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Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Anordnung mit einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Um mit Betriebsaufnahme einer herkömmlichen Brennkraftmaschine einen Formaldehyd-Grenzwert zuverlässig einzuhalten, ist ein Abstand („Engineering Target”) zu dem Grenzwert bei der anfänglichen Motorabstimmung zu Grunde zu legen. Dies ist im Hinblick auf den Wirkungsgrad nachteilig, insbesondere als die Formaldehyd-Emissionen mit zunehmender Alterung weiter abnehmen.
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Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Anordnung mit einer Brennkraftmaschine anzugeben, welche eine Kenntniserlangung der tatsächlichen Formaldehyd-Emissionen ermöglicht, so dass die Brennkraftmaschine effizienter bzw. mit höherem Wirkungsgrad betrieben werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit einer Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
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Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß eine Anordnung mit einer Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine bevorzugt ein Gasmotor oder zum Beispiel auch ein Dieselmotor ist. Die Brennkraftmaschine ist bevorzugt als Großmotor ausgeführt, zum Beispiel mit einer Zylinderanzahl zwischen 6 und 24, wobei die Brennkraftmaschine beispielhaft für ein Nutzfahrzeug, ein Sonderfahrzeug, ein Schiff oder für Industrieanwendungen vorgesehen sein kann, zum Beispiel auch im Rahmen von Blockheizkraftwerken oder Stromerzeugungsaggregaten. Allgemein bevorzugt ist die Brennkraftmaschine ein Gasmotor, welcher mit gasförmigem Kraftstoff bzw. Brenngas betrieben wird, zum Beispiel in Form von Biogas, Deponiegas, Synthesegas, Sondergas oder Erdgas.
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Die Anordnung umfasst neben der Brennkraftmaschine bevorzugt auch einen Abgasstrang, welcher der Brennkraftmaschine insbesondere zugeordnet ist. In einem solchen Abgasstrang kann eine Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordnet sein, z. B. umfassend einen Oxidationskatalysator oder z. B. eine SCR-Einrichtung. Im Abgasstrang wird Abgas der Brennkraftmaschine geführt.
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In die Erfindung kennzeichnender Weise umfasst die Anordnung weiterhin einen Formaldehyd-Sensor, welcher Formaldehyd (HCHO) im Abgas der Brennkraftmaschine sensiert. Hierdurch gelingt es vorteilhaft einfach, Aufschluss über die aktuellen, tatsächlichen Formaldehyd-Emissionen der Brennkraftmaschine zu erlangen, welche Information in der Folge – und im Rahmen der vorliegenden Erfindung – für einen effizienteren Betrieb der Brennkraftmaschine herangezogen wird.
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Verbunden ist der Formaldehyd-Sensor hierzu bevorzugt mit einer Motormanagement-Einrichtung der Brennkraftmaschine, insbesondere wirkverbunden. In dem Verbund können Signale des Formaldehyd-Sensors an die Motormanagement-Einrichtung übermittelt werden, welche die Information bzw. Sensorinformation über eine – aktuelle – Formaldehyd-Konzentration im Abgas enthalten. Der Formaldehyd-Sensor kann hierbei im bzw. am Abgasstrang angeordnet sein, zum Beispiel nach dem Oxidationskatalysator, alternativ oder zusätzlich zum Beispiel auch vor dem Abgasstrang oder eingangsseitig an demselben.
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In entsprechender Weiterbildung der Erfindung ist die Anordnung vorzugsweise auch eingerichtet, basierend auf der Sensorinformation des Formaldehyd-Sensors eine Formaldehyd-Emission der Brennkraftmaschine bei Betrieb derselben einzustellen, insbesondere über die gesamte Lebensdauer derselben, wobei insbesondere die Motormanagement-Einrichtung, zum Beispiel eine (zentrale) ECU (ECU: Electronic Control Unit), die Einstellung im Wirkverbund mit dem Formaldehyd-Sensor leistet bzw. beeinflusst.
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Bevorzugt wird die Einstellung hierbei im Rahmen einer Regelung durchgeführt, wozu die Brennkraftmaschine bzw. die Anordnung insbesondere einen (geschlossenen) Regelkreis (closed loop) aufweist, welcher mittels des Formaldehyd-Sensors und der Motormanagement-Einrichtung gebildet ist. Im Rahmen einer solchen Regelung kann die Formaldehyd-Emission bei Betrieb der Brennkraftmaschine kontinuierlich auf eine Sollwert-Vorgabe geregelt werden, welche bevorzugt unmittelbar – und stets – unter einem einzuhaltenen Grenzwert liegt. Allgemein kann ein solcher, mit dem Formaldehydsensor gebildeter Regelkreis der Brennkraftmaschine z. B. adaptiv oder prädiktiv arbeiten. Selbstverständlich kann eine Regelung weiterhin auch mittels wenigstens einer dezentralen Funktionseinheit, z. B. einem Steuergerät gebildet sein, welche mit der Motormanagement-Einrichtung kommuniziert.
