DE102012108237A1

DE102012108237A1 - Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102012108237A1
Application number: DE102012108237A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Schnorbus
Original assignee: FEV GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2012-06-06
Filing date: 2012-09-05
Publication date: 2013-12-12
Also published as: WO2013182325A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoff als erstem Betriebsmittel, wobei die Brennkraftmaschine eine Einrichtung zur Abgasnachbehandlung, insbesondere einen Stickoxid-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden aufweist, wobei bei der Abgasnachbehandlung ein Additiv als zweites Betriebsmittel verwendet wird

Description

Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoff als erstem Betriebsmittel, wobei die Brennkraftmaschine eine Einrichtung zur Abgasnachbehandlung, insbesondere einen Stickoxid-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden aufweist, wobei bei der Abgasnachbehandlung ein Additiv als zweites Betriebsmittel verwendet wird.
Eine Turboaufladung ermöglicht bei Brennkraftmaschinen neben einer Steigerung des Ladedrucks auch eine im Wesentlichen freie Einstellbarkeit des gewünschten Ladedrucks und einer Abgasrückführungsrate, die es erlauben, einen kraftstoffverbrauchsoptimalen Sollwert unter Einhaltung aller vom Gesetzgeber geforderten Emissionsgrenzwerte einzustellen. Die Veränderung des Ladedrucks und der AGR-Rate beeinflusst ebenso ein Niveau der Partikelemissionen und der Rohemissionen von Stickoxid durch die damit verbundene Veränderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses. Ein Ladedruck-Regelverfahren für eine Abgasturbolader mit verstellbaren Turbinenschaufeln ist in der Druckschrift DE 199 05 420 A1 beschrieben. Der Ladedruck wird mittels zumindest eines auf eine Verstelleinrichtung wirkenden Reglers auf einen Ladedrucksollwert geregelt, wobei die Reglerparameter über Kennlinien beziehungsweise Kennfelder abhängig von Betriebsparametern eingestellt werden. Eine vorrangige Betrachtung einer kraftstoffverbrauchsoptimalen Einstellung hat den Nachteil, dass ein Mehrverbrauch an Additiv zur selektiven katalytischen Reduktion der Stickoxide in der Abgasnachbehandlungseinrichtung unberücksichtigt bleibt.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Betriebsstoffverbrauch der Brennkraftmaschine mit Abgasnachbehandlungseinrichtung zu optimieren, wobei neben dem Verbrauch an Kraftstoff auch der Verbrauch an Additiv berücksichtigt wird.
Die Aufgabe wird durch Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildungen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoff als erstem Betriebsmittel, wobei die Brennkraftmaschine eine Einrichtung zur Abgasnachbehandlung, insbesondere einen Stickoxid-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden aufweist, sieht vor, dass bei der Abgasnachbehandlung ein Additiv als zweites Betriebsmittel verwendet wird. Die Verwendung derartiger Additive, beispielsweise aus Harnstoff, ist dem Fachmann zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden bei der Abgasnachbehandlung bekannt. Erfindungsgemäß wird ein Betriebsmittelverbrauch der Brennkraftmaschine unter Berücksichtigung eines Verbrauchs des ersten Betriebsmittels und unter Berücksichtigung eines Verbrauchs des zweiten Betriebsmittels optimiert.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass ein wirtschaftlicher Betrieb der Brennkraftmaschine ermöglicht wird, da nicht der Kraftstoffverbrauch allein, sondern auch der Additivverbrauch in die Optimierung einbezogen wird.
Da der Kraftstoffverbrauch einer Brennkraftmaschine insgesamt gegenüber dem Additivverbrauch wesentlich höher ist, kann der Optimierung keine gewichts- oder volumenmäßige Gleichbehandlung beider Betriebsstoffe zu Grunde liegen. Es wird daher vorzugsweise ein Gewichtungsverhältnis des Verbrauchs des ersten Betriebsmittels zu dem Verbrauch des zweiten Betriebsmittels vorgegeben, welches insbesondere nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten gewählt wird. Besonders bevorzugt orientiert sich das Gewichtungsverhältnis an dem jeweils aktuellen Marktwert der Betriebsstoffe. Diese Ausführungsform ist besonders im Schwerlastverkehr von Vorteil. Bei gegebenenfalls regional oder national bedingt günstiger Versorgungslage mit Kraftstoff, also beispielsweise geringen Dieselpreisen, aber schwieriger Versorgungslage und damit hohen Kosten für Harnstoff-Additiv kann die Gewichtung derart verändert werden, dass ein Kraftstoffmehrverbrauch hingenommen wird, um ein Rohemissionsniveau von Stickoxiden zu senken und weniger Additiv zur Stickoxid-Reduktion zu verbrauchen. Umgekehrt kann ein besonders Kraftstoff sparender Betrieb in einer zeitlich oder örtlich bedingten Hochpreisphase bei Dieselkraftstoff wirtschaftlich vorteilhaft sein, so dass ein Mehrverbrauch an Additiv durch erhöhte Emissionswerte hingenommen wird.
