DE102016014854A1

DE102016014854A1 - Verfahren zur Abgasnachbehandlung

Info

Publication number: DE102016014854A1
Application number: DE102016014854.3A
Authority: DE
Inventors: Frank Hofmann; Maximilian Seibel; Michel Weibel
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2016-12-14
Filing date: 2016-12-14
Publication date: 2017-07-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung für eine Verbrennungskraftmaschine (1) mit einem Abgasstrang (2) und zumindest einem innerhalb des Abgasstrangs (2) angeordneten und zu einer selektiven katalytischen Reduktion ausgebildeten SCR-Katalysator (2.3) und/oder einem Stickoxid-Speicherkatalysator (2.1), wobei anhand von Daten über eine dem Fahrzeug vorausliegende Fahrstrecke eine Abgastemperatur (T, T3 bis T7) und ein Abgasmassenstrom (AMS) ermittelt werden, wobei die Abgastemperatur (T, T3 bis T7) und der Abgasmassenstrom (AMS) als Eingangsgrößen für eine Regelung (R) des SCR-Katalysators (2.3) und/oder des Stickoxid-Speicherkatalysators (2.1) und/oder eines Dieselpartikelfilters (2.2) verwendet werden, wobei die Abgastemperatur (T, T3 bis T7) und der Abgasmassenstrom (AMS) anhand einer prädizierten Drehzahl (n) der Verbrennungskraftmaschine (1) und/oder eines prädizierten Drehmoments (M) der Verbrennungskraftmaschine (1) und/oder einer prädizierten Geschwindigkeit (v) eines die Verbrennungskraftmaschine (1) aufweisenden Fahrzeugs anhand zumindest eines Modells des Abgasstrangs (2) ermittelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 10 2014 216 217 A1 ist ein Verfahren zur Reduktion von Stickoxidemissionen im Abgas in einer Brennkraftmaschine, welche in ihrem Abgaskanal einen Katalysator aufweist, bekannt. Zur Stickoxidreduktion wird eine ammoniakabspaltende Reduktionsmittellösung in Strömungsrichtung des Abgases vor einem als SCR-Katalysator (englisch SCR = selective catalytic reduction = selektive katalytische Reduktion) ausgeführten Katalysator dem Abgasstrom mittels einer Dosiereinheit zudosiert. Alternativ werden Stickoxide während einer Beladungsphase mit mager eingestelltem Abgas in einen als so genannten NOx-Speicherkatalysator ausgeführten Katalysator eingespeichert und während einer darauf folgenden Regenerationsphase mit fett eingestelltem Abgas ausgetrieben und zu Stickstoff und Wasser konvertiert. In einem mit der Brennkraftmaschine betriebenen Fahrzeug werden Daten zu einer Fahrstrecke in einem Navigationssystem oder einem Fahrerassistenzsystem bereitgestellt, wobei auch bei transienten Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine aus den Daten der zu erwartenden Fahrstrecke ein Verbrennungsmotor-Lastprofil und damit eine Stickoxid-Emission der Brennkraftmaschine, eine Stickoxid-Konvertierung des Katalysators und ein Bedarf der zur Stickoxidreduktion zudosierten Reduktionsmittellösung vorausbestimmt und diese bei der Dosierung der Reduktionsmittellösung korrektiv berücksichtigt werden oder ein Zeitpunkt und eine Dauer von Beladungs- und Regenerationsphasen des NOx-Speicherkatalysators beeinflusst wird. Aus einem Lastverlauf mit detaillierten Lastwechseln wird über die zu erwartende Strecke vorausschauend oder mittels Erkennung einer vormals befahrenen Route adaptiv auf eine Stickoxid-Rohemission und damit auf einen detaillierten Stickoxid-Verlauf mit auftretenden Stickoxid-Peaks über die Strecke geschlossen, wobei unter Berücksichtigung von Regelstreckendaten von einer Einspritzung der Reduktionsmittellösung über eine Gemischbildungsstrecke im Abgasstrang bis über den Katalysator Einspritzzeitpunkte und Einspritzmengen über die Fahrstrecke berechnet werden und bei Erreichen eines bestimmten Fahrstreckenpunkts das Einspritzereignis ausgelöst wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Abgasnachbehandlung für eine Verbrennungskraftmaschine anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In dem Verfahren zur Abgasnachbehandlung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasstrang und zumindest einem innerhalb des Abgasstrangs angeordneten und zu einer selektiven katalytischen Reduktion ausgebildeten SCR-Katalysator und/oder einem Stickoxid-Speicherkatalysator wird zu einer Reduktion von Stickoxiden in einem Abgas der Verbrennungskraftmaschine ein ammoniakhaltiges Reduktionsmittel in Strömungsrichtung des Abgases vor dem SCR-Katalysator dem Abgas zudosiert und/oder Stickoxide werden während einer Beladungsphase mit mager eingestelltem Abgas im Stickoxid-Speicherkatalysator gespeichert und während einer Regenerationsphase mit fett eingestelltem Abgas, auch als Fettsprung bezeichnet, ausgetrieben und in Stickstoff und Kohlenstoffdioxid umgewandelt. In Abhängigkeit von Daten über eine dem Fahrzeug vorausliegende Fahrstrecke werden bzw. wird die Zudosierung des Reduktionsmittels und/oder Zeitpunkte und/oder Zeitdauern der Beladungsphase und Regenerationsphase des Stickoxid-Speicherkatalysators geregelt.