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Um die Formaldehyd-Emission insbesondere über die gesamte Lebensdauer der Anordnung einzustellen, ist die Anordnung bevorzugt eingerichtet, insbesondere via die Motormanagement-Einrichtung wenigstens eine der Stellgrößen bei Betrieb der Brennkraftmaschine zu beeinflussen, d. h. in Abhängigkeit der aktuellen, mit dem Formaldehyd-Sensor detektierten Formaldehyd-Emission: einen Zündzeitpunkt, ein Verbrennungsluftverhältnis, eine Vorkammer-Gasmenge, einen (MPI-; Multipoint Injection-)Einblasefensterbereich.
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Mit geeigneter Einstellung bzw. Nachführung wenigstens einer dieser Stellgrößen kann der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine über die Lebensdauer im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft erhöht werden. Wie erfinderseitig überraschend erkannt wurde, nähme die Formaldehydkonzentration im Abgas über die Lebensdauer mit herkömmlichen Brennkraftmaschinen an sich ab, wobei dieser Abnahme wohl zu Grunde liegt, dass Spalte bzw. Totvolumina im Brennraum, zum Beispiel an Kolbenringen, über die Zeit zugesetzt werden, so dass hieraus keine überschüssigen bzw. unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) mehr freigesetzt werden können (welche Kohlenwasserstoffe insbesondere bei Gasmotoren im Hinblick auf die anfallende Menge relevant werden und für die Formaldehyd-Emissionen zuvorderst ursächlich sind)).
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Demgegenüber wird mit der Erfindung bevorzugt ein gleichbleibender Formaldehyd-Emissionswert eingestellt bzw. eingeregelt, i. e. bevorzugt über die (gesamte) Lebensdauer (Betriebsstunden), welcher insbesondere nahe am Emissions-Grenzwert liegt. Mit einer solchen Einstellung kommt es insoweit nicht zu einer Formaldehyd-Emissionsverringerung bzw. -abnahme über die Lebensdauer, wohingegen jedoch die Verbrennung über die Lebensdauer (kontinuierlich) effizienter eingestellt werden kann. So wird im Rahmen der Erfindung vorgesehen, korrespondierend mit alterungsbedingt abnehmendem HC-Aufkommen (unverbrannte Kohlenwasserstoffe im Brennraum, s. a. oben) und damit korrespondierend niedrigeren (detektierten) Formaldehyd-Konzentrationen im Abgas auf einen verminderten IC-Abbrand durch Einstellung bzw. Nachführung der wenigstens einen Stellgröße hinzuwirken (so dass die Formaldehydemissionen durch diese Beeinflussung der wenigstens einen Stellgröße gleichbleiben, insbesondere gemäß dem Sollwert).
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Z. B. und bevorzugt werden demgemäß geringere Abgastemperaturen mit zunehmender Lebensdauer eingestellt, so dass vorteilhaft ein besserer Brennverlauf bzw. eine bessere Verbrennungslage, mithin ein höherer Wirkungsgrad, erzielt werden kann. Hierzu kann mit zunehmender Lebensdauer der Zündzeitpunkt von „spät” nach „früh” verstellt werden. Weiterhin kann z. B. ein Verbrennungsluftverhältnis (Lambda) von einer relativ fetteren Verbrennung hin zu einer relativ magereren, effizienteren Verbrennung verstellt werden.
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Der Formaldehyd-Sensor ist vorzugsweise ein Sensor mit einer hohen oder sehr hohen Messempfindlichkeit, insoweit als damit auch niedrige Formaldehyd-Konzentrationen im Abgas detektierbar sind. Ein solcher Formaldehyd-Sensor ist zum Beispiel in der Druckschrift
DE 10 2010 027 070 A1 offenbart, deren Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird. Ein solcher Sensor zur Detektion von Gasen, weist mindestens einen gassensitiven Bereich auf, welcher In
4Sn
3O
12 enthält. Vorgesehen kann sein, dass der Sensor in einen weiteren Sensor der Anordnung integriert bzw. mit einem solchen kombiniert ist, z. B. mit einen Zylinderdrucksensor, einem NOx-Sensor oder einem NH3-Sensor.