Der Betriebsmittelverbrauch wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform durch eine Beeinflussung von mindestens zwei betriebsmittelverbrauchsrelevanten Parametern optimiert, wobei ein erster Parameter mindestens den Verbrauch des ersten Betriebsmittels beeinflusst und ein zweiter Parameter mindestens den Verbrauch des zweiten Betriebsmittels beeinflusst. Einer oder beide Parameter können auch beide Betriebsstoffverbräuche beeinflussen. Der erste Parameter ist insbesondere ein Rohemissionsniveau von Stickoxid, welches vorzugsweise durch eine Regelung eines Luftpfads der Brennkraftmaschine beeinflusst wird. Die Regelung eines Luftpfads betrifft vorzugsweise eine Regelung einer Abgasrückführungsrate, wobei eine Regelung eines Ladedrucks ebenfalls zu berücksichtigen ist. Der Fachmann weiß, dass Ladedruck und Abgasrückführungsrate (AGR-Rate) gekoppelt sind, was bei der Regelung zu beachten ist. Bei der Regelung des Luftpfads wird ein direkter Einfluss der AGR-Rate auf den Verbrauch des ersten Betriebsmittels und auf die Rohemission von Stickoxid berücksichtigt. Es besteht ein gewisser Spielraum innerhalb der Emissionsvorgaben, der zum Vorteil ausgenutzt werden kann. Eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs durch entsprechende Einstellung der AGR-Rate erhöht dabei das Rohemissionsniveau der Brennkraftmaschine. Unter dem Rohemissionsniveau ist die Emission von Stickoxiden und Stickoxid bildenden Stoffen durch die Brennkraftmaschine vor der Nachbehandlung des Abgases durch die Abgasnachbehandlungseinrichtung zu verstehen.
Die Regelung des Luftpfads wird vorzugsweise auf Basis von physikalischen Modellen des Verhaltens der Brennkraftmaschine oder mathematisch äquivalenten Funktionen durchgeführt. Diese berücksichtigen vorteilhaft bereits die wechselseitige Beeinflussung der AGR-Regelung und der Ladedruckregelung. Wird im realen Betrieb auf Grund zusätzlicher Erkenntnisse über tatsächlichen Verbrauch und Emissionen eine adaptive Regelung oder Anpassung der Modellparameter durchgeführt, wird die Beeinflussung der AGR- und Ladedruckregelung vorzugsweise mittels geeigneter Korrekturfunktionen oder Entkopplungsglieder berücksichtigt. Bevorzugt wird also bei der Regelung des Luftpfads ein indirekter Einfluss des Ladedrucks auf die Rohemission von Stickoxid berücksichtigt.
Erhöhte Rußemissionen erfordern außerdem kürzere Regenerationsintervalle eines Partikelfilters. Daraus ergibt sich ein weiterer indirekter Einfluss der Regelung des Luftpfads, hier insbesondere des Ladedrucks, durch einen zusätzlichen Verbrauch des ersten Betriebsmittels durch die Regeneration, der aus dem Regenerationsbetrieb der Brennkraftmaschine resultiert, bei dem ein höherer Kraftstoffverbrauch anfällt, als im Normalbetrieb, beispielsweise weil die Abgasnachbehandlungseinrichtung auf eine Regenerationstemperatur gebracht und gehalten werden muss. Ein Verfahren, dass diesen indirekten Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch berücksichtigt, ist in der deutschen Patentanmeldung 10 2010 060 992.7 beschrieben, auf die hiermit Bezug genommen wird.
