DE102017209080A1

DE102017209080A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschineneinrichtung, Brennkraftmaschineneinrichtung und SCR-Steuereinrichtung

Info

Publication number: DE102017209080A1
Application number: DE102017209080.4A
Authority: DE
Inventors: Jens Niemeyer
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2017-05-30
Filing date: 2017-05-30
Publication date: 2018-12-06
Anticipated expiration: 2037-05-31
Also published as: DE102017209080B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschineneinrichtung (1) mit einer Brennkraftmaschine (3) und einem mit der Brennkraftmaschine (3) zum Abführen von Abgas der Brennkraftmaschine (3) fluidverbundenen Abgasstrang (5), wobei ein in dem Abgasstrang (5) strömender Abgasstrom der Brennkraftmaschine (3) von Stickoxiden gereinigt wird, wobei Stickoxidemissionen der Brennkraftmaschineneinrichtung (1) durch Ansteuern einer Stickoxid-Reduktionseinrichtung (7), die einen in dem Abgasstrang (5) angeordneten SCR-Katalysator (9) sowie eine in dem Abgasstrang (5) stromaufwärts des SCR-Katalysators (9) angeordnete, ansteuerbare Reduktionsmittel-Dosiereinrichtung (11) aufweist, gesteuert oder geregelt werden, und wobei ein Abgasmassenstrom durch die Stickoxid-Reduktionseinrichtung (7) anhand von wenigstens einem SCR-Parameter, ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Steuerparameter der Stickoxid-Reduktionseinrichtung (7) und einem an der Stickoxid-Reduktionseinrichtung (7) erfassten Parameter, ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschineneinrichtung, eine Brennkraftmaschineneinrichtung und eine SCR-Steuereinrichtung, die eingerichtet sind zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Brennkraftmaschineneinrichtungen der hier angesprochenen Art weisen eine Brennkraftmaschine und einen mit der Brennkraftmaschine zum Abführen von Abgas der Brennkraftmaschine strömungstechnisch verbundenen Abgasstrang auf. Zur Einhaltung von Emissionsgrenzwerten wird ein in dem Abgasstrang strömender Abgasstrom der Brennkraftmaschine von Stickoxiden gereinigt, wobei Stickoxidemissionen der Brennkraftmaschineneinrichtung durch Ansteuern einer Stickoxid-Reduktionseinrichtung - im Folgenden synonym kurz auch als SCR-Einrichtung bezeichnet -, die einen in dem Abgasstrang angeordneten SCR-Katalysator sowie eine in dem Abgasstrang stromaufwärts des SCR-Katalysators angeordnete, ansteuerbare Reduktionsmittel-Dosiereinrichtung aufweist, gesteuert oder geregelt werden.
Für die Stickoxidemissionen geltende Grenzwerte sind typischerweise - entweder als gesetzliches oder von einem Hersteller oder Betreiber der Brennkraftmaschineneinrichtung vorgegebenes Emissionsziel - als absolute Größen und insbesondere als Masse pro Energieeinheit, vorzugsweise in Gramm pro Kilowattstunde, angegeben und in einer Steuereinrichtung hinterlegt. Eine Sensorik der SCR-Einrichtung ist allerdings typischerweise eingerichtet, um einen Stickoxid-Anteil, insbesondere eine Konzentration oder einen Partialdruck, im Abgasstrom zu messen. Eine Umrechnung in absolute Stickoxidemissionen, oder auch umgekehrt eine Verwendung des absolut vorgegebenen Emissionsziels in der Regelung der SCR-Einrichtung, ist nur möglich, wenn der Abgasmassenstrom entlang des Abgasstrangs und insbesondere durch die SCR-Einrichtung bekannt ist. Die Kenntnis des Abgasmassenstroms ist auch erforderlich, um eine Regelabweichung des gemessenen Stickoxid-Anteils in eine erforderliche Reduktionsmittel-Dosierrate zur Ansteuerung der Reduktionsmittel-Dosiereinrichtung umzurechnen. Der Abgasmassenstrom sollte möglichst genau bekannt sein, da ansonsten größere Sicherheitsmargen eingehalten werden müssen, um das Emissionsziel sicher zu erreichen. Dies und/oder eine ungenaue Kenntnis des Abgasmassenstroms kann weiterhin dazu führen, dass das Reduktionsmittel überdosiert wird, wodurch sich unerwünschte, sekundäre Emissionen, beispielsweise ein NH₃-Schlupf, ergeben.
Bei Brennkraftmaschinen, die bereits bestimmungsgemäß zur Verwendung mit einer SCR-Einrichtung ausgelegt sind, wird der Abgasmassenstrom typischerweise in einer Brennkraftmaschinen-Steuereinrichtung aus Brennkraftmaschinen-Parametern wie beispielsweise der Drehzahl, dem Ladeluftdruck, der Ladelufttemperatur, einem Hubvolumen der Brennkraftmaschine, und/oder dem Luftaufwand berechnet. Auch ein gemessener LambdaWert, das heißt das momentane Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnis im Brennraum der Brennkraftmaschine, und eine dem Brennraum zugeführte Brennstoffmasse können zur Berechnung des Abgasmassenstroms herangezogen werden. Hierzu sind aber Werte erforderlich, die nur intern in dem Brennkraftmaschinen-Steuergerät zur Verfügung stehen, wobei gerade Brennkraftmaschinen, die nicht zur Verwendung mit einer SCR-Einrichtung vorgesehen sind, keine Schnittstellen aufweisen, um solche Werte nach außen zu kommunizieren. Es ist daher nicht oder nur mit erheblichem Aufwand möglich, solche nicht originär zur Verwendung mit einer SCR-Einrichtung eingerichteten Brennkraftmaschine mit einer SCR-Einrichtung nachzurüsten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschineneinrichtung sowie eine Brennkraftmaschineneinrichtung und eine SCR-Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren geschaffen wird, bei dem zum Betreiben einer Brennkraftmaschineneinrichtung gemäß der zuvor beschriebenen Art vorgesehen ist, dass der die SCR-Einrichtung durchsetzende Abgasmassenstrom anhand von wenigstens einem SCR-Parameter ermittelt wird, wobei der wenigstens eine SCR-Parameter ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem Steuerparameter der SCR-Einrichtung und einem an der SCR-Einrichtung erfassten Parameter. Auf diese Weise ist es möglich, den Abgasmassenstrom auf der Grundlage von wenigstens einer Größe zu berechnen, die an der SCR-Einrichtung messbar oder in der SCR-Einrichtung bekannt ist. Es ist daher ohne weiteres möglich, auch solche Brennkraftmaschinen mit einer SCR-Einrichtung nachzurüsten, bei denen intern in einem zentralen Brennkraftmaschinen-Steuergerät kein Abgasmassenstrom berechnet oder keine Größen über geeignete Schnittstellen nach außen kommuniziert werden, die zur Berechnung des Abgasmassenstroms notwendig wären. Vielmehr kann der Abgasmassenstrom ohne Rückgriff auf das zentrale Brennkraftmaschinen-Steuergerät auf der Grundlage der durch die SCR-Einrichtung bereitgestellten Größen bestimmt werden, wobei in einfacher und kostengünstiger Weise die vollständige Funktionalität der SCR-Einrichtung auch als Nachrüstlösung bereitgestellt werden kann. Es bedarf dabei weder eines Austauschs eines älteren Brennkraftmaschinen-Steuergeräts noch einer umständlichen und umfangreichen Installation neuer Software auf einem solchen Brennkraftmaschinen-Steuergerät. Die SCR-Einrichtung kann dann auch unabhängig von einem Hersteller der Brennkraftmaschine bereitgestellt werden, sodass sogar Fremdmotoren durch Drittanbieter mit einer solchen SCR-Einrichtung nachgerüstet werden können.