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Mit der Erfindung und den aufgezeigten Weiterbildungsmöglichkeiten gelingt es somit, das Potenzial der Brennkraftmaschine verbessert auszuschöpfen, da über die Lebensdauer auf einen verbesserten Wirkungsgrad unter steter Einhaltung eines Formaldehyd-Grenzwerts geregelt werden kann. Daneben muss ein großes „Engineering Target” nicht länger vorgehalten werden. Ferner können auch Alterungseffekte eines Oxidationskatalysators (im Abgasstrang), welche über die Laufzeit zu einer (detektierbaren) Reduktion der HCHO-Konvertierungsrate im Katalysator führen, vorteilhaft mittels des Formaldehydsensors, d. h. der sensierten Formaldehydkonzentration im Abgas (nach dem Oxidationskatalysator), erkannt und mit der Anordnung, insbesondere im Rahmen des geschlossenen Regelkreises, ausgeglichen werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in verschiedener Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 exemplarisch und schematisch eine Anordnung gemäß einer ersten möglichen Ausführungsform der Erfindung.
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2 exemplarisch und schematisch eine Anordnung gemäß einer zweiten möglichen Ausführungsform der Erfindung.
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3 exemplarisch und schematisch ein Diagramm, welches den Verlauf jeweiliger Formaldehydkonzentrationen nach dem Stand der Technik und nach der Erfindung exemplarisch gegenüberstellt.
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In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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1 zeigt exemplarisch und schematisch eine Anordnung 1 mit einer Brennkraftmaschine 3 in Form eines Gasmotors, wobei der Gasmotor insbesondere für einen Magerbetrieb vorgesehen ist. Mit dem Gasmotor 3 verbunden ist ein Abgasstrang 5 der Anordnung 1, welcher optional eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 7 aufweisen kann, und welcher abströmseitig zum Beispiel an die Umwelt ausmündet.
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Kontrolliert wird der Brennkraftmaschinenbetrieb von einer Motormanagement-Einrichtung 9 der Anordnung 1, welche als zentrale Steuereinheit bzw. ECU (ECU: Elektronik Control Unit) bereitgestellt ist. Über die Motormanagement-Einrichtung 9 werden Vorgaben bzw. Stellgrößen zur Steuerung des Brennkraftmaschinenbetriebs generiert (welche an Aktoren wie z. B. Ventile sowie angebundene Steuergeräte übermittelt werden), Bz. 11.
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Wie 1 weiterhin veranschaulicht, weist die Anordnung 1 weiterhin einen Formaldehyd-Sensor 13 auf, zum Beispiel auch zwei oder mehrere Formaldehyd-Sensoren 13, wobei der Formaldehyd-Sensor 13 Formaldehyd (HCHO) im Abgas der Brennkraftmaschine 3 sensiert. Hierbei ist der Formaldehyd-Sensor 13 eingangsseitig am Abgasstrang 5 angeordnet, zum Beispiel vor oder nach einem Abgasturbolader, z. B. auch abströmseitig an dem wenigstens einen Brennraum der Brennkraftmaschine 3 oder allgemein vor der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 7. Um eine Formaldehydkonzentration im Abgas zu sensieren taucht der Formaldehyd-Sensor 13 mit einem Sensierelement in das Abgas ein, welches Sensierelement bevorzugt In4Sn3O12 enthält. Eine geeignete Sensoraufnahme ist hierfür bevorzugt unmittelbar an Abgasstrang 5 gebildet.
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Der Formaldehyd-Sensor 13 ist signalgebend mit der Motormanagement-Einrichtung 9 verbunden und liefert im Brennkraftmaschinenbetrieb Signale an die Motormanagement-Einrichtung 9, welche eine Formaldehyd(konzentrations)information enthalten, vorliegend auch als Sensorinformation 15 bezeichnet.
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Mit dem derart ausgestalteten Wirkverbund aus Formaldehyd-Sensor 13 und Motormanagement-Einrichtung 9 ist weiterhin ein Regelkreis gebildet, mit welchem die Formaldehyd-Emission der Brennkraftmaschine 3 – basierend auf der Sensorinformation 15 des Formaldehydsensors 13 – bei Betrieb der Brennkraftmaschine 3 eingestellt bzw. geregelt wird. Mit der Regelung wird die Formaldehyd-Emission kontinuierlich auf eine insbesondere gleichbleibende Sollwert-Vorgabe eingestellt, welche die Einhaltung eines vorgegebenen Emissions-Grenzwerts 17 gewährleistet, bevorzugt aber nur knapp unterhalb des Grenzwerts 17 liegt.
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Zur über die gesamte Betriebsdauer grenzwerteinhaltenden Einstellung der Formaldehyd-Emission werden hierbei Stellgrößen durch die Motormanagement-Einrichtung 9 in Abhängigkeit der Sensorinformation 15 geeignet beeinflusst (hierauf wird unten anhand von 3 noch näher eingegangen).
