DE102018208129A1 - Verfahren zur Reduktion von Ammoniakemissionen im Abgas einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur Reduktion von Ammoniakemissionen im Abgas einer Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Reduktion von Ammoniakemissionen im Abgas einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, wobei die Brennkraftmaschine einen Abgaskanal aufweist, wobei einem Abgasstrom im Abgaskanal zur Stickoxidreduktion ein Ammoniak-abspaltendes oder Ammoniak-umfassendes Reduktionsmittel zudosierbar ist, das Verfahren umfassend die folgenden Schritte: Ermitteln eines vor dem Fahrzeug liegenden und von diesem wahrscheinlich befahren werdenden Streckenabschnitts, und darauf basierend Prädiktion der benötigten Menge an Reduktionsmittel in diesem Streckenabschnitt.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion von Ammoniakemissionen im Abgas einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, wobei die Brennkraftmaschine einen Abgaskanal aufweist, wobei einem Abgasstrom im Abgaskanal zur Stickoxidreduktion ein Ammoniak-abspaltendes oder Ammoniakaufweisendes Reduktionsmittel zudosierbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein dazugehöriges Steuergerät und ein dazugehöriges Kraftfahrzeug.
  • Zur Reduktion von Stickoxiden (NOx) in Brennkraftmaschinen, beispielsweise in Dieselmaschinen, wird die sogenannte Selective-Catalytic-Reduction (SCR)-Technologie in Fahrzeugen, beispielsweise in Pkw und Lkw, eingesetzt. Dabei wird wässrige Harnstofflösung (HWL, Markenname AdBlue) mit beispielsweise 32,5 vol% Harnstoffgehalt in den Abgasstrom zudosiert. Aufgrund der Wärme des Abgases wird sodann Harnstoff in Ammoniak (NH3) gewandelt. Das Ammoniak wird von einem SCR-Katalysator aufgenommen und auf der Oberfläche gebunden. Das so bereitgestellte Ammoniak dient als Reduktionsmittel, um die im Abgas vorhandenen unerwünschten Stickoxide (NOx), beispielsweise NO und NO2), in Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) umzuwandeln. HWL ist also ein Beispiel für ein Ammoniak-abspaltendes Reduktionsmittel. Für eine bestmögliche NOx-Konvertierungsrate wird die HWL-Dosierung so abgestimmt, dass ein möglichst konstant hoher Ammoniak-Füllstand im SCR-Katalysator vorhanden ist und somit das Ammoniak-Speicherverhalten des SCR-Katalysators maximal ausgenutzt wird. Mit dem Ammoniak-Füllstand ist hierbei die auf der Oberfläche des Katalysators gebundene Menge Ammoniak gemeint. Durch den hohen Ammoniak-Füllstand kann auch bei kurzzeitig fallenden Abgastemperaturen, beispielsweise im Schwachbelastbetrieb oder bei einem weiteren Motorstart, genügend Ammoniak für die NOx-Konvertierung bereitgestellt werden. Somit wird in Betriebszuständen, in denen eine hohe Ammoniak-Speicherung möglich ist, mehr HWL zudosiert als zur NOx-Konvertierung nötig ist, um den SCR-Katalysator mit Ammoniak aufzufüllen.
  • Allerdings lässt ab einer bestimmten Grenztemperatur die Speicherfähigkeit des SCR-Katalysators markant nach. Wird diese Grenztemperatur erreicht bzw. überschritten, so setzt der SCR-Katalysator vergleichsweise schlagartig Ammoniak frei. Eine Überschreitung der Grenztemperatur kann beispielsweise bei einer Bergfahrt, bei einem Bremsvorgang oder bei einem Beschleunigungsvorgang auftreten. Um dabei zu verhindern, dass Ammoniak-Emissionen (sogenannter Ammoniak-Schlupf) auftreten, ist in Strömungsrichtung nach dem SCR-Katalysator ein katalytisches Material aufgebracht, das den Ammoniak-Schlupf mit dem Rest-Sauerstoff im Abgas oxidiert (sog. Clean-Catalyst, (CUC). Allerdings können hierbei insbesondere bei hohen Abgastemperaturen durch die Oxidation von Ammoniak Sekundäremissionen, wie beispielsweise Lachgas (N2O), gebildet werden. Diese werden aufgrund ihrer möglicherweise schädlichen Wirkung (CO2-äquivalent) kritisch beurteilt. Ferner kann es auch nach Durchlaufen der CUC zu unerwünschten Rest-Ammoniak-Emissionen kommen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
  • Es ist folglich vorgesehen, dass ein vor dem Fahrzeug liegender und von diesem wahrscheinlich befahren werdender Streckenabschnitt ermittelt wird. Darauf basierend wird eine Prädiktion der benötigten Menge an Reduktionsmittel in diesem Streckenabschnitt durchgeführt. Wenn das Fahrzeug sodann den vorhergesagten Streckenabschnitt auch tatsächlich befährt, so kann in diesem Streckenabschnitt insbesondere genau diejenige Menge an Reduktionsmittel in den Abgasstrom zudosiert werden, wie prädiktiv in Schritt b. vorhergesagt wurde.
