AT517823A1 - Abgasnachbehandlungssystem für eine Dual-Fuel-Brennkraftmaschine - Google Patents

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AT517823A1
AT517823A1 ATA627/2015A AT6272015A AT517823A1 AT 517823 A1 AT517823 A1 AT 517823A1 AT 6272015 A AT6272015 A AT 6272015A AT 517823 A1 AT517823 A1 AT 517823A1
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exhaust
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Imhof Dino
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Ge Jenbacher Gmbh & Co Og
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Abstract

Abgasnachbehandlungssystem (1) für eine Dual-Fuel-Brennkraftmaschine (2) mit wenigstens einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung (3) zur Nachbehandlung eines von der Brennkraftmaschine (2) emittierten Abgases wobei die Brennkraftmaschine (2) mit wenigstens zwei unterschiedlichen Kraftstoffen (D, G) betreibbar ist, einer Recheneinheit (4) zur Berechnung der Mengen und Kosten eines von der Brennkraftmaschine (2) verbrauchten Kraftstoffes (D, G) und eines von der Abgasnachbehandlungsvorrichtung (3) verbrauchten Reduktionsmittels (U), wobei die Recheneinheit (4) dazu konfiguriert ist, einen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (2) hinsichtlich der Kosten von Kraftstoff (D, G) und Reduktionsmittel (U) anzupassen, wobei die Recheneinheit (4) dazu ausgebildet ist, eine Substitutionsrate bei der Anpassung eines Betriebspunktes der Brennkraftmaschine (2) zu berücksichtigen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für eine Dual-Fuel Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Dual-Fuel Brennkraftmaschine.
Dual-Fuel Brennkraftmaschinen können in zwei Betriebsmodi betrieben werden. Dabei unterscheidet man einen Betriebsmodus mit primär flüssiger Kraftstoffzufuhr („Flüssigbetrieb“, im Falle der Verwendung von Diesel als flüssigen Kraftstoff „Dieselbetrieb“ genannt) und einen Betriebsmodus mit primär gasförmiger Kraftstoffzufuhr, bei welchem der flüssige Kraftstoff als Pilotkraftstoff zum Initiieren der Verbrennung dient. Dieser Betriebsmodus wird als Pilotbetrieb oder Zündstrahlbetrieb bezeichnet. Für möglichst geringe Kraftstoffkosten und zum Einhalten von Emissionsauflagen ist es das Bestreben, Dual-Fuel-Brennkraftmaschinen im Pilotbetrieb bei möglichst hohen Substitutionsraten zu betreiben. Die Substitutionsrate gibt an, welcher Anteil der der Brennkraftmaschine zugeführten Energie in Form des gasförmigen Kraftstoffes zugeführt wird. Angestrebt werden Substitutionsraten von größer als 98 %. Solch hohe Substitutionsraten erfordern eine Auslegung der Brennkraftmaschine, beispielsweise bezüglich ihres Verdichtungsverhältnisses, wie es der eines Gasmotors entspricht. Die teilweise gegensätzlichen Anforderungen an die Brennkraftmaschine für einen Pilotbetrieb und einen Flüssigbetrieb führen zu Kompromissen in der Auslegung, beispielsweise hinsichtlich des Kompressionsverhältnisses.
Die strengen Emissionsauflagen erfordern in der Regel eine Abgasnachbehandlung. Zur Einhaltung der ΝΟχ (Stickoxid)-Emissionen wird üblicherweise eine selektive katalytische Reduktion (SCR, von engl, selective catalytic reduction) eingesetzt, bei welcher in einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung durch Zugabe eines Reduktionsmittels (in der Regel eine Harnstofflösung) Stickoxid in einem Abgas der Brennkraftmaschine zu Stickstoff und Wasser reduziert wird.
Von Dieselmotoren ist es bekannt, diese bei hohem Wirkungsgrad und geringen Partikelemissionen zu betreiben. Eine sich dabei einstellende höhere ΝΟχ-Konzentration in Rohemissionen des Dieselmotors kann dann durch eine Abgasnachbehandlung durch SCR auf den zulässigen Wert einer ΝΟχ-Konzentration im nachbehandelten Abgas geführt werden.
