WO2013139848A1 - Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine - Google Patents

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Holger HÜLSER
Bernhard Breitegger
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine, in particular with self-ignition, with at least one SCR catalytic converter in the exhaust system and an exhaust gas recirculation system with an exhaust gas recirculation valve, wherein the exhaust gas recirculation amount and / or the position of the exhaust gas recirculation valve in dependence on the NOx concentration upstream of the SCR catalyst is regulated so that a measured by at least a first NOx sensor upstream of the SCR catalyst NOx concentration corresponds to a predetermined NOx concentration setpoint.
  • the engine must be operated at higher exhaust gas recirculation rates to reduce the engine's NOx emissions, and still maintain the required low levels despite reduced NOx conversion capability To achieve NOx concentrations downstream of the SCR catalyst.
  • JP 2000-282958 A an internal combustion engine with an exhaust gas recirculation system and an SCR catalyst is known, wherein the exhaust gas recirculation valve is controlled by a control unit so that a measured by a NOx sensor upstream of the SCR catalyst NOx concentration of a NOx concentration Setpoint corresponds.
  • the object of the invention is to avoid these disadvantages and to be able to comply with the legally prescribed NOx emission limit values at the end of the exhaust gas line independently of aging phenomena in the simplest possible way.
  • this is achieved by also measuring the NOx concentration in the exhaust gas downstream of the SCR catalytic converter with at least one second NOx sensor and comparing it with the NOx concentration of the first NOx sensor upstream of the SCR catalytic converter and from a comparison determining an efficiency value of the SCR catalyst for the NOx conversion, wherein the NOx concentration target value is adjusted upstream of the SCR catalyst when the determined efficiency value deviates from a predetermined efficiency target value.
  • the NOx concentration setpoint upstream of the SCR catalyst is reduced if the determined efficiency value is less than a predetermined efficiency setpoint.
  • the setpoint specification for the efficiency of the SCR catalytic converter depends on the operating conditions of the SCR catalytic converter, in particular the temperature and / or the space velocity of the exhaust gas flow, the operating conditions of the internal combustion engine, in particular the rotational speed and / or the load and or that measured by the first NOx sensor NOx concentration.
  • the NOx concentration setpoint for the NOx concentration at the location of the first NOx sensor may be a function of at least one operating parameter of the internal combustion engine, preferably the speed or the load, and / or at least one environmental parameter, preferably the atmospheric pressure.
  • the control can be adapted quickly to changing conditions, and to tolerances in the exhaust gas recirculation system.
  • an upper limit value for the exhaust gas recirculation quantity and / or for the opening position of the exhaust gas recirculation valve is specified as a function of at least one operating parameter of the internal combustion engine, preferably the rotational speed or the load.
  • the upper limit value for the exhaust gas recirculation quantity and / or for the position of the exhaust gas recirculation valve is predefined as a function of at least one environmental parameter, preferably the atmospheric pressure. This allows a rapid adaptation to changes even at the limit.
  • Fig. 1 shows schematically an internal combustion engine for carrying out the method according to the invention
  • Fig. 2 shows the procedure.
  • Fig. 1 shows schematically an internal combustion engine 1, with an intake manifold 2, an exhaust line 3 and an exhaust gas recirculation system 4 for returning exhaust gases from the exhaust line 3 in the intake manifold 2.
  • an SCR catalyst 5 is arranged, with which NOx in Exhaust gas can be reduced.
  • a first NOx sensor 6, downstream of the SCR catalyst 5, a second NOx sensor 7 is arranged. With the two NOx sensors 6, 7, the NOx conversion of the SCR catalyst 5 can be monitored.
  • the NOx sensors 6, 7 are in communication with an electronic control unit ECU. Further, the electronic control unit ECU is connected to an exhaust gas recirculation valve 8 with which the exhaust gas recirculation amount can be controlled.
  • the two NOx sensors 6 and 7 are included as standard in conventional SCR catalyst systems.
  • a setpoint value NOx s for the NOx concentration at the location of the first NOx sensor 6 is determined. It is advantageous if this specification NOx s depends on operating parameters of the internal combustion engine 1, such as in particular the rotational speed n, the load L, but also of environmental parameters such as the atmospheric pressure p. From the comparison of the first NOx concentration measured by the first NOx sensor NOxn and the specification NOx s of the NOx concentration, a desired value EGR S for the position of the exhaust gas recirculation valve 8 or the exhaust gas recirculation rate is calculated in a further step.
  • step 30 it is examined whether the setpoint value EGR S for the position of the exhaust gas recirculation valve 8 or the exhaust gas recirculation rate exceeds a maximum value EGR max and equals the maximum value EG R max when the setpoint value EG R S is exceeded.
