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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Dieselmotor, mit einem
Abgasreinigungssystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs
1 und ein Verfahren zur Verminderung des Stickoxidgehalts im Abgas
einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
Anspruchs 10.
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Aus der Offenlegungsschrift
EP 0 554 766 A1 ist
ein Verfahren zur Stickoxidminderung in Abgasen durch gesteuerte überstöchiometrische
Zugabe von Ammoniak (NH
3) bekannt, bei welchem
stromauf eines Katalysators NH
3 so lange
zudosiert wird, bis die im Katalysator gespeichert NH
3-Menge
einen oberen Schwellenwert erreicht hat. Das im Katalysator gespeicherte
NH
3 wird durch Reaktion mit dem von der
Brennkraftmaschine emittierten Stickoxid (NO
x)
verbraucht, wodurch der Schadstoff NO
x aus dem
Abgas entfernt wird. Die NH
3-Zugabe wird
wieder aufgenommen, wenn die im Katalysator gespeicherte NH
3-Menge einen unteren Schwellenwert erreicht
hat.
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Bei diesem, nach dem SCR-Prinzip
arbeitenden Verfahren (SCR = selective catalytic reduction) wird
in einer selektiven katalytischen Reaktion an einem speziellen SCR-Katalysator
das im Abgas vorhandene NOx auch bei Vorliegen
eines Sauerstoffüberschusses
vom zugegebenen NH3 überwiegend zu unschädlichem
Stickstoff (N2) reduziert und so eine NOx-Entfernung auch bei überwiegend mit Luftüberschuss
betriebenen Brennkraftmaschinen, wie einem Dieselmotor, erreicht.
Die bei dem Verfahren eingesetzten SCR-Katalysatoren, meist Katalysatoren
auf V2O5/TiO2/WO3-Basis oder
edelmetallhaltige Zeolith-Katalysatoren,
verfügen über eine
mehr oder wenige stark ausgeprägte
NH3-Speicherfähigkeit. Je größer die
im Katalysator gespeicherte NH3-Menge ist,
desto höher
ist der Wirkungsgrad des NOx-Umsatzes. Aus
diesem Grund ist es wichtig, im Katalysator eine möglichst
große
NH3-Menge einzuspeichern. Allerdings kann
einmal im Katalysator eingespeichertes NH3 durch
den Abgasstrom wieder aus dem Katalysator ausgetragen werden und
tritt dann als unangenehm riechender und schädlicher NH3-Schlupf
in Erscheinung. Die Gefahr des NH3-Schlupfes
besteht insbesondere bei einem plötzlichen positiven Lastsprung
der Brennkraftmaschine. Um bei einem dynamischen Fahrbetrieb den
genannten NH3-Schlupf zu vermeiden, wird
die Dosierung meist so vorgenommen, dass hinsichtlich der eingespeicherten NH3-Menge eine Sicherheitsreserve eingehalten wird,
d.h. es wird weniger NH3 eingespeichert,
als für einen
optimalen NOx-Umsatz nötig ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine
Brennkraftmaschine mit einem Abgasreinigungssystem und ein Verfahren
zur NOx-Verminderung zur Verfügung zu
stellen, welche einen verbesserten NOx-Umsatz
bei gleichzeitiger Vermeidung eines Reduktionsmittelschlupfes auch
unter dynamischen Bedingungen ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein
Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet
sich dadurch aus, dass über
die ihr zugeordnete Regel-/Steuereinheit die Änderungsgeschwindigkeit einer
Temperatur des Abgases und/oder des Stickoxidreduktionskatalysators
und die Änderungsgeschwindigkeit
des Abgasmassenstroms ermittelbar sind. Die Brennkraftmaschine ist
vorzugsweise als mager bzw, als überwiegend
mager betriebener Dieselmotor mit einem SCR-System als Abgasreinigungssystem
ausgeführt.
Als Reduktionsmittel zur Reduzierung des im Abgas enthaltenen NOx wird in diesem Fall deshalb vorzugsweise
NH3 eingesetzt, welches direkt eingangsseitig
des als SCR-Katalysator ausgeführten
Stickoxidreduktionskatalysators dem Abgasstrom zugegeben wird oder
in einem vorgelagerten Schritt aus einer NH3-abspaltenden
Substanz außerhalb
oder innerhalb der Abgasleitung erzeugt wird. Wie sich in dahingehenden
Untersuchungen bestätigt
hat, kommt der Änderungsgeschwindigkeit
der Abgastemperatur bzw. der Katalysatortemperatur sowie der Änderunsgeschwindigkeit
des Abgasmassenstroms große
Bedeutung insbesondere hinsichtlich der NH3-Desorption
des SCR-Katalysators zu. Durch die Tatsache, dass die Änderungsgeschwindigkeit,
d.h. die erste zeitliche Ableitung der genannten Größen ermittelbar
sind, kann die Dynamik der maßgeblichen
Bedingungen für
die Reduktionsmittelspeicherung bzw. für die NH3-Speicherung und
die Dynamik der maßgeblichen
Bedingungen für den
Reduktionsmittelschlupf bzw. für
den NH3-Schlupf quantitativ erfasst werden.
Somit kann gezielt, auf den Katalysatorzustand beeinflussende, schnelle Änderungen
der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine reagiert werden.
Damit kann der SCR-Katalysator sowohl hinsichtlich
des NH3-Schlupfes bei dynamischen Bedingungen,
als auch hinsichtlich des erreichbaren NOx-Umsatzes
unter stationären
Bedingungen optimal betrieben werden.