Erfindungsgemäß werden anhand der Daten über die dem Fahrzeug vorausliegende Fahrstrecke eine Abgastemperatur und ein Abgasmassenstrom ermittelt, wobei die Abgastemperatur und der Abgasmassenstrom als Eingangsgrößen für die Regelung der Zudosierung des Reduktionsmittels und/oder für die Regelung der Zeitpunkte und/oder Zeitdauern der Beladungsphase und Regenerationsphase des Stickoxid-Speicherkatalysators und/oder für eine Regeneration eines Dieselpartikelfilters verwendet werden. Dabei werden die Abgastemperatur und der Abgasmassenstrom anhand einer prädizierten Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und/oder eines prädizierten Drehmoments der Verbrennungskraftmaschine und/oder einer prädizierten Geschwindigkeit eines die Verbrennungskraftmaschine aufweisenden Fahrzeugs anhand zumindest eines Modells des Abgasstrangs ermittelt.
Das Verfahren ermöglicht eine verbesserte Abgasnachbehandlung für eine Verbrennungskraftmaschine durch die Möglichkeit einer Optimierung der Regelung der Zudosierung des Reduktionsmittels und/oder der Zeitpunkte und/oder Zeitdauern der Beladungsphase und Regenerationsphase des Stickoxid-Speicherkatalysators. Hierdurch werden höhere Umsätze von Stickoxiden bei geringerem Schlupf des ammoniakhaltigen Reduktionsmittels realisiert. Auch kann durch eine verbesserte Regelung des Stickoxid-Speicherkatalysators eine Minimierung von Schadstoffemissionen erreicht werden. Weiterhin kann aufgrund der Überwachung der Abgastemperatur ein effektiver Bauteilschutz erreicht werden, da frühzeitig Maßnahmen gegen ein Übersteigen von kritischen Temperaturen in der Abgasnachbehandlung eingeleitet werden können. Solche Maßnahmen umfassen beispielsweise ein Absenken der Temperatur der Verbrennungskraftmaschine, wenn z. B. aufgrund eines zukünftigen Drehzahl-/Drehmomentbedarfs eine hohe Temperatur der Verbrennungskraftmaschine unter einem aktuellen Betriebszustand festgestellt wird. Weiterhin kann die Konvertierung des Stickoxids durch Anheben der Temperatur der Abgasnachbehandlung vor Erlöschen eines Dieseloxidationskatalysators sichergestellt werden.
Durch die prädizierten Daten kann bei sich träge ändernden Zuständen, wie der Abgastemperatur oder einer Ammoniak-Beladung, ein früherer Eingriff erfolgen, der bis zum Eintreffen der Situation seine Wirkung zeigt.
Kurzfristige Eingriffe können über eine Nahfeldprädiktion realisiert werden. Als Beispiel dafür kann die Stabilisierung des Fettsprungs angesehen werden. Der Zeitpunkt, wann ein Fettsprung erfolgen muss, wird jedoch beispielsweise anhand einer Fernprädiktion mit langen Horizonten bestimmt, da gewisse Temperaturniveaus geeigneter sind, Stickoxide zu reduzieren und die Katalysatoren zu aktivieren.
Je nach Anwendung kann auch ein Temperaturverlauf für unterschiedliche Prädiktionshorizonte bestimmt werden. Als Kriterien werden eine Stationarität und eine quantitative Größe der Abgastemperatur und des Abgasmassenstroms herangezogen.
Die Erfindung ermöglicht somit eine höhere Stickoxid-Konversion bei geringerem Ammoniak-Schlupf für die Regelung des SCR-Katalysators. Es erfolgt in einer möglichen Ausgestaltung kein Eingriff in die Verbrennung der Verbrennungskraftmaschine, so dass ein Kraftstoffverbrauch minimiert ist.
