DE102013012566A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10), die zumindest einen Motor (11) und ein Abgasnachbehandlungssystem (13) aufweist, wobei Abgas, welches im Motor (11) bei der Verbrennung von Kraftstoff entsteht, zur Reinigung über das Abgasnachbehandlungssystem (13) geführt wird, wobei ein Abgasistwert bestimmt wird, der vom Istwert eines Sickstoffdioxidanteils im Abgas stromaufwärts einer Abgasnachbehandlungskomponente (14) des Abgasnachbehandlungssystems (13) abhängig ist, und wobei mindestens ein Betriebsparameter für den Motor (11) derart verändert wird, dass der Istwert des Sickstoffdioxidanteils einem entsprechenden Sollwert des Sickstoffdioxidanteils angenähert wird, sodass die jeweilige Abgasnachbehandlungskomponente (14) optimiert betrieben wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Aus der Praxis bekannte Brennkraftmaschinen verfügen neben einem Motor weiterhin über ein Abgasnachbehandlungssystem, um Abgas, welches im Motor der Brennkraftmaschine bei der Verbrennung von Kraftstoff entsteht, in dem Abgasnachbehandlungssystem zu reinigen. Zur Erfüllung immer strenger werdender Abgasgrenzwerte ist eine effektive Abgasnachbehandlung erforderlich.
  • Neben Feststoffpartikeln müssen Stickoxide (NOx) im Abgas immer strenger werdende Grenzwerte erfüllen. Die Verringerung der Stickoxide im Abgas erfolgt unter Nutzung von Katalysatoren, so zum Beispiel unter Verwendung von SCR-Katalysatoren, wobei SCR-Katalysatoren zur Umsetzung von Stickoxiden als Reduktionsmittel Ammoniak nutzen. Das Ammoniak kann in einem Ammoniakgenerator erzeugt und in den Abgasstrom eingebracht werden. Im Unterschied hierzu ist es auch möglich, eine Ammoniak-Vorläufersubstanz, so zum Beispiel eine wässrige Harnstofflösung, in den Abgasstrom einzubringen, die dann im Abgasstrom zu Ammoniak, Kohlendioxid und Wasserdampf umgesetzt wird. Die Umsetzung der Ammoniak-Vorläufersubstanz zu Ammoniak im Abgas erfolgt typischerweise unter Verwendung eines sogenannten Hydrolysekatalysators.
  • Die Umsetzung von Stickoxiden im SCR-Katalysator erfolgt dann, wenn ausschließlich Stickstoffmonoxid im Abgas vorliegt, nach folgender Gleichung: 4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O.
  • Die Umsetzung von Stickstoffmonoxid in einem SCR-Katalysator nach obiger Gleichung erfolgt relativ langsam. Daher ist es aus der Praxis bereits bekannt, zur Beschleunigung der Umsetzung von Stickstoffoxiden im Abgas stromaufwärts des SCR-Katalysators einen insbesondere platinhaltigen NO-Oxidationskatalysator zu platzieren, um stromaufwärts des SCR-Katalysators Stickstoffmonoxid in Stickstoffdioxid umzusetzen, wobei dann, wenn im Abgas neben Stickstoffmonoxid auch Stickstoffdioxid vorhanden ist, die Umsetzung der Stickstoffoxide im Katalysator nach folgender Gleichung erfolgt: NO + 2NH3 + NO2 → 2N2 + 3H2O.
  • Die Umsetzung von Stickstoffoxiden nach obiger Formel unter Anwesenheit von Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid im SCR-Katalysator erfolgt schneller als die reine Umsetzung von Stickstoffmonoxid im SCR-Katalysator.
  • Die Schnelligkeit der Umsetzung von im Abgas enthaltenen Stickstoffoxiden im SCR-Katalysator hängt demnach vom Anteil des Stickstoffdioxids im Abgas ab. Die Verwendung eines separaten NO-Oxidationskatalysators zur Umsetzung des Stickstoffmonoxids in Stickstoffdioxid stromaufwärts eines SCR-Katalysators ist jedoch von Nachteil, da hierdurch der vorrichtungstechnische Aufwand und damit die Kosten für eine Brennkraftmaschine steigen.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird ein Abgasistwert bestimmt, der vom Istwert eines Sickstoffdioxidanteils im Abgas stromaufwärts einer Abgasnachbehandlungskomponente des Abgasnachbehandlungssystems abhängig ist, wobei mindestens ein Betriebsparameter für den Motor derart verändert wird, dass der Istwert des Sickstoffdioxidanteils einem entsprechenden Sollwert des Sickstoffdioxidanteils angenähert wird, sodass die die jeweilige Abgasnachbehandlungskomponente optimiert betrieben wird.