Unter einem SCR-Parameter wird hier - wie bereits ausgeführt - ein Steuerparameter zur Ansteuerung der SCR-Einrichtung und/oder ein an der SCR-Einrichtung erfasster, insbesondere gemessener Parameter verstanden. Es handelt sich also entweder um eine Vorgabegröße zur Ansteuerung der SCR-Einrichtung, insbesondere eine Reduktionsmittel-Dosierrate, mit der die Reduktionsmittel-Dosiereinrichtung angesteuert wird, oder eine mittels einer Sensorik an der SCR-Einrichtung gemessene Größe, beispielsweise eine Abgas-Temperatur oder einen Stickoxid-Anteil im Abgas.
Unter einem SCR-Katalysator wird eine Katalyse-Einrichtung verstanden, die eingerichtet ist zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere unter Verwendung eines geeigneten Reduktionsmittels. Besonders bevorzugt handelt es sich um eine Katalyse-Einrichtung, die eingerichtet ist, um Stickoxide mit Ammoniak zu Stickstoff und Wasser umzusetzen, wobei als Reduktionsmittel oder Reduktionsmittel-Vorläuferprodukt über die Reduktionsmittel-Dosiereinrichtung insbesondere Harnstoff in Form einer Harnstoff-WasserLösung in den Abgasstrang eingebracht werden kann, wobei der Harnstoff in dem Abgasstrom zu Ammoniak zersetzt wird. Eine SCR-Einrichtung ist dementsprechend eine Einrichtung, welche eine derartige SCR-Katalyse-Einrichtung als SCR-Katalysator aufweist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abgasmassenstrom ausschließlich anhand des wenigstens einen SCR-Parameters ermittelt wird. Insbesondere in diesem Fall ist das Verfahren hervorragend zur Nachrüstung von Brennkraftmaschinen geeignet, die bisher nicht zum Betreiben mit einer SCR-Einrichtung eingerichtet sind.
Alternativ ist es aber auch möglich, dass zur Ermittlung des Abgasmassenstroms zusätzlich zu dem wenigstens einen SCR-Parameter wenigstens ein Brennkraftmaschinen-Parameter verwendet wird, wobei der wenigstens eine Brennkraftmaschinen-Parameter ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem Brennkraftmaschinen-Steuerparameter und einem an der Brennkraftmaschine erfassten Parameter. Dies kann gegebenenfalls die Genauigkeit der Berechnung des Abgasmassenstroms erhöhen, wobei diese Ausführungsform des Verfahrens insbesondere Anwendung finden kann, wenn entweder das Verfahren selbst auf dem zentralen Brennkraftmaschinen-Steuergerät durchgeführt wird, oder wenn das Brennkraftmaschinen-Steuergerät eine Schnittstelle zur Ausgabe von wenigstens einem Brennkraftmaschinen-Steuerparameter aufweist, sodass dieser außerhalb des Brennkraftmaschinen-Steuergeräts zur Durchführung des Verfahrens verwendet werden kann.
Als Brennkraftmaschinen-Steuerparameter kommen insbesondere eine in Brennräume der Brennkraftmaschine eingebrachte Brennstoffmasse oder ein Brennstoffmassenstrom, ein momentanes Soll-Drehmoment oder dergleichen infrage. Ein an der Brennkraftmaschine erfasster Parameter ist beispielsweise eine momentane Drehzahl der Brennkraftmaschine, eine momentane Ladelufttemperatur, ein momentaner Ladeluftdruck, ein momentanes Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnis, ein momentan durch die Brennkraftmaschine aufgebrachtes Drehmoment, ein momentaner stöchiometrischer Luftbedarf, oder dergleichen. Auch solche Parameter können allerdings - je nach Betriebsweise der Brennkraftmaschine - als Brennkraftmaschinen-Steuerparameter vorgegeben werden, wobei umgekehrt auch einer der zuvor genannten Brennkraftmaschinen-Steuerparameter gegebenenfalls als an der Brennkraftmaschine erfasster Parameter ausgestaltet sein kann.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der wenigstens eine SCR-Parameter ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einer Reduktionsmittel-Dosierrate, einer Abgas-Temperatur stromaufwärts des SCR-Katalysators, einer Abgas-Temperatur stromabwärts des SCR-Katalysators, einem Stickoxid-Anteil im Abgas stromaufwärts des SCR-Katalysators, einem Stickoxid-Anteil im Abgas stromabwärts des SCR-Katalysators, und einem Differenzdruck, der über dem SCR-Katalysator abfällt.
Unter einem Stickoxid-Anteil wird - wie bereits oben ausgeführt - insbesondere eine Stickoxid-Konzentration oder ein Stickoxid-Partialdruck verstanden, wobei der Stickoxid-Anteil insbesondere in ppm angegeben werden kann. Bei dem Stickoxid-Anteil handelt es sich insbesondere um einen Gesamt-Stickoxid-Anteil, das heißt um einen kumulierten Anteil an Stickstoffdioxid und Stickstoffmonoxid im Abgas.
Der über dem SCR-Katalysator abfallende Differenzdruck kann entweder direkt - mittels eines geeigneten Differenzdruck-Sensors - gemessen, oder aber aus einem ersten, stromaufwärts des SCR-Katalysators gemessenen Druck und einem zweiten, stromabwärts des SCR-Katalysators gemessenen Druck - als Differenzwert - berechnet werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abgasmassenstrom - gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ausschließlich - anhand einer an dem SCR-Katalysator gemessenen Stickoxid-Umsatzrate und einer als Steuerparameter der SCR-Einrichtung verwendeten Reduktionsmittel-Dosierrate ermittelt wird. Dies stellt eine ebenso genaue wie einfach zu implementierende und besonders bevorzugt völlig unabhängig von Brennkraftmaschinen-Parametern durchführbare Ausgestaltung des Verfahrens dar, wobei keinesfalls ausgeschlossen ist, dass insbesondere zur Erhöhung der Genauigkeit des Verfahrens wenigstens ein Brennkraftmaschinen-Parameter zur Berechnung des Abgasmassenstroms mit herangezogen werden kann.
