DE102013209481B4 - Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung sowie entsprechende Antriebseinrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung (1) mit einer Brennkraftmaschine (2) und einer Abgasreinigungseinrichtung (9), die von Abgas der Brennkraftmaschine (2) zu dessen Reinigung durchströmt wird, wobei die Abgasreinigungseinrichtung (9) zumindest ein Katalysatorelement zur katalytischen Umwandlung von Stickstoffmonoxid in Stickstoffdioxid mit einer bestimmten Umwandlungsrate (η) aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass zum Ausgleich einer altersbedingten Abnahme der Umwandlungsrate (η) des Katalysatorelements der Stickstoffmonoxidausstoß der Brennkraftmaschine (2) und/oder die Abgastemperatur vor dem Katalysatorelement in Abhängigkeit von der momentanen Umwandlungsrate (η) und/oder des Alters des Katalysatorelements derart eingestellt werden, dass die Stickstoffdioxidkonzentration nach dem Katalysatorelement größer oder gleich einer Mindestkonzentration ist und/oder dass das molare Verhältnis zwischen Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid nach dem Katalysatorelement einem Vorgabeverhältnis entspricht. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Antriebseinrichtung (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung mit einer Brennkraftmaschine und einer Abgasreinigungseinrichtung, die von Abgas der Brennkraftmaschine zu dessen Reinigung durchströmt wird, wobei die Abgasreinigungseinrichtung zumindest ein Katalysatorelement zur katalytischen Umwandlung von Stickstoffmonoxid in Stickstoffdioxid mit einer bestimmten Umwandlungsrate aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Antriebseinrichtung.
  • Die Antriebseinrichtung dient beispielsweise dem Antreiben eines Kraftfahrzeugs oder eines Wasserfahrzeugs. Zu diesem Zweck wird von der Brennkraftmaschine, die beispielsweise als Dieselbrennkraftmaschine ausgebildet ist, ein Drehmoment bereitgestellt. Das von der Brennkraftmaschine erzeugte Abgas wird der Abgasreinigungseinrichtung zugeführt und in dieser zumindest teilweise von Schadstoffen befreit. Dabei ist es häufig vorteilhaft, wenn das die Abgasreinigungseinrichtung durchströmende Abgas einen bestimmten Anteil Stickstoffdioxid aufweist, beispielsweise um dieses zur Regeneration eines Partikelfilters und/oder zur Reaktion mit Stickstoffmonoxid in einem Katalysator heranzuziehen.
  • Unmittelbar stromabwärts der Brennkraftmaschine liegt in dem Abgas jedoch lediglich eine geringe Menge oder überhaupt kein Stickstoffdioxid vor. Dagegen ist der Anteil des Stickstoffmonoxids an dem Abgas vergleichsweise hoch. Aus diesem Grund ist in der Abgasreinigungseinrichtung das wenigstens eine Katalysatorelement vorgesehen. Dieses dient dem katalytischen Umwandeln von Stickstoffmonoxid in Stickstoffdioxid, wobei dies mit der bestimmten Umwandlungsrate erfolgt. Stromabwärts des Katalysatorelements – bezogen auf eine Hauptströmungsrichtung des Abgases – liegt in dem Abgas der Brennkraftmaschine also ein höherer Anteil an Stickstoffdioxid beziehungsweise eine größere Menge von diesem vor als dies stromaufwärts des Katalysatorelements der Fall ist. Das Katalysatorelement weist zumindest eine katalytisch aktive Komponente beziehungsweise ein Katalysatormaterial, beispielsweise Platin oder eine Platinlegierung, auf. Mit zunehmender Lebensdauer des Katalysatorelements reduziert sich jedoch die katalytische Wirkung dieses Katalysatormaterials und mithin des Katalysatorelements, insbesondere aufgrund der thermischen Alterung beziehungsweise einer chemischen Vergiftung, welche durch bestimmte Komponenten eines Schmiermittels und/oder eines zum Betreiben der Brennkraftmaschine verwendeten Kraftstoffs unvermeidbar ist. Entsprechend reduziert sich die Menge des durch die katalytische Umwandlung erzeugten Stickstoffdioxids.
  • Aus diesem Grund ist das Katalysatorelement üblicherweise derart ausgebildet, dass es über seine gesamte vorgegebene Lebensdauer hinweg eine Umwandlungsrate ermöglicht, welche größer oder gleich einer Mindestumwandlungsrate ist. Dies bedingt jedoch, dass zu Beginn der Lebensdauer des Katalysatorelements und insbesondere unmittelbar bei einer Inbetriebnahme der Antriebseinrichtung die Umwandlungsrate höher ist als zur Erzeugung der gewünschten Menge des Stickstoffdioxids notwendig ist. Entsprechend liegt in dem Abgas stromabwärts des Katalysatorelements eine zu große Menge des Stickstoffdioxids vor, welcher unter Umständen stromabwärts des Katalysatorelement nicht verwertet werden kann und entsprechend einer Außenumgebung der Antriebseinrichtung zugeführt wird. Dies führt dazu, dass die Stickstoffdioxidemissionen der Antriebseinrichtung höher sind als notwendig.
  • Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Druckschrift WO 2009/135063 A2 bekannt. Diese betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Degeneration eines SCR-Katalysators eines Motorabgasnachbehandlungssystems. Die Vorrichtung weist auf: ein Systemeigenschaftsmodul, das konfiguriert ist, mindestens einen Systemdynamikeigenschaftswert des Abgassystems zu einer ersten Zeit zu speichern und den mindestens einen Systemdynamikeigenschaftswert des Abgasnachbehandlungssystems zu einer zweiten Zeit nach der ersten Zeit zu empfangen; ein Systemdynamikmodul, das konfiguriert ist, eine Speicherkapazität des SCR-Katalysators auf der Basis eines Vergleichs zwischen dem mindestens einen Systemdynamikeigenschaftswert zur ersten Zeit und dem mindestens einen Systemdynamikeigenschaftswert zur zweiten Zeit zu bestimmen; und ein SCR-Katalysatordegenerationsfaktormodul, das konfiguriert ist, einen Degenerationsfaktor der Ammoniakspeicherkapazität des SCR-Katalysators und einen Degenerationsfaktor der NOx-Umwandlungseffizienz des SCR-Katalysators mindestens teilweise auf der Basis der Speicherkapazität des SCR-Katalysators zu bestimmen. Weiterhin beschreibt die Druckschrift US 2012/0227383 A1 ein Verfahren zum Steuern eines Systems zur Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung vorzuschlagen, welches den eingangs beschriebenen Nachteil zumindest teilweise vermeidet und insbesondere über die gesamte Lebensdauer des Katalysatorelements hinweg eine geringe Stickstoffdioxidemission der Antriebseinrichtung ermöglicht.
  • Dies wird erfindungsgemäß mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass zum Ausgleich einer altersbedingten Abnahme der Umwandlungsrate des Katalysatorelements der Stickstoffmonoxidausstoß der Brennkraftmaschine und/oder die Abgastemperatur vor dem Katalysatorelement in Abhängigkeit von der momentanen Umwandlungsrate und/oder des Alters des Katalysatorelements derart eingestellt werden, dass die Stickstoffdioxidkonzentration nach dem Katalysatorelement größer oder gleich einer Mindestkonzentration ist und/oder dass das molare Verhältnis zwischen Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid nach dem Katalysatorelement einem Vorgabeverhältnis entspricht. In ersterem Fall, in welchem die Stickstoffdioxidkonzentration zumindest der Mindestkonzentration entsprechen soll, wird also die absolute Menge des nach dem Katalysatorelement in dem Abgas vorliegenden Stickstoffdioxids beeinflusst. Das alternativ oder zusätzlich vorgesehene Einstellen des molaren Verhältnisses zwischen Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid auf das Vorgabeverhältnis, dient dagegen einem Einstellen der Menge des Stickstoffdioxids in dem Abgas relativ zu der Menge des Stickstoffmonoxids. Selbstverständlich kann eine Kombination der beiden Ausführungsformen vorgesehen sein, bei welcher sowohl die Stickstoffdioxidkonzentration größer oder gleich der Mindestkonzentration als auch das molare Verhältnis gleich dem Vorgabeverhältnis sein soll.
  • Zum Einstellen der genannten Parameter werden der Stickstoffmonoxidausstoß der Brennkraftmaschine und/oder die Abgastemperatur vor dem Katalysatorelement entsprechend eingestellt. Durch das Anpassen des Stickstoffmonoxidausstoßes der Brennkraftmaschine wird die Konzentration des Stickstoffmonoxids in dem Abgasstrom stromaufwärts des Katalysatorelements vergrößert. Entsprechend steigt die Menge des mit Hilfe des Katalysatorelements aus dem Stickstoffmonoxid erzeugten Stickstoffdioxids, auch wenn die momentane Umwandlungsrate kleiner ist als eine Ausgangsumwandlungsrate, welche das Katalysatorelement zu Beginn seiner Lebensdauer, also in neuem Zustand, aufweist.
  • Die momentane Umwandlungsrate hängt stark von der Abgastemperatur vor beziehungsweise während des Überströmens des Katalysatorelements ab. Entsprechend kann durch eine Änderung der Abgastemperatur das molare Verhältnis zwischen dem Stickstoffmonoxid und dem Stickstoffdioxid stromabwärts des Katalysators eingestellt werden, insbesondere auf das Vorgabeverhältnis. Die Umwandlungsrate beschreibt bevorzugt diejenige Menge Stickstoffdioxid pro Zeiteinheit, welche im Verhältnis zu der vorhandenen Menge Stickstoffmonoxid aus diesem erzeugt werden kann.
  • Der Stickstoffmonoxidausstoß der Brennkraftmaschine und/oder die Abgastemperatur vor dem Katalysatorelement werden/wird vorzugsweise in Abhängigkeit von der momentanen Umwandlungsrate des Katalysatorelements und/oder des Alters des Katalysatorelements gewählt. Anschließend wird die Brennkraftmaschine derart eingestellt, dass der Stickstoffmonoxidausstoß und/oder die Abgastemperatur realisiert sind/ist. Mit einer solchen Vorgehensweise kann die altersbedingte Abnahme der Umwandlungsrate des Katalysatorelements ausgeglichen werden. Dabei kann, wie bereits vorstehend erläutert, eine absolute Menge des Stickstoffdioxids beziehungsweise eine absolute Stickstoffdioxidkonzentration stromabwärts des Katalysatorelements erzielt werden. Alternativ oder zusätzlich kann, worauf ebenfalls bereits eingegangen wurde, die Menge des Stickstoffdioxids beziehungsweise die Stickstoffdioxidkonzentration relativ zu der Menge des Stickstoffmonoxids beziehungsweise der Stickstoffmonoxidkonzentration stromabwärts des Katalysators beeinflusst werden. Besonders bevorzugt wird dabei das molare Verhältnis zwischen Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid auf das Vorgabeverhältnis eingestellt. Beispielsweise wird als Vorgabeverhältnis ein Verhältnis von Eins gewählt.
