AT512760B1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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AT512760B1 ATA50092/2012A AT500922012A AT512760B1 AT 512760 B1 AT512760 B1 AT 512760B1 AT 500922012 A AT500922012 A AT 500922012A AT 512760 B1 AT512760 B1 AT 512760B1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1),insbesondere mit Selbstzündung, mit zumindest einem SCR-Katalysator (5) imAbgasstrang (3) und einen Abgasrückführsystem (4) mit einem Abgasrückführventil(8), wobei die Abgasrückführmenge und/oder die Stellung das Abgasrückführventils(8) in Abhängigkeit der NOx-Konzentration stromaufwärts des SCR-Katalysators (5)so geregelt wird, dass eine durch zumindest einen ersten NOx-Sensor (6)stromaufwärts des SCR-Katalysators (5) gemessene NOx-Konzentration (NOxI1)einem vorgegebenen NOx-Konzentrations-Sollwert (NOxS) entspricht. Um mitgeringem Aufwand gesetzlich vorgeschriebene NOx-Emissionsgrenzwerteunabhängig von Alterungserscheinungen einhalten zu können, ist vorgesehen, dassauch stromabwärts des SCR-Katalysators (5) die NOx-Konzentration im Abgas mitzumindest einem zweiten NOx-Sensor (7) gemessen wird und mit der NOx-Konzentration(NOxI1) des ersten NOx-Sensors (6) stromaufwärts des SCRKatalysators(5) verglichen wird und aus einem Vergleich der NOx-Messwerte(NOxI1, NOxI2) ein Effizienzwert (KNOx) des SCR-Katalysators (5) für die NOx-Konvertierungbestimmt wird, wobei der NOx-Konzentrations-Sollwert (NOxS)stromaufwärts des SCR-Katalysators (5) angepasst wird, wenn der ermittelteEffizienzwert (KNox) von einem vorgegebenen Effizienzsollwert (KNoxS) abweicht.

Description

österreichisches Patentamt AT512 760 B1 2014-05-15
Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere mit Selbstzündung, mit zumindest einem SCR-Katalysator im Abgasstrang und einem Abgasrückführsystem mit einem Abgasrückführventil, wobei die Abgasrückführmenge und/oder die Stellung des Abgasrückführventils in Abhängigkeit der NOx-Konzentration stromaufwärts des SCR-Katalysators so geregelt wird, dass eine durch zumindest einen ersten NOx-Sensor stromaufwärts des SCR-Katalysators gemessene NOx-Konzentration einem vorgegebenen NOx- Konzentrations-Sollwert entspricht.
[0002] Wenn die NOx-Konvertierungsfähigkeit des SCR-Katalysators im Laufe der Zeit durch Alterungs- oder Entgiftungseffekte abnimmt, muss die Brennkraftmaschine mit höheren Abgasrückführraten betrieben werden, um so die NOx-Emissionen der Brennkraftmaschine zu reduzieren und damit trotz verminderter NOx- Konvertierungsfähigkeit noch die geforderten niedrigen NOx-Konzentrationen stromab vom SCR-Katalysator zu erzielen.
[0003] Es ist bekannt, die Regelung des rückgeführten Abgases auf der Basis eines Luftmassen- oder Lambdasensors durchzuführen. Die dafür erforderlichen Sensoren sind allerdings teuer. Weiters erfordert die Vorgabe einer Soll-Luftmasse bzw. eines Soll-Wertes für Lambda eine Vielzahl von Korrekturen, um hierdurch in unterschiedlichen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine niedrige NOx-Emissionen zu erzielen. Diese Vielzahl von Korrekturen ist aufwändig zu handhaben.
[0004] Aus der JP 2000-282958 A ist eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasrückführsystem und einem SCR-Katalysator bekannt, wobei das Abgasrückführventil durch eine Steuereinheit so gesteuert wird, dass eine durch einen NOx-Sensor stromaufwärts des SCR-Katalysators gemessene NOx- Konzentration einem NOx-Konzentrations-Sollwert entspricht.
[0005] Bei diesem Verfahren kann allerdings eine Verschlechterung der NOx-Konvertierung des SCR-Katalysators durch Alterungseffekte, Vergiftung, etc. nicht berücksichtigt werden.
[0006] Aus der DE 10 2004 051 747 A1 ist weiters ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt, in deren Abgassystem ein NOx-Speicherkatalysator und stromauf- und abwärts dieses je ein NOx-Sensor angeordnet ist. Derartige NOx-Speicherkatalysatoren in LNT-Systeme (Leon NOx Trap) verhalten sich in vielen Details anders als SCR-Katalysatoren.
