DE102010029262A1

DE102010029262A1 - Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102010029262A1
Application number: DE102010029262A
Authority: DE
Inventors: Michael Kolitsch; Michael Schenk; Christian Schiller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-05-25
Filing date: 2010-05-25
Publication date: 2011-12-01

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage (10) einer Brennkraftmaschine (12) beschrieben, bei dem mindestens ein Parameter des in einem Abgaskanal (11) strömenden Abgases von einer Abgassonde (34; 36) erfasst wird, wobei ein stromaufwärts der Abgassonde (34; 36) oder an gleicher Stelle wie die Abgassonde (34; 36) angeordneter Brenner (25) zur Aufheizung eines Abgasstroms zum Abtauen der Abgassonde (34; 36) betätigt wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Computerprogramm und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach den nebengeordneten Patentansprüchen.
Vom Markt her sind Brennkraftmaschinen mit einem Abgassystem bekannt, in denen beispielsweise Lambdasonden zur Analyse des Abgases eingesetzt werden. Um die erforderliche Genauigkeit zu ermöglichen und insbesondere um die Lambdasonde nicht zu beschädigen, muss die Lambdasonde bzw. deren aktive Oberfläche frei von flüssigen Substanzen sein. Beispielsweise können kleinste Wassertröpfchen durch Betauung auf die Oberfläche der Lambdasonde gelangen.
Üblich ist es daher, nach einem Start der Brennkraftmaschine die betriebsbedingte Aufheizung des Abgases zu nutzen, um die Abgassonde von einem eventuellen Kondensat zu befreien und danach die Abgassonde zu aktivieren. Dabei ist es ein häufiges Verfahren, die Temperatur der Lambdasonde oder ihrer Umgebung in dem Abgassystem zu ermitteln, um eine mögliche Rest-Betauung auszuschließen und somit die Lambdasonde gefahrlos aktivieren zu können. Die Temperatur kann zum Beispiel durch einen Temperatursensor gemessen oder mittels eines modellbasierten Ansatzes berechnet werden. Temperatursensoren weisen spezifische Zeitkonstanten auf, die berücksichtigt werden müssen und modellbasierte Berechnungen erfordern häufig einen erheblichen Applikationsaufwand.
Offenbarung der Erfindung
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch ein Computerprogramm und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 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.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass die Abgassonde in einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine schneller aktiviert werden kann. Dabei eignet sich das Verfahren vorteilhaft auch für Abgasanlagen, welche ein eigenes Steuergerät aufweisen und vergleichsweise autark arbeiten.
Die Erfindung beruht auf dem Ansatz, das in der Abgasanlage strömende Abgas – insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine – mit Hilfe eines Brenners schneller aufzuheizen und damit die Abgassonde entsprechend schneller in Betrieb nehmen zu können, also zu aktivieren. Dabei wird berücksichtigt, dass die Abgasanlage einen solchen Brenner und eine zugehörige Frischluftversorgung häufig bereits aufweist, welche beispielsweise auch zur Regeneration von Dieselpartikelfiltern verwendet werden.
Der Brenner ist stromaufwärts vorzugsweise nahe der Abgassonde angeordnet, und kann das Abgas und somit die Abgassonde entsprechend schnell aufheizen. Eine solche für das Verfahren besonders günstige Anordnung findet sich beispielsweise in vorbekannten Abgasanlagen von stationären Brennkraftmaschinen oder von bestimmten sog. ”off-highway”-Kraftfahrzeugen, etwa stromabwärts eines Turboladers und stromaufwärts eines Diesel-Oxidationskatalysators. Dadurch lässt sich das Verfahren besonders kostengünstig einrichten, weil keine oder wenig bauliche Anpassungen in der Abgasanlage erforderlich sind, sondern das Verfahren im Wesentlichen durch eine Ergänzung der vorhandenen Steuer- und/oder Regeleinrichtung realisiert werden kann.