  • Das Katalysatorelement ist beispielsweise Bestandteil eines Oxidationskatalysators, insbesondere eines Dieseloxidationskatalysators (DOC) der Abgasreinigungseinrichtung. Alternativ kann das Katalysatorelement selbstverständlich als separates Bauteil in der Abgasreinigungseinrichtung vorgesehen sein.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zum Ausgleich der altersbedingten Abnahme der Umwandlungsrate der Stickstoffmonoxidausstoß in einem bestimmten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine über die Lebensdauer des Katalysatorelements erhöht wird. Wie bereits erläutert, sinkt die momentane Umwandlungsrate des Katalysatorelements mit zunehmendem Alter des Katalysatorelements über dessen Lebensdauer ab. Entsprechend muss, um eine bestimmte Stickstoffdioxidkonzentration stromabwärts des Katalysatorelements sicherzustellen, die Stickstoffmonoxidkonzentration stromaufwärts des Katalysatorelements vergrößert werden. Durch eine solche höhere Stickstoffmonoxidkonzentration, bei gleichzeitig jedoch kleinerer Umwandlungsrate, kann die Stickstoffdioxidkonzentration stromabwärts des Katalysatorelements im Bereich der Mindestkonzentration gehalten werden. Insbesondere soll die Stickstoffdioxidkonzentration größer oder gleich der Mindestkonzentration sein.
  • Weil selbstverständlich in verschiedenen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine unterschiedliche Stickstoffmonoxidausstöße vorliegen beziehungsweise die Abgastemperaturen verschieden sind, muss für einen Vergleich zwischen zwei Stickstoffdioxidkonzentration zu unterschiedlichen Zeitpunkten über der Lebensdauer des Katalysatorelements der Betriebspunkt konstant gewählt sein. Der Betriebspunkt ist beispielsweise durch die Drehzahl der Brennkraftmaschine und/oder das von ihr bereitgestellte Drehmoment charakterisiert. Zusätzlich oder alternativ kann auch wenigstens ein anderer Betriebsparameter zur Charakterisierung des Betriebspunkts herangezogen werden.
  • Vergleicht man nun zu unterschiedlichen Zeitpunkten die Umwandlungsraten des Katalysatorelements miteinander, so ist die Umwandlungsrate zu dem späteren Zeitpunkt geringer als die Umwandlungsrate zu dem früheren Zeitpunkt. Entsprechend muss, bei ansonsten identischem Betriebspunkt, der Stickstoffmonoxidausstoß zu dem späteren Zeitpunkt größer sein, um dieselbe oder eine höhere Stickstoffdioxidkonzentration nach dem Katalysatorelement zu erzielen wie zu dem früheren Zeitpunkt. Vorzugsweise ist natürlich vorgesehen, dass zum Ausgleich der altersbedingten Abnahme der Umwandlungsrate der Stickstoffmonoxidausstoß in allen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine über die Lebensdauer des Katalysatorelements erhöht wird. Das Erhöhen erfolgt also nicht lediglich in einem einzigen Betriebspunkt, sondern vielmehr in allen möglichen Betriebspunkten. Dabei kann jedoch das Erhöhen für verschiedene Betriebspunkte unterschiedlich vorgenommen werden.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Einstellen des Stickstoffmonoxidausstoßes und/oder der Abgastemperatur durch Verändern wenigstens eines Betriebsparameters der Brennkraftmaschine, insbesondere des Einspritzparameters, des Ladedrucks eines Laders, einer Abgasrückführrate und/oder eines Ansteuerparameters zumindest eines Einlassventils und/oder zumindest eines Auslassventils, erfolgt. Der Stickstoffmonoxidausstoß der Brennkraftmaschine beziehungsweise die Abgastemperatur kann durch zahlreiche Betriebsparameter der Brennkraftmaschine beeinflusst werden. Unter diese Betriebsparameter fallen beispielsweise die Einspritzparameter, der Ladedruck, die Abgasrückführrate und/oder die Ansteuerparameter des Einlassventils beziehungsweise des Auslassventils.
  • Der Einspritzparameter ist beispielsweise eine Menge des der Brennkraftmaschine pro Zeiteinheit zugeführten Kraftstoffs und/oder der Zeitraum, während welchem das Zuführen erfolgt. Letzterer wird durch den Einspritzbeginn, die Einspritzdauer und/oder das Einspritzende definiert. Der Ladedruck des Laders entspricht dem Druck stromabwärts des Laders beziehungsweise dem Druck der der Brennkraftmaschine zugeführten Frischladung, insbesondere Frischluft. Der Lader ist beispielsweise ein Turbolader, insbesondere ein Abgasturbolader, oder ein Kompressor. Die Abgasrückführrate ist die Menge des Abgases, welche der Brennkraftmaschine pro Zeiteinheit erneut zugeführt wird. Der Ansteuerparameter des Einlassventils beziehungsweise des Auslassventils ist beispielsweise ein Öffnungszeitpunkt, ein Schließzeitpunkt und/oder ein Öffnungszeitraum, während welchem das jeweilige Ventil zumindest teilweise geöffnet ist. Der Ansteuerparameter des Einlassventils beziehungsweise des Auslassventils entspricht den Steuerzeiten des jeweiligen Ventils, also dem Öffnungszeitpunkt, der Öffnungsdauer und/oder dem Schließzeitpunkt.