Für den Stickoxid-Speicherkatalysator wird die Güte des Fettsprungs verbessert, indem nur dann ein Fettsprung gesetzt wird, wenn die zukünftigen Bedingungen dafür geeignet sind. Der stabile Fettsprung aktiviert den Stickoxid-Speicherkatalysator und leert diesen vollständig. Weiterhin kann durch die Erfindung einem hohen Kraftstoffverbrauch durch zusätzliche Fettsprünge entgegengewirkt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch ein Blockschaltbild einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasstrang,
2 schematisch einen Ablauf eines Verfahrens zur Abgasnachbehandlung,
3 schematisch einen Ablauf einer Ermittlung einer Abgastemperatur,
4 schematisch zeitliche Verläufe einer modellbasiert ermittelten Abgastemperatur und einer gemessenen Abgastemperatur,
5 schematisch zeitliche Verläufe einer modellbasiert ermittelten Abgastemperatur und einer gemessenen Temperatur innerhalb eines Stickoxid-Speicherkatalysators,
6 schematisch zeitliche Verläufe einer modellbasiert ermittelten Temperatur und einer gemessenen Abgastemperatur vor und nach einem SCR-Katalysator,
7 schematisch eine normierte Sollbeladung eines SCR-Katalysators in Abhängigkeit von einer Abgastemperatur, und
8 schematisch einen Stickstoffausstoß in Abhängigkeit eines Prädiktionshorizonts einer Abgastemperatur und eines Abgasmassenstroms.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein Blockschaltbild einer Verbrennungskraftmaschine 1 mit einem Abgasstrang 2 dargestellt. Bei der Verbrennungskraftmaschine 1 handelt es sich insbesondere um einen mit Diesel betriebenen Motor.
Zur Verminderung der Emissionen der Verbrennungskraftmaschine 1 umfasst der Abgasstrang 2 einen Stickoxid-Speicherkatalysator 2.1, einen Dieselpartikelfilter 2.2, welcher insbesondere mit einer zur selektiven katalytischen Reduktion ausgebildeten Beschichtung versehen ist, und einen ebenfalls zur selektiven katalytischen Reduktion ausgebildeten SCR-Katalysator 2.3.
Dabei ist der Stickoxid-Speicherkatalysator 2.1 ausgebildet, Stickoxide aus einem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 1 während einer Beladungsphase mit mager eingestelltem Abgas zu speichern und während einer Regenerationsphase mit fett eingestelltem Abgas, auch als Fettsprung bezeichnet, auszutreiben und in Stickstoff und Kohlenstoffdioxid umzuwandeln.
Der Dieselpartikelfilter 2.2 ist zu einer Filterung feiner Rußpartikel vorgesehen, die während eines Verbrennungsprozesses der Verbrennungskraftmaschine 1 entstehen. Diese Rußpartikel werden vom Dieselpartikelfilter 2.2 durch den so genannten Continuously-Regenerating-Trap-Effekt (kurz: CRT-Effekt) oder während einer Regeneration des Dieselpartikelfilters 2.2 oxidiert.
Der SCR-Katalysator 2.3 ist zu einer Reduktion von Stickoxiden im Abgas der Verbrennungskraftmaschine 1 ausgebildet, wobei zur Reduktion dem Abgas ein ammoniakhaltiges Reduktionsmittel in Strömungsrichtung des Abgases vor dem SCR-Katalysator 2.3 zudosiert wird. Hierbei reagieren die Stickoxide in einer selektiven katalytischen Reaktion mit Ammoniak.
Zusätzlich umfasst der Abgasstrang 2 in einer möglichen nicht gezeigten Ausgestaltung einen Dieseloxidationskatalysator zur Oxidation von Kohlenstoffmonoxid und von Kohlenwasserstoffen. Weiterhin ist mittels einer so genannten späten Nacheinspritzung mittels des Dieseloxidationskatalysators ein Temperaturniveau einer Abgasnachbehandlung anhebbar.
Weiterhin umfasst der Abgasstrang 2 mehrere Temperatursensoren 2.4 bis 2.6 zur Messung einer Abgastemperatur T, eine Lambdasonde 2.7, mehrere Stickoxidsensoren 2.8, 2.9 und einen Differenzdrucksensor 2.10 am Dieselpartikelfilter 2.2.
Eine Funktionsweise aller Komponenten des Abgasstrangs 2 sind dabei von der Abgastemperatur T abhängig. Eine Wirkung der Katalysatoren findet beispielsweise erst oberhalb einer definierten Abgastemperatur T, auch als Anspringtemperatur bezeichnet, statt, so dass die Katalysatoren möglichst oberhalb dieser Temperaturgrenze betrieben werden müssen, um eine maximale Leistungsfähigkeit zu ermöglichen. Aus Bauteilschutzgründen und um die Alterung der Katalysatoren zu verhindern, besteht auch eine obere Temperaturgrenze, welche nicht überschritten werden sollte.
Zudem ist auch eine momentane Abgastemperatur T entscheidend für einen aktuellen Stickoxid-Umsatz, die Dosierung des Reduktionsmittels oder eine Einleitung von Heizmaßnahmen. Somit kann eine genaue Kenntnis einer zukünftigen Entwicklung der Abgastemperatur T zu einer Regelung R der Abgasnachbehandlung genutzt werden, um die Abgasnachbehandlung auf zukünftige Veränderungen des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 1 und eines Verhaltens der Abgasnachbehandlung vorzubereiten und Stickoxidemissionen mittels typischer Stellhebel, wie beispielsweise der Dosierung des Reduktionsmittels, der Einstellung eines Fettsprungs und einer späten Nacheinspritzung, zu senken.
Zur Regelung R der Abgasnachbehandlung ist eine prädiktive Ermittlung einer Abgastemperatur- und Abgasmassenstromentwicklung im Abgasstrang 2 vorgesehen. Das prädiktive Verfahren setzt sich dabei aus drei Komponenten V1 bis V3 zusammen, welche in 2 näher dargestellt sind.
Eine erste Komponente V1 des Verfahrens nutzt dabei ein Navigationssystem 3 eines die Verbrennungskraftmaschine 1 umfassenden Fahrzeugs, wobei anhand von Kartendaten D ein Verlauf einer Drehzahl n und eines Drehmoments M der Verbrennungskraftmaschine 1 sowie einer Geschwindigkeit v des Fahrzeugs in Abhängigkeit einer dem Fahrzeug vorausliegenden Fahrstrecke prädiziert werden. Das heißt, es wird aus einem aus den Kartendaten D gewonnenen Streckenprofil ein erwartetes Last-, Geschwindigkeits- und Drehzahlprofil ermittelt. Dieses Last-, Geschwindigkeits- und Drehzahlprofil wird insbesondere für verschiedene Zeithorizonte ermittelt.
Weiterhin wird das Last-, Geschwindigkeits- und Drehzahlprofil kontinuierlich mittels erfassten Daten von Sensoren angepasst.
Eine zweite Komponente V2 des Verfahrens nutzt ein so genanntes Rohemissionsmodell und Streckenmodelle für die Abgasnachbehandlung, um die Abgastemperatur T, den Abgasmassenstrom AMS und Stickoxid-Rohemissionen SRE basierend auf der transienten Änderung des prädiktiven Betriebs der Verbrennungskraftrnaschine 1 zu bestimmen. Dabei wird zur prädiktiven Bestimmung des transienten Verhaltens der Verbrennungskraftmaschine 1 eine Getriebeschaltstrategie berücksichtigt.
Eine dritte Komponente V3 des Verfahrens umfasst die Regelung R der Abgasnachbehandlung, d. h. die Regelung R der Zudosierung des Reduktionsmittels, die Regelung R der Zeitpunkte und Zeitdauern der Beladungsphase und Regenerationsphase des Stickoxid-Speicherkatalysators 2.1 und die Regelung R der Regeneration des Dieselpartikelfilters 2.2, wobei die Abgastemperatur T und der Abgasmassenstrom AMS als Eingangsgrößen für die Regelung R verwendet werden.
Hierbei werden beispielsweise beim SCR-Katalysator 2.3 die prädizierte Abgastemperatur T und der prädizierte Abgasmassenstrom AMS mit der Dosieranforderung des Reduktionsmittels kombiniert und die Dosierung wird entsprechend anpasst.
Insbesondere werden mittels des Rohemissionsmodells eine Temperaturentwicklung, eine Menge an erzeugtem Stickoxid und eine erforderliche Menge an Reduktionsmittel anhand der prädizierten Daten unmittelbar nach der Verbrennungskraftmaschine 1, d. h. vor dem Abgasstrang 2, bestimmt. Durch eine Bestimmung eines zukünftigen Drehzahl-Lastprofils im transienten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 lassen sich Katalysatortemperaturen und Abgasmassenstrom AMS berechnen. Diese Größen sind ausschlaggebend für eine Durchführung eines stabilen Fettsprungs beim Stickoxid-Speicherkatalysator 2.1 und der Umsetzung von Stickoxiden bei gleichzeitiger Vermeidung eines Ammoniak-Schlupfes im SCR-Katalysator 2.3. Somit werden Daten, welche ein reales Verhalten im Straßenverkehr abbilden, genutzt, um die Abgasnachbehandlung in einen der Fahrsituation entsprechend günstigen Zustand zu versetzen. Im Idealfall wird dabei zur Bestimmung ein vorgegebenes Streckenprofil genutzt und die Betriebspunkte der Verbrennungskraftrnaschine 1 werden anhand von Streckendaten bestimmt. Bei Abweichungen vom Streckenprofil oder einer fehlenden Eingabe einer Strecke wird der wahrscheinlichste Pfad (= Most-Probable-Path) bestimmt und für die Berechnung herangezogen.