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In Ausgestaltung der Erfindung sind
bei Überschreiten
eines vorgebbaren Grenzwerts für
die Änderungsgeschwindigkeit
der Temperatur des Abgases und/oder des Stickoxidreduktionskatalysators und/oder
bei Überschreiten
eines vorgebbaren Grenzwertes für
die Änderungsgeschwindigkeit
des Abgasmassenstroms über
die Regel-/Steuereinheit bestimmte Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine einstellbar.
Diese Betriebsgrößen betreffen
die Erhöhung
der Stickoxidemission der Brennkraftmaschine und/oder die Verminderung
des Abgasmassenstroms und/oder die Verminderung der Abgastemperatur
eingangsseitig des Stickoxidreduktionskatalysators und/oder die
Verminderung des Verbrennungsluft/Kraftstoffverhältnisses der Brennkraftmaschine.
Durch die genannte erfindungsgemäße Funktion
der Brennkraftmaschine kann bei schnellen Änderungen der Brennkraftmaschinenbetriebsbedingungen,
wie z.B. bei einem plötzlichen
positiven Lastsprung, auf eine Reduktionsmitteldesorption so reagiert
werden, dass diese nach außen
nicht in Erscheinung tritt. Tritt, beispielsweise durch einen plötzlichen positiven
Lastsprung, eine rasche Erhöhung
der Abgastemperatur ein, d.h. die Änderungsgeschwindigkeit der
Abgastemperatur ist vergleichsweise groß, so kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der
Brennkraftmaschine die Regel-/Steuereinheit eine Überschreitung
eines diesbezüglich
vorgegebenen Grenzwertes erkennen. Auf die durch den Temperatursprung
des Abgases verursachte NH3-Desorption des
SCR-Katalysators hin wird von der Regel-/Steuereinheit der Brennkraftmaschinenbetrieb beispielsweise
so eingestellt, dass sich eine erhöhte NOx-Emission
ergibt. Somit kann desorbiertes NH3 durch
Reaktion mit NOx im SCR-Katalysator abgebaut
werden, und gelangt nicht in die Umgebung. Da einem NH3-Schlupf
auf diese Weise begegnet werden kann, kann von vornherein eine größere NH3-Menge im SCR-Katalysator eingespeichert
werden, wodurch wiederum ein erhöhter
NOx-Umsatz erreicht wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
betreffen hauptsächlich
die einstellbaren Betriebsgrößen, mit denen
in vorteilhafter Weise eine Beeinflussung der Abgaseigenschaften
in dem oben genannten Sinne erzielt werden kann. So kann durch eine
Frühverstellung
der Kraftstoffeinspritzung oder durch eine Reduzierung der nacheingespritzten
Kraftstoffmenge die NOx-Emission erhöht werden.
Gleiches wird durch Verminderung der inneren oder äußeren Abgasrückführmenge
erreicht. Im erstgenannten Fall verfügt die Brennkraftmaschine über einen
einstellbaren Ventiltrieb, der zur Erhöhung der NOx-Emission
so von der Regel-/Steuereinheit ansteuerbar ist, dass sich eine geringere Überlappung
der Öffnungszeiten
von Einlass- und Auslassventil eines jeweiligen Brennkraftmaschinenzylinders
ergibt. Im zweiten Fall ist in einer Abgasrückführeinrichtung der Brennkraftmaschine ein
einstellbares Ventil vorzusehen, welches zur Verminderung der äußeren Abgasrückführung und
damit zur Erhöhung
der NOx-Emission von der Regel-/Steuereinheit
entsprechend angesteuert werden kann.
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Die Einstellbarkeit der Einlassventilöffnungszeit
kann in vorteilhafter Weise auch zur Verminderung des Verbrennungsluft/Kraftstoffverhältnisses der
Brennkraftmaschine durch Einstellen eines frühen Schließzeitpunkts eingesetzt werden.
Dadurch wird einerseits eine höhere
NOx-Emission, als auch eine Verminderung
des Luftdurchsatzes und damit eine Verminderung des Abgasmassenstroms
erreicht. In gleicher Weise wirkt eine Verminderung der Ansaugluftmenge
der Brennkraftmaschine, was beispielsweise durch entsprechende Ansteuerung
einer in der Ansaugluftleitung angeordneten Drosselklappe erreicht
wird. Ebenfalls in diese Richtung wirkt eine Absenkung des Ladeluftdruckes,
bei einer mit einem Turbolader ausgestatteten Brennkraftmaschine.
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Ferner sind ferner Einstellmöglichkeiten
zur Verminderung der Abgastemperatur vorgesehen. Durch eine Verminderung
der Abgastemperatur bzw. einer dadurch bewirkten Abkühlung des
Stickoxidreduktionskatalysators wird dessen momentane Aufnahmefähigkeit
an Reduktionsmittel erhöht
und auf diese Weise einem Reduktionsmittelschlupf entgegengewirkt.