  • Zumindest einer der genannten Betriebsparameter, bevorzugt jedoch mehrere Betriebsparameter, werden nun zum Erzielen des gewünschten Stickstoffmonoxidausstoßes beziehungsweise der gewünschten Abgastemperatur eingestellt, wobei dies gesteuert und/oder geregelt, insbesondere in Abhängigkeit von der Stickstoffdioxidkonzentration nach dem Katalysatorelement beziehungsweise dem molaren Verhältnis vorgenommen werden kann.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Mindestkonzentration derart gewählt wird, dass ein Partikelfilter der Abgasreinigungseinrichtung mittels Stickstoffdioxid kontinuierlich mit einer bestimmten Regenerationsrate regeneriert wird. Die Abgasreinigungseinrichtung weist also den Partikelfilter auf. Dabei ist beispielsweise die Brennkraftmaschine als Dieselbrennkraftmaschine ausgebildet. Der Partikelfilter dient dazu, in dem Abgas der Brennkraftmaschine enthaltene Partikel, insbesondere Rußpartikel beziehungsweise Kohlenstoffpartikel, aus dem Abgas herauszufiltern. Besonders bevorzugt ist der Partikelfilter als kontinuierlich regenerierender Partikelfilter (CRT: Continuously Regenerating Trap) ausgebildet. Der Partikelfilter ist nun stromabwärts des Katalysatorelements angeordnet, sodass er von dem Abgas der Brennkraftmaschine erst nach dem Katalysatorelement durchströmt wird. Das an dieser Stelle in dem Abgas vorliegende Stickstoffdioxid, welches im Wesentlichen von dem Katalysatorelement aus dem Stickstoffmonoxid erzeugt wird, dient nun dazu, den Partikelfilter kontinuierlich mit der bestimmten Regenerationsrate zu regenerieren. Die Regenerationsrate kann im Falle des Partikelfilters auch als Rußabbrandrate bezeichnet werden. Das Regenerieren ist dabei über weitere Bereiche des Kennfelds der Brennkraftmaschine vorgesehen oder zumindest möglich.
  • Bevorzugt ist die Regenerationsrate dabei derart gewählt, dass stets ein zuverlässiges Filtern des Abgases mittels des Partikelfilters in dem gesamten Leistungsbereich der Brennkraftmaschine möglich ist. Anders ausgedrückt soll die Regenerationsrate so gewählt sein, dass das Regenerieren des Partikelfilters stets ausreicht, um eine zuverlässige Funktion des Partikelfilters zu realisieren. Die Regenerationsrate beziehungsweise Rußabbrandrate ist also beispielsweise derart gewählt, dass auch bei permanenter Volllast der Brennkraftmaschine der Partikelfilter nicht von den Partikeln, insbesondere Rußpartikeln, zugesetzt beziehungsweise verstopft wird. Insbesondere wenn die Partikel als Rußpartikel vorliegen, können sie mittels dem in dem Abgas enthaltenen Stickstoffdioxid zu Kohlenstoffdioxid und Stickstoffmonoxid umgesetzt werden. Um die bestimmte Regenerationsrate beziehungsweise Rußabbrandrate zu erzielen, ist es also notwendig, dass eine bestimmte Stickstoffdioxidkonzentration vorliegt. Insbesondere wird die vorstehend beschriebene Mindestkonzentration in Abhängigkeit von der Regenerationsrate festgelegt, bevorzugt also derart, dass der Partikelfilter auch bei permanenter Volllast der Brennkraftmachine zuverlässig regeneriert wird.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein stromabwärts des Katalysatorelements angeordneter Katalysator der Abgasreinigungseinrichtung als SCR-Katalysator ausgebildet ist beziehungsweise wird. Beispielsweise weist die Abgasreinigungseinrichtung den Katalysator auf, welcher stromabwärts des Katalysatorelements vorgesehen ist. Der Katalysator dient dem Durchführen einer selektiven katalytischen Reduktion von in dem Abgas enthaltenen Schadstoffen, insbesondere von Stickoxiden, also vor allem von Stickstoffmonoxid und/oder Stickstoffdioxid. Besonders vorteilhaft ist es, wenn in das Abgas stromaufwärts des Katalysators ein Reduktionsmittel eingebracht wird, beispielsweise in Form von Ammoniak beziehungsweise einer Harnstoff-Wasserlösung, aus welcher in dem Abgas Ammoniak gebildet wird. Dieses Reduktionsmittel gelangt zusammen mit dem Abgas in den Katalysator und dient dort dem Durchführen der Reduktion der Stickoxide.
  • Die dabei ablaufenden Reaktionen können beispielsweise durch die Reaktionsgleichungen 4NO2 + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O (Gleichung 1) 6NO2 + 8NH3 → 7N2 + 12H2O (Gleichung 2) NO2 + NO + 2NH3 → 2N2 + 3H2O (Gleichung 3) beschrieben werden. Die Gleichung 3 beschreibt dabei einen besonders effizienten Reaktionspfad, bei welchem das Stickstoffdioxid unmittelbar mit dem Stickstoffmonoxid reagiert. Um bevorzugt diesen Reaktionspfad ablaufen zu lassen, ist es notwendig, dass das Abgas dieselben Mengen an Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid enthält. Entsprechend wird das molare Verhältnis gleich Eins gewählt. Bevorzugt steht so zumindest näherungsweise jedem Stickstoffmonoxidmolekül ein Stickstoffdioxidmolekül zur Reaktion zur Verfügung. Anders ausgedrückt wird also das Vorgabeverhältnis derart gewählt, dass in dem Katalysator der Abgasreinigungseinrichtung zumindest der Reaktionspfad der selektiven katalytischen Reaktion des Abgases gemäß Gleichung 3, bei welchem das Stickstoffmonoxid unter Beteiligung eines in das Abgas eingebrachten Reduktionsmittels mit dem Stickstoffdioxid reagiert, ständig abläuft, zumindest jedoch in einem möglichst großen Temperaturbereich.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Einstellen derart erfolgt, dass die Stickstoffdioxidkonzentration nach dem Katalysatorelement kleiner oder gleich einer Höchstkonzentration ist. Es wird also nicht lediglich sichergestellt, dass die Stickstoffdioxidkonzentration größer oder gleich der vorstehend beschriebenen Mindestkonzentration ist, die insbesondere für das Regenerieren des Partikelfilters relevant ist. Zugleich soll auch die Höchstkonzentration Beachtung finden. Dies ist von Bedeutung, weil überschüssiges, stromabwärts des Katalysatorelements vorliegendes Stickstoffdioxid nicht verwertet werden und entsprechend in die Außenumgebung der Antriebseinrichtung austreten kann. Zudem entsteht bei einem Überangebot an Stickstoffdioxid an dem vorstehend erwähnten SCR-Katalysator N2O. Dies ist jedoch unerwünscht. Das Überangebot an Stickstoffdioxid soll also vermieden werden, insbesondere um Emissionsgrenzwerte für das Stickstoffdioxid einzuhalten.