  • Die Erfindung weist gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten konventionellen Dosierstrategie somit insbesondere den Vorteil auf, dass nicht mehr versucht wird, den SCR-Katalysator mit einem maximalen Ammoniak-Füllstand zu befüllen. Vielmehr wird zunächst vorausbestimmt, welcher vor dem Fahrzeug liegende Streckenabschnitt voraussichtlich befahren werden wird. Für diesen Streckenabschnitt wird sodann vorhergesagt, welche Menge an Reduktionsmittel benötigt wird. Wird beispielsweise ein Streckenabschnitt vorhergesagt, der wenig oder keinen Kraftstoff verbraucht, so wird der fallende Ammoniak-Füllstand im SCR-Katalysator in einem davor liegenden Streckenabschnitt mit hohem Ammoniakverbrauch nicht mehr versucht durch Nachdosieren maximal auszugleichen. Vielmehr wird lediglich so viel Reduktionsmittel nachdosiert, wie nach der Vorhersage zur NOx-Konvertierung auch tatsächlich benötigt wird.
  • Insgesamt können erfindungsgemäß unerwünschte Ammoniakemissionen eines Fahrzeugs durch unerwünschte Ammoniakfreisetzung reduziert werden. Insbesondere können Rest-Ammoniak-Emissionen, nachdem der Abgasstrom den CUC durchlaufen hat, verringert werden. Ferner können weitere unerwünschte Sekundäremissionen, wie insbesondere Lachgas, reduziert werden. Ferner kann der Reduktionsmittelverbrauch insgesamt reduziert werden.
  • In einer Ausgestaltung wird in Schritt a. wenigstens eine zusätzliche Information betreffend den voraussichtlich befahren werdenden Streckenabschnitt ermittelt, insbesondere die in dem Streckenabschnitt zu erwartende Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder der elektronische Horizont, der insbesondere die zu erwartende Fahrbahnsteigung umfassen kann. Insbesondere die zu erwartenden Steigungswerte im voraussichtlich befahren werdenden Streckenabschnitt können zu einer zuverlässigen Prädiktion beitragen. Der elektronische Horizont (EH, auch virtueller Horizont genannt), kann insbesondere Informationen zur Fahrbahnsteigung und/oder Kurvenkrümmung des voraussichtlich vom Fahrzeug befahrenden werdenden Streckenabschnitts umfassen. Der elektronische Horizont kann allerdings auch gesetzliche Geschwindigkeitsbeschränkungen und/oder Zusatzattribute, wie Kreuzungen, Lichtsignalanlagen, Anzahl der Fahrspuren und/oder Tunnel, etc. umfassen. Die Bereitstellung des elektronischen Horizonts kann beispielweise durch den sogenannten Horizon Provider (HP), der beispielsweise Bestandteil des Navigationssystems eines Fahrzeugs sein kann, erfolgen. Um die erwartete Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder den elektronische Horizont noch genauer zu bestimmen, können beispielsweise Car2x-Methoden, insbesondere Car2Car-Methoden, zur Informationsermittlung verwendet werden. Die wahrscheinlich befahren werdende Strecke kann insbesondere anhand der Routenwahl des Fahrzeugführers anhand dessen Eingaben für die Zielführung des Navigationssystems ermittelt werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung wird zur Prädiktion der zu erwartenden Reduktionsmittelbedarfs in Schritt b. zunächst wenigstens ein für den Streckenabschnitt zu erwartender Motorparameter ermittelt. Darauf basierend kann der in dem Streckenabschnitt zu erwartende Ammoniak-Bedarf ermittelt wird. Der Motorparameter kann beispielsweise als Motorleistung, Motorrohemissionen, Abgastemperatur oder Abgasmassenstrom ausgebildet sein. Insbesondere können Fahrzeug-Antriebsstrang- und/oder Motormodelle, die für den voraussichtlich befahren werdenden Streckenabschnitt erwartete Motorleistung, Motorrohemissionen, Abgastemperaturen und Massenströme ermitteln. Darauf basierend kann ein Abgasnachbehandlungsmodell Aussagen über den erwarteten Ammoniak-Bedarf (und/oder auch über den Ammoniak-Füllstand im SCR-Katalysator und/oder dessen maximale Speicherfähigkeit) in dem Streckenabschnitt liefern.
  • In besonders vorteilhafter Weise wird zur Prädiktion in Schritt b. ein in dem Streckenabschnitt zu erwartender Ammoniak-Schlupf ermittelt wird. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass das Speicherverhalten von Ammoniak des SCR-Katalysators regelmäßig abgastemperaturabhängig ist. Mit steigender Temperatur kann dabei ab einem Maximalwert die Ammoniak-Speicherkapazität des SCR-Katalysators absinken, so dass überschüssiger Ammoniak, der nicht mehr speicherbar ist, freigesetzt wird. Ab einer Grenztemperatur kann die Ammoniakfreisetzung schlagartig erfolgen. Die Freisetzung von Ammoniak wird Ammoniak-Schlupf genannt. Vorliegend kann der Ammoniak-Schlupf allerdings auch einen Ammoniakverlust umfassen, der im CUC zwar umgewandelt wird, aber für die SCR-Reaktion verloren ist. Ein Ammoniak-Schlupf-Modell kann somit vorzugsweise eine Aussage darüber liefern, welcher Ammoniak-Schlupf in dem voraussichtlich befahren werdenden Streckenabschnitt zu erwarten ist. Dabei kann insbesondere ermittelt werden, ob in dem Streckenabschnitt eine Schubphase des Fahrzeugs, eine Bremsphase des Fahrzeugs oder eine (Voll)lastphase des Fahrzeugs zu erwarten ist. Es kann folglich insgesamt eine Lastprädiktion der Brennkraftmaschine durchgeführt werden. Insbesondere bei Volllast-Bergfahrten oder Talfahrten mit Bremsbetrieb können Abgastemperaturen den Grenzwert überschreiten, so dass es schlagartig zu einem Ammoniak-Schlupf kommen kann. So verfügen LKW über vergleichsweise leistungsstarke Motorbremsen, wodurch auch im Bremsbetrieb Abgastemperaturen auf dem Niveau des gefeuerten Betriebs der Brennkraftmaschine entstehen.
