späten Nacheinspritzung (58) in mindestens einen Brennraum der Brennkraftmaschine (12) eingebracht wird und/oder dass die zusätzliche Menge von Kohlenwasserstoffen unmittelbar in das Abgas eingebracht wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Menge an Kohlenwasserstoffen dann in das Abgas eingebracht wird und/oder dass die Eigenschaft dann ermittelt wird, wenn ein Volumenstrom (62) des Abgases größer als ein Schwellwert ist und/oder wenn eine Abgastemperatur (72) kleiner als ein Schwellwert ist und die zweite katalytische Beschichtung eine Temperatur aufweist, welche größer als ein Schwellwert ist.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Menge an Kohlenwasserstoffen nur dann in das Abgas eingebracht wird, wenn ein Sauerstoffanteil des Abgases stromaufwärts der zweiten katalytischen Beschichtung (30) größer als ein Schwellwert ist, insbesondere dass ein Lambdawert des Abgases größer als eins beträgt.
Steuer- und/oder Regeleinrichtung (16) für eine Brennkraftmaschine (12) bzw. für eine Abgasanlage (10), dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm (18), dadurch gekennzeichnet, dass es dazu programmiert ist, ein Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen.