WO2013182325A1 - Verfahren zum betrieb einer brennkraftmaschine - Google Patents

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Definitions

  • Method for operating an internal combustion engine with a fuel as the first operating means wherein the internal combustion engine comprises a device for exhaust aftertreatment, in particular a nitrogen oxide catalyst for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides, wherein in the exhaust aftertreatment an additive is used as the second resource.
  • a turbocharger allows for internal combustion engines in addition to an increase in boost pressure and a substantially free adjustability of the desired boost pressure and an exhaust gas recirculation rate, which make it possible to set a fuel consumption optimal set point in compliance with all required by law emission limits.
  • the change in boost pressure and EGR rate also affects a level of particulate emissions and raw emissions of nitric oxide through the associated change in fuel-air ratio.
  • a boost pressure control method for an exhaust gas turbocharger with adjustable turbine blades is described in the document DE 199 05 420 A1.
  • the boost pressure is regulated by means of at least one regulator acting on an adjusting device to a boost pressure desired value, the regulator parameters being set via characteristic curves or characteristic maps as a function of operating parameters.
  • a priority consideration of a fuel consumption optimal setting has the disadvantage that an additional consumption of additive for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides in the exhaust aftertreatment device is disregarded.
  • An object of the invention is to optimize the fuel consumption of the internal combustion engine with exhaust aftertreatment device, wherein in addition to the consumption of fuel and the consumption of additive is taken into account. The object is achieved by the method according to claim 1. In the dependent claims preferred embodiments and advantageous developments are given.
  • the inventive method for operating an internal combustion engine with a fuel as the first resource provides that in the exhaust aftertreatment uses an additive as a second resource becomes.
  • a device for exhaust aftertreatment in particular a nitrogen oxide catalyst for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides
  • a resource consumption of the internal combustion engine is optimized taking into account a consumption of the first operating medium and taking into account a consumption of the second operating medium.
  • An advantage of the method according to the invention is that an economic operation of the internal combustion engine is made possible, since not fuel consumption alone, but also the additive consumption is included in the optimization.
  • the optimization can not be based on equal weighting or volume equal treatment of the two consumables. Therefore, it is preferable to specify a weighting ratio of the consumption of the first operating medium to the consumption of the second operating medium, which is selected in particular according to economic considerations. Particularly preferably, the weighting ratio is based on the respective current market value of the operating materials.
  • This embodiment is particularly advantageous in heavy load traffic. In possibly regional or national conditionally favorable supply situation with fuel, so for example low diesel prices, but difficult supply situation and thus high costs of urea additive, the weighting can be changed so that a fuel consumption is accepted to reduce a raw emission level of nitrogen oxides and less additive to the nitric oxide To consume reduction. Conversely, a particularly fuel-saving operation in a time or location-related high-price phase can be economically advantageous for diesel fuel, so that an additional consumption of additive is accepted by increased emissions.
  • the resource consumption is optimized according to a preferred embodiment by influencing at least two utility-related parameters, wherein a first parameter affects at least the consumption of the first resource and a second parameter influences at least the consumption of the second resource.
  • a first parameter affects at least the consumption of the first resource and a second parameter influences at least the consumption of the second resource.
  • One or both parameters may also affect both fuel consumptions.
  • the first parameter is, in particular, a raw emission level of nitrogen oxide, which is preferably influenced by regulation of an air path of the internal combustion engine.
  • the regulation of an air path preferably relates to a regulation of an exhaust gas recirculation rate, wherein a regulation of a supercharging pressure is likewise to be considered.
  • boost pressure and exhaust gas recirculation rate (EGR rate) are coupled, which has to be taken into account in the regulation.
  • the raw emission level is to be understood as the emission of nitrogen oxides and nitrogen oxide-forming substances by the internal combustion engine before the after-treatment of the exhaust gas by the exhaust gas aftertreatment device.
