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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, ein Steuergerät, und eine Brennkraftmaschine.
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Beim Betreiben einer Brennkraftmaschine, der ein SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden zugeordnet ist, wird typischerweise versucht, einen möglichst hohen Umsatz von Stickoxiden in dem SCR-Katalysator zu erreichen und dabei zugleich das verfügbare Katalysatorvolumen möglichst optimal auszunutzen. Auf diese Weise sollen zum einen vorbestimmte, beispielsweise gesetzlich definierte Grenzwerte für die Stickoxid-Emissionen der Brennkraftmaschine unterschritten oder jedenfalls eingehalten werden, wobei zugleich möglichst wenig Bauraum durch die Abgasnachbehandlung und insbesondere den SCR-Katalysator belegt werden soll. Hierzu ist es nötig, die Speicherfähigkeit des SCR-Katalysators für ein zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden vorgesehenes Reduktionsmittel weitestgehend auszunutzen. Diese Speicherfähigkeit nimmt allerdings mit steigender Temperatur des den SCR-Katalysator durchströmenden Abgases ab, wobei es insbesondere bei Lastsprüngen zu einem Ausspeichern von Reduktionsmittel aus dem SCR-Katalysator kommen kann, was auch als Desorption bezeichnet wird, und in der Folge zu einer unzulässig hohen Emission von Reduktionsmittel. Es besteht daher ein Zielkonflikt einerseits zwischen einem möglichst hohen Stickoxid-Umsatz sowie einem möglichst kleinen Bauraum des SCR-Katalysators, und andererseits der Vermeidung einer unzulässig hohen Emission von Reduktionsmittel im Betrieb. Es ist möglich, stromabwärts des SCR-Katalysators einen Sperrkatalysator einzusetzen, mit dem im Abgasstrom vorhandenes Reduktionsmittel chemisch umgewandelt, insbesondere oxidiert werden kann. Die Umsatzfähigkeit solcher Sperrkatalysatoren ist jedoch begrenzt, und es kann darüber hinaus zur Ausbildung unerwünschter Stoffe wie beispielsweise einer Neubildung von Stickoxiden und/oder einer Erzeugung von Lachgas kommen. Es ist auch möglich die in dem SCR-Katalysator eingespeicherte Menge an Reduktionsmittel mittels eines modellbasierten Speichermodells auf einen bestimmten Speicherfüllstand zu regeln, wobei zur Kontrolle beispielsweise ein Reduktionsmittel-Sensor stromabwärts eines Sperrkatalysators verwendet werden kann. Dabei können bekannte Systeme zur Regelung des Speicherfüllstands jedoch nur auf momentane Änderungen des Betriebszustands reagieren, insbesondere indem eine Dosiermenge des Reduktionsmittels verringert wird. Um daher den Reduktionsmittel-Schlupf aus dem SCR-Katalysator, das heißt insbesondere die aus diesem – insbesondere pro Zeiteinheit – ausgetriebene Menge an Reduktionsmittel und/oder die Reduktionsmittel-Konzentration im Abgas, auch bei nicht ohne weiteres vorhersehbaren und schnellen Erhöhungen der Abgastemperatur begrenzen zu können, ist ein hinreichend großer Sicherheitsabstand zwischen dem geregelten Speicherfüllstand und dem theoretisch möglichen, maximalen Speicherfüllstand erforderlich. Dies wiederum bedeutet, dass auch auf diese Weise das Katalysatorvolumen des SCR-Katalysators nicht vollständig genutzt werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine und eine Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine geschaffen wird, wobei eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem SCR-Katalysator, der eingerichtet ist zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, und mit mindestens einer Dosiereinrichtung, die eingerichtet ist zum Einbringen eines Reduktionsmittels in einen Abgasstrom der Brennkraftmaschine, betrieben wird. Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird Reduktionsmittel in dem SCR-Katalysator gespeichert, wobei ein Speicherfüllstand des Reduktionsmittels in dem SCR-Katalysator ermittelt wird. Es wird eine Vorhersage bezüglich wenigstens einer Betriebsbedingung der Brennkraftmaschine ermittelt, und die Dosiereinrichtung wird in Abhängigkeit von dem Speicherfüllstand und von der Vorhersage angesteuert. Durch die Vorhersage insbesondere einer – ausgehend von einem momentanen Zeitpunkt – zukünftigen Entwicklung wenigstens einer Betriebsbedingung der Brennkraftmaschine ist es insbesondere möglich, im Voraus in der Zukunft liegende Werte oder Daten für die Betriebsbedingung zu ermitteln, bei denen ein Austreiben von Reduktionsmittel aus dem SCR-Katalysator, mithin ein Reduktionsmittel-Schlupf, zu erwarten ist. Es ist dann möglich, den Speicherfüllstand durch entsprechende Ansteuerung der Dosiereinrichtung zeitlich so zu steuern und/oder zu regeln, dass zu dem Zeitpunkt, zudem der Reduktionsmittel-Schlupf erwartet wird, möglichst wenig Reduktionsmittel aus dem SCR-Katalysator ausgetrieben wird, wobei bevorzugt zugleich gewährleistet wird, dass Grenzwerte für die Stickoxid-Emission der Brennkraftmaschine auch zu diesem Zeitpunkt eingehalten werden. Zugleich ist es durch die Ermittlung des Speicherfüllstands und die Ansteuerung der Dosiereinrichtung in Abhängigkeit von dem Speicherfüllstand möglich, den Speicherfüllstand zu Zeiten, zu denen kein Reduktionsmittel-Schlupf erwartet wird, möglichst nah an ein theoretisches Maximum heranzufahren, sodass das zur Verfügung stehende Katalysatorvolumen des SCR-Katalysators möglichst gut ausgenutzt wird. Letztlich erfolgt so bevorzugt eine Steuerung oder Regelung der Dosiermenge, insbesondere der Dosierrate, des Reduktionsmittels auf einen möglichst hohen Speicherfüllstand, insbesondere auf einen maximalen Speicherfüllstand, der bei oder möglichst nah an einem theoretisch möglichen Maximalwert für den SCR-Katalysator liegt. Der tatsächliche Speicherfüllstand wird rechtzeitig durch vorausschauende Erkennung von bevorstehenden, insbesondere schnellen Änderungen des Betriebszustands der Brennkraftmaschine, die einen erhöhten Reduktionsmittel-Schlupf bewirken würden, reduziert. Dadurch wird es insbesondere möglich, bei unverändertem Stickoxid-Umsatz einen kleineren SCR-Katalysator mit kleinerem Katalysatorvolumen zu nutzen, oder aber höhere Stickoxid-Umsätze bei unverändertem Katalysatorvolumen zu erzielen. Im letzteren Fall wiederum kann die Brennkraftmaschine auf einen geringeren Kraftstoffverbrauch abgestimmt werden. Jedenfalls gelingt mithilfe des Verfahrens eine Lösung des Zielkonflikts zwischen dem Stickoxid-Umsatz und dem Bauraum auf der einen Seite, und den Reduktionsmittel-Emissionen auf der anderen Seite.