  • Im Idealfall wird die Stickstoffdioxidkonzentration nach dem Katalysatorelement genau auf einen bestimmten Wert eingestellt beziehungsweise eingeregelt. In diesem Fall entspricht die Höchstkonzentration der Mindestkonzentration, sodass die nach dem Katalysatorelement vorliegende Stickstoffdioxidkonzentration sowohl gleich der Mindestkonzentration als auch gleich der Höchstkonzentration ist. Weil dies technisch jedoch schwierig zu realisieren ist, wird ein bestimmter Spielraum vorgegeben, in dem die Höchstkonzentration größer als die Mindestkonzentration gewählt wird. Beispielsweise liegt dabei die Mindestkonzentration um eine bestimmte Differenz unter einem idealen Wert der Stickstoffdioxidkonzentration und die Höchstkonzentration um die bestimmte Differenz über der idealen Stickstoffdioxidkonzentration.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass mittels eines ersten Stickoxidsensors stromaufwärts des Katalysatorelements eine erste Stickoxidkonzentrationsgröße und mittels eines zweiten Stickoxidsensors stromabwärts des Katalysatorelements eine zweite Stickoxidkonzentrationsgröße bestimmt wird, wobei die Stickstoffdioxidkonzentration aus der Differenz zwischen der ersten Stickoxidkonzentrationsgröße und der zweiten Stickoxidkonzentrationsgröße ermittelt wird. Der erste und der zweite Stickoxidsensor sind derart ausgestaltet, dass sie jegliche Stickoxide, also insbesondere sowohl Stickstoffmonoxid als auch Stickstoffdioxid, erfassen und die Konzentration in Form der ersten beziehungsweise der zweiten Stickoxidkonzentrationsgröße bereitstellen. Weil jedoch die Menge des von der Brennkraftmaschine gebildeten Stickstoffdioxids vernachlässigbar ist, kann aus der Differenz zwischen den beiden Stickoxidkonzentrationsgrößen unmittelbar auf die Stickstoffdioxidkonzentration geschlossen werden, welche von dem Katalysatorelement aus dem Stickstoffmonoxid umgewandelt wurde und mithin stromabwärts des Katalysatorelements in dem Abgas vorliegt.
  • Der erste Stickoxidsensor und der zweite Stickoxidsensor sind vorzugsweise Stickstoffmonoxidsensoren, weisen jedoch eine Querempfindlichkeit für Stickstoffdioxid auf. Die Stickoxidsensoren sprechen mithin sowohl auf Stickstoffmonoxid als auch Stickstoffdioxid an. Als Messverfahren können für die Stickoxidsensoren beispielsweise IR-Messverfahren, Chemilumineszenz-Messverfahren und/oder elektro-chemische Messverfahren eingesetzt werden. Anhand der somit bestimmten Stickstoffdioxidkonzentration kann ein Regeln der Stickstoffdioxidkonzentration auf eine bestimmte Konzentration, welche größer oder gleich der Mindestkonzentration ist oder dieser entspricht, erfolgen.
  • Eine weitere, vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein Kalibrieren des ersten Stickoxidsensors und des zweiten Stickoxidsensors bei einer Abgastemperatur vorgenommen wird, für welche die Umwandlungsrate kleiner als eine bestimmte Umwandlungsrate ist. Weil die Stickoxidsensoren ebenso wie das Katalysatorelement einem Alterungsprozess unterworfen sind, ist es notwendig, das Kalibrieren vorzunehmen, beispielsweise in regelmäßigen Zeitabständen. Die Abgastemperatur vor dem Katalysatorelement soll dabei derart gewählt werden, dass die – unmittelbar von der Abgastemperatur abhängige – Umwandlungsrate gering ist, beispielsweise kleiner als 10%, insbesondere kleiner als 5%, kleiner als 2,5%, kleiner als 1% oder kleiner als 0,5%, ist; die bestimmte Umwandlungsrate entspricht also einem der vorstehend genannten Werte. In diesem Fall entsteht während des Überströmens des Katalysatorelements durch das Stickstoffmonoxid nur eine geringe Menge Stickstoffdioxid. Selbstverständlich kann die bestimmte Umwandlungsrate deutlich kleiner sein als die vorstehend bereits genannten Werte und vorzugsweise 0,25%, 0,1% oder 0,05% entsprechen.
  • Entsprechend kann das Kalibrieren der Stickoxidsensoren derart erfolgen, dass die erste Stickoxidkonzentrationsgröße mit der zweiten Stickoxidkonzentrationsgröße oder umgekehrt gleichgesetzt wird. Somit kann eine Alterung der Sensoren und/oder eine Serienstreuung der Sensoren kompensiert werden. Die Umwandlungsrate muss während des gesamten Kalibriervorgangs kleiner als die bestimmte Umwandlungsrate sein, um Fehler zu vermeiden. Entsprechend muss auch die Abgastemperatur während des gesamten Kalibriervorgangs entsprechend gewählt sein, vorzugsweise kleiner als eine bestimmte Abgastemperatur sein, für welche die genannte Bedingung erfüllt ist. Alternativ kann die Abgastemperatur größer als die bestimmte Abgastemperatur sein, weil die Umwandlungsrate auch für hohe Abgastemperaturen absinkt. Besonders bevorzugt wird die Abgastemperatur während des gesamten Kalibriervorgangs konstant gehalten.