  • Mit der hier vorliegenden Erfindung wird erstmals vorgeschlagen, durch Veränderung mindestens eines Betriebsparameters für den Motor einer Brennkraftmaschine den Stickstoffdioxidanteil im Abgas stromaufwärts einer Abgasnachbehandlungskomponente eines Abgasnachbehandlungssystems definiert einzustellen, um die Abgasnachbehandlungskomponente optimiert betreiben zu können. Hierdurch ist es möglich, entweder kleinere NO-Oxidationskatalysatoren zu verwenden oder auf den Einsatz eines NO-Oxidationskatalysators komplett zu verzichten.
  • Vorzugsweise wird der Sollwert für den Sickstoffdioxidanteil lastpunktabhängig gewählt. Insbesondere wird der Sollwert für den Sickstoffdioxidanteil in Abhängigkeit mindestens eines Betriebsparameters des Motors und/oder in Abhängigkeit mindestens eines Betriebsparameters des Abgasnachbehandlungssystems bestimmt. Die Verwendung eines lastpunkt- bzw. betriebspunktabhängigen Sollwerts für den Stickstoffdioxidanteil im Abgas ist besonders bevorzugt, da hierdurch für alle Lastpunkte bzw. Betriebspunkte der Brennkraftmaschine einerseits ein optimaler Betrieb des Motors und andererseits ein optimaler Betrieb des Abgasnachbehandlungssystems der Brennkraftmaschine gewährleistet werden kann.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung wird als Betriebsparameter für den Motor ein Lambdawert und/oder ein Zündzeitpunkt und/oder Ventilsteuerzeiten und/oder eine Motorkompression und/oder ein Abgasanteil im Motorbrennraum derart verändert. Über mindestens einen der obigen Betriebsparameter für den Motor kann der Stickstoffdioxidanteil im Abgas einfach und zuverlässig eingestellt werden.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung wird als Abgasistwert ein NOx-Istwert stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente des Abgasnachbehandlungssystem mit einem NOx-Sensor messtechnisch erfasst, wobei abhängig von diesem Abgasistwert der Istwert des Sickstoffdioxidanteils im Abgas stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente bestimmt wird, wobei dieser Istwert des Sickstoffdioxidanteils mit dem Sollwert des Sickstoffdioxidanteils verglichen wird, und wobei abhängig von diesem Vergleich mindestens ein Betriebsparameter für den Motor derart verändert wird, dass der Istwert des Sickstoffdioxidanteils dem Sollwert des Sickstoffdioxidanteils angenähert wird. Diese Ausführung ist besonders bevorzugt, da sich der NOx-Istwert stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente einfach mit Hilfe eines NOx-Sensors messtechnisch erfassen lässt. Auf Basis dieses messtechnisch erfassbaren NOx-Istwerts kann auf den Istwert des Stickstoffdioxidanteils im Abgas geschlossen werden, um dann abhängig von einem Vergleich zwischen dem Istwert des Stickstoffdioxidanteils und dem Sollwert desselben mindestens einen Betriebsparameter des Motors zu verändern, so dass sich der Istwert des Stickstoffdioxidanteils dem Sollwert annähert.
  • Vorzugsweise werden Betriebsparameter für den Motor derart verändert, dass NOx-Rohemissionen des Motors um maximal 15% gesenkt werden. Hiermit ist es möglich, den Motor mit einem guten Wirkungsgrad und Vermeidung einer Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs zu betreiben.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
  • 1: eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine; und
  • 2: einen Diagramm zur Verdeutlichung der Erfindung.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine.
  • 1 zeigt stark schematisiert eine Brennkraftmaschine 10, die einen Motor 11 mit mehreren Zylindern 12 und ein Abgasnachbehandlungssystem 13 mit mindestens einer Abgasnachbehandlungskomponente 14 umfasst. Abgas, welches bei der Verbrennung von Kraftstoff in den Zylindern 12 des Motors 11 der Brennkraftmaschine 10 entsteht, kann über das Abgasnachbehandlungssystem 13 geführt werden, um das Abgas im Abgasnachbehandlungssystem 13 zu reinigen. Stromabwärts des Abgasnachbehandlungssystems 13 ist gemäß 1 ein Sensor 15 positioniert, bei welchem es sich um einen NOx-Sensor handeln kann, um NOx-Emissionen im Abgas stromabwärts des Abgasnachbehandlungssystems 13 zu messen. Bei der Abgasnachbehandlungskomponente 14 des Abgasnachbehandlungssystems 13 kann es sich um einen SCR-Katalysator, einen Partikelfilter oder auch um einen NOx-Speicherkatalysator handeln.