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Unter einem SCR-Katalysator wird insbesondere ein Katalysator verstanden, der eingerichtet ist, um eine selektive katalytische Reduktion (Selective Catalytic Reduction – SCR) durchzuführen.
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Unter einer Dosiereinrichtung wird insbesondere eine Einrichtung verstanden, die angeordnet und ausgebildet ist, um ein Reduktionsmittel oder ein Reduktionsmittelvorläuferprodukt stromaufwärts des SCR-Katalysators in einen Abgasstrom der Brennkraftmaschine einzudosieren. Als Dosiereinrichtung wird vorzugsweise ein ansteuerbares Dosierventil verwendet, beispielsweise ein pulsweitenmoduliert ansteuerbares Dosierventil. Die Dosiereinrichtung ist insbesondere eingerichtet, um angesteuert eine Dosiermenge erhöhen oder verringern zu können, vorzugsweise kontinuierlich zwischen einer Nullmenge, das heißt einem vollständigen Stopp der Eindosierung, und einer maximalen Dosiermenge, welche insbesondere durch die Ausgestaltung der Dosiereinrichtung und deren Betriebsbedingungen, beispielsweise einen Reduktionsmittelvordruck, bestimmt ist. Auch eine stufenweise Einstellung der Dosiermenge ist möglich.
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Unter einer Dosiermenge wird insbesondere eine Dosierrate verstanden. Eine Dosierrate ist vorzugsweise eine pro Zeiteinheit eindosierte Masse oder ein pro Zeiteinheit eindosiertes Volumen des Reduktionsmittels oder des Reduktionsmittelvorläuferprodukts.
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Unter einem Reduktionsmittel wird insbesondere ein Stoff oder ein Stoffgemisch verstanden, welcher/welches geeignet ist, um – gegebenenfalls nach einer vorherigen Umwandlung in dem Abgasstrom – an dem SCR-Katalysator katalytisch mit von dem Abgasstrom umfassten Stickoxiden chemisch umgesetzt, insbesondere oxidiert zu werden, wobei die Stickoxide reduziert werden. Unter dem Begriff Reduktionsmittel wird insbesondere auch ein Reduktionsmittelvorläuferprodukt verstanden. Als Reduktionsmittel wird bevorzugt eine Harnstoff-Wasserlösung verwendet, die als Reduktionmittelvorläuferprodukt durch die Dosiereinrichtung in den Abgasstrom eingedüst wird. Der Harnstoff wird in dem Abgasstrom vorzugsweise auf einer Misch- und/oder Aufbereitungsstrecke stromaufwärts des SCR-Katalysators zu Ammoniak umgesetzt, welches dann in dem SCR-Katalysator als Reduktionsmittel gespeichert und zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden unter Bildung von Stickstoff und Wasser verwendet wird. Unter einem Reduktionsmittel-Schlupf wird insoweit insbesondere ein Ammoniak-Schlupf aus dem SCR-Katalysator verstanden.
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Unter einem Speicherfüllstand wird insbesondere eine in dem SCR-Katalysator gespeicherte, insbesondere adsorbierte Menge, vorzugsweise eine Masse oder ein Volumen, an Reduktionsmittel verstanden.
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Die Ermittlung des Speicherfüllstands erfolgt bevorzugt mittels eines Speichermodells, insbesondere in Abhängigkeit von der Ansteuerung der Dosiereinrichtung, einer Stickoxidkonzentration im Abgas stromaufwärts des SCR-Katalysators, der Abgastemperatur, und/oder wenigstens einem weiteren Betriebsparameter, insbesondere der Brennkraftmaschine. Solche Speichermodelle sind für sich genommen bekannt, sodass hier nicht weiter darauf eingegangen wird.
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Unter einer Vorhersage wird insbesondere die Ermittlung eines Wertes oder einer Mehrzahl von Werten für die Zukunft verstanden, insbesondere die Ermittlung eines zukünftigen zeitlichen Verlaufs von einem Wert oder einer Mehrzahl von Werten.
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Unter einer Betriebsbedingung der Brennkraftmaschine wird hier insbesondere eine Bedingung verstanden, unter der die Brennkraftmaschine betrieben wird, mithin eine äußere Bedingung, beispielsweise eine Fahrtstrecke, das heißt insbesondere Fahrtroute, eines Kraftfahrzeugs, in welchem die Brennkraftmaschine betrieben wird, oder aber eine Bedingung, welche im Betrieb der Brennkraftmaschine auftritt, also eine interne Betriebsbedingung der Brennkraftmaschine, beispielsweise eine Last oder eine Drehzahl.
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Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Dosiereinrichtung abhängig von wenigstens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine mittels einer Vorsteuerung angesteuert wird, wobei die Ansteuerung der Dosiereinrichtung in Abhängigkeit von dem Speicherfüllstand und der Vorhersage korrigiert wird. Diese Vorgehensweise ist vorteilhaft, weil eine betriebsparameterabhängige Vorsteuerung der Dosiereinrichtung bekannt und daher einfach zu implementieren ist, wobei der Speicherfüllstand und die Vorhersage in diesem Fall nur zusätzlich zur Korrektur der Vorsteuerung herangezogen werden müssen, nicht jedoch zur vollständigen, eigenständigen Ansteuerung der Dosiereinrichtung. Dies wiederum wirkt sich insbesondere insoweit günstig aus, als die Vorhersage auf eine oder wenige relevante Betriebsbedingungen beschränkt werden kann, wobei sie nicht zusätzlich noch die Betriebsparameter der Brennkraftmaschine einschließen muss, welche für die Vorsteuerung verwendet werden.
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Unter einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine wird hier insbesondere eine interne Betriebsbedingung der Brennkraftmaschine verstanden. Als Betriebsparameter wird bevorzugt ein Parameter verwendet, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus einem Abgasmassenstrom, einer Abgastemperatur, einem momentanen Stickoxid-Umsatz an dem SCR-Katalysator, der vorzugsweise aus einem Kennfeld ausgelesen, mittels eines Modells berechnet, und/oder mittels eines Stickoxidsensors stromabwärts des SCR-Katalysators oder mittels jeweils eines Stickoxidsensors stromauf- und stromabwärts des SCR-Katalysators gemessen wird, und einer Stickoxid-Konzentration im Abgas stromaufwärts des SCR-Katalysators.
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Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Vorhersage wenigstens eine Prädiktionsmethode einschließt, die ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einer Mustererkennung, einer Auswertung von Positionsdaten, und einer Auswertung von einem vorbestimmten Betriebsmuster der Brennkraftmaschine. Es ist möglich, wenigstens zwei der hier genannten Prädiktionsmethoden miteinander zu kombinieren, wobei insbesondere eine Mustererkennung mit einer Auswertung von Positionsdaten kombiniert werden kann, und/oder wobei eine Auswertung von einem vorbestimmten Betriebsmuster der Brennkraftmaschine mit einer Auswertung von Positionsdaten kombiniert werden kann. Alle hier genannten Prädiktionsmethoden sind geeignet, um Bedingungen vorherzusagen, unter denen ein Reduktionsmittel-Schlupf aus dem SCR-Katalysator zu erwarten ist.
