WO2015120957A1 - No2 sichtbarkeitsregelung für passiv regenerierende dpf systeme - Google Patents

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WO2015120957A1 PCT/EP2015/000140 EP2015000140W WO2015120957A1 WO 2015120957 A1 WO2015120957 A1 WO 2015120957A1 EP 2015000140 W EP2015000140 W EP 2015000140W WO 2015120957 A1 WO2015120957 A1 WO 2015120957A1
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Simon Rau
Christian CLEMENS
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling the NO 2 outlet in a
  • a common system structure of an internal combustion engine in particular a diesel internal combustion engine with devices for exhaust gas post-treatment comprises an engine, a diesel oxidation catalyst and a diesel particulate filter.
  • DOC Diesel Oxidation Catalyst
  • DPF Diesel Particulate Filter
  • a common system structure of an internal combustion engine in particular a diesel internal combustion engine with devices for exhaust gas post-treatment comprises an engine, a diesel oxidation catalyst and a diesel particulate filter.
  • N02 nitrogen dioxide
  • the method according to the invention provides a NO 2 visibility control for the corresponding case.
  • Concentration at the exhaust outlet is above a N02 visibility limit. This constitutes one undesirable operating condition, which is not accepted by the customer not least due to the associated visual perception, especially in vehicle engines, even with possibly permissible actual concentration.
  • the visibility limit for exhaust gases depends on the respective condition and the substance of the exhaust gas outlet. Both the exhaust mass, the shape of the particles and the play
  • Composition plays a significant role. Usually, this limit is determined optically and set a limit for the individual case. As a rule, values from 250ppm to 500ppm make sense.
  • the object of the invention is therefore to set the engine in its operating states such that the NO 2 concentration is always kept below a definable NO 2 visibility limit. This object is achieved by a method according to the method steps of claim 1. Advantageous developments and expedient embodiments are specified in the dependent claims.
  • control parameters are control parameters of the engine in engine management, in particular the boost pressure and / or the injection start time (BOI), or adaptation via the regulation of the lambda probe or others Measures may be useful to limit the NOx emission, and these levers, which are already in place and can be used for the required control, allow for a reduction in engine NOx emissions, which also affects the NO2 concentration at the end of the exhaust line.
  • the calculated NOx target emission is forwarded to the control system.
  • the engine is in turn by corresponding criteria to the
  • Figure 1 A scheme for the logical and functional interaction of the individual
  • FIG. 1 History diagrams of various state parameters.
  • FIG. 1 shows in detail a diagram of an internal combustion engine 1 with an engine 2, a diesel oxidation catalyst (DOC) 3 and a diesel particulate filter (DPF) 4.
  • the engine 2, DOC 3 and DPF 4 are arranged along an exhaust line 5.
  • two sensors 6,7 are arranged for detecting the nitrogen oxide concentration and / or the exhaust gas temperature, which transmit the parameters to a controller 10 via signal lines 8.
  • a further sensor 11 is arranged, which detects the nitrogen oxide concentration at the end 9 of the exhaust line 5.
  • the data of the sensors 6 and / or 7 are transferred via the signal lines 8 in the controller to a computer model 12.
  • This calculation model or DOC model determines the NO 2 concentration according to the DOC or the conversion rate and transfers the corresponding values to a comparison unit 13.
  • the comparison unit 13 the determined value is compared with a parameterized NO 2 limit concentration, in the present case with the visibility limit 14, and the deviation delta NOx is determined according to the following rule:
  • the control unit 15 intervenes via signal lines 16 for actuators in the NOx emission of the engine 2. These actuators are provided for example via the boost pressure or BOI.
  • FIG. 2 shows the time profiles of a change of an operating state in an internal combustion engine.
  • the course of the engine operating state - MB -, the exhaust gas temperature at the DOC - T 000 -, the conversion rate at the DOC -% DOC - as well as the NO 2 concentration after the DPF - C N ° 2 - are shown.
  • the temperature at the DOC follows the load change with corresponding system-induced inertia.
