DE102016205265A1 - Method and device for operating an SCR exhaust aftertreatment device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor (2), wobei der Betrieb des Verbrennungsmotors (2) in Abhängigkeit von Bedürfnissen des Betriebs der Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) durchgeführt wird. Gemäß der Erfindung ist die Abgasnachbehandlungseinrichtung eine SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung (1), und das Kraftfahrzeug ist ein zu autonomen Fahren fähiges Fahrzeug, dessen Fahrprofil durch einen Algorithmus festgelegt wird, wobei das Fahrprofil in Abhängigkeit von den Bedürfnissen des Betriebs der SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) festgelegt wird.The invention relates to a method and a device for operating an exhaust aftertreatment device (1) in the exhaust system of a motor vehicle having an internal combustion engine (2), the operation of the internal combustion engine (2) being carried out as a function of the requirements of the operation of the exhaust aftertreatment device (1). According to the invention, the exhaust aftertreatment device is an SCR exhaust aftertreatment device (1), and the motor vehicle is an autonomous driving vehicle whose driving profile is determined by an algorithm, the driving profile being dependent on the needs of the operation of the SCR exhaust aftertreatment device (1). is determined.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb einer Abgasnachbehandlungseinrichtung im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor, wobei der Betrieb des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von Bedürfnissen des Betriebs der Abgasnachbehandlungseinrichtung durchgeführt wird, gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.The invention relates to a method and a device for operating an exhaust aftertreatment device in the exhaust system of a motor vehicle with an internal combustion engine, wherein the operation of the internal combustion engine is carried out depending on the needs of the operation of the exhaust aftertreatment device, according to the preambles of the independent claims.
Verbrennungsmotoren erzeugen beim Betrieb häufig erhebliche Mengen von Stickoxiden (NOx, d. h. NO und NO2). Insbesondere bei in Kraftfahrzeugen eingesetzten Diesel- und Otto-Motoren liegen die Stickoxid-Mengen im Abgas in der Regel über den zulässigen Grenzwerten, so dass eine Abgasnachbehandlung zur Verringerung der NOx-Emissionen notwendig ist. Bei vielen Motoren erfolgt die Reduktion der Stickoxide durch die im Abgas enthaltenen nicht-oxidierten Bestandteile, nämlich durch Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), mit Hilfe eines Dreiwegekatalysators. Insbesondere bei Diesel- und Otto-Magermotoren steht dieses Verfahren jedoch nicht zur Verfügung, da durch den hohen Sauerstoffanteil im Abgas die Reduzierung von NOx nicht bzw. kaum erfolgt. Bei Magermotoren wird daher gemäß einem verbreiteten Verfahren ein NOx-Speicherkatalysator (Lean NOx Trap, LNT) eingesetzt, der die im Abgas des Verbrennungsmotors enthaltenen Stickoxide aufnimmt und speichert. Von Zeit zu Zeit erfolgt eine Regeneration des NOx-Speicherkatalysators, wofür ein Kraftstoffüberschuss in dem durch den NOx-Speicherkatalysator geleiteten Abgas erzeugt wird.Internal combustion engines often generate significant amounts of nitrogen oxides (NOx, ie NO and NO 2 ) during operation. Especially in diesel and petrol engines used in motor vehicles, the amounts of nitrogen oxide in the exhaust gas are generally above the permissible limits, so that an exhaust aftertreatment to reduce the NOx emissions is necessary. In many engines, the reduction of nitrogen oxides by the non-oxidized constituents contained in the exhaust gas, namely by carbon monoxide (CO) and unburned hydrocarbons (HC), using a three-way catalyst. However, this process is not available in particular in the case of diesel and Otto lean-burn engines, since the reduction of NOx is not or hardly occurs due to the high proportion of oxygen in the exhaust gas. In lean-burn engines, therefore, according to a widespread method, an NOx storage catalytic converter (Lean NOx Trap, LNT) is used, which receives and stores the nitrogen oxides contained in the exhaust gas of the internal combustion engine. From time to time, there is a regeneration of the NOx storage catalytic converter, for which a fuel excess is generated in the exhaust gas conducted through the NOx storage catalytic converter.
Eine alternative oder zusätzlich einsetzbare Methode zur Stickoxidreduktion ist SCR-Abgasnachbehandlung, d. h. mit selektiver katalytischer Reduktion (engl. Selective Catalytic Reaction, SCR), mit der auch sehr strenge Normen für Schadstoffgrenzwerte bei Kraftfahrzeugen erfüllt werden können. SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtungen sind z. B. SCR-Katalysatoren und SCR-beschichtete Dieselpartikelfilter, SDPF genannt. An alternative or additionally usable method for nitrogen oxide reduction is SCR exhaust aftertreatment, i. H. with Selective Catalytic Reaction (SCR), which also meets very strict standards for vehicle emission limits. SCR exhaust aftertreatment devices are z. B. SCR catalysts and SCR-coated diesel particulate filter, called SDPF.