  • the control of the air path is preferably carried out on the basis of physical models of the behavior of the internal combustion engine or mathematically equivalent functions. These already advantageously take into account the reciprocal influence of the EGR control and the boost pressure control. If an adaptive control or adaptation of the model parameters is carried out in real operation on the basis of additional knowledge about actual consumption and emissions, the influencing of the EGR and boost pressure control is preferably taken into account by means of suitable correction functions or decoupling elements. Preference is thus at the control of the air path takes into account an indirect influence of the boost pressure on the raw emission of nitrogen oxide.
  • Increased soot emissions also require shorter regeneration intervals of a particulate filter.
  • a method that takes account of this indirect influence on fuel consumption is described in German patent application 10 2010 060 992.7, to which reference is hereby made.
  • the second resource consumption-relevant parameter, by influencing the resource consumption is preferably optimized, is an efficiency of exhaust aftertreatment.
  • SCR selective catalytic reduction
  • the efficiency of the exhaust aftertreatment in the preferably selective catalytic reduction of nitrogen oxides is influenced by a dosage of the second resource.
  • Emission limit values and, where appropriate, further statutory provisions represent the specified boundary conditions for the described method, within which an example of economic optimization of the operation of an internal combustion engine is advantageously possible.
  • Selective catalytic reduction refers to a technique for reducing nitrogen oxides in exhaust gases, including internal combustion engines.
  • the chemical reaction on an SCR catalyst is selective, that is, it is preferable to reduce the nitrogen oxides.
  • the reaction requires ammonia, which is added to the exhaust gas.
  • the products of the reaction are water and nitrogen.
  • the SCR process is used to reduce nitrogen oxide emissions in diesel vehicles.
  • the ammonia required for the SCR reaction is not used directly but in the form of an aqueous urea solution.
  • the composition is regulated in DIN 70070.
  • This aqueous solution is placed in front of the SCR catalyst in the exhaust line, z. B. by means of metering pump or injector injected.
  • From the urea-water solution caused by a hydrolysis reaction ammonia and carbon dioxide.
  • the ammonia thus produced can in one special SCR catalyst react at appropriate temperature with the nitrogen oxides in the exhaust gas.
  • the amount of urea injected depends on the engine's nitrogen oxide emission.
  • the consumption of urea-water solution is dependent on the raw emission of the engine about two to eight percent of the amount of diesel fuel used.
  • An internal combustion engine for the application of the method according to the invention has in particular the ability to evaluate exhaust aftertreatment efficiencies and to selectively influence the raw emission of nitrogen oxide, and to be able to map their effects on the consumption.

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Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoff als erstem Betriebsmittel, wobei die Brennkraftmaschine eine Einrichtung zur Abgasnachbehandlung, insbesondere einen Stickoxid-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden aufweist, wobei bei der Abgasnachbehandlung ein Additiv als zweites Betriebsmittel verwendet wird.

Description

Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine
Beschreibung
Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoff als erstem Betriebsmittel, wobei die Brennkraftmaschine eine Einrichtung zur Abgasnachbehand- lung, insbesondere einen Stickoxid-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden aufweist, wobei bei der Abgasnachbehandlung ein Additiv als zweites Betriebsmittel verwendet wird.