Zu diesem Zweck ist eine Zugabemöglichkeit
von vorzugsweise relativ kühler
zusätzlicher Luft
stromauf des Katalysators in den Abgasstrang vorgesehen. Als Luftquelle
kann ein Turbolader, gegebenenfalls mit Zusatzverdichter, ein Gebläse oder ein
Druckluftspeicher eingesetzt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich
dadurch aus, dass der Sollwert der Reduktionsmittelbeladung in Abhängigkeit
von der Änderungsgeschwindigkeit
der Temperatur des Abgases und/oder des Stickoxidreduktionskatalysators und/oder
in Abhängigkeit
von der Änderungsgeschwindigkeit
des Abgasmassenstroms korrigiert. Ausgegangen wird hierbei von einem
Sollwert für
die Reduktionsmittelbeladung des Katalysators für den jeweiligen stationären Betriebszustand
der Brennkraftmaschine. Tritt beispielsweise ein positiver Lastsprung
auf, so steigt die Abgastemperatur und/oder der Abgasnassenstrom
ebenfalls rasch an. Durch Anpassung des Reduktionsmittelsbeladungssollwertes
entsprechend der Anstiegsgeschwindigkeit der genannten Größen kann
die aktuelle Reduktionsmitteldosierung rasch angepasst werden und
durch weitere Gegenmaßnahmen
einem sonst durch den Lastsprung verursachten Reduktionsmittelschlupf
vorgebeugt werden.
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In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird in Abhängigkeit
von der Größe der Sollwertkorrektur
ein Eingriff in den Brennkraftmaschinenbetrieb derart vorgenommen,
dass eine Erhöhung
der Stickoxidemission der Brennkraftmaschine und/oder eine Absenkung
des Abgasmassenstroms und/oder eine Absenkung der Abgastemperatur
vor dem Stickoxidreduktionskatalysator und/oder eine Verminderung
des Verbrennungsluft/Kraftstoffverhältnisses erfolgt. Durch diese
Gegenmaßnahmen
kann desorbiertes Reduktionsmittel auf Grund des in erhöhtem Maße angebotenen
Reaktionspartners NOx abreagieren und/oder
es wird auf Grund des abgesenkten Abgasmassenstroms bzw. der abgesenkten
Abgastemperatur die aktuelle Reduktionsmittelaufnahmekapazität des Stickoxidreduktionskatalysators
erhöht
und auf diesem Wege ein unerwünschter
Reduktionsmittelschlupf vermieden. Es kann daher von vornherein
ein vergleichsweise hoher Sollwert für die Reduktionsmittelbeladung
vorgegeben werden und damit ein erhöhter NOx-Umsatz unter
stationären
Bedingungen erzielt werden.
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In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
umfasst der Eingriff in den Brennkraftmaschinenbetrieb die Möglichkeit
den Kraftstoffeinspritzbeginn, vorzugsweise in Richtung früh, zu verstellen
und/oder die Möglichkeit
die nacheingespritzte Kraftstoffmenge zu verringern. Durch eine Frühverstellung
des Einspritzbeginns wird ebenso wie durch die Verminderung der
nacheingespritzten Kraftstoffmenge die NOx-Emission der Brennkraftmaschine
für die
Dauer der Maßnahme
erhöht,
somit kann aus dem Katalysator desorbiertes Reduktionsmittel abreagieren
und entweicht nicht in die Umwelt.
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In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die innere bzw. die äußere Abgasrückführung reduziert.
Damit wird einerseits die NOx-Emission erhöht, andererseits
der Abgasmassenstrom reduziert. Beides hat zur Folge, dass ein Reduktionsmittelschlupf
vermieden werden kann. Die Verminderung der inneren Abgasrückführung wird
vorzugsweise durch geeignete Ansteuerung der Ventilöffnungszeiten
vorgenommen (Verminderung der sogenannten Ventilüberschneidung). Die Verminderung
der äußeren Abgasrückführung kann
durch Schließen
des Abgasrückführventils
in der Abgasrückführleitung
der Brennkraftmaschine erfolgen.
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In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
umfasst der Eingriff in den Brennkraftmaschinenbetrieb die Verminderung
des der Brennkraftmaschine zugeführten
Verbrennungsluftstroms. Diese Maßname kann besonders vorteilhaft sein,
da sie sowohl in Richtung einer Verminderung des Verbrennungsluft/Kraftstoffverhältnisses
als auch in Richtung einer Verminderung des Abgasmassenstroms wirkt.
Die Verminderung des Verbrennungsluftstroms lässt sich beispielsweise in
einfacher Weise durch frühzeitiges
Schließen
der Einlassventile der Brennkraftmaschine, durch Androsseln der Ansaugluft
oder bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine durch Absenken des
Ladedrucks erreichen.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens umfasst
der Eingriff in den Brennkraftmaschinenbetrieb die Zufuhr von Kühlluft in
die Abgasleitung stromaufwärts
des Stickoxidreduktionskatalysators. Dies kann erfindungsgemäß über ein
separates Kühlluftgebläse oder
durch Luftentnahme aus einem Druckluftspeicher erfolgen. Bei einer
aufgeladenen Brennkraftmaschine kann hierfür auch der Turbolader verwendet
werden, von dessen Verdichterseite Luft hierfür entnommen wird, oder der
mit einem zum Zwecke der Kühlluftlieferung
mitlaufenden Zusatzverdichter ausgestattet ist.
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Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen
ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Konkrete
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Prinzipskizze einer Brennkraftmaschine mit Abgasreinigungssystem,
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2 ein
Kennfelddiagramm für
die schlupffrei im einem SCR-Katalysator
speicherbare NH3-Menge,
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3 ein
Diagramm der zeitlichen Abhängigkeit
des NH3-Schlupfes
vor und nach einem positiven Lastsprung.