  • Schließlich kann vorgesehen sein, dass der zweite Stickoxidsensor stromabwärts des Katalysators und/oder des Partikelfilters angeordnet ist und die zweite Stickoxidkonzentrationsgröße aus einem Messwert des zweiten Stickoxidsensors und einem den Katalysator und/oder den Partikelfilter berücksichtigenden Korrekturwert bestimmt wird. Bevorzugt wird selbstverständlich der zweite Stickoxidsensor unmittelbar stromabwärts des Katalysatorelements vorgesehen, zumindest also stromaufwärts des Katalysators und/oder des Partikelfilters. Dies ist jedoch nicht in jedem Fall möglich. Entsprechend ist der zweite Stickoxidsensor in diesem Fall stromabwärts des Katalysators und/oder des Partikelfilters angeordnet und erfasst den Messwert an dieser Stelle.
  • Das bedeutet jedoch, dass das Abgas bereits nicht mehr die unmittelbar stromabwärts des Katalysatorelements vorliegende Stickstoffdioxidkonzentration aufweist, weil in dem Katalysator beziehungsweise dem Partikelfilter bereits Stickstoffdioxid verbraucht wurde. Aus diesem Grund muss der Korrekturwert bei der Bestimmung der zweiten Stickoxidkonzentrationsgröße aus dem Messwert berücksichtigt werden. Der Korrekturwert beschreibt beispielsweise die von dem Katalysator und/oder dem Partikelfilter verbrauchte Menge des Stickstoffdioxids in dem Abgas. Beispielsweise wird der Korrekturwert mit Hilfe einer mathematischen Beziehung, einer Tabelle und/oder einem Kennfeld ermittelt. Der Korrekturwert steht dabei insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur des Abgases.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine Antriebseinrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß den vorstehenden Ausführungen, mit einer Brennkraftmaschine und einer Abgasreinigungseinrichtung, die von Abgas der Brennkraftmaschine zu dessen Reinigung durchströmt wird, wobei die Abgasreinigungseinrichtung zumindest ein Katalysatorelement zur katalytischen Umwandlung von Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid mit einer bestimmten Umwandlungsrate aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass die Antriebseinrichtung dazu ausgebildet ist, zum Ausgleich einer altersbedingten Abnahme der Umwandlungsrate des Katalysatorelements der Stickstoffmonoxidausstoß der Brennkraftmaschine und/oder die Abgastemperatur vor dem Katalysatorelement in Abhängigkeit von der momentanen Umwandlungsrate und/oder des Alters des Katalysatorelements derart einzustellen, dass die Stickstoffdioxidkonzentration nach dem Katalysatorelement größer oder gleich einer Mindestkonzentration ist und/oder dass das molare Verhältnis zwischen Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid nach dem Katalysator einem Vorgabeverhältnis entspricht. Auf die Vorteile einer derartigen Ausgestaltung der Antriebseinrichtung beziehungsweise eines derartigen Vorgehens wurde bereits eingegangen. Die Antriebseinrichtung sowie das entsprechende Verfahren können gemäß den vorstehenden Ausführungen weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Antriebseinrichtung mit einer Brennkraftmaschine und einer Abgasreinigungseinrichtung,
  • 2 eine schematische Darstellung der Abgasreinigungseinrichtung, und
  • 3 ein Diagramm, in welchem Umwandlungsraten eines Katalysatorelements der Abgasreinigungseinrichtung über der Temperatur des Abgases der Brennkraftmaschine aufgetragen sind.
  • Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Antriebseinrichtung 1, die eine Brennkraftmaschine 2 aufweist, von welcher hier lediglich ein Zylinder 3 mit einem Kolben 4 dargestellt ist. Über ein Einlassventil 5 kann dem Zylinder 3 Frischladung, also beispielsweise Frischluft oder ein Frischluft-Kraftstoff-Gemisch, zugeführt werden. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist zudem ein Einspritzventil 6 vorgesehen, das dazu dient, Kraftstoff in den Zylinder 3 beziehungsweise einen Brennraum des Zylinders 3 einzubringen. Schließlich ist dem Zylinder 3 zumindest ein Auslassventil 7 zugeordnet, durch welches Abgas aus dem Zylinder 3 beziehungsweise dem Brennraum, beispielsweise über einen Abgaskrümmer 8, einer Abgasreinigungseinrichtung 9 zugeführt wird.
  • Die Abgasreinigungseinrichtung 9 verfügt beispielsweise über einen Oxidationskatalysator 10 beziehungsweise Dieseloxidationskatalysator (DOC), einen Partikelfilter 11 sowie einen Katalysator 12 zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Katalysator). Der Oxidationskatalysator 10, der Partikelfilter 11 sowie der Katalysator 12 werden in der genannten Reihenfolge von dem Abgas der Brennkraftmaschine 2 durchströmt. Stromabwärts des Katalysators 12 wird das Abgas in eine Außenumgebung 13 der Antriebseinrichtung 1 ausgebracht, insbesondere durch ein Endrohr 14. In dem Oxidationskatalysator 10 ist ein hier nicht näher gekennzeichnetes Katalysatorelement vorgesehen, welches beispielsweise in Form einer Beschichtung, insbesondere einer Edelmetallbeschichtung, in dem Oxidationskatalysator 10 ausgebildet ist. Als Edelmetall wird beispielsweise Platin beziehungsweise eine Platinlegierung verwendet. Dieses Katalysatorelement dient dazu, in dem Abgas enthaltenes Stickstoffmonoxid mit einer bestimmten Umwandlungsrate in Stickstoffdioxid umzuwandeln. Das Stickstoffdioxid dient nachfolgend, also stromabwärts des Oxidationskatalysators 10, zum Realisieren einer kontinuierlich ablaufenden Regeneration des Partikelfilters 11 mit einer bestimmten Regenerationsrate und/oder dem Durchführen eines schnellen Reaktionspfads in dem Katalysator 12 zum Abbauen des in dem Abgas enthaltenen Stickstoffmonoxids.