Erfindungsgemäß wird der Brenner solange betätigt, bis die Anwesenheit flüssiger Substanzen auf der Oberfläche der Abgassonde und/oder in der Umgebung der Abgassonde nicht mehr zu erwarten ist und die Abgassonde demnach abgetaut ist. Danach können der Brenner abgeschaltet und die Abgassonde in Betrieb genommen werden. Flüssige Substanzen – insbesondere kleinste Wassertröpfchen – können sich beispielsweise durch Kondensation auf der Abgassonde niederschlagen, vor allem, wenn die Brennkraftmaschine kalt gestartet wird. Kondensation tritt auf, wenn ein jeweiliger Taupunkt unterschritten ist, so dass der beispielsweise im Abgas strömende Wasserdampf wenigstens teilweise von der gasförmigen in die flüssige Phase übergehen und sich an kälteren Elementen niederschlagen kann (Betauung).
Grundsätzlich ist die Erfindung für stationäre oder mobile Brennkraftmaschinen geeignet, wobei die Brennkraftmaschine jeweils als Otto- oder Dieselmotor ausgeführt sein kann. Weiterhin ist das Verfahren auf verschiedenartige Abgassonden anwendbar, beispielsweise auch auf Sonden zur Ermittlung eines Stickoxidanteils im Abgas (so genannte NOx-Sonden). Dabei wird vorausgesetzt, dass diese stromabwärts des Brenners und gegebenenfalls einer dem Brenner zugehörigen Frischluftzufuhr angeordnet sind.
Das Verfahren ist besonders sinnvoll anzuwenden, wenn die Brennkraftmaschine für eine Mindestzeit nicht in Betrieb war. Während der Abkühlung der Brennkraftmaschine und der Abgasanlage kann der jeweils restliche Wasserdampf bereits kondensieren und vielfach schon vor einem folgenden Neustart die Oberfläche der Abgassonde betauen. Daher kann durch eine Ermittlung der Dauer des Nichtbetriebs und durch Vergleich mit einer vorgegebenen – beispielsweise empirisch ermittelten – Mindestzeit entschieden werden, ob der Brenner beim Neustart der Brennkraftmaschine erfindungsgemäß betätigt werden soll. Dadurch kann die Betriebssicherheit der Abgassonde verbessert und ihre Beschädigung vermieden werden. Gleichzeitig wird ein unnötiger Betrieb des Brenners mit entsprechenden Emissionen und entsprechendem Kraftstoffverbrauch vermieden.
Die Genauigkeit des Verfahrens wird erhöht, wenn eine Temperatur in einer Umgebung der Abgassonde ermittelt und für eine Bemessung einer Zeitspanne, während der der Brenner zum Abtauen betätigt wird, berücksichtigt wird. Je höher die Temperatur in der Umgebung der Abgassonde ist und je länger diese vorliegt, umso unwahrscheinlicher ist das Vorhandensein von Kondensat auf der Oberfläche der Abgassonde. Entsprechend schnell können der Brenner abgeschaltet und die Abgassonde in Betrieb genommen werden. Fallweise kann die Zeitspanne auch null betragen, was bedeutet, dass die Umgebung der Abgassonde bereits genügend lange heiß war und eine Betätigung des Brenners nicht mehr erforderlich ist. Dadurch können zugleich Kosten gespart werden.
Besonders geeignet ist das Verfahren, wenn die Abgassonde eine Lambdasonde eines Abgaskatalysators ist. Lambdasonden, beispielsweise Breitband-Lambdasonden, sind ein wichtiges Element, um die Zusammensetzung des Abgases so einzustellen bzw. zu regeln, dass der Abgaskatalysator optimal wirken kann. Daher ist es wichtig, den Betrieb der Lambdasonde möglichst schnell nach dem Start der Brennkraftmaschine zu ermöglichen und zugleich eine Beschädigung der Lambdasonde zu vermeiden. Dadurch kann die Umwelt geschont und Reparaturkosten vermindert werden.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine und einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs; und
2 ein Flussdiagram zum Ablauf des Verfahrens in einem Computerprogramm einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung.
