DE102008062058A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine, bei der einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine im Rahmen einer Schadstoffreduzierung, insbesndere einer NO-Reduzierung, stromauf eines Abgasnachbehandlungselements, insbesondere eines NO-Speicherkatalysators oder eines SCR-Katalysators, während eines Regenerationsbetriebs zu definierten Zeiten eine definierte Menge eines Reduktionsmittels zugeführt wird. Erfindungsgemäß werden der Zugabezeitpunkt und/oder die Zugabezeitdauer und/oder die Zugabemenge des Reduktionsmitels in Abhängigkeit von einer aktuell erfassten Gesamtlaufleistung der Brennkraftmaschine vorgegeben und/oder adaptiert.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Zur Reduzierung von insbesondere Stickoxiden eines Abgasstroms einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine, ist der Einsatz von NOX-Speicherkatalysatoren bereits allgemein bekannt. Denn bei direkt einspritzenden Verbrennungsmotoren, die generell oder in bestimmten Betriebsbereichen mit einer Ladungsschichtung und einem Luftüberschuss betrieben werden, ist, wegen des Luftüberschusses eine Reduktion der Stickoxide bei diesen Lastzuständen durch einen Dreiwegekatalysator nicht möglich. Dabei werden während eines Magerbetriebes der Brennkraftmaschine die Stickoxide im NOX-Speicherkatalysator gebunden. Sobald die Speicherfähigkeit des NOX-Speicherkatalysators erschöpft ist, wird dies durch. einen NOX-Sensor erkannt. Durch periodisches Anfetten der Brenngaszusammensetzung werden die Stickoxide wieder freigesetzt und mit Hilfe der teil- bzw. unverbrannten Abgaskomponenten HC und CO an einer Katalysatorkomponente, zum Beispiel Rhodium als Edelmetall, zu Stickstoff reduziert.
  • Des Weiteren ist die Stickoxid-Reduzierung mit Hilfe der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) bekannt, bei der dem Abgasstrom als Reduktionsmittel eine wässrige Harnstoff- bzw. Ammoniaklösung zudosiert wird, so dass in einem nachfolgenden SCR-Katalysator eine Reduzierung der Stickoxide mit Hilfe von Ammoniak vorgenommen werden kann.
  • Die NOX-Reduzierung mit den zuvor beschriebenen NOX-Abgasnachbehandlungselementen lässt sich in Verbindung mit einer neuen Brennkraftmaschine einfach und effizient gestalten. Mit zunehmendem Alter der Brennkraftmaschine verschlechtern sich jedoch die Rohemissionswerte der Brennkraftmaschine, ebenso wie sich aufgrund der Alterung der NOX-Abgasnachbehandlungselemente der Wirkungsgrad der NOX-Reduzierung vermindert. Dadurch besteht die Gefahr von unerwünschten NOX-Durchbrüchen, bzw. die Gefahr eines Überschreitens der vom Gesetzgeber vorgegebenen Schadstoffgrenzwerte.
  • Beispielsweise ist aus der DE 10 2004 046 640 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der der Durchbruch eines Reduktionsmittels möglichst vermieden werden soll, weshalb die Dosierung des Reduktionsmittels in Abhängigkeit von einem Maß für die stromab eines SCR-Katalysators auftretende NOX-Konzentration berechnet wird. Hierzu wird der Wirkungsgrad des SCR-Katalysators wenigstens in Abhängigkeit von wenigstens einem Maß für die Temperatur des SCR-Katalysators und wenigstens einem Maß für den Reduktionsmittel-Füllstand des SCR-Katalysators berechnet.
  • Weiter ist aus der DE 199 034 139 A1 ein Verfahren bekannt, bei dem die Größe, die die Menge an zugeführtem Reduktionsmittel bestimmt, abhängig von wenigstens einer weiteren zweiten Betriebskenngröße korrigierbar ist. Diese zweite Betriebskenngröße soll eine Abgastemperatur, eine Lastanforderung oder der Wirkungsgrad eines Katalysators sein.
  • Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere zum Betreiben einer Diesel-Brennkraftmaschine, zur Verfügung zu stellen, mittels dem die Stickoxid-Reduzierung in Abgasen von Brennkraftmaschinen auf zuverlässige Weise über einen längeren Betriebszeitraum der Brennkraftmaschine mit Hilfe einer aktiven Abgasnachbehandlung durchgeführt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Gemäß Anspruch 1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine, vorgesehen, bei der einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine im Rahmen einer Reduzierung von Stickoxiden, Schadstoffen, insbesondere von stromauf eines Abgasnachbehandlungselements, insbesondere eines NOX-Speicherkatalysators oder eines SCR-Katalysators, während eines Regenerationsbetriebs zu definierten Zeiten eine definierte Menge eines Reduktionsmittels, zum Beispiel über die Brenngaszusammensetzung und/oder eine externe Zudosierung, zugeführt wird. Erfindungsgemäß wird der Zugabezeitpunkt und/oder die Zugabezeitdauer und/oder die Zugabemenge des Reduktionsmittels in Abhängigkeit von einer aktuell erfassten Gesamtlaufleistung der Brennkraftmaschine, insbesondere von Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine an gerechnet, vorgegeben bzw. soweit erforderlich adaptiert. Das heißt, dass die Zugabe und/oder die Zugabedauer und/oder der Zugabezeitpunkt somit in Abhängigkeit von einem Erreichen vorgegebener Rohemissionswerte der Brennkraftmaschine und einer Gesamtlaufleistung der Brennkraftmaschine vorgegeben bzw. adaptiert wird.
  • Mit dieser erfindungsgemäßen Verfahrensführung kann somit die aktive Abgasnachbehandlung durch Zugabe eines Reduktionsmittels in Abhängigkeit von den jeweiligen Rohemissionen und der Laufleistung der Brennkraftmaschine vorgegeben werden. Die Rohemissionswerte einer Brennkraftmaschine über der Laufzeit einer Brennkraftmaschine können sehr gut in sogenannten Dauerlaufversuchen der Brennkraftmaschine ermittelt und somit als Parameter bzw. Kennlinie in einer Steuereinrichtung eines Fahrzeuges abgelegt werden. Durch Sensierung verschiedener Abgasbestandteile oder -eigenschaften kann die zugrundegelegte Kennlinie auch in bestimmten Betriebspunkten und unter bestimmten Betriebsbedingungen mit den tatsächlich vorherrschenden Systemeigenschaften abgeglichen werden. So kann zum Beispiel durch die einfache Erfassung der zum Beispiel NOX-Werte nach dem NOX-Abgasnachbehandlungselement, zum Beispiel mittels einer NOX-Sonde, in Verbindung mit bekannten Brennkraftmaschinen-Parametern auf einfache Weise eine Adaption der Reduktionsmittelzudosierung und damit der Regenerationsphasen vorgenommen werden. Dadurch können zum Beispiel Sonden vor dem Abgasnachbehandlungselement eingespart werden, was sich in erheblich reduzierten Herstellungskosten niederschlägt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit ein Betrieb von Brennkraftmaschinen mit aktiver Abgasnachbehandlung möglich, bei der je nach Laufzeit und Emissionslage der Brennkraftmaschine die Regenerationsmittelzugabe aktiviert, deaktiviert bzw. in Frequenz und Amplitude adaptiert werden kann.
  • Die bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Verfahrensführung erfolgt in Verbindung mit der NOX-Reduzierung. Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße Verfahrensführung aber auch in Verbindung mit der Reduzierung anderer Schadstoffkomponenten, insbesondere von HC und CO einsetzbar. Hier wird dann das Reduktionsmittel Kraftstoff bevorzugt in den Brennraum nacheingespritzt (brennende Nacheinspritzung). Nachfolgend wird jedoch die Erfindung der Übersichtlichkeit halber ausschließlich mit der NOX-Reduzierung beispielhaft näher erläutert.
  • Beispielsweise kann es bei Neufahrzeugen durchaus möglich sein, die Reduktionsmittelzugabe am Anfang einzuschränken bzw. zu deaktivieren, sofern das NOX-Abgasnachbehandlungselement in der Lage ist, die NOX-Reduzierung unterhalb der vorgegebenen Abgasgrenzwerte für NOX zu halten.
  • Gemäß einer bevorzugten konkreten Verfahrensführung wird vorgeschlagen, dass der Zugabezeitpunkt und/oder die Zugabezeitdauer und/oder die Zugabemenge des Reduktionsmittels zusätzlich in Abhängigkeit vom Alterungsgrad des NOX-Abgasnachbehandlungselements, insbesondere eines NOX-Speicherkatalysators oder eines SCR-Katalysators, vorgegeben und/oder adaptiert wird. Damit kann auch die regelmäßig vorhandene Kenngröße der Katalysatoralterung in die Adaption miteinbezogen werden, so dass die exakte auf die jeweiligen konkreten Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine abgestellte Reduktionsmittelzugabe noch besser bestimmt werden kann.