  • EGR max a maximum value
  • EG R max the maximum value of the exhaust gas recirculation rate
  • an efficiency value K N ox of the SCR catalytic converter for the NOx conversion is first calculated in step 40 from the comparison of the signals NOxn and NOxi 2 of the two NOx sensors 6, 7. If the calculated value K efficiency of NOx by a reference value K s NOx from the NOx concentration setpoint NOx is adapted s (step 50). In particular, the NOx concentration target value specification NOx s is reduced by a predefined value ⁇ if the efficiency value K NOx is too low.
  • the setpoint input K NOx s for the efficiency K NOx of the SCR catalytic converter depends on operating conditions of the SCR catalytic converter 5 (in particular the temperature and / or the space velocity of the exhaust gas flow in the SCR catalytic converter) and / or operating conditions Internal combustion engine 1 (in particular, the rotational speed n and / or the load L) and / or the NOx concentration NOxn, which is measured by the first NOx sensor 6.
  • the exhaust gas recirculation control can be realized without additional sensors in the air path.
  • a pure control of the exhaust gas recirculation valve 8 there is the advantage that changes and tolerances in the exhaust gas recirculation system 4 are immediately recognized by the first NOx sensor 6 based on changed NOx emissions.
  • aging of the SCR system be compensated by the NOx emissions of the internal combustion engine 1 are reduced by increasing the exhaust gas recirculation rate. Although this may lead to a slight increase in the fuel consumption of the internal combustion engine 1 with increasing aging of the SCR system, the legally required emissions can be maintained in any case.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere mit Selbstzündung, mit zumindest einem SCR-Katalysator (5) im Abgasstrang (3) und einen Abgasrückführsystem (4) mit einem Abgasrückführventil (8), wobei die Abgasrückführmenge und/oder die Stellung das Abgasrückführventils (8) in Abhängigkeit der NOx-Konzentration stromaufwärts des SCR-Katalysators (5) so geregelt wird, dass eine durch zumindest einen ersten NOx-Sensor (6) stromaufwärts des SCR-Katalysators (5) gemessene NOx-Konzentration (NOxI1) einem vorgegebenen NOx-Konzentrations-Sollwert (NOxs) entspricht. Um mit geringem Aufwand gesetzlich vorgeschriebene NOx-Emissionsgrenzwerte unabhängig von Alterungserscheinungen einhalten zu können, ist vorgesehen, dass auch stromabwärts des SCR-Katalysators (5) die NOx-Konzentration im Abgas mit zumindest einem zweiten NOx-Sensor (7) gemessen wird und mit der NOx-Konzentration (NOxI1) des ersten NOx-Sensors (6) stromaufwärts des SCR-Katalysators (5) verglichen wird und aus einem Vergleich der NOx-Messwerte (NOxI1, NOxI2) ein Effizienzwert (Kn0x) des SCR-Katalysators (5) für die NOx-Konvertierung bestimmt wird, wobei der NOx-Konzentrations-Sollwert (NOxs) stromaufwärts des SCR-Katalysators (5) angepasst wird, wenn der ermittelte Effizienzwert (Kn0x) von einem vorgegebenen Effizienzsollwert (Kn0xs) abweicht.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere mit Selbstzündung, mit zumindest einem SCR-Katalysator im Abgasstrang und einem Abgasrückführsystem mit einem Abgasrückführventil, wobei die Abgasrückführmenge und/oder die Stellung des Abgasrückführventils in Abhängigkeit der NOx-Konzentration stromaufwärts des SCR-Katalysators so geregelt wird, dass eine durch zumindest einen ersten NOx-Sensor stromaufwärts des SCR-Katalysators gemessene NOx-Konzentration einem vorgegebenen NOx- Konzentrations-Sollwert entspricht.
Wenn die NOx-Konvertierungsfähigkeit des SCR-Katalysators im Laufe der Zeit durch Alterungs- oder Entgiftungseffekte abnimmt, muss die Brennkraftmaschine mit höheren Abgasrückführraten betrieben werden, um so die NOx-Emissionen der Brennkraftmaschine zu reduzieren und damit trotz verminderter NOx-Konvertierungsfähigkeit noch die geforderten niedrigen NOx-Konzentrationen stromab vom SCR-Katalysator zu erzielen.
Es ist bekannt, die Regelung des rückgeführten Abgases auf der Basis eines Luftmassen- oder Lambdasensors durchzuführen. Die dafür erforderlichen Sensoren sind allerdings teuer. Weiters erfordert die Vorgabe einer Soll-Luftmasse bzw. eines Soll-Wertes für Lambda eine Vielzahl von Korrekturen, um hierdurch in unterschiedlichen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine niedrige NOx- Emissionen zu erzielen. Diese Vielzahl von Korrekturen ist aufwändig zu handhaben.