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l zeigt
eine Brennkraftmaschine 1 mit einer Abgasleitung 2 und
einer Ansaugluftleitung 3. In der Abgasleitung 2 ist
ein Stickoxidreduktionskatalysator 5 angeordnet, welcher
hier als klassischer SCR-Katalysator ausgeführt ist. Dem Abgasstrom kann
stromauf des SCR-Katalysators 5 aus einem Reduktionsmittelreservoir 6 über die
Zufuhrleitung 7, das regelbare Zumessventil 8 und
die Zugabestelle 9 Reduktionsmittel zugeführt werden.
In der Abgasleitung 2 sind ferner Temperaturfühler 13, 14 angeordnet,
mit denen die Abgastemperatur eingangsseitig und ausgangsseitig
des SCR-Katalysators 5 gemessen werden kann. Der Brennkraftmaschine 1 ist
ferner ein Turbolader 18 zugeordnet, dessen Turbine vom
Abgasstrom angetrieben wird und dessen Verdichter die der Brennkraftmaschine 1 zugeführte Verbrennungsluft
verdichtet. Zur Kühlung
der verdichteten Verbrennungsluft ist in der Ansaugluftleitung 3 ein Ladeluftkühler 10 angeordnet.
Abgasleitung 2 und Ansaugluftleitung 3 sind über eine
Abgasrückführleitung 11 miteinander
verbunden, wobei die Rate des über
die Leitung 11 rückgeführten Abgases über ein Abgasrückführventil 12 eingestellt
werden kann. In der Ansaugluftleitung 3 ist weiter eine
Drosselklappe 4 und ein Luftmassenmesser 17 angeordnet.
Ein weiteres wichtiges Element der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist
die Regel-/Steuereinheit
16. Zur Überwachung
und Steuerung des Brennkraftmaschinenbetriebs und des Betriebs des
gesamten Abgasreinigungssystems verfügt diese über eine Vielzahl von Signaleingängen und
Steuerausgängen
mit den entsprechenden Signalleitungen, von denen hier nur die Steuerleitungen 15 zur
Ansteuerung des Abgasrückführventils 12,
der Drosselklappe 4, des Turboladers 18 und des
Reduktionsmittelzumessventils 8 sowie die Signalverbindungen 15 zu
den Temperaturfühlern 13, 14 und
zum Luftmassenmesser 17 eingezeichnet sind. Die Regel-/Steuereinheit 16
verfügt ferner über einen
Rechner zur Auswertung der empfangenen Signale und einen Speicher,
in welchem zur Steuerung notwendige Kennfelder oder Rechenmodelle
abgelegt sind.
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Im Folgenden wird in einem ersten
Beispiel die erfindungsgemäße Vorgehensweise
zur Entfernung der Stickoxide aus dem Abgas einer als Dieselmotor
ausgeführten
Brennkraftmaschine 1 und die besonderen Eigenschaften der
dabei beteiligten Bauteile beschrieben. Ohne Beschränkung der
Allgemeingültigkeit
der Erfindung wird im Folgenden der Fall beschrieben, dass die Stickoxidentfernung
nach dem sogenannten SCR-Verfahren erfolgt und als Reduktionsmittel
NH3 eingesetzt wird, welcher nach Dosierung
von wässriger
Harnstofflösung
in die Abgasleitung 2 dort freigesetzt wird. Die Harnstofflösung wird
im Vorratsbehälter 6 an
Bord des zugehörigen Kraftfahrzeuges
mitgeführt.
Bei stationären
oder vergleichsweise langsam veränderlichen
Betriebsbedingungen des Dieselmotors 1 wird zur Entfernung
des Stickoxids die Harnstofflösung
mengenmäßig gesteuert
oder geregelt dem Abgas zugegeben. Die Zugabemenge wird dabei durch
Ansteuerung des Zumessventils 8 von der Regel-/Steuereinheit
16 so eingestellt, dass im SCR-Katalysator 5 ständig eine
vorbestimmte Menge an eingespeichertem NH3 angestrebt
wird. Dies ist gleichbedeutend mit der Vorgabe eines Sollwertes
für die
Reduktionsmittelbeladung des Katalysators 5. Hierzu wird
aus abgespeicherten Kennfeldern die NOx-Emission
des Motors 1 betriebspunktabhängig ermittelt und aufgrund
der davon abhängigen,
ebenfalls abgespeicherten NOx-Umsatzrate
der NH3-Bedarf
durch eine vom Steuergerät 16 durchgeführte fortlaufende
Bilanzierung der emittierten NOx-Menge und
der umgesetzten NOx-Menge ermittelt. Es wird also ständig die
durch den NOx-Umsatz durch Reaktion verbrauchte
und dem SCR-Katalysator 5 entzogene NH3-Menge
durch Harnstoffzugabe wieder ersetzt. Die angestrebte Sollmenge
des im SCR-Katalysator eingespeicherten NH3 orientiert sich
hauptsächlich
an dem tolerierbaren NH3-Schlupf. Dieser
ist wiederum hauptsächlich
von der Katalysatortemperatur bzw. der Abgastemperatur und dem Abgasmassenstrom
bestimmt. Die Kenntnis dieser Abhängigkeit ist deshalb für die Harnstoff-Dosierung nutzbar,
weshalb ein entsprechendes Kennfeld der schlupffrei im SCR-Katalysator 5 speicherbaren
NH3-Menge im Steuergerät 16 abgelegt ist
und für
die Harnstoff-Dosierung herangezogen wird.