Aus der US 8,899,018 B2 ist ein Abgasnachbehandlungssystem bekannt, bei welchem die jeweiligen Verbrauche von Dieselkraftstoff und Reduktionsmittei erfasst und hinsichtlich ihrer Kosten bewertet werden, wobei eine Kosten-Wirkungs-Funktion gebildet wird, nach welcher ein Betriebspunkt der Brennkraftmaschine angepasst werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Abgasnachbehandlungssystem bzw. eine Dual-Fuel-Brennkraftmaschine mit einem Abgasnachbehandlungssystem anzugeben, welche einen kostenoptimierten Betrieb des Gesamtsystems erlaubt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Abgasnachbehandlungssystem mit den Merkmalen von Anspruch 1 bzw. durch eine Dual-Fuel-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen von Anspruch 6 bzw. ein Genset mit den Merkmalen von Anspruch 7 bzw. durch ein Verfahren zum Betreiben einer Dual-Fuel-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen von Anspruch 8.
Indem die Recheneinheit dazu ausgebildet ist, eine Substitutionsrate bei der Anpassung eines Betriebspunktes der Brennkraftmaschine zu berücksichtigen, wird die Möglichkeit geschaffen, die Dual-Fuel-Brennkraftmaschine in Abhängigkeit der jeweiligen Kosten des gasförmigen Kraftstoffes, des flüssigen Kraftstoffes und des Reduktionsmittels bei minimalen Betriebskosten zu betreiben und dennoch die lokal vorherrschenden gesetzlichen Emissionsgrenzen zu erfüllen.
Gemäß der Erfindung wird in einer ersten Iteration zunächst eine Substitutionsrate als Startwert zur Berechnung einer Abgaszusammensetzung vor einer Abgasnachbehandlung bestimmt. Diese Abgaszusammensetzung wird üblicherweise als Rohemission oder auch als Cylinder-Out-Emission bezeichnet.
Aus den jeweiligen Kosten der Betriebsmittel (gasförmiger Kraftstoff, flüssiger Kraftstoff und Reduktionsmittel) und aus dem Zusammenhang zwischen spezifischem Kraftstoffverbrauch und NOx-Emissionen (Cylinder-Out-Emission) sowie dem NOx-Umsatzlimit (zu erwartender oder maximaler Umsatz an NOx) des Nachbehandlungssystems kann die optimale Konzentration an NOx in der Rohemission der Brennkraftmaschine bestimmt werden.
Der Zusammenhang zwischen spezifischem Kraftstoffverbrauch und NOx-Emissionen wird üblicherweise afsBSFC-NOx-trade-off bezeichnet. BSFC steht für engl. Brake Specific Fuel Consumption, den spezifischen Kraftstoffverbrauch.
Die Substitutionsrate und die Konzentration an ΝΟχ in der Rohemission gehen in eine Modellrechnung ein, aus welcher die für die Verbrennungsregelung erforderlichen Stellgrößen für einen möglichst hohen Wirkungsgrad folgen.
Die Modellrechnung kann als physikalische Modellfunktion oder als Transferfunktion realisiert sein. Die physikalische Modellfunktion ist eine Modellrechnung, die auf physikalischen Zusammenhängen beruht, die Transferfunktion ist ein statistischer Zusammenhang zwischen Einflussfaktoren und Zielgrößen.
Aus einer errechneten Zielkonzentration an ΝΟχ in der Rohemission (unter Berücksichtigung des zu erwartenden oder maximalen Umsatzes an NOx im SCR-Katalysator) kann der zur Einhaltung einer Emissionsvorgabe der Brennkraftmaschine erforderliche Bedarf von Reduktionsmittel bestimmt werden. Die ΝΟχ-Konzentration im nachbehandelten Abgas richtet sich nach lokalen Emissionsvorgaben und wird der Recheneinheit als einzuhaltender Wert vorgegeben.