Einflussgrößen auf eine vorhergesagte Last- und Drehzahlanforderung der Verbrennungskraftmaschine 1 umfassen dabei vertikale Änderungen des Straßenprofils, die aktuellen Straßenarten (Stadt, Autobahn, Überland, u. a), den Fahrer und seine Fahrgewohnheiten sowie aktuelle Verkehrsflussinformationen (fließender Verkehr, Stau, Stop-and-Go). Durch Verbindung von Informationen einer Fahrzeugtelematik, wie z. B. Fahrerassistenzsystemen, Navigationssystemen, internetbasierten Systemen, adaptiven Geschwindigkeitsregelanlagen, einer Nahfeldkommunikation mit einer Straßeninfrastruktur und/oder mit anderen Fahrzeugen, auch als Car2X-Kommunikation bezeichnet, wird die Bestimmung der prädizierten Informationen in ihrer Genauigkeit erhöht. Insbesondere in einem nahen Prädiktionshorizont werden Daten von Fahrerassistenzsystemen und/oder der Car2X-Kommunikation zur Anpassung der Prädiktion herangezogen.
Das heißt, anhand der prädizierten Daten erfolgen bzw. erfolgt eine Einstellung einer dosierten Einspritzmenge des Reduktionsmittels und/oder eine Regelung einer Stellung einer Drosselklappe der Verbrennungskraftmaschine 1 bei später Nacheinspritzung zur Auslösung des Fettsprungs. Weiterhin sind mittels der Verbrennungskraftmaschine 1 Maßnahmen zur Anhebung einer Temperatur der Abgasnachbehandlung mittels eines späten Nacheinspritzens zur Steigerung der Umsatzraten der Stickoxide, beispielsweise bei einer Abkühlung des Abgasstrangs 2, oder zur Absenkung von Temperaturen im Abgasstrang 2 zum Bauteilschutz bei einem Temperaturanstieg der Katalysatoren und Filter im Abgasstrang 2 durchführbar.
Hierbei wird bei der Regelung R des SCR-Katalysators 2.3 eine Dosiermenge des Reduktionsmittels abhängig von der prädizierten Abgastemperatur T und/oder des prädizierten Abgasmassenstroms AMS variabel eingestellt, um den Umsatz der Stickoxide zu erhöhen und den Ammoniak-Schlupf zu reduzieren. Weiterhin erfolgt anhand der prädizierten Größen eine Auswahl eines Zeitpunkts für den Fettsprung im Stickoxid-Speicherkatalysator 2.1 zur Aktivierung bzw. zum Leeren des Stickoxid-Speicherkatalysators 2.1.
Zur Bestimmung der Abgastemperatur T, welche in 3 näher dargestellt ist, werden physikalische Modelle der Abgasnachbehandlung, insbesondere Katalysatormodelle, Rohrmodelle und Filtermodelle, eingesetzt, welche Wärmeverluste, die Exothermie, Stoffübergänge und chemische Reaktionen berücksichtigen. Für die Abgastemperatur T vor der Abgasnachbehandlung wird ein semi-physikalischer Ansatz verfolgt, indem ein eventuell vorhandener Turbolader mit Effizienzkurven, thermischen Massen und Wärmeübergängen modelliert wird. Die Verbrennungskraftmaschine 1 wird ebenfalls mit thermischen Massen modelliert, bei welchen eine Verbrennung mit Exothermie abhängig von einer eingespritzten Kraftstoffmenge stattfindet. Die Einspritzmenge des Kraftstoffs sowie ein Luftmassenstrom werden in Abhängigkeit von Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine 1 in Kennfeldern abgelegt. Diese bewirken eine Berechnung einer Temperaturentwicklung und einer Temperaturdifferenz pro Arbeitspriel, welche über die Gleichung der Energieerhaltung in einer Abgastemperatur T der Verbrennungskraftmaschine 1 resultieren. Dabei ist insbesondere eine Abgastemperatur T unmittelbar vor der Abgasnachbehandlung ausschlaggebend.
Eine modellbasierte Berechnung der Abgastemperatur T ist dabei in 3 näher dargestellt.
Hierbei werden anhand von Prüfstandsdaten der Verbrennungskraftmaschine 1 aus dem Drehmoment M und der Drehzahl n der Verbrennungskraftmaschine 1 eine Kraftstoffmenge m, ein Abgasdruck p3 unmittelbar nach der Verbrennungskraftmaschine 1, ein Abgasdruck p4 unmittelbar vor der Lambdasonde 2.7, ein Luftmassenstrom LMS und ein Abgasrückführungsmassenstrom ARMS ermittelt.
Anhand dieser Werte sowie eines ersten Wärmestroms WS1, einer Enthalpie H, einer Gastemperatur GT und Wärmeverlusten WV bzw. eines zweiten Wärmestroms WS2, der Gastemperatur GT und den Wärmeverlusten WV werden eine Abgastemperatur T3 unmittelbar nach der Verbrennungskraftmaschine 1 und eine Abgastemperatur T4 unmittelbar vor der Lambdasonde 2.7 ermittelt.