Die Stickoxid-Umsatzrate η ist dabei definiert als Differenz zwischen dem Stickoxid-Anteil [NO_x]' im Abgas stromaufwärts des SCR-Katalysators und dem Stickoxid-Anteil [NO_x]" stromabwärts des SCR-Katalysators, dividiert durch den Stickoxid-Anteil [NO_x]' stromaufwärts des SCR-Katalysators, ausgedrückt durch folgende Gleichung: $η = \frac{[N O_{x}]' - [N O_{x}]''}{[N O_{x}]'} = 1 - \frac{[N O_{x}]''}{[N O_{x}]'}$
Für die folgende Betrachtung benötigt man das Verhältnis der Stoffströme - ausgedrückt in Stoffmenge pro Zeiteinheit, insbesondere Mol pro Sekunde, des Reduktionsmittels Ṙ und der kumulierten Stickoxide $\overset{\cdot}{(N O_{x})},$
das durch folgende Gleichung ausgedrückt wird: $α = \frac{\dot{R}}{\overset{\cdot}{(N O_{x})}}$
Es wird im Folgenden auch als Dosierverhältnis α bezeichnet. Der Reduktionsmittel-Stoffstrom R ergibt sich aus der Reduktionsmittel-Dosierrate gemäß folgender Gleichung: $\dot{R} = \frac{\dot{D}}{M_{R}}$
wobei ̇Ḋ die Reduktionsmittel-Dosierrate in Masse pro Zeiteinheit, insbesondere Gramm pro Sekunde, ist, und wobei M_R die Molmasse des Reduktionsmittels, insbesondere in Gramm pro Mol, ist. Der kumulierte Stickoxid-Stoffstrom $\overset{\cdot}{(N O_{x})}$
ergibt sich gemäß folgender Gleichung: $\overset{\cdot}{(N O_{x})} = \frac{{\dot{m}}_{A}}{M_{A}} [N O_{x}]'$
aus dem letztlich gesuchten Abgasmassenstrom ṁ_A dividiert durch die bekannte und zumindest in guter Näherung konstante Molmasse M_A des Abgases und multipliziert mit dem Stickoxid-Anteil [NO_x]' stromaufwärts des SCR-Katalysators. Setzt man die Gleichungen (3) und (4) in die Gleichung (2) ein, erhält man: $α = \frac{M_{A}}{M_{R}} \frac{\dot{D}}{[N O x]'} \frac{1}{{\dot{m}}_{A}}$
Im stationären Fall gilt $α = η$
, dass nämlich die Umsatzrate η gleich dem Dosierverhältnis α ist.
Somit kann im stationären Fall letztlich der gesuchte Abgasmassenstrom ṁ_A in einfacher Weise aus den gemessenen Stickoxid-Anteilen [NO_x]', [NO_x]" und der vorgegebenen Reduktionsmittel-Dosierrate R berechnet werden, wobei - wie bereits angedeutet - die Molmassen des Abgases M_A einerseits und des Reduktionsmittels M_R andererseits bekannt und zumindest in sehr guter Näherung konstant sind, sodass sie als feste Parameter hinterlegt werden können.
Der Vollständigkeit wegen sei hinzugefügt, dass aufgrund des temperaturabhängigen Effekts der sogenannten direkten Oxidation Gleichung (6) in der Praxis selbst im stationären Zustand nicht uneingeschränkt gilt, wobei vielmehr ein Korrekturfaktor zu berücksichtigen ist, der den - temperaturabhängigen - Anteil des Reduktionsmittels angibt, welches ohne Reduktion von Stickoxiden an dem SCR-Katalysator direkt oxidiert wird. Der einfacheren Darstellung wegen wird hierauf jedoch nicht eingegangen, zumal die entsprechende Korrektur in einfacher Weise durch Berücksichtigen eines temperaturabhängigen Faktors durchgeführt werden kann, wobei der entsprechende temperaturabhängige Faktor vorab durch Prüfstandsversuche ermittelt werden kann.
Im dynamischen Fall gilt Gleichung (6) nicht mehr uneingeschränkt, da zusätzliche Effekte durch das zeitliche Verhalten der SCR-Einrichtung auftreten. Diese ergeben sich beispielsweise aus dem Reduktionsmittel-Speicherverhalten des SCR-Katalysators. Es ist daher nötig, auf Ersatzmodelle, vorzugsweise regelungstechnische Ersatzmodelle, beispielsweise ein PT1-Modell, ein PT1-Modell mit Totzeit, oder dergleichen, zurückzugreifen. Ein möglicher Ansatz kann folgendermaßen gewählt werden: $η = η_{0} + \frac{K}{1 + T \cdot s} e^{- T_{t} \cdot s} (α - α_{0})$
was einem PTl-Glied mit Totzeit entspricht, mit der Verstärkung K, der Zeitkonstante T, und der Totzeit T_t, wobei s in üblicher Weise die Laplace-Transformierte des Zeitparameters tdarstellt. Die Parameter η₀ und α₀ geben den temperaturabhängigen Arbeitspunkt der SCR-Einrichtung an, wobei auch die Verstärkung K, die Zeitkonstante T und die Totzeit T_t temperatur- und damit arbeitspunktabhängig sind. Diese Parameter können aber vorab am Prüfstand vermessen und in Abhängigkeit von der an der SCR-Einrichtung messbaren Temperatur insbesondere in einem Kennfeld hinterlegt werden.
Der gesuchte Massenstrom ṁ_A ist gemäß Gleichung (5) in Verbindung mit Gleichung (7) in dem Dosierverhältnis α enthalten. Durch Umformen und Einsetzen erhält man: $η - η_{0} + \frac{K}{1 + T \cdot s} α_{0} = \frac{\frac{K}{{\dot{m}}_{A}}}{1 + T \cdot s} \frac{M_{A}}{M_{R}} \frac{\dot{D}}{[N O_{x}]'}$
wobei der einfacheren Darstellung wegen das Totzeitglied weggelassen wurde, zumal die Totzeit T_t durch zeitliches Verschieben aller Werte, die in die Berechnung des Dosierverhältnisses α sowie des Dosierverhältnisses α₀ am Arbeitspunkt eingehen, berücksichtigt werden kann.
Gleichung (8) entspricht wiederum der typischen Form eines PT1-Gliedes, was man gemäß der folgenden Darstellung: $y * = \frac{K *}{1 + T \cdot s} u *$
mit den folgenden Definitionen: $y * = η - η_{0} + \frac{K}{1 + T \cdot s} α_{0}$
$K * = \frac{K}{{\dot{m}}_{A}}$
$u * = \frac{M_{A}}{M_{R}} \frac{\dot{D}}{[N O_{x}]'}$
leicht sieht. Gleichung (9) ist dabei einem Schätzverfahren ohne weiteres zugänglich, wobei insbesondere die Werte von K* und T aus den gemessenen und bekannten Werten der SCR-Einrichtung geschätzt werden können, und wobei sich gemäß Gleichung (11) aus dem geschätzten Wert für K* und der aus Prüfstandsversuchen bekannten Verstärkung K ohne weiteres der gesuchte Abgasmassenstrom ṁ_A berechnen lässt. Auch die Zeitkonstante T kann - wie oben ausgeführt - grundsätzlich aus Prüfstandsversuchen bekannt sein, wobei ein so erhaltener Wert ohne weiteres verwendet werden kann. Er kann aber auch im Rahmen des Schätzverfahrens mitgeschätzt werden, wobei diese Vorgehensweise auch zusätzlich angewendet werden kann, um die Genauigkeit des Verfahrens zu verbessern.