Für selektive katalytische Reduktion wird dem Abgas Ammoniak (NH3) zugemischt, bei Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren in Form einer AdBlue genannten wässrigen Harnstofflösung. Die Harnstoff-Zudosierung muss der aktuellen Stickoxidemission des Verbrennungsmotors entsprechen und erfolgt daher in Abhängigkeit von den aktuellen Betriebsbedingungen des Motors. Ist die Dosierung zu gering, wird zu wenig Stickoxid reduziert, um die Schadstoffgrenzwerte einzuhalten. Ist die Dosierung zu hoch, gelangt überschüssiges Ammoniak in das Abgas, was NH3-Schlupf genannt wird. Dies muss verhindert werden, da Ammoniak gesundheitsschädlich ist, schon in sehr kleinen Konzentrationen zu einer Geruchsbelästigung führt und ggf. nachgeschaltete Abgasnachbehandlungseinrichtungen beeinträchtigen kann. Bei höheren Temperaturen kann Ammoniak auch oxidieren und NOx bilden, was den Netto-NOx-Umwandlungswirkungsgrad vermindert.For selective catalytic reduction, ammonia (NH 3 ) is admixed to the exhaust gas, in the case of motor vehicle internal combustion engines in the form of an aqueous urea solution called AdBlue. The urea dosing must correspond to the current nitrogen oxide emission of the internal combustion engine and therefore depends on the current operating conditions of the engine. If the dosage is too low, too little nitrogen oxide is reduced to comply with the pollutant limits. If the dosage is too high, excess ammonia enters the exhaust gas, which is called NH 3 slip. This must be prevented because ammonia is harmful to health, even in very small concentrations leads to an odor nuisance and may affect downstream exhaust aftertreatment devices. At higher temperatures, ammonia can also oxidize and form NOx, reducing net NOx conversion efficiency.
Aus der
Bei einer SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung müssen außerdem in vorgegebenen Intervallen Selbstdiagnosen (engl. On-Board Diagnostics; OBD) geführt werden, unter anderem zur Überwachung ihrer Wärmealterung, die den NOx-Umwandlungswirkungsgrad in Abhängigkeit von den Temperaturen, denen die SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung im Betrieb ausgesetzt ist, mit der Zeit kleiner werden lässt. Manche US-Emissionsschutzbehörden verlangen auch eine minimale Zahl von Überwachungsvorgängen über eine bestimmte Betriebszeit.In an SCR exhaust aftertreatment device, self-diagnostics (OBD) must also be performed at predetermined intervals, inter alia to monitor their heat aging, which will reduce NOx conversion efficiency as a function of the temperatures to which the SCR exhaust after-treatment device is exposed is getting smaller over time. Some US emissions agencies also require a minimum number of monitoring operations over a period of operation.
Die
Bei fahrergesteuerten Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor und SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung haben Fahrerbefehle in Form von Fahrpedalstellung und ggf. Gangwahl normalerweise Vorrang vor den Betriebsbedürfnissen der SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung, den NOx-Umwandlungswirkungsgrad zu optimieren, NH3-Schlupf zu minimieren und in vorgegebenen Intervallen Selbstdiagnosen durchzuführen. Dies schränkt die Möglichkeiten ein, die SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung in optimalen Arbeitsbereichen für die genannten Ziele zu halten. Außerdem geht eine aggressivere Fahrweise mit plötzlichen Änderungen der Temperatur und des Volumenstroms des in bzw. durch die Abgasnachbehandlungseinrichtung strömenden Abgases einher, was vorgeschriebene Diagnosen erschwert oder unzuverlässig oder sogar unmöglich macht.In driver-controlled internal combustion engine and SCR exhaust aftertreatment devices, driver commands in the form of accelerator pedal position and possibly gear selection normally override the operating needs of the SCR exhaust aftertreatment device to optimize NOx conversion efficiency, minimize NH 3 slip, and perform self-diagnostics at predetermined intervals. This limits the ability to keep the SCR exhaust aftertreatment device in optimal working ranges for the stated objectives. In addition, a more aggressive driving style is accompanied by sudden changes in temperature and volumetric flow of the exhaust gas flowing into and through the exhaust aftertreatment device, which makes prescribed diagnoses difficult or unreliable or even impossible.
Aus der
Die
Es ist denkbar, das in der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Betriebsbedürfnisse von Abgasnachbehandlungseinrichtungen in Kraftfahrzeugen noch besser erfüllen zu können.The invention is based on the object to be able to meet even better operating needs of exhaust aftertreatment devices in motor vehicles.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.This object is achieved according to the invention by a method and an apparatus having the features of the independent claims.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Advantageous developments of the invention are specified in the dependent claims.