  • In dem Partikelfilter 11 werden Partikel, insbesondere Kohlenstoffpartikel, gemäß der Reaktionsgleichung 2NO2 + C → CO2 + 2NO zu Kohlenstoffdioxid und Stickstoffmonoxid abgebaut. Entsprechend steht der Partikelfilter stets zum Aufnehmen von weiteren durch das Abgas zugeführten Partikeln zur Verfügung. In dem Katalysator 12 soll dagegen der Reaktionspfad gemäß der Reaktionsgleichung NO2 + NO + 2NH3 → 2N2 + 3H2O ablaufen, wobei das Ammoniak (NH3) vorzugsweise stromaufwärts des Katalysators 12 in das Abgas eingebracht wird. Dieses Einbringen erfolgt beispielsweise in Form von Harnstoff, welcher gemäß der Reaktionsgleichung (NH2)2CO + H2O → 2NH3 + 2CO2 zusammen mit dem in dem Abgas enthaltenen Wasser zu Ammoniak und Kohlenstoffdioxid reagiert.
  • Weil jedoch das Katalysatorelement einem Alterungsprozess unterworfen ist, sodass die erzielbare Umwandlungsrate mit zunehmendem Alter des Katalysatorelements abnimmt, können die vorstehend genannten Reaktionen nicht ohne Weiteres aufrechterhalten werden ohne besondere Maßnahmen zu treffen. Dabei ist es beispielsweise bekannt, das Katalysatorelement derart auszugestalten, dass über die gesamte Lebensdauer die stromabwärts des Katalysatorelements vorliegende Stickstoffdioxidkonzentration größer oder gleich einer Mindestkonzentration ist und/oder dass das molare Verhältnis zwischen Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid nach dem Katalysatorelement einem Vorgabeverhältnis entspricht. Das bedeutet jedoch, dass zu Beginn der Lebensdauer des Katalysatorelements die nach dem Katalysatorelement vorliegende Stickstoffdioxidkonzentration zu hoch sein kann. Eine derartig hohe Stickstoffdioxidkonzentration führt dazu, dass in dem Katalysator 12 Lachgas (N2O) entsteht beziehungsweise – insbesondere falls der Katalysator 12 nicht vorhanden ist – das Stickstoffdioxid in die Außenumgebung 13 entlassen wird. Dies ist jedoch unerwünscht.
  • Aus diesem Grund soll zum Ausgleich der altersbedingten Abnahme der Umwandlungsrate des Katalysatorelements der Stickstoffmonoxidausstoß der Brennkraftmaschine 2 und/oder die Abgastemperatur vor dem Katalysatorelement in Abhängigkeit von der momentanen Umwandlungsrate und/oder des Alters des Katalysatorelements derart eingestellt werden, dass die Stickstoffdioxidkonzentration nach dem Katalysatorelement größer oder gleich der Mindestkonzentration ist und/oder dass das molare Verhältnis zwischen Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid nach dem Katalysatorelement einem Vorgabeverhältnis entspricht. Dabei ist es beispielsweise vorgesehen, die Stickstoffdioxidkonzentration zu messen und den Stickstoffmonoxidausstoß der Brennkraftmaschine und/oder die Abgastemperatur anhand dieser gemessenen Stickstoffdioxidkonzentration derart steuernd und/oder regelnd einzustellen, beispielsweise in Abhängigkeit von einem mittels eines Stickoxidsensors ermittelten Messwert, dass die gewünschte Mindestkonzentration durch die Stickstoffdioxidkonzentration erreicht wird.
  • Die 2 zeigt eine weitere schematisierte Darstellung der Antriebseinrichtung 1 mit Brennkraftmaschine 2 und Abgasreinigungseinrichtung 9, wobei Letztere zumindest den Oxidationskatalysator 10 sowie den Partikelfilter 11 und/oder den Katalysator 12 aufweist. Stromaufwärts des Oxidationskatalysators 10, in welchem das Katalysatorelement vorliegt, ist ein erster Stickoxidsensor 15 vorgesehen, mittels welchem eine erste Stickoxidkonzentrationsgröße ermittelt wird. Entweder stromabwärts des Oxidationskatalysators 10 beziehungsweise strömungstechnisch zwischen diesem einerseits und dem Partikelfilter 11 und/oder dem Katalysator 12 andererseits oder stromabwärts des Partikelfilters 11 beziehungsweise des Katalysators 12 ist ein zweiter Stickoxidsensor 16 angeordnet, wobei dieser dem Bestimmen einer zweiten Stickoxidkonzentrationsgröße dient.
  • Im Falle der Anordnung des zweiten Stickoxidsensors 16 stromaufwärts des Partikelfilters 11 und des Katalysators 12 kann eine momentane Stickstoffdioxidkonzentration unmittelbar aus der Differenz zwischen der ersten Stickoxidkonzentrationsgröße und der zweiten Stickoxidkonzentrationsgröße ermittelt werden, weil üblicherweise die unmittelbar von der Brennkraftmaschine 2 erzeugte Stickstoffdioxidmenge vernachlässigbar ist. Ist dagegen der zweite Stickoxidsensor 16 stromabwärts des Partikelfilters 11 und/oder des Katalysators 12 vorgesehen, so wird die zweite Stickoxidkonzentrationsgröße aus einem Messwert des zweiten Stickoxidsensors 16 und einem Korrekturwert bestimmt, wobei dieser Korrekturwert den Partikelfilter 11 beziehungsweise den Katalysator 12 berücksichtigt. Beispielsweise bevorzugt werden die erste Stickoxidkonzentrationsgröße und die zweite Stickoxidkonzentrationsgröße einem Steuergerät 17 der Antriebseinrichtung 1 zugeführt, welches dem Ansteuern der Brennkraftmaschine 2 auf die vorstehend beschriebene Art und Weise dient.