Aus der JP 2000-282958 A ist eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasrückführsystem und einem SCR-Katalysator bekannt, wobei das Abgasrückführventil durch eine Steuereinheit so gesteuert wird, dass eine durch einen NOx-Sensor stromaufwärts des SCR-Katalysators gemessene NOx-Konzentration einem NOx- Konzentrations-Sollwert entspricht.
Bei diesem Verfahren kann allerdings eine Verschlechterung der NOx-Konvertie- rung des SCR-Katalysators durch Alterungseffekte, Vergiftung, etc. nicht berücksichtigt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und auf möglichst einfache Weise gesetzlich vorgeschriebene NOx-Emissionsgrenzwerte am Ende des Abgasstrangs unabhängig von Alterungserscheinungen einhalten zu können. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass auch stromabwärts des SCR- Katalysators die NOx-Konzentration im Abgas mit zumindest einem zweiten NOx- Sensor gemessen wird und mit der NOx-Konzentration des ersten NOx-Sensors stromaufwärts des SCR-Katalysators verglichen wird und aus einem Vergleich der NOx-Messwerte ein Effizienzwert des SCR-Katalysators für die NOx-Konvertie- rung bestimmt wird, wobei der NOx-Konzentrations-Sollwert stromaufwärts des SCR-Katalysators angepasst wird, wenn der ermittelte Effizienzwert von einem vorgegebenen Effizienzsollwert abweicht.
Heutige SCR-Katalysatorsysteme weisen üblicherweise sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts standardmäßig bereits je einen NOx-Sensor auf, um die NOx- Konvertierung des SCR-Katalysators zu überwachen. Somit ist zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine zusätzliche Sensorik erforderlich. Weicht der berechnete Effizienzwert vom vorgegebenen Effizienzsollwert ab, so wird die Abgasrückführung so angepasst, dass der aufgrund des geänderten ermittelten Effizienzwertes des SCR-Katalysators geänderte Sollwert für die NOx- Konzentration stromaufwärts des SCR-Katalysators auch tatsächlich erreicht wird .
Für den Fachmann ist es hierbei leicht ersichtlich, dass die Anpassung der Abgasrückführung hierbei durch die Anpassung einer Soll-Abgasrückführrate oder durch die Anpassung eines Sollwertes für die Position des Abgasrückführventils oder durch die Anpassung eines Sollwertes für das Luft/Kraftstoff- Verhältnisses Lambda oder durch eine Anpassung der Soll-Luftmasse oder durch ähnliche bekannte Verfahren erfolgen kann.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der NOx-Konzentrations-Sollwert stromaufwärts des SCR-Katalysators reduziert wird, wenn der ermittelte Effizienzwert kleiner als ein vorgegebener Effizienzsollwert ist.
Entsprechend der oben näher erläuterten Reduktion des Sollwertes für die NOx- Konzentration stromaufwärts des SCR-Katalysators bei verminderter Effizienz des SCR-Katalysators ist auch eine Erhöhung dieses Sollwertes bei erhöhter Effizienz Gegenstand des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich. Solch eine Erhöhung der NOx-Konzentration führt in der Regel zu einem verminderten Kraftstoff-Verbrauch.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Sollwertvorgabe für die Effizienz des SCR-Katalysators abhängt von den Betriebsbedingungen des SCR-Katalysators, insbesondere der Temperatur und/oder der Raumgeschwindigkeit des Abgasstroms, den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine, insbesondere der Drehzahl und/oder der Last und/oder der vom ersten NOx-Sensor gemessenen NOx-Konzentration. Der NOx-Konzentrations-Sollwert für die NOx-Konzentration an der Stelle des ersten NOx-Sensors kann eine Funktion zumindest eines Betriebsparameters der Brennkraftmaschine, vorzugsweise der Drehzahl oder der Last, und/oder zumindest eines Umgebungsparameters, vorzugsweise des Atmosphärendruckes, sein. Damit kann die Regelung rasch an veränderte Verhältnisse, und an Toleranzen im Abgasrückführsystem angepasst werden.