  • Denkbar ist, dass in einem weiteren Schritt c. entschieden wird, ob die prädiktiv ermittelte benötigte Menge Reduktionsmittel auch tatsächlich zudosiert wird. In diesem Schritt c. kann insbesondere die Güte der Vorhersage der voraussichtlich notwendigen Ammoniakmenge im voraussichtlich befahren werdenden Streckenabschnitt vorhergesagt werden. So kann beispielsweise im Berufsverkehr mit vielen Fahrzeugen, woraus sich eine vergleichsweise dynamische Verkehrssituation ergeben kann, deren Vorausberechnung schwierig ist, die Vorhersagegüte aufgrund der hohen Verkehrsdynamik eher niedrig sein. Basierend auf dieser Einschätzung kann sodann entschieden werden, ob die prädiktiv ermittelte Reduktionsmittelmenge auch tatsächlich dem Abgasstrom zugesetzt wird, wenn das Fahrzeug den vorhergesagten Streckenabschnitt auch tatsächlich befährt. So ist insbesondere denkbar, dass bei einer niedrigen Vorhersagegüte der Fall auftreten kann, dass eine konventionelle Dosierstrategie gefahren werden sollte, bei der ein detektierter fallender Ammoniak-Füllstand des SCR-Katalysators durch Nachdosieren von Reduktionsmittel ausgeglichen wird, um sicherzugehen, dass genug Ammoniak zur Verfügung steht, um Stickoxide zu reduzieren, selbst wenn dadurch der Reduktionsmittelbedarf steigt und/oder unerwünschte Ammoniakemissionen durch Ammoniak-Schlupf auftreten.
  • Denkbar ist auch, dass selbst dann, wenn entschieden worden ist, dass im vorhergesagten Streckenabschnitt die prädiktiv ermittelte Reduktionsmittelmenge eingespritzt wird, in der Echtzeit, wenn der Streckenabschnitt auch tatsächlich befahren wird, nochmals eine Entscheidung gefällt wird, ob tatsächlich diese Menge eingespritzt wird. Denkbar wäre nämlich insbesondere, dass Fehlerfälle in der Hardware und/oder in der Software auftreten und es somit sinnvoll sein kann, auf die konventionelle Dosierstrategie zurückzugreifen, um sicherzustellen, dass eine hinreichende Stickoxid-Reduzierung ermöglicht ist. Denkbar wäre insbesondere auch, dass Zustände ohne GPS-Verbindung auftreten, beispielsweise in Tunneln oder auf Grund des Geländes oder von Bebauungen, sodass hier eine konventionelle Dosierstrategie sinnvoll erscheinen kann.
  • Denkbar ist weiterhin, dass es sich bei dem wahrscheinlich befahren werdenden Streckenabschnitt um den Most Probable Path (MPP) handelt. Die künftig wahrscheinlich befahren werdende Strecke kann dann, wenn der Fahrzeugführer die Zielführung anhand des Navigationssystems eingestellt hat, darauf basierend ermittelt werden. Ohne Zielführung kann demgegenüber ein wahrscheinlichster Pfad (Most Probable Path, MPP) vorhergesagt werden. Der MPP kann beispielsweise anhand der zugrundeliegenden Straßenklassen oder anhand einer Auswertung der bereits vom Fahrzeug gefahrenen Strecken ermittelt werden. Denkbar ist auch, dass neben dem MPP weitere denkbare mögliche befahrbare Streckenabschnitte und mögliche Alternativstrecken ermittelt und darauf basierend auch für diese Alternativen eine Prädiktion der voraussichtlich benötigten Reduktionsmittelmenge durchgeführt wird. Der MPP kann beispielsweise von einem Fahrzeug-Navigationssystem, einem Fahrzeug-Assistenzsystem und/oder von einem Fahrzeug-Steuergerät ermittelt werden.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass in Schritt b. zusätzlich eine zu erwartende Temperatur im Abgaskanal prädiktiv ermittelt wird und diese mit einem Soll-Temperaturwert verglichen wird, und darauf basierend vorzugsweise eine Aktion ausgelöst wird. Demnach kann die Prädiktion auch auf das Thermomanagement erweitert werden. So kann beispielsweise beim Erkennen einer längeren Schwachlastphase der Brennkraftmaschine die Abgastemperatur erhöht werden. Hierzu kann die Brennkraftmaschine verwendet werden. Dadurch kann zwar der Kraftstoffverbrauch ansteigen, allerdings kann die Abgastemperatur in vorteilhafter Weise erhöht werden, um eine Reduktion der Stickoxide zu ermöglichen. Dies deswegen, da unterhalb einer Grenztemperatur die Abgasnachbehandlung durch die SCR-Methode nicht oder lediglich mit verringerter Effizienz möglich ist. Die Grenztemperatur kann beispielsweise bei 200° liegen. Eine Schwachlastphase kann beispielsweise bei einem Verkehrsstau oder bei einer Fahrt in einer Innenstadt auftreten. Die Aktion kann auch darin bestehen, die Motorkühlung (beispielsweise Lüfter, Kühlmittelpumpe oder Thermostat) etwas zurückzufahren, um die Abgastemperatur ausreichend hoch zu halten.
  • Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird auch gelöst durch ein Steuergerät, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet und eingerichtet ist. Ein solches Steuergerät kann folglich insbesondere ein Software-Programm umfassen, wobei das Software-Programm dazu ausgebildet und eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Bei dem Steuergerät kann es sich beispielsweise um ein Dosiersteuergerät zur Zudosierung von Reduktionsmittel in den Abgaskanal handeln. Andererseits kann es sich auch um das übergeordnete Motorsteuergerät des Fahrzeugs handeln.
  • Schließlich wird das der Erfindung zugrunde liegende Problem auch gelöst durch ein Fahrzeug, umfassend eine Brennkraftmaschine mit einem Abgaskanal, wobei einem Abgasstrom im Abgaskanal zur Stickoxidreduktion ein Ammoniak-abspaltendes oder Ammoniak-umfassendes Reduktionsmittel zudosierbar ist, und ein erfindungsgemäßes Steuergerät. Bei dem Fahrzeug kann es sich beispielsweise um einen Pkw oder insbesondere um einen Lkw, weiter insbesondere um einen Fernverkehrs-Lkw, handeln. Das Fahrzeug kann dabei zur Voraussage des voraussichtlich befahren werdenden Streckenabschnitts ein Navigationssystem und/oder ein Fahrassistenzsystem umfassen, um den Streckenabschnitt selbst und insbesondere auch Informationen hierzu, wie beispielsweise die erwartete Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder den elektronischen Horizont, vorherzusagen.
  • In diesem Zusammenhang ist denkbar, dass das Fahrzeug eine Niederdruck-Abgasrückführung umfasst, wobei das Reduktionsmittel von einer Dosiereinrichtung in Strömungsrichtung des Abgasstroms vor der Abgasentnahme für die Niederdruck-Abgasrückführung zudosierbar ist. Die Abgasentnahme für die Niederdruck-Abgasrückführung kann dabei insbesondere zwischen dem SCR-Katalysator und dem CUC liegen. Durch das erfindungsgemäße Fahrzeug kann der Ammoniak-Gehalt in Niederdruck-Abgasrückführungssystemen jedenfalls verringert werden, so dass insbesondere die Möglichkeit besteht, die Komponenten des Niederdruck-Abgasrückführungssystems und beispielsweise auch weitere Komponenten der Brennkraftmaschine aus kostengünstigeren Werkstoffen herzustellen, da Korrosionsschäden auf Grund der verringerten Ammoniakbelastungen über die Lebensdauer jedenfalls mit geringerer Wahrscheinlichkeit zu erwarten sind. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die anhand der Zeichnung erläutert werden.
  • Es zeigen:
    • 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Abgaskanal mit HWL-Dosiereinrichtung und SCR-Katalysator;
    • 2 schematische Darstellung einer als Dieselmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine mit Hochdruck- und Niederdruck-Abgasrückführung;
    • 3 Darstellung eines Abschnitts der Abgasnachbehandlungseinrichtung der Brennkraftmaschine gemäß 2;
    • 4 einen Verfahrensablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer Ausführungsform;
    • 5 einen möglichen schematischen Verlauf des Ammoniak-Speicherverhaltens eines SCR-Katalysators über der Abgastemperatur; und
    • 6 eine schematische Darstellung von mittels des Verfahrens gemäß 4 erhaltenen prädiktiven Parametern.
  • Funktionsäquivalente Elemente und Bereiche tragen in den nachfolgenden Figuren die gleichen Bezugszeichen und sind nicht nochmals im Detail erläutert.