Die Genauigkeit des Verfahrens kann noch weiter verbessert werden, indem wenigstens ein Brennkraftmaschinen-Parameter mitverwendet werden kann. Beispielsweise kann dann anstelle des Abgasmassenstroms nur ein Korrekturfaktor zu einem groben Berechnungswert bestimmt werden. Ist beispielsweise der Liefergrad nicht bekannt, aber es können die Ladelufttemperatur und der Ladeluftdruck gemessen werden, ist es möglich, die Gleichungen so umzuformen, dass ein grober Rechenwert mit zu den Eingangsgrößen u* aufgenommen wird, wobei in K* das bekannte Kund der dann gesuchte Korrekturfaktor stecken, der dem Liefergrad entspricht. Sind die Ladelufttemperatur und der Ladeluftdruck ebenfalls nicht bekannt, dann kann man hierfür feste, typische Werte annehmen, wobei Abweichungen im realen Betrieb in dem Korrekturfaktor abgebildet werden können. Je mehr motorische Größen bekannt sind, desto dichter wird der gesuchte Korrekturfaktor am Wert 1 liegen, und desto kleiner werden seine Schwankungen sein. Damit funktioniert die Schätzung des korrekten Abgasmassenstroms ṁ_A besser, je mehr Größen verfügbar sind.
Aus dem Schätzverfahren resultierende Werte für den Abgasmassenstrom können auch - insbesondere in Abhängigkeit von gemessenen oder eingestellten Parametern - gespeichert werden und später - insbesondere wiederum in Abhängigkeit von gemessenen oder eingestellten Parametern - als Startwerte für das Schätzverfahren abgerufen werden.
Insbesondere dann, wenn wenigstens ein Brennkraftmaschinen-Parameter zur Ermittlung des Abgasmassenstroms mitverwendet wird, ist es möglich, den jeweils geschätzten Abgasmassenstrom oder Korrekturfaktor in wenigstens einem Kennfeld in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Brennkraftmaschinen-Parameter zu hinterlegen. Wird ein einem bestimmten Wert oder einer Wertekombination des wenigstens einen Brennkraftmaschinen-Parameters entsprechender Betriebspunkt zu einem späteren Zeitpunkt wieder erreicht, kann der dem bestimmten Wert oder der Wertekombination des wenigstens einen Brennkraftmaschinen-Parameters zugeordnete Wert des Abgasmassenstroms oder Korrekturfaktors wieder ausgelesen und insbesondere als Startwert für das Schätzverfahren verwendet werden. Dies kann das Verfahren beschleunigen.
Alternativ oder zusätzlich zu der Berechnung des Abgasmassenstroms anhand einer an dem SCR-Katalysator gemessenen Stickoxid-Umsatzrate und der als Steuerparameter verwendeten Reduktionsmittel-Dosierrate kann vorgesehen sein, dass der Abgasmassenstrom anhand eines thermischen Modells der SCR-Einrichtung ermittelt wird, wobei in das thermische Modell eine Abgas-Temperatur stromaufwärts des SCR-Katalysators und eine Abgas-Temperatur stromabwärts des SCR-Katalysators eingehen. Der Abgasmassenstrom kann ausschließlich anhand des thermischen Modells oder aber unter Verwendung des thermischen Modells in Kombination mit dem zuvor vorgestellten Verfahren ermittelt werden. Insbesondere ist es möglich, dass das thermische Modell zur Berechnung eines Startwerts verwendet wird, wobei die Bestimmung des genauen Wertes des Abgasmassenstroms dann wie zuvor in Zusammenhang mit den Gleichungen (1) bis (12) erläutert erfolgen kann.
Ein solches thermisches Modell kann beispielsweise folgendermaßen gewählt werden: ${\dot{T}}_{A}^{''} = \frac{{\dot{m}}_{A} c_{p, A} (T_{A}^{'} - T_{A}^{''}) - h (\frac{T_{A}^{'} + T_{A}^{''}}{2} - T_{u})}{C_{S C R}}$
mit der Abgas-Temperatur $T_{A}^{'}$
stromaufwärts des SCR-Katalysators, der Abgas-Temperatur $T_{A}^{''}$
stromabwärts des SCR-Katalysators sowie deren zeitlicher Ableitung ${\dot{T}}_{A}^{''},$
dem Abgasmassenstrom ṁ_A, der spezifischen Wärmekapazität c_p,A des Abgases, die als konstanter Parameter oder unter Berücksichtigung einer leichten Temperaturabhängigkeit fest hinterlegt sein kann, dem bekannten und fest hinterlegten Produkt h aus einem Wärmeübergangskoeffizient und der Oberfläche des SCR-Katalysators, der Wärmekapazität C_SCR des SCR-Katalysators, und der Umgebungstemperatur T_u, die als Messwert vorhanden, als fester, konstanter Wert angenommen und hinterlegt, oder auch vernachlässigt werden kann. Der modellgemäßen Gleichung (13) liegt insbesondere die Annahme zugrunde, dass die Abgas-Temperatur $T_{A}^{''}$
stromabwärts des SCR-Katalysators zumindest im Wesentlichen der Temperatur des SCR-Katalysators entspricht, da diese Temperatur des Abgases aufgrund der hohen Oberfläche des SCR-Katalysators stark an die Temperatur des SCR-Katalysators gekoppelt ist. In der Praxis zeigt sich, dass detailliertere Ansätze, bei denen separat eine Katalysator-Temperatur und eine Abgas-Temperatur berechnet werden, keinen nennenswerten Unterschied zu den Ergebnissen nach Gleichung (13) ergeben.
Es kann so insbesondere eine erste grobe Schätzung des Abgasmassenstroms aus der bekannten Wärmekapazität des SCR-Katalysators und den Temperaturmesswerten stromaufwärts und stromabwärts des SCR-Katalysators erfolgen. Dabei wird bevorzugt ein Differentiationsfilter verwendet, um aus verrauschten Temperaturmesswerten möglichst gute Ableitungswerte zu erzeugen.
Insbesondere kann aus dem Messwert für die Temperatur $T_{A}^{''}$
stromabwärts des SCR-Katalysators mithilfe eines sogenannten Ableitungsfilters ein Wert für die zeitliche Temperaturableitung ${\dot{T}}_{A}^{''}$
erzeugt werden. Der Ableitungsfilter sorgt dafür, dass eine ausreichende Filterung vorgenommen wird, um Effekte durch Messrauschen zu unterdrücken, die ansonsten zu falschen Ableitungswerten führen würden. Eine zu starke Filterung kann aber in unerwünschter Weise zu einer zeitlich verzögerten Ableitung der Temperatur führen. Bevorzugt werden die Temperaturmesswerte mit einem einfachen PT1-Filter gefiltert, um dann numerisch eine Ableitung zu erzeugen. Bessere Ergebnisse werden erzielt, wenn spezielle Ableitungsfilter verwendet werden, bei denen in einem Schritt Filterung und Bildung der Ableitung durchgeführt werden. Solche Filter sind aus der Signalverarbeitung für sich genommen bekannt.