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Unter einer Mustererkennung wird hier insbesondere eine Erfassung einer zeitlichen Entwicklung von wenigstens einer Betriebsbedingung der Brennkraftmaschine, insbesondere von wenigstens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, unter Auswertung in der zeitlichen Entwicklung vorhandener Muster, insbesondere wiederkehrender Betriebsbedingungen, verstanden. Dies ist insbesondere sinnvoll und effizient möglich bei Brennkraftmaschinen, die mit regelmäßiger Betriebsweise, insbesondere anhand eines Betriebs- oder Fahrplans, betrieben werden, beispielsweise bei Brennkraftmaschinen, die in Fähren, Zügen, Muldenkippern, insbesondere im Minenbereich, eingesetzt werden. Dabei können ohne weiteres Betriebsmuster erkannt und mit hoher Sicherheit für die Zukunft Betriebsbedingungen vorhergesagt werden, unter denen ein Reduktionsmittel-Schlupf auftritt.
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Unter einer Auswertung von Positionsdaten wird insbesondere eine Erfassung eines momentanen Orts der Brennkraftmaschine, einer Fahrtstrecke, einer Geschwindigkeit und/oder einer Beschleunigung verstanden. Solche Positionsdaten können bevorzugt durch ein Positionsbestimmungs- oder Navigationssystem, beispielsweise durch das globale Positionierungssystem (GPS) ermittelt werden. Dabei können insbesondere durch Auswertung vergangener Positionsdaten unter Berücksichtigung eines momentanen Orts, einer im Navigationssystem eingegebenen Strecke, einer momentanen Geschwindigkeit und/oder einer momentanen Beschleunigung für die Zukunft Betriebsbedingungen vorhergesagt werden, unter denen ein Reduktionsmittel-Schlupf auftritt. Dabei wird insbesondere bevorzugt auch eine momentane und zukünftige Höhenlage, insbesondere eine geodätische Höhe, der Brennkraftmaschine berücksichtigt, da eine momentan befahrene oder zukünftig zu befahrende Steigung relevant ist für die Lastanforderung an die Brennkraftmaschine und damit auch für einen möglichen Reduktionsmittel-Schlupf.
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Unter einer Auswertung eines vorbestimmten Betriebsmusters der Brennkraftmaschine wird insbesondere verstanden, dass ein vorbestimmter Betriebsplan, beispielsweise ein Fahrplan, ein Streckenplan, ein Einsatzplan, oder ein andere Betriebsplan, für die Brennkraftmaschine in Hinblick auf deren zukünftige Betriebsbedingungen ausgewertet wird. Dabei bedarf es keiner Erfassung momentaner oder aktueller Betriebsbedingungen. Somit eignet sich diese Prädiktionsmethode als besonders einfache Vorgehensweise insbesondere stets dann, wenn die Brennkraftmaschine nach einem solchen Betriebsplan betrieben wird. Dieser wird dann vorzugsweise in einem Steuergerät der Brennkraftmaschine hinterlegt, welches zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist. Das Steuergerät ist dann insbesondere eingerichtet, um den vorbestimmten Betriebsplan auszuwerten.
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Besonders bevorzugt schließt die Vorhersage eine Prädiktionsmethode ein, welche eine Kombination einer Auswertung von Positionsdaten einerseits und einer Mustererkennung und/oder einer Auswertung von einem vorbestimmten Betriebsmuster der Brennkraftmaschine andererseits umfasst. Bevorzugt werden zusätzlich oder alternativ gespeicherte Betriebsbedingungen aus der Vergangenheit, insbesondere von vergangenen Fahrten auf einer bestimmten Strecke, für die Vorhersage verwendet. Vorzugsweise wird/werden zusätzlich oder alternativ ein momentanes kalendarisches Datum und/oder eine momentane Uhrzeit für die Vorhersage verwendet.
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Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Brennkraftmaschine grundsätzlich nach einem vorbestimmten Betriebs- oder Streckenplan, beispielsweise einem Fahrplan, betrieben wird, wobei jedoch bestimmte Variationen im Betrieb der Brennkraftmaschine auftreten können, beispielsweise datums- oder uhrzeitabhängige Variationen. Beispielsweise ist es möglich, dass ein Triebwagen, welcher durch die Brennkraftmaschine angetrieben wird, zu verschiedenen Zeiten und an verschiedenen Tagen eine vorbestimmte Strecke fährt, wobei jedoch der Triebwagen zu bestimmten Zeiten die Strecke alleine, das heißt ohne anhängende Wagen, befährt, wobei nur wenige Passagiere in dem Betriebswagen anwesend sind. Es ist dann beispielsweise möglich, dass unter solchen Bedingungen an einer bestimmten Steigung innerhalb der Strecke kein Reduktionsmittel-Schlupf auftritt. Zu anderen Zeiten oder an anderen Tagen, insbesondere zu Stoßzeiten, ist es möglich, dass der Triebwagen dieselbe Strecke mit wenigstens einem anhängenden Wagen und einer hohen Beladung mit Passagieren befährt, wobei dann an der bestimmten Steigung innerhalb der Strecke ein Reduktionsmittel-Schlupf aufgrund der höheren Last für die Brennkraftmaschine auftritt. Insbesondere in solchen Fällen ist es möglich, die Auswertung der Positionsdaten mittels der Mustererkennung oder mittels der Auswertung des vorbestimmten Betriebsmusters der Brennkraftmaschine zu korrigieren, oder die Vorhersage anhand dieser zusätzlichen Informationen zu vervollständigen. Umgekehrt ist es möglich, die Mustererkennung oder die Auswertung von einem vorbestimmten Betriebsmuster der Brennkraftmaschine durch die momentanen Positionsdaten zu korrigieren, beispielsweise dann, wenn die Brennkraftmaschine mit Bezug auf ihren vorbestimmten Fahrplan Verspätung hat oder zu früh an einem bestimmten Ort ist.
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Jedenfalls steigt die Genauigkeit der Vorhersage, je mehr Daten für diese verwendet werden. Daher steigt die Genauigkeit der Vorhersage insbesondere dann, wenn mehr als eine Prädiktionsmethode verwendet wird. Dabei können sich die Prädiktionsmethoden ergänzen oder gegenseitig korrigieren.
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Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die wenigstens eine Betriebsbedingung, für welche die Vorhersage ermittelt wird, ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einer zu erwartenden Steigung auf einer Fahrtstrecke für die Brennkraftmaschine, einer zu erwartenden Geschwindigkeit auf der Fahrtstrecke, einer zu erwartenden Beschleunigung auf der Fahrtstrecke, einer Last der Brennkraftmaschine, einer Drehzahl, einer wenigstens einer Brennkammer der Brennkraftmaschine zugeführten Brennstoffmasse, insbesondere einer Einspritzmenge, einer Abgastemperatur, einem Abgasmassenstrom, einem Abgasvolumenstrom, einem Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnis, das auch als Lambda-Wert bezeichnet wird, einer Stickoxid-Konzentration im Abgas stromaufwärts des SCR-Katalysators, einer Reduktionsmittel-Konzentration im Abgas stromabwärts des SCR-Katalysators, und einer Dosiermenge des Reduktionsmittels, insbesondere einem Reduktionsmittelmassenstrom. Selbstverständlich ist es möglich, dass die Vorhersage in Hinblick auf mehr als eine Betriebsbedingung getroffen wird, insbesondere in Hinblick auf eine Kombination von einer Mehrzahl der hier genannten Betriebsbedingungen. Jede der hier genannten Betriebsbedingungen ist für sich genommen relevant für einen zu erwartenden Reduktionsmittel-Schlupf, sodass diese Betriebsbedingungen sämtlich geeignet sind, um einen zukünftigen Reduktionsmittel-Schlupf vorherzusagen und die Dosiereinrichtung entsprechend anzusteuern.