  • Zum Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine 10 wird im Sinne der Erfindung ein Abgasistwert bestimmt, der vom Istwert eines Stickstoffdioxidanteils im Abgas stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente 14 des Abgasnachbehandlungssystems 13 abhängig ist. Abhängig von diesem Abgasistwert wird mindestens ein Betriebsparameter für den Motor 11 derart verändert, dass der Istwert des Stickstoffdioxidanteils einem entsprechenden Sollwert für den Stickstoffdioxidanteil angenähert wird, so dass die jeweilige Abgasnachbehandlungskomponente 14 des Abgasnachbehandlungssystems 13 optimiert betrieben werden kann.
  • Es liegt demnach im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, den Stickstoffdioxidanteil im Abgas gezielt dadurch zu beeinflussen, dass mindestens ein Betriebsparameter des Motors 11 verändert wird, um eine stromabwärts des Motors 11 positionierte Abgasnachbehandlungskomponente 14 eines Abgasnachbehandlungssystems 13 optimal betreiben zu können.
  • Die Erfindung findet insbesondere bei Brennkraftmaschinen 10 Verwendung, deren Motor 11 als Otto-Gasmotor ausgeführt ist, in welchem gasförmiger Kraftstoff verbrannt wird. Als gasförmiger Kraftstoff wird in solchen Otto-Gasmotoren typischerweise Erdgas verbrannt, welches als Bestandteil Methan enthält.
  • Der Sollwert für den Stickstoffdioxidanteil im Abgas wird lastpunktabhängig gewählt. So ist es möglich, den Sollwert für den Stickstoffdioxidanteil im Abgas in Abhängigkeit mindestens eines Betriebsparameters des Motors 11 und/oder in Abhängigkeit mindestens eines Betriebsparameters des Abgasnachbehandlungssystems 13 zu bestimmen. So ist es möglich, den Sollwert für den Stickstoffdioxidanteil im Abgas abhängig von einer oder mehreren Abgastemperaturen sowie abhängig vom Wirkungsgrad des Abgasnachbehandlungssystems 13 sowie abhängig vom Wirkungsgrad des Motors 11 zu bestimmen.
  • Als Betriebsparameter für den Motor 11 wird vorzugsweise ein Lambdawert und/oder ein Zündzeitpunkt und/oder Ventilsteuerzeiten und/oder eine Motorkompression und/oder ein Abgasanteil im Motorbrennraum verändert.
  • Dann, wenn der Lambdawert reduziert wird, steigt tendenziell der Stickstoffdioxidanteil im Abgas.
  • Ferner kann durch Verschieben des Zündzeitpunkts in Richtung frühere Zeitpunkte und/oder durch Erhöhung des Abgasanteils im Motorbrennraum der Stickstoffdioxidanteil im Abgas tendenziell erhöht werden.
  • Ferner ist es möglich, durch späteres Öffnen von Einlassventilen der Zylinder 12 und durch späteres Schließen von Auslassventilen der Zylinder 12 den Stickstoffdioxidanteil im Abgas zu erhöhen.
  • Durch Erhöhung der Motorkompression wird tendenziell der Stickstoffdioxidanteil im Abgas reduziert.
  • Die obigen Zusammenhänge zur Beeinflussung des Stickstoffdioxidanteils im Abgas werden exemplarisch für einige Betriebsparameter unter Bezugnahme auf 2 beschrieben, wobei in 2 für einen Gas-Ottomotor über dem Lambdawert der prozentuale Anteil des Stickstoffdioxids NO2 in den Stickstoffoxiden NOx des Abgases aufgetragen ist, und zwar abhängig vom Lastpunkt des Motors 11 sowie abhängig von Zündzeitpunkten desselben.
  • So betreffen die Kennlinien 16 und 17 Kennlinien für den Volllastbetrieb des Motors 11, wobei bei der Kennlinie 16 Zündzeitpunkte nach spät und bei der Kennlinie 17 Zündzeitpunkte nach früh verschoben sind.
  • Die Kennlinien 18 und 19 betreffen Kennlinien für den Teillastbetrieb des Motors 11, wobei bei der Kennlinie 18 Zündzeitpunkte nach spät und bei der Kennlinie 19 Zündzeitpunkte nah früh verschoben sind.
  • Besonders bevorzugt ist eine Variante der Erfindung, in welcher als Abgasistwert mit Hilfe des in 1 gezeigten NOx-Sensors 15 ein NOx-Istwert stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente 14 des Abgasnachbehandlungssystems 13, welches optimiert betrieben werden soll, messtechnisch erfasst wird. Abhängig von diesem Abgasistwert wird dann der Istwert des Stickstoffdioxidanteils im Abgas stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente 14 bestimmt, wobei dieser Istwert des Stickstoffdioxidanteils mit einem Sollwert für denselben verglichen wird. Abhängig von diesem Vergleich wird mindestens ein Betriebsparameter für den Motor 11 derart verändert, dass der Istwert des Stickstoffdioxidanteils im Abgas stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente 14 dem Sollwert des Stickstoffdioxidanteils angenähert wird.