Gemäß der Erfindung ist die Abgasnachbehandlungseinrichtung eine SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung, d. h. eine Abgasnachbehandlungseinrichtung mit selektiver katalytischer Reduktion, und das Kraftfahrzeug ist ein zu autonomen Fahren fähiges Fahrzeug, dessen Fahrprofil nicht durch den Fahrer, sondern durch einen Algorithmus festgelegt wird, wobei das Fahrprofil in Abhängigkeit von den Bedürfnissen des Betriebs der SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung festgelegt wird.According to the invention, the exhaust aftertreatment device is an SCR exhaust aftertreatment device, i. H. an exhaust aftertreatment device with selective catalytic reduction, and the motor vehicle is an autonomous driving capable vehicle whose driving profile is determined not by the driver but by an algorithm, the driving profile being determined depending on the needs of the operation of the SCR exhaust aftertreatment device.
Bei der Erfindung geschieht etwas anderes als das, was in einem zu autonomen Fahren fähigen Fahrzeug geschehen würde, bei dem das in der
Gemäß der Erfindung ist das Kraftfahrzeug ein zu autonomen Fahren fähiges Fahrzeug. Darunter versteht man im Allgemeinen ein Kraftfahrzeug, das autonom gesteuert regulär auf öffentlichen Straßen fahren, um Personen und/oder Güter von einem Ort zu einem anderen zu befördern, ohne dass jemand irgendwelche Pedale, einen Gangwählhebel oder ein Lenkrad betätigen muss. Im Sinne der vorliegenden Erfindung soll das zu autonomen Fahren fähige Fahrzeug aber auch ein teilautonomes Kraftfahrzeug sein können, bei dem der Fahrer noch gewisse überwachende Funktionen hat und möglicherweise auch noch selbst lenkt oder zumindest korrigierende Lenkeingriffe vornehmen kann, da sich die vorliegende Erfindung auch für Kraftfahrzeuge eignet, bei denen es genügt, dass auf einer vorgegebenen Route Fahrpedal und Bremspedal sowie evtl. Kupplungspedal und Gangwähler unbetätigt bleiben.According to the invention, the motor vehicle is a vehicle capable of autonomous driving. This is generally understood to mean a motor vehicle that autonomously steers regularly on public roads in order to move people and / or goods from one place to another without anyone having to operate any pedals, a gear lever or a steering wheel. For the purposes of the present invention, the vehicle capable of autonomous driving should also be a partially autonomous motor vehicle, in which the driver still has certain monitoring functions and possibly even steers himself or at least can carry out corrective steering interventions, since the present invention also applies to motor vehicles If it is sufficient that the accelerator pedal and brake pedal as well as the clutch pedal and gear selector remain unchecked on a given route.
Bei einem derartigen Kraftfahrzeug ist es möglich, den autonomen Fahrbetrieb in Abhängigkeit von Bedürfnissen des Betriebs der Abgasnachbehandlungseinrichtung durchzuführen, weil im Gegensatz zu fahrergesteuerten Kraftfahrzeugen viel mehr Spielraum besteht, die Betriebsparameter des Verbrennungsmotors zu Gunsten der Bedürfnisse der SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung zu wählen.In such a motor vehicle, it is possible to carry out the autonomous driving operation depending on the needs of the operation of the exhaust gas aftertreatment device, because in contrast to driver-controlled motor vehicles much more leeway exists, the operating parameters of the Combustion engine in favor of the needs of the SCR exhaust aftertreatment device to choose.
Insbesondere kann der Verbrennungsmotor während des autonomen Fahrbetriebs sowohl in Abhängigkeit von irgendwelchen rechnerisch erzeugten Fahrbefehlen zum Erreichen des Fahrziels entlang eines abzufahrenden Fahrweges, wie es bei autonomen Kraftfahrzeugen geschieht, als auch in Abhängigkeit von den Bedürfnissen der SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung betrieben werden. Die rechnerisch erzeugten Fahrbefehle können Drehzahl, Drehmoment und eingelegten Gang eines Getriebes des Verbrennungsmotors umfassen. In particular, the internal combustion engine may be operated during autonomous driving both in response to any computationally generated driving commands to reach the driving destination along a driveway to be traveled, as occurs in autonomous automobiles, and depending on the needs of the SCR exhaust aftertreatment device. The computationally generated travel commands may include speed, torque and engaged gear of a transmission of the internal combustion engine.