  • the transitional period from an upper temperature, for example 450 ° C. at the operating point MB1 to a lower temperature, for example 250 ° C. at the operating point MB2, can be about 10 minutes or more.
  • the conversion rate at the DOC shown over time in the diagram Vo 000 , is strongly dependent on the temperature at the DOC. If, due to the load-reducing operating state MB2 applied to the engine, less nitrogen oxide is produced while the temperature at the DOC is still increased, there is an increased conversion into NO 2.
  • the increased conversion in turn leads to an increase in the NO 2 concentration, shown over the time course in the diagram C N ° 2 at the exit point from the exhaust line, so that a critical range above the visibility limit is achieved.
  • the engine is tuned to a visibility limit of 350ppm (steady state operation).
  • Overlying concentrations which are marked by hatched area 20 in diagram C N ° 2 , represent the control range. From this range, a concentration of more than 350 ppm up to 450 ppm or more leads to control parameters, for example boost pressure or BOI or a control on the lambda probe, the NOx emission of the engine is adjusted. This is done to the excessive turnover rate and the so

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Abstract

Bei Laständerung des Motors kann es aufgrund der Änderung der Abgastemperatur dazu kommen, dass die NO2 Bildungskurve eines DOC durchfahren wird. Dabei kommt es in bestimmten Temperaturbereichen zu höheren Umsatzraten im DOC und damit einhergehenden erhöhten NO2 Konzentrationen hinter dem DOC. Diese NO2 Konzentration darf nicht über einem parametrisierbaren Sichtbarkeitsgrenzwert für NO2 liegen, um den betriebsseitigen und kundenseitigen Anforderungen zu genügen. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt eine NO2 Sichtbarkeitsregelung für den entsprechenden Fall bereit.

Description

BESCHREIBUNG N02 Sichtbarkeitsregelung für passiv regenerierende DPF Systeme
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des N02 Austritts bei einer
Brennkraftmaschine mit Diesel-Oxidationskatalysator (DOC) und Dieselpartikelfilter (DPF). Ein üblicher Systemaufbau einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel- Brennkraftmaschine mit Vorrichtungen zur Abgasnachbereitung umfasst einen Motor, einen Diesel-Oxidationskatalysator sowie einen Dieselpartikelfilter. Bei der Abgasnachbereitung, deren Arbeitsparameter über Umweltvorschriften und Kundenanforderungen festgelegt werden, wird am Ende des Abgasstrangs unter anderem eine gewisse Konzentration an Stickoxiden, insbesondere an N02 (Stickstoff-Dioxid) emittiert, welche im Verbrennungsprozess und im Rahmen der Abgasnachbereitung generiert werden.
Die Abgabe von Stickoxiden an Brennkraftmaschinen ist nicht in beliebigen Konzentrationen erwünscht oder zulässig. Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der DE 10 2011 111 023 AI sind Verfahren zur Motorgas NOx Steuerung bekannt, durch welche die abgegebene Menge an Stickoxiden gesteuert werden kann. Auf den Stand der Technik, insbesondere auf die Offenbarung zum technologischen Hintergrund wird hiermit Bezug genommen.
Bei Laständerung des Motors kann es aufgrund der Änderung der Abgastemperatur dazu kommen, dass die N02 Bildungskurve eines DOC durchfahren wird. Dabei kommt es in bestimmten Temperaturbereichen zu höheren Umsatzraten im DOC und damit einhergehenden erhöhten N02 Konzentrationen hinter dem DOC. Diese N02 Konzentration darf nicht über einem parametrisierbaren Sichtbarkeitsgrenzwert für N02 liegen, um den betriebsseitigen und kundenseitigen Anforderungen zu genügen. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt eine N02 Sichtbarkeitsregelung für den entsprechenden Fall bereit.