  • In 1 ist der Abgaskanal 10 einer als Dieselmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine gezeigt. In dem Abgaskanal 10 ist ein Abgasstrom (mit den Pfeilen 12 angedeutet) geführt. Bei der Brennkraftmaschine handelt es sich um die Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs. In 3 ist beispielhaft ein als Fernverkehr-Lkw ausgebildetes Fahrzeug 14 gezeigt, das den Kanal 10 der Brennkraftmaschine aufweisen kann. Um Abgase im Abgaskanal 10 zu reinigen, sind am Abgaskanal 10 eine Dosiereinrichtung 16 und davon stromabwärts ein SCR-Katalysator 18 angeordnet. Der SCR-Katalysator 18 ist insgesamt wabenartig aufgebaut und weist an seiner Oberfläche katalytisch wirksames Material auf. Mit Hilfe der Dosiereinrichtung 16 kann wässrige Harnstofflösung (HWL, Markenname AdBlue) mit beispielsweise 32,5 vol% Harnstoffgehalt aus einem Tank 20 in den Abgaskanal 10 zudosiert werden. Das HWL ist ein Ammoniak-abspaltendes Reduktionsmittel 22. Die Dosiereinrichtung 16 spritzt das HWL 22 in feinen Tröpfchen in den Abgasstrom ein, wobei eine gleichmäßige Verteilung der Tröpfchen im Abgaskanal angestrebt wird. Das so in das Abgas eingebrachte HWL 22 durchläuft sodann eine Thermolyse und Hydrolyse, um Harnstoff in Ammoniak umzuwandeln. Der so bereitgestellte Ammoniak dient als eigentliches Reduktionsmittel für die im Abgas vorhandenen unerwünschten Stickoxide (NOx, beispielsweise NO und NO2). Der Ammoniak wird dabei vom SCR-Katalysator 18 an dessen Oberfläche gebunden. Die Stickoxide können dann mittels des Ammoniaks zu Stickstoff (NO2) und Wasser (H2O) umgewandelt werden. Stromabwärts vom SCR-Katalysator 18 ist ferner ein NOx-Sensor 24 zur Messung des Stickoxid-Gehalts nach Durchlaufen des SCR-Katalysators 18 vorhanden. Stromabwärts vom SCR-Katalysator 18 kann ferner insbesondere ein nicht gezeigter CUC (Clean Up Catalyst) vorgesehen sein. Zur Steuerung der Dosiereinrichtung 16 ist ein Steuergerät 26 vorhanden. Dabei kann es sich entweder um ein Dosiersteuergerät für die Dosiereinrichtung 16 handeln. Denkbar wäre allerdings insbesondere auch, dass es sich bei dem Steuergerät 26 um das Steuergerät der übergeordneten Motorsteuerung des Fahrzeugs 14 handelt.
  • Die 2 und 3 zeigen schematisch eine weitere mögliche Ausgestaltung der Abgasreinigung von Abgasen einer Brennkraftmaschine. 2 zeigt insgesamt schematisch eine als Dieselmotor ausgebildete Brennkraftmaschine 11 mit einem Motor 13, einem Verdichter 15 und einer Turbine 17. Die Brennkraftmaschine 11 kann wiederum beispielsweise im Fahrzeug 14 verbaut sein. Dabei umfasst die Brennkraftmaschine eine Hochdruck-Abgasrückführung 19 und eine Niederdruck-Abgasrückführung 21, sowie eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 23. Der Verdichter 15 und die Turbine 17 bilden hierbei einen Turbolader aus. In bekannter Weise wird dem Motor 13 Verbrennungsluft 25 zugeführt und Abgas 27 aus dem Motor 13 geführt.
  • 3 zeigt einen Abschnitt der Abgasnachbehandlungseinrichtung 23, umfassend den Abgaskanal 10. Bei dieser Ausführungsform ist der SCR-Katalysator in einen Dieselpartikelfilter 28 (DPF) integriert. Eine solche Anordnung wird auch SCRF genannt. Dabei ist die Dosiereinrichtung 16 stromaufwärts vom SCRF 28 angeordnet. Stromabwärts vom SCRF 28 ist ein zweiter SCR-Katalysator 30 mit integriertem CUC (Clean Up Catalyst) 33 angeordnet. Zwischen dem SCRF 28 und dem zweiten SCR-Katalysator 30 ist ein Entnahmekanal 32 für die Niederdruck-Abgasrückführung 21 angeordnet. Im bzw. am Abgaskanal 10 sind verschiedene Sensoren, wie beispielsweise ein Lambda/NOx-Sensor 31, und NOx-Sensoren 34 sowie Temperatursensoren 36 angeordnet. Zur Steuerung der Dosiereinrichtung 16 ist wiederum ein Steuergerät 26 vorhanden. Dabei kann es sich wiederum entweder um ein Dosiersteuergerät für die Dosiereinrichtung 16 handeln. Denkbar wäre allerdings insbesondere wiederum auch, dass es sich bei dem Steuergerät 26 um das Steuergerät der übergeordneten Motorsteuerung des Fahrzeugs 14 handelt.
  • Das Steuergerät 26 der Ausführungsform gemäß 1 sowie der Ausführungsform gemäß den 2 und 3 ist zur Ausführung des im Folgenden anhand der 4 bis 6 gezeigten Verfahrens ausgebildet und eingerichtet.
  • Zunächst können in einem ersten Verfahrensschritt 40 Positionsdaten des Fahrzeugs 14 (vgl. 6) erfasst werden. Ferner können, insbesondere kabellos (symbolisiert durch Bezugszeichen 42 in 6), Verkehrsdaten (TMC oder Car2X-Daten, insbesondere Car2Car-Daten) vom Fahrzeug 14 empfangen werden. Weiterhin können Kartendaten bereitgestellt werden.
  • Ferner kann in Schritt 42 ein Fahrziel ermittelt werden. Dabei kann es sich insbesondere um eine Zielangabe im Navigationssystem des Fahrzeugs 14 handeln. Ferner können in diesem Schritt 42 beispielsweise auch Informationen betreffend eine vom Fahrzeugführer gewünschte Fahrzeuggeschwindigkeit erfasst werden, wobei die Informationen beispielsweise von einem Fahrassistenz-System des Fahrzeugs 14 bereitgestellt werden können.
