WO1999050549A2 - Motorsystem mit einem verbrennungsmotor sowie verfahren zur steuerung eines verbrennungsmotors - Google Patents

Motorsystem mit einem verbrennungsmotor sowie verfahren zur steuerung eines verbrennungsmotors Download PDF

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Ronald Neufert
Wieland Mathes
Klaus Wenzlawski
Dietmar Weisensel
Jürgen ZÜRBIG
Winfried DÖLLING
Rainer Tost
Reinhard Latsch
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to an engine system with an internal combustion engine, in particular a diesel engine, with an electronic engine control for influencing the combustion of a fuel and with an exhaust gas cleaning system comprising an exhaust gas line, a cleaning device connected to the exhaust gas line for aftertreatment of the exhaust gas and a control device connected to the latter.
  • the invention further relates to a method for controlling an internal combustion engine, in particular a diesel engine, in which the combustion process of the fuel is controlled via an electronic engine control.
  • DE 44 25 018 Cl describes an exhaust gas purification system for an internal combustion engine that can be controlled by means of engine electronics, in particular a diesel engine, with a device for aftertreatment of the exhaust gases with the aid of a reducing agent addition device, which is stored in a storage tank.
  • engine electronics in particular a diesel engine
  • a device for aftertreatment of the exhaust gases with the aid of a reducing agent addition device, which is stored in a storage tank.
  • means in particular a full-level sensor, which are connected to a control device and which ensure a switchover of the engine electronics from a normal to a delayed fuel injection.
  • a delayed fuel injection leads to a reduction in nitrogen oxide emissions within the engine, which is simultaneously associated with an increase in fuel consumption, particle and hydrocarbon emissions.
  • EP 0 697 062 B1 describes a method and a device for the controlled introduction of a reducing agent in an exhaust gas containing nitrogen oxide from an internal combustion engine with a catalyst unit for reducing nitrogen oxide which is installed in the exhaust gas line.
  • a catalyst unit for reducing nitrogen oxide which is installed in the exhaust gas line.
  • large fluctuations occur in the amount of nitrogen oxide generated and in the exhaust gas mass flow and temperature per unit of time.
  • an intermediate value for the reducing agent rate is determined, which is reduced by a reducing agent rate desorbed by the catalyst unit or increased by a reducing agent rate adsorbed by the catalyst unit.
  • the reducing agent rate is adjusted so that slip, i.e. a non-implementation of the reducing agent is avoided.
  • the exact setting of the reducing agent rate is achieved in particular by including the operating parameters of the catalyst.
  • the air mass flow, the control rod travel corresponding to the position of the fuel injection device, the boost pressure and / or the engine speed are used as operational parameters of the engine.
  • the acquisition of these parameters is usually common in modern electronic diesel controls anyway, so that for most cases there is no additional effort.
  • the mass flow can also be determined arithmetically by measuring the engine speed, the boost pressure or the charge air temperature with simultaneous knowledge of the engine stroke volume. It is thus possible to determine the nitrogen oxide rate by comparing the parameters relevant to operation from the known map data of the engine. This map data can be stored in a control unit.
  • the operational parameters of the catalyst unit can be its temperature, its catalytic activity and its pressure and temperature profile, its specific storage capacity for the reducing agent and its physical size, such as geometry, heat transfer and weight of the catalytically active composition. These parameters can also be stored in another or the same control unit. Using these parameters, it is possible for the control unit to make an exact statement about the current operating state of the catalytic converter. Furthermore, a precise statement can be made about the amount of reducing agent desorbing from the catalyst per unit of time via the parameters, for example in the event of positive load jumps of the engine. In the event of negative load jumps that result in a reduction in the exhaust gas temperature, the additionally detectable storage capacity of the catalytic converter for the reducing agent can be determined.
  • the object of the invention is to provide an engine system with an internal combustion engine, in particular a diesel engine, in which compliance with pollutant limit values can be ensured during the operation of the internal combustion engine.
  • Another object of the invention is to provide a method for controlling an internal combustion engine to comply with prescribed pollutant limit values in the exhaust gas.
  • the object directed to an engine system with an internal combustion engine is achieved by such an engine system in which an electronic engine control system for influencing the combustion of a fuel and an exhaust gas cleaning system comprising an exhaust gas line, a cleaning device connected to the exhaust gas line for aftertreatment of the exhaust gas and a control device connected to the latter is provided, the motor control being connected to the control device for bidirectional signal transmission.
  • an electronic engine control system for influencing the combustion of a fuel and an exhaust gas cleaning system comprising an exhaust gas line, a cleaning device connected to the exhaust gas line for aftertreatment of the exhaust gas and a control device connected to the latter is provided, the motor control being connected to the control device for bidirectional signal transmission.
  • the invention is based on the knowledge that a particularly favorable operation of the internal combustion engine while observing pollutant limit values with desired performance characteristics of the internal combustion engine can depend on corresponding operating parameters of the exhaust gas cleaning system.
  • an engine system comprising an internal combustion engine and an exhaust gas purification system can thus be considered as a holistic system for the first time, in which not only control of the cleaning device to comply with pollutant limit values, but also simultaneous, adapted control of the internal combustion engine with regard to selected ones Operating parameters of the internal combustion engine can be carried out.