Aufgrund des Systemaufbaus einer Gattung von Brennkraftmaschine in Form von Motor + DOC + DPF kann es bei bestimmten Motorbetriebszuständen dazu kommen, dass die N02
Konzentration am Abgasaustritt oberhalb einer N02 Sichtbarkeitsgrenze liegt. Dies stellt einen unerwünschten Betriebszustand dar, welcher nicht zuletzt aufgrund der damit einhergehenden optischen Wahrnehmung insbesondere bei Fahrzeugmotoren auch bei möglicherweise zulässiger tatsächlicher Konzentration vom Kunden nicht akzeptiert wird. Die Sichtbarkeitsgrenze bei Abgasen ist abhängig vom jeweiligen Zustand und der Substanz des Abgasaustritts. Dabei spielen sowohl die Abgasmasse, die Form der Partikel und die
Zusammensetzung eine erhebliche Rolle. Üblicherweise wird diese Grenze optisch ermittelt und daraus ein Grenzwert für den Einzelfall festgesetzt. In der Regel sind Werte von 250ppm bis 500ppm sinnvoll.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Motor in seinen Betriebszuständen derart einzustellen, dass die N02 Konzentration stets unter einer definierbaren N02 Sichtbarkeitsgrenze gehalten wird. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach den Verfahrensschritten des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sowie zweckmäßige Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zur Regelung des N02 Austritts bei einem
Betriebszustand einer Brennkraftmaschine mit einem Motor und mit einem
Abgasnachbehandlungssystem folgende Schritte:
- Ermittlung einer aktuellen N02 Konzentration am Austrittspunkt aus einem
Abgasnachbehandlungssystem mit einem N02 -Bildungsmodell,
- Vergleich der ermittelten N02 Konzentration mit einer parametrierbaren N02
Grenzkonzentration in Form der Sichtbarkeitsgrenze von N02,
- Berechnung einer maximalen NOx Emission des Motors am Betriebszustand bei einer gegenüber der N02 Grenzkonzentration erhöhten N02 Konzentration am Austrittspunkt,
- Regelung der maximalen NOx Emission am Motor über Regelparameter zur Absenkung der N02 Konzentration am Austrittspunkt aus einem Abgasnachbehandlungssystem.
Durch die Regelung der maximalen NOx Emission am Motor und die damit einhergehende Anpassung der maximalen N02 Konzentration am Abgas Austrittspunkt ist es möglich, auch bei Abgastemperatursprüngen, welche bei einem Wechsel eines Betriebszustands einer Brennkraftmaschine in einen andere Betriebszustand der Brennkraftmaschine auftreten können, einen vorgegebenen Grenzwert an N02 Konzentration einzuhalten.
In vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung ist vorgesehen, dass die Regelparameter Regelparameter des Motors im Motormanagement, insbesondere der Ladedruck und/oder der Einspritz-Startzeitpunkt (BOI -„begin of injection") sind. Auch eine Anpassung über die Regelung der Lambda-Sonde oder andere Maßnahmen sind ggf. sinnvoll, um die Begrenzung der NOx Emission herbeizuführen. Diese ohnehin vorhandenen, und für die benötigte Regelung einsetzbaren Stellhebel, lassen eine Absenkung der motorischen NOx Emission zu, wodurch auch die N02 Konzentration am Ende des Abgasstrangs beeinflusst wird.
Es ist überdies zweckmäßig, dass die Absenkung der N02 Konzentration am Austrittspunkt aus dem Abgasnachbehandlungssystem über Regelparameter bis zur vorgegebenen
Grenzkonzentration oder unter die vorgegebene Grenzkonzentration erfolgt.
Über entsprechende Schaltbedingungen bei einem Wechsel des Betriebszustands wird die berechnete NOx Zielemission an die Regelung weitergeleitet. Sobald sich die Abgastemperatur und die damit einhergehende Umsetzung der Stickoxide an den Wert eines Stationärpunktes angenähert werden, wird der Motor wiederum durch entsprechende Kriterien an den
Regelparametern in den normalen Betriebszustand versetzt.
