Verfahren und Vorrichtung zur Temperaturregelung im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Temperaturregelung im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine.

Im Rahmen der Abgasnachbehandlung im Abgastrakt einer Brenn kraftmaschine werden heute verschiedene Katalysatoren einge setzt, beispielsweise ein Partikelfilter, ein

NOx-Speicherkatalysator, ein Dreiwegekatalysator, ein Die- sel-Oxidationskatalysator oder ein SCR-Katalysator . Diese Katalysatoren arbeiten nur dann optimal, wenn eine von der Beschichtung des jeweiligen Katalysators abhängige Temperatur eingestellt ist. Des Weiteren besteht bei bestimmten Kataly satoren die Notwendigkeit einer periodischen Regeneration, beispielsweise einer Partikelfilterregeneration oder einer Desulfatisierung . Zur Durchführung der jeweiligen Regeneration ist es notwendig, eine bestimmte, beschichtungsabhängige Temperatur einzustellen, die sich von der im Normalbetrieb herrschenden Temperatur unterscheidet, und diese Temperatur für die Dauer der Regeneration stabil zu halten.

Es ist bereits bekannt, im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine einen NOx-Speicherkatalysator, ein Partikelfilter und einen SCR-Katalysator in Reihe hintereinander anzuordnen. Im

NOx-Speicherkatalysator werden im Abgasstrom enthaltene

Stickoxidkomponenten zurückgehalten. Der Partikelfilter ist zum Zurückhalten von Rußpartikeln vorgesehen. Im SCR-Katalysator findet eine selektive katalytische Reduktion statt. Dazu wird stromauf des SCR-Katalysators eine wässrige Harnstofflösung in den Abgasstrang eingespritzt, um die im Abgas enthaltenen Stickoxide wieder zu Stickstoff zu reduzieren.

Zum Einstellen der Temperatur für die jeweilige Katalysator regeneration wird heute typischerweise ein Temperaturregelkreis verwendet. Dabei wird auf ausschließlich einen im Abgasstrang angeordneten Temperatursensor geregelt. Durch das Einstellen von verschiedenen Temperatursollwerten auf diesem Regelpunkt wird die jeweils einzustellende Temperatur im jeweiligen Katalysator erreicht. Ein Nachteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass vom verwendeten Regelpunkt aus durch eine aufwendige Umrechnung vor- oder zurückgerechnet werden muss, um in einem stromauf oder stromab des Regelpunktes angeordneten Katalysator eine Rege neration durchführen zu können.

Sind beispielsweise im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine in Reihe hintereinander ein NOx-Speicherkatalysator, ein Parti kelfilter und ein SCR-Katalysator angeordnet und wird als Regelpunkt ein zwischen dem NOx-Katalysator und dem Parti kelfilter angeordneter Temperatursensor verwendet, dann muss von diesem Regelpunkt aus stromauf zurückgerechnet werden, um eine im NOx-Speicherkatalysator benötigte Temperatur einzustellen, und von diesem Regelpunkt aus stromab vorwärtsgerechnet werden, um eine im Partikelfilter benötigte Temperatur einzustellen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, bei denen die Einstellung der jeweiligen Temperatur verbessert ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Gemäß diesem Verfahren zur Temperaturregelung im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, in welchem mehrere Katalysatoren angeordnet sind, werden zur Temperaturregelung mindestens zwei Temperaturregelkreise verwendet. Des Weiteren wird die genannte Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Temperaturregelung im Abgastrakt einer

Brennkraftmaschine, in welchem mehrere Katalysatoren angeordnet sind, gelöst, welche mindestens zwei Temperaturregelkreise enthält .

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass durch die in den unabhängigen Patentansprüchen angegebenen Merkmale eine effiziente Regeneration des jeweiligen Kataly- sators erfolgt, da die vom jeweiligen Katalysator benötigte Temperatur präziser eingestellt werden kann als bei bekannten Verfahren. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine genauere Abstimmung des Gesamtsystems erfolgt, da keine Umrechnung von Sollwerttemperaturen von einem verwendeten Regelpunkt auf eine jeweils andere im Abgastrakt stromauf oder stromab liegende Position vorgenommen werden muss.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus deren bei spielhafter Erläuterung anhand der Figur 1.