  • Bevorzugt wird der Zugabezeitpunkt und/oder die Zugabezeitdauer und/oder die Zugabemenge des Reduktionsmittels einer fabrikneuen Brennkraftmaschine so vorgegeben, dass eine Reduktionsmittelzufuhr zum NOX-Abgasnachbehandlungselement bis zum Erreichen eines vorgegebenen Laufleistungs-Schwellwertes für die Gesamtlaufleistung der Brennkraftmaschine bzw. gegebenenfalls zusätzlich bis zum Erreichen eines definierten Alterungsgrads des NOX-Abgasnachbehandlungselements, deaktiviert oder entsprechend einer voreingestellten Grundeinstellung vorgegeben ist.
  • Weiter ist bevorzugt vorgesehen, dass der Zugabezeitpunkt und/oder die Zugabezeitdauer und/oder die Zugabemenge des Reduktionsmittels nach Erreichen oder Überschreiten wenigstens eines Laufleistungs-Schwellwerts sowie gegebenenfalls des Abgasnachbehandlungselement-Alterungsgrads so gegenüber der Grundeinstellung adaptiert wird, dass die Zugabe zu einem früheren Zeitpunkt und/oder öfter erfolgt und/oder die Zugabemenge erhöht wird.
  • Die Größenordnung der Adaption, das heißt der Adaptionsgrad, und/oder die Adaptionsart ist dabei in Abhängigkeit von dem Erreichen oder Überschreiten des wenigstens einen Laufleistungs-Schwellwerts bzw. gegebenenfalls des Abgasnachbehandlungselement-Alterungsgrads so vorgegeben, dass je nach der Anzahl der überschrittenen Schwellwerte und/oder der Größenordnung der Überschreitung (Überschreitungsgrad) früher und/oder öfter und/oder mehr Reduktionsmittel zugegeben wird.
  • Besonders bevorzugt sind hierbei mehrere unterschiedliche Adaptionsstufen vorgesehen, die so gestaffelt sind, dass mit zunehmender Anzahl der erreichten oder überschrittenen Schwellwerte bzw. mit zunehmendem Überschreitungsgrad früher und/oder öfter und/oder mehr Reduktionsmittel zugegeben wird.
  • Das NOX-Abgasnachbehandlungselement ist bevorzugt ein NOX-Speicherkatalysator, dem Kraftstoff als Reduktionsmittel bzw. dessen Verbrennungsprodukte HC und CO zugeführt wird. Der das Reduktionsmittel bildende Kraftstoff wird dabei in wenigstens einer Beschleunigungsphase des Fahrzeugs dergestalt zugeführt, dass die der Brennkraftmaschine zugeführte Kraftstoffmenge gegenüber einem Nicht-Reduktionsbetrieb in einem vorgegebenen Maße erhöht, jedoch unter Beibehaltung der geforderten Drehmomentabgabe der Brennkraftmaschine, wird.
  • Zudem kann in Abhängigkeit von vorgegebenen Schwellwerten für die Zeitdauer und/oder Zudosiermenge und/oder die Häufigkeit der einzelnen Regenerationsphasen eine Serviceanzeige dann aktiviert werden, zum Beispiel eine Signallampe im Fahrzeuginnenraum, wenn kein ordnungsgemäßer Regenerationsbetrieb mehr möglich ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 schematisch einen beispielhaften Fahrzyklus für ein Neufahrzeug, und
  • 2 schematisch denselben Fahrzyklus gemäß 1 für eine Brennkraftmaschine mit einer gegenüber einer neuen Brennkraftmaschine deutlich höheren Gesamtlaufleistung.
  • In der 1 ist schematisch und beispielhaft der Geschwindigkeitsverlauf eines Fahrzyklus über eine hier lediglich beispielhaft gewählte Zeit von 1.200 Sekunden dargestellt und mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Ferner ist in dem Diagramm der 1 mit dem Bezugszeichen 2 die für diesen Fahrzyklus emittierte NOX-Menge in Prozent aufgetragen. Am Ende des Fahrzyklus ist ein NOX-Speicherkatalysator im Wesentlichen voll beladen. Dies erfordert die Initiierung einer nachfolgend noch näher erläuterten und mit dem Bezugszeichen 6 bezeichneten Regenerationsphase, in der durch Zugabe eines Reduktionsmittels die in den NOX-Speicherkatalysator eingespeicherten bzw. eingelagerten Stickoxide reduziert und zu Stickstoff umgewandelt werden, so dass wieder Speicherplatz im NOX-Speicherkatalysator für eine Einspeicherung von Stickoxiden zur Verfügung steht. Diese NOX-Reduktion im NOX-Speicherkatalysator ist in der Darstellung der 1 mit dem Pfeil 4 dargestellt.