Im Folgenden wird anhand einer Ausführungsform mit einem Abgasnachbehandlungssystem, das einen Diesel-Oxidationskatalysator (DOC) und einen Dieselpartikelfilter (DPF) umfasst, die Erfindung näher erläutert. Es zeigen dabei
Figur 1 Ein Schema zur logischen und funktionellen Zusammenwirkung der einzelnen
Komponenten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;
Figur 2 Verlaufsdiagramme verschiedener Zustandsparameter.
Figur 1 zeigt im Einzelnen ein Schema einer Brennkraftmaschine 1 mit einem Motor 2, einem Diesel-Oxidationskatalysator (DOC) 3 und einen Dieselpartikelfilter (DPF) 4. Der Motor 2, DOC 3 sowie DPF 4 sind entlang eines Abgasstrangs 5 angeordnet. Zwischen dem Motor 2 und dem DOC 3 sind zwei Sensoren 6,7 zur Erfassung der Stickoxid-Konzentration und/oder der Abgastemperatur angeordnet, welche über Signalleitungen 8 die Parameter an eine Steuerung 10 übermitteln. Am Ende 9 des Abgasstrangs 5 ist ein weiterer Sensor 11 angeordnet, welcher die Stickoxid-Konzentration am Ende 9 des Abgasstrangs 5 erfasst.
Die Daten der Sensoren 6 und/oder 7 werden über die Signalleitungen 8 in der Steuerung einem Rechenmodell 12 übergeben. Dieses Rechenmodell bzw. DOC Modell ermittelt die N02 Konzentration nach dem DOC bzw. die Umsatzrate und übergibt die entsprechenden Werte an eine Vergleichseinheit 13. In der Vergleichseinheit 13 wird der ermittelte Wert mit einer parametrisierten N02 Grenzkonzentration, vorliegend mit der Sichtbarkeitsgrenze 14 ins Verhältnis gesetzt und die Abweichung Delta NOx nach der folgende Vorschrift ermittelt:
Sichtbar qeitsqrenze N02 nach DOC
Delta NOx = -—
Umsatzrate Umsatzrate Die Umsatzrate ist dabei durch das Verhältnis
N02 nach DOC— Rohemission N02
Umsatzrate = -—, :— : —
Rohemission NO gegeben.
Ist sodann der Wert der Abweichung in der Vergleichseinheit 13 Delta NOx positiv, sodass die N02 Emission nach dem DOC über dem Sichtbarkeitswert liegt, wird über Regelparameter 15 über Signalleitungen 16 für Aktoren in die NOx Emission des Motors 2 eingegriffen. Diese Aktoren werden beispielsweise über den Ladedruck oder BOI bereitgestellt. Durch die
Absenkung der motorischen NOx Emission sinkt die N02 Konzentration im weiteren Betrieb ab.
Ein Motor ist üblicherweise auf stationäre Betriebspunkte abgestimmt. Bei einem Lastwechsel und dem damit einhergehenden Übergang der Betriebsparameter zwischen zwei Betriebspunkten wird eine N02 Umsatzkurve im DOC durchfahren, welche überhöhte Umsatzraten im DOC auftreten lässt. Figur 2 zeigt die zeitlichen Verläufe eines Wechsels eines Betriebszustands bei einer Brennkraftmaschine. Untereinander sind dabei der Verlauf des Motor-Betriebszustands - MB -, der Abgastemperatur am DOC - T000 -, der Umsatzrate am DOC - %DOC - sowie der N02 Konzentration nach dem DPF - CN°2 - dargestellt.