Diese zeigt eine Vorrichtung zur Temperaturregelung im Ab gastrakt einer Brennkraftmaschine, in welchem mehrere Kata lysatoren angeordnet sind. Diese Vorrichtung enthält eine Brennkraftmaschine 2, in deren Abgastrakt in Reihe hinterei nander ein NOx-Speicherkatalysator 3, ein Partikelfilter 4 und ein SCR-Katalysator 5 angeordnet sind. Im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine wird mittels eines zwischen dem Partikel filter 4 und dem SCR-Katalysator 5 angeordneten Einspritzventils 9 eine aus einem Tank 10 bezogene wässrige Harnstofflösung in den Abgastrakt eingespritzt, so dass im SCR-Katalysator 5 die gewünschte katalytische Reduktion durchgeführt werden kann.

Des Weiteren weist die in der Figur 1 dargestellte Vorrichtung einen ersten Regler 6, einen zweiten Regler 7 und einen dritten Regler 8 auf, wobei der erste Regler 6 zu einem ersten Tem peraturregelkreis, der zweite Regler 7 zu einem zweiten Tem peraturregelkreis und der dritte Regler 8 zu einem dritten Temperaturregelkreis gehören.

Dem ersten Regler 6 wird als Temperaturistwert ein von einem ersten Temperatursensor 11 bereitgestellter Temperaturmesswert zugeführt, wobei dieser erste Temperatursensor 11 stromauf des NOx-Speicherkatalysators 3 im Abgastrakt angeordnet ist. Al ternativ dazu kann vom ersten Regler 6 als Temperaturistwert auch ein im NOx-Speicherkatalysator 3 ermittelter Temperaturistwert verwendet werden, wobei dieser Temperaturistwert beispielsweise unter Verwendung eines Temperaturmodells ermittelt wird. Des Weiteren wird dem ersten Regler 6 als Temperatursollwert ein von einer Steuereinheit 1 bereitgestellter Temperatursollwert Tis zugeführt.

Im ersten Regler 6 erfolgen ein Vergleich des Temperaturistwertes Tli mit dem Temperatursollwert Tis und die Erzeugung eines vom Ergebnis dieses Vergleiches abhängigen Steuersignals sl.

Der erste Temperaturregelkreis, zu welchem außer dem ersten Regler 6 auch der erste Temperatursensor 11 als Istwertgeber und die Steuereinheit 1 als Sollwertgeber gehören, wird von der Steuereinheit 1 individuell aktiviert, wenn eine Auswertung weiterer Sensorsignale ergibt, dass eine Desulfatisierung des NOx-Speicherkatalysators 3 notwendig ist. In diesem Falle liegt als momentan gewünschter Betriebsmodus eine Desulfatisierung vor .

Zu dieser Desulfatisierung des NOx-Speicherkatalysators 3 ist im NOx-Speicherkatalysator 3 eine Temperatur notwendig, die im Bereich zwischen 580°C und 750°C liegt, beispielsweise bei 650°C. Dieser Temperaturwert von 650°C wird von der Steuereinheit 1 als Temperatursollwert Tis für den ersten Regler 6 vorgegeben. Auf Basis des Vergleiches dieses von der Steuereinheit 1 vorgegebenen Temperatursollwertes Tis mit dem vom ersten Temperatursensor 11 bereitgestellten Temperaturistwert Tli wird das Steuersignal sl generiert. Dieses Steuersignal sl wird zu einer Veränderung der Einspritzparameter Einspritzzeitpunkt und/oder Einspritzmenge verwendet, um die zum Erreichen des von der Steuereinheit 1 vorgegebenen Temperatursollwertes erforderliche Temperatur veränderung in die Wege zu leiten und diese Solltemperatur dann auch für die Dauer der Desulfatisierung des

NOx-Speicherkatalysators 3 aufrecht zu halten.

Nach Beendigung der Desulfatisierung des

NOx-Speicherkatalysators 3 wird der erste Temperaturregelkreis von der Steuereinheit 1 wieder deaktiviert. Dem zweiten Regler 7 wird als Temperaturistwert ein von einem zweiten Temperatursensor 12 bereitgestellter Temperaturmesswert zugeführt, wobei dieser zweite Temperatursensor 12 im Abgastrakt zwischen dem NOx-Speicherkatalysator 3 und dem Partikelfilter 4 angeordnet ist. Alternativ dazu kann vom zweiten Regler 7 als Temperaturistwert auch ein im Partikelfilter 4 ermittelter Temperaturistwert verwendet werden, wobei dieser Temperatu ristwert beispielsweise unter Verwendung eines Temperaturmo dells ermittelt wird.