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Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Dosiermenge erniedrigt wird, wenn eine vorbestimmte Obergrenze für den Speicherfüllstand erreicht wird. Dies schließt ein, dass die Dosiereinrichtung insbesondere deaktiviert oder die Dosiermenge auf Null reduziert wird, das heißt, dass die Dosierung von Reduktionmittel in den Abgasstrom gestoppt wird. Dass die Dosiereinrichtung zur Erniedrigung der Dosiermenge angesteuert wird, bedeutet insbesondere, dass die Dosiermenge – gegebenenfalls bis auf Null – erniedrigt wird. Auf diese Weise kann der Speicherfüllstand bis zu der vorbestimmten Obergrenze gefahren und vorzugsweise dort gehalten werden. Besonders bevorzugt wird die Dosiereinrichtung wieder zur Erhöhung der Dosiermenge angesteuert, mithin die Dosiermenge erhöht, wenn die vorbestimmte Obergrenze für den Speicherfüllstand unterschritten wird. Die vorbestimmte Obergrenze kann dabei bei einem oder nahe an einem theoretischen Maximum der Speicherkapazität des SCR-Katalysators gewählt werden, insbesondere, da aufgrund des Verfahrens das Risiko eines unzulässig hohen Reduktionmittel-Schlupfs reduziert, vorzugsweise vermieden wird. Unter einer Obergrenze für den Speicherfüllstand wird demnach insbesondere eine maximale Beladung des SCR-Katalysators an Reduktionmittel verstanden, auf welche im Rahmen des Verfahrens der Speicherfüllstand bevorzugt durch Ansteuerung der Dosiereinrichtung gesteuert oder geregelt wird.
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Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass die Dosiereinrichtung zur Erniedrigung der Dosiermenge angesteuert wird, wenn eine vorbestimmte Obergrenze für eine Reduktionmittel-Konzentration im Abgas – innerhalb oder stromabwärts des SCR-Katalysators – erreicht oder überschritten wird. Bevorzugt wird die Reduktionsmittel-Konzentration im Abgasstrom innerhalb oder stromabwärts des SCR-Katalysators überwacht. Es ist möglich, die Reduktionsmittel-Konzentration im Abgas durch einen Reduktionsmittel-Sensor, insbesondere einen Ammoniak-Sensor, oder durch einen Stickoxid-Sensor innerhalb oder stromabwärts des SCR-Katalysators – aufgrund einer Querempfindlichkeit von Stickoxid-Sensoren gegenüber Ammoniak – zu überwachen. Anstelle eines physisch realen Sensors kann auch ein virtueller, modellbasierter Sensor verwendet werden. Die vorbestimmte Obergrenze wird bevorzugt so gewählt, dass sie einem bestimmten Speicherfüllstand des SCR-Katalysators entspricht, auf welchen die Dosiereinrichtung gesteuert oder geregelt werden soll. Es ist auch möglich, dass die vorbestimmte Obergrenze für die Reduktionsmittel-Konzentration betriebspunktabhängig, das heißt abhängig von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, definiert und vorzugsweise in einem Kennfeld hinterlegt ist oder modellbasiert berechnet wird. Vorzugsweise wird die Dosiermenge wieder erhöht, wenn die vorbestimmte Obergrenze für die Reduktionsmittel-Konzentration unterschritten wird.
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In Hinblick auf die zuvor erwähnten, vorbestimmten Obergrenzen – entweder für den Speicherfüllstand und/oder für die Reduktionsmittel-Konzentration – wird bevorzugt eine Regelungshysterese verwendet, insbesondere um ein permanentes Umschalten der Dosiereinrichtung in der Nähe der vorbestimmten Obergrenze zu vermeiden.
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Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass eine Untergrenze für den Speicherfüllstand bestimmt wird, wobei eine Zeitdauer von einem momentanen Zeitpunkt bis zum Erreichen der Untergrenze ermittelt wird, unter der Bedingung, dass die Dosiermenge in bestimmter Weise verringert wird. Auf der Grundlage der Vorhersage wird ein zukünftiger Zeitpunkt bestimmt, zu dem Betriebsbedingungen auftreten, bei denen Reduktionsmittel aus dem SCR-Katalysator ausgetrieben wird, wobei ein Entscheidungszeitpunkt ermittelt wird, der gleich dem zukünftigen Zeitpunkt abzüglich der Zeitdauer ist. Die Dosiermenge wird erhöht, wenn der momentane Zeitpunkt kleiner ist als der Entscheidungszeitpunkt, und/oder die Dosiermenge wird in bestimmter Weise verringert, wenn der momentane Zeitpunkt größer oder gleich dem Entscheidungszeitpunkt ist. Auf dieser Weise ist es möglich, einerseits den Speicherfüllstand immer dann möglichst hoch zu halten, wenn kein Reduktionsmittel-Schlupf erwartet wird, wobei rechtzeitig vor dem Eintritt eines Reduktionsmittel-Schlupfs der Speicherfüllstand durch Reduzierung der Dosiermenge erniedrigt werden kann, sodass unzulässig hohe Reduktionsmittel-Emissionen vermieden werden.
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Unter einer Untergrenze für den Speicherfüllstand wird hier ein Speicherfüllstand bezeichnet, der gerade so hoch ist, dass Vorgaben für die Stickoxidemissionen der Brennkraftmaschine noch eingehalten werden. Da dies typischerweise von den Betriebsbedingungen, insbesondere Betriebsparametern, der Brennkraftmaschine abhängig ist, insbesondere von einer Abgastemperatur, einem Abgasmassenstrom und einer Stickoxid-Konzentration im Abgas stromaufwärts des SCR-Katalysators, wird die Untergrenze vorzugsweise betriebspunktabhängig bestimmt, insbesondere aus einem Kennfeld ausgelesen oder modellbasiert berechnet.
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Dass die Dosiermenge in bestimmter Weise verringert wird, schließt ein, dass diese gegebenenfalls auf Null reduziert wird, dass also die Eindosierung von Reduktionsmittel in das Abgas gestoppt wird.
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Dass der momentane Zeitpunkt kleiner ist als der Entscheidungszeitpunkt bedeutet insbesondere, dass der Entscheidungszeitpunkt zeitlich nach dem momentanen Zeitpunkt, also in der Zukunft liegt. Dass der momentane Zeitpunkt größer oder gleich dem Entscheidungszeitpunkt ist, bedeutet insbesondere, dass der Entscheidungszeitpunkt im Vergleich zu dem momentanen Zeitpunkt in der Vergangenheit liegt, oder dass der Entscheidungszeitpunkt zu dem momentanen Zeitpunkt gegeben ist, also mit diesem zusammenfällt.