Um übermäßige Bildung von Rußpartikeln zu verhindern ist es vorteilhaft, wenn zudem ein oberer Grenzwert für die Abgasrückführmenge und/oder für die Öffnungsstellung des Abgasrückführventils in Abhängigkeit zumindest eines Betriebsparameters der Brennkraftmaschine, vorzugsweise der Drehzahl oder der Last, vorgegeben wird . Vorzugsweise wird der obere Grenzwert für die Abgasrückführmenge und/oder für die Stellung des Abgasrückführventils in Abhängigkeit zumindest eines Umgebungsparameters, vorzugsweise des Atmosphärendruckes, vorgegeben. Dies ermöglicht auch beim Grenzwert eine rasche Anpassung an Veränderungen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 schematisch eine Brennkraftmaschine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Fig. 2 den Verfahrensablauf.
Die Fig. 1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine 1, mit einem Einlassstrang 2, einem Abgasstrang 3 und einem Abgasrückführsystem 4 zum Rückführen von Abgasen aus dem Abgasstrang 3 in den Einlassstrang 2. Im Abgasstrang 3 ist ein SCR-Katalysator 5 angeordnet, mit welchem NOx im Abgas reduziert werden kann. Stromaufwärts des SCR-Katalysators 5 ist ein erster NOx-Sensor 6, stromabwärts des SCR-Katalysators 5 ein zweiter NOx-Sensor 7 angeordnet. Mit den beiden NOx-Sensoren 6, 7 kann die NOx-Konvertierung des SCR-Katalysators 5 überwacht werden. Die NOx-Sensoren 6, 7 stehen mit einer elektronischen Steuereinheit ECU in Verbindung. Weiters ist die elektronische Steuereinheit ECU mit einem Abgasrückführventil 8 verbunden, mit welchem die Abgasrückführmenge gesteuert werden kann.
Die beiden NOx-Sensoren 6 und 7 sind in konventionellen SCR-Katalysatorsyste- men standardmäßig inkludiert.
Mit dem hier beschriebenen Verfahren kann die Abgasrückführregelung ohne weitere Sensorik im Luftpfad mit geringstmöglichem Kalibrationsaufwand ermöglicht werden. Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden anhand der Fig . 2 erläutert:
In einem ersten Schritt 10 wird ein Sollwert NOxs für die NOx-Konzentration an der Stelle des ersten NOx-Sensors 6 ermittelt. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn diese Vorgabe NOxs abhängt von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 1, wie insbesondere der Drehzahl n, der Last L, aber auch von Umgebungsparametern wie etwa dem Atmosphärendruck p. Aus dem Vergleich der vom ersten NOx-Sensor gemessenen ersten NOx-Konzentration NOxn und der Vorgabe NOxs der NOx-Konzentration wird in einem weiteren Schritt 20 ein Sollwert EGRS für die Position des Abgasrückführventils 8 oder die Abgasrückführrate berechnet. Im Schritt 30 wird untersucht, ob der Sollwert EGRS für die Position des Abgasrückführventils 8 oder der Abgasrückführrate einen Maximalwert EGRmax überschreitet und bei Überschreiten der Sollwert EG RS dem Maximalwert EG Rmax gleichgesetzt. Durch die Begrenzung der Abgasrückführrate wird eine übermäßige Bildung von Rußpartikeln verhindert. Die Begrenzung, also der Maximalwert EG Rmax selbst kann wiederum von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 1, wie beispielsweise der Drehzahl n oder Last L oder von Umgebungsparametern wie dem Atmosphärendruck p abhängen.
Um eine Verschlechterung der NOx-Konvertierung des SCR- Katalysators 5 durch Alterungseffekte, Vergiftung, etc. kompensieren zu können, kann weiters auch das Signal NOxi2 des zweiten NOx-Sensors 7 stromabwärts des SCR- Katalysators 5 mit berücksichtigt werden. Hierzu wird in Schritt 40 zunächst aus dem Vergleich der Signale NOxn und NOxi2 der beiden NOx-Sensoren 6, 7 ein Effizienzwert KNox des SCR-Katalysators für die NOx-Konvertierung berechnet. Weicht der berechnete Effizienzwert KNOx von einer Sollwertvorgabe KNOxs ab, wird die NOx- Konzentrations-Sollwertvorgabe NOxs angepasst (Schritt 50). Insbesondere wird die NOx-Konzentrations-Sollwertvorgabe NOxs um einen vordefinierten Wert ΔΝΟχ reduziert, wenn der Effizienzwert KNOx zu gering ist.
Hierbei ist es vorteilhaft wenn, die Sollwertvorgabe KNOxs für die Effizienz KNOx des SCR-Katalysators abhängt von Betriebsbedingungen des SCR-Katalysators 5 (insbesondere der Temperatur und/oder der Raumgeschwindigkeit des Abgasstroms im SCR-Katalysator) und/oder von Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine 1 (insbesondere der Drehzahl n und /oder der Last L) und/oder der NOx-Konzentration NOxn, die vom ersten NOx-Sensor 6 gemessen wird.
