DE102018200369B4 - Echtzeit-Steuerung eines Abgasrückführungssystems - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Steuern von rückgeleitetem Abgas in einer Anordnung (1) einer Brennkraftmaschine (2) mit einem Abgastrakt (5), worin mindestens ein erster Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) (8), mindestens eine erste Einrichtung zum Einleiten von Ammoniak in den Abgastrakt (5) stromaufwärts des ersten SCR (8) angeordnet sind, sowie stromaufwärts des ersten SCR (8) mindestens eine Hochdruck-Abgasrückführungsleitung (11) und stromabwärts des ersten SCR (8) mindestens eine Niederdruck-Abgasrückführungsleitung (12) abzweigt, die Anordnung (1) weiterhin eine Steuereinrichtung (16) umfasst, und wobei ein Leiten von Abgas durch die Niederdruck- oder Hochdruckabgasrückführungsleitung (11, 12) in Abhängigkeit von der Höhe des Ammoniakbedarf und des Stickoxidausstoßes mittels eines Algorithmus gesteuert wird, mit den Schritten:- Betreiben (S1) der Brennkraftmaschine (2) bei Rückführen von Abgas durch die Niederdruck-Abgasrückführungsleitung (12) oder die Hochdruck-Abgasrückführungsleitung (11),- Ermitteln (S2) eines Differenzwertes zum Ammoniakbedarf des ersten SCR (8) zwischen einem Verwenden der Hochdruck-Abgasrückführungsleitung (11) (HD-Modus) und einem Verwenden der Niederdruck-Abgasrückführungsleitung (12) (ND-Modus),- Ermitteln (S3) eines Differenzwertes zum Stickoxidausstoß an die Umwelt zwischen einem HD-Modus und einem ND-Modus,- Entscheiden (S4) über einen Wechsel zwischen HD-Modus und ND-Modus in Abhängigkeit von den ermittelten Differenzwerten zum Ammoniakbedarf und Stickoxidausstoß, wobei der Modus gewählt wird, der durch einen geringeren Ammoniakbedarf und/oder geringeren Stickoxidausstoß gekennzeichnet ist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern von rückgeführtem Abgas durch eine Niederdruck- und/oder Hochdruck-Abgasrückführungsleitung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der Höhe eines Ammoniakbedarfs eines Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion und des Stickoxidausstoßes an die Umwelt.
• Das Reduzieren von Stickoxidemissionen ist beim Betrieb von Diesel-Brennkraftmaschinen ein hochrelevantes Problem. Eine Strategie dabei ist ein Rückleiten von Abgas aus dem Abgastrakt in die Brennkraftmaschine. Dazu kann ein Hochdruck-Abgasrückführungssystem (HD-AGR) verwendet werden, bei dem eine Abgasrückführungsleitung unmittelbar stromabwärts der Brennkraftmaschine vom Abgastrakt abzweigt und in den Ansaugtrakt mündet. Alternativ oder in Kombination mit dem Hochdruck-Abgasrückführungssystem kann ein Niederdruck-Abgasrückführungssystem (ND-AGR) verwendet werden, bei dem eine Abgasrückführungsleitung stromabwärts einer Turbine und/oder von einer oder mehreren Abgasnachbehandlungsanlagen vom Abgastrakt abzweigt. Niederdruck-Abgasrückführungssysteme haben den Vorteil, dass das Abgas gereinigt ist und kühler in den Ansaugtrakt gelangt als bei Hochdruck, und damit die Ansaugluft kühler ist, und somit eine größere Menge an Abgas rezirkuliert, d.h. durch die Abgasrückführungsleitung zur Brennkraftmaschine geleitet werden kann. Im Vergleich zur alleinigen Verwendung eines Hochdruck-Abgasrückführungssystems birgt ein Niederdruck-Abgasrückführungssystem ein höheres Potential, den Stickoxidausstoß der Brennkraftmaschine zu reduzieren. Die beiden Abgasrückführungssysteme sind in unterschiedlichen Bereichen des Motor-Drehhalt-Kennfeldes effizient, so das in Abhängigkeit von aktuellen Parametern Verwendung und Durchsatz der Abgasrückführungssysteme gesteuert werden kann ( DE 10 2011 080 291 A1 ). Auch bietet das Bereitstellen beider Systeme den Vorteil, dass bei Fehlermeldungen in einem System das andere entsprechend verwendet werden kann ( DE 10 2012 109 023 A1 ).
• In der DE 10 2014 210 448 A1 wird ein Motorsystem gezeigt, das über eine Hochdruck-Abgasrückführungsleitung und eine Niederdruck-Abgasrückführungsleitung verfügt, wobei als Reaktion auf eine Stickoxidgeneration einer durch die Niederdruck-Abgasrückführungsleitung strömenden Abgas-Rückführmasse ein Aktuator angepasst wird.
• Zur Reinigung des Abgases werden Abgasnachbehandlungseinrichtungen im Abgastrakt angeordnet, z.B. Stickoxidspeicherkatalysatoren (lean NOx traps, LNT), Partikelfilter und Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR). Der oder die SCR dienen zum Reduzieren von Stickoxiden, die im Abgas enthalten sind. Als Reduktionsmittel wird regelmäßig Ammoniak verwendet, das in Form einer wässrigen Harnstofflösung, z.B. im Handel erhältlichen AdBlue®, stromaufwärts eines SCR in den Abgastrakt eingeleitet wird.