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Zur Berechnung der Zeitdauer von dem momentanen Zeitpunkt bis zum Erreichen der Untergrenze geht insbesondere ein momentaner Speicherfüllstand, der bevorzugt anhand eines Speichermodells berechnet wird, sowie bevorzugt eine momentane Reaktionsgeschwindigkeit des Reduktionsmittels in dem SCR-Katalysator und vorzugsweise auch eine momentane Dosiermenge ein. Die Reaktionsgeschwindigkeit des Reduktionmittels in dem SCR-Katalysator wird vorzugsweise anhand eines Modells des SCR-Katalysators ermittelt, wobei in die Berechnung Reaktionsgeschwindigkeit vorzugsweise wenigstens eine Größe eingeht, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus der momentanen Dosierung, einer Abgastemperatur, einem Abgasmassenstrom, und einer Stickoxid-Konzentration stromaufwärts des SCR-Katalysators.
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Der zukünftige Zeitpunkt, zu dem ein Reduktionsmittel-Schlupf auftritt, wird auf der Grundlage oder mittels der Vorhersage und damit insbesondere auf der Grundlage von wenigstens einer der zuvor beschriebenen Prädiktionsmethoden ermittelt.
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In die Berechnung des momentanen Speicherfüllstands geht vorzugsweise ein momentaner Wert der Reduktionsmittel-Konzentration, die vorzugsweise stromabwärts des SCR-Katalysators gemessen wird, ein momentaner Wert der Dosiermenge und ein momentaner Wert der Reaktionsgeschwindigkeit des Reduktionsmittels in dem SCR-Katalysator ein.
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Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Dosiermenge nur dann und vorzugsweise genau dann erhöht wird, wenn die vorbestimmte Obergrenze noch nicht erreicht ist, und wenn zugleich der momentane Zeitpunkt kleiner ist als der Entscheidungszeitpunkt. Die hier genannten Bedingungen werden also vorzugsweise über eine UND-Verknüpfung miteinander verbunden, wodurch vermieden wird, dass die Dosiermenge in ungünstiger Weise durch einen Mechanismus des Verfahrens erhöht wird, wenn entweder die vorbestimmte Obergrenze bereits erreicht ist, oder wenn der Entscheidungszeitpunkt bereits gekommen oder überschritten ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Dosiermenge reduziert, insbesondere auf einen Wert größer als Null, wenn die vorbestimmte Obergrenze erreicht ist. Zusätzlich oder alternativ wird bevorzugt die Dosiermenge auf Null reduziert, die Dosierung des Reduktionsmittels also gestoppt, wenn der Entscheidungszeitpunkt erreicht oder überschritten ist.
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Ist der Entscheidungszeitpunkt überschritten, der vorhergesagte Reduktionsmittel-Schlupf jedoch entweder innerhalb eines vorbestimmten Sicherheits-Zeitintervalls nicht eingetreten oder aber beendet, wird vorzugsweise die Ansteuerung der Dosiereinrichtung wieder freigegeben, sodass die Dosiermenge wieder erhöht werden kann. Insbesondere werden dann bevorzugt eine neue Zeitdauer, ein neuer zukünftiger Zeitpunkt und ein neuer Entscheidungszeitpunkt berechnet.
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Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Brennkraftmaschine unter regelmäßig wiederkehrenden Betriebsbedingungen betrieben wird. Dies stellt eine besonders günstige Ausführungsform des Verfahrens dar, weil in einem solchen Fall eine sehr genaue und sichere Vorhersage von Betriebsbedingungen erfolgen kann, unter denen ein Reduktionsmittel-Schlupf auftritt. Solche regelmäßigen Betriebsbedingungen können insbesondere bei Brennkraftmaschinen auftreten, die in Fahrzeugen mit regelmäßiger Betriebsweise, insbesondere mit Fahrplan, betrieben werden, oder die gemäß vorbestimmten Betriebsplänen, beispielsweise im Bergbau, insbesondere im Minenbereich, als Pumpe in der Rohstoffförderung, zum Antrieb eines Muldenkippers, im Konstruktionsbereich, insbesondere auf Baustellen, oder bei anderen geeigneten Einsatzgebieten betrieben werden. Dabei kann es sich auch um Triebwagen im Schienenverkehr oder um Lokomotiven, oder um Wasserfahrzeuge, insbesondere Fährschiffe, handeln.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, welches eingerichtet ist zur Durchführung einer der zuvor genannten Ausführungsformen des Verfahrens. Dabei ergeben sich in Hinblick auf das Steuergerät insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden. Das Steuergerät weist insbesondere ein Speicherfüllstands-Berechnungsmittel auf, das eingerichtet ist zur Berechnung des Speicherfüllstands für das Reduktionsmittel in dem SCR-Katalysator. Außerdem weist das Steuergerät vorzugsweise ein Vorhersagemittel zur Vorhersage wenigstens einer Betriebsbedingung der Brennkraftmaschine auf. Weiterhin weist das Steuergerät vorzugsweise ein Ansteuermittel zur Ansteuerung der Dosiereinrichtung in Abhängigkeit von dem Speicherfüllstand und von der Vorhersage auf.
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Es ist möglich, dass das Steuergerät separat zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet ist. Alternativ ist es auch möglich, dass das Steuergerät als zentrales Steuergerät einer Brennkraftmaschine (Engine Control Unit – ECU) ausgebildet ist.
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Es ist möglich, dass das Verfahren fest in eine elektronische Struktur, insbesondere eine Hardware, des Steuergeräts implementiert ist. Alternativ ist es möglich, dass in das Steuergerät ein Computerprogrammprodukt geladen ist, welches maschinenlesbare Anweisungen aufweist, aufgrund derer eine Ausführungsform des Verfahrens durchführbar ist, wenn das Computerprogrammprodukt auf dem Steuergerät läuft.
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Insofern wird auch ein Computerprogrammprodukt bevorzugt, welches maschinenlesbare Anweisungen aufweist, aufgrund derer eine Ausführungsform des zuvor beschriebenen Verfahrens durchführbar ist, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Recheneinrichtung, insbesondere auf einem Steuergerät, läuft.
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Es wird auch ein Datenträger bevorzugt, welcher ein solches Computerprogrammprodukt aufweist.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, welche ein Steuergerät nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweist. Dadurch ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren und dem Steuergerät beschrieben wurden.
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Die Brennkraftmaschine weist insbesondere einen SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden sowie eine Dosiereinrichtung zum Einbringen eines Reduktionsmittels in einen Abgasstrom der Brennkraftmaschine auf.
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Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs eingerichtet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, insbesondere Muldenkippern, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
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Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise eingerichtet, um unter regelmäßig wiederkehrenden Betriebsbedingungen betrieben zu werden.