Somit sind dann alle Größen aus Gleichung (13) bekannt bis auf den gesuchten Abgasmassenstrom ṁ_A, der mithilfe eines Schätzverfahrens aus dem zeitlichen Verlauf der Messwerte bestimmt werden kann.
Wie bereits ausgeführt, wird auf diese Weise besonders bevorzugt ein Startwert für den Abgasmassenstrom ṁ_A bestimmt, wobei die nachfolgende Bestimmung genauerer Werte dann anhand des zuvor in Zusammenhang mit den Gleichungen (1) bis (12) dargestellten Verfahrens erfolgen kann.
Alternativ oder zusätzlich ist auch eine Bestimmung oder zumindest grobe Schätzung des Abgasmassenstroms anhand des Differenzdrucks über dem SCR-Katalysator möglich, wobei ein prinzipieller Zusammenhang aussagt, dass der Abgas-Volumenstrom proportional zur Quadratwurzel des Differenzdrucks verläuft. Aus dem derart geschätzten Volumenstrom kann dann unter Berücksichtigung der bekannten Dichte des Abgases der Abgasmassenstrom zurückgerechnet werden. Der lineare Zusammenhang beziehungsweise die diesen beschreibende Konstante kann insbesondere anhand von Prüfstandsversuchen ermittelt werden. Diese Vorgehensweise ist allerdings vergleichsweise grob und ungenau, insbesondere weil der Druckabfall über dem SCR-Katalysator typischerweise klein ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abgasmassenstrom durch ein Schätzverfahren - wie bereits zuvor angedeutet - ermittelt wird. Das Schätzverfahren ist vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus der Methode der kleinsten Fehlerquadrate, einer Maximum-Likelihood Schätzung, die insbesondere eine Variante der Methode der kleinsten Fehlerquadrate darstellt, der Zustandsbeobachtung für Systeme mit unbekannten Eingängen, wobei diese Vorgehensweise auch als „Unknown Input Observer“ oder Prinzip des Beobachters bezeichnet wird, und einem Kalman-Filter.
Bei der Zustandsbeobachtung für Systeme mit unbekannten Eingängen kann insbesondere die gemessene Umsatzrate η mit einer berechneten Umsatzrate η_M verglichen werden, wobei die so erhaltene Differenz als Ist-Wert verwendet und mit einem Soll-Wert, der vorzugsweise zu 0 bestimmt wird, verglichen wird, wobei die daraus resultierende Regelabweichung in einen Regler eingeht, der einen Modellwert α_M für das Dosierverhältnis ausgibt, aus dem wiederum mithilfe eines dynamischen Modells, beispielsweise in Form eines PT1-Glieds mit Totzeit, der Modellwert für die Umsatzrate η_M berechnet wird. Auf diese Weise wird eine Regelschleife geschaffen, in der der Modellwert für das Dosierverhältnis α_M so angepasst wird, dass die Abweichung zwischen der gemessenen Umsatzrate η und der modellierten Umsatzrate η_M verschwindet. Der so optimierte Wert für das modellierte Dosierverhältnis α_M kann dann wiederum auf der Grundlage der vorgegebenen Reduktionsmittel-Dosierrate und dem gemessenen Stickoxid-Anteil stromaufwärts des SCR-Katalysators umgerechnet werden in den gesuchten Abgasmassenstrom.
Der Regler zur Berechnung des modellierten Dosierverhältnisses α_M kann beispielsweise ein P-Regler oder ein PI-Regler sein.
Bei einem Kalman-Filter handelt es sich insbesondere um ein Verfahren, bei dem Zustände oder Parameter eines Modells unter Kenntnis des dynamischen Modells und Messwerten von Ein- und Ausgangsgrößen geschätzt werden. Dabei werden statistische Eigenschaften der Signale berücksichtigt. Ein solcher Kalman-Filter ist für sich genommen bekannt, sodass hierauf nicht im Detail eingegangen wird.
Die momentane Umsatzrate η kann gemäß den zuvor diskutierten Zusammenhängen aus den gemessenen Stickoxid-Anteilen [NO_x]’, [NO_x]" im Abgas stromaufwärts und stromabwärts des SCR-Katalysators bestimmt werden, wobei auch die momentane Reduktionsmittel-Dosierrate R bekannt ist. Insbesondere mithilfe eines Schätzverfahrens ist es möglich, aus diesen Werten den unbekannten Abgasmassenstrom ṁ_A anhand eines Modellzusammenhangs zu bestimmen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass neben dem Abgas-Massenstrom aus dem Schätzverfahren wenigstens ein Dynamikparameter zur Beschreibung eines dynamischen Verhaltens der SCR-Einrichtung ermittelt wird. Ein solcher Dynamikparameter kann insbesondere eine Totzeit, eine Zeitkonstante der SCR-Einrichtung und/oder eine Verstärkung sein.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass aus dem Schätzverfahren eine Untergrenze für einen Konfidenz- oder Vertrauensbereich des Abgasmassenstroms ermittelt wird. Ein solcher Konfidenzbereich kann unmittelbar aus einem Schätzverfahren erhalten werden. Es ist aber auch möglich, dass der Konfidenzbereich und insbesondere dessen Untergrenze aus den Werten, die für den Abgasmassenstrom aus dem Schätzverfahren resultieren, unter Anwendung einer statistischen Auswertung ermittelt wird. Je nach konkret angewendetem Schätzverfahren liefert dieses direkt eine Untergrenze für den Konfidenzbereich, oder es bedarf einer zusätzlichen statistischen Auswertung der erhaltenen Ergebnisse für den Abgasmassenstrom. Wie sich im Folgenden noch zeigen wird, kann diese Untergrenze des Konfidenzbereichs in vorteilhafter Weise zur Vorgabe der Reduktionsmittel-Dosierrate verwendet werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine untere Abschätzung für den Abgasmassenstrom zur Regelung der Stickoxidemissionen der Brennkraftmaschineneinrichtung und insbesondere zur Ansteuerung der Reduktionsmittel-Dosiereinrichtung verwendet wird. Insbesondere wird die momentane Reduktionsmittel-Dosierrate bevorzugt anhand der unteren Abschätzung für den Abgasmassenstrom vorgegeben. Auf diese Weise kann wirksam verhindert werden, dass eine zu hohe Menge an Reduktionsmittel in den Abgasstrang eindosiert wird, wodurch Sekundäremissionen, insbesondere ein NH₃-Schlupf, vermieden werden können.
Als untere Abschätzung für den Abgas-Massenstrom kann besonders bevorzugt die bereits zuvor beschriebene Untergrenze des Konfidenzbereichs des Abgasmassenstroms verwendet werden, die - direkt oder indirekt - aus dem Schätzverfahren zur Schätzung des Abgasmassenstroms erhalten werden kann.