Die Berechnung der Zielkonzentration an ΝΟχ in der Rohemission erfolgt in Iterationen, wobei im Zuge der Berechnung auch eine Anpassung der Substitutionsrate erfolgen kann. Die Anpassungen der Zielkonzentration an NOx und der Substitutionsrate erfolgen unter der Maßgabe eines möglichst hohen Wirkungsgrades sowie eines günstigen Wärmehaushaltes (Thermal Management) für die Abgasnachbehandlung.
Aus der Modellrechnung folgen Werte für Stellgrößen der Verbrennungsregelung für maximalen Wirkungsgrad bei gegebener Substitutionsrate. Die Modellrechnung kann auch eine verbesserte Substitutionsrate für einen höheren Wirkungsgrad bei vorgegebenen NOx ausgeben.
Die Verbrennungsregelung bezieht Werte für folgende Stellgrößen aus der Modellrechnung: - Beginn einer Piloteinspritzung (start of injection), - Dauer einer Piloteinspritzung (duration of injection), - Versorgungsdruck des flüssigen Kraftstoffes (rail pressure) sowie - ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ) des zugeführten gasförmigen Kraftstoffes und Luft.
Die Berücksichtigung der Substitutionsrate ist unter anderem deswegen so relevant, weil die wirkungsgradoptimale Substitutionsrate von der vorgegebenen NOx-Rohemission abhängig ist.
So kann es bei relativ hohen Kosten des flüssigen Kraftstoffes und gleichzeitig geringen Kosten des Reduktionsmittels angezeigt sein, die Brennkraftmaschine mit maximalem Wirkungsgrad nach Modellrechnung zu betreiben, sollte dies zu minimalen gesamten Betriebskosten führen. Eine Optimierung des Betriebs der Brennkraftmaschine hinsichtlich des Wirkungsgrades führt wegen der der Dissoziation von Luft-Stickstoff bei den für einen hohen Wirkungsgrad gewählten hohen Drücken und Temperaturen oder bei erhöhtem Anteil an flüssigem Kraftstoff zu hohen NOx-Rohemissionen.
In anderen Worten wird in diesem Fall eine höhere NOx-Rohemission bei wegen der geringen Kosten des Reduktionsmittels günstiger Abgasnachbehandlung in Kauf genommen, da sich hinsichtlich der gesamten Betriebskosten (Verbrauch der Betriebsmittel Gas, flüssiger Kraftstoff, Reduktionsmittel) ein Minimum der Betriebskosten ergibt.
Bei hohen Kosten des Reduktionsmittels und gleichzeitig geringen Kosten des gasförmigen Kraftstoffes und / oder des flüssigen Kraftstoffes kann zu Lasten des Wirkungsgrades der Verbrauch des Reduktionsmittels verringert werden, um die gesamten Betriebskosten zu minimieren.
Auch kann es bei geringem Tanklevel an Reduktionsmittel vorgesehen sein, den Verbrauch an Reduktionsmittel zu minimieren, um so die Betriebsdauer zu verlängern.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass - vorzugsweise in der Recheneinheit - ein Optimierer dazu ausgebildet ist, anhand der jeweiligen Kosten von flüssigem Kraftstoff, gasförmigem Kraftstoff und Reduktionsmittel unter Berücksichtigung einer vorgebbaren Maximalkonzentration an NOx in dem von der Abgasnachbehandlungsvorrichtung nachbehandeltem Abgas einen hinsichtlich der Kosten optimalen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine zu ermitteln.
Bevorzugt ist eine Regelschleife zur iterativen Anpassung der Substitutionsrate vorgesehen.
Der Optimierer kann als physikalische oder als statistische Funktion ausgebildet sein.
Bevorzugt ist eine Feedback-Schleife vorgesehen, von welcher der tatsächliche Verbrauch der Betriebsmittel und die tatsächliche ΝΟχ-Konzentration vor und optional/vorzugsweise auch nach der der Abgasnachbehandlung (also im nachbehandelten Abgas) der Recheneinheit zuführbar sind.