Durch das beschriebene Verfahren kann die Abgasrückführregelung ohne zusätzliche Sensorik im Luftpfad realisiert werden. Gegenüber einer reinen Steuerung des Abgasrückführventils 8 besteht der Vorteil, dass Änderungen und Toleranzen im Abgasrückführsystem 4 anhand geänderter NOx-Emissionen vom ersten NOx- Sensor 6 sofort erkannt werden. Weiters kann eine Alterung des SCR-Systems kompensiert werden, indem die NOx-Emissionen der Brennkraftmaschine 1 durch eine Erhöhung der Abgasrückführrate reduziert werden. Dadurch kann es zwar zu einer geringen Erhöhung des Kraftstoffverbrauches der Brennkraftmaschine 1 mit zunehmender Alterung des SCR-Systems kommen, die gesetzlich geforderten Emissionen können aber auf jeden Fall eingehalten werden.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere mit Selbstzündung, mit zumindest einem SCR-Katalysator (5) im Abgasstrang (3) und einen Abgasrückführsystem (4) mit einem Abgasrückführventil (8), wobei die Abgasrückführmenge und/oder die Stellung das Abgasrückführ- ventils (8) in Abhängigkeit der NOx-Konzentration stromaufwärts des SCR- Katalysators (5) so geregelt wird, dass eine durch zumindest einen ersten NOx-Sensor (6) stromaufwärts des SCR-Katalysators (5) gemessene NOx- Konzentration (NOxn) einem vorgegebenen NOx-Konzentrations-Sollwert (NOxs) entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass auch stromabwärts des SCR-Katalysators (5) die NOx-Konzentration im Abgas mit zumindest einem zweiten NOx-Sensor (7) gemessen wird und mit der NOx-Konzentration (NOxn) des ersten NOx-Sensors (6) stromaufwärts des SCR-Katalysators (5) verglichen wird und aus einem Vergleich der NOx-Messwerte (NOxn, NOxi2) ein Effizienzwert (KNOx) des SCR-Katalysators (5) für die NOx-Kon- vertierung bestimmt wird, wobei der NOx-Konzentrations-Sollwert (NOxs) stromaufwärts des SCR-Katalysators (5) angepasst wird, wenn der ermittelte Effizienzwert (KNOx) von einem vorgegebenen Effizienzsollwert (KNOxs) abweicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Konzentrations-Sollwert (NOxs) reduziert wird, wenn der ermittelte Effizienzwert (KNOx) kleiner als der vorgegebener Effizienzsollwert (KNOxs) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Konzentrations-Sollwert (NOxs) in Abhängigkeit zumindest eines Betriebsparameters der Brennkraftmaschine (1), vorzugsweise der Drehzahl (n) oder der Last (L), vorgegeben wird .
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Konzentrations-Sollwert (NOxs) in Abhängigkeit zumindest eines Umgebungsparameters, vorzugsweise des Atmosphärendruckes (p), vorgegeben wird .
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Effizienzsollwert (KNOxs) als Funktion zumindest eines Betriebsparameters des SCR-Katalysators (5), vorzugsweise der Temperatur und/oder der Raumgeschwindigkeit des Abgasstroms im SCR-Katalysator (5), ermittelt wird .
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Effizienzsollwert (KNOxs) als Funktion zumindest eines Betriebsparameters der Brennkraftmaschine (1), vorzugsweise der Drehzahl (n) und/oder der Last (L), ermittelt wird .
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegeben Effizienzsollwert (KNOxs) als Funktion der vom ersten NOx-Sensor gemessenen NOx-Konzentration (NOxn) ermittelt wird .
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein oberer Grenzwert (EGRmax) für die Abgasrückführmenge und/oder für die Stellung des Abgasrückführventils (8) ermittelt wird, und dass der Sollwert (EGRS) für die Abgasrückführmenge und/oder für die Stellung des Abgasrückführventils (8) dem Grenzwert (EGRmax) gleichgesetzt wird, wenn der Sollwert größer ist als der Grenzwert.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Grenzwert (EGRmax) für die Abgasrückführmenge und/oder für die Öffnungsstellung des Abgasrückführventils (8) in Abhängigkeit zumindest eines Betriebsparameters der Brennkraftmaschine (1), vorzugsweise der Drehzahl (n) oder der Last (L), vorgegeben wird .
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Grenzwert (EGRmax) für die Abgasrückführmenge und/oder für die Stellung des Abgasrückführventils (8) in Abhängigkeit zumindest eines Umgebungsparameters, vorzugsweise des Atmosphärendruckes (p), vorgegeben wird .
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