  • Wie bereits ausgeführt, kann es sich bei der Abgasnachbehandlungskomponente 14, die durch die erfindungsgemäße Beeinflussung des Stickstoffdioxidanteils im Abgas optimiert betrieben werden soll, um einen SCR-Katalysator handeln. Alternativ kann es sich bei dieser Abgasnachbehandlungskomponente 14 auch um einen Partikelfilter oder um einen NOx-Speicherkatalysator handeln.
  • Wie bereits ausgeführt, wird der Sollwert für den Stickstoffdioxidanteil im Abgas betriebspunktabhängig gewählt. Dann, wenn es sich bei der Abgasnachbehandlungskomponente 14 des Abgasnachbehandlungssystems 13, die infolge der Einstellung des Istwerts des Stickstoffdioxidanteils optimiert betrieben werden soll, um einen SCR-Katalysator handelt, wird als Sollwert für den Stickstoffdioxidanteil im Abgas vorzugsweise 50% gewählt. Es ist jedoch auch möglich, einen Sollwert für den Stickstoffdioxidanteil im Abgas von weniger als 50% zu wählen, insbesondere bei hohen Abgastemperaturen des Abgases.
  • Insbesondere wird der Sollwert für den Stickstoffdioxidanteil im Abgas derart gewählt, dass sich infolge der abhängig von diesem Sollwert veränderten Betriebsparameter für den Motor 11 die NOx-Rohemissionen des Motors 11 um nicht mehr als 15% reduzieren. Hiermit kann ein Verbrauchsanstieg des Motors 11 vermieden werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Brennkraftmaschine
    11
    Motor
    12
    Zylinder
    13
    Abgasnachbehandlungssystem
    14
    Abgasnachbehandlungskomponente
    15
    Sensor
    16
    Kennlinie
    17
    Kennlinie
    18
    Kennlinie
    19
    Kennlinie

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10), die zumindest einen Motor (11) und ein Abgasnachbehandlungssystem (13) aufweist, wobei Abgas, welches im Motor (11) bei der Verbrennung von Kraftstoff entsteht, zur Reinigung über das Abgasnachbehandlungssystem (13) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasistwert bestimmt wird, der vom Istwert eines Sickstoffdioxidanteils im Abgas stromaufwärts einer Abgasnachbehandlungskomponente (14) des Abgasnachbehandlungssystems (13) abhängig ist, und dass mindestens ein Betriebsparameter für den Motor (11) derart verändert wird, dass der Istwert des Sickstoffdioxidanteils einem entsprechenden Sollwert des Sickstoffdioxidanteils angenähert wird, sodass die jeweilige Abgasnachbehandlungskomponente (14) optimiert betrieben wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert für den Sickstoffdioxidanteil lastpunktabhängig gewählt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert für den Sickstoffdioxidanteil in Abhängigkeit mindestens eines Betriebsparameters des Motors (10) und/oder in Abhängigkeit mindestens eines Betriebsparameters des Abgasnachbehandlungssystems (13) bestimmt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebsparameter für den Motor (10) ein Lambdawert und/oder ein Zündzeitpunkt und/oder Ventilsteuerzeiten und/oder eine Motorkompression und/oder ein Abgasanteil im Motorbrennraum verändert wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasistwert bestimmt wird, der vom Istwert des Sickstoffdioxidanteils im Abgas stromaufwärts eines SCR-Katalysators des Abgasnachbehandlungssystems (13) abhängig ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasistwert bestimmt wird, der vom Istwert des Sickstoffdioxidanteils im Abgas stromaufwärts eines Partikelfilters des Abgasnachbehandlungssystems (13) abhängig ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasistwert bestimmt wird, der vom Istwert des Sickstoffdioxidanteils im Abgas stromaufwärts eines NOx-Speicherkatalysators des Abgasnachbehandlungssystems (13) abhängig ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Abgasistwert ein NOx-Istwert stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente (14) des Abgasnachbehandlungssystems (13) mit einem NOx-Sensor messtechnisch erfasst wird, dass abhängig von diesem Abgasistwert der Istwert des Sickstoffdioxidanteils im Abgas stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente (14) bestimmt wird, dass dieser Istwert des Sickstoffdioxidanteils mit dem Sollwert des Sickstoffdioxidanteils verglichen wird, und dass abhängig von diesem Vergleich mindestens ein Betriebsparameter für den Motor (11) derart verändert wird, dass der Istwert des Sickstoffdioxidanteils dem Sollwert des Sickstoffdioxidanteils angenähert wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Betriebsparameter für den Motor (11) derart verändert werden, dass NOx-Rohemissionen des Motors um maximal 15% gesenkt werden.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennkraftmaschine mit einem Gasmotor, der gasförmigen und methanhaltigen Kraftstoff verbrennt, betrieben wird.
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