  • Basierend auf den Informationen aus den Schritten 40 und 42 kann in einem darauffolgenden Schritt 44 eine Voraussage über den vorausliegenden und voraussichtlich vom Fahrzeug 14 befahren werdenden Streckenabschnitt 45 (vgl. 6) bereitgestellt werden. Der Streckenabschnitt 45 kann beispielsweise eine Länge X zwischen fünf bis zehn Kilometern aufweisen. Der Streckenabschnitt 45 kann beispielsweise ausgehend von der Routenführung des Navigationssystems zu einem vom Fahrzeugführer eingegebenen Fahrziel ermittelt werden. Ist im Navigationssystem keine Zielführung angegeben, so kann stattdessen in Schritt 44 auch ein wahrscheinlichster Pfad (Most Probable Path) ermittelt werden, beispielsweise anhand der zugrundeliegenden Straßenklassen und/oder anhand einer Statistik über eine über bereits gefahrene Strecken. Denkbar wäre auch, dass verschiedene alternative möglicherweise befahren werdende Streckenabschnitte zusätzlich oder alternativ zum MPP in diesem Schritt ermittelt werden. Die weiteren im Folgenden dargelegten Verfahrensschritte können in diesem Fall für sämtliche alternativ vorhergesagten Streckenführungen durchgeführt werden.
  • In Schritt 44 können ferner weitere Informationen, insbesondere die zu erwartenden Fahrbahnsteigungen, über den voraussichtlich zu befahrenden Streckenabschnitt 45 bereitgestellt werden. Bei den Informationen kann es sich insbesondere um den sogenannten elektronischen Horizont (auch virtueller Horizont genannt) handeln. Unter dem elektronischen Horizont werden insbesondere Fahrbahnsteigung und Fahrbahnkrümmung, aber auch die gesetzliche Geschwindigkeitsbeschränkung sowie Zusatzattribute, wie Kreuzungen, Lichtsignalanlagen, Anzahl der Fahrspuren und Tunnel usw. verstanden. Die Bereitstellung des elektronischen Horizonts kann durch einen sogenannten „Horizon Provider“ erfolgen, welcher insbesondere Bestandteil des Navigationssystems des Fahrzeugs 14 sein kann.
  • In Schritt 44 kann schließlich die zu erwartende Geschwindigkeit in dem vorhergesagten Streckenabschnitt 45 ermittelt werden. Hierzu können die Daten des elektronischen Horizonts aber auch Verkehrsdaten (TMC oder Car2X-Daten, insbesondere Car2Car-Daten) Verwendung finden.
  • Die Schritte 40 bis 44 können von einem Navigationssystem des Fahrzeugs 14 durchgeführt werden. Andererseits wäre auch denkbar, dass das Navigationssystem lediglich Informationen betreffend, die Zielführung des Navigationssystems des Fahrzeugs 14 oder Positionsdaten (GPS) sowie weitere Kartendaten an das Steuergerät 26 liefert und das Steuergerät 26 in Schritt 44 eine Vorhersage über den voraussichtlich befahren werdenden Streckenabschnitt 45 sowie die in diesem Streckenabschnitt 45 darstellbare Geschwindigkeit ermittelt.
  • In Schritt 46 werden die in Schritt 44 erhaltenen Informationen, insbesondere der vorhergesagte Streckenabschnitt 45, der elektronische Horizont und die im Streckenabschnitt 45 zu erwartende Geschwindigkeit, mittels eines Fahrzeug-Antriebsstrang- und Motormodells ausgewertet. Damit können die für den Streckenabschnitt 45 zu erwartenden Motorparameter, wie beispielsweise Motorleistung, Motorrohemissionen (NOx), Abgastemperaturen und/oder Massenströme ermittelt werden. Wie in 6 stark schematisiert dargestellt ist, umfasst der Streckenabschnitt 45 in diesem Fall sieben Segmente 47, 49, 51, 53, 55, 57 und 59. In diesen Streckensegmenten 47 bis 59 sind unterschiedlich hohe Motorlasten zu erwarten, was im oberen Bereich 61 des Schaubilds der 6 schematisiert dargestellt ist. So ist in den Abschnitten 47, 51 und 59 eine Teillast zu erwarten. In Abschnitt 49 ist eine Volllast bei der Bergfahrt zu erwarten. In Abschnitt 55 ist ein Motorbremsbetrieb bei der Talfahrt zu erwarten. In den Abschnitten 53 und 57 ist ein ungefeuerter Schubbetrieb zu erwarten.
  • Der zu erwartende Abgastemperaturverlauf im vorhergesagten Streckenabschnitt 45 aus der Ermittlung in Schritt 46 ist in 6 im Bereich 67 dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass die Abgastemperatur in der Bergfahrt im Streckensegment 49 stark ansteigt und dort einen Höchstwert 69 erreicht. Ferner ist zu erkennen, dass auch im Bremsbetrieb in Streckensegment 55 die Abgastemperatur stark ansteigt und dass die Temperaturdifferenz 71 am Ende dieses Streckensegments 55 im Vergleich zum Höchstwert 69 nur gering ist.
  • Basierend auf der zu erwartenden Motorleistung im Streckenabschnitt 45 wird in Schritt 48 über ein Abgasnachbehandlungsmodell der erwartete Ammoniak-Bedarf ermittelt. Bei diesem Modell kann auch berücksichtigt werden, wie viel Ammoniak zum Ist-Zeitpunkt im SCR-Katalysator 18 gespeichert ist (dies ist insbesondere aus dem Zusammenhang zwischen Speicherkapazität des SCR-Katalysators 18 und Abgastemperatur im Abgaskanal 10 entnehmbar, wie in 5 beispielhaft und schematisiert gezeigt).