• SCR können stromaufwärts und stromabwärts des Abzweigs einer Niederdruck-Abgasrückführungsleitung angeordnet sein. Ist ein SCR stromaufwärts angeordnet, kann Ammoniak, das aus dem SCR entweicht, in die Abgasrückführungsleitung und sukzessive in die Brennkraftmaschine gelangen. Das ist unerwünscht, da das Verbrennen von Ammoniak zusätzliche Mengen an Stickoxiden produziert. Damit wird dann wieder mehr Reduktionsmittel benötigt, das wiederrum durch Schlupf aus dem SCR entweichen kann.
• Ein stromaufwärts des Abzweigs der Niederdruck-Abgasrückführungsleitung angeordneter erster SCR befindet sich näher an der Brennkraftmaschine und ist damit höheren Abgastemperaturen ausgesetzt als ein weiter stromabwärts angeordneter zweiter SCR. Damit unterliegt der erste SCR einem stärkeren thermischen Alterungsprozess. Mit dem Altern verringert sich die Ammoniakspeicherkapazität des ersten SCR; das kann noch zum Erhöhen der Menge von rückgeleitetem Ammoniak beitragen.
• Je mehr Ammoniak über die Niederdruck-Abgasrückführungsleitung zur Brennkraftmaschine rückgeleitet und darin verbrannt wird, desto mehr Reduktionsmittel muss wieder in den Abgastrakt geleitet werden, um die erhöhten Stickoxidmengen zu reduzieren. Dabei kann ein ineffizienter Punkt erreicht werden, der das Verwenden der Hochdruck-Abgasrückführungsleitung im Vergleich zur Niederdruck-Abgasrückführungsleitung effizienter erscheinen lässt. Es besteht damit die Aufgabe, während des Betriebes der Brennkraftmaschine die optimale Strategie zur Abgasrückführung bereitzustellen.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Neben- und Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen.
• Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern von rückgeleitetem Abgas in einer Anordnung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgastrakt, worin mindestens ein erster SCR sowie mindestens eine erste Einrichtung zum Einleiten von Ammoniak in den Abgastrakt stromaufwärts des ersten SCR angeordnet sind, sowie stromaufwärts des ersten SCR mindestens eine Hochdruck-Abgasrückführungsleitung und stromabwärts des ersten SCR mindestens eine Niederdruck-Abgasrückführungsleitung abzweigt, die Anordnung weiterhin eine Steuereinrichtung umfasst, und wobei ein Leiten von Abgas durch die Niederdruck- und/oder Hochdruckabgasrückführungsleitung in Abhängigkeit von der Höhe des Ammoniakbedarf und des Stickoxidausstoßes mittels eines Algorithmus gesteuert wird, mit den Schritten:
• - Betreiben der Brennkraftmaschine bei Rückführen von Abgas durch die Niederdruck-Abgasrückführungsleitung oder die Hochdruck-Abgasrückführungsleitung,
• - Ermitteln eines Differenzwertes zum Ammoniakbedarf des ersten SCR zwischen einem Verwenden der Hochdruck-Abgasrückführungsleitung (HD-Modus) und einem Verwenden der Niederdruck-Abgasrückführungsleitung (ND-Modus),
• - Ermitteln eines Differenzwertes zum Stickoxidausstoß zwischen einem HD-Modus und einem ND-Modus,
• - Entscheiden über einen Wechsel zwischen HD-Modus und ND-Modus in Abhängigkeit von den ermittelten Differenzwerten zum Ammoniakbedarf und Stickoxidausstoß, wobei der Modus gewählt wird, der durch einen geringeren Ammoniakbedarf und geringeren Stickoxidausstoß gekennzeichnet ist.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorteilhaft, weil mit ihm die optimale Abgasrückführ-Strategie gefunden werden kann, bei der bei möglichst geringem Verbrauch an eingeleitetem Reduktionsmittel der Stickoxidausstoß an die Umwelt möglichst niedrig gehalten werden kann. Das Verfahren ist damit kostengünstig und umweltschonend.
• Die Differenzwerte werden dabei zwischen den Integralen der für Hockdruck- und Niederdruck-Abgasrückführungsbetrieb ermittelten Werte zum Ammoniakbedarf bzw. Stickoxidausstoß ermittelt. Dabei werden die Werte für Hochdruck- und Niederdruck-Abgasrückführungsbetrieb jeweils sowohl unter der Bedingung berechnet, dass aktuell das Niederdruck-Abgasrückführungssystem (Niederdruck-Modus) genutzt wird, als auch unter der Bedingung, dass aktuell das Hochdruck-Abgasrückführungssystem (Hochdruck-Modus) genutzt wird.
• Im Abgastrakt können mindestens ein oder mehrere Stickoxidsensoren angeordnet sein.
• Die Und/oder-Formulierung in Bezug auf das Verwenden der besagten Abgasrückführungsleitungen das Steuern des Leitens von Abgas durch die Niederdruck- und/oder Hochdruckabgasrückführungsleitung in Abhängigkeit von der Höhe des Ammoniakbedarf und des Stickoxidausstoßes wird deshalb verwendet, weil das Verfahren zwar besonders auf das Verwenden jeweils nur einer der besagten Abgasrückführungsleitungen gerichtet ist, aber auch Ausführungsformen der Erfindung möglich sind, in denen beide gleichzeitig verwendet werden können.
• Bevorzugt wird im Niederdruckmodus der Ammoniakbedarf für den Niederdruck-Abgasrückführungsbetrieb mit sensorbasierten Werten zur im unmittelbar aus der Brennkraftmaschine austretendenden Abgas enthaltenen Menge an Stickoxiden C_{NOx_FG_sen} mit der Formel $${\text{C}}_{\text{NH3\_ND}}={\text{C}}_{\text{NOx\_FG\_sen}}-{\text{C}}_{\text{NOx\_NOxrec\_est}}+{\text{C}}_{\text{NH3\_rec\_est}}$$