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 – nicht dargestellten – Kraftfahrzeugs. Oberhalb der Abgasanlage 10 ist eine Brennkraftmaschine 12 symbolisch dargestellt, die über eine Rohrverbindung 14 Abgas in einen Abgaskanal 11 der Abgasanlage 10 einströmt. Eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 16 mit einem darauf ablaufenden Computerprogramm 18, welches auf einem – nicht bezeichneten – Speicher abgespeichert ist, ist über ankommende und abgehende Steuerleitungen 20 und 22 mit der Brennkraftmaschine 12 sowie über ankommende und abgehende Steuerleitungen 24 und 26 mit Komponenten der Abgasanlage 10 verbunden. Die Verbindungen sind in der Zeichnung lediglich angedeutet und nicht ausführlich dargestellt.
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 in Flussrichtung des Abgases einen Brenner 25 mit einer zugehörigen Frischluftversorgung 27, einen Diesel-Oxidationskatalysator 28, einen Dieselpartikelfilter 30, und einen SCR-Katalysator 32 auf (SCR bedeutet ”selective catalytic reduction”). Stromaufwärts des Diesel-Oxidationskatalysators 28 ist eine Abgassonde 34 im Abgasstrom angeordnet. Die Abgassonde 34 ist vorliegend eine Lambdasonde 34. Stromaufwärts und stromabwärts des SCR-Katalysators 32 sind je ein NOx-Sensor 36 im Abgasstrom angeordnet. Des Weiteren weist die Abgasanlage 10 vorliegend fünf Temperatursensoren 38 auf, welche vorliegend durch die Bezugszeichen 38.1 bis 38.5 einzeln unterscheidbar sind.
Der Brenner 25 und die Frischluftversorgung 27, die Temperatursensoren 38, die Lambdasonde 34 und die NOx-Sensoren 36 sind mit der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 16 elektrisch über die ankommenden und abgehenden Leitungen 24 und 26 verbunden. Dies ist in der Zeichnung der 1 jedoch nicht einzeln dargestellt.
Die Lambdasonde 34 erfasst im Betrieb der Brennkraftmaschine 12 die Sauerstoffkonzentration im Abgas. Die NOx-Sensoren 36 erfassen einen NOx-Anteil (Stickoxid-Anteil) im Abgas jeweils vor und hinter dem SCR-Katalysator 32. Wird bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 12 der Brenner 25 betätigt – vorzugsweise aber nicht zwingend zusammen mit der Frischluftversorgung 27 – so kann man hierdurch das in der Abgasanlage 10 strömende Abgas zusätzlich und somit schneller aufheizen. Hierdurch wird auf der Lambdasonde 34 eventuell vorhandenes Kondensat entfernt.
Man erkennt, dass die Lambdasonde 34 unmittelbar stromabwärts des Brenners 25, also diesem besonders nahe angeordnet ist und somit entsprechend schnell erwärmt werden kann. Daraus ergibt sich eine besonders kurze Zeitspanne T, während derer der Brenner 25 betätigt werden muss, um eine eventuell verbliebene Betauung der Lambdasonde 34 mit Kondensat auszuschließen.
Zusätzlich kann – vorzugsweise durch den Temperatursensor 38.2, welcher der Lambdasonde 34 benachbart ist – auch die Temperatur des Abgases ermittelt werden, wodurch die Genauigkeit des Verfahrens verbessert und die Zeitspanne T gegebenenfalls weiter reduziert werden kann.
In ähnlicher Weise können auch die NOx-Sensoren 36 mittels des Brenners 25, ggf. der Frischluftversorgung 27 und den Temperatursensoren 38.4 und 38.5 von einer eventuellen Betauung befreit werden, wobei die Zeitspanne T entsprechend dem größeren Abstand zu dem Brenner 25 jedoch größer ist.