Nach unterschiedlicher Initialisierung des Temperaturmodells im Bezug zur realen Abgastemperatur T findet ein schnelles Angleichen statt. Das Temperaturmodell ist dabei geeignet, um im Steuergerät unter Vorgabe der Drehzahl n und des Drehmoments M die Abgastemperatur T vor der Abgasnachbehandlung und einem Schalldämpfer zu bestimmen. Eine Einheit aus Schalldämpfer und Abgasnachbehandlung wird dabei auch als Abgasbox bezeichnet.
In 4 sind eine solche modellbasiert ermittelte Abgastemperatur T3 in Abhängigkeit von der Zeit t und eine gemessene Abgastemperatur T3 in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt. Hierbei wird ersichtlich, dass eine Differenz zwischen der modellbasiert ermittelten Abgastemperatur T3 und der gemessenen Abgastemperatur T3' mit zunehmender Zeit t minimiert wird. Das heißt, die modellbasiert ermittelte Abgastemperatur T3 stimmt sehr gut mit der gemessenen realen Abgastemperatur T3' überein.
Die weiteren Abgastemperaturen T und Abgasmassenströme AMS nach dem Dieseloxidationskatalysator, dem Stickoxid-Speicherkatalysator 2.1, dem Dieselpartikelfilter 2.2 und dem SCR-Katalysator 2.3 werden durch die Katalysator- und Rohrmodelle abgebildet und bilden wichtige Eingangsgrößen für Modelle der Abgasnachbehandlung.
5 zeigt einen Vergleich zeitlicher Verläufe einer gemessenen Abgastemperatur T6' (= durchgezogene Linie) und einer mittels der Katalysator- und Rohrmodelle prädizierten Abgastemperatur T6 (gestrichelte Linie) innerhalb des Stickoxid-Speicherkatalysators 2.1, wobei ersichtlich ist, dass die Abgastemperatur T6 auch unter extremen Betriebsbedingungen, wie beispielsweise der Regeneration des Dieselpartikelfilters 2.2, mit sehr hoher Genauigkeit prädiziert werden kann, so dass Zustände der Abgasnachbehandlung mittels der Modelle sehr genau abgebildet werden können.
In 6 ist ein Vergleich zeitlicher Verläufe einer gemessenen Abgastemperatur T5' (= durchgezogene Linie) und einer mittels der Katalysator- und Rohrmodelle prädizierten Abgastemperatur T5 (gestrichelte Linie) vor dem SCR-Katalysator 2.3 und ein Vergleich zeitlicher Verläufe einer gemessenen Abgastemperatur T7' (= durchgezogene Linie) und einer mittels der Katalysator- und Rohrmodelle prädizierten Abgastemperatur T7 (gestrichelte Linie) nach dem SCR-Katalysator 2.3 dargestellt. Auch hierbei ist ersichtlich, dass die Abgastemperaturen T5, T7 mit sehr hoher Genauigkeit prädiziert werden können, so dass Zustände der Abgasnachbehandlung mittels der Modelle sehr genau abgebildet werden können.
Im Folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele von Anwendungen eines Verfahrens zur Abgasnachbehandlung für die Verbrennungskraftmaschine 1 erläutert:
7 zeigt eine normierte Sollbeladung B eines SCR-Katalysators 2.3 in Abhängigkeit von der Abgastemperatur T.
In einem ersten Ausführungsbeispiel kann bei einer Regelung R eines Betriebs des SCR-Katalysators 2.3 im kalten Bereich, d. h. bei geringen Abgastemperaturen T, aufgrund der oben beschriebenen Prädiktion das Reduktionsmittels ”offensiver” dosiert werden, da aufgrund der Prädiktion der Abgastemperatur T ein plötzliches Ansteigen derselben detektiert wird und durch ein Absenken der Dosierung ein Ammoniak-Schlupf vermieden wird. Durch das frühe Erkennen eines Anstiegs der Abgastemperatur T kann die Beladung rechtzeitig abgebaut und der Ammoniak-Schlupf vermieden werden. In Bereichen von niedrigen Abgastemperaturen T wird stattdessen die Beladung höher gewählt, d. h. mehr Reduktionsmittel wird zugeführt, um höhere Stickoxid-Umsätze zu erreichen. Diese Dosierung basiert dabei auf einer Beladungsregelung mit einem physikalischen Modell des SCR-Katalysators 2.3.
Die Vorgabe der Beladung ist von der Abgastemperatur T abhängig. Durch die Berücksichtigung der prädizierten Abgastemperatur T, die je nach in 8 näher dargestelltem Prädiktionshorizont Pra mit der aktuellen Abgastemperatur T verrechnet wird (Bildung eines Maximums), kann die Beladungsvorgabe im Vergleich einer Regelung ohne Prädiktion (Beladungskurve B1) höher gesetzt werden (Beladungskurve B2). Die so berechnete Abgastemperatur T wird als Eingangsgröße der Sollbeladung B verwendet.