Der zweite betriebsmittelverbrauchsrelevante Parameter, durch dessen Beeinflussung der Betriebsmittelverbrauch vorzugsweise optimiert wird, ist ein Wirkungsgrad der Abgasnachbehandlung. Der Wirkungsgrad der Abgasnachbehandlung bei der vorzugsweise selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden wird durch eine Dosierung des zweiten Betriebsmittels beeinflusst. Emissionsgrenzwerte und gegebenenfalls weitere gesetzliche Vorschriften stellen die vorgegebenen Randbedingungen für das beschriebene Verfahren dar, innerhalb derer eine beispielsweise wirtschaftliche Optimierung des Betriebs einer Brennkraftmaschine vorteilhaft möglich ist. Die selektive katalytische Reduktion (selective catalytic reduction, SCR) bezeichnet eine Technik zur Reduktion von Stickoxiden in Abgasen, unter anderem von Brennkraftmaschinen. Die chemische Reaktion an einem SCR-Katalysator ist selektiv, das heißt, es werden bevorzugt die Stickoxide reduziert. Zum Ablauf der Reaktion wird Ammoniak benötigt, das dem Abgas zugemischt wird. Die Produkte der Reaktion sind Wasser und Stickstoff. Das SCR-Verfahren wird angewendet, um bei Dieselfahrzeugen die Stickoxidemissionen zu senken. Das für die SCR-Reaktion benötigte Ammoniak wird nicht direkt verwendet, sondern in Form einer wässrigen Harnstofflösung. Die Zusammensetzung ist in der DIN 70070 geregelt. Diese wässrige Lösung wird vor dem SCR-Katalysator in den Abgasstrang, z. B. mittels Dosierpumpe oder Injektor, eingespritzt. Aus der Harnstoff-Wasser-Lösung entstehen durch eine Hydrolysereaktion Ammoniak und Kohlendioxid. Das so erzeugte Ammoniak kann in einem speziellen SCR-Katalysator bei entsprechender Temperatur mit den Stickoxiden im Abgas reagieren. Die Menge des eingespritzten Harnstoffs ist von der motorischen Stickoxidemission abhängig. Der Verbrauch an Harnstoff-Wasser-Lösung beträgt abhängig von der Rohemission des Motors etwa zwei bis acht Prozent der Menge des eingesetzten Dieselkraftstoffs.
Ein Brennkraftmaschine zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens verfügt insbesondere über die Möglichkeit, Abgasnachbehandlungswirkungsgrade bewerten zu können und die Rohemission von Stickoxid gezielt zu beeinflussen, sowie deren Effekte auf den Verbrauch abbilden zu können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19905420 A1 [0002]
DE 102010060992 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 70070 [0011]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoff als erstem Betriebsmittel, wobei die Brennkraftmaschine eine Einrichtung zur Abgasnachbehandlung, insbesondere einen Stickoxid-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden aufweist, wobei bei der Abgasnachbehandlung ein Additiv als zweites Betriebsmittel verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betriebsmittelverbrauch der Brennkraftmaschine unter Berücksichtigung eines Verbrauchs des ersten Betriebsmittels und unter Berücksichtigung eines Verbrauchs des zweiten Betriebsmittels optimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gewichtungsverhältnis des Verbrauchs des ersten Betriebsmittels zu dem Verbrauch des zweiten Betriebsmittels vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsmittelverbrauch durch eine Beeinflussung von mindestens zwei betriebsmittelverbrauchsrelevanten Parametern optimiert wird, wobei ein erster Parameter mindestens den Verbrauch des ersten Betriebsmittels beeinflusst und ein zweiter Parameter mindestens den Verbrauch des zweiten Betriebsmittels beeinflusst.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Parameter ein Rohemissionsniveau von Stickoxid ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohemissionsniveau von Stickoxiden durch eine Regelung eines Luftpfads beeinflusst wird, insbesondere durch die Regelung einer Abgasrückführungsrate.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Regelung des Luftpfads ein direkter Einfluss der Abgasrückführungsrate auf den Verbrauch des ersten Betriebsmittels und auf die Rohemission von Stickoxid berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Regelung des Luftpfads ein direkter Einfluss des Rohemissionsniveaus von Stickstoff auf den Verbrauch des zweiten Betriebsmittels zur Reduktion der Stickoxide berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Regelung des Luftpfads ein indirekter Einfluss eines Ladedrucks auf die Rohemission von Stickoxid berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Parameter ein Wirkungsgrad der Abgasnachbehandlung ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkungsgrad der Abgasnachbehandlung bei einer Reduktion von Stickoxiden durch eine Dosierung des zweiten Betriebsmittels beeinflusst wird.