Alternativ zur Feedback-Schleife könnte dazu auch ein virtuelles Motoren- und Abgasnachbehandlungsmodell verwendet werden. Die Feedback-Schleife kann einerseits den BSFC-NOx-trade-off präzisieren, anderseits kann eine weitere Optimierung der Substitutionsrate vorgenommen werden: sind beispielsweise die Kosten des Reduktionsmittels gering (hohes cylinder-out NOx akzeptabel), wird das Modell eine wirkungsgradoptimierte Substitutionsrate vorschlagen (etwa von 99 auf 98 %). In anderen Worten ist nicht zwangsweise die höchste Substitutionsrate für einen kostenoptimierten Betriebspunkt zielführend.
Die Erfindung ist besonders relevant für den Einsatz bei ortsfesten Brennkraftmaschinen und für Marineanwendungen oder mobile Anwendungen wie sogenannte Non-Road-Mobile Machinery (abgekürzt NRMM).
Die Brennkraftmaschine kann als mechanischer Antrieb dienen, etwa zum Betreiben von Verdichteranlagen, oder mit einem Generator zu einem Genset gekoppelt sein.
Schutz wird auch begehrt für eine Brennkraftmaschine sowie ein Genset.
Schutz wird auch begehrt für ein Verfahren zum Betreiben einer Dual-Fuel-Brennkraftmaschine.
Die Erfindung wird im Folgenden durch die Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 ein Ablaufdiagramm der Erfindung,
Fig. 2 ein Diagramm von spezifischen Kraftstoffverbräuchen und Verbrauch an Reduktionsmittel aufgetragen über der Rohemission der Brennkraftmaschine und
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine.
Figur 1 zeigt ein vereinfachtes Ablaufdiagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In einer Bedienerschnittstelle 6 (englisch: human machine interface, HMI) können die spezifischen Kosten der Betriebsmittel gasförmiger Kraftstoff G, flüssiger Kraftstoff D und Reduktionsmittel U (von englisch urea für Harnstoff) eingeben werden. Optional kann in der Bedienerschnittstelle 6 auch eine Substitutionsrate SR vorgegeben werden.
Die Substitutionsrate gibt an, welcher Anteil der der Brennkraftmaschine zugeführten Energie in Form des gasförmigen Kraftstoffes G zugeführt wird. Der Rest zu 100% wird in Form von flüssigem Kraftstoff D zugeführt. In der Regel wird eine möglichst hohe Substitutionsrate, beispielsweise 99%, angestrebt.
Die in der Bedienerschnittstelle 6 abgelegten Werte fließen in einen Optimierer 5 ein, wo in einem ersten Schritt eine erste optimale Substitutionsrate SRi und ein erster Zielwert der ΝΟχ-Emissionen im Rohabgas der Brennkraftmaschine berechnet werden (basierend auf den Kosten der Betriebsmittel und aus einem im Optimierer 5 hinterlegten BSFC-NOx-Trade-off). Der Index bei der Substitutionsrate SR weist auf die aktuelle Iteration hin.
Im Optimierer 5 wird die berechnete - bzw. in einer Variante - die vorgegebene Substitutionsrate SR an eine Modell- oder eine Transferfunktion übergeben. Aus der Modell- bzw. aus der Transferfunktion folgen Werte für die Stellgrößen Start der Einspritzung, Dauer der Einspritzung, Versorgungsdruck des flüssigen Kraftstoffes und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ des gasförmigen Kraftstoffes G. Diese Werte werden über eine Motorsteuerung 7 an die Brennkraftmaschine 2 übergeben.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind der Optimierer 5 und die Motorsteuerung 7 in einer Recheneinheit 4 zusammengefasst. Es ist auch vorstellbar, die einzelnen Recheneinheiten separat auszuführen oder auch in der Motorsteuerung 7 zu integrieren.