  • a bidirectional data exchange between the motor control and the control device of the cleaning device can take place, for example, via a CAN bus or a suitable processor bus.
  • Such a bidirectional data exchange enables engine management of the internal combustion engine, in particular of the diesel engine, both according to operating parameters of the internal combustion engine and according to operating parameters of the cleaning device.
  • a corresponding intervention in the engine control can take place depending on the available reducing agent of a DeNO x catalytic converter.
  • the engine system is therefore preferably designed in such a way that the internal combustion engine is controlled taking into account at least one operating parameter of the internal combustion engine and the cleaning device in order to comply with specified pollutant limit values and at the same time to influence at least one combustion process variable.
  • This combustion process variable is preferably the fuel consumption.
  • control can be carried out by linking the characteristic values of the internal combustion engine as a function of the characteristic values of the cleaning device.
  • the characteristic value fields of the internal combustion engine can include, for example, the air mass flow, the position of the control rod path corresponding to the fuel injection device, the boost pressure and / or the engine speed depending on one another or on other parameters, such as the load of the internal combustion engine.
  • the characteristic value fields for the pollutant contents, for example nitrogen oxides, in the exhaust gas of the internal combustion engine are known for different load conditions at different revolutions.
  • the characteristic value fields of commercially available exhaust gas cleaning systems are also known or can be determined by simple measurements on a test bench.
  • the adsorption equilibrium of the reducing agent, for example of ammonia in a DeNO x catalytic converter is also known for commercially available cleaning devices, but is at least easy to determine. Taking these characteristics into account, it is possible, for example, with software or microelectronic implementation. lent to specifically set the combustion of the fuel for each operating state of the internal combustion engine, taking into account the associated operating state of the cleaning device, with regard to a combustion process size, preferably a lower fuel consumption.
  • the control of the cleaning device reference is made, for example, to EP 0 697 062 B1, the contents of which are hereby fully incorporated.
  • the cleaning device preferably has a DeNO x catalyst, which is particularly suitable for the pollutants of the internal combustion engine assigned to it, in particular a diesel engine for trucks or cars. By appropriately setting the engine control and also taking into account the operating parameters of the cleaning device, a reduction in the fuel (fuel) is also achieved.
  • the DeNO x catalyst preferably has a catalytically active material with a selective catalytic effect (SCR).
  • SCR selective catalytic effect
  • a metering unit for supplying and metering a reducing agent to the DeNO x catalyst is preferably provided, which metering unit can be controlled in particular by the control device.
  • the reducing agent is preferably nitrogen-containing, in particular urea or ammonia.
  • the cleaning device can furthermore have a particle catalyst and / or an oxidation catalyst, which additionally limits the pollutant contents Hydrocarbons, carbon monoxide and soot particles reached
  • the cleaning device preferably has a carrier for a catalytically active material, which carrier is a metal grid, a metal foil or an inert or refractory ceramic. It is also possible that the carrier is already produced as a honeycomb-shaped full extrudate from a catalytically active, in particular ceramic, material.
  • Suitable catalytically active materials are, for example, titanium oxide T ⁇ 0 2 with one or more additives containing tungsten oxide W0 3 , molybdenum oxide M0 3 or vanadium oxide V 2 0 5 .
  • the preferred operating temperatures of such a catalytically active substance are, for example, between 150 ° C. and 550 ° C. Within this temperature range, ammonia slip and undesirable reactions of the ammonia with the sulfur oxides containing the exhaust gas and the formation of undesired nitrogen compounds are particularly well avoided.
  • the reduction of the pollutants in the exhaust gas can be achieved by influencing the combustion accordingly, in particular with a view to reducing the emissions of hydrocarbons, carbon monoxide and particles, as a result of which an increase in the emission of nitrogen oxides can be tolerated, since this is caused by an appropriately suitable one
  • Exhaust gas purification system especially with a DeNO x catalytic converter, can be reduced below the prescribed limit values.
  • the engine system can be a diesel engine, as is the case with is used for example in passenger cars, commercial vehicles, ships, rail vehicles or the like.
  • SCR selectively catalytically reactive
  • the object directed to a method for controlling an internal combustion engine, in particular a diesel engine is achieved in that the combustion process of the fuel is controlled via an electronic engine control depending on at least one operating parameter of the internal combustion engine and a cleaning device for aftertreatment of the exhaust gas of the internal combustion engine, whereby compliance with predetermined pollutant limit values in the exhaust gas is achieved and at least one combustion process size is kept at a low value.
  • the fuel consumption is preferably kept low, which is achieved by appropriate measures on the engine side. These measures aim at a significant reduction in the consumption of fuel (fuel) ao, in which an increase in pollutant emissions can also occur, the increased pollutant emissions being reduced by a corresponding control of the cleaning device in such a way that the specified pollutant limit values are undershot.
  • the single figure shows schematically and not to scale an engine system 1 with an internal combustion engine 2 and an exhaust gas purification system 4.
  • Engine system 1 comprises an internal combustion engine 2, in particular a diesel engine, in which the combustion of a fuel takes place.
  • the internal combustion engine 2 has a supply of fuel (not shown), an intake line 10 for combustion air and an electric motor control 3 for controlling or regulating the combustion of the fuel.