Auf diese Weise kann ein Fahrprofil des autonom fahrenden Kraftfahrzeugs hinsichtlich eines oder mehrerer Fahrprofilparameter wie z. B. Fahrgeschwindigkeit und Gangstufe eines Getriebes derart angepasst werden, dass mindestens ein den Bedürfnissen der SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung entsprechender Betriebsparameter der SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung innerhalb eines Sollwertfensters liegt.In this way, a driving profile of the autonomously driving motor vehicle with respect to one or more driving profile parameters such. B. driving speed and gear ratio of a transmission are adapted such that at least one of the needs of the SCR exhaust aftertreatment device corresponding operating parameters of the SCR exhaust aftertreatment device is within a setpoint window.
Die Erfindung nutzt somit bewusst einen Freiheitsgrad zur Beeinflussung von Betriebsparametern der SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung, der bei einem autonom fahrenden Fahrzeug vorhanden ist. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass dieser Freiheitsgrad die Unabhängigkeit von einem vorgegebenen Fahrerwunsch ist. Mit dieser Erkenntnis ist es möglich, Einfluss auf das Fahrprofil des autonom fahrenden Fahrzeugs zu nehmen, ohne dass dies von den Insassen des autonom fahrenden Fahrzeugs als unangenehm oder unerwünscht empfunden wird. Hierdurch kann in einfacher und effektiver Art und Weise Einfluss auf die Betriebsparameter der SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung genommen werden, so dass entweder über längere Zeiträume optimale oder phasenweise bestimmte andere Bedingungen für deren Betrieb herrschen. The invention therefore consciously uses a degree of freedom for influencing operating parameters of the SCR exhaust gas aftertreatment device which is present in an autonomously driving vehicle. According to the invention it has been recognized that this degree of freedom is the independence of a given driver's request. With this knowledge, it is possible to influence the driving profile of the autonomously driving vehicle without this being perceived as unpleasant or undesirable by the occupants of the autonomously driving vehicle. As a result, the operating parameters of the SCR exhaust gas aftertreatment device can be influenced in a simple and effective manner, so that optimal or phase-specific other conditions for their operation prevail over a longer period of time.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfassen die Betriebsbedürfnisse der Abgasnachbehandlungseinrichtung, ihren NOx-Umwandlungswirkungsgrad zu optimieren und NH3-Schlupf und NH3-Oxidation zu minimieren.In one embodiment of the invention, the operating needs of the exhaust aftertreatment device include optimizing its NOx conversion efficiency and minimizing NH 3 slip and NH 3 oxidation.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfassen die Betriebsbedürfnisse der Abgasnachbehandlungseinrichtung, in vorgegebenen Intervallen eine Selbstdiagnose durchzuführen. Als Antwort auf eine Anforderung, die Wärmealterung der Abgasnachbehandlungseinrichtung zu diagnostizieren, können der autonome Fahrbetrieb und der Betrieb des Verbrennungsmotors derart durchgeführt werden, dass sich die Temperatur und die Raumgeschwindigkeit des in bzw. durch die Abgasnachbehandlungseinrichtung strömenden Abgases während der Selbstdiagnose innerhalb vorgegebener Grenzen bewegen.In another embodiment of the invention, the operational needs of the exhaust aftertreatment device include self-diagnostics at predetermined intervals. In response to a request to diagnose the heat aging of the exhaust aftertreatment device, the autonomous driving operation and the operation of the internal combustion engine may be performed such that the temperature and the space velocity of the exhaust gas flowing into and through the exhaust after-treatment device move within predetermined limits during self-diagnosis.
Den vorgenannten Ausführungsformen ist gemeinsam, dass die Betriebsbedürfnisse der Abgasnachbehandlungseinrichtung umfassen, dass ein oder mehrere Betriebsparameter der Abgasnachbehandlungseinrichtung zumindest zeitweise in einem oder mehreren vorgegebenen Fenstern liegen, und dass der autonome Fahrbetrieb und der Betrieb des Verbrennungsmotors derart durchgeführt werden, dass die Betriebsparameter der Abgasnachbehandlungseinrichtung zumindest zeitweise in dem oder den Fenstern gehalten werden.The abovementioned embodiments have in common that the operating requirements of the exhaust gas aftertreatment device include that one or more operating parameters of the exhaust gas aftertreatment device at least temporarily lie in one or more predefined windows, and that the autonomous driving operation and the operation of the internal combustion engine are performed such that the operating parameters of the exhaust gas aftertreatment device are at least temporarily held in the window or windows.
Es folgt eine Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Darin zeigen: The following is a description of embodiments with reference to the drawings. Show:
In der folgenden Beschreibung von Betriebsverfahren, die für derartige SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtungen vorgesehen sind, die in einem zu autonomem Fahren fähigen Kraftfahrzeug eingebaut sind, wird statt der Begriffe SCR-Katalysator, SDPF oder sonstige SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung übergreifend der Begriff SCR-System verwendet. Soweit speziell der Begriff SCR-Katalysator verwendet wird, können sich die entsprechenden Ausführungen auch auf andere SCR-Systeme beziehen.In the following description of operating methods provided for such SCR exhaust aftertreatment devices installed in an automotive vehicle capable of autonomous driving, the term SCR system is used interchangeably instead of the terms SCR catalyst, SDPF or other SCR exhaust aftertreatment device. Insofar as the term SCR catalyst is used in particular, the corresponding statements may also apply to other SCR systems.