Aus dem errechneten ersten Zielwert der ΝΟχ-Konzentration im Rohabgas folgt in einer SCR-Regelung 51 die Berechnung der erforderlichen Menge an Reduktionsmittel U. Die erforderliche Menge an Reduktionsmittel U ist jene Menge, die der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 3 zugeführt werden muss, um die ΝΟχ-Konzentration der Rohemission der Brennkraftmaschine in der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 3 auf ein vorgebbares Maß im nachbehandelten Abgas zu senken. Ein Beispiel für ein vorgebbares Maß an ΝΟχ-Konzentration im nachbehandelten Abgas ist eine aufgrund einer Gesetzgebung lokal zulässige Konzentration. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 3 ist bevorzugt als SCR-Katalysator ausgeführt.
Es kann eine Regelschleife zur iterativen Anpassung der Substitutionsrate SR vorgesehen sein. Die iterative Anpassung der Substitutionsrate SR kann etwa durch den Optimierer 5 erfolgen, der anhand der Modellrechnung eine wirkungsgradoptimierte Substitutionsrate SR vorschlägt (nicht eingezeichnet). Alternativ oder zusätzlich kann eine Feedback-Schleife vorgesehen sein, aus welcher eine optimierte Substitutionsrate SR folgt. Diese Option ist als strichlierter Pfeil von Brennkraftmaschine 2 zum Optimierer 5 eingezeichnet. Durch diese Feedback-Schleife werden die tatsächlichen Verbräuche der Kraftstoffe G, D und / oder eine tatsächliche ΝΟχ-Konzentration in der Rohemission der Brennkraftmaschine 2 an den Optimierer 5 übergeben, in welchem die Berechnung der optimalen Substitutionsrate SR und des Zielwertes der ΝΟχ-Konzentration in der Rohemission der Brennkraftmaschine 2 erfolgt. Zur Ermittlung der Kraftstoffverbräuche sind beispielsweise Durchflusssensoren in den jeweiligen Kraftstoffleitungen vorgesehen. Zur Bestimmung der ΝΟχ-Konzentration in der Rohemission der Brennkraftmaschine 2 kann ein ΝΟχ-Sensor in einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine 2 vor der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 3 angeordnet sein. Diese strukturellen Details sind in dem schematischen Ablaufdiagramm der Figur t nicht dargestellt.
Eine Anpassung der Substitutionsrate SR kann beispielsweise in einer Senkung der Substitutionsrate SR bestehen. Um ein Zahlenbeispiel zu nennen, könnte für einen gegebenen Lastpunkt und vorgegebene NOx-Emissionen die Substitutionsrate SR von 99,0 % auf 98, 4% gesenkt werden. Damit steht durch den erhöhten Anteil an flüssigem Kraftstoff D mehr Zündenergie zur Verfügung, was in diesem Beispiel den Wirkungsgrad verbessert.
Ebenfalls kann als Option vorgesehen sein, die Zielkonzentration an NOx im Rohabgas (cylinder-out Emission) iterativ anzupassen.
Bevorzugt ist eine Feedback-Schleife hinsichtlich des Thermal Managements der Abgasnachbehandlungsvorrichtung vorgesehen: unter Thermal Management der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 3 wird im Kontext der vorliegenden Offenbarung verstanden, die Temperatur-Abhängigkeit der NOx-Entstehung in der Brennkraftmaschine sowie die Temperatur-Abhängigkeit des NOx-Umsatzes in der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 3 zu berücksichtigen. Sind beispielsweise die Temperaturen in der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 3, welche bevorzugt als SCR-Katalysator ausgebildet ist, zu gering für einen ausreichenden Umsatz, kann über Einflussnahme auf die Einstellparameter der Brennkraftmaschine 2 die Abgastemperatur und dadurch die Betriebstemperatur der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 3 erhöht werden. Als Beispiel für eine solche, die Betriebstemperatur der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 3 erhöhende Maßnahme sei eine Verschiebung der Verbrennungslage oder eine Erhöhung des Anteils des flüssigen Kraftstoffs genannt.