  • Allerdings gilt es zu beachten, dass, wie in 5 zu erkennen ist, die Ammoniak-Speicherkapazität des SCR-Katalysators 18 mit der Temperatur variiert. Wie dem Verlauf 63 entnehmbar ist, gibt es einen Maximalwert 65 mit maximaler Speicherfähigkeit. Ab einer Grenztemperatur TG sinkt die Speicherfähigkeit nahezu schlagartig ab. Dem Rechnung tragend, wird im Verfahrensschritt 50 anhand des voraussichtlich zu erwartenden Streckenabschnitts 45 und der dazu gehörigen Informationen (beispielsweise Steigungsprofile, Fahrbahnkrümmungen, Verkehrsinformationen, Car2X-Informationen) ermittelt, ob Schubphasen, Bremsphasen oder Last- bzw. Volllastphasen des Fahrzeugs 14 zu erwarten sind (vgl. Bereich 61 von 6). Basierend auf diesen Erkenntnissen, wird sodann in Schritt 52 mittels eines Ammoniak-Schlupfmodells eine Aussage über den zu erwartenden Ammoniak-Schlupf im Streckenabschnitt 45 in den einzelnen Segmenten 47 bis 59 geliefert. Vorliegend kann der Ammoniak-Schlupf sowohl freigesetztes Restammoniak nach Durchlaufen des CUC umfassen, als auch einen Ammoniakverlust, der im CUC zwar umgewandelt wird, aber für die SCR-Reaktion verloren ist.
  • Der in Schritt 52 ermittelte Ammoniak-Schlupf ist in 6 im Bereich 69 dargestellt. Dabei ist ersichtlich, dass am Ende der Bergfahrt (Streckensegment 49) bzw. am Ende der Bremsfahrt im Motorbremsbetrieb (Streckensegment 55) am Übergang in den Streckenabschnitt 51 bzw. 57 (sog. transienter Motorbetrieb) ein Ammoniak-Schlupf auftritt, in dem Ammoniak aus dem SCR-Katalysator freigesetzt wird. Dies deswegen, da, wie in 5 zu erkennen ist, in diesem Fall die Abgastemperatur und damit auch der SCR-Katalysator 18 die Grenztemperatur TG überschreiten. Die Freisetzung des Ammoniaks erfolgt hierbei vergleichsweise schlagartig, wie ebenfalls in der 5 zu erkennen ist.
  • In einem nächsten Schritt wird in Schritt 54 entschieden, ob die aus den Schritten 44 bis 52 ermittelten Daten zur Ermittlung der benötigten HWL-Menge 22 verwendet werden. Dabei wird insbesondere die Güte der in den Schritten 44 bis 52 erhaltenen prädiktiven Informationen bewertet. So ist beispielsweise denkbar, dass die Informationen von geringer Güte sind, da das Fahrzeug 14 sich im Berufsverkehr mit vielen Fahrzeugen befindet, woraus sich eine vergleichsweise dynamische Verkehrssituation ergeben kann, deren Vorausberechnung schwierig ist, wobei insbesondere nur schwer prognostizierbar ist, wie sich die Umgebung des Fahrzeugs 14, insbesondere die Verkehrsdichte, künftig entwickelt.
  • Insgesamt sind die Schritte 44 bis 54 als prädiktive Verfahrensschritte ausgebildet, die künftige wahrscheinliche Zustände des Fahrzeugs 14 vorausberechnen, wie durch den Pfeil 64 symbolisiert. Demgegenüber laufen die im Folgenden detailliert beschriebenen Verfahrensschritte 56 bis 62 in Echtzeit ab, wie durch den Pfeil 66 symbolisiert ist.
  • Wird die zeitliche Vorausberechnung, also die Prädiktion aus den Schritten 44 bis 52 verwendet, so wird in einem nächsten Schritt 56 anhand der aus den Schritten 44 bis 52 erhaltenen Informationen die an einem bestimmten Streckenpunkt benötigte HWL-Dosiermenge berechnet, die genau dann zudosiert wird, wenn das Fahrzeug 14 tatsächlich am vorhergesagten Streckenpunkt des Streckenabschnitts 45 angelangt.
  • In Schritt 58 kann sodann nochmals überprüft werden, ob nicht doch auf die konventionelle Dosierstrategie (symbolisiert durch Schritt 60) zurückgegriffen wird. Dies könnte insbesondere dann der Fall sein, wenn ein Fehlerfall in der Hardware und/oder im Steuergerät diagnostiziert wird. Die konventionelle Dosierstrategie gemäß Schritt 60 ist dargestellt durch den Verlauf der Einspritzmenge im Bereich 71 der 6, und zwar durch den Graphen 73. Dabei wird dann, wenn der Füllstand an Ammoniak im SCR-Katalysator 18 auf Grund einer hohen Ammoniakumsetzung mit dem Abgasstrom und/oder auf Grund erhöhter Abgastemperaturen abfällt, HWL nachdosiert, um im Fahrzeugbetrieb einen möglichst hohen Füllstand im SCR-Katalysator 18 beizubehalten.