In einem ersten Ausführungsbeispiel werden virtuelle Fahrereingaben, nämlich Fahrbefehle der Fahrsteuerung des zu autonomem Fahren fähigen Kraftfahrzeugs, welche entsprechende menschliche Fahrereingaben ersetzen, dazu verwendet, mit Hilfe der virtuellen Fahrereingaben die Betriebsbedingungen eines SCR-Systems dahingehend zu optimieren, dass der NOx-Umwandlungswirkungsgrad verbessert und außerdem NH3-Schlupf und Oxidation minimiert werden. In a first embodiment, virtual driver inputs, namely drive commands of the autonomous driving enabled vehicle, which substitute corresponding human driver inputs, are used to optimize the operating conditions of an SCR system using the virtual driver inputs to improve NOx conversion efficiency In addition, NH 3 slip and oxidation are minimized.
Bei SCR-Systemen besteht die Herausforderung, den NOx-Umwandlungswirkungsgrad bei minimalem NH3-Schlupf zu optimieren. Ein SCR-System speichert Ammoniak, das durch einen stromaufwärtigen Ammoniakinjektor injiziert wird (aktive SCR). Und wird ein NOx-Speicherkatalysator stromaufwärts des SCR-System verwendet, kann Regeneration des NOx-Speicherkatalysators eine größere Menge Ammoniak erzeugen, die dann im SCR-System gespeichert wird (passive SCR).For SCR systems, the challenge is to optimize NO x conversion efficiency with minimal NH 3 slip. An SCR system stores ammonia injected by an upstream ammonia injector (active SCR). And if a NOx storage catalyst is used upstream of the SCR system, regeneration of the NOx storage catalyst can produce a larger amount of ammonia, which is then stored in the SCR system (passive SCR).
Idealerweise wandelt das im SCR-System gespeicherte NH3 alle Stickoxide im Abgas in N2 um, wobei die Stickoxide vom Verbrennungsmotor herrühren oder in einer stromaufwärtigen Abgasnachbehandlungseinrichtung vorübergehend gespeichert und desorbiert oder darin erzeugt werden können.Ideally, the NH 3 stored in the SCR system converts all nitrogen oxides in the exhaust into N 2 , which oxides of nitrogen originate from the engine or may be temporarily stored and desorbed or generated in an upstream exhaust after-treatment device.
Die Funktionsfähigkeit des SCR-Systems unterliegt u. a. folgenden Einschränkungen:
- 1. Der Betrieb des SCR-Systems einschließlich des NOx-Umwandlungswirkungsgrades hängt von seinen Betriebsbedingungen Temperatur und Raumgeschwindigkeit, welche einen auf das Katalysatorvolumen normierten Volumenstrom bzw. eine reziproke Verweilzeit des Abgases im SCR-Systems darstellt, und auch von der Ammoniakbeladung des SCR-Systems ab.
- 2. Bei höheren Temperaturen oxidiert Ammoniak und kann NOx bilden, was den NOx-Umwandlungswirkungsgrad vermindert.
- 3. Bei höheren Temperaturen und/oder und Raumgeschwindigkeiten desorbiert gespeichertes Ammoniak aus dem SCR-System, was zu unerwünschtem NH3-Schlupf führt.
- 4. Ein SCR-System ist nur oberhalb einer Anspringtemperatur funktionsfähig; darunter ist der NOx-Umwandlungswirkungsgrad vernachlässigbar.
- 1. The operation of the SCR system, including NOx conversion efficiency, depends on its operating conditions of temperature and space velocity, which represents a volumetric flow normalized to catalyst volume, or a reciprocal dwell time of the exhaust gas in the SCR system, and also the ammonia load of the SCR system from.
- 2. At higher temperatures, ammonia oxidizes and may form NOx, which reduces NOx conversion efficiency.
- 3. Ammonia stored at higher temperatures and / or space velocities desorbs from the SCR system, resulting in undesirable NH 3 slip.
- 4. An SCR system is only functional above a light-off temperature; below that, the NOx conversion efficiency is negligible.
Eine Betriebsart autonomes Fahren erlaubt es, die Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors und folglich die Betriebsbedingungen Temperatur und Raumgeschwindigkeit des SCR-Systems zu beeinflussen.An autonomous driving mode makes it possible to influence the operating conditions of the internal combustion engine and consequently the operating conditions temperature and space velocity of the SCR system.
