DE102014002037A1 - NO2 Sichtbarkeitsregelung für passiv regenerierende DPF Systeme - Google Patents

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Abstract

Bei Laständerung des Motors kann es aufgrund der Änderung der Abgastemperatur dazu kommen, dass die NO2 Bildungskurve eines DOC durchfahren wird. Dabei kommt es in bestimmten Temperaturbereichen zu höheren Umsatzraten im DOC und damit einhergehenden erhöhten NO2 Konzentrationen hinter dem DOC. Diese NO2 Konzentration darf nicht über einem parametrisierbaren Sichtbarkeitsgrenzwert für NO2 liegen, um den betriebsseitigen und kundenseitigen Anforderungen zu genügen. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt eine NO2 Sichtbarkeitsregelung für den entsprechenden Fall bereit.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des NO2 Austritts bei einer Brennkraftmaschine mit Diesel-Oxidationskatalysator (DOC) und Dieselpartikelfilter (DPF).
  • Ein üblicher Systemaufbau einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine mit Vorrichtungen zur Abgasnachbereitung umfasst einen Motor, einen Diesel-Oxidationskatalysator sowie einen Dieselpartikelfilter. Bei der Abgasnachbereitung, deren Arbeitsparameter über Umweltvorschriften und Kundenanforderungen festgelegt werden, wird am Ende des Abgasstrangs unter anderem eine gewisse Konzentration an Stickoxiden, insbesondere an NO2 (Stickstoff-Dioxid) emittiert, welche im Verbrennungsprozess und im Rahmen der Abgasnachbereitung generiert werden.
  • Die Abgabe von Stickoxiden an Brennkraftmaschinen ist nicht in beliebigen Konzentrationen erwünscht oder zulässig. Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der DE 10 2011 111 023 A1 sind Verfahren zur Motorgas NOx Steuerung bekannt, durch welche die abgegebene Menge an Stickoxiden gesteuert werden kann. Auf den Stand der Technik, insbesondere auf die Offenbarung zum technologischen Hintergrund wird hiermit Bezug genommen.
  • Bei Laständerung des Motors kann es aufgrund der Änderung der Abgastemperatur dazu kommen, dass die NO2 Bildungskurve eines DOC durchfahren wird. Dabei kommt es in bestimmten Temperaturbereichen zu höheren Umsatzraten im DOC und damit einhergehenden erhöhten NO2 Konzentrationen hinter dem DOC. Diese NO2 Konzentration darf nicht über einem parametrisierbaren Sichtbarkeitsgrenzwert für NO2 liegen, um den betriebsseitigen und kundenseitigen Anforderungen zu genügen. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt eine NO2 Sichtbarkeitsregelung für den entsprechenden Fall bereit.
  • Aufgrund des Systemaufbaus einer Gattung von Brennkraftmaschine in Form von Motor + DOC + DPF kann es bei bestimmten Motorbetriebszuständen dazu kommen, dass die NO2 Konzentration am Abgasaustritt oberhalb einer NO2 Sichtbarkeitsgrenze liegt. Dies stellt einen unerwünschten Betriebszustand dar, welcher nicht zuletzt aufgrund der damit einhergehenden optischen Wahrnehmung insbesondere bei Fahrzeugmotoren auch bei möglicherweise zulässiger tatsächlicher Konzentration vom Kunden nicht akzeptiert wird.
  • Die Sichtbarkeitsgrenze bei Abgasen ist abhängig vom jeweiligen Zustand und der Substanz des Abgasaustritts. Dabei spielen sowohl die Abgasmasse, die Form der Partikel und die Zusammensetzung eine erhebliche Rolle. Üblicherweise wird diese Grenze optisch ermittelt und daraus ein Grenzwert für den Einzelfall festgesetzt. In der Regel sind Werte von 250 ppm bis 500 ppm sinnvoll.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Motor in seinen Betriebszuständen derart einzustellen, dass die NO2 Konzentration stets unter einer definierbaren NO2 Sichtbarkeitsgrenze gehalten wird.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach den Verfahrensschritten des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sowie zweckmäßige Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zur Regelung des NO2 Austritts bei einem Betriebszustand einer Brennkraftmaschine mit einem Motor und mit einem Abgasnachbehandlungssystem folgende Schritte:
    • – Ermittlung einer aktuellen NO2 Konzentration am Austrittspunkt aus einem Abgasnachbehandlungssystem mit einem NO2-Bildungsmodell,
    • – Vergleich der ermittelten NO2 Konzentration mit einer parametrierbaren NO2 Grenzkonzentration in Form der Sichtbarkeitsgrenze von NO2,
    • – Berechnung einer maximalen NOx Emission des Motors am Betriebszustand bei einer gegenüber der NO2 Grenzkonzentration erhöhten NO2 Konzentration am Austrittspunkt,
    • – Regelung der maximalen NOx Emission am Motor über Regelparameter zur Absenkung der NO2 Konzentration am Austrittspunkt aus einem Abgasnachbehandlungssystem.