  • An exhaust gas cleaning system 4 is connected to the internal combustion engine 2, which has an exhaust pipe 5 and a cleaning device 6, in particular a DeN (catalyst).
  • Exhaust gas 14 is led into the exhaust line 5, an addition unit 16 for a reducing agent 21 is arranged, through which the reducing agent 21 can be supplied to the exhaust gas 14 upstream of the cleaning device 6.
  • the addition unit 16 is connected via a metering unit 9 to a storage tank 15 for the reducing agent 21
  • the metering unit 9 is connected via a control line 17 to a control device 7, a control signal from the control device 7 for metering the amount of reducing agent 21 being fed to the metering unit 9.
  • a fullness sensor 20 is connected to the storage tank 15, which in turn is connected via a control line 2 3 is connected to the control device 7.
  • a signal about the full level of the reducing agent 21 can be fed to the control device 7 via the control line 23, in particular when the reducing agent 21 is almost completely used up.
  • the control device 7 has a connection 18 for a data memory or the like, as a result of which the characteristic data and operating parameters necessary for controlling the cleaning device 6 can be fed to the control device 7 in accordance with the characteristic values of the cleaning device 6.
  • the control device 7 can of course also have its own memory, in which all the relevant data for controlling the cleaning device 6 are present. D e
  • Control device 7 is connected to motor controller 3 via a bidirectional control line 22.
  • the control line 22 can be designed as an appropriately suitable bus system as required. It is of course also possible to design the motor control 3 and the control device 7 as an electronic, microelectronic or software-based unit.
  • the exhaust gas purification system 4 preferably comprises an oxidation catalytic converter 11 and / or a particle catalytic converter downstream of the DeNO x catalytic converter 6. It is also conceivable that these three types of catalysts mentioned are realized in a single catalyst 6.
  • the DeNO x catalytic converter 6 has a carrier 12, for example a metal foil, a metal grid or an inert or refractory ceramic, which is coated with a catalytically active material 13. It is also possible that the carrier 12 of the DeNO x catalyst 6 is already made of a catalytically active material, for example as a honeycomb-like full extrudate.
  • a load-dependent combustion takes place in the internal combustion engine 2, in which the exhaust gas 14 containing pollutants is produced, which is supplied to the exhaust gas purification system 4 to reduce at least individual pollutants, such as nitrogen oxides.
  • the combustion takes place taking into account the performance of the engine to be achieved as a function of both the characteristics of the internal combustion engine 2 and the exhaust gas purification system 4.
  • engine-based measures can already be used to determine the formation of pollutants, such as Carbon monoxide, hydrocarbons and particles are carried out with the proviso that fuel consumption is as low as possible, whereupon undesirably high pollutant emissions, for example of nitrogen oxides, can subsequently be reduced to below predetermined maximum values for pollutants by the correspondingly controlled cleaning device 6.
  • pollutants such as Carbon monoxide, hydrocarbons and particles
  • undesirably high pollutant emissions for example of nitrogen oxides
  • the cleaning device for example the DeNO x catalytic converter
  • the cleaning device fails, compliance with the required pollutant limit values is nevertheless ensured, for example by switching the engine operating maps to engine-side pollutant reduction, in particular by means of a fuel injection which is set later.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Motorsystem (1) mit einem Verbrennungsmotor (2) mit einer elektronischen Motorsteuerung (3) sowie einer Steuereinrichtung (7) für eine Reinigungsvorrichtung (6) zur Nachbehandlung des Abgases (14), wobei die Motorsteuerung (3) über eine bidirektionale Signalübertragung mit der Steuereinrichtung (7) verbunden ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren, bei dem zur Einhaltung vorgeschriebener Schadstoffgrenzwerte im Abgas (14) eines Verbrennungsmotors (2) eine Steuerung des Verbrennungsprozesses in Abhängigkeit von zumindest jeweils einem Betriebsparameter des Verbrennungsmotors (2) und eine Reinigungsvorrichtung (6) erfolgt und weiterhin zumindest eine Verbrennungsprozeßgröße auf einem niedrigen Wert gehalten wird.

Description

Beschreibung
Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor sowie Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors
Die Erfindung betrifft ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor, mit einer elektronischen Motorsteuerung zur Beeinflussung der Verbrennung eines Brennstoffs und mit einem Abgasreinigungssystem umfas- send eine Abgasleitung, eine mit der Abgasleitung verbundene Reinigungsvorrichtung zur Nachbehandlung des Abgases sowie eine mit letzterer verbundene Steuereinrichtung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, bei dem über eine elektronische Motorsteuerung der Verbrennungsprozeß des Brennstoffs gesteuert wird.