[0007] Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und auf möglichst einfache Weise gesetzlich vorgeschriebene NOx-Emissionsgrenzwerte am Ende des Abgasstrangs unabhängig von Alterungserscheinungen einhalten zu können.
[0008] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass eine durch zumindest einen ersten NOx-Sensor stromaufwärts des SCR-Katalysators gemessene NOx- Konzentration einem vorgegebenen NOx-Konzentrations-Sollwert entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass auch stromabwärts des SCR-Katalysators die NOx-Konzentration im Abgas mit zumindest einem zweiten NOx-Sensor gemessen wird und mit der NOx-Konzentration des ersten NOx-Sensors stromaufwärts des SCR-Katalysators verglichen wird und aus einem Vergleich der NOx-Messwerte ein Effizienzwert des SCR-Katalysators für die NOx-Konvertierung bestimmt wird, wobei der NOx-Konzentrations-Sollwert stromaufwärts des SCR-Katalysators angepasst wird, wenn der ermittelte Effizienzwert von einem vorgegebenen Effizienzsollwert abweicht, und der NOx-Konzentrations-Sollwert reduziert wird, wenn der ermittelte Effizienzwert kleiner als der vorgegebener Effizienzsollwert ist.
[0009] Heutige SCR-Katalysatorsysteme weisen üblicherweise sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts standardmäßig bereits je einen NOx-Sensor auf, um die NOx- Konvertierung des SCR-Katalysators zu übenwachen. Somit ist zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine zusätzliche Sensorik erforderlich. Weicht der berechnete Effizienzwert vom vorgegebenen Effizienzsollwert ab, so wird die Abgasrückführung so angepasst, dass der aufgrund des geänderten ermittelten Effizienzwertes des SCR-Katalysators geänderte Sollwert für die NOx-Konzentration stromaufwärts des SCR-Katalysators auch tatsächlich erreicht wird. 1 /5 österreichisches Patentamt AT512 760 B1 2014-05-15 [0010] Für den Fachmann ist es hierbei leicht ersichtlich, dass die Anpassung der Abgasrückführung hierbei durch die Anpassung einer Soll-Abgasrückführrate oder durch die Anpassung eines Sollwertes für die Position des Abgasrückführventils oder durch die Anpassung eines Sollwertes für das Luft/Kraftstoff-Verhältnisses Lambda oder durch eine Anpassung der Soll-Luftmasse oder durch ähnliche bekannte Verfahren erfolgen kann.
[0011] Entsprechend der oben näher erläuterten Reduktion des Sollwertes für die NOx- Konzentration stromaufwärts des SCR-Katalysators bei verminderter Effizienz des SCR-Katalysators ist auch eine Erhöhung dieses Sollwertes bei erhöhter Effizienz Gegenstand des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich. Solch eine Erhöhung der NOx-Konzentration führt in der Regel zu einem verminderten Kraftstoff-Verbrauch.
[0012] Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Sollwertvorgabe für die Effizienz des SCR-Katalysators abhängt von den Betriebsbedingungen des SCR-Katalysators, insbesondere der Temperatur und/oder der Raumgeschwindigkeit des Abgasstroms, den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine, insbesondere der Drehzahl und/oder der Last und/oder der vom ersten NOx-Sensor gemessenen NOx- Konzentration. Der NOx-Konzentrations-Sollwert für die NOx-Konzentration an der Stelle des ersten NOx-Sensors kann eine Funktion zumindest eines Betriebsparameters der Brennkraftmaschine, vorzugsweise der Drehzahl oder der Last, und/oder zumindest eines Umgebungsparameters, vorzugsweise des Atmosphärendruckes, sein. Damit kann die Regelung rasch an veränderte Verhältnisse, und an Toleranzen im Abgasrückführsystem angepasst werden.
[0013] Um übermäßige Bildung von Rußpartikeln zu verhindern ist es vorteilhaft, wenn zudem ein oberer Grenzwert für die Abgasrückführmenge und/oder für die Öffnungsstellung des Abgasrückführventils in Abhängigkeit zumindest eines Betriebsparameters der Brennkraftmaschine, vorzugsweise der Drehzahl oder der Last, vorgegeben wird. Vorzugsweise wird der obere Grenzwert für die Abgasrückführmenge und/oder für die Stellung des Abgasrückführventils in Abhängigkeit zumindest eines Umgebungsparameters, vorzugsweise des Atmosphärendruckes, vorgegeben. Dies ermöglicht auch beim Grenzwert eine rasche Anpassung an Veränderungen.