Des Weiteren wird dem zweiten Regler 7 als Temperatursollwert ein von der Steuereinheit 1 bereitgestellter Temperatursollwert T2s zugeführt .

Im zweiten Regler 7 erfolgen ein Vergleich des Temperatu ristwertes T2i mit dem Temperatursollwert T2s und die Erzeugung eines vom Ergebnis dieses Vergleiches abhängigen Steuersignals s2.

Der zweite Temperaturregelkreis, zu welchem außer dem zweiten Regler 7 auch der zweite Temperatursensor 12 als Istwertgeber und die Steuereinheit 1 als Sollwertgeber gehören, wird von der Steuereinheit 1 individuell aktiviert, wenn eine Auswertung weiterer Sensorsignale ergibt, dass eine Regenerierung des Partikelfilters 4 notwendig ist. In diesem Falle liegt als momentan gewünschter Betriebsmodus eine Partikelfilterrege neration vor.

Zu dieser Partikelfilterregeneration des Partikelfilters 4 ist im Partikelfilter 4 eine Temperatur notwendig, die im Bereich zwischen 500°C und 650°C liegt, beispielsweise bei 600°C. Dieser Temperaturwert von 600°C wird von der Steuereinheit 1 als Temperatursollwert T2s für den zweiten Regler 7 vorgegeben. Auf Basis des Vergleiches dieses von der Steuereinheit 1 vorgegebenen Temperatursollwertes T2s mit dem vom zweiten Temperatursensor 12 bereitgestellten Temperaturistwert T2i wird das Steuersignal s2 generiert. Dieses Steuersignal s2 wird zu einer Veränderung der Einspritzparameter Einspritzzeitpunkt und/oder Einspritzmenge verwendet, um die zum Erreichen des von der Steuereinheit 1 vorgegebenen Temperatursollwertes T2s erforderliche Tempera turveränderung im Partikelfilter 4 in die Wege zu leiten und diese Solltemperatur dann auch für die Dauer der Regeneration des Partikelfilters 4 aufrecht zu halten.

Nach Beendigung der Regeneration des Partikelfilters 4 wird der zweite Temperaturregelkreis von der Steuereinheit 1 wieder deaktiviert .

Zum Erkennen der Notwendigkeit einer Regeneration des Parti kelfilters 4 kann von der Steuereinheit 1 das Ausgangssignal di eines Druckdifferenzsensors 14 verwendet werden. Dieser

Druckdifferenzsensor 14 ermittelt die Druckdifferenz, die zwischen dem Abgasdruck am Ausgang des Partikelfilters 4 und dem Abgasdruck am Eingang des Partikelfilters 4 besteht. Über schreitet diese Druckdifferenz einen vorgegebenen Schwellwert, dann wird die Notwendigkeit einer Regeneration des Partikel filters 4 erkannt und die Steuereinheit 1 aktiviert den zweiten Temperaturregelkreis, um die Regeneration des Partikelfilters 4 in die Wege zu leiten.

Dem dritten Regler 8 wird als Temperaturistwert ein von einem dritten Temperatursensor 13 bereitgestellter Temperaturmesswert T3i zugeführt, wobei dieser dritte Temperatursensor 13 im Abgastrakt zwischen dem Partikelfilter 4 und dem SCR-Katalysator 5 angeordnet ist. Alternativ dazu kann vom dritten Regler 8 als Temperaturistwert auch ein im SCR-Katalysator 5 ermittelter Temperaturistwert verwendet werden, wobei dieser Temperatu ristwert beispielsweise unter Verwendung eines Temperaturmo dells ermittelt wird.

Des Weiteren wird dem dritten Regler 8 als Temperatursollwert ein von der Steuereinheit 1 bereitgestellter Temperatursollwert T3s zugeführt .

Im dritten Regler 8 erfolgen ein Vergleich des Temperatu ristwertes T3i mit dem Temperatursollwert T3s und die Erzeugung eines vom Ergebnis dieses Vergleiches abhängigen Steuersignals s3.

Der dritte Temperaturregelkreis, zu welchem außer dem dritten Regler 8 auch der dritte Temperatursensor 13 als Istwertgeber und die Steuereinheit 1 als Sollwertgeber gehören, wird von der Steuereinheit 1 individuell aktiviert, wenn eine schnelle Erwärmung des SCR-Katalysators notwendig ist, beispielsweise nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine. In diesem Falle liegt als momentan gewünschter Betriebsmodus eine schnelle Erwärmung des SCR-Katalysators 5 vor.