In der DE 44 25 018 Cl ist ein Abgasreinigungssystem für einen mittels einer Motorelektronik regelbaren Verbrennungsmo- tor, insbesondere einen Dieselmotor, mit einer Einrichtung zur Nachbehandlung der Abgase mit Hilfe einer Zugabevorrichtung von Reduktionsmittel, welches m einem Speichertank gespeichert ist, beschrieben. Zur Erfassung αes Füllstandes des Reduktionsmittels m dem Speichertank sind Mittel, msbeson- dere ein Fullstandssensor, vorgesehen, die an einer Steuereinrichtung angeschlossen sind und die ein Umschalten der Motorelektronik von einer normalen auf eine verspätete Kraftstoffeinspritzung gewährleisten. Durch eine verspätete Kraftstoffeinspritzung erfolgt eine innermotorische Verminderung der Stickoxidemission, die gleichzeitig verbunden ist mit einer Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs, der Partikel- und der Kohlenwasserstoffemission. Zur Verhinderung letzterer ist es möglich, einen Katalysator umfassend einen Stickoxidkatalysa- tor und einen nachgeschalteten Oxidationskatalysator einzu- setzen. Bei einem erneuten Füllen des Speichertanks mit Reduktionsmittel wird die Steuereinrichtung der Motorelektronik wieder auf Normalkraftstoffemspritzung umgestellt. Als Re- duktionsmittel wird Harnstoff oder unmittelbar Ammoniak eingesetzt.
In der EP 0 697 062 Bl sind ein Verfahren und eine Einnch- tung zur gesteuerten Einbringung eines Reduktionsmittels m ein stickoxidhaltiges Abgas eines Verbrennungsmotors mit einer m der Abgasleitung eingebauten Katalysatoreinheit zur Stickoxidminderung beschrieben. Bei den darin beschriebenen Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, die bei ei- ner Traktion mit variabler Last- und Drehzahl betrieben werden, treten pro Zeiteinheit große Schwankungen m den erzeugten Stickoxidmengen sowie m den Abgasmassenstromen und -tem- peraturen auf. Für eine gesteuerte Einbringung des Reduktionsmittels des Katalysators wird mindestens ein betπebsrele- vanter Parameter des Abgases, mindestens ein betriebsrelevanter Parameter der Katalysatoreinheit und ggf. mindestens ein betriebsrelevanter Parameter des Motors zur Bestimmung der Stickoxidrate erfaßt. Entsprechend der Stickoxidrate wird ein Zwischenwert für die Reduktionsmittelrate bestimmt, welche um eine von der Katalysatoreinheit desorbierte Reduktionsmittelrate verringert oder um eine von der Katalysatoreinheit adsorbierte Reduktionsmittelrate erhöht wird. Hierdurch wird erreicht, daß die m das Abgas eingebrachte Reduktionsmittelrate für alle Betriebszustande des Verbrennungsmotors, die durch eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Aus- und Bewertung der betriebsrelevanten Parameter charakterisiert werden, ausreicht, die Stickoxide vollständig katalytisch umzusetzen. Gleichzeitig wird die Reduktionsmittelrate so eingestellt, daß ein Schlupf, d.h. ein Nicht-Umsetzen des Reduk- tionsmittels, vermieden wird. Besonders durch die Einbeziehung der betriebsrelevanten Parameter des Katalysators wird die exakte Einstellung der Reduktionsmittelrate erreicht.
Als betriebsrelevanter Parameter des Motors wird der Luft- massenstrom, der der Stellung der Kraftstoffemspritzemnch- tung entsprechende Regelstangenweg, der Ladedruck und/oder die Motordrehzahl verwendet. Die Erfassung dieser Parameter ist bei modernen elektronischen Dieselsteuerungen ohnehin meist üblich, so daß hierfür m den meisten Fallen kein zusätzlicher Aufwand entsteht. Der Massenstrom kann auch rechnerisch durch die Messung der Motordrehzahl, des Ladedrucks oder der Ladelufttemperatur bei gleichzeitiger Kenntnis des Motorhubvolumens bestimmt werden. Es ist somit möglich, die Stickoxidrate durch einen Vergleich der betriebsrelevanten Parameter aus den bekannten Kennfelddaten des Motors zu bestimmen. Diese Kennfelddaten können in einer Kontrolleinheit gespeichert sein.
Als betriebsrelevante Parameter der Katalysatoreinheit können deren Temperatur, deren katalytische Aktivität und deren Druck- und Temperaturverlauf, deren spezifische Speicherkapa- zitat für das Reduktionsmittel und deren physikalische Große, wie z.B. Geometrie, Wärmeübergang und Gewicht der katalytisch aktiven Masse vorgesehen sein. Diese Parameter können ebenfalls in einer weiteren oder der gleichen Kontrolleinheit gespeichert sein. Mittels dieser Parameter ist es der Kontroll- emheit möglich, eine genaue Angabe über den momentanen Be- triebszustand des Katalysators zu machen. Weiterhin kann über die Parameter, beispielsweise bei positiven Lastsprungen des Motors, eine genaue Aussage über die vom Katalysator pro Zeiteinheit desorbierende Reduktionsmittelmenge getroffen werden. Bei negativen Lastsprungen, die eine Senkung der Abgastemperatur zur Folge haben, kann das zusätzlich erfugbare Speicherver ogen des Katalysators für das Reduktionsmittel bestimmt werden. Diese exakte Bestimmung der desorbierten und adsorbierten Reduktionsmittelrate ist besonders für die Ver- meidung eines Reduktionsmittelschlupfes sowie zur Bereitstellung von zur vollständigen Umsetzung der Stickoxide ausreichenden Reduktionsmittelraten geeignet. Durch eine entsprechend gesteuerte Einbringung des Reduktionsmittels m Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors und des Katalysators können somit die beispielsweise gesetzlich vorgegebenen Schadstoffgrenzwerte für Stickoxid sicher eingehalten werden. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor, anzugeben, bei dem die Einhaltung von Schadstoffgrenzwerten während des Betriebs des Verbrennungsmotors gewährleistbar ist. Eine wei- tere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens zur Steuerung eines Verbrennungsmotors zur Einhaltung vorgeschriebener Schadstoffgrenzwerte im Abgas.