[0014] Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
[0015] Es zeigen [0016] Fig. 1 schematisch eine Brennkraftmaschine zur Durchführung des erfindungsgemä ßen Verfahrens und [0017] Fig. 2 den Verfahrensablauf.
[0018] Die Fig.1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine 1, mit einem Einlassstrang 2, einem Abgasstrang 3 und einem Abgasrückführsystem 4 zum Rückführen von Abgasen aus dem Abgasstrang 3 in den Einlassstrang 2. Im Abgasstrang 3 ist ein SCR-Katalysator 5 angeordnet, mit welchem NOx im Abgas reduziert werden kann. Stromaufwärts des SCR-Katalysators 5 ist ein erster NOx-Sensor 6, stromabwärts des SCR-Katalysators 5 ein zweiter NOx-Sensor 7 angeordnet. Mit den beiden NOx- Sensoren 6, 7 kann die NOx-Konvertierung des SCR-Katalysators 5 überwacht werden. Die NOx-Sensoren 6, 7 stehen mit einer elektronischen Steuereinheit ECU in Verbindung. Weiters ist die elektronische Steuereinheit ECU mit einem Abgasrückführventil 8 verbunden, mit welchem die Abgasrückführmenge gesteuert werden kann.
[0019] Die beiden NOx-Sensoren 6 und 7 sind in konventionellen SCR- Katalysatorsystemen standardmäßig inkludiert.
[0020] Mit dem hier beschriebenen Verfahren kann die Abgasrückführregelung ohne weitere Sensorik im Luftpfad mit geringstmöglichem Kalibrationsaufwand ermöglicht werden.
[0021] Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden an Hand der Fig. 2 erläutert: [0022] In einem ersten Schritt 10 wird ein Sollwert NOxs für die NOx-Konzentration an der Stelle des ersten NOx-Sensors 6 ermittelt. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn diese Vorgabe NOxs 2/5 österreichisches Patentamt AT512 760B1 2014-05-15 abhängt von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 1, wie insbesondere der Drehzahl n, der Last L, aber auch von Umgebungsparametern wie etwa dem Atmosphärendruck p. Aus dem Vergleich der vom ersten NOx-Sensor gemessenen ersten NOx-Konzentration NOxn und der Vorgabe NOxs der NOx- Konzentration wird in einem weiteren Schritt 20 ein Sollwert EGRS für die Position des Abgasrückführventils 8 oder die Abgasrückführrate berechnet. Im Schritt 30 wird untersucht, ob der Sollwert EGRS für die Position des Abgasrückführventils 8 oder der Abgasrückführrate einen Maximalwert EGRmax überschreitet und bei Überschreiten der Sollwert EGRS dem Maximalwert EGRmax gleichgesetzt. Durch die Begrenzung der Abgasrückführrate wird eine übermäßige Bildung von Rußpartikeln verhindert. Die Begrenzung, also der Maximalwert EGRmax selbst kann wiederum von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 1, wie beispielsweise der Drehzahl n oder Last L oder von Umgebungsparametern wie dem Atmosphärendruck p abhängen.
[0023] Um eine Verschlechterung der NOx-Konvertierung des SCR-Katalysators 5 durch Alterungseffekte, Vergiftung, etc. kompensieren zu können, kann weiters auch das Signal NOx!2 des zweiten NOx-Sensors 7 stromabwärts des SCR-Katalysators 5 mit berücksichtigt werden. Hierzu wird in Schritt 40 zunächst aus dem Vergleich der Signale NOxn und NOxi2 der beiden NOx-Sensoren 6, 7 ein Effizienzwert KNOx des SCR-Katalysators für die NOx-Konvertierung berechnet. Weicht der berechnete Effizienzwert KNOx von einer Sollwertvorgabe KNOxS ab, wird die NOx-Konzentrations- Sollwertvorgabe NOxs angepasst (Schritt 50). Insbesondere wird die NOx-Konzentrations-Sollwertvorgabe NOxs um einen vordefinierten Wert ΔΝΟχ reduziert, wenn der Effizienzwert KNOx zu gering ist.
[0024] Hierbei ist es vorteilhaft wenn, die Sollwertvorgabe KNoxs für die Effizienz KNOx des SCR-Katalysators abhängt von Betriebsbedingungen des SCR-Katalysators 5 (insbesondere der Temperatur und/oder der Raumgeschwindigkeit des Abgasstroms im SCR-Katalysator) und/oder von Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine 1 (insbesondere der Drehzahl n und/oder der Last L) und/oder der NOx- Konzentration NOxn, die vom ersten NOx-Sensor 6 gemessen wird.