  

  ermittelt. Dabei ist C_NH3__ND die im Niederdruckmodus benötigte Ammoniakkonzentration unter der Annahme, dass die gesamten Stickoxide konvertiert würde und es keinen Ammoniakschlupf in den Auspuff gäbe, C_{NOx_NOxrec_est} die berechnete, durch Rückführen von im Abgas enthaltenen, nicht durch den ersten SCR entfernten Stickoxiden erhöhte Menge an im unmittelbar aus der Brennkraftmaschine austretendenden Abgas enthaltenden Stickoxiden, und C_{NH3_rec_est} die berechnete Menge an durch die ND-AGR rezirkulierten Ammoniakmenge. Alle berechneten Konzentrationen von Ammoniak sind dabei auf den Abgastrakt stromaufwärts des ersten SCR bezogen.
• C_{NOx_NOxrec_est} ist dabei mit anderen Worten die Menge an Stickoxiden, um die die Stickoxidmenge im Abgas erhöht wird, die auf dem im rückgeführten Abgas enthaltenen Stickoxiden beruht. Diese Menge kann mittels eines SCR-basierten Modells, dem Wissen um die Abgasrückführungsrate und das Verhältnis der Stickoxidmenge, die aus der Brennkraftmaschine austritt, zu der in die Brennkraftmaschine gelangenden Stickoxidmenge (die typischerweise nahe 1 ist) berechnet werden. Diese Menge erhöht zwar den Sensorwert C_{NOx_FG_sen}, hat jedoch keinen erhöhenden Effekt auf den Ammoniakbedarf, weil es zum wiederholten Mal aus der Brennkraftmaschine ausgestoßen wird und nicht zu einem zusätzlichen Ammoniakbedarf führt.
• C_{NH3_rec_est} kann mittels eines SCR-basierten Modells und dem Wissen um die Abgasrückführungsrate berechnet werden. Die rezirkulierte Ammoniak-Menge geht als Reduktionsmittel für einen zweiten, optionalen SCR, der stromabwärts des Abzweigs der Niederdruck-Abgasrückführungsleitung angeordnet ist, verloren und muss kompensiert werden.
• Alternativ kann der Ammoniakbedarf im Niederdruck-Abgasrückführungsbetrieb auch ohne Sensormessung auf der Basis von modellbasierten Stickoxidwerten ermittelt werden. Es ist deshalb ebenfalls bevorzugt, wenn im Niederdruckmodus der Ammoniakbedarf bei modellbasierten Werten zur im unmittelbar aus der Brennkraftmaschine austretendenden Abgas enthaltenen Menge an Stickoxiden C_{NOx_FG_base} mit der Formel $${\text{C}}_{\text{NH3\_ND}}={\text{C}}_{\text{NOx\_FG\_base}}+{\text{C}}_{\text{NOx\_NH3rec\_est}}+{\text{C}}_{\text{NH3\_rec\_est}}$$

  
• Ermittelt wird. C_{NOx_FG_base} beruht auf der Bedingung, dass weder Stickoxide noch Ammoniak rezirkuliert werden. C_{NOx_NH3rec_est} ist die durch Ammoniakverbrennung erhöhte Stickoxidmenge. C_{NH3_rec_est} ist oben beschrieben worden.
• Bei den Termen der Formeln sind die Kürzel FG von feedgas (unmittelbar aus der Brennkraftmaschine austretendes Abgas), rec von recirculated (rezirkuliert, rückgeleitet), sen von Sensor, base von basal und est von estimated (berechnet, modelliert) abgeleitet.
• Weiterhin wird im Niederdruck-Modus der theoretische Ammoniakbedarf im Hochdruck-Abgasrückführungsbetrieb mit modellbasierten Werten zur im unmittelbar aus der Brennkraftmaschine austretendenden Abgas enthaltenen Menge an Stickoxiden C_{NOx_FG_est} mit der Formel $${\text{C}}_{\text{NH3\_ND}}={\text{C}}_{\text{NOx\_FG\_est}}$$

  

  ermittelt. Dabei kann in diesem Fall der Ammoniakbedarf für den Hochdruckbetrieb nur modellbasiert ermittelt werden, da Abgas im Niederdruck-Modus rückgeführt wird. Die Menge an benötigtem Ammoniak ist gleich der Menge an aus der Brennkraftmaschine ausgestoßenem Stickoxid (unter der Annahme einer 100%igen Stickoxidreduktion). Weiterhin kann im Niederdruck-Modus die potentielle Menge an Stickoxiden, die von der Brennkraftmaschine im Hochdruckmodus ausgestoßen wird, mit einem Modell zur Stickoxidemission berechnet werden. Typischerweise hängt diese Berechnung von dem Anteil der verbrannten Gasmasse im Ansaugtrakt (fman) ab. Dieses fman muss dabei auch entsprechenden Modi zugeordnet werden, da es im Hochdruck-Modus und im Niederdruck-Modus unterschiedlich ist.
• Wenn das Abgas im Hochdruckmodus rückgeleitet wird, wird der Ammoniakbedarf für den Hochdruckrückführungsbetrieb vorzugsweise mit sensorbasierten Werten zur im unmittelbar aus der Brennkraftmaschine austretendenden Abgas enthaltenen Menge an Stickoxiden C_{NOx_FG_sen} mit der Formel $${\text{C}}_{\text{NH3\_ND}}={\text{C}}_{\text{NOx\_FG\_sen}}$$

  

  ermittelt. Der Ammoniakbedarf ist mit anderen Worten äquivalent der gemessenen Stickoxidkonzentration.
• Im Hochdruck-Modus wird der Ammoniakbedarf für den Hochdruckrückführungsbetrieb ebenfalls bevorzugt mit modellbasierten Werten zur im unmittelbar aus der Brennkraftmaschine austretendenden Abgas enthaltenen Menge an Stickoxiden C_{NOx_FG_est} mit der Formel $${\text{C}}_{\text{NH3\_ND}}={\text{C}}_{\text{NOx\_FG\_est}}$$