Erfindungsgemäß wird die auf ein Motorsystem mit einem Ver- brennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor, gerichtete Aufgabe durch ein solches Motorsystem gelöst, bei dem eine elektronische Motorsteuerung zur Beeinflussung der Verbrennung eines Brennstoffs und ein Abgasreinigungssystem umfassend eine Abgasleitung, eine mit der Abgasleitung verbundene Reinigungsvorrichtung zur Nachbehandlung des Abgases sowie eine mit letzterer verbundene Steuereinrichtung vorgesehen ist, wobei die Motorsteuerung für eine bidirektionale Signalübertragung mit der Steuereinrichtung verbunden ist.
Die Erfindung geht hierbei von der Erkenntnis aus, daß ein besonders günstiger Betrieb des Verbrennungsmotors unter Einhaltung von Schadstoffgrenzwerten bei erwünschten Leistungs- charakteristika des Verbrennungsmotors abhängig sein kann von entsprechenden Betriebsparametern des Abgasreinigungssystems. Dies führt zu einer ganzheitlichen Betrachtung des Motorsystems mit gegenseitigen Abhängigkeiten der Kennfelder des Verbrennungsmotors und Kennfeldern des Abgasreinigungssy- stems, z.B. eines Katalysators. Durch eine bidirektionale Signalübertragung zwischen Motorsteuerung und Steuereinrichtung kann somit erstmals ein Motorsystem umfassend einen Verbrennungsmotor und ein Abgasreinigungssystem als ganzheitliches System betrachtet werden, bei dem nicht nur eine Steuerung der Reinigungsvorrichtung zur Einhaltung von Schadstoffgrenzwerten, sondern auch eine gleichzeitige angepaßte Steuerung des Verbrennungsmotors im Hinblick auf ausgewählte Betriebsparameter des Verbrennungsmotors durchführbar ist. Ein bidirektionaler Datenaustausch zwischen der Motorsteuerung und der Steuereinrichtung der Reinigungsvorrichtung kann beispielsweise über ein CAN-Bus oder einen geeigneten Prozessor- Bus erfolgen. Ein solch bidirektionaler Datenaustausch ermöglicht ein Motormanagement des Verbrennungsmotors, insbesondere des Dieselmotors, sowohl nach Betriebsparametern des Verbrennungsmotors als auch nach Betriebsparametern der Reinigungsvorrichtung. Insbesondere kann ein entsprechender Eingriff in die Motorsteuerung in Abhängigkeit des zur Verfügung stehenden Reduktionsmittel eines DeNOx-Katalysators erfolgen.
Vorzugsweise ist das Motorsystem daher so ausgelegt, daß eine Steuerung des Verbrennungsmotors unter Berücksichtigung von zumindest jeweils einem Betriebsparameter des Verbrennungsmotors und der Reinigungsvorrichtung zur Einhaltung von vorge- gebenen Schadstoffgrenzwerten sowie gleichzeitig zur Beeinflussung zumindest einer Verbrennungsprozeßgröße erfolgt. Diese Verbrennungsprozeßgröße ist vorzugsweise der Brennstoffverbrauch. Eine solche Steuerung ist durch eine Verknüpfung der Kennwerte des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit der Kennwerte der Reinigungsvorrichtung durchführbar. Die Kennwertfelder des Verbrennungsmotors können beispielsweise umfassen den Luftmassenstrom, die Stellung des der Kraftstoffeinspritzeinrichtung entsprechenden Regelstangenweges, den Ladedruck und/oder die Motordrehzahl in Abhängigkeit zueinan- der oder zu anderen Parametern, wie der Last des Verbrennungsmotors. Weiterhin sind die Kennwertfelder für die Schad- stoffgehalte, beispielsweise Stickoxide, in dem Abgas des Verbrennungsmotors für unterschiedliche Lastzustände bei unterschiedlichen Umdrehungen bekannt. Die Kennwertfelder kom- merziell erhältlicher Abgasreinigungssysteme sind ebenfalls bekannt oder durch einfache Messungen auf einem Prüfstand ermittelbar. Auch ist das Adsorptionsgleichgewicht des Reduktionsmittels, beispielsweise von Ammoniak in einem DeNOx-Kata- lysator, für kommerziell erhältliche Reinigungsvorrichtungen bekannt, zumindest aber einfach ermittelbar. Unter Berücksichtigung dieser Kennwerte ist es beispielsweise mit einer softwaremäßigen oder mikroelektronischen Realisierung mög- lieh, für jeden Betriebszustand des Verbrennungsmotors unter Berücksichtigung des zugehörigen Betriebszustandes der Reinigungsvorrichtung die Verbrennung des Brennstoffs gezielt hinsichtlich einer Verbrennungsprozeßgroße, vorzugsweise einen geringeren Brennstoffverbrauch, einzustellen. Hmsichtlicn der Steuerung der Reinigungsvorrichtung sei beispielhaft auf die EP 0 697 062 Bl verwiesen, deren Inhalt hierdurch vollum- fanglich mit einbezogen ist.