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2 zeigt
schematisch ein solches Kennfeld, in welchem für einen SCR-Katalysator die schlupffrei
speicherbare NH3-Menge für den jeweiligen, durch Motordrehzahl
n und Motordrehmoment M gegebenen Motorlastpunkt eingetragen ist.
Die zu den jeweiligen Kurven angegebenen Zahlenwerte entsprechen
der schlupffrei speicherbaren NH3-Menge
in willkürlichen
Einheiten. Wie oben erwähnt,
ist diese hauptsächlich
durch die Katalysator temperatur bzw. die Abgastemperatur und den
Abgasmassenstrom gegeben. Da jedoch die Abgastemperatur und der
Abgasmassenstrom ihrerseits mit dem Motorlastpunkt verknüpft sind,
kann das in 2 schematisch gezeigte
Kennfeld zur Ermittlung der Harnstoffzugabemenge herangezogen werden.
Bei stationärem oder
vergleichsweise langsam veränderlichem
Motorbetrieb wird die Harnstoffdosierung so vorgenommen, dass unter
Berücksichtigung
der durch Reaktion mit NOx ständig aus
dem Katalysator entfernten NH3-Menge die
im Diagramm der 2 angegebene NH3-Menge im Katalysator 5 eingespeichert
ist. Es kann daher im Fall des stationären oder vergleichsweise langsam
veränderlichen
Motorbetriebs die im wesentlichen durch die eingespeicherte NH3-Menge bestimmte NOx-Verminderung
erreicht werden.
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In der Praxis muss jedoch mit plötzlichen Lastwechseln,
d.h. mit einem nichtvorhersehbaren sprunghaften Wechsel der Motorlast
gerechnet werden. Ein sprunghafter Anstieg der Motorlast ist im
Diagramm der 2 durch
den Pfeil A dargestellt. Der Lastwechsel erfolgt von einem Betriebspunkt
relativ geringer Last, in welchem etwa 45 Einheiten NH3 im Katalysator
abgespeichert werden können,
auf einen Betriebspunkt Volllastlinie VL. In diesem Betriebspunkt
kann jedoch nur ein sehr geringe NH3-Menge im
Katalysator eingespeichert werden. Folglich führt der Lastsprung zu einer
schlagartigen Freisetzung von NH3 aus dem
Katalysator. Da die als Reaktionspartner angebotene NOx-Menge
nicht im selben Maß ansteigt,
kommt es zu einer unerwünschten
Emission von NH3 in die Umwelt. Um bei einem
positiven Lastsprung einen solchen schlagartigen NH3-Schlupf
zu verhindern, wird üblicherweise
bereits im stationären Motorbetrieb
die Harnstoffzugabe bzw. die Reduktionsmittelzugabe soweit verringert,
dass sich eine im Vergleich zum Diagramm der 2 geringere eingespeicherte NH3-Menge ergibt. Es wird damit eine Sicherheitsreserve
geschaffen, wodurch ein NH3-Schlupf bei
einem positiven Lastsprung weitgehend vermieden wird. Die Vermeidung
eines unerwünschten
NH3-Schlupfes im instationären Betriebsfall
wird somit durch eine geringere eingespeicherte NH3-Menge
und damit mit einem geringeren NOx-Umsatz
im stationären
Betriebsfall erkauft. Zur Vermeidung dieses Nachteils wird erfindungsgemäß immer
dann, wenn ein kritischer positiver Lastsprung detektiert wird,
ein entsprechender Eingriff in den Motorbetrieb derart durchgeführt, dass
entweder der Abnahme der im Katalysator 5 einspeicherbaren NH3-Menge entgegengewirkt wird oder für das desorbierte
NH3 in vermehrtem Maße ein Reaktionspartner in
Form von NOX angeboten wird, so dass ein
Entweichen von NH3 in die Umwelt vermieden
wird. Es kann daher mit einer vergleichsweise großen Menge
an eingespeichertem NH3 gefahren werden
und daher eine entsprechend hohe NOx-Verminderung
erzielt werden.
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Erfindungsgemäß wird von der Regel-/Steuereinheit
16 ein für
die NH3-Desorption kritischer Lastsprung
dadurch detektiert, dass bei der Ermittlung der Abgastemperatur
bzw. der Temperatur des SCR-Katalysators 5 ständig auch
deren Änderungsgeschwindigkeit,
d.h. deren erste zeitliche Ableitung, ermittelt wird. Desgleichen
wird über
die Messung der angesaugten Luftmasse und der eingespritzten Kraftstoffmenge
ständig
der Abgasmassenstrom sowie dessen Änderungsgeschwindigkeit ermittelt.
Die Regel-/Steuereinheit 16 ist hierfür beispielsweise mit einem
Differenzierglied ausgestattet. Für die Ermittlung der Abgastemperatur
bzw. deren Änderungs-geschwindigkeit
wird auf die Messwerte der Temperaturfühler 13, 14 zurückgegriffen.