Erfolgt ein Lastwechsel, wie im Diagramm MB dargestellt vom Motor-Betriebszustand MB1 in den Motor Betriebszustand MB2, so folgt die Temperatur am DOC, dargestellt im Diagramm T000 dem Lastwechsel mit entsprechender systembedingter Trägheit. Der Übergangszeitraum von einer oberen Temperatur, beispielsweise 450°C am Arbeitspunkt MB1 zu einer niedrigeren Temperatur, beispielsweise 250°C am Arbeitspunkt MB2 kann dabei in etwa 10 Minuten oder mehr betragen. Die Umsatzrate am DOC, dargestellt über den Zeitverlauf im Diagramm Vo000, ist jedoch stark von der Temperatur am DOC abhängig. Wird aufgrund des am Motor anliegenden lastverminderten Betriebszustands MB2 nun weniger Stickoxid produziert, während die Temperatur am DOC noch erhöht ist, erfolgt eine verstärkte Umsetzung in N02. Die verstärkte Umsetzung führt wiederum zu einem Anstieg der N02 Konzentration, dargestellt über den Zeitverlauf im Diagramm CN°2 am Austrittspunkt aus dem Abgasstrang, so dass ein kritischer Bereich oberhalb der Sichtbarkeitsgrenze erzielt wird. Im vorliegenden Beispiel ist der Motor auf eine Sichtbarkeitsgrenze von 350ppm abgestimmt (stationärer Betrieb). Darüber liegende Konzentrationen, welche durch den schraffierten Bereich 20 im Diagramm CN°2 markiert werden, stellen den Regelbereich dar. Ab diesem Bereich führt eine Konzentration von über 350ppm bis hin zu 450ppm oder darüber dazu, dass über Regelparameter, beispielsweise den Ladedruck oder BOI oder eine Regelung an der Lambda-Sonde, die NOx Emission des Motors angepasst wird. Dies erfolgt, um der überhöhten Umsatzrate und dem damit
einhergehenden Anstieg der N02 Konzentration im Abgasstrom am Abgasaustritt entgegen zu wirken.
Sobald die Temperatur am DOC außerhalb der DOC-Umsatzkurve liegt, welche einen erhöhten N02 Umsatz bedingt, kann die Regelung wieder abgeschaltet werden. Darüber hinaus ist auch eine zeitliche, parametrisierbare Abschaltung der Regelung denkbar.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Regelung des N02 Austritts bei einem Betriebszustand einer
Brennkraftmaschine mit einem Motor und mit einem Abgasnachbehandlungssystem wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Ermittlung einer aktuellen N02 Konzentration an einem Austrittspunkt aus einem
Abgasnachbehandlungssystem mit einem N02-Bildungsmodell,
- Vergleich der ermittelten N02 Konzentration mit einer parametrierbaren N02
Grenzkonzentration,
- Berechnung einer maximalen NOx Emission des Motors am Betriebszustand bei einer
gegenüber der N02 Grenzkonzentration erhöhten N02 Konzentration am Austrittspunkt,
- Regelung der maximalen NOx Emission am Motor über Regelparameter zur Absenkung der N02 Konzentration am Austrittspunkt aus dem Abgasnachbehandlungssystem,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die parametrierbare N02 Grenzkonzentration die Sichtbarkeitsgrenze von N02 ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Regelparameter Regelparameter des Motors im Motormanagement sind.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Regelparameter der Ladedruck und/oder der Einspritz-Startzeitpunkt und/oder eine
Beeinflussung der Lambda-Regelung sind.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Absenkung der N02 Konzentration am Austrittspunkt aus dem
Abgasnachbehandlungssystem über Regelparameter bis zur vorgegebenen
Grenzkonzentration oder unter die vorgegebene Grenzkonzentration erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass - das Abgasnachbehandlungssystem einen Diesel-Oxidationskatalysator (DOC) und einen Dieselpartikelfilter (DPF) umfasst.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
- ein Abschaltkriterium für die Regelung der maximalen NOx Emission am Motor vorgesehen ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
- das Abschaltkriterium für die Regelung der maximalen NOx Emission am Motor durch die Umsatzkurve an einem Diesel-Oxidationskatalysator (DOC) gegeben ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
- das Abschaltkriterium für die Regelung der maximalen NOx Emission am Motor durch die eine parametrisierbare zeitliche Abschaltung gegeben ist.
PCT/EP2015/000140 2014-02-13 2015-01-26 No2 sichtbarkeitsregelung für passiv regenerierende dpf systeme WO2015120957A1 (de)

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