Zu dieser schnellen Erwärmung des SCR-Katalysators 5 ist eine Temperatur notwendig, die im Bereich zwischen 180°C und 350°C liegt, beispielsweise bei 250°C. Dieser Temperaturwert von 250°C wird von der Steuereinheit 1 als Temperatursollwert T3s für den dritten Regler 8 vorgegeben. Auf Basis des Vergleiches dieses von der Steuereinheit 1 vorgegebenen Temperatursollwertes T3s mit dem vom dritten Temperatursensor 13 bereitgestellten Tempe raturistwert T3i wird das Steuersignal s3 generiert. Dieses Steuersignal s3 wird zu einer Veränderung der Einspritzparameter Einspritzzeitpunkt und/oder Einspritzmenge verwendet, um die zum Erreichen des von der Steuereinheit 1 vorgegebenen Tempera tursollwertes T3s erforderliche Temperaturveränderung in die Wege zu leiten und diese Solltemperatur dann auch für die Dauer der schnellen Erwärmung des SCR-Katalysators 5 aufrecht zu halten .

Nach Beendigung der schnellen Aufwärmung des SCR-Katalysators 5 wird der dritte Temperaturregelkreis von der Steuereinheit 1 wieder deaktiviert.

Wie oben beschrieben ist, werden die drei Temperaturregelkreise von der Steuereinheit 1 in Abhängigkeit von einer im jeweiligen Katalysator benötigten Katalysatortemperatur individuell ak tiviert, um die im jeweiligen Katalysator benötigte Temperatur schnell und gezielt einstellen zu können, beispielsweise durch eine Veränderung eines oder mehrerer Einspritzparameter. Da sich die im jeweiligen Katalysator notwendigen Solltemperaturen voneinander unterscheiden und beispielsweise der Fall auftreten kann, dass gleichzeitig eine Desulfatisierung des

NOx-Speicherkatalysators 3 und eine Regenerierung des Parti kelfilters 4 notwendig sind, wird den Sonderbetriebsmodi der Katalysatoren, zu denen die oben beschriebene Desulfatisierung des NOx-Speicherkatalysators 3, die Regeneration des Parti kelfilters 4 und die schnelle Erwärmung des SCR-Katalysators 5 gehören, jeweils eine Priorität zugeordnet. Erkennt die

Steuereinheit 1 das gleichzeitige Vorliegen zweier dieser Sonderbetriebsmodi, dann wird derjenige Sonderbetriebsmodus, dem die höhere Priorität zugeordnet ist, zuerst durchgeführt.

Bei dem oben anhand der Figur 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel werden insgesamt drei Temperaturregelkreise zur Temperatur regelung im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine verwendet. Alternativ dazu kann auch eine andere Anzahl von Temperatur regelkreisen verwendet werden. Beispielsweise kann beim obigen Ausführungsbeispiel auf eine schnelle Erwärmung des

SCR-Katalysators nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine verzichtet werden. In diesem Fall ist der oben beschriebene dritte Temperaturregelkreis nicht notwendig, so dass zur Temperaturregelung im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine nur zwei Temperaturregelkreise verwendet werden. Eine weitere Alternative besteht darin, zur Temperaturregelung im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine mehr als drei Temperaturregelkreise zu verwenden. Sind beispielsweise im Abgastrakt einer Brenn kraftmaschine vier Katalysatoren vorgesehen, dann können auch vier Temperaturregelkreise zur Temperaturregelung im Abgastrakt dieser Brennkraftmaschine verwendet werden.

Bei allen vorstehend genannten Ausführungsbeispielen wird die vom jeweiligen Katalysator benötigte Solltemperatur an der richtigen Position zur richtigen Zeit exakt eingestellt. Dies ermöglicht eine effiziente Regeneration des jeweiligen Kata lysators durch eine präzise Einstellung der jeweils erfor derlichen Temperatur. Oben wurde beschrieben, dass die von den Reglern 6, 7 und 8 generierten Steuersignale sl, s2 und s3 zu einer Veränderung eines oder mehrerer Einspritzparameter verwendet werden, um eine jeweils gewünschte neue Solltemperatur einzustellen. Zusätzlich oder alternativ dazu können die genannten Steuersignale auch zu einer Aktivierung einer Heizeinrichtung verwendet werden, um die jeweils gewünschte neue Solltemperatur einzustellen.