Ein solches Thermal Management ist auch besonders vorteilhaft, wenn die Brennkraftmaschine 2 bei unterschiedlichen Lastbedingungen (Motorlasten) betrieben werden soll. Unterschiedliche Motorlasten bewirken unterschiedliche Abgastemperaturen, was sich kritisch auf die NOx-Umsatzraten auswirkt.
Ist die zu erwartende NOx-Umsatzrate gering, so kann auch eine Maßnahme zur Senkung der Motor-Rohemission gesetzt werden, um auf diese Weise die Emissionslimits zu erfüllen.
Realisiert werden kann ein Thermal Management beispielsweise durch Messung einer Temperatur an der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 3 und entsprechende Berechnung der damit verbundenen NOx-Umsatzrate.
Bevorzugt wird die NOx-Konzentration vor und nach der
Abgasnachbehandlungsvorrichtung 3 erfasst. Der Zusammenhang zwischen NOx-Umsatzrate und Temperatur ist prinzipiell bekannt und kann beispielsweise in der Recheneinheit 4 als Modell oder als Look-up table hinterlegt sein.
Statt der oder zusätzlich zur manuellen Eingabe über die Bedienerschnittstelle 6 können die Preise der Betriebsmittel auch automatisch, beispielsweise von einem Web-basierten Service, abgerufen werden.
Optional kann ein Oxidationskatalysator 13 zwischen der Brennkraftmaschine 2 und der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 3 und / oder nach der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 3 als Katalysator gegen Ammoniak-Schlupf und Nach-Oxidationskatalysator vorgesehen sein.
Figur 2 zeigt ein Diagramm des spezifischen Kraftstoffverbrauches (BSFC von engl. Brake Specific Fuel Consumption) in g/kWh sowie den Verbrauch an Reduktionsmittel (engl. Urea mass flow) in g/kWh über der ΝΟχ-Konzentration der Rohemission der Brennkraftmaschine (engl. Engine Out NOx) in g/kWh aufgetragen, die notwendig zu Einhaltung einer vorgegebenen NOx-Emission nach Abgasnachbehandlung sind. Die Skalen wurden verallgemeinert, indem ein Referenzwert des spezifischen Kraftstoffverbrauches und des Verbrauchs an
Reduktionsmittel mit „X“ bezeichnet wurde und die jeweiligen Änderungen gegenüber diesem Referenzwert in g/kWh aufgetragen sind. Die Skala der NOx-Konzentration wurde in analoger Weise verallgemeinert, indem ein Referenzwert der NOx-Konzentration der Rohemission der mit „Y“ bezeichnet wurde und die jeweiligen Änderungen gegenüber diesem Referenzwert in g/kWh aufgetragen sind.
Die Kurve mit der Bezeichnung „Diesel“ zeigt den spezifischen Kraftstoffverbrauch bei einem Flüssigbetrieb der Brennkraftmaschine. Die Kurven „90% SR“ und „99% SR“ geben beispielhaft die spezifischen Kraftstoffverbräuche für eine Substitutionsrate von 90 % beziehungsweise 99 % an. Die Gerade mit der Bezeichnung „Urea“ zeigt den Verbrauch an Reduktionsmittel U in Abhängigkeit der NOx-Konzentration im Rohabgas der Brennkraftmaschine 2 für eine vorgegebene zulässige NOx -Konzentration im nachbehandelten Abgas. Die zum Verbrauch an Reduktionsmittel U gehörige Skala ist die rechte vertikale Achse des Diagramms.
Zu erkennen ist, dass bei gegebener NOx -Konzentration im unbehandelten Abgas der Brennkraftmaschine 2 eine hohe Substitutionsrate von 99 % hinsichtlich der spezifischen Kraftstoffkosten im gezeigten Bereich günstig ist.
Erkennbar ist weiter, dass zur Ermittlung eines hinsichtlich der Betriebskosten optimalen Betriebspunktes der starke Einfluss des spezifischen Kraftstoffverbrauches über der Rohemissionen an NOx zu beachten ist.
Figur 3 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine 2 mit einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung 3 zur Reduktion von im Abgas der Brennkraftmaschine 2 vorhandenen Stickoxiden (NOx).