Es versteht sich, dass die 1 nur beispielhaft ist und dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf Dieselmotoren beschränkt ist, sondern ebenso auf Ottomotoren und sonstige vergleichbare Brennkraftmaschinen 12 bzw. auf deren Abgasanlagen 10 anwendbar ist.
In einer zu der 1 ähnlichen Ausführungsform weist die Abgasanlage 10 ein von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 16 im Wesentlichen unabhängig arbeitendes Steuergerät auf. Dies ist in der 1 jedoch nicht mit dargestellt.
2 zeigt ein Flussdiagram des Verfahrens für ein Computerprogramm 18, welches in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 16 der Brennkraftmaschine 12 ablauffähig ist. Die Abarbeitung erfolgt in der Zeichnung der 2 im Wesentlichen von oben nach unten. Die dargestellte Prozedur kann insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 12 aufgerufen werden.
Ausgehend von einem Start-Block 70 werden in einem folgenden Block 72 Temperaturwerte des Temperatursensors 38.2 und den zu verschiedenen Temperaturwerten zugehörigen Zeitdauern ermittelt. Ebenso wird ermittelt, ob die Brennkraftmaschine 12 für eine Mindestzeit 74 nicht in Betrieb war und somit gegebenenfalls ein Kaltstart vorliegt. Die Zeit, während der die Brennkraftmaschine 12 abgeschaltet war, wird dabei durch einen – nicht dargestellten – Zähler ermittelt. Im anschließenden Block 76 wird aus den so ermittelten Größen die Zeitspanne T, während der der Brenner 25 zum Abtauen betätigt werden soll, ermittelt und dem folgenden Block 80 zugeführt. Die Zeitspanne T kann zusätzlich auch von einer Laufzeit des Abgases zwischen dem Brenner 25 und der Lage einer jeweiligen Abgassonde 34 bzw. 36 abhängig sein, da sich die Wirkung des Brenners 25 bei einem in Fließrichtung des Abgases größeren Abstand zur Abgassonde 34 bzw. 36 abschwächen kann.
Im Block 80 werden der Brenner 25 und die Frischluftversorgung 27 für die Dauer der Zeitspanne T eingeschaltet, um die Lambdasonde 34 und ihre Umgebung abzutauen, das heißt, eventuelle Wassertröpfchen und/oder sonstige Kondensate zu entfernen. Nach Ablauf der Zeitspanne T werden der Brenner 25 und die Frischluftversorgung 27 wieder abgeschaltet und der Betrieb der Lambdasonde 34 freigegeben. Die in der 2 dargestellte Prozedur endet danach im Ende-Block 82.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage (10) einer Brennkraftmaschine (12), bei dem mindestens ein Parameter des in einem Abgaskanal (11) strömenden Abgases von einer Abgassonde (34; 36) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein stromaufwärts der Abgassonde (34; 36) oder an gleicher Stelle wie die Abgassonde (34; 36) angeordneter Brenner (25) zur Aufheizung eines Abgasstroms zum Abtauen der Abgassonde (34; 36) betätigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es dann durchgeführt wird, wenn die Brennkraftmaschine (12) für eine Mindestzeit (74) nicht in Betrieb war.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur in einer Umgebung der Abgassonde (34; 36) ermittelt und für eine Bemessung einer Zeitspanne (T), während der der Brenner (25) zum Abtauen betätigt wird, berücksichtigt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgassonde (34; 36) eine Lambdasonde (34) eines Abgaskatalysators (28; 32) ist.
Computerprogramm (18), dadurch gekennzeichnet, dass es zur Ausführung eines Verfahrens nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche programmiert ist.
Steuer- und/oder Regeleinrichtung (16) einer Brennkraftmaschine (12), dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Speicher umfasst, auf dem ein Computerprogramm (18) nach Anspruch 5 abgespeichert ist.