Eine Turboaufladung ermöglicht bei Brennkraftmaschinen neben einer Steigerung des Ladedrucks auch eine im Wesentlichen freie Einstellbarkeit des gewünschten Ladedrucks und einer Abgasrückführungsrate, die es erlauben, einen kraftstoffverbrauchsoptimalen Sollwert unter Einhaltung aller vom Gesetzgeber geforderten Emissionsgrenzwerte einzustellen. Die Veränderung des Ladedrucks und der AGR- Rate beeinflusst ebenso ein Niveau der Partikelemissionen und der Rohemissionen von Stickoxid durch die damit verbundene Veränderung des Kraftstoff- Luft- Verhältnisses. Ein Ladedruck-Regelverfahren für eine Abgasturbolader mit verstellbaren Turbinenschaufeln ist in der Druckschrift DE 199 05 420 A1 beschrieben. Der Ladedruck wird mittels zumindest eines auf eine Versteileinrichtung wirkenden Reglers auf einen Ladedrucksollwert geregelt, wobei die Reglerparameter über Kennli- nien beziehungsweise Kennfelder abhängig von Betriebsparametern eingestellt werden. Eine vorrangige Betrachtung einer kraftstoffverbrauchsoptimalen Einstellung hat den Nachteil, dass ein Mehrverbrauch an Additiv zur selektiven katalytischen Reduktion der Stickoxide in der Abgasnachbehandlungseinrichtung unberücksichtigt bleibt. Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Betriebsstoffverbrauch der Brennkraftmaschine mit Abgasnachbehandlungseinrichtung zu optimieren, wobei neben dem Verbrauch an Kraftstoff auch der Verbrauch an Additiv berücksichtigt wird. Die Aufgabe wird durch Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildungen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoff als erstem Betriebsmittel, wobei die Brennkraftmaschine eine Einrichtung zur Abgasnachbehandlung, insbesondere einen Stickoxid-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden aufweist, sieht vor, dass bei der Abgas- nachbehandlung ein Additiv als zweites Betriebsmittel verwendet wird. Die Verwendung derartiger Additive, beispielsweise aus Harnstoff, ist dem Fachmann zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden bei der Abgasnachbehandlung bekannt. Erfindungsgemäß wird ein Betriebsmittelverbrauch der Brennkraftmaschine unter Berücksichtigung eines Verbrauchs des ersten Betriebsmittels und unter Be- rücksichtigung eines Verbrauchs des zweiten Betriebsmittels optimiert.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass ein wirtschaftlicher Betrieb der Brennkraftmaschine ermöglicht wird, da nicht der Kraftstoffverbrauch allein, sondern auch der Additivverbrauch in die Optimierung einbezogen wird.
Da der Kraftstoffverbrauch einer Brennkraftmaschine insgesamt gegenüber dem Additivverbrauch wesentlich höher ist, kann der Optimierung keine gewichts- oder volumenmäßige Gleichbehandlung beider Betriebsstoffe zu Grunde liegen. Es wird da- her vorzugsweise ein Gewichtungsverhältnis des Verbrauchs des ersten Betriebsmittels zu dem Verbrauch des zweiten Betriebsmittels vorgegeben, welches insbesondere nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten gewählt wird. Besonders bevorzugt orientiert sich das Gewichtungsverhältnis an dem jeweils aktuellen Marktwert der Betriebsstoffe. Diese Ausführungsform ist besonders im Schwerlastverkehr von Vorteil. Bei gegebenenfalls regional oder national bedingt günstiger Versorgungslage mit Kraftstoff, also beispielsweise geringen Dieselpreisen, aber schwieriger Versorgungslage und damit hohen Kosten für Harnstoff-Additiv kann die Gewichtung derart verändert werden, dass ein Kraftstoffmehrverbrauch hingenommen wird, um ein Rohemissionsniveau von Stickoxiden zu senken und weniger Additiv zur Stickoxid- Reduktion zu verbrauchen. Umgekehrt kann ein besonders Kraftstoff sparender Betrieb in einer zeitlich oder örtlich bedingten Hochpreisphase bei Dieselkraftstoff wirtschaftlich vorteilhaft sein, so dass ein Mehrverbrauch an Additiv durch erhöhte Emissionswerte hingenommen wird.