  

  ermittelt.
• Weiterhin wird bei Rückführen von Abgas durch die Hochdruck-Abgasrückführungsleitung der theoretische Ammoniakbedarf im Niederdruck-Abgasrückführungsbetrieb mit modellbasierten Werten zur im unmittelbar aus der Brennkraftmaschine austretendenden Abgas enthaltenen Menge an Stickoxiden C_{NOx_FG_mod} mit der Formel $${\text{C}}_{\text{NH3\_ND}}={\text{C}}_{\text{NOx\_FG\_base}}+{\text{C}}_{\text{NOx\_NH3rec\_est}}+{\text{C}}_{\text{NH3\_rec\_est}}$$

  

  ermittelt. Hier kann der Ammoniakbedarf natürlich nur modellbasiert ermittelt werden. Die C_{NOx_FG_base} entspricht dabei der unmittelbar aus der Brennkraftmaschine entweichenden Menge an Stickoxiden unter der Bedingung, dass keine Stickoxide und kein Ammoniak rezirkuliert werden. Dabei basiert die Berechnung auf dem Anteil der verbrannten Gasmasse im Ansaugtrakt (f_man), der entsprechend zugeordnet wurde, da im Hochdruck- und Niederdruck-Modus f_man jeweils unterschiedlich ist.
• Vorzugsweise werden die Differenzwerte zum Ammoniakbedarf zwischen den Integralen der Werte oder der gefilterten Größen zum Ammoniakbedarf im Niederdruck-Abgasrückführungsbetrieb m_{NH3_ND} und im Hochdruck-Abgasrückführungsbetrieb m_{NH3_HD} über ein bestimmtes Zeitintervall ermittelt. Die Differenz entspricht mit anderen Worten einem aufintegrierten Massenstrom über ein bestimmtes Zeitintervall. Bei $${\text{m}}_{\text{NH3\_ND}}-{\text{m}}_{\text{NH3\_HD}}>0$$

  

  besteht für den Hochdruck-Abgasrückführungsbetrieb ein niedrigerer Ammoniakbedarf als für den Niederdruck-Abgasrückführungsbetrieb. Mit anderen Worten muss in diesem Fall bei Rückführen von Abgas im Hochdruck-Abgasrückführungsbetrieb weniger Reduktionsmittel als im Niederdruck-Abgasrückführungsbetrieb zugeführt werden.
• Bei $${\text{m}}_{\text{NH3\_ND}}-{\text{m}}_{\text{NH3\_HD}}<0$$

  

  besteht für den Niederdruck-Abgasrückführungsbetrieb ein niedrigerer Ammoniakbedarf als im Hochdruck-Abgasrückführungsbetrieb. Mit anderen Worten muss in diesem Fall bei Rückführen von Abgas im Niederdruck-Abgasrückführungsbetrieb weniger Reduktionsmittel als im Hochdruck-Abgasrückführungsbetrieb zugeführt werden.
• Analog zum Ammoniakbedarf kann auch der Stickoxidausstoß an die Umwelt sowohl auf der Basis von Sensorwerten als auch modellbasiert ermittelt werden. Im Niederdruck-Modus wird der Stickoxidausstoß an die Umwelt für den Niederdruck-Abgasrückführungsbetrieb bevorzugt auf der Basis von sensorbasierten Werten zur im unmittelbar aus der Brennkraftmaschine austretendenden Abgas enthaltenen Menge an Stickoxiden C_{NOx_FG_sen} bestimmt. Ebenfalls bevorzugt wird der Stickoxidausstoß an die Umwelt für den Niederdruck-Abgasrückführungsbetrieb mit modellbasierten Werten zur im unmittelbar aus der Brennkraftmaschine austretendenden Abgas enthaltenen Menge an Stickoxiden C_{NOx_FG_base} ermittelt.
• Weiterhin wird im Niederdruck-Modus der Stickoxidausstoß an die Umwelt für den Hochdruck-Abgasrückführungsbetrieb modellbasiert unter der Annahme ermittelt, dass Abgas durch die Hochdruck-Abgasrückführungsleitung rückgeführt würde. Dabei wird der ermittelte Stickoxidausstoß unter Verwendung von Modellen (SCR-Modellen) berechnet, die das Entweichen von Stickoxiden und Ammoniak aus den Katalysatoren berücksichtigen. Für die Berechnungen besonders zur Hochdruck-Abgasrückführungsleitung wird die tatsächliche Ammoniakbeladung der SCR verwendet.
• Im Hochdruck-Modus wird der theoretische Stickoxidausstoß im Auspuffbereich für den Niederdruck-Abgasrückführungsbetrieb modellbasiert unter der Annahme ermittelt, dass Abgas durch die Niederdruck-Abgasrückführungsleitung rückgeführt würde. Der theoretische Stickoxidausstoß im Auspuffbereich für den Hochdruck-Abgasrückführungsbetrieb wird im Hochdruck-Modus vorzugsweise auf der Basis von sensorbasierten Werten zur im unmittelbar aus der Brennkraftmaschine austretendenden Abgas enthaltende Menge an Stickoxiden C_{NOx_FG_sen} oder auf Modellbasierten Werten zur im unmittelbar aus der Brennkraftmaschine austretendenden Abgas enthaltende Menge an Stickoxiden C_{NOx_FG_est} ermittelt.
• Vorzugsweise werden die Differenzwerte zum Stickoxidausstoß aus den über ein Zeitintervall integrierten Werten zum Stickoxidausstoß für den Niederdruck-Abgasrückführungsbetrieb m_{NOx_ND} und für den Hochdruck-Abgasrückführungsbetrieb m_{NOx_HD} ermittelt, wobei bei $${\text{m}}_{\text{NOx\_ND}}-{\text{m}}_{\text{Nox\_HD}}>0$$