Durch eine geeignete Kombination von motorseitigen Maßnahmen, wie z.B. fruhgestellte Kraftstoffeinspritzung, drallarme Verbrennung, Hochdruckeinspritzung des Kraftstoffes bei 1000 bis 2000 Bar, und Verwendung einer entsprechenden Reinigungsvorrichtung, beispielsweise eines geeigneten Katalysatorsystems, ist die Einhaltung von Schadstoffgrenzwerten, wie z.B.
Stickoxide, Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Rußpartikel, gleichzeitig gewährleistet.
Vorzugsweise weist die Reinigungsvorrichtung einen DeNOx-Ka- talysator auf, welcher insbesondere auf die Schadstoffe des ihm zugeordneten Verbrennungsmotors, insbesondere einem Dieselmotor für LKW oder PKW, geeignet ist. Durch eine entspre- chenαe Einstellung der Motorsteuerung und Berücksichtigung auch der Betriebsparameter der Reinigungsvorrichtung ist it- hin zudem eine Reduktion des Brennstoffs (Kraftstoffs) erreicht. Der DeNOx-Katalysator weist vorzugsweise ein kataly- tisch aktives Material mit einer selektiven katalytischen Wirkung (SCR) auf. Vorzugsweise ist hierbei eine Dosierem- heit zur Zufuhrung und Dosierung eines Reduktionsmittels zu dem DeNOx-Katalysator vorgesehen, welche Dosiereinheit insbesondere von der Steuereinrichtung ansteuerbar ist. Das Reduktionsmittel ist hierbei vorzugsweise stickstoffhaltig, insbesondere Harnstoff oder Ammoniak. Die Reinigungsvorrichtung kann zur Nachbehandlung des Abgases weiterhin einen Partikel- Katalysator und/oder einen Oxidationskatalysator aufweisen, wodurch zusätzlich eine Begrenzung der Schadstoffgehalte an Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Rußpartikeln erreicht
Die Reinigungsvorrichtung weist vorzugsweise einen Trager für ein katalytisch aktives Material auf, welcher Trager ein Me- tallgitter, eine Metallfolie oder eine Inert- oder Feuerfestkeramik ist. Es ist ebenfalls möglich, daß der Trager bereits als ein wabenformiges Vollextrudat aus einem katalytisch aktiven, insbesondere keramischen Material hergestellt ist. Als katalytisch aktive Materialien eignet sich beispielsweise Ti- tanoxid Tι02 mit einem oder mehreren Zusätzen enthaltend Wolframoxid W03, Molybdanoxid M03 oder Vanadiumoxid V205. Die bevorzugten Einsatztemperaturen einer solchen katalytisch aktiven Substanz liegen beispielsweise zwischen 150 °C und 550 °C. Innerhalb dieses Temperaturbereiches werden ein Ammoniakschlupf sowie unerwünschte Reaktionen des Ammoniaks mit dem Abgas enthaltenden Schwefeloxiden sowie die Bildung unerwünschter Stickstoff erbindungen besonders gut vermieden.
Mit dem oben beschriebenen Motorsystem ist es erstmalig erreicht, bei einer gleichzeitigen Reduzierung der Emission an Stickoxiden, Kohlenwasserstoffen und Partikeln, insbesondere bei Dieselmotoren, unterhalb vorgegebener Schadstoffgrenz- werte auch eine verbesserte, quantitativere Verbrennung des Brennstoffs (Kraftstoffs) zu erreichen. Gegenüber Maßnahmen, die lediglich auf die Einhaltung von Schadstoffgrenzwerten im Abgas gerichtet sind, ist hierdurch be einer geforderten Motorleistung auch ein verminderter Brennstoffverbrauch erreichbar. Die Reduktion der Schadstoffe im Abgas kann hierbei durch eine entsprechende Beeinflussung der Verbrennung, insbesondere im Hinblick auf eine Senkung der Emissionen an Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Partikeln, erzielt werden, wodurch auch ein Anstieg der Emission an Stickoxiden tolerierbar ist, da diese durch ein entsprechend geeignetes Ab- gasreinigungssystem, insbesondere mit einem DeNOx-Katalysa- tor, unter vorgeschriebene Grenzwerte reduziert werden. Das Motorsystem kann hierbei ein Dieselmotor sein, wie er bei- spielsweise in Personenkraftwagen, Nutzfahrzeugen, Schiffen, Schienenfahrzeugen oder ähnlichen eingesetzt wird.
Es ist ebenfalls möglich, einen selektiv katalytisch reakti- ven (SCR-) Katalysator vorzusehen, welcher durch entsprechende Wahl des katalytisch aktiven Materials sowohl eine Minderung von Stickoxiden mit stickstoffhaltigen Reduktionsmitteln als auch eine Oxidation von Kohlenwasserstoffen und eine Minderung der Anzahl und Masse der emittierten Partikel, insbesondere Rußpartikel, gewährleistet.