  • Wie dies der 1 weiter zu entnehmen ist, wird die Regenerationsphase zur Regenerierung des Stickoxid-Speicherkatalysators zum Zeitpunkt tR gestartet, das heißt zu Beginn einer mit dem Bezugszeichen 3 bezeichneten Beschleunigungsphase zum Zeitpunkt tR durch erhöhte Kraftstoffzudosierung gegenüber einer Nicht-Regenerationsphase zu diesem Zeitpunkt, wie dies strichliert und mit dem Bezugszeichen 6 in der 1 dargestellt ist, eine Anfettung des Gemisches vorgenommen, so dass die Konzentration von HC und CO Anteilen im Abgas erhöht wird, die das im NOX-Speicherkatalysator eingespeicherte NOX zu Stickstoff reduzieren und damit im Sinne des Pfeils 4 einen Speicherplatz im NOX-Speicherkatalysator regenerieren. Dadurch kann der NOX-Grenzwert 5 stets eingehalten werden.
  • In der 1 ist der Fahrzyklus und die NOX-Emissionsmenge schematisch für eine neue Brennkraftmaschine dargestellt.
  • Für eine, eine höhere Laufleistung von zum Beispiel 100.000 km aufweisende Brennkraftmaschine stellt sich, wie dies in der 2 dargestellt ist, die Situation bezüglich der Rohabgasemissionen anders dar. So wird bei derartigen „gealterten” Brennkraftmaschinen die Rohemission „schlechter”, das heißt, dass eine größere Menge an Stickoxiden emittiert wird, was, wie durch die mit den Bezugszeichen 2' bezeichnete Kurve dargestellt, dazu führt, dass der vorgegebene NOX-Grenzwert 5 bei einem identischen Fahrzyklus eher erreicht wird, als dies bei der neuen Brennkraftmaschine gemäß 1 der Fall ist, nämlich zu dem Zeitpunkt, bei dem die Kurve 2' am Schnittpunkt 7 die den NOX Grenzwert 5 charakterisierende strichpunktierte Linie schneidet. Dies führt dazu, dass die in der 1 und auch in der 2 zum Zeitpunkt tR durchgeführte Anfettung in der Regenerationsphase zu spät erfolgt bzw. nicht mehr ausreicht, um, wie mit dem Pfeil 4' dargestellt, durch NOX-Reduktion wieder genügend Speicherplatz im NOX-Speicherkatalysator zu schaffen, so dass es zu einer unerwünschten Überschreitung des NOX-Grenzwertes 5 kommen würde.
  • Um sicherzustellen, dass es zu keiner derartigen Überschreitung des vorgegebenen NOX-Grenzwerts kommt bzw. kommen kann, ist gemäß der erfindungsgemäßen Lehre jeder Gesamtlaufleistung bzw. Kilometerlaufleistung der Brennkraftmaschine ein bestimmter NOX-Rohemissionswert zugeordnet und zum Beispiel als Kennfeld oder Kennlinie in einer Motorsteuereinrichtung abgelegt, so dass der Zugabezeitpunkt und/oder die Zugabezeitdauer und/oder die Zugabemenge des Reduktionsmittels in Abhängigkeit von einem Erreichen vorgegebener Rohemissionswerte der Brennkraftmaschine bei einer bestimmten Gesamtlaufleistung der Brennkraftmaschine vorgegeben bzw. adaptiert werden kann. Das heißt, dass dann im hier gewählten Beispielfall eine Anfettung nicht nur zum Zeitpunkt tR erfolgt, sondern zusätzlich dazu zum früheren Zeitpunk t0 bereits eine definierte Anfettung während einer Beschleunigungsphase erfolgt. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine nochmalige Anfettung zum Zeitpunkt t1, der hinter dem Zeitpunkt tR liegt, oder zusätzliche weitere erfolgen. Dies kann insbesondere zum Beispiel dann notwendig sein, wenn auch der NOX-Speicherkatalysator gealtert ist und keine so hohe Speicherfähigkeit mehr aufweist wie ein neuer NOX-Speicherkatalysator. Die Anfettungszeitpunkte bzw. die Häufigkeit der Anfettungen ist hier lediglich beispielhaft und willkürlich gewählt. Mittels dieser Anfettungen kann dann, wie in der 2 strichliert dargestellt zu einem bestimmten, nach dem Zeitpunkt t0 liegenden Zeitpunkt ein Kurvenverlauf erzielt werden, bei dem während des betrachteten Fahrzyklus keine Überschreitung des NOX-Grenzwerts 5 erfolgt. Dadurch ergibt sich dann ein optimierter NOX-Kurvenverlauf 2'', wie er in der 2 strichliert eingezeichnet ist, und der anfänglich identisch mit der Kurve 2' verläuft und dann bedingt durch die zum Zeitpunkt t0 getätigte Anfettung zu einem insgesamt flacheren Kurvenverlauf führt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102004046640 A1 [0005]