Es ist nicht zwingend erforderlich, dass die untere Abschätzung unmittelbar als Wert für den Abgasmassenstrom verwendet wird. Hier ist es auch möglich, einen Korrekturfaktor oder eine Funktion vorzusehen, sodass letztlich der angenommene Abgasmassenstrom auf der Grundlage der unteren Abschätzung ermittelt, insbesondere berechnet wird. Dabei kann insbesondere eine Abwägung zwischen dem Risiko einer Unterschätzung des tatsächlichen Abgasmassenstroms und damit einer zu hohen Stickoxidemission, und dem Risiko einer Überschätzung des tatsächlichen Abgasmassenstroms und damit einer Überdosierung von Reduktionsmittel und der Förderung von Sekundäremissionen, getroffen werden.
Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschineneinrichtung geschaffen wird, die eine Brennkraftmaschine und einen Abgasstrang aufweist, wobei der Abgasstrang mit der Brennkraftmaschine zum Abführen von Abgas der Brennkraftmaschine strömungstechnisch verbunden ist. Die Brennkraftmaschineneinrichtung weist eine Steuereinrichtung auf, die eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Die Brennkraftmaschineneinrichtung weist in ihrem Abgasstrang eine SCR-Einrichtung auf, die ihrerseits einen SCR-Katalysator sowie eine ansteuerbare Reduktionsmittel-Dosiereinrichtung aufweist. Die SCR-Einrichtung weist insbesondere einen Stickoxid-Sensor stromaufwärts des SCR-Katalysators und einen Stickoxid-Sensor stromabwärts des SCR-Katalysators auf, die mit der Steuereinrichtung wirkverbunden sind. Die Reduktionsmittel-Dosiereinrichtung ist mit der Steuereinrichtung derart wirkverbunden, dass die Steuereinrichtung eine Reduktionsmittel-Dosierrate für die Reduktionsmittel-Dosiereinrichtung vorgeben beziehungsweise die Reduktionsmittel-Dosiereinrichtung mit der Reduktionsmittel-Dosierrate ansteuern kann.
Vorzugsweise weist die SCR-Einrichtung einen ersten Temperatursensor stromaufwärts des SCR-Katalysators und einen zweiten Temperatursensor stromabwärts des SCR-Katalysators in dem Abgasstrang auf. Vorzugsweise weist die SCR-Einrichtung einen Differenzdrucksensor zur Messung eines Differenzdrucks über dem SCR-Katalysator, oder einen ersten Drucksensor zur Erfassung eines Abgasdrucks stromaufwärts des SCR-Katalysators und einen zweiten Drucksensor zur Erfassung eines Abgasdrucks stromabwärts des SCR-Katalysators auf. Auch diese Sensoren sind bevorzugt mit der Steuereinrichtung wirkverbunden.
In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschineneinrichtung ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung - insbesondere als SCR-Steuereinrichtung - separat von einer Brennkraftmaschinen-Steuereinrichtung ausgebildet ist, wobei die Brennkraftmaschinen-Steuereinrichtung zur Steuerung der Brennkraftmaschine eingerichtet ist. Die Brennkraftmaschinen-Steuereinrichtung kann insbesondere ein Steuergerät der Brennkraftmaschine sein. Da die Steuereinrichtung eingerichtet ist zur Durchführung einer Ausführungsform des zuvor beschriebenen Verfahrens ist es möglich, diese separat von dem Steuergerät der Brennkraftmaschine zu betreiben. Es ist alternativ aber auch möglich, dass das Steuergerät der Brennkraftmaschine selbst als Steuereinrichtung ausgebildet ist, die eingerichtet ist zur Durchführung einer Ausführungsform des zuvor beschriebenen Verfahrens.
Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs eingerichtet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem eine SCR-Steuereinrichtung geschaffen wird, die eingerichtet ist zur Durchführung einer Ausführungsform des zuvor genannten Verfahrens. Dabei verwirklichen sich in Zusammenhang mit der SCR-Steuereinrichtung insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren und der Brennkraftmaschineneinrichtung erläutert wurden. Eine solche SCR-Steuereinrichtung kann insbesondere verwendet werden, um bereits bestehende Brennkraftmaschinen, die nicht ausgelegt sind zum Betrieb mit einer SCR-Einrichtung, nachzurüsten.
Die SCR-Steuereinrichtung weist vorzugsweise geeignete Schnittstellen zu Sensoren der SCR-Einrichtung auf, insbesondere eine Schnittstelle zu Stickoxid-Sensoren stromaufwärts und stromabwärts des SCR-Katalysators, zu Temperatursensoren stromaufwärts und stromabwärts des SCR-Katalysators und/oder zu einem Differenzdrucksensor oder zu Drucksensoren stromaufwärts und stromabwärts des SCR-Katalysators. Die SCR-Steuereinrichtung ist außerdem bevorzugt eingerichtet zur Vorgabe einer Reduktionsmittel-Dosierrate an die Reduktionsmittel-Dosiereinrichtung.
Es ist möglich, dass die SCR-Steuereinrichtung eine Schnittstelle zur Verbindung mit einer Brennkraftmaschinen-Steuereinrichtung aufweist. In diesem Fall können auch Parameter der Brennkraftmaschinen-Steuereinrichtung in der SCR-Steuereinrichtung verwendet werden.
Vorzugsweise ist in der SCR-Steuereinrichtung ein Stickoxid-Grenzwert, insbesondere in Einheiten einer Masse pro Energieeinheit, insbesondere in Gramm pro Kilowattstunde, hinterlegt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschineneinrichtung sowie eine SCR-Steuereinrichtung, die eingerichtet sind zur Durchführung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschineneinrichtung.
Die einzige Fig. zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschineneinrichtung 1, die eine Brennkraftmaschine 3 und einen mit der Brennkraftmaschine 3 zum Abführen von Abgas der Brennkraftmaschine 3 fluidverbundenen Abgasstrang 5 aufweist. In dem Abgasstrang 5 ist eine Stickoxid-Reduktionseinrichtung - oder kurz SCR-Einrichtung 7 - angeordnet, die einen in dem Abgasstrang 5 angeordneten SCR-Katalysator 9 sowie eine in dem Abgasstrang 5 stromaufwärts des SCR-Katalysators 9 angeordnete, ansteuerbare Reduktionsmittel-Dosiereinrichtung 11 aufweist, die eingerichtet ist, um ein Reduktionsmittel oder ein Reduktionsmittelvorläuferprodukt, vorzugsweise eine wässrige Harnstofflösung, in den Abgasstrang 5 einzudosieren, wobei das entweder unmittelbar eingespritzte oder aus dem Reduktionsmittelvorläuferprodukt im Abgasstrom gebildete Reduktionsmittel geeignet ist, um an dem SCR-Katalysator 9 mit von dem Abgasstrom umfassten Stickoxiden umgesetzt zu werden, so dass die Stickoxide vorzugsweise zu Stickstoff und Wasser reduziert werden.