Der Betriebsmittelverbrauch wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform durch eine Beeinflussung von mindestens zwei betriebsmittelverbrauchsrelevanten Parametern optimiert, wobei ein erster Parameter mindestens den Verbrauch des ersten Betriebsmittels beeinflusst und ein zweiter Parameter mindestens den Verbrauch des zweiten Betriebsmittels beeinflusst. Einer oder beide Parameter können auch beide Betriebsstoffverbräuche beeinflussen. Der erste Parameter ist insbesondere ein Roh- emissionsniveau von Stickoxid, welches vorzugsweise durch eine Regelung eines Luftpfads der Brennkraftmaschine beeinflusst wird. Die Regelung eines Luftpfads betrifft vorzugsweise eine Regelung einer Abgasrückführungsrate, wobei eine Rege- lung eines Ladedrucks ebenfalls zu berücksichtigen ist. Der Fachmann weiß, dass Ladedruck und Abgasrückführungsrate (AGR-Rate) gekoppelt sind, was bei der Regelung zu beachten ist. Bei der Regelung des Luftpfads wird ein direkter Einfluss der AGR-Rate auf den Verbrauch des ersten Betriebsmittels und auf die Rohemission von Stickoxid berücksichtigt. Es besteht ein gewisser Spielraum innerhalb der Emis- sionsvorgaben, der zum Vorteil ausgenutzt werden kann. Eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs durch entsprechende Einstellung der AGR-Rate erhöht dabei das Rohemissionsniveau der Brennkraftmaschine. Unter dem Rohemissionsniveau ist die Emission von Stickoxiden und Stickoxid bildenden Stoffen durch die Brennkraftmaschine vor der Nachbehandlung des Abgases durch die Abgasnachbehandlungsein- richtung zu verstehen.
Die Regelung des Luftpfads wird vorzugsweise auf Basis von physikalischen Modellen des Verhaltens der Brennkraftmaschine oder mathematisch äquivalenten Funktionen durchgeführt. Diese berücksichtigen vorteilhaft bereits die wechselseitige Be- einflussung der AGR-Regelung und der Ladedruckregelung. Wird im realen Betrieb auf Grund zusätzlicher Erkenntnisse über tatsächlichen Verbrauch und Emissionen eine adaptive Regelung oder Anpassung der Modellparameter durchgeführt, wird die Beeinflussung der AGR- und Ladedruckregelung vorzugsweise mittels geeigneter Korrekturfunktionen oder Entkopplungsglieder berücksichtigt. Bevorzugt wird also bei der Regelung des Luftpfads ein indirekter Einfluss des Ladedrucks auf die Rohemission von Stickoxid berücksichtigt.
Erhöhte Rußemissionen erfordern außerdem kürzere Regenerationsintervalle eines Partikelfilters. Daraus ergibt sich ein weiterer indirekter Einfluss der Regelung des Luftpfads, hier insbesondere des Ladedrucks, durch einen zusätzlichen Verbrauch des ersten Betriebsmittels durch die Regeneration, der aus dem Regenerationsbetrieb der Brennkraftmaschine resultiert, bei dem ein höherer Kraftstoffverbrauch anfällt, als im Normalbetrieb, beispielsweise weil die Abgasnachbehandlungseinrich- tung auf eine Regenerationstemperatur gebracht und gehalten werden muss. Ein Verfahren, dass diesen indirekten Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch berücksichtigt, ist in der deutschen Patentanmeldung 10 2010 060 992.7 beschrieben, auf die hiermit Bezug genommen wird. Der zweite betriebsmittelverbrauchsrelevante Parameter, durch dessen Beeinflussung der Betriebsmittelverbrauch vorzugsweise optimiert wird, ist ein Wirkungsgrad der Abgasnachbehandlung. Der Wirkungsgrad der Abgasnachbehandlung bei der vorzugsweise selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden wird durch eine Dosierung des zweiten Betriebsmittels beeinflusst. Emissionsgrenzwerte und gege- benenfalls weitere gesetzliche Vorschriften stellen die vorgegebenen Randbedingungen für das beschriebene Verfahren dar, innerhalb derer eine beispielsweise wirtschaftliche Optimierung des Betriebs einer Brennkraftmaschine vorteilhaft möglich ist. Die selektive katalytische Reduktion (selective catalytic reduction, SCR) bezeichnet eine Technik zur Reduktion