  • Durch die Regelung der maximalen NOx Emission am Motor und die damit einhergehende Anpassung der maximalen NO2 Konzentration am Abgas Austrittspunkt ist es möglich, auch bei Abgastemperatursprüngen, welche bei einem Wechsel eines Betriebszustands einer Brennkraftmaschine in einen andere Betriebszustand der Brennkraftmaschine auftreten können, einen vorgegebenen Grenzwert an NO2 Konzentration einzuhalten.
  • In vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung ist vorgesehen, dass die Regelparameter Regelparameter des Motors im Motormanagement, insbesondere der Ladedruck und/oder der Einspritz-Startzeitpunkt (BOI – „begin of injection”) sind. Auch eine Anpassung über die Regelung der Lambda-Sonde oder andere Maßnahmen sind ggf. sinnvoll, um die Begrenzung der NOx Emission herbeizuführen.
  • Diese ohnehin vorhandenen, und für die benötigte Regelung einsetzbaren Stellhebel, lassen eine Absenkung der motorischen NOx Emission zu, wodurch auch die NO2 Konzentration am Ende des Abgasstrangs beeinflusst wird.
  • Es ist überdies zweckmäßig, dass die Absenkung der NO2 Konzentration am Austrittspunkt aus dem Abgasnachbehandlungssystem über Regelparameter bis zur vorgegebenen Grenzkonzentration oder unter die vorgegebene Grenzkonzentration erfolgt.
  • Über entsprechende Schaltbedingungen bei einem Wechsel des Betriebszustands wird die berechnete NOx Zielemission an die Regelung weitergeleitet. Sobald sich die Abgastemperatur und die damit einhergehende Umsetzung der Stickoxide an den Wert eines Stationärpunktes angenähert werden, wird der Motor wiederum durch entsprechende Kriterien an den Regelparametern in den normalen Betriebszustand versetzt.
  • Im Folgenden wird anhand einer Ausführungsform mit einem Abgasnachbehandlungssystem, das einen Diesel-Oxidationskatalysator (DOC) und einen Dieselpartikelfilter (DPF) umfasst, die Erfindung näher erläutert. Es zeigen dabei
  • 1 Ein Schema zur logischen und funktionellen Zusammenwirkung der einzelnen Komponenten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;
  • 2 Verlaufsdiagramme verschiedener Zustandsparameter.
  • 1 zeigt im Einzelnen ein Schema einer Brennkraftmaschine 1 mit einem Motor 2, einem Diesel-Oxidationskatalysator (DOC) 3 und einen Dieselpartikelfilter (DPF) 4. Der Motor 2, DOC 3 sowie DPF 4 sind entlang eines Abgasstrangs 5 angeordnet. Zwischen dem Motor 2 und dem DOC 3 sind zwei Sensoren 6, 7 zur Erfassung der Stickoxid-Konzentration und/oder der Abgastemperatur angeordnet, welche über Signalleitungen 8 die Parameter an eine Steuerung 10 übermitteln. Am Ende 9 des Abgasstrangs 5 ist ein weiterer Sensor 11 angeordnet, welcher die Stickoxid-Konzentration am Ende 9 des Abgasstrangs 5 erfasst.
  • Die Daten der Sensoren 6 und/oder 7 werden über die Signalleitungen 8 in der Steuerung einem Rechenmodell 12 übergeben. Dieses Rechenmodell bzw. DOC Modell ermittelt die NO2 Konzentration nach dem DOC bzw. die Umsatzrate und übergibt die entsprechenden Werte an eine Vergleichseinheit 13. In der Vergleichseinheit 13 wird der ermittelte Wert mit einer parametrisierten NO2 Grenzkonzentration, vorliegend mit der Sichtbarkeitsgrenze 14 ins Verhältnis gesetzt und die Abweichung Delta NOx nach der folgende Vorschrift ermittelt: Delta NOx = Sichtbargeitsgrenze / Umsatzrate – NO2 nach DOC / Umsatzrate
  • Die Umsatzrate ist dabei durch das Verhältnis Umsatzrate = NO2 nach DOC – Rohemission NO2 / Rohemission NO gegeben.
  • Ist sodann der Wert der Abweichung in der Vergleichseinheit 13 Delta NOx positiv, sodass die NO2 Emission nach dem DOC über dem Sichtbarkeitswert liegt, wird über Regelparameter 15 über Signalleitungen 16 für Aktoren in die NOx Emission des Motors 2 eingegriffen. Diese Aktoren werden beispielsweise über den Ladedruck oder BOI bereitgestellt. Durch die Absenkung der motorischen NOx Emission sinkt die NO2 Konzentration im weiteren Betrieb ab.
  • Ein Motor ist üblicherweise auf stationäre Betriebspunkte abgestimmt. Bei einem Lastwechsel und dem damit einhergehenden Übergang der Betriebsparameter zwischen zwei Betriebspunkten wird eine NO2 Umsatzkurve im DOC durchfahren, welche überhöhte Umsatzraten im DOC auftreten lässt.
