DE10022981B4 - Schadstoffbegrenzungssystem - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Zugabe von Reduktionsmittel zu zumindest einem ersten und einem zweiten Katalysator, die im Auspuffsystem für einen Motor hintereinander angeordnet sind, mit folgenden Schritten:
Bestimmung einer ersten Reduktionsmittelmenge anhand von Motorbetriebsbedingungen, die für eine vom Motor erzeugte Stickoxidmenge typisch sind,
Bestimmung eines Umwandlungswirkungsgrads des ersten Katalysators anhand von Betriebsbedingungen,
Bestimmung einer zweiten Reduktionsmittelmenge anhand der ersten Reduktionsmittel-Einspritzmenge und des Umwandlungswirkungsgrads,
Zugabe von Reduktionsmittel zum ersten Katalysator entsprechend der so bestimmten ersten Reduktionsmittelmenge und
Zugabe von Reduktionsmittel zum zweiten Katalysator entsprechend der so bestimmten zweiten Reduktionsmittelmenge.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der einem aktiven NOx-Katalysator für Magerbetrieb vorgeschalteteten Einspritzung eines Reduktionsmittels zum Einsatz bei einem Verbrennungsmotor.
  • Zur Einhaltung der aktuellen Schadstoffbegrenzungsvorschriften kommen aktive NOx-Katalysatorsysteme für Magerbetrieb mit von außen zugegebenen Reduktionsmitteln zum Einsatz. In derartigen Systemen werden geregelte ausgestoßene Schadstoffe, wie beispielsweise bestimmte Stickoxide, bei Zugabe eines Kohlenwasserstoffe enthaltenden Reduktionsmittels im Katalysator zu Stickstoff und Wasser reduziert. Zum Erreichen einer maximalen Kraftstoffeinsparung bei gleichzeitiger Einhaltung der Schadstoffbegrenzungsvorschriften ist es erforderlich, das eingespritzte Reduktionsmittel so zu dosieren, daß die chemischen Reaktionen gefördert werden, ohne daß durch Einspritzen von zuviel Reduktionsmittel der Ausstoß von Kohlenwasserstoffen erhöht wird.
  • Unter bestimmten Umständen kann es wünschenswert sein, mehrere NOx Katalysatoren für Magerbetrieb (magere NOx-Katalysatoren) hintereinander anzu ordnen, um beispielsweise Einschränkungen hinsichtlich der Unterbringung und der Herstellung gerecht zu werden. In diesem Fall kann eine doppelte Reduktionsmitteleinspritzung eingesetzt werden, bei der das Reduktionsmittel jeweils vor dem betreffenden Katalysator eingespritzt wird.
  • Ein Verfahren zur Regelung der Reduktionsmitteleinspritzung vor dem ersten und dem zweiten mageren NOx-Katalysator arbeitet mit einem dem jeweiligen Katalysator nachgeschalteten NOx-Sensor. Bei diesem Verfahren wird vor dem ersten NOx Katalysator entsprechend einer von Motorbetriebsparametern abhängigen Regelung Reduktionsmittel eingespritzt. Auf ähnliche Weise wird entsprechend einer Verfahrensweise, die der für den ersten NOx Katalysator entspricht, Reduktionsmittel eingespritzt. Beide Male stützt sich die Verfahrensweise für die Reduktionsmitteleinspritzung auf einen nachgeschalteten NOx-Sensor zur Regelung der Reduktionsmittelmenge und damit auch des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses der Abgase.
  • Ein derartiges System ist in der DE 195 43 219 C1 beschrieben. Bei diesem bekannten Verfahren wird mittels entsprechender Sensoren eine erste Reduktionsmittelmenge bestimmt und dem ersten Katalysator zugegeben. Mittels zusätzlicher Sensoren wird die Reduktionsmittelmenge bestimmt, die dem zweiten Katalysator zugegeben wird. Somit sind hier für jeden Katalysator Sensoren vorgesehen, die zur Bestimmung der dem jeweiligen Katalysator zuzugebenden Reduktionsmittelmenge dienen.
    •
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das einfacher und kostengünstiger durchzuführen ist.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die Erfinder haben festgestellt, daß das zuvor beschriebene System nach dem Stand der Technik einen gravierenden Nachteil aufweist. Das vorbekannte System gibt kein Verfahren zur Ermittlung der in den zweiten Katalysator einströmenden NOx Menge an. Desweiteren nutzt das bekannte System nicht die Vorteile des Vorhandenseins mehrerer Katalysatoren mit jeweils eigener Regelung der Reduktionsmitteleinspritzung. Mit anderen Worten arbeitet das eingangs beschriebene Verfahren für jeden Katalysator mit derselben Verfahrensweise zur Reduktionsmittelregelung, so daß für jeden Katalysator Sensoren erforderlich sind. Die Erfinder haben festgestellt, daß durch Erkennung der physikalischen Kopplungswirkung und durch Beseitigung von unnötigerweise doppelt vorhandenen Sensoren Verbesserungen möglich sind.