Oberhalb einer Beladungskurve B3 beginnt dabei ein Bereich des Ammoniak-Schlupfes. Zwischen der Beladungskurve B2 und der Beladungskurve B3 ist ein Sicherheitsfaktor x eingestellt, so dass ein Erreichen des Bereichs des Ammoniak-Schlupfes sicher vermieden wird.
Bei einer Variation des Prädiktionshorizonts Pra und der Dosierstrategie unter Einhaltung einer Randbedingung von 10 ppm Maximalschlupf des Ammoniaks wird bei weiterer Vorausschau und offensiverer Dosierung eine Stickoxid-Umsatzsteigerung U1 bis U3 bei gleichbleibendem maximalen Ammoniak-Schlupf erreicht. Dies ist beispielhaft in 8 dargestellt, welche einen Stickstoffausstoß NOx_out und eine Stickoxid-Umsatzsteigerung U1 bis U3 in Abhängigkeit des Prädiktionshorizonts Pra der Abgastemperatur T und des Abgasmassenstroms AMS zeigt.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel kann bei einer Regelung R eines Betriebs des Stickoxid-Speicherkatalysators 2.1 zur Vermeidung von Kohlenstoffmonooxid- und Kohlenwasserstoff-Durchbrüchen ein Fettsprung erst ab einer Abgastemperatur T oberhalb der Anspringtemperatur erfolgen. Kühlt das System aus und ist der Stickoxid-Speicherkatalysator 2.1 mit Stickoxiden gesättigt, kann dieser nicht regeneriert werden und speichert kein weiteres Stickoxid. D. h., eine Sicherstellung der Speicherfähigkeit ist von der Abgastemperatur T und einer Erkennung des Abkühlens des Systems abhängig.
Da der Stickoxid-Speicherkatalysator 2.1 in Kombination mit dem SCR-Katalysator 2.3 betrieben wird und eine so genannte DeNOx-Funktion, d. h. eine Abscheidung der Stickoxide aus dem Abgas, bei mittleren bis hohen Abgastemperaturen T von insbesondere mehr als 200°C durch die Reaktion mit Ammoniak, erfolgt, resultiert ein Fettsprung bei mittleren Abgastemperaturen T in einem Mehrverbrauch an Kraftstoff, da zwar der Stickoxid-Speicherkatalysator 2.1 geleert wird, jedoch dadurch kein DeNOx-Vorteil entsteht. Stattdessen wird der Stickoxid-Speicherkatalysator 2.1 erneut befüllt.
Ein ähnlicher Ansatz zielt auf die prädiktive Erkennung des Abstellens eines Fahrzeugs, z. B. wenn ein gewünschtes Fahrziel erreicht wird. Vor diesem Abstellen kann ein Fettsprung den Stickoxid-Speicherkatalysator 2.1 leeren und während des Kaltstarts das Stickoxid einspeichern.
Weiterhin dienen die prädizierte Abgastemperatur T und der Abgasmassenstrom AMS dazu, möglichst stationäre Bedingungen des Stickoxid-Speicherkatalysators 2.1 zu detektieren, um einen stabilen Fettsprung zu realisieren. Bei hoher Transienz im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 muss die Lambda-Regelung stärker eingreifen und nicht in jeder Situation ist sichergestellt, dass ein erfolgreicher Fettsprung erfolgen kann, der den gesamten Katalysator leert. Dagegen kann ein in der Zukunft liegender Straßenabschnitt bestimmt werden, der optimale Bedingungen für einen Fettsprung bereitstellt. Werden die Bedingungen im Prädiktionshorizont Pra nicht erreicht und es liegt eine Muss-Anforderung für den Fettsprung vor, dann wird die nächstmögliche Situation genutzt, um den Fettsprung durchzuführen. Ist jedoch nur eine erste Schwelle zur Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators 2.1 überschritten, kann weiterhin auf einen geeigneten Zeitpunkt zur Durchführung der Regeneration gewartet werden.
In einem dritten Ausführungsbeispiel kann bei einem Temperaturmanagement des Abgasstrangs 2, d. h. einer Regelung der Abgastemperatur T, eine Verstellung eines Betriebspunkts der Verbrennungskraftmaschine 1 hin zu einer späten Nacheinspritzung zur Anhebung der Abgastemperatur T erfolgen. Dadurch wird der Abgasstrang 2 aufgeheizt und bleibt länger heiß.
Die Verstellung erfolgt, wenn die prädizierte Abgastemperatur T eine definierte Grenztemperatur unterschreitet und die Gefahr eines Lightouts, d. h. eine Unterschreitung der Anspringtemperatur, besteht.