Aus diesen Werten kann durch ein entsprechendes Rechenmodell die Temperatur
des SCR-Katalysators 5 berechnet werden. Selbstverständlich ist
auch eine direkte Messung der Katalysatortemperatur beispielsweise
durch einen in den Katalysator 5 eingebrachten Temperaturfühler möglich. Die
von der Regel-/Steuereinheit 16
ermittelten Änderungsgeschwindigkeiten
der Abgastemperatur bzw. der Katalysatortemperatur und des Abgasmassenstroms
werden nunmehr entsprechend ihrer Größe hinsichtlich ihrer Auswirkung
auf die vom SCR-Katalysator einspeicherbare NH3-Menge
bewertet. Desgleichen wird auch die durch den Lastsprung verursachte
gesamte Änderung
des Abgastemperatur bzw. der Katalysatortemperatur und des Abgasmassenstroms
bewertet. Dies ist notwendig, weil eine große Änderungs geschwindigkeit ausgehend
von einem niedrigen Lastpunkt eine vergleichsweise starke Auswirkung
auf die im Katalysator 5 speicherbare NH3-Menge
hat. Demgegenüber ist
ein plötzlicher
positiver Lastsprung des Motors 1 ausgehend von einem erhöhten Lastpunkt
eher unkritisch, da bei höheren
Lastpunkten von vornherein eine vergleichsweise niedrige NH3-Menge im Katalysator 5 einge-speichert
ist (vergl. 2) und demzufolge
auch nur eine relativ geringe NH3-Desorption erfolgt.
Wird von der Regel-/Steuereinheit 16 erkannt, dass, bedingt durch
die Änderung
der Abgastemperatur bzw. der Katalysatortemperatur und bedingt durch
den Abgasmassenstrom und deren Änderungsgeschwindig-keiten,
durch eine Reduzierung oder gänzliche
Abschaltung der Harnstoffdosierung eine NH3-Freisetzung in die
Umwelt nicht verhindert werden kann, werden erfindungsgemäß Maßnahmen ergriffen,
welche entweder der NH3-Desorption entgegenwirken oder durch
Bereitstellen eines erhöhten NOx-Angebots
für ein
Abreagieren des desorbierten NH3 sorgen.
Die Bewertung ob und welche Maßnahmen
ergriffen werden, hängt
hierbei vom Motorbetriebspunkt und vom Vergleich mit vorgebbaren Grenzwerten
für die Änderungsgeschwindigkeiten ab.
So kann beispielsweise der Abgasmassenstrom verringert werden, indem
die Luftzufuhr zum Motor 1 und damit der Abgasmassenstrom
verringert wird. Dadurch erhöht
sich die im SCR-Katalysator einspeicherbare NH3-Menge,
womit der NH3-Desorption entgegengewirkt
wird. Zu diesem Zweck wird von der Regel-/Steuereinheit 16 beispielsweise
ein frühzeitiges
Schließen
der Einlassventile veranlasst. Der Motor 1 ist hierfür beispielsweise
mit einer Nockenwellenverstelleinrichtung ausgestattet, die entsprechend angesteuert
werden kann. Ferner kann die Luftzufuhr zum Motor 1 auch
durch zumindest teilweises Schließen der in der Ansaugleitung 3 angeordneten
Drosselklappe 4 erreicht werden. Weiterhin kann beispielsweise
durch Verstellen der Schaufelanstellung des Turboladers 18 die
Luftzufuhr vermindert werden. Die genannten Maßnahmen können einzeln oder in Kombination
angewendet werden. Die Verringerung der Luftzufuhr ist eine besonders
vorteilhafte Maßnahme,
da einerseits der Abgasmassenstrom vermindert wird, wodurch die
im Katalysator 5 einspeicherbare NH3-Menge
angehoben wird. Andererseits wird das Verbrennungsluft/Kraftstoffverhältnis abgesenkt
und dadurch die NOx-Emission des Motors 1 erhöht, wodurch
dem aus dem Katalysator 5 desorbierten NH3 in
vermehrtem Maße
ein Reaktionspartner angeboten wird.
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Gegebenenfalls kann es vorteilhaft
sein, die Maßnahmen
zur Vermeidung eines NH3-Schlupfes hauptsächlich in
Richtung der Erhöhung
des NOx-Angebots zu lenken. Zu diesem Zweck
wird beispielsweise von der Regel-/Steuereinheit 16 eine
Frühverstellung
des Kraftstoffeinspritzbeginns vorgenommen oder die üblicherweise
durchgeführte
Kraftstoffnacheinspritzung reduziert, bzw. gänzlich unterbunden. Eine ebenfalls
sehr wirksame Maßnahme
ist die Verminderung der Abgasrüickführrate durch
zumindest teilweises Schließen
des Abgasrükführventils 12.
Die Verminderung der sogenannten inneren Abgaswrückführung wirkt ebenfalls in Richtung
eines erhöhten
NOX-Ausstoßes des Motors 1.
Zu diesem Zweck werden die Öffnungszeiten
der Einlass- und Auslassventile des Motors 1 so von der
Regel-/Steuereinheit
eingestellt, dass sich eine geringere Überschneidung der Ventilöffnungszeiten
ergibt.
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Je nach Größe des Lastsprunges und je nach Änderungsgeschwindigkeit
der Abgas- bzw. Katalysatortemperatur und des Abgasmassenstroms kann
es vorteilhaft sein, durch Zufuhr von möglichst kühler Zusatzluft der Erhöhung der
Abgastemperatur und damit der Erhöhung der Katalysatortemperatur und
der NH3-Desorption
entgegenzuwirken. Zwar wird damit der Abgasmassenstrom erhöht, jedoch kann
die tendenziell damit verbundene Vergrößerung der NH3-Desorption
durch die Abkühlung
des Abgases überkompensiert
werden. Zu diesem Zweck wird von der Regel-/Steuereinheit 16 beispielsweise eine Abzweigung
(nicht dargestellt) von Ladeluft vom Verdichter des Turboladers
18 in die Abgasleitung 2 stromauf des SCR-Katalysators 5 aktiviert.