Die auf ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, gerichtete Aufgabe wird dadurch gelost, daß über eine elektronische Motorsteuerung der Verbrennungsprozeß des Brennstoffs m Abhängigkeit von zumindest jeweils einem Betriebsparameter des Verbrennungsmotors und einer Reinigungsvorrichtung zur Nachbehandlung des Abgases des Verbrennungsmotors gesteuert wird, wobei die Einhaltung vorgegebener Schadstoffgrenzwerte im Abgas erreicht und zumindest eine Verbrennungsprozeßgroße auf einem niedrigen Wert gehalten wird. Bevorzugt wird der Brennstoffverbrauch gering gehalten, was durch entsprechende motorseitige Maßnahmen erreicht wird. Diese Maßnahmen zielen auf eine deutlicne Verringerung des Verbrauchs an Brennstoff (Kraftstoff) ao, bei denen auch eine Erhöhung des Schadstoffausstosses auftreten kann, wobei der erhöhte Schadstoffausstoß durch eine entsprechende Ansteuerung der Reinigungsvorrichtung so reduziert wird, daß vorgegebene Schadstoffgrenzwerte unterschritten werden.
Das Motorsystem sowie das Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors werden beispielhaft m einem Ausfuhrungsbei- spiel erläutert.
Die einzige Figur zeigt hierbei schematisch und nicht maßstäblich ein Motorsystem 1 mit einem Verbrennungsmotor 2 und einem Abgasreinigungssystem 4. Das m der Figur dargestellte Motorsystem 1 umfaßt einen Verbrennungsmotor 2, insbesondere einen Dieselmotor, m dem die Verbrennung eines Brennstoffs stattfindet. Der Verbrennungsmotor 2 weist hierzu eine nicht dargestellte Zufuhrung von Brennstoff, eine Ansaugleitung 10 für Verbrennungsluft sowie eine elektrische Motorsteuerung 3 zur Steuerung bzw. Regelung der Verbrennung des Brennstoffs auf. An den Verbrennungsmotor 2 ist ein Abgasreinigungssystem 4 angeschlossen, welches eine Abgasleitung 5 und eine Reinigungsvorrichtung 6, insbesondere einen DeN(\-Katalysator, aufweist. In der Abgasleitung 5 sowie durch die Reinigungsvorrichtung 6 hindurch wird das bei der Verbrennung des Brennstoffs mit der Verbrennungsluft entstehende Abgas 14 gefuhrt. In die Abgasleitung 5 ist ein Zugabeeinheit 16 für ein Reduktionsmittel 21 angeordnet, durch welche dem Abgas 14 das Reduktionsmittel 21 stromauf der Reinigungsvorrichtung 6 zufuhrbar ist. Die Zugabeeinheit 16 ist über eine Dosiereinheit 9 mit einem Speichertank 15 für das Reduktionsmittel 21 verbunden. Die Dosiereinheit 9 ist über eine Steuerleitung 17 mit einer Steuereinrichtung 7 verbunden, wobei ein Steuersi- gnal von der Steuereinrichtung 7 zur Dosierung der Menge an Reduktionsmittel 21 der Dosiereinheit 9 zufuhrbar ist. Mit dem Speichertank 15 ist ein Fullstandssensor 20 verbunden, welcher seinerseits über eine Steuerleitung 23 mit der Steuereinrichtung 7 verbunden ist. Über die Steuerleitung 23 ist der Steuereinrichtung 7 ein Signal über die Fullstandshohe des Reduktionsmittels 21 zufuhrbar, insbesondere dann, wenn das Reduktionsmittel 21 fast vollständig verbraucht ist. Die Steuereinrichtung 7 weist einen Anschluß 18 für einen Datenspeicher oder ahnliches auf, wodurch der Steuereinrichtung 7 entsprechend der Kennwerte der Reinigungsvorrichtung 6 die zur Ansteuerung der Reinigungsvorrichtung 6 notwendigen Kenndaten und Betriebsparameter zufuhrbar sind. Die Steuereinrichtung 7 kann selbstverständlich auch über einen eigenen Speicher verfugen, m dem alle relevanten Daten für die An- Steuerung der Reinigungsvorrichtung 6 vorhanden sind. D e
Steuereinrichtung 7 ist über eine bidirektionale Steuerleitung 22 mit der Motorsteuerung 3 verbunden. Die Steuerleitung 22 kann e nach Anforderung als ein entsprechend geeignetes Bussystem ausgeführt sein. Es ist selbstverständlich auch möglich, die Motorsteuerung 3 und die Steuereinrichtung 7 als eine elektronische, mikroelektronische oder softwaremaßige Einheit auszugestalten.
Das Abgasreinigungssystem 4 umfaßt vorzugsweise dem DeNOx-Ka- talysator 6 nachgeschaltet einen Oxidationskatalysator 11 und/oder einen Partikelkatalysytor . Es ist ebenfalls denkbar, daß diese genannten drei Arten von Katalysatoren m einem einzigen Katalysator 6 realisiert sind. Der DeNOx-Katalysator 6 weist einen Trager 12, beispielsweise eine Metalifolie, ein Metallgitter oder eine Inert- bzw. Feuerfestkeramik auf, welcher mit einem katalytisch aktiven Material 13 beschichtet ist. Es ist ebenfalls möglich, daß der Trager 12 des DeNOx- Katalysators 6 bereits aus einem katalytisch aktiven Material, beispielsweise als wabenformiges Vollextrudat, hergestellt ist.