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2 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 1, wobei der Abgasstrang 5 der Anordnung 1 einen Oxidationskatalysator 19 aufweist und wobei der Formaldehyd-Sensor 13 dem Oxidationskatalysator 19 im Abgasstrang 5 nachgeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung erfasst der Formaldehyd-Sensor 13 Formaldehydwerte nach Aufoxidation durch den Oxidationskatalysator 19, welche Formaldehyd-Konzentrationen durch die „Nachverbrennung” jedoch geringer sind, insoweit eine höhere Messempfindlichkeit erfordert ist. Vorteilhaft ist jedoch eine einfache Unterbringung am Abgasstrang 5 gegenüber einer Unterbringung nach 1 in eventuell bauraumbeengten Umgebungen.
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Wie bei der Ausgestaltung nach 1 ist auch bei der Ausgestaltung nach 2 ein Regelkreis mittels Formaldehyd-Sensor 13 und Motormanagement-Einrichtung 9 gebildet, mittels welchem die Formaldehyd-Emissionen – via Beeinflussung von Stellgrößen durch die Motormanagement-Einrichtung 9 – so eingestellt werden, dass ein Grenzwert über die Lebensdauer der Anordnung 1 stets eingehalten wird.
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Bei den Ausgestaltungen nach 1 und 2 kann ein jeweiliger Regelkreis bevorzugt adaptiv und/oder prädiktiv ausgestaltet sein.
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3 zeigt nunmehr ein Diagramm, welches mit Linie A) beispielhaft den Verlauf der Formaldehydemissionen gemäß dem Stand der Technik zeigt. Mit erstmaliger Betriebsaufnahme der Brennkraftmaschine 3 sind die ungeregelt ausgebrachten Formaldehydemissionen hierbei maximal, da aus Totvolumina der Brennkammern massiv Formaldehyd-Emissionen aus freigesetzten HC-Ablagerungen resultieren, das heißt aus unvollständiger HC-Verbrennung. Mit Zusetzen der Totvolumina nehmen die ungeregelten Formaldehydemissionen im weiteren Betriebsfortgang sodann ab, so dass das Einhalten des Grenzwerts 17 nicht länger problematisch ist. Jedoch resultiert daraus ein ungünstiger Wirkungsgrad, da die Verbrennung nach wie vor mit anfänglichen, nicht nachgeführten Stellgrößen abläuft, zum Beispiel einhergehend mit unvorteilhaft hoher Abgastemperatur. Weiterhin ist – in Unkenntnis der sich tatsächlich einstellenden Emissionswerte – ein erheblicher Sicherheitsabstand zum Grenzwert mit Betriebsaufnahme zu wählen, d. h. ein erhebliches, wirkungsgradnachteiliges „Engineering target” 21.
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Demgegenüber stellt die Linie B) in 3 exemplarisch den Verlauf der Formaldehyd-Emissionen dar, wie er mit der Erfindung erzielt werden kann.
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Über die gesamte Lebensdauer werden hierbei den Brennverlauf beeinflussende Stellgrößen so eingestellt bzw. geregelt, dass der vorgegebene Grenzwert 17 stets knapp eingehalten wird, das heißt entsprechend einer Sollwertvorgabe (knapp unterhalb des Grenzwerts 19). Hierzu wird zunächst die Sensorinformation 15 durch die Motormanagement-Einrichtung 9 ausgewertet und nachfolgend der Sollwert durch Beeinflussung der Stellgrößen eingestellt bzw. eingeregelt.
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Im Rahmen der Regelung wird wenigstens eine der Stellgrößen Zündzeitpunkt, Verbrennungsluftverhältnis, Vorkammer-Gasmenge und Einblasefensterbereich (oder auch weitere) beeinflusst, mit der Maßgabe, einen möglichst effizienten Brennverlauf bzw. Motorbetrieb zu erzielen und dabei gleichzeitig die Sollwertvorgabe möglichst gleichbleibend einzuhalten (so dass das Potential 23 gegenüber einer Formaldehyd-Abnahme A) nach dem Stand der Technik für eine Wirkungsgradsteigerung genutzt wird). Mit zunehmender Lebensdauer kann hierbei z. B. ein Zündzeitpunkt zunehmend nach früh verstellt werden, so dass der Wirkungsgrad gesteigert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anordnung
- 3
- Brennkraftmaschine (Gasmotor)
- 5
- Abgasstrang
- 7
- Abgasnachbehandlungsvorrichtung
- 9
- Motormanagement-Einrichtung
- 11
- Vorgaben
- 13
- Formaldehyd-Sensor
- 15
- Sensorinformation
- 17
- Grenzwert
- 19
- Oxidationskatalysator
- 21
- Engineering Target
- 23
- Potential
- A
- Emissionsverlauf nach Stand der Technik
- B
- Emissionsverlauf nach der Erfindung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010027070 A1 [0016]