Durch Zumischung der vergleichsweise kühlen Ladeluft zum Abgas kühlt sich
dieses ab oder der Temperaturanstieg wird gebremst. Damit wird die
Aufheizung des SCR-Katalysators 5 verhindert oder zumindest
verringert, wodurch dessen Aufnahmefähigkeit an NH3 auf
einem relativ hohen Niveau verbleibt. Folglich wird die ansonsten
auftretende NH3-Desorption verhindert oder
zumindest verringert. Die Luftzufuhr in das Abgas zum Zwecke der
Abgaskühlung
kann auch durch Aktivierung eines oftmals sowieso vorhandenen Sekundärluftgebläses oder
eines anderen Gebläses
(nicht in 1 eingezeichnet)
erreicht werden. Gleichfalls möglich
ist die Luftzufuhr aus einem Druckluftspeicher, (nicht dargestellt)
der kühle
Druckluft in die Abgasleitung 2 abbläst. Der damit verbundene kurzzeitige
Kühleffekt
kann ausreichen, eine Abgastemperaturspitze abzupuffern und auf
diesem Wege eine NH3-Desorption zu verhindern.
Ferner ist es möglich,
den Turbolader 18 mit einem Zusatzverdichter (nicht dargestellt)
auszustatten. Der Auslass des Zusatzverdichters ist stromauf des
Katalysators 5 mit der Abgasleitung 2 verbunden.
Bei einem stationären
Betrieb des Motors 1 ist die Saugseite des Zusatzverdichters
abgesperrt. Aus diesem Grund nimmt er bei stationärem Betrieb
des Motors 1 kaum Leistung auf. Bei Überschreiten eines vorgebbaren Grenzwertes
für die Änderungsgeschwindigkeit
der Abgastemperatur bzw. der Katalysatortemperatur oder des Abgasmassenstroms
wird die saugseitige Absperrung des Zusatzverdichters zur Umgebungsluft
von der Regel-/Steuereinheit 16 geöffnet, wodurch der Zusatzverdichter
nunmehr kühle
Umgebungsluft ins Abgas fördert
und dadurch die Abgastemperatur absenkt, oder deren Anstieg entgegenwirkt.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel
wird eine weitere erfindungsgemäße Vorgehensweise
zur Verminderung eines NH3-Schlupfes bei positiven Lastsprüngen des
Motors 1 und damit zur Verbesserung des NOx-Umsatzes
bei stationärem
Motorbetrieb erläutert.
Die Zumessung der Harnstoffmenge erfolgt auf der Basis einer ständigen Bilanzierung
des vom Motor 1 emittierten NOx und
der durch Reaktion bedingten laufenden Entfernung des im Katalysator 5 eingespeicherten
NH3. Von der Regel-/Steuereinheit 16 wird auf der Basis
der aus Kennfeldern abgelesenen NOx-Umsatzrate
oder durch Heranziehen eines abgespeicherten Modellen der Harnstoffzusatz
ins Abgas so bemessen, dass das verbrauchte NH3 ständig ersetzt
wird. Dabei wird auf eine bestimmte im Katalysator 5 eingespeicherte
NH3-Menge
hin geregelt. Dieser Sollwert entspricht der schlupffrei einspeicherbaren
NH3-Menge entsprechend dem in 2 dargestellten Kennfeldiagramm
und ist durch den Motorbetriebspunkt vorgegeben. Durch die laufend
durchgeführte
Bilanzierung der in Form von Harnstoff zugegebenen NH3-Menge
und der durch Reaktion verbrauchten NH3-Menge
kann die aktuell im Katalysator 5 eingespeicherte NH3-Menge, d.h. die Reduktionsmittelbeladung
des Katalysators 5, ebenfalls ermittelt werden und kann
daher entsprechend der kennfeldmäßigen Sollwertvorgabe
von der Regel-/Steuereinheit
16 nachgeregelt werden. Parallel hierzu überwacht die Regel-/Steuereinheit
laufend die Abgastemperatur durch Auswertung der Messwerte der Temperaturfühler 13, 14 und
ermittelt hieraus die Katalysatortemperatur. Der Abgasmassenstrom
wird, wie oben erläutert,
ebenfalls laufend ermittelt. Aus diesen Werten werden die Änderungsgeschwindigkeiten
der Abgastemperatur bzw. der Katalysatortemperatur und des Abgasmassenstromes durch
Bildung der ersten zeitlichen Ableitung ermittelt. Wird von der
Regel-/Steuereinheit 16 festgestellt, dass die Änderungsgeschwindigkeiten der
Abgastemperatur bzw. der Katalysatortemperatur und/oder des Abgasmassenstromes
einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet,
so wird derart darauf regiert, dass die Bedatung des in 2 gegebenen Kennfeldes entsprechend
korrigiert wird. Die Größe des Grenzwertes
für die Änderungsgeschwindigkeiten
kann dabei vom Motorbetriebspunkt abhängig sein. Die Korrektur der
Kennfeldbedatung erfolgt in Abhängigkeit
von der Stärke
und der Dauer der Änderungsgeschwindigkeit
der genannten Größen und je
nach Motorlastpunkt. Die Korrektur besteht in einer Verringerung
der Werte für
die im SCR-Katalysator 5 einspeicherbaren NH3-Menge.