  • Wird die prädiktive Dosierstrategie angewendet, so wird im Verfahrensschritt 62 die Hardware, also insbesondere die Dosiereinrichtung 16, vom Steuergerät 26 angesteuert, um die in Schritt 56 berechnete Einspritzmenge an HWL einzuspritzen, wenn das Fahrzeug in Echtzeit tatsächlich am vorausberechneten Punkt des Streckenabschnitts 45 ankommt. Der aus dem in 4 resultierende Verlauf der HWL-Einspritzmenge ist durch Graph 75 in 6 im Bereich 71 symbolisiert.
  • Wie aus Graph 75 ersichtlich ist, wird insbesondere während der Bergfahrt in Streckensegment 49 deutlich weniger HWL in den Abgaskanal 10 zugegeben, als in der konventionellen Dosierstrategie (Graph mit Bezugszeichen 73), da im vorhergesagten Streckensegment 55 eine Talfahrt mit Motorbremsbetrieb zu erwarten ist.
  • Die Verfahrensschritte 44 bis 54 dienen dabei zur zeitlichen Vorausberechnung (Prädiktion) des erwarteten HWL-Bedarfs für einen vorhergesagten Streckenabschnitt 45, während die Schritte 56 bis 62 sodann insbesondere dazu dienen, basierend auf den Erkenntnissen der Vorhersage gemäß den Schritten 44 bis 54 an einem Streckenpunkt diejenige HWL-Menge einzuspritzen, die die Prädiktion vorhergesagt hat, und zwar dann, wenn das Fahrzeug 14 am vorhergesagten Streckenpunkt auch tatsächlich angelangt.
  • Insgesamt kann durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Verringerung der Rest-Ammoniak-Emissionen nach dem CUC (vgl. Bezugszeichen 33 in 3) als Beitrag zur Verbesserung sogenannter Sekundäremissionen (Ammoniak oder Lachgas) bereitgestellt werden. Ferner kann dadurch insgesamt der HWL-Verbrauch in vorteilhafter Weise gesenkt werden. Schließlich kann bei einer Niederdruck-Abgasrückführung (vgl. Bezugszeichen 21 in 2) eine Reduktion der Ammoniakbelastung der Niederdruck-Abgasrückführung 21 sowie weiterer Teile der Brennkraftmaschine 11 (vgl. 2) über die Lebensdauer ermöglicht werden. Dadurch kann die Gefahr von Korrosionsschäden auf Grund der Ammoniakbelastung reduziert werden und es können insbesondere vergleichsweise kostengünstige Materialien verbaut werden.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Reduktion von Ammoniakemissionen im Abgas einer Brennkraftmaschine (11) eines Fahrzeugs (14), wobei die Brennkraftmaschine (10) einen Abgaskanal (10) aufweist, wobei einem Abgasstrom (12) im Abgaskanal (10) zur Stickoxidreduktion ein Ammoniak-abspaltendes oder Ammoniak-umfassendes Reduktionsmittel (22) zudosierbar ist, das Verfahren umfassend die folgenden Schritte: a. Ermitteln eines vor dem Fahrzeug (14) liegenden und von diesem wahrscheinlich befahren werdenden Streckenabschnitts (45); und b. darauf basierend Prädiktion der benötigten Menge an Reduktionsmittel (22) in diesem Streckenabschnitt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a. wenigstens eine zusätzliche Information betreffend den Streckenabschnitt (45) ermittelt wird, insbesondere die in dem Streckenabschnitt (45) zu erwartende Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder der elektronische Horizont, der insbesondere die zu erwartende Fahrbahnsteigung umfassen kann.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Prädiktion in Schritt b. zunächst wenigstens ein für den Streckenabschnitt (45) zu erwartender Motorparameter ermittelt wird, und dass darauf basierend der in dem Streckenabschnitt (45) zu erwartende Ammoniak-Bedarf ermittelt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Prädiktion in Schritt b. ein in dem Streckenabschnitt (45) zu erwartender Ammoniak-Schlupf ermittelt wird.
  5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Schritt c. entschieden wird, ob die prädiktiv ermittelte benötigte Menge Reduktionsmittel (22) verwendet wird.
  6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem wahrscheinlich befahren werdenden Streckenabschnitt (45) um den Most Probable Path (MPP) handelt.
  7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b. zusätzlich eine zu erwartende Temperatur im Abgaskanal (10) prädiktiv ermittelt wird und diese mit einem Soll-Temperaturwert verglichen wird, und darauf basierend vorzugsweise eine Aktion ausgelöst wird.
  8. Steuergerät (26), welches zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet und eingerichtet ist.
  9. Fahrzeug (14), umfassend eine Brennkraftmaschine (11) mit einem Abgaskanal (10), wobei einem Abgasstrom (12) im Abgaskanal (10) zur Stickoxidreduktion ein Ammoniak-abspaltendes oder Ammoniak-umfassendes Reduktionsmittel (22) zudosierbar ist, und ein Steuergerät (26) nach Anspruch 8.
  10. Fahrzeug (14) nach Anspruch 9, mit einer Niederdruck-Abgasrückführung (21), wobei das Reduktionsmittel (22) von einer Dosiereinrichtung (16) in Strömungsrichtung des Abgasstroms (12) vor der Abgasentnahme (32) für die Niederdruck-Abgasrückführung (21) zudosierbar ist.
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