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Zur Erfindung gehört schließlich auch ein Fahrzeug mit einer Brennkraftmaschine gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Das Fahrzeug ist besonders bevorzugt ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus einem Transportfahrzeug, insbesondere einem Linienbus, einem Schienenfahrzeug, insbesondere einem Triebwagen, einer Lokomotive oder einem Zug, einer Fähre, einem Baufahrzeug, und einem Minenfahrzeug, insbesondere einem Muldenkipper. In Zusammenhang mit dem Fahrzeug ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren und der Brennkraftmaschine erläutert wurden.
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Das Verfahren einerseits sowie das Steuergerät, die Brennkraftmaschine und das Fahrzeug andererseits sind bevorzugt komplementär zueinander zu verstehen. Merkmale des Steuergeräts, der Brennkraftmaschine und/oder des Fahrzeugs, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Steuergeräts, der Brennkraftmaschine oder des Fahrzeugs. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Steuergerät, der Brennkraftmaschine oder dem Fahrzeug beschreiben wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Dieses zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, welcher durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels des Steuergeräts, der Brennkraftmaschine oder des Fahrzeugs bedingt ist. Das Steuergerät, die Brennkraftmaschine und/oder das Fahrzeug zeichnet/zeichnen sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Schritt einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Fahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine und einem Steuergerät, und
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2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens in Form eines Flussdiagramms.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Fahrzeugs 1 mit einem Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine 3. Das Fahrzeug 1 und die Brennkraftmaschine 3 werden vorzugsweise unter regelmäßig wiederkehrenden Betriebsbedingungen betrieben. Das Fahrzeug kann insbesondere als Linienbus, als Schienenfahrzeug, beispielsweise als Triebwagen, Lokomotive oder Zug, als Fähre, als Baufahrzeug, insbesondere als Minenfahrzeug, oder als Muldenkipper ausgebildet sein.
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Die Brennkraftmaschine 3 weist einen Motorblock 5 auf, der mit einem Abgasstrang 7 zur Abführung von Abgas aus dem Motorblock 5 wirkverbunden ist. Die Brennkraftmaschine 3 weist in dem Abgasstrang 7 einen SCR-Katalysator 9 auf, der von entlang des Abgasstrangs 7 strömendem Abgas durchströmt wird. Es ist möglich, dass stromaufwärts des SCR-Katalysators 9 und/oder stromabwärts des SCR-Katalysators 9 wenigstens ein weiteres Abgasnachbehandlungselement in dem Abgasstrang 7 vorgesehen ist. Dabei kann insbesondere stromaufwärts des SCR-Katalysators ein Oxidationskatalysator vorgesehen sein, um insbesondere stets ein für die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden in dem SCR-Katalysator 9 optimales Verhältnis von Stickstoffdioxid zu Stickstoffmonoxid einstellen zu können. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass der Abgasstrang 7 einen Partikelfilter aufweist.
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Es ist auch möglich, dass stromabwärts des SCR-Katalysators 9 ein Sperrkatalysator vorgesehen ist, der dazu dient, aus dem SCR-Katalysator 9 ausgetriebenes Reduktionsmittel zu oxidieren und so Reduktionsmittel-Emissionen im Betrieb der Brennkraftmaschine 3 zu minimieren oder zu verhindern.
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Es ist eine Dosiereinrichtung 11 vorgesehen, die eingerichtet ist, um ein Reduktionsmittel oder ein Reduktionsmittelvorläuferprodukt, insbesondere eine Harnstoff-Wasser-Lösung, in den entlang des Abgasstrangs 7 strömenden Abgasstrom stromaufwärts des SCR-Katalysators 9 einzubringen. Hierzu ist die Dosiereinrichtung 11 vorzugsweise mit einem Reduktionsmittelreservoir 13 fluidverbunden.
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Es ist ein Steuergerät 15 vorgesehen, welches mit der Dosiereinrichtung 11 wirkverbunden ist, sodass die Dosiereinrichtung 11 durch das Steuergerät 15 ansteuerbar ist.
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Stromaufwärts des SCR-Katalysators 9 ist in dem Abgasstrang 7 ein erster Stickoxidsensor 17 angeordnet, mit dem Stickoxid-Rohemissionen aus dem Motorblock 5, oder gegebenenfalls eine Stickoxid-Konzentration im Abgas stromabwärts eines Oxidationskatalysators, welcher dem SCR-Katalysator 9 vorgeschaltet ist, erfasst werden können. Der erste Stickoxidsensor 17 ist mit dem Steuergerät 15 wirkverbunden.
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Stromabwärts des SCR-Katalysators 9 ist ein zweiter Stickoxidsensor 19 angeordnet, mit dem eine Stickoxid-Konzentration stromabwärts des SCR-Katalysators 9 erfassbar ist. Der zweite Stickoxidsensor 19 ist mit dem Steuergerät 15 wirkverbunden. Mittels des ersten Stickoxidsensors 17 und des zweiten Stickoxidsensors 19 kann insbesondere ein Stickoxidumsatz an dem SCR-Katalysator 9 bestimmt werden.
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Stromaufwärts des SCR-Katalysators 9 ist außerdem ein erster Temperatursensor 21 angeordnet, mit dem eine Abgastemperatur in dem Abgasstrom durch den SCR-Katalysator 9 erfassbar ist. Der erste Temperatursensor 21 ist mit dem Steuergerät 15 wirkverbunden. Stromabwärts des SCR-Katalysators 9 ist bevorzugt ein zweiter Temperatursensor 23 angeordnet, mit dem eine Abgastemperatur fluidisch hinter dem SCR-Katalysator 9 erfassbar ist. Auch der zweite Temperatursensor 23 ist mit dem Steuergerät 15 wirkverbunden.
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Vorzugsweise ist stromabwärts des SCR-Katalysators 9 ein separater Reduktionsmittel-Sensor 25 angeordnet, insbesondere ein Ammoniaksensor, mit dem eine Reduktionsmittel-Konzentration im Abgas stromabwärts des SCR-Katalysators 9 erfassbar ist. Der Reduktionsmittel-Sensor 25 ist ebenfalls mit dem Steuergerät 15 verbunden.
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Es ist alternativ oder zusätzlich auch möglich, die Reduktionsmittel-Konzentration im Abgas stromabwärts des SCR-Katalysators 9 mittels des zweiten Stickoxidsensors 19 zu bestimmen, da dieser eine Querempfindlichkeit auf Ammoniak aufweist. Die Messgenauigkeit kann aber verbessert werden, wenn zusätzlich der Reduktionsmittel-Sensor 25 verwendet wird.
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Das Steuergerät 15 ist weiterhin mit dem Motorblock 5 der Brennkraftmaschine 3 wirkverbunden, insbesondere zur Erfassung von wenigstens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine 3, insbesondere einer momentanen Last, einer momentanen Drehzahl, einer Einspritzmenge, einem – insbesondere anhand eines Modells berechneten oder aus einem Kennfeld ausgelesenen Abgasmassenstrom, einem Abgasvolumenstrom, einem Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnis, oder einem anderen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine 3. Das Steuergerät 15 ist vorzugsweise als zentrales Steuergerät der Brennkraftmaschine 3 ausgebildet und insoweit auch eingerichtet, um den Motorblock 5 anzusteuern, beispielsweise in Hinblick auf eine einzuspritzende Kraftstoffmenge, Einspritzzeitpunkte, und andere Betriebsparameter.