  

  für den Hochdruck-Abgasrückführungskreislauf ein niedrigerer Stickoxidausstoß als für den Niederdruck-Abgasrückführungskreislauf besteht, und bei $${\text{m}}_{\text{NOx\_ND}}-{\text{m}}_{\text{NOx\_HD}}<0$$

  

  für den Niederdruck-Abgasrückführungskreislauf ein niedrigerer Stickoxidausstoß als für den Hochdruck-Abgasrückführungskreislauf besteht.
• Zusammengefasst wird mit dem Verfahren eine Entscheidung ermöglicht, das Hochdruck- oder das Niederdruck-Abgasrückführungssystem zu verwenden. Dabei kann diese Entscheidung als Funktion des Ammoniakbedarfs und des Stickoxidausstoßes beschrieben werden: $$\text{f}\left({\text{m}}_{\text{NOx\_ND}}-{\text{m}}_{\text{NOx\_HD}},{\text{m}}_{\text{NH3\_ND}}-{\text{m}}_{\text{NH3\_HD}}\right).$$

  
• Der Modus wird damit als eine Funktion der Differenzwerte zum Ammoniakbedarf und zum Stickoxidausstoß an die Umwelt bestimmt. Bei gegensätzlichen Werten (z.B. Ammoniakbedarf für Niederdruckmodus, Stickoxidausstoß für Hochdruckmodus) wird als Kompromiss der Modus gewählt, der insgesamt günstiger ist.
• Die beschriebenen Berechnungen können noch weiter verfeinert werden. Dabei können Werte auch für einen gemischten Modus, bei dem Niederdruck- und Hochdruck-Abgasrückführungssystem gleichzeitig genutzt werden, berechnet werden. Die Raten von durch Hochdruck- und Niederdruck-Abgasrückführungsleitungen geleitetem Abgas können dabei in Abhängigkeit von den aktuellen Bedingungen ständig variiert werden. Weiterhin kann die Entscheidung, welches Abgasrückführungssystem verwendet werden soll, statt auf der Verwendung SCR-basierter Modelle direkt auf stromabwärts der Brennkraftmaschine gemessen Sensorwerten für die Stickoxidkonzentration beruhen. Dabei ist bei gleichen Stickoxidwerten für beide Modi dem Hochdruck-Modus der Vorzug zu geben, weil dadurch eine geringere Strömungsgeschwindigkeit in den SCR bewirkt wird, d.h. eine effizientere Umwandlung von Stickoxiden auf Grund niedrigerer Strömungsgeschwindigkeiten bewirkt wird. Weiterhin können die Berechnungen noch ergänzt werden, indem berechnete Werte zum Stickoxid- und Ammoniakschlupf in den theoretischen Ammoniakbedarf aufgenommen wird.
• Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Steuereinrichtung, die zum Steuern eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs entsprechen den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
• 1 eine Anordnung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgastrakt zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• 2 ein Fließdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Eine Anordnung 1 gemäß der Darstellung von 1 umfasst eine Brennkraftmaschine 2. Die Brennkraftmaschine 2 weist im gezeigten Beispiel drei Zylinder 3 auf. Zur Brennkraftmaschine 2 führt ein Ansaugtrakt 4 zum Zuleiten von Ladeluft. Ein Abgastrakt 5 dient zum Ableiten von Abgas aus der Brennkraftmaschine 2. Im Abgastrakt 5 ist eine Turbine 6 eines Abgasturboladers angeordnet. Stromabwärts von der Turbine 6 ist ein Stickoxidspeicherkatalysator (LNT) 7 angeordnet. Statt eines LNT kann auch ein Oxidationskatalysator angeordnet sein. Stromabwärts des LNT 7 ist ein erster Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) 8 und stromabwärts des ersten ein zweiter SCR 9 angeordnet. Weitere Abgasnachbehandlungseinrichtungen umfassen z.B. einen Partikelfilter, der auch z.B. mit dem ersten SCR 8 kombiniert sein kann. Der zweite SCR 9 ist optional, d.h. in einer alternativen Ausführungsform der Anordnung 1 kann anstelle des zweiten SCR auch ein anderer Katalysator, oder auch kein weiterer Katalysator vorhanden sein.
• Unmittelbar stromaufwärts des ersten SCR 8 ist eine Einrichtung zum Einleiten eines Reduktionsmittels 10 angeordnet. Das Reduktionsmittel wird in einem Behälter außerhalb des Abgastrakts aufbewahrt, von wo es zum Abgastrakt 5 geleitet wird. Als Reduktionsmittel wird herkömmlicherweise eine wässrige Harnstofflösung eingeleitet, die im Abgastrakt 5 zu gasförmigem Ammoniak hydrolysiert wird. Typischerweise wird dazu kommerziell erhältliches AdBlue verwendet. Es kann aber auch direkt gasförmiges Ammoniak in den Abgastrakt 5 eingeleitet werden.
• Vom Abgastrakt 5 zweigt eine Abgasrückführungsleitung 11 ab, die durch die Abzweigung stromaufwärts vor der Turbine 6 als Hochdruck-Abgasrückführungsleitung 11 ausgebildet ist. Die Hochdruck-Abgasrückführungsleitung 11 mündet in den Ansaugtrakt 4 stromabwärts eines Kompressors des Abgasturboladers und eines möglichen Ansaugdrosselventils (beide nicht gezeigt).
• Stromabwärts des ersten SCR 8 zweigt eine Abgasrückführungsleitung 12 eines Niederdruck-Abgasrückführungssystems vom Abgastrakt 5 ab. Die Niederdruck-Abgasrückführungsleitung 12 mündet stromaufwärts des Kompressors in den Ansaugtrakt 4. In den Abgasrückführungsleitungen 11, 12 sind jeweils ein nicht gezeigtes Abgasrückführventil zum Steuern der Rückführung von Abgas angeordnet, wobei das Steuern alternativ auch über Drosselklappen erfolgen kann. Durch die Pfeile ist die Strömungsrichtung des Abgases indiziert.