    • - DE 199034139 A1 [0006]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine, bei der einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine im Rahmen einer Schadstoffreduzierung, insbesondere einer NOX-Reduzierung, stromauf eines Abgasnachbehandlungselements, insbesondere eines NOX-Speicherkatalysators oder eines SCR-Katalysators, während eines Regenerationsbetriebs zu definierten Zeiten eine definierte Menge eines Reduktionsmittels zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugabezeitpunkt und/oder die Zugabezeitdauer und/oder die Zugabemenge des Reduktionsmittels in Abhängigkeit von einer aktuell erfassten Gesamtlaufleistung der Brennkraftmaschine vorgegeben und/oder adaptiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugabezeitpunkt und/oder die Zugabezeitdauer und/oder die Zugabemenge des Reduktionsmittels einer fabrikneuen Brennkraftmaschine so vorgegeben wird, dass eine Reduktionsmittelzufuhr bis zum Erreichen eines vorgegebenen Laufleistungs-Schwellwertes für die Gesamtlaufleistung der Brennkraftmaschine deaktiviert oder entsprechend einer voreingestellten Grundeinstellung vorgegeben ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugabezeitpunkt und/oder die Zugabemenge des Reduktionsmittels zusätzlich in Abhängigkeit vom Alterungsgrad des Abgasnachbehandlung selementes, insbesondere eines NOX-Speicherkatalysators oder eines SCR-Katalysators, vorgegeben und/oder adaptiert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugabezeitpunkt und/oder die Zugabezeitdauer und/oder die Zugabemenge des Reduktionsmittels nach Erreichen oder Überschreiten des Laufleistungs-Schwellwerts sowie gegebenenfalls eines definierten Abgasnachbehandlungselement-Alterungsgrads so gegenüber der Grundeinstellung adaptiert wird, dass die Zugabe zu einem früheren Zeitpunkt und/oder öfter erfolgt und/oder die Zugabemenge erhöht wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Größenordnung der Adaption (Adaptionsgrad) und/oder die Adaptionsart in Abhängigkeit von dem Erreichen oder Überschreiten des wenigstens einen Laufleistungs-Schwellwerts sowie gegebenenfalls des Abgasnachbehandlungselement-Alterungsgrads so vorgegeben ist, dass je nach der Anzahl der überschrittenen Schwellwerte und/oder der Größenordnung der Überschreitung (Überschreitungsgrad) früher und/oder öfter und/oder mehr Reduktionsmittel zugegeben wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere unterschiedliche Adaptionsstufen vorgesehen sind, die so gestaffelt sind, dass mit zunehmender Anzahl der erreichten oder überschrittenen Schwellwerte und/oder mit zunehmendem Überschreitungsgrad früher und/oder öfter und/oder mehr Reduktionsmittel zugegeben wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasnachbehandlungselement ein NOX-Speicherkatalysator ist, dem Kraftstoff und/oder verbrannte und/oder teilverbrannte Kraftstoffkomponenten über das Abgas als Reduktionsmittel zugeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasnachbehandlungselement ein Oxidationskatalysator ist, wobei der Kraftstoff als Reduktionsmittel im Rahmen einer Nacheinspritzung in wenigstens einen Brennraum der Brennkraftmaschine nacheingespritzt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der das Reduktionsmittel bildende Kraftstoff in wenigstens einer Beschleunigungsphase des Fahrzeugs dergestalt zugeführt wird, dass die der Brennkraftmaschine zugeführte Kraftstoffmenge gegenüber einem Nicht-Regenerationsbetrieb in einem vorgegebenen Maße erhöht wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Servicestrategie, gegebenenfalls mit Serviceanzeige, in Abhängigkeit von vorgegebenen Schwellwerten für die Zeitdauer und/oder Zudosiermenge und/oder Häufigkeit der einzelnen Regenerationsphasen ermittelt wird.
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