Die Brennkraftmaschine 2 weist eine Gaszufuhreinrichtung 8 zur Zumessung von gasförmigem Kraftstoff G auf. Die Gaszufuhrvorrichtung 8 kann dabei bspw. als Port-Injection-Ventil bei luftaufgeladenen Brennkraftmaschinen, oder als Gasmischer bei gemischaufgeladenen Brennkraftmaschinen ausgebildet sein. Die Brennkraftmaschine 2 weist weiters einen Kraftstoffinjektor 9 zur Dosierung von flüssigem Kraftstoff D auf. Über die Regelung der jeweiligen Mengen an gasförmigem Kraftstoff G und flüssigem Kraftstoff D kann die Substitutionsrate eingestellt werden.
Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 3 ist bevorzugt als SCR-Katalysator ausgebildet, in welchem durch Zuführen eines Reduktionsmittels U die im Abgas enthaltenen Stickoxide zu Stickstoff reduziert werden. Das von der Brennkraftmaschine 2 austretende Abgas tritt in die
Abgasnachbehandlungsvorrichtung 3. Optional kann stromaufwärts davon ein Oxidationskatalysator 13 angeordnet sein. In einer Variante kann auch ein Temperaturfühler 11 vor dem Oxidationskatalysator 13 vorgesehen sein.
Stromaufwärts der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 3 befindet sich ein Einspritzorgan 10 für das Reduktionsmittel U. Das Reduktionsmittel U kann bspw. eine wässrige Harnstofflösung sein. Optional können ein Temperaturfühler 11 sowie ein NOx-Sensor 12 vorgesehen sein. Bevorzugt sind Temperaturfühler 11 und NOx-Sensoren 12 vor und nach der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 3 vorgesehen, um die Differenz der jeweiligen Werte ermitteln zu können (in der Figur sind der Einfachheit halber nur ein Temperaturfühler 11 nach und ein NOx-Sensor 12 vor der Abgasnachbehandlungsvorrichtung dargestellt).
Eine Recheneinheit 4 umfasst einen Optimierer 5 sowie eine Motorsteuerung 7. Über eine Bedienerschnittstelle 6 können Werte zu Kosten der Betriebsmittel gasförmiger Kraftstoff G, flüssiger Kraftstoff D, Reduktionsmittel U sowie optional eine Substitutionsrate an die Recheneinheit 4 übergeben werden. Im Optimierer 5, der als Berechnungseinheit innerhalb der Recheneinheit 4 ausgebildet sein kann, ist eine Modellrechnung hinterlegt, die aus den jeweiligen Kosten der Betriebsmittel für einen vorgegebenen Betriebspunkt und vorgegebene NOx-Emissionen (nach Abgasnachbehandlung) eine Substitutionsrate sowie eine NOx-Rohemission ausgibt.
Aus der Modellrechnung folgen Werte für Stellgrößen der Verbrennungsregelung für maximalen Wirkungsgrad bei gegebener Substitutionsrate. Die Verbrennungsregelung bezieht Werte für folgende Stellgrößen aus der Modellrechnung: - Beginn einer Piloteinspritzung - Dauer einer Piloteinspritzung
- Versorgungsdruck des flüssigen Kraftstoffes D - Luft-Kraftstoff-Verhältnis des gasförmigen Kraftstoffes G.