• Zum Messen der Konzentration der Stickoxide sind Stickoxidsensoren im Abgastrakt 5 angeordnet. Ein erster Stickoxidsensor 13 ist unmittelbar stromabwärts der Turbine 6 angeordnet. Ein zweiter Stickoxidsensor 14 ist stromabwärts des zweiten SCR 9 im Auspuffbereich des Abgastrakts 5 angeordnet. Weitere Stickoxidsensoren können in weiteren Bereichen des Abgastrakts 5, der Abgasrückführungsleitungen 11, 12 und im Ansaugtrakt 4 angeordnet sein. Zum Messen des Anteils der verbrannten Gasmasse im Ansaugtrakt (f_man) ist im Ansaugtrakt 4 unmittelbar stromaufwärts der Brennkraftmaschine 2 ein entsprechender Sensor 15 angeordnet, kurz als fman-Sensor 15 bezeichnet. Weitere Sensoren können im Abgastrakt, Abgasrückführungsleitungen und im Ansaugtrakt 4 angeordnet sein, z.B. Temperatursensoren, Drucksensoren u.a.
• Die Sensoren übermitteln gemessene Werte einer Steuereinrichtung 16. Die Steuereinrichtung 16 ist ausgebildet, das erfindungsgemäße Verfahren, mit dem entschieden wird, ob Abgas über die Hochdruck- oder Niederdruck-Abgasführungsleitung 11 bzw. 12 rückgeleitet werden soll, durchzuführen. Dazu ist die Steuereinrichtung 16 mit den entsprechenden Abgasrückführventilen verbunden, die entsprechend dem Steuerbefehl geöffnet oder geschlossen werden.
• In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem ersten Schritt S1 die Brennkraftmaschine bei Rückführen von Abgas durch die Niederdruck-Abgasrückführungsleitung (ND-Modus) betrieben. In einem zweiten Schritt S2 wird ein Differenzwert zum Ammoniakbedarf zwischen einem Verwenden der Hochdruck-Abgasrückführungsleitung und einem Verwenden der Niederdruck-Abgasrückführungsleitung ermittelt.
• Dazu werden für den Ammoniakbedarf im Niederdruck-Abgasrückführungsbetrieb m_{NH3_ND} die Sensorwerte C_{NOx_FG_sen} zum Stickoxidausstoß aus der Brennkraftmaschine 2 mittels des Stickoxidsensors 14 ermittelt und in die Formel (I) eingesetzt, wobei die Parameter zur rezirkulierten Stickoxid- sowie Ammoniakmenge modellbasiert ermittelt werden. Alternativ kann der Ammoniakbedarf für die Niederdruck-Abgasrückführungsleitung auch komplett modellbasiert mittels der Formel (II) ermittelt werden.
• Der theoretische Ammoniakbedarf für den Hochdruck-Abgasrückführungsbetrieb m_NH3__HD ist äquivalent zum Stickoxidausstoß aus der Brennkraftmaschine 2. Da im Niederdruck-Modus die Hochdruck-Abgasrückführungsleitung nicht verwendet wird und keine entsprechenden Messwerte aufgenommen werden können, wird dafür der theoretische Ammoniakbedarf nur modellbasiert mittels der Formel (III) ermittelt.
• Ist der Differenzwert von m_{NH3_ND} - m_{NH3_HD} größer als Null, ist der Ammoniakbedarf im HD-Modus niedriger. Ist der Differenzwert von m_{NH3_ND} - m_{NH3_HD} kleiner als Null, ist der Ammoniakbedarf im ND-Modus niedriger.
• Analog zu Schritt S2 wird in einem dritten Schritt S3 ein der Differenzwert zum Stickoxidausstoß zwischen einem Hochdruck-Abgasrückführungsbetrieb und einem Niederdruck-Abgasrückführungsbetrieb ermittelt. Schritt S3 wird dabei im laufenden Betrieb zeitgleich mit Schritt S2 durchgeführt. Im ND-Modus wird die Stickoxidmenge C_{NOx_FG_sen} sensorbasiert mittels der Sensoren 13 und/oder 14 ermittelt. Die Stickoxidmenge kann auch modellbasiert ermittelt werden.
• Ist der Differenzwert von m_{NOx_ND} - m_{NOx_HD} größer als Null, ist der Stickoxidausstoß im HD-Modus niedriger. Ist der Differenzwert von m_{NOx_ND} - m_{NOx_HD} kleiner als oder gleich Null, ist der Stickoxidausstoß im ND-Modus niedriger.
• In einem vierten Schritt S4 werden die ermittelten Werte analysiert und in Abhängigkeit von den ermittelten Differenzwerten zum Ammoniakbedarf und Stickoxidausstoß entschieden, ob vom Niederdruckmodus in den Hochdruckmodus oder umgekehrt gewechselt werden soll. Es wird der Modus gewählt, der durch einen geringeren Ammoniakbedarf und geringeren Stickoxidausstoß gekennzeichnet ist. Dabei werden beide Werte zusammen bewertet.
• Für den HD-Modus läuft das Verfahren im Wesentlichen analog ab. Werden für den HD-Modus günstigere Deltawerte als für den ND-Modus ermittelt, wird vom ND-Modus in den HD-Modus gewechselt, d.h. wird statt der Niederdruck-Abgasrückführungsleitung die Hochdruck-Abgasrückführungsleitung verwendet. Werden für den ND-Modus günstigere Deltawerte als für den HD-Modus ermittelt, verbleibt die Anordnung 1 im ND-Modus.
• Wird die Brennkraftmaschine in Schritt S1 im HD-Modus betrieben, wird in Schritt S2 der Ammoniakbedarf im HD-Modus m_{NH3_HD} basierend auf Sensorwerten mit der Formel (IV) ermittelt. Alternativ kann der Ammoniakbedarf im HD-Modus auch modellbasiert mittels der Formel (III) ermittelt werden. Der Stickoxidausstoß im HD-Modus wird in Schritt S3 analog zum ND-Modus sensorbasiert mittels der Sensoren 13 und/oder 14 oder modellbasiert ermittelt.
• Werden für den HD-Modus günstigere Differenzwerte als für den ND-Modus ermittelt, verbleibt die Anordnung 1 im HD-Modus. Werden für den ND-Modus günstigere Differenzwerte als für den HD-Modus ermittelt, wird vom HD-Modus in den ND-Modus gewechselt, d.h. wird statt der Hochdruck-Abgasrückführungsleitung die Niederdruck-Abgasrückführungsleitung verwendet.
• Die Schritte des Verfahrens werden fortlaufend durchgeführt, d.h. Messungen und entsprechende Anpassungen der Verwendung der Abgasrückführungsleitungen werden ständig durchgeführt. Es können dabei ggf. auch beide Abgasrückführungsleitungen gleichzeitig zum Rückführen von Abgas verwendet werden, und die Raten des rückgeführten Abgases zwischen den Abgasrückführungsleitungen entsprechend der aktuellen Deltawerte variiert werden.
• Bezugszeichenliste