Wenn ein zu autonomem Fahren fähiges Kraftfahrzeug in seiner Betriebsart autonomes Fahren ist, wird das Fahrprofil nicht mehr durch den Fahrer festgelegt, sondern durch einen Algorithmus. Dieser Algorithmus umfasst hier, den Betrieb des SCR-Systems zu optimieren.If a motor vehicle capable of autonomous driving is autonomous driving in its operating mode, the driving profile is no longer determined by the driver, but by an algorithm. This algorithm includes here to optimize the operation of the SCR system.
Während der Betriebsart "autonomes Fahrern" können Drehzahl und Last des Verbrennungsmotors durch die folgenden Größen gesteuert werden:
- 1. Der genaue Sollwert der Fahrzeuggeschwindigkeit, der die vom Motor zu liefernde Leistung und auch die in das Abgas abgegebene Wärme beeinflusst.
- 2. Die Gangwahl, die die Kombination von Motordrehzahl und Motorlast für ein gegebenes Fahrzeuggeschwindigkeits- und Straßenprofil beeinflusst. Diese Kombination kann im Hinblick auf eine benötigte Leistung an den Rädern optimiert werden, indem zwischen einer Kombination niedrigere Motordrehzahl und höhere Motorlast und einer Kombination höhere Motordrehzahl und niedrigere Motorlast gewählt wird. Dabei hat eine Erniedrigung oder Erhöhung des Drehmoments des Verbrennungsmotors direkten Einfluss auf die Temperatur im SCR-System, und der Abgasvolumenstrom kann durch Ändern der Abgasrückführungseinstellungen und der Zylinderfüllung mit der Motorlast beeinflusst werden. Außerdem hat eine Änderung der Motordrehzahl direkten Einfluss auf den Abgasvolumenstrom.
- 3. Die Stärke von Beschleunigungen und Verzögerungen.
- 1. The exact setpoint of the vehicle speed, which affects the power to be supplied by the engine and also the heat released into the exhaust.
- 2. Gear selection, which affects the combination of engine speed and engine load for a given vehicle speed and road profile. This combination can be optimized for required power at the wheels by choosing between a combination of lower engine speed and higher engine load and a combination of higher engine speed and lower engine load. Herein, decreasing or increasing the torque of the internal combustion engine directly affects the temperature in the SCR system, and the exhaust gas volumetric flow can be influenced by changing the exhaust gas recirculation settings and the cylinder charge with the engine load. In addition, a change in the engine speed has a direct influence on the exhaust gas volume flow.
- 3. The strength of accelerations and decelerations.
Diese Freiheit kann genutzt werden, um den Betrieb des SCR-Systems zu optimieren, nämlich
- 1) das SCR-System im optimalen Betriebsfenster für NOx-Umwandlung zu halten;
- 2) NH3-Oxidation zu minimieren (z. B. Begrenzen von Lastspitzen des Verbrennungsmotors z. B. bei Beschleunigungen) oder z. B. Steuern von Beschleunigungen derart, dass sie sanft und gleichmäßig stattfinden;
- 3) NH3-Schlupf zu begrenzen; und
- 4) das Aufwärmen des Katalysators auf seine Anspringtemperatur zu unterstützen.
- 1) keep the SCR system in the optimal NOx conversion operating window;
- 2) to minimize NH 3 oxidation (eg limiting load peaks of the internal combustion engine, eg during accelerations) or z. B. controlling accelerations such that they take place smoothly and evenly;
- 3) to limit NH 3 slip; and
- 4) to assist in warming the catalyst to its light-off temperature.
Reaktionen, die im SCR-System stattfinden können, sind:Reactions that can take place in the SCR system are:
Umwandlung:Conversion:
-
4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O 4NO + 4NH 3 + O 2 → 4N 2 + 6H 2 O -
2NO2 + 4NH3 + O2 → 3N2 + 6H2O 2NO 2 + 4NH 3 + O 2 → 3N 2 + 6H 2 O -
NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O NO + NO 2 + 2NH 3 → 2N 2 + 3H 2 O
Oxidation:Oxidation:
-
4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O 4NH 3 + 3O 2 → 2N 2 + 6H 2 O
Ammoniak-Schlupf: Ammonia slip:
-
NH3 + * → NH3* (Adsorption, temperaturunempfindlich) NH 3 + * → NH 3 * (adsorption, temperature insensitive) -
NH3* → NH3* (Desorption, temperaturempfindlich) NH 3 * → NH 3 * (desorption, temperature sensitive)
In einem zweiten Ausführungsbeispiel werden die virtuellen Fahrereingaben in dem autonom fahrenden Kraftfahrzeug verwendet, um die Diagnose eines SCR-Systems zu optimieren.In a second embodiment, the virtual driver inputs are used in the autonomous vehicle to optimize the diagnosis of an SCR system.