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Insbesondere ist das Steuergerät 15 eingerichtet zur Durchführung einer Ausführungsform des hier beschriebenen Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine 3.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens in Form eines Flussdiagramms.
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Während des Verfahrens wird – vorzugsweise permanent, insbesondere kontinuierlich und/oder in vorbestimmten zeitlichen Abständen – in einem ersten Schritt S1 ein momentaner Istwert der Dosiermenge des Reduktionsmittels bestimmt. Dieser kann durch Messung, beispielsweise Durchflussmessung in einer Zuleitung zu der Dosiereinrichtung 11 oder in dieser selbst, oder aber als in dem Steuergerät 15 der Ansteuerung der Dosiereinrichtung 11 zugrunde liegender Wert bestimmt werden.
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Parallel, das heißt insbesondere zugleich oder zeitlich versetzt – vorzugsweise permanent, insbesondere kontinuierlich oder in vorbestimmten Zeitabständen – wird in einem zweiten Schritt S2 ein momentaner Istwert für die Reaktionsgeschwindigkeit des Reduktionsmittels in dem SCR-Katalysator 9 ermittelt. Dieser wird insbesondere anhand eines Modells des SCR-Katalysators 9 und anhand von wenigstens einem Wert ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus der Abgastemperatur, dem Abgasmassenstrom durch den SCR-Katalysator 9, der Stickoxid-Konzentration stromaufwärts des SCR-Katalysators 9, und dem momentanen Istwert der Dosiermenge bestimmt. Es ist dabei möglich, dass als Reaktionsgeschwindigkeit nicht ausschließlich die rein physikalisch-chemische Abbaugeschwindigkeit des Reduktionsmittels durch Reaktion mit Stickoxiden in dem SCR-Katalysator 9 berechnet wird, sondern dass vielmehr als Reaktionsgeschwindigkeit eine totale Änderungsrate der in dem SCR-Katalysator 9 eingespeicherten Menge an Reduktionsmittel berechnet wird. In diese Änderungsrate geht dann sowohl eine Rate von pro Zeiteinheit in den SCR-Katalysator 9 eingespeichertem Reduktionsmittel als auch die physikalische-chemische Abbaurate des Reduktionsmittels ein, und vorzugsweise eine Verlustrate von aus dem SCR-Katalysator 9 ausgetriebenem Reduktionsmittel. Mittels einer so berechneten Reaktionsgeschwindigkeit oder Änderungsrate kann dann sehr genau die Veränderung des Speicherfüllstands des SCR-Katalysators 9 ermittelt werden.
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Parallel hierzu wird, insbesondere zeitgleich oder zeitlich versetzt – vorzugsweise kontinuierlich oder in vorbestimmten Zeitabständen – in einem dritten Schritt S3 eine Untergrenze für den Speicherfüllstand bestimmt, wobei diese Untergrenze vorzugsweise abhängig von mindestens einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 3, insbesondere abhängig von der Abgastemperatur, dem Abgasmassenstrom durch den SCR-Katalysator 9, und/oder der Stickoxid-Konzentration stromaufwärts des SCR-Katalysators 9, aus einem Kennfeld ausgelesen oder modellbasiert berechnet wird. Die Untergrenze ist bevorzugt so gewählt, dass vorbestimmte Grenzwerte für die Stickoxid-Emissionen der Brennkraftmaschine 3 noch eingehalten werden.
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In einem vierten Schritt S4 wird – ebenfalls vorzugsweise kontinuierlich oder in vorbestimmten Zeitabständen – ein momentaner Istwert des Reduktionsmittel-Schlupfs bevorzugt als Reduktionsmittel-Konzentration im Abgas stromabwärts des SCR-Katalysators bestimmt, wobei hierzu vorzugsweise ein Messwert des Reduktionsmittel-Sensors 25 herangezogen wird.
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In einem fünften Schritt S5 wird aus dem in dem vierten Schritt S4 berechneten Istwert für den Reduktionsmittel-Schlupfs, dem in dem ersten Schritt S1 berechneten Istwert für die Dosiermenge und dem in dem zweiten Schritt S2 berechneten Istwert für die Reaktionsgeschwindigkeit – vorzugsweise anhand eines Speichermodells für den SCR-Katalysator 9 – ein momentaner Istwert für den Speicherfüllstand berechnet.
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In einem sechsten Schritt S6 wird eine Zeitdauer ausgehend von einem momentanen Zeitpunkt bis zum Erreichen der in dem dritten Schritt S3 berechneten Untergrenze unter der Bedingung berechnet, dass die Dosiermenge in bestimmter Weise verringert, vorzugsweise gestoppt wird. Dies bedeutet letztlich, dass berechnet wird, wie lange es bei momentan herrschendem Speicherfüllstand dauern würde, bis die Untergrenze für den Speicherfüllstand erreicht wäre, wenn momentan die Dosiermenge in bestimmter Weise reduziert, insbesondere gestoppt, würde. Die so berechnete Zeitdauer gilt selbstverständlich nicht nur für den momentanen Zeitpunkt, sondern für jeden beliebigen Zeitpunkt, zu dem die in die Berechnung eingehenden, momentan geltenden Bedingungen, insbesondere also der momentane Speicherfüllstand und die momentane Reaktionsgeschwindigkeit, herrschen. Wohlgemerkt bedeutet dies nicht, dass die Dosiermenge tatsächlich zum momentanen Zeitpunkt reduziert oder gestoppt wird, vielmehr wird allein die – jedenfalls zunächst hypothetische – Zeitdauer berechnet, die bis zum Erreichen der Untergrenze beim Stoppen oder Verringern der Dosiermenge in bestimmter Weise bis zum Erreichen der Untergrenze vergehen würde. In die Berechnung des sechsten Schritts S6 gehen der momentane Speicherfüllstand, der momentane Istwert der Reaktionsgeschwindigkeit, bevorzugt korrigiert um die Annahme der verringerten oder gestoppten Dosierung, und die in dem dritten Schritt S3 berechnete Untergrenze ein.
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In einem siebten Schritt S7 wird eine Vorhersage bezüglich wenigstens einer Betriebsbedingung der Brennkraftmaschine ermittelt, wobei auf der Grundlage der Vorhersage ein zukünftiger Zeitpunkt bestimmt wird, zu dem Betriebsbedingungen auftreten werden, bei denen Reduktionsmittel aus dem SCR-Katalysator 9 ausgetrieben wird. Dabei kommt als Prädiktionsmethode vorzugsweise wenigstens eine Methode zum Einsatz, die ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einer Mustererkennung, einer Auswertung von Positionsdaten, und einer Auswertung von einem vorbestimmten Betriebsmuster der Brennkraftmaschine.