Überschreitet hingegen die prädizierte Abgastemperatur T eine maximale Grenztemperatur, die aus Bauteilschutzgründen vorgegeben ist, wird eine Anpassung der Verbrennung hin zu niedrigeren Abgastemperaturen T vorgenommen. Diese Anpassung kann beispielsweise mittels einer Abgasrückführung mit einem Abgasrückführungskühler und/oder durch Einstellung eines Starts der Einspritzung (kurz: SOI) erfolgen. Eine Temperatur der Verbrennungskraftmaschine 1 resultiert dabei in einer Kühlung des Abgasstrangs 2 und somit der Abgasnachbehandlung.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungskraftmaschine
2: Abgasstrang
2.1: Stickoxid-Speicherkatalysator
2.2: Dieselpartikelfilter
2.3: SCR-Katalysator
2.4 bis 2.6: Temperatursensor
2.7: Lambdasonde
2.8, 2.9: Stickoxidsensor
2.10: Differenzdrucksensor
3: Navigationssystem
AMS: Abgasmassenstrom
ARMS: Abgasrückführungsmassenstrom
B: Sollbeladung
B1 bis B3: Beladungskurve
D: Kartendaten
GT: Gastemperatur
H: Enthalpie
LMS: Luftmassenstrom
m: Kraftstoffmenge
M: Drehmoment
n: Drehzahl
NOx_out: Stickstoffausstoß
p3, p4: Abgasdruck
Pra: Prädiktionshorizont
R: Regelung
SRE: Stickoxid-Rohemission
t: Zeit
T, T3 bis T7: Abgastemperatur
T3', T5 bis T7': Abgastemperatur
U1 bis U3: Stickoxid-Umsatzsteigerung
v: Geschwindigkeit
V1 bis V3: Komponente
WS1, WS2: Wärmestrom
WV: Wärmeverlust
x: Sicherheitsfaktor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014216217 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Abgasnachbehandlung für eine Verbrennungskraftmaschine (1) mit einem Abgasstrang (2) und zumindest einem innerhalb des Abgasstrangs (2) angeordneten und zu einer selektiven katalytischen Reduktion ausgebildeten SCR-Katalysator (2.3) und/oder einem Stickoxid-Speicherkatalysator (2.1), – wobei zu einer Reduktion von Stickoxiden in einem Abgas der Verbrennungskraftmaschine (1) ein ammoniakhaltiges Reduktionsmittel in Strömungsrichtung des Abgases vor dem SCR-Katalysator (2.3) dem Abgas zudosiert wird und/oder Stickoxide während einer Beladungsphase mit mager eingestelltem Abgas im Stickoxid-Speicherkatalysator (2.1) gespeichert und während einer Regenerationsphase mit fett eingestelltem Abgas ausgetrieben und in Stickstoff und Kohlenstoffdioxid umgewandelt werden, – wobei in Abhängigkeit von Daten über eine dem Fahrzeug vorausliegende Fahrstrecke die Zudosierung des Reduktionsmittels und/oder Zeitpunkte und/oder Zeitdauern der Beladungsphase und Regenerationsphase des Stickoxid-Speicherkatalysators (2.1) geregelt werden bzw. wird, dadurch gekennzeichnet, dass – anhand der Daten über die dem Fahrzeug vorausliegende Fahrstrecke eine Abgastemperatur (T, T3 bis T7) und ein Abgasmassenstrom (AMS) ermittelt werden, – wobei die Abgastemperatur (T, T3 bis T7) und der Abgasmassenstrom (AMS) als Eingangsgrößen für die Regelung (R) der Zudosierung des Reduktionsmittels und/oder für die Regelung (R) der Zeitpunkte und/oder Zeitdauern der Beladungsphase und Regenerationsphase des Stickoxid-Speicherkatalysators (2.1) und/oder für eine Regeneration eines Dieselpartikelfilters (2.2) verwendet werden, – wobei die Abgastemperatur (T, T3 bis T7) und der Abgasmassenstrom (AMS) anhand einer prädizierten Drehzahl (n) der Verbrennungskraftmaschine (1) und/oder eines prädizierten Drehmoments (M) der Verbrennungskraftmaschine (1) und/oder einer prädizierten Geschwindigkeit (v) eines die Verbrennungskraftmaschine (1) aufweisenden Fahrzeugs anhand zumindest eines Modells des Abgasstrangs (2) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Prädiktion der Drehzahl (n), des Drehmoments (M) und/oder der Geschwindigkeit (v) anhand der Daten über die dem Fahrzeug vorausliegende Fahrstrecke durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Modell zumindest ein Rohemissionsmodell verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Modelle zumindest ein Katalysatormodell und ein Rohrmodell verwendet werden.