Mit dem zweiten Ausführungsbeispiel wird die Schwierigkeit behoben, SCR-Katalysatoren in Abgasnachbehandlungseinrichtungen in Übereinstimmung mit gesetzlichen Vorschriften zu überwachen. Die Überwachungsmethoden müssen sog. IUPR-Requirements (In-Use Performance Requirements; Leistungsanforderungen während des Gebrauchs) erfüllen, welche eine minimales Maß an Überwachungsereignissen während des realen Fahrzeuggebrauchs durch den Benutzter spezifizieren. Diese Anforderungen sind mit den bekannten Überwachungsmethoden schwer zu erfüllen.The second embodiment eliminates the difficulty of monitoring SCR catalysts in exhaust aftertreatment devices in accordance with regulatory requirements. The monitoring methods must meet so-called IUPR requirements, which specify a minimum level of monitoring events during actual vehicle use by the user. These requirements are difficult to meet with the known monitoring methods.
Die Schwierigkeit besteht darin, dass das Verhalten und die Leistung eines SCR-Katalysators stark von seinen Betriebsbedingungen abhängt, hauptsächlich der Temperatur und der Raumgeschwindigkeit. So ist für unterschiedliche Überwachungsmethoden die Fähigkeit, unterschiedliche Alterungszustände des SCR-Katalysators voneinander zu unterscheiden, nicht über alle Betriebsbedingungen hinweg gleichförmig, oder es gibt nur ein schmales Fenster von Betriebsbedingungen, in denen mit maximaler Zuverlässigkeit zwischen einem frischem, gesunden SCR-Katalysator und einem gealterten, nicht mehr ausreichend funktionsfähigen SCR-Katalysator unterschieden werden kann.The difficulty is that the performance and performance of an SCR catalyst is highly dependent on its operating conditions, mainly temperature and space velocity. Thus, for different monitoring methods, the ability to differentiate between different aging states of the SCR catalyst is not uniform across all operating conditions, or there is only a narrow window of operating conditions in which to maximize reliability between a fresh, healthy SCR catalyst aged, no longer sufficiently functional SCR catalyst can be distinguished.
Um die Robustheit der Überwachung zu gewährleisten, werden Bedingungen festgelegt, unter denen eine Überwachung durchgeführt wird. Dies begrenzt die Erkennung von unzureichendem Betriebsverhalten oder unzureichender Leistung des SCR-Katalysators auf ein Fenster von Betriebsbedingungen, unter denen diese Erkennung und eine gute Unterscheidung zwischen unterschiedlichen Betriebsverhalten oder Leistungen robust ist.To ensure the robustness of the monitoring, conditions are set under which monitoring is carried out. This limits the detection of inadequate performance or performance of the SCR catalyst to a window of operating conditions under which this detection and a good distinction between different performance or performance is robust.
In der Praxis hängen die Betriebsbedingungen des SCR-Katalysators stark vom Fahrprofil und eingelegten Gang ab, welche letztlich die Motordrehzahl und das Drehmoment bestimmen, wie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert.In practice, the operating conditions of the SCR catalyst depend heavily on the driving profile and engaged gear, which ultimately determine the engine speed and torque, as explained in connection with the first embodiment.
Wenn das zu autonomem Fahren fähige Kraftfahrzeug in der Betriebsart autonomes Fahren ist, können die Motordrehzahl und das Drehmoment des Verbrennungsmotors dahingehend gesteuert werden, dass die Betriebsbedingungen des SCR-Katalysators in einem Betriebsfenster liegen, das eine optimale Erkennung von unzureichendem Betriebsverhalten oder unzureichender Leistung des SCR-Katalysators erlaubt. Insbesondere wird hier das Betriebsfenster im Hinblick auf optimale Unterscheidung zwischen unterschiedlichen Alterungszuständen optimiert, doch kann die in diesem Zusammenhang beschriebene Überwachungsmethode auch zur Optimierung von anderen Diagnosen eines SCR-Katalysators oder sonstigen SCR-Systems eines Verbrennungsmotors in einem zu autonomem Fahren fähigen Kraftfahrzeug angewendet werden.When the autonomous vehicle is in autonomous driving mode, the engine speed and torque of the engine may be controlled such that the operating conditions of the SCR catalyst are within an operating window that provides optimal detection of insufficient performance or performance of the SCR -Catalyst allowed. In particular, the operating window is optimized here for optimum distinction between different aging states, but the monitoring method described in this context can also be used to optimize other diagnoses of an SCR catalytic converter or other SCR system of an internal combustion engine in a motor vehicle capable of autonomous driving.