Anstelle einer Änderung
der Kennfeldbedatung kann selbstverständlich auch auf ein anderes
Kenfeld eines in der Regel-/Steuereinheit 16 abgespeicherten Kennfeldsatzes
zurückgegriffen
werden.
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Bei einer geringen Korrektur des
für die Harnstoffzugabe
maßgebenden
Sollwerts für
die schlupffrei im Katalysator 5 einspeicherbare NH3-Menge kann es ausreichen, wenn die Harnstoffzugabe
vermindert wird oder vorrübergehend
ganz eingestellt wird. Bei einer größeren Korrektur wird die Harnstoffzugabe
abgestellt und es werden von der Regel-/Steuereinheit Eingriffe in den Motorbetrieb veranlasst,
welche einem NH3-Schlupf entgegenwirken.
Diese Eingriffe wirken dahingehend, dass die Stickoxidemission des
Motors 1 vorübergehend
angehoben wird bzw. das Verbrennüngsluft/Kraftstoffverhältnis vermindert
wird und/oder der Abgasmassenstrom abgesenkt wird. Desgleichen kann
statt dessen oder in Kombination mit den genannten Maßnahmen
die Abgastemperatur abgesenkt werden. Hierfür können im einzelnen die Maßnahmen
ergriffen werden, die weiter oben bereits erläutert wurden. Besonders vorteilhaft
ist die Verminderung des Verbrennungsluft/Kraftstoffverhältnisses,
z.B. durch Verminderung der Luftzufuhr zum Motor 1. Dadurch
wird einerseits die NOx-Emission erhöht und andererseits gleichzeitig
der Abgasmassenstrom gesenkt.
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Die Wirksamkeit dieser Maßnahmen
ist im Diagramm der 3 verdeutlicht.
In diesem Diagramm ist der hinter dem SCR-Katalysator 5 messbare NH3-Schlupf S schematisch als Funktion der Zeit
t aufgetragen. Die tolerierbare Größe dieses NH3-Schlupfes ist durch
die waagrechte Linie der Grenzkonzentration cG angegeben
und beträgt
beispielsweise 5 ppm. Ein zum Zeitpunkt t0 durchgeführter Lastsprung
entsprechend des im Diagramm der 2 eingezeichneten
Pfeils A von einem Teillastbetriebspunkt auf Volllast hat einen
entsprechend großen
steilen Anstieg des Abgasmassenstroms und der Abgastemperatur und
damit auch einen relativ steilen Anstieg der Temperatur des Katalysators 5 zur Folge.
Bei Regelung der Harnstoffzufuhr entsprechend dem in der 2 angegebenen Kennfeld resultiert
eine sehr starke Desorption von NH3 und
ein NH3-Schlupf gemäß der Kurve O. Wie
ersichtlich beträgt
der NH3-Schlupf
ein Vielfaches der tolerierbaren Grenzkonzentration cG.
Wird dagegen erfindungsgemäß von der
Regel-/Steuereinheit 16 die Änderungsgeschwindigkeit
der Abgastemperatur bzw. der Katalysatortemperatur und die Änderungsgeschwindigkeit
des Abgasmassenstroms ermittelt, so kann das Auftreten des Lastsprungs
und dessen Höhe
und Geschwindigkeit detektiert werden. Als Reaktion hierauf wird
die Harnstoffzufuhr vorübergehend
unterbrochen und erfindungsgemäß die NOx-Emission des Motors 1 erhöht und das
Verbrennungsluft/Kraftstoffverhältnis
erniedrigt. Bei Ergreifen der erfindungsgemäßen Gegenmaßnahmen wird der in 2 dargestellte Verlauf M
des NH3-Schlupfs erhalten. Es wird klar
ersichtlich, dass sich durch die erfindungsgemäßen Eingriffe in den Motorbetrieb
bei gleicher Reduktionsmittelbeladung des Katalysators, d.h. bei
gleichem Sollwert für
die im SCR-Katalysator 5 eingespeicherte NH3-Menge
bei einem Lastsprung ein reduzierter NH3-Schlupf
ergibt. Dies bedeutet andererseits gleichzeitig, dass bei Tolerierung
eines zeitlich begrenzten höheren
NH3-Schlupfes die NH3-Beladung
des SCR-Katalysators im stationären
Betrieb erhöht
werden kann, was einen verbesserten NOx-Umsatz
bei stationärem
oder langsam veränderlichem
Betrieb des Motors 1 zur Folge hat.
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Es ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäßen Eingriffe
in den Motorbetrieb nur eine vorbestimmbare Zeit lang aufrechterhalten
bleiben. Beispielsweise wird von der Regel-/Steuereinheit 16 detektiert,
ob die Änderungen
des Motorbetriebs, gegebenenfalls verlängert um eine gewisse Totzeit,
abgeklungen sind. Es sind dann wieder stationäre Verhältnisse gegeben und die Harnstoffzugabe
kann dann wie für
diesen Fall vorgesehen erfolgen. Es versteht sich, dass dem Motor 1 bzw.
dessen Abgasnachbehandlungssystem weitere, in 1 nicht gezeigte Bestandteile wie Abgassonden
oder Katalysatoren oder ein Partikelfilter zugerdnet sein können, deren spezielles
Verhalten von der Regel-/Steuereinheit ebenfalls berücksichtigt
wird.