  • Die 3 zeigt ein Diagramm, in welchem ein erster Verlauf 18 eine Umwandlungsrate η über der Temperatur T des Abgases unmittelbar stromaufwärts des Katalysatorelements zu Beginn von dessen Lebensdauer zeigt. Der Verlauf 19 zeigt dagegen die Umwandlungsrate η über der Temperatur T für ein bereits gealtertes Katalysatorelement. Das Diagramm zeigt damit deutlich, dass mit zunehmender Alterung des Katalysatorelements nicht nur die Umwandlungsrate η zurückgeht, sondern dass sich auch diejenige Temperatur T verschiebt, bei welcher ein Maximum der Umwandlungsrate vorliegt. Dies kann insbesondere dazu verwendet werden, die Abgastemperatur vor dem Katalysatorelement derart einzustellen, dass das molare Verhältnis zwischen Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid nach dem Katalysatorelement dem Vorgabeverhältnis entspricht, auch wenn die Umwandlungsrate η des bereits gealterten Katalysatorelements kleiner ist als die Umwandlungsrate eines neuen Katalysatorelements.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung (1) mit einer Brennkraftmaschine (2) und einer Abgasreinigungseinrichtung (9), die von Abgas der Brennkraftmaschine (2) zu dessen Reinigung durchströmt wird, wobei die Abgasreinigungseinrichtung (9) zumindest ein Katalysatorelement (10) zur katalytischen Umwandlung von Stickstoffmonoxid in Stickstoffdioxid mit einer bestimmten Umwandlungsrate (η) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausgleich einer altersbedingten Abnahme der Umwandlungsrate (η) des Katalysatorelements (10) der Stickstoffmonoxidausstoß der Brennkraftmaschine (2) und/oder die Abgastemperatur vor dem Katalysatorelement (10) in Abhängigkeit von der momentanen Umwandlungsrate (η) und/oder des Alters des Katalysatorelements (10) derart eingestellt werden, dass die Stickstoffdioxidkonzentration nach dem Katalysatorelement (10) größer oder gleich einer Mindestkonzentration ist und/oder dass das molare Verhältnis zwischen Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid nach dem Katalysatorelement (10) einem Vorgabeverhältnis entspricht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausgleich der altersbedingten Abnahme der Umwandlungsrate (η) der Stickstoffmonoxidausstoß in einem bestimmten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (2) über die Lebensdauer des Katalysatorelements (10) erhöht wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellen des Stickstoffmonoxidausstoßes und/oder der Abgastemperatur durch Verändern wenigstens eines Betriebsparameters der Brennkraftmaschine erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mindestkonzentration derart gewählt wird, dass ein Partikelfilter (11) der Abgasreinigungseinrichtung (9) mittels Stickstoffdioxid kontinuierlich mit einer bestimmten Regenerationsrate regeneriert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein stromabwärts des Katalysatorelements (10) angeordneter Katalysator (12) der Abgasreinigungseinrichtung (9) als SCR-Katalysator ausgebildet ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellen derart erfolgt, dass die Stickstoffdioxidkonzentration nach dem Katalysatorelement (10) kleiner oder gleich einer Höchstkonzentration ist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines ersten Stickoxidsensors (15) stromaufwärts des Katalysatorelements (10) eine erste Stickoxidkonzentrationsgröße und mittels eines zweiten Stickoxidsensors (16) stromabwärts des Katalysatorelements (10) eine zweite Stickoxidkonzentrationsgröße bestimmt wird, wobei die Stickstoffdioxidkonzentration aus der Differenz zwischen der ersten Stickoxidkonzentrationsgröße und der zweiten Stickoxidkonzentrationsgröße ermittelt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kalibrieren des ersten Stickoxidsensors (15) und des zweiten Stickoxidsensors (16) bei einer Abgastemperatur vorgenommen wird, für welche die Umwandlungsrate (η) kleiner als eine bestimmte Umwandlungsrate ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Stickoxidsensor (16) stromabwärts des Katalysators (12) und/oder des Partikelfilters (11) angeordnet ist und die zweite Stickoxidkonzentrationsgröße aus einem Messwert des zweiten Stickoxidsensors (16) und einem den Katalysator (12) und/oder den Partikelfilter (11) berücksichtigenden Korrekturwert bestimmt wird.
  10. Antriebseinrichtung (1), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Brennkraftmaschine (2) und einer Abgasreinigungseinrichtung (9), die von Abgas der Brennkraftmaschine (2) zu dessen Reinigung durchströmt wird, wobei die Abgasreinigungseinrichtung (9) zumindest ein Katalysatorelement (10) zur katalytischen Umwandlung von Stickstoffmonoxid in Stickstoffdioxid mit einer Umwandlungsrate (η) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (1) dazu ausgebildet ist, zum Ausgleich einer altersbedingten Abnahme der Umwandlungsrate (η) des Katalysatorelements (10) der Stickstoffmonoxidausstoß der Brennkraftmaschine (2) und/oder die Abgastemperatur vor dem Katalysatorelement (10) in Abhängigkeit von der momentanen Umwandlungsrate (η) und/oder des Alters des Katalysatorelements (10) derart einzustellen, dass die Stickstoffdioxidkonzentration nach dem Katalysatorelement (10) größer oder gleich einer Mindestkonzentration ist und/oder dass das molare Verhältnis zwischen Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid nach dem Katalysatorelement (10) einem Vorgabeverhältnis entspricht.
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