  • 2 zeigt die zeitlichen Verläufe eines Wechsels eines Betriebszustands bei einer Brennkraftmaschine. Untereinander sind dabei der Verlauf des Motor-Betriebszustands – MB –, der Abgastemperatur am DOC – TDOC –, der Umsatzrate am DOC – %DOC – sowie der NO2 Konzentration nach dem DPF – CNO2 – dargestellt.
  • Erfolgt ein Lastwechsel, wie im Diagramm MB dargestellt vom Motor-Betriebszustand MB1 in den Motor Betriebszustand MB2, so folgt die Temperatur am DOC, dargestellt im Diagramm TDOC dem Lastwechsel mit entsprechender systembedingter Trägheit. Der Übergangszeitraum von einer oberen Temperatur, beispielsweise 450°C am Arbeitspunkt MB1 zu einer niedrigeren Temperatur, beispielsweise 250°C am Arbeitspunkt MB2 kann dabei in etwa 10 Minuten oder mehr betragen. Die Umsatzrate am DOC, dargestellt über den Zeitverlauf im Diagramm %DOC, ist jedoch stark von der Temperatur am DOC abhängig. Wird aufgrund des am Motor anliegenden lastverminderten Betriebszustands MB2 nun weniger Stickoxid produziert, während die Temperatur am DOC noch erhöht ist, erfolgt eine verstärkte Umsetzung in NO2. Die verstärkte Umsetzung führt wiederum zu einem Anstieg der NO2 Konzentration, dargestellt über den Zeitverlauf im Diagramm CNO2 am Austrittspunkt aus dem Abgasstrang, so dass ein kritischer Bereich oberhalb der Sichtbarkeitsgrenze erzielt wird. Im vorliegenden Beispiel ist der Motor auf eine Sichtbarkeitsgrenze von 350 ppm abgestimmt (stationärer Betrieb). Darüber liegende Konzentrationen, welche durch den schraffierten Bereich 20 im Diagramm CNO2 markiert werden, stellen den Regelbereich dar. Ab diesem Bereich führt eine Konzentration von über 350 ppm bis hin zu 450 ppm oder darüber dazu, dass über Regelparameter, beispielsweise den Ladedruck oder BOI oder eine Regelung an der Lambda-Sonde, die NOx Emission des Motors angepasst wird. Dies erfolgt, um der überhöhten Umsatzrate und dem damit einhergehenden Anstieg der NO2 Konzentration im Abgasstrom am Abgasaustritt entgegen zu wirken.
  • Sobald die Temperatur am DOC außerhalb der DOC-Umsatzkurve liegt, welche einen erhöhten NO2 Umsatz bedingt, kann die Regelung wieder abgeschaltet werden. Darüber hinaus ist auch eine zeitliche, parametrisierbare Abschaltung der Regelung denkbar.
  • 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 102011111023 A1 [0003]

Claims (8)

  1. Verfahren zur Regelung des NO2 Austritts bei einem Betriebszustand einer Brennkraftmaschine mit einem Motor und mit einem Abgasnachbehandlungssystem wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Ermittlung einer aktuellen NO2 Konzentration an einem Austrittspunkt aus einem Abgasnachbehandlungssystem mit einem NO2-Bildungsmodell, – Vergleich der ermittelten NO2 Konzentration mit einer parametrierbaren NO2 Grenzkonzentration, – Berechnung einer maximalen NOx Emission des Motors am Betriebszustand bei einer gegenüber der NO2 Grenzkonzentration erhöhten NO2 Konzentration am Austrittspunkt, – Regelung der maximalen NOx Emission am Motor über Regelparameter zur Absenkung der NO2 Konzentration am Austrittspunkt aus dem Abgasnachbehandlungssystem, dadurch gekennzeichnet, dass – die parametrierbare NO2 Grenzkonzentration die Sichtbarkeitsgrenze von NO2 ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Regelparameter Regelparameter des Motors im Motormanagement sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Regelparameter der Ladedruck und/oder der Einspritz-Startzeitpunkt und/oder eine Beeinflussung der Lambda-Regelung sind.
  4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Absenkung der NO2 Konzentration am Austrittspunkt aus dem Abgasnachbehandlungssystem über Regelparameter bis zur vorgegebenen Grenzkonzentration oder unter die vorgegebene Grenzkonzentration erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Abgasnachbehandlungssystem einen Diesel-Oxidationskatalysator (DOC) und einen Dieselpartikelfilter (DPF) umfasst.
  6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Abschaltkriterium für die Regelung der maximalen NOx Emission am Motor vorgesehen ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass – das Abschaltkriterium für die Regelung der maximalen NOx Emission am Motor durch die Umsatzkurve an einem Diesel-Oxidationskatalysator (DOC) gegeben ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass – das Abschaltkriterium für die Regelung der maximalen NOx Emission am Motor durch die eine parametrisierbare zeitliche Abschaltung gegeben ist.
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