1

Anordnung

2

Brennkraftmaschine

3

Zylinder

4

Ansaugtrakt

5

Abgastrakt

6

Turbine

7

LNT

8

erster SCR

9

zweiter SCR

10

Einrichtung zum Einleiten eines Reduktionsmittels

11

Hochdruck-Abgasrückführungsleitung

12

Niederdruck-Abgasrückführungsleitung

13

erster Stickoxidsensor

14

zweiter Stickoxidsensor

15

f_man-Sensor

16

Steuereinrichtung

S1

erster Schritt

S2

zweiter Schritt

S3

dritter Schritt

S4

vierter Schritt

Claims (12)

1. Verfahren zum Steuern von rückgeleitetem Abgas in einer Anordnung (1) einer Brennkraftmaschine (2) mit einem Abgastrakt (5), worin mindestens ein erster Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) (8), mindestens eine erste Einrichtung zum Einleiten von Ammoniak in den Abgastrakt (5) stromaufwärts des ersten SCR (8) angeordnet sind, sowie stromaufwärts des ersten SCR (8) mindestens eine Hochdruck-Abgasrückführungsleitung (11) und stromabwärts des ersten SCR (8) mindestens eine Niederdruck-Abgasrückführungsleitung (12) abzweigt, die Anordnung (1) weiterhin eine Steuereinrichtung (16) umfasst, und wobei ein Leiten von Abgas durch die Niederdruck- oder Hochdruckabgasrückführungsleitung (11, 12) in Abhängigkeit von der Höhe des Ammoniakbedarf und des Stickoxidausstoßes mittels eines Algorithmus gesteuert wird, mit den Schritten: - Betreiben (S1) der Brennkraftmaschine (2) bei Rückführen von Abgas durch die Niederdruck-Abgasrückführungsleitung (12) oder die Hochdruck-Abgasrückführungsleitung (11), - Ermitteln (S2) eines Differenzwertes zum Ammoniakbedarf des ersten SCR (8) zwischen einem Verwenden der Hochdruck-Abgasrückführungsleitung (11) (HD-Modus) und einem Verwenden der Niederdruck-Abgasrückführungsleitung (12) (ND-Modus), - Ermitteln (S3) eines Differenzwertes zum Stickoxidausstoß an die Umwelt zwischen einem HD-Modus und einem ND-Modus, - Entscheiden (S4) über einen Wechsel zwischen HD-Modus und ND-Modus in Abhängigkeit von den ermittelten Differenzwerten zum Ammoniakbedarf und Stickoxidausstoß, wobei der Modus gewählt wird, der durch einen geringeren Ammoniakbedarf und/oder geringeren Stickoxidausstoß gekennzeichnet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Niederdruckmodus der Ammoniakbedarf für den Niederdruck-Abgasrückführungsbetrieb mit sensorbasierten Werten zur im unmittelbar aus der Brennkraftmaschine (2) austretendenden Abgas enthaltende Menge an Stickoxiden C_{NOx_FG_sen} mit der Formel $${\text{C}}_{\text{NH3\_ND}}={\text{C}}_{\text{NOx\_FG\_sen}}-{\text{C}}_{\text{NOx\_NOxrec\_est}}+{\text{C}}_{\text{NH3\_rec\_est}}$$

   

   ermittelt wird, wobei C_NH3__ND die im Niederdruckmodus benötigte Ammoniakmenge ist, C_{NOx_NOxrec_est} die berechnete, durch Rückführen von im Abgas enthaltenen, nicht durch den ersten SCR (8) entfernten Stickoxiden erhöhte Menge an im unmittelbar aus der Brennkraftmaschine (2) austretendenden Abgas enthaltenden Stickoxiden, und C_{NH3_rec_est} die berechnete Menge an durch die ND-AGR rezirkulierten Ammoniakmenge.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei im Niederdruckmodus der Ammoniakbedarf für den Niederdruck-Abgasrückführungsbetrieb bei modellbasierten Werten zur im unmittelbar aus der Brennkraftmaschine (2) austretendenden Abgas enthaltende Menge an Stickoxiden C_{NOx_FG_mod} mit der Formel $${\text{C}}_{\text{NH3\_ND}}={\text{C}}_{\text{NOx\_FG\_base}}+{\text{C}}_{\text{NOx\_NH3xrec\_est}}+{\text{C}}_{\text{NH3\_rec\_est}}$$