Ähnlich wie im ersten Ausführungsbeispiel erfolgt die Steuerung der Motordrehzahl und Last des Verbrennungsmotors nach einem Algorithmus, der z. B. auf das Fahrzeuggeschwindigkeitsprofil einwirkt (Beschleunigungen, Verzögerungen, exakte Dauerzustandsgeschwindigkeit) und Gangwahl. Das Fahrprofil wird nicht mehr durch den Fahrer festgelegt, sondern ebenso wie im ersten Ausführungsbeispiel durch einen Algorithmus, der in diesem zweiten Ausführungsbeispiel dahingehend erweitert wird, SCR-Diagnosen zu optimieren.Similar to the first embodiment, the control of the engine speed and load of the internal combustion engine takes place according to an algorithm, the z. B. on the vehicle speed profile acts (accelerations, delays, exact steady state speed) and gear selection. The driving profile is no longer determined by the driver but, as in the first embodiment, by an algorithm that is expanded in this second embodiment to optimize SCR diagnostics.
Bei einer bekannten Methode, einen SCR-Katalysator zu überwachen, wird der NOx-Umwandlungswirkungsgrad während der Aufwärmphase evaluiert. Mit zunehmender Alterung verschiebt sich die Anspringtemperatur eines SCR-Katalysators in Richtung auf höhere Temperaturen, was einen späteren Start der NOx-Umwandlung bedeutet. Dieses Phänomen kann in der Phase nach einem Kaltstart evaluiert werden.In a known method of monitoring an SCR catalyst, NOx conversion efficiency during the warm-up phase is evaluated. With increasing aging, the light-off temperature of an SCR catalyst shifts towards higher temperatures, which means a later start of NOx conversion. This phenomenon can be evaluated in the phase after a cold start.
Eine andere bekannte Methode, einen SCR-Katalysator zu überwachen, ist das Evaluieren des NOx-Umwandlungswirkungsgrades nach dem Anspringen des SCR-Katalysator.
Während der Betriebsart autonomes Fahrern können die Motordrehzahl und Motorlast durch dieselben Größen 1. bis 3. gesteuert werden, wie oben im ersten Ausführungsbeispiel angegeben.During the autonomous driver mode, the engine speed and engine load may be controlled by the
Diese Freiheit wird im zweiten Ausführungsbeispiel genutzt, um die Betriebsbedingungen des SCR-Katalysators dahingehend zu steuern, dass Diagnose in einem Fenster von optimalen Betriebsbedingungen möglich ist.This freedom is used in the second embodiment to control the operating conditions of the SCR catalyst so that diagnostics is possible in a window of optimal operating conditions.
Wie man aus
Alternativ besteht auch ein gewisses derartiges Unterscheidungsvermögen bei niedrigeren Raumgeschwindigkeiten in einem schmaleren Temperaturfenster B.Alternatively, there is some such discrimination at lower space velocities in a narrower temperature window B.
Eine weitere vorteilhafte Anwendung der mit einem autonomen Kraftfahrzeug gewonnenen Freiheit, die Betriebsbedingungen des SCR-Katalysators zu steuern, ist, die Dauerzustandsgeschwindigkeit in Hinblick auf optimale Betriebsbedingungen zu beeinflussen. Zum Beispiel, wenn in einem Streckenabschnitt 120 km/h erlaubt sind, könnte auf zwischen 100 km/h und 120 km/h optimiert werden.A further advantageous application of the autonomous motor vehicle freedom to control the operating conditions of the SCR catalyst is to influence the steady state speed with respect to optimum operating conditions. For example, if 120 km / h is allowed in a stretch of road, it could be optimized to between 100 km / h and 120 km / h.
Außerdem könnte die Gangwahl optimiert werden, um die Motordrehzahl in Richtung auf hohe Abgasvolumenströme zu beeinflussen, was die Unterscheidung zwischen Alterungszuständen verbessert.In addition, the gear selection could be optimized to affect the engine speed toward high exhaust flow rates, which improves the distinction between aging conditions.
Das Unterscheidungsvermögen und irgendwelche Schwellwertmodelle leiden häufig unter aggressiven Fahrprofilen, die zu plötzlichen Änderungen der Temperatur und des Volumenstroms des SCR-Katalysators führen, was die Vorhersage des Phänomens schwieriger macht und die Auswertung der Überwachung weniger robust macht. Aufgrund der gewonnenen Freiheit können Beschleunigungen und Verzögerungen gleichmäßiger gemacht werden, um plötzliche Änderungen der Temperatur und des Volumenstroms zu beseitigen, z. B. während der Aufwärmphase des SCR-Katalysators.The discrimination and any threshold models often suffer from aggressive driving profiles that result in sudden changes in the temperature and flow rate of the SCR catalyst, making the prediction of the phenomenon more difficult and making the evaluation of the monitoring less robust. Due to the freedom gained, accelerations and decelerations can be made more uniform to eliminate sudden changes in temperature and volumetric flow, e.g. During the warm-up phase of the SCR catalyst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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