In einer SCR-Regelung 51 kann die zur Einhaltung der emittierten NOx-Konzentration erforderliche Menge an Reduktionsmittel U berechnet werden. Üblicherweise wird die Menge des erforderlichen Reduktionsmittels auf Basis folgender Werte bestimmt: • einer Temperatur des SCR-Katalysators, • einem Abgasmassenstrom • einer Motor-NOx-Rohemission und einer zu erzielenden NOx-Emission im nachbehandelten Abgas • Ammoniak-Speicher-Zustand am Katalysator (Menge des gegenwärtig im Katalysator eingelagerten Ammoniaks) • Alterungsfaktoren des Katalysators.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass eine Information zum Betriebszustand der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 3 an die Recheneinheit 4 rückgemeldet wird. Es kann sich dabei um die Temperatur in der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 3 handeln, die durch den wenigstens einen Temperaturfühler 11 erfasst werden kann. Über die Temperatur kann auf eine Umsatzrate in der
Abgasnachbehandlungsvorrichtung 3 geschlossen werden. Ist die Temperatur bspw. zu niedrig, so wird die geforderte Umsatzrate nicht erreicht. Zur Begegnung kann bspw. durch Änderung von Einstellparametern in der Motorsteuerung 7 eine Abgastemperatur der Brennkraftmaschine 2 angehoben werden, um das Temperaturniveau in der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 3 zu heben.
Liste der verwendeten Bezugszeichen: 1 Abgasnachbehandlungssystem 2 Brennkraftmaschine 3 Abgasnachbehandlungsvorrichtung 4 Recheneinheit 5 Optimierer 51 SCR Regelung 6 Bedienerschnittstelle 7 Motorsteuerung 8 Gaszufuhreinrichtung 9 Kraftstoffinjektor 10 Einspritzorgan für Reduktionsmittel 11 Temperaturfühler 12 NOx-Sensor 13 Oxidationskatalysator D flüssiger Kraftstoff G gasförmiger Kraftstoff U Reduktionsmittel SR Substitutionsrate SR, Substitutionsrate der Iteration i TM Thermal Management
Innsbruck, am 21. September 2015

Claims (8)

  1. Patentansprüche
    1. Abgasnachbehandlungssystem (1) für eine Dual-Fuel-Brennkraftmaschine (2) mit - wenigstens einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung (3) zur Nachbehandlung eines von der Brennkraftmaschine (2) emittierten Abgases - wobei die Brennkraftmaschine (2) mit wenigstens zwei unterschiedlichen Kraftstoffen (D, G) betreibbar ist, - einer Recheneinheit (4) zur Berechnung der Mengen und Kosten eines von der Brennkraftmaschine (2) verbrauchten Kraftstoffes (D, G) und eines von der Abgasnachbehandlungsvorrichtung (3) verbrauchten Reduktionsmittels (U), - wobei die Recheneinheit (4) dazu konfiguriert ist, einen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (2) hinsichtlich der Kosten von Kraftstoff (D, G) und Reduktionsmittel (U) anzupassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (4) dazu ausgebildet ist, eine Substitutionsrate bei der Anpassung eines Betriebspunktes der Brennkraftmaschine (2) zu berücksichtigen.
  2. 2. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei - vorzugsweise in der Recheneinheit (4) - ein Optimierer (5) dazu ausgebildet ist, anhand der jeweiligen Kosten von flüssigem Kraftstoff (D), gasförmigem Kraftstoff (G) und Reduktionsmittel (U) unter Berücksichtigung einer vorgebbaren Maximalkonzentration an NOx in dem von der Abgasnachbehandlungsvorrichtung (3) nachbehandeltem Abgas einen hinsichtlich der Kosten optimalen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (2) zu ermitteln.
  3. 3. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelschleife zur iterativen Anpassung der Substitutionsrate vorgesehen ist.
  4. 4. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Optimierer (5) als physikalische oder als statistische Funktion ausgebildet ist.
  5. 5. Abgasnachbehandlungssystem nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei eine Feedback-Schleife hinsichtlich des Thermal Managements (TM) ausgebildet ist.
  6. 6. Brennkraftmaschine mit einem Abgasnachbehandlungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
  7. 7. Genset mit einem Abgasnachbehandlungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
  8. 8. Verfahren zum Betreiben einer Dual-Fuel-Brennkraftmaschine (2), wobei ein Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (2) hinsichtlich der Kosten eines verbrauchten Kraftstoffes (D, G) und verbrauchten Reduktionsmittels (U) angepasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Anpassung eines Betriebspunktes der Brennkraftmaschine (2) eine Substitutionsrate berücksichtigt wird. Innsbruck, am 21. September 2015
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