Im Rahmen einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschineneinrichtung 1 wird der in dem Abgasstrang 5 strömende Abgasstrom der Brennkraftmaschine 3 von Stickoxiden gereinigt, wobei Stickoxidemissionen der Brennkraftmaschineneinrichtung 1 durch Ansteuern der ansteuerbaren Reduktionsmittel-Dosiereinrichtung 11 gesteuert oder geregelt werden. Für diese Steuerung oder Regelung bedarf es einer möglichst genauen Kenntnis des Abgasmassenstroms durch den SCR-Katalysator 9, da typischerweise Ziel-Emissionswerte in absoluten Zahlen, insbesondere in g/kWh vorgegeben sind, während eine von der SCR-Einrichtung 7 umfasste Sensorik einen relativen Stickoxid-Anteil im Abgasstrom, das heißt insbesondere eine Stickoxid-Konzentration oder einen Stickoxid-Partialdruck, erfassen kann. Insbesondere eine absolut einzudosierende Reduktionsmittelmenge oder Dosierrate kann nur in Kenntnis des Abgasmassenstroms berechnet werden.
Im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschineneinrichtung 1 ist vorgesehen, dass der Abgasmassenstrom durch die SCR-Einrichtung 7 anhand von wenigstens einem SCR-Parameter ermittelt wird, wobei der wenigstens eine SCR-Parameter ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem Steuerparameter der SCR-Einrichtung 7 und einem an der SCR-Einrichtung 7 erfassten Parameter. Auf diese Weise kann auch eine Brennkraftmaschine 3, die originär nicht zum Betrieb mit einer SCR-Einrichtung 7 eingerichtet ist, mit einer solchen nachgerüstet und betrieben werden, wobei es möglich ist, den Abgasmassenstrom zu ermitteln, selbst wenn dieser nicht in einem zentralen Steuergerät der Brennkraftmaschine 3 berechnet wird, und/oder keine zur Berechnung des Abgasmassenstroms geeigneten Parameter von dem zentralen Steuergerät der Brennkraftmaschine 3 - insbesondere über geeignete Schnittstellen - nach außen kommuniziert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Abgasmassenstrom ausschließlich anhand des wenigstens einen SCR-Parameters ermittelt. Es ist aber auch möglich, dass zur Ermittlung des Abgasmassenstroms zusätzlich zu dem wenigstens einen SCR-Parameter wenigstens ein Brennkraftmaschinen-Parameter verwendet wird, der insbesondere ausgewählt sein kann aus einer Gruppe, bestehend aus einem Brennkraftmaschinen-Steuerparameter zur Steuerung der Brennkraftmaschine 3 und einem an der Brennkraftmaschine 3 erfassten Parameter. Bei dem Brennkraftmaschinen-Parameter kann es sich insbesondere um eine Drehzahl der Brennkraftmaschine 3, um eine Ladelufttemperatur, einen Ladeluftdruck, ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnis, ein Soll- oder Ist-Drehmoment, eine in einen Brennraum eingebrachte oder einzubringende Brennstoffmasse oder einen Brennstoffmassenstrom, oder um einen stöchiometrischen Luftbedarf handeln.
Der wenigstens eine SCR-Parameter ist vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einer Reduktionsmittel-Dosierrate, einer Abgas-Temperatur stromaufwärts des SCR-Katalysators, einer Abgas-Temperatur stromabwärts des SCR-Katalysators 9, einem Stickoxid-Anteil stromaufwärts des SCR-Katalysators 9, einem Stickoxid-Anteil stromabwärts des SCR-Katalysators 9, und einem über dem SCR-Katalysator 9 abfallenden Differenzdruck. Um solche Parameter zu erfassen, weist die SCR-Einrichtung 7 vorzugsweise verschiedene Sensoren auf. Insbesondere weist sie bevorzugt einen ersten Stickoxid-Sensor 12.1 stromaufwärts des SCR-Katalysators 9 und einen zweiten Stickoxid-Sensor 12.2 stromabwärts des SCR-Katalysators 9 auf. Weiter weist sie vorzugsweise einen ersten Temperatursensor 13.1 stromaufwärts des SCR-Katalysators 9 und einen zweiten Temperatursensor 13.2 stromabwärts des SCR-Katalysators 9 auf. Es ist möglich, dass zur Erfassung des Differenzdrucks über dem SCR-Katalysator 9 ein Differenzdrucksensor vorgesehen ist. Gemäß der hier dargestellten Ausgestaltung weist allerdings die SCR-Einrichtung 7 einen ersten Drucksensor 15.1 stromaufwärts des SCR-Katalysators 9 und einen zweiten Drucksensor 15.2 stromabwärts des SCR-Katalysators 9 auf, wobei der über dem SCR-Katalysator 9 abfallende Differenzdruck als Differenz aus den Signalen der Drucksensoren 15.1, 15.2 berechnet werden kann.
Die Brennkraftmaschineneinrichtung 1 weist eine SCR-Steuereinrichtung 17 auf, die eingerichtet ist zur Durchführung des hier beschriebenen Verfahrens. Dazu ist die SCR-Steuereinrichtung 17 mit den verschiedenen Sensoren der SCR-Einrichtung 7, das heißt mit den Stickoxid-Sensoren 12.1, 12.2, den Temperatur-Sensoren 13.1, 13.2 und den Druck-Sensoren 15.1, 15.2 wirkverbunden. Sie ist außerdem mit der Reduktionsmittel-Dosiereinrichtung 11 zu deren Ansteuerung, insbesondere zur Vorgabe einer Reduktionsmittel-Dosierrate, wirkverbunden. Die SCR-Steuereinrichtung 17 ist weiterhin bevorzugt mit der Brennkraftmaschine 3 wirkverbunden, um wenigstens einen Brennkraftmaschinen-Parameter zur Ermittlung des Abgasmassenstroms mit heranziehen zu können.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die SCR-Steuereinrichtung 17 als separate Steuereinrichtung, insbesondere unabhängig und getrennt von einem nicht dargestellten zentralen Steuergerät der Brennkraftmaschine 3 ausgebildet. Dies ist eine besonders geeignete Ausgestaltung für das Nachrüsten bestehender Brennkraftmaschinen 3, die bisher nicht eingerichtet sind zum Betrieb mit einer SCR-Einrichtung 7. Es ist aber ebenso gut möglich, dass die SCR-Steuereinrichtung 17 als zentrales Steuergerät der Brennkraftmaschine 3 ausgebildet ist, was letztlich insbesondere bedeuten kann, dass die Funktionalität der SCR-Steuereinrichtung 17, insbesondere die Durchführung des hier beschriebenen Verfahrens, in das zentrale Steuergerät der Brennkraftmaschine 1 integriert, insbesondere in Form eines geeigneten Computerprogramms implementiert ist.
Der Abgasmassenstrom wird bevorzugt - insbesondere ausschließlich, aber nicht zwingend ausschließlich - anhand einer an dem SCR-Katalysator 9 gemessenen Stickoxid-Umsatzrate und einer als Steuerparameter der SCR-Einrichtung 7 verwendeten Reduktionsmittel-Dosierrate berechnet. Die Stickoxid-Umsatzrate kann dabei durch Vergleich der Signale der Stickoxid-Sensoren 12.1, 12.2 ermittelt werden.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der Abgasmassenstrom anhand eines thermischen Modells der SCR-Einrichtung 7, in das eine Abgas-Temperatur stromaufwärts des SCR-Katalysators 9 sowie eine Abgas-Temperatur stromabwärts des SCR-Katalysators 9 eingehen, ermittelt werden. Dabei kann die Ermittlung des Abgasmassenstroms ausschließlich über das thermische Modell erfolgen. Insbesondere ist es aber auch möglich, das thermische Modell in Kombination mit der Ermittlung des Abgasmassenstroms anhand der Stickoxid-Umsatzrate und der Reduktionsmittel-Dosierrate zu ermitteln. Dies kann insbesondere auch nacheinander erfolgen, wobei anhand des thermischen Modells ein erster Startwert für den Abgasmassenstrom ermittelt wird, wobei dieser Wert auf der Grundlage der Stickoxid-Umsatzrate und der Reduktionsmittel-Dosierrate optimiert oder verbessert wird.