[0025] Durch das beschriebene Verfahren kann die Abgasrückführregelung ohne zusätzliche Sensorik im Luftpfad realisiert werden. Gegenüber einer reinen Steuerung des Abgasrückführventils 8 besteht der Vorteil, dass Änderungen und Toleranzen im Abgasrückführsystem 4 anhand geänderter NOx-Emissionen vom ersten NOx-Sensor 6 sofort erkannt werden. Weiters kann eine Alterung des SCR- Systems kompensiert werden, indem die NOx-Emissionen der Brennkraftmaschine 1 durch eine Erhöhung der Abgasrückführrate reduziert werden. Dadurch kann es zwar zu einer geringen Erhöhung des Kraftstoffverbrauches der Brennkraftmaschine 1 mit zunehmender Alterung des SCR-Systems kommen, die gesetzlich geforderten Emissionen können aber auf jeden Fall eingehalten werden. 3/5

Claims (9)

  1. österreichisches Patentamt AT512 760B1 2014-05-15 Patentansprüche 1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere mit Selbstzündung, mit zumindest einem SCR-Katalysator (5) im Abgasstrang (3) und einen Abgasrückführsystem (4) mit einem Abgasrückführventil (8), wobei die Abgasrückführmenge und/oder die Stellung das Abgasrückführventils (8) in Abhängigkeit der NOx-Konzentration stromaufwärts des SCR-Katalysators (5) so geregelt wird, dass eine durch zumindest einen ersten NOx-Sensor (6) stromaufwärts des SCR-Katalysators (5) gemessene NOx-Konzentration (NOxn) einem vorgegebenen NOx- Konzentrations-Sollwert (NOxs) entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass auch stromabwärts des SCR-Katalysators (5) die NOx-Konzentration im Abgas mit zumindest einem zweiten NOx-Sensor (7) gemessen wird und mit der NOx-Konzentration (NOxn) des ersten NOx-Sensors (6) stromaufwärts des SCR-Katalysators (5) verglichen wird und aus einem Vergleich der NOx- Messwerte (NOxn, NOxi2) ein Effizienzwert (KNox) des SCR-Katalysators (5) für die NOx-Konvertierung bestimmt wird, wobei der NOx-Konzentrations- Sollwert (NOxs) stromaufwärts des SCR-Katalysators (5) angepasst wird, wenn der ermittelte Effizienzwert (KNOx) von einem vorgegebenen Effizienzsollwert (KNoxs) abweicht, und der NOx-Konzentrations-Sollwert (NOxs) reduziert wird, wenn der ermittelte Effizienzwert (KNOx) kleiner als der vorgegebener Effizienzsollwert (KNoxs) ist.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Konzentrations-Sollwert (NOxs) in Abhängigkeit zumindest eines Betriebsparameters der Brennkraftmaschine (1), vorzugsweise der Drehzahl (n) oder der Last (L), vorgegeben wird.
  3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Konzentrations-Sollwert (NOxs) in Abhängigkeit zumindest eines Umgebungsparameters, vorzugsweise des Atmosphärendruckes (p), vorgegeben wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Effizienzsollwert (KNoxs) als Funktion zumindest eines Betriebsparameters des SCR-Katalysators (5), vorzugsweise der Temperatur und/oder der Raumgeschwindigkeit des Abgasstroms im SCR-Katalysator (5), ermittelt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Effizienzsollwert (KNoxs) als Funktion zumindest eines Betriebsparameters der Brennkraftmaschine (1), vorzugsweise der Drehzahl (n) und/oder der Last (L), ermittelt wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Effizienzsollwert (KNOxs) als Funktion der vom ersten NOx-Sensor gemessenen NOx-Konzentration (NOxh) ermittelt wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein oberer Grenzwert (EGRmax) für die Abgasrückführmenge und/oder für die Stellung des Abgasrückführventils (8) ermittelt wird, und dass der Sollwert (EGRS) für die Abgasrückführmenge und/oder für die Stellung des Abgasrückführventils (8) dem Grenzwert (EGRmax) gleichgesetzt wird, wenn der Sollwert größer ist als der Grenzwert.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Grenzwert (EGRmaX) für die Abgasrückführmenge und/oder für die Öffnungsstellung des Abgasrückführventils (8) in Abhängigkeit zumindest eines Betriebsparameters der Brennkraftmaschine (1), vorzugsweise der Drehzahl (n) oder der Last (L), vorgegeben wird.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Grenzwert (EGRmaX) für die Abgasrückführmenge und/oder für die Stellung des Abgasrückführventils (8) in Abhängigkeit zumindest eines Umgebungsparameters, vorzugsweise des Atmosphärendruckes (p), vorgegeben wird. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 4/5
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