Je nach Einstellung der elektronischen Motorsteuerung 3 erfolgt eine lastabhangige Verbrennung m dem Verbrennungsmotor 2, bei der das schadstoffhaltige Abgas 14 entsteht, welches zur Reduktion zumindest einzelner Schadstoffe, wie beispielsweise Stickoxiden, dem Abgasreinigungssystem 4 zugeführt wird. Die Verbrennung erfolgt hierbei unter Berücksichtigung einer zu erzielenden Leistung des Motors m Abhängigkeit sowohl von Kenndaten des Verbrennungsmotors 2 als auch des Ab- gasreinigungssystems 4. Unter einer ganzheitlichen Betrachtung der Entstehung und Reduzierung von Schadstoffen kann hierbei bereits durch motorseitige Maßnahmen die Entstehung von Schadstoffen, wie Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und Partikeln, mit der Maßgabe eines möglichst geringen Brennstoffverbrauchs durchgeführt werden, wobei gegebenenfalls unerwünscht hohe Schadstoffemissionen, beispielsweise an Stickoxiden, durch die entsprechend angesteuerte Reinigungsvorrichtung 6 nachtraglich unter vorgegebene Höchstwerte für Schadstoffe reduziert werden können. Durch eine solche ganz- heitliche Betrachtung der Entstehung von Schadstoffen im Verbrennungsmotor und der Reduzierung von Schadstoffen m der Reinigungsvorrichtung kann unter Einhaltung der vorgegebenen Schadstoffgrenzwerte zusätzlich noch zumindest eine weitere Verbrennungsprozeßgröße gesteuert bzw. geregelt werden. Dies ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf einen möglichst geringen Brennstoffverbrauch. Bei Ausfall der Reinigungsvorrichtung, z.B. des DeNOx-Katalysators, ist dennoch die Einhaltung der geforderten Schadstoffgrenzwerte gewährleistet, beispielsweise durch Umschalten der Motorbetriebskennfelder auf motorseitige Schadstoffminderung, insbesondere durch eine später gestellte Kraftstoffeinspritzung.

Claims

Patentansprüche
1. Motorsystem (1) mit einem Verbrennungsmotor (2), insbesondere einem Dieselmotor, mit einer elektronische Motorsteue- rung (3) zur Beeinflussung der Verbrennung eines Brennstoffs und mit einem Abgasreinigungssystem (4) umfassend eine Abgas¬ leitung (5) , eine mit der Abgasleitung (5) verbundenen Reinigungsvorrichtung (6) zur Nachbehandlung des Abgases (14) sowie einer mit letzterer verbundenen Steuereinrichtung (7), wobei die Motorsteuerung (3) für eine bidirektionale Si- gnalubertragung mit der Steuereinrichtung (7) verbunden ist.
2. Motorsystem (1) nach Anspruch 1, bei dem eine Steuerung des Verbrennungsmotors (2) unter Berücksichtigung von zu in- dest jeweils einem Betriebsparameter des Verbrennungsmotors
(2) und der Reinigungsvorrichtung (6) zur Einhaltung von vorgegebenen Schadstoffgrenzwerten und zur Beeinflussung zumindest einer Verbrennungsprozeßgroße erfolgt.
3. Motorsystem (1) nach Anspruch 2, bei dem die Verbrennungsprozeßgroße ein möglichst geringer Brennstoffverbrauch ist.
4. Motorsystem (1) nach Anspruch 2 oder 3, bei dem Schadstoffgrenzwerte für Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Stickoxide und/oder Rußpartikel vorgegeben sind.
5. Motorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Reinigungsvorrichtung (6) einen DeNOx-Katalysator aufweist .
6. Motorsystem (1) nach Anspruch 5, mit einer Dosierungseinheit (9) zur Zufuhrung und Dosierung eines Reduktionsmittel
(8) zu dem DeNOx-Katalysator (6), welche Dosierungseinheit
(9) von der Steuereinrichtung (7) ansteuerbar ist.
7. Motorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Reinigungsvorrichtung (6) zur Nachbehandlung des Abgases einen Partikel-Katalysator aufweist.
8. Motorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Reinigungsvorrichtung (6) einen Oxidations-Kata- lysator (11) aufweist.
9. Motorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Reinigungsvorrichtung (6) einen Träger (12) für ein katalytisch aktives Material (13) aufweist, welcher Träger (12) ein Metallgitter, eine Metallfolie oder eine Inertoder Feuerfestkeramik ist.
10. Motorsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Reinigungsvorrichtung (6) einen Träger (12) aus einem katalytisch aktiven Material aufweist.
11. Motorsystem (1) nach Anspruch 10, bei der der Träger (12) als wabenförmiges Vollextrudat ausgeführt ist.
12. Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors (2), insbesondere eines Dieselmotors, bei dem über eine elektronische Motorsteuerung (3) der Verbrennungsprozeß des Brenn- stoffs in Abhängigkeit von zumindest jeweils einem Betriebsparameter des Verbrennungsmotors (2) und einer Reinigungsvorrichtung (6) zur Nachbehandlung des Abgases (14) des Verbrennungsmotors (2) gesteuert wird, wobei die Einhaltung vorgeschriebener Schadstoffgrenzwerte im Abgas (14) erreicht und zumindest eine Verbrennungsprozeßgröße auf einem niedrigem Wert gehalten wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Brennstoffverbrauch gering gehalten wird.
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