Vorzugsweise wird der Abgasmassenstrom durch ein Schätzverfahren berechnet, wobei das Schätzverfahren vorzugsweise ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus der Methode der kleinsten Fehlerquadrate, einem Maximum-Likelihood-Schätzverfahren, der Zustandsbeobachtung für Systeme mit unbekannten Eingängen, und einem Kalman-Filter.
Vorzugsweise wird neben dem Abgasmassenstrom aus dem Schätzverfahren auch wenigstens ein Dynamikparameter, insbesondere eine Totzeit, eine Zeitkonstante, und/oder eine Verstärkung, zur Beschreibung eines dynamischen Verhaltens der SCR-Einrichtung 7 ermittelt. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass aus dem Schätzverfahren auch eine Untergrenze für einen Konfidenzbereich des Abgasmassenstroms ermittelt wird. Dieser kann unmittelbar aus dem Schätzverfahren resultieren, oder aber aus den mithilfe des Schätzverfahrens erhaltenen Werten für den Abgasmassenstrom unter Anwendung eines statistischen Verfahrens berechnet werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass eine untere Abschätzung für den Abgasmassenstrom zur Regelung der Stickoxidemissionen der Brennkraftmaschineneinrichtung verwendet wird. Auf diese Weise kann eine Überdosierung des Reduktionsmittels aufgrund einer Überschätzung des tatsächlichen Abgasmassenstroms vermieden werden, was dazu beiträgt, Sekundäremissionen, insbesondere einen Ammoniak-Schlupf, zu verhindern. Als untere Abschätzung für den Abgasmassenstrom wird bevorzugt die aus dem Schätzverfahren erhaltene Untergrenze des Konfidenzbereichs verwendet.
Insgesamt zeigt sich, dass mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren sowie der Brennkraftmaschineneinrichtung 1 und der SCR-Steuereinrichtung 17 eine genaue Kenntnis des Abgasmassenstroms auch dann möglich ist, wenn dieser nicht in einem zentralen Steuergerät einer Brennkraftmaschine 3 berechnet wird, und/oder wenn das zentrale Steuergerät der Brennkraftmaschine 3 keine zur Berechnung des Abgasmassenstroms geeigneten Parameterwerte nach außen kommuniziert. Somit ist es in einfacher, funktionaler und betriebssicherer Weise möglich, auch Brennkraftmaschinen 3 mit einer SCR-Einrichtung 7 auszustatten und insbesondere nachzurüsten, die originär nicht zum Betrieb mit einer SCR-Einrichtung 7 eingerichtet sind.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschineneinrichtung (1), mit einer Brennkraftmaschine (3) und einem mit der Brennkraftmaschine (3) zum Abführen von Abgas der Brennkraftmaschine (3) fluidverbundenen Abgasstrang (5), wobei - ein in dem Abgasstrang (5) strömender Abgasstrom der Brennkraftmaschine (3) von Stickoxiden gereinigt wird, wobei - Stickoxidemissionen der Brennkraftmaschineneinrichtung (1) durch Ansteuern einer Stickoxid-Reduktionseinrichtung (7), die einen in dem Abgasstrang (5) angeordneten SCR-Katalysator (9) sowie eine in dem Abgasstrang (5) stromaufwärts des SCR-Katalysators (9) angeordnete, ansteuerbare Reduktionsmittel-Dosiereinrichtung (11) aufweist, gesteuert oder geregelt werden, und wobei - ein Abgasmassenstrom durch die Stickoxid-Reduktionseinrichtung (7) anhand von wenigstens einem SCR-Parameter, ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Steuerparameter der Stickoxid-Reduktionseinrichtung (7) und einem an der Stickoxid-Reduktionseinrichtung (7) erfassten Parameter, ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Abgasmassenstrom ausschließlich anhand des wenigstens einen SCR-Parameters ermittelt wird, oder dass b) zur Ermittlung des Abgasmassenstroms zusätzlich zu dem wenigstens einen SCR-Parameter wenigstens ein Brennkraftmaschinen-Parameter, ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Brennkraftmaschinen-Steuerparameter und einem an der Brennkraftmaschine (3) erfassten Parameter, verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine SCR-Parameter ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einer Reduktionsmittel-Dosierrate, einer Abgas-Temperatur stromaufwärts des SCR-Katalysators (9), einer Abgas-Temperatur stromabwärts des SCR-Katalysators (9), einem Stickoxid-Anteil im Abgas stromaufwärts des SCR-Katalysators (9), einem Stickoxid-Anteil stromabwärts des SCR-Katalysators (9), und einem Differenzdruck über dem SCR-Katalysator (9).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasmassenstrom a) anhand einer an dem SCR-Katalysator (9) gemessenen Stickoxid-Umsatzrate und einer als Steuerparameter der Stickoxid-Reduktionseinrichtung (7) verwendeten Reduktionsmittel-Dosierrate, und/oder b) anhand eines thermischen Modells der Stickoxid-Reduktionseinrichtung (7), in das eine Abgas-Temperatur stromaufwärts des SCR-Katalysators (9) und eine Abgas-Temperatur stromabwärts des SCR-Katalysators (9) eingehen, und/oder c) anhand eines Differenzdrucks über dem SCR-Katalysator (9) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasmassenstrom durch ein Schätzverfahren ermittelt wird, wobei das Schätzverfahren vorzugsweise ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einer Methode der kleinsten Fehlerquadrate, einem Maximum-Likelihood-Schätzverfahren, einer Zustandsbeobachtung für Systeme mit unbekannten Eingängen, und einem Kalman-Filter.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Abgasmassenstrom aus dem Schätzverfahren a) wenigstens ein Dynamikparameter zur Beschreibung eines dynamischen Verhaltens der Stickoxid-Reduktionseinrichtung (7), und/oder b) eine Untergrenze für einen Konfidenzbereich des Abgasmassenstroms ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine untere Abschätzung für den Abgasmassenstrom zur Regelung der Stickoxidemissionen der Brennkraftmaschineneinrichtung (1) verwendet wird.
Brennkraftmaschineneinrichtung (1), mit einer Brennkraftmaschine (3) und einem mit der Brennkraftmaschine (3) zum Abführen von Abgas der Brennkraftmaschine (3) fluidverbundenen Abgasstrang (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschineneinrichtung (1) eine Steuereinrichtung (17) aufweist, die eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Brennkraftmaschineneinrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (17) separat von einer Brennkraftmaschinen-Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine (3) ausgebildet ist.
SCR-Steuereinrichtung (17), eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.