   

   ermittelt wird, wobei C_{NOx_NH3rec} die durch Ammoniakverbrennung erhöhte Stickoxidmenge ist, und wobei C_{NOx_FG_base} auf der Bedingung beruht, dass weder Stickoxide noch Ammoniak rezirkuliert werden.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei im Niederdruck-Modus der Ammoniakbedarf für den Hochdruck-Abgasrückführungsbetrieb mit modellbasierten Werten zur im unmittelbar aus der Brennkraftmaschine (2) austretendenden Abgas enthaltenen Menge an Stickoxiden C_{NOx_FG_est} mit der Formel $${\text{C}}_{\text{NH3\_ND}}={\text{C}}_{\text{NOx\_FG\_est}}$$

   

   ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei im Hochdruck-Modus der Ammoniakbedarf im Hochdruckrückführungskreislaufs mit sensorbasierten Werten zur im unmittelbar aus der Brennkraftmaschine (2) austretendenden Abgas enthaltenen Menge an Stickoxiden C_{NOx_FG_sen} mit der Formel $${\text{C}}_{\text{NH3\_HD}}={\text{C}}_{\text{NOx\_FG\_sen}}$$

   

   ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei im Hochdruck-Modus der Ammoniakbedarf im Hochdruckrückführungsbetrieb mit modellbasierten Werten zur im unmittelbar aus der Brennkraftmaschine (2) austretendenden Abgas enthaltenen Menge an Stickoxiden C_{NOx_FG_est} mit der Formel $${\text{C}}_{\text{NH3\_HD}}={\text{C}}_{\text{NOx\_FG\_est}}$$

   

   ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei bei Rückführen von Abgas durch die Hochdruck-Abgasrückführung der Ammoniakbedarf im Niederdruck-Abgasrückführungskreislauf mit modellbasierten Werten zur im unmittelbar aus der Brennkraftmaschine (2) austretendenden Abgas enthaltenen Menge an Stickoxiden C_{NOx_FG_base} mit der Formel $${\text{C}}_{\text{NH3\_ND}}={\text{C}}_{\text{NOx\_FG\_base}}+{\text{C}}_{\text{NOx\_NH3rec\_est}}+{\text{C}}_{\text{NH3\_rec\_est}}$$

   

   ermittelt wird.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Differenzwerte zum Ammoniakbedarf zwischen den Integralen der Werte oder der gefilterten Größen zum Ammoniak für den Niederdruck-Abgasrückführungsbetrieb C_NH3__ND und für den Hochdruck-Abgasrückführungsbetrieb C_{NH3_HD} über ein bestimmtes Zeitintervall ermittelt werden, wobei bei $${\text{m}}_{\text{NH3\_ND}}-{\text{m}}_{\text{NH3\_HD}}>0$$

   

   für den Hochdruck-Abgasrückführungsbetrieb der Ammoniakbedarf niedriger ist als im Niederdruck-Abgasrückführungsbetrieb, und bei $${\text{m}}_{\text{NH3\_ND}}-{\text{m}}_{\text{NH3\_HD}}<0$$

   

   für den Niederdruck-Abgasrückführungsbetrieb der Ammoniakbedarf niedriger ist als im Hochdruck-Abgasrückführungsbetrieb.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei im Niederdruck-Modus der Stickoxidausstoß im Auspuffbereich für den Niederdruck-Abgasrückführungsbetrieb auf der Basis von sensorbasierten Werten zur im unmittelbar aus der Brennkraftmaschine (2) austretendenden Abgas enthaltende Menge an Stickoxiden C_{NOx_FG_sen} oder auf modellbasierten Werten zur im unmittelbar aus der Brennkraftmaschine (2) austretendenden Abgas enthaltende Menge an Stickoxiden C_{NOx_FG_est} ermittelt wird, und der Stickoxidausstoß im Auspuffbereich für den Hochdruck-Abgasrückführungsbetrieb modellbasiert unter der Annahme ermittelt wird, dass Abgas durch die Hochdruck-Abgasrückführungsleitung (11) rückgeführt würde.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei im Hochdruck-Modus der Stickoxidausstoß im Auspuffbereich für den Niederdruck-Abgasrückführungsbetrieb modellbasiert unter der Annahme ermittelt wird, dass Abgas durch die Niederdruck-Abgasrückführungsleitung (12) rückgeführt würde, und der Stickoxidausstoß im Auspuffbereich für den Hochdruck- Abgasrückführungsbetrieb auf der Basis von sensorbasierten Werten zur im unmittelbar aus der Brennkraftmaschine (2) austretendenden Abgas enthaltende Menge an Stickoxiden C_{NOx_FG_sen} oder auf modellbasierten Werten zur im unmittelbar aus der Brennkraftmaschine (2) austretendenden Abgas enthaltende Menge an Stickoxiden C_{NOx_FG_base} ermittelt wird.
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Differenzwerte zum Stickoxidausstoß aus der Differenz zwischen den Integralwerten der Massenströme des Stickoxidausstoßes über ein Zeitintervall für den Niederdruck-Abgasrückführungsbetrieb m_{NOx_ND} und für den Hochdruck-Abgasrückführungsbetrieb m_{NOx_HD} ermittelt werden, wobei bei $${\text{m}}_{\text{NOx\_ND}}-{\text{m}}_{\text{NOx\_HD}}>0$$

    

    der Stickoxidausstoß im Hochdruck-Abgasrückführungsbetrieb niedrigerer ist als im Niederdruck-Abgasrückführungsbetrieb, und bei $${\text{m}}_{\text{NOx\_ND}}-{\text{m}}_{\text{NOx\_HD}}<0$$

    

    der Stickoxidausstoß im Niederdruck-Abgasrückführungsbetrieb niedrigerer ist als im Hochdruck-Abgasrückführungsbetrieb.
12. Kraftfahrzeug mit einer Steuereinrichtung, die zum Steuern eines Verfahrens gemäß einem der vorherigen Ansprüche ausgebildet ist.

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