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Beispielsweise kann anhand von Positions- und Streckendaten eine Entfernung zu einer nächsten Steigung auf einer bestimmten Strecke sowie aus der momentanen Geschwindigkeit und/oder der momentanen Beschleunigung der Zeitpunkt ermittelt werden, zu dem diese Steigung erreicht wird. Aus einer Mustererkennung gewonnene Daten und/oder aus einer Auswertung eines vorbestimmten Betriebsmusters, beispielsweise eines Streckenfahrplans, der Brennkraftmaschine gewonnene Daten können herangezogen werden, um die Vorhersage eines Reduktionsmittel-Schlupfs anhand der Positionsdaten zu korrigieren oder deren Genauigkeit zu verbessern. Umgekehrt können die Positionsdaten auch herangezogen werden, um aus einer Mustererkennung oder aus einer Auswertung von einem vorbestimmten Betriebsmuster der Brennkraftmaschine gewonnene Daten zu korrigieren, oder die darauf basierende Vorhersage zu verbessern. Die hier genannten Prädiktionsmethoden können also in vorteilhafter Weise miteinander kombiniert werden, um eine möglichst genaue Vorhersage eines zu erwartenden Reduktionsmittel-Schlupfs zu erreichen.
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In einem achten Schritt S8 wird geprüft, ob der in dem vierten Schritt S4 ermittelte, momentane Istwert für den Reduktionsmittel-Schlupf eine vorbestimmte Obergrenze erreicht oder überschritten hat. Ist dies der Fall, wird die Dosiermenge in einem neunten Schritt S9 reduziert, wobei dies einschließt, dass die Dosiermenge gegebenenfalls auf Null reduziert, die Dosierung mithin gestoppt wird. Es ist insbesondere möglich, dass die Reduzierung der Dosiermenge quantitativ abhängig von einer Differenz des momentanen Istwerts des Reduktionsmittel-Schlupfs zu dem Wert für die Obergrenze gewählt wird.
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Wurde die vorbestimmte Obergrenze für den Reduktionsmittel-Schlupf in dem achten Schritt S8 nicht erreicht oder überschritten, wird ein dieses Ergebnis repräsentierendes Signal an einen zehnten Schritt S10 und dort konkret ein für diesen zehnten Schritt S10 vorgesehenes Verundungselement gesendet.
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In einem elften Schritt S11 wird ein Entscheidungszeitpunkt ermittelt, der gleich dem in dem siebten Schritt S7 berechneten, zukünftigen Zeitpunkt abzüglich der in dem sechsten Schritt S6 berechneten Zeitdauer ist. Damit repräsentiert der Entscheidungszeitpunkt den Zeitpunkt, zu dem – spätestens – die Dosiermenge reduziert oder gestoppt werden sollte, wenn der zu dem zukünftigen Zeitpunkt voraussichtlich eintretende Reduktionsmittel-Schlupf aufgrund der dann zu diesem Zeitpunkt erreichten Untergrenze für den Speicherfüllstand möglichst gering ausfallen soll. In dem elften Schritt S11 wird dann auch geprüft, ob der momentane Zeitpunkt kleiner ist als der Entscheidungszeitpunkt, das heißt ob der Entscheidungszeitpunkt in der Zukunft liegt, oder ob der momentane Zeitpunkt größer oder gleich dem Entscheidungszeitpunkt ist, das heißt ob der Entscheidungszeitpunkt bereits erreicht oder sogar überschritten ist, also in der Vergangenheit liegt.
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Ist der Entscheidungszeitpunkt bereits erreicht oder sogar überschritten, wird die Dosiermenge in einem zwölften Schritt S12 in der bestimmten Weise reduziert, vorzugsweise auf Null, die Dosierung wird also bevorzugt vollständig gestoppt.
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Wird dagegen in dem elften Schritt S11 festgestellt, dass der momentane Zeitpunkt kleiner ist als der Entscheidungszeitpunkt, wobei also der Entscheidungszeitpunkt noch in der Zukunft liegt, wird ein entsprechendes, dieses Ergebnis repräsentierendes Signal an den zehnten Schritt S10 und dort insbesondere an das Verundungselement gesendet.
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Die Dosiermenge wird in dem zehnten Schritt S10 erhöht, wenn durch das Verundungselement festgestellt wird, dass sowohl die in dem achten Schritt S8 geprüfte Obergrenze noch nicht erreicht oder überschritten ist, als auch der Entscheidungszeitpunkt noch nicht erreicht oder überschritten ist.
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In einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens ist es möglich, dass in den achten Schritt S8 anstelle des in dem vierten Schritt S4 ermittelten Istwerts für den Reduktionsmittel-Schlupf der momentane Istwert für den Speicherfüllstand aus dem fünften Schritt S5 eingeht, wobei dann in dem achten Schritt S8 geprüft wird, ob der momentane Istwert für den Speicherfüllstand eine vorbestimmte Obergrenze für den Speicherfüllstand erreicht oder überschritten hat. Auch dies kann als Maß für die Entscheidung verwendet werden, ob die Dosiermenge reduziert oder erhöht werden soll, oder ob die Dosierung gegebenenfalls ganz gestoppt wird.
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Es zeigt sich, dass die Dosiereinrichtung 11 im Rahmen des Verfahrens in Abhängigkeit von dem Speicherfüllstand und von der Vorhersage angesteuert wird. Besonders bevorzugt wird die Dosiereinrichtung 11 abhängig von wenigstens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine 3 mittels einer Vorsteuerung angesteuert, wobei die Ansteuerung der Dosiereinrichtung 11 in Abhängigkeit von dem Speicherfüllstand und der Vorhersage korrigiert wird, insbesondere indem sie in einem der Schritte S9, S10 und S12 reduziert, gestoppt oder erhöht wird.
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Die wenigstens eine Betriebsbedingung, bezüglich derer die Vorhersage ermittelt wird, ist bevorzugt ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus einer zu erwartenden Steigung auf einer Fahrtstrecke, einer zu erwartenden Geschwindigkeit auf der Fahrtstrecke, einer zu erwartenden Beschleunigung auf der Fahrtstrecke, einer Last der Brennkraftmaschine, einer Drehzahl, einer Einspritzmenge, einer Abgastemperatur, einem Abgasmassenstrom, einem Abgasvolumenstrom, einem Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnis, einer Stickoxidkonzentration stromaufwärts des SCR-Katalysators 9, einer Reduktionsmittel-Konzentration im Abgas stromabwärts des SCR-Katalysators 9, und der Dosiermenge.
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Insgesamt zeigt sich, dass auf der Grundlage des momentanen Speicherfüllstands einerseits und der Vorhersage andererseits zu Zeiten, zu denen kein oder jedenfalls nicht in unmittelbarer zeitlicher Nähe ein unzulässig hoher Reduktionsmittel-Schlupf erwartet wird, die Speicherfähigkeit des SCR-Katalysators 9 optimal ausgenutzt werden kann, wobei der Speicherfüllstand auf einen möglichst hohen und möglichst nah an einem theoretisch möglichen Maximum gelegenen Wert geregelt werden kann. Zugleich kann ein unerwünscht hoher Reduktionsmittel-Schlupf auch in transienten Zuständen und insbesondere in Zuständen, die ohne die Vorhersage nicht ermittelbar oder erwartbar wären, reduziert, vorzugsweise vermieden werden.