von Stickoxiden in Abgasen, unter anderem von Brennkraftmaschinen. Die chemische Reaktion an einem SCR-Katalysator ist selektiv, das heißt, es werden bevorzugt die Stickoxide reduziert. Zum Ablauf der Reaktion wird Ammoniak benötigt, das dem Abgas zugemischt wird. Die Produkte der Reaktion sind Wasser und Stickstoff. Das SCR-Verfahren wird angewendet, um bei Dieselfahrzeugen die Stickoxidemissionen zu senken. Das für die SCR-Reaktion benötigte Ammoniak wird nicht direkt verwendet, sondern in Form einer wässrigen Harnstofflösung. Die Zusammensetzung ist in der DIN 70070 geregelt. Diese wässrige Lösung wird vor dem SCR-Katalysator in den Abgasstrang, z. B. mittels Dosierpumpe oder Injektor, eingespritzt. Aus der Harnstoff-Wasser-Lösung entstehen durch eine Hydrolysereaktion Ammoniak und Kohlendioxid. Das so erzeugte Ammoniak kann in einem speziellen SCR-Katalysator bei entsprechender Temperatur mit den Stickoxiden im Abgas reagieren. Die Menge des eingespritzten Harnstoffs ist von der motorischen Stickoxidemission abhängig. Der Verbrauch an Harnstoff-Wasser-Lösung beträgt abhängig von der Rohemission des Motors etwa zwei bis acht Prozent der Menge des eingesetzten Dieselkraftstoffs.
Ein Brennkraftmaschine zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens verfügt insbesondere über die Möglichkeit, Abgasnachbehandlungswirkungsgrade bewerten zu können und die Rohemission von Stickoxid gezielt zu beeinflussen, sowie deren Effekte auf den Verbrauch abbilden zu können.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoff als erstem Betriebsmittel, wobei die Brennkraftmaschine eine Einrichtung zur Abgasnachbehandlung, insbesondere einen Stickoxid-Katalysator zur selektiven ka- talytischen Reduktion von Stickoxiden aufweist, wobei bei der Abgasnachbehandlung ein Additiv als zweites Betriebsmittel verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betriebsmittelverbrauch der Brennkraftmaschine unter Berücksichtigung eines Verbrauchs des ersten Betriebsmittels und unter Berücksichtigung eines Verbrauchs des zweiten Betriebsmittels optimiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Gewichtungsverhältnis des Verbrauchs des ersten Betriebsmittels zu dem Verbrauch des zweiten Betriebsmittels vorgegeben wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsmittelverbrauch durch eine Beeinflussung von mindestens zwei betriebsmittelverbrauchsrelevanten Parametern optimiert wird, wobei ein erster Parameter mindestens den Verbrauch des ersten Betriebsmittels beein- flusst und ein zweiter Parameter mindestens den Verbrauch des zweiten Betriebsmittels beeinflusst.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Parameter ein Rohemissionsniveau von Stickoxid ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohemissionsniveau von Stickoxiden durch eine Regelung eines Luftpfads beeinflusst wird, insbesondere durch die Regelung einer Abgasrückführungsrate.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Regelung des Luftpfads ein direkter Einfluss der Abgasrückführungsrate auf den Verbrauch des ersten Betriebsmittels und auf die Rohemission von Stickoxid berücksichtigt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Regelung des Luftpfads ein direkter Einfluss des Rohemissionsni- veaus von Stickstoff auf den Verbrauch des zweiten Betriebsmittels zur Reduktion der Stickoxide berücksichtigt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Regelung des Luftpfads ein indirekter Einfluss eines Ladedrucks auf die Rohemission von Stickoxid berücksichtigt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Parameter ein Wirkungsgrad der Abgasnachbehandlung ist.
0. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkungsgrad der Abgasnachbehandlung bei einer Reduktion von Stickoxiden durch eine Dosierung des zweiten Betriebsmittels beeinflusst wird.
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