  • Zum Erreichen des obengenannten Ziels und zur Überwindung der Nachteile früherer Lösungsansätze wird ein Verfahren zur Zugabe von Reduktionsmittel zu zumindest einem ersten und einem zweiten Katalysator, die im Auspuffsystem für einen Motor hintereinander angeordnet sind, mit folgenden Schritten:
    Bestimmung einer ersten Reduktionsmittelmenge anhand von Motorbetriebsbedingungen, die für eine vom Motor erzeugte Stickoxidmenge typisch sind,
    Bestimmung eines Umwandlungswirkungsgrads des ersten Katalysators anhand von Betriebsbedingungen,
    Bestimmung einer zweiten Reduktionsmittelmenge anhand der ersten Reduktionsmittel-Einspritzmenge und des Umwandlungswirkungsgrads,
    Zugabe von Reduktionsmittel zum ersten Katalysator entsprechend der so bestimmten ersten Reduktionsmittelmenge und
    Zugabe von Reduktionsmittel zum zweiten Katalysator entsprechend der so bestimmten zweiten Reduktionsmittelmenge
  • Die Erkenntnis, daß das Produkt aus dem Wirkungsgrad des ersten Katalysators und der ersten Reduktionsmittel-Einspritzmenge proportional zur erforderlichen zweiten Reduktionsmittel-Einspritzmenge ist, ermöglicht es, ohne zusätzliche Sensoren auszukommen. Mit anderen Worten ist es möglich, anhand des Wirkungsgrads des ersten Katalysators und der Menge des in den ersten Katalysator eingespritztem Reduktionsmittels die für den zweiten Katalysator erforderliche Reduktionsmittelmenge zu berechnen. Hierbei werden grundsätzlich die Menge von aus dem ersten Katalysator austretenden Stickoxiden und die Menge von aus dem ersten Katalysator austretendem, nicht verbrauchtem Reduktionsmittel berücksichtigt, die beide in den zweiten Katalysator einströmen.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in einer verbesserten Schadstoffbegrenzung.
  • Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in einem verbesserten Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Stickoxiden.
    •
  • Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden ohne weiteres unter Bezugnahme auf die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele unter Berücksichtigung der beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
  • 1 ein Blockdiagramm einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung und
  • 2–4 aufgabenorientierte Ablaufdiagramme für verschiedene Vorgänge, die von einem Teil der in 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung durchgeführt werden.
  • Ein Verbrennungsmotor 10 mit mehreren Zylindern wird, wie in 1 gezeigt, mittels eines elektronischen Motorsteuergeräts 12 gesteuert. Der Motor 10 ist mit dem Auspuffkrümmer 30 verbunden, und bei der Verbrennung verbrannte Gase (nicht dargestellt) treten über den Auspuffkrümmer 30 aus dem Motor 10 aus. Der Auspuffkrümmer 30 ist mit dem ersten mageren NOx-Katalysator 32 verbunden. Die Abgase (nicht dargestellt) strömen durch den Auspuffkrümmer 30 und anschließend in den ersten Katalysator 32. Der erste Katalysator 32 ist mittels des Auspuff rohrs 34 mit dem zweiten Katalysator 36 verbunden. Die Abgase treten aus dem ersten Katalysator 32 aus, strömen durch das Auspuffrohr 34 und anschließend durch den zweiten Katalysator 36, bevor sie schließlich durch das Endrohr 38 austreten.
  • Vor dem ersten Katalysator 32 wird mittels der ersten Reduktionsmittel-Einspritzdüse 40 Reduktionsmittel in den Auspuffkrümmer 30 eingespritzt. Vor dem zweiten Katalysator 36 wird mittels der zweiten Reduktionsmittel-Einspritzdüse 42 Reduktionsmittel in das Auspuffrohr 34 eingespritzt. Der ersten Einspritzdüse 40 und der zweiten Einspritzdüse 42 wird über das Reduktionsmittelrohr 44 von einer Pumpe 50 gefördertes Reduktionsmittel zugeführt. Die Pumpe ist über das zweite Rohr 54 mit dem Tank 52 verbunden. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Reduktionsmittel aus Dieselkraftstoff, wobei über den Tank 52 auch dem Motor 10 Dieselkraftstoff für die Verbrennung zugeführt wird (nicht dargestellt). Die erste und die zweite Reduktionsmittel-Einspritzdüse 40 und 42 empfangen vom Motorsteuergerät 12 das Signal ird1 bzw. ird2.
  • Das Motorsteuergerät 12 ist in 1 als herkömmlicher Mikrocomputer mit einer Mikroprozessoreinheit (CPU) 102, Anschlüssen für Ein-/Ausgänge 104, einem Nur-Lese-Speicher 106 (ROM), einem Arbeitsspeicher 108 (RAM) und einem herkömmlichen Datenbus dargestellt. Es wird gezeigt, daß das Motorsteuergerät 12 verschiedene Signale von mit dem Motor 10 verbundenen Sensoren 120 empfängt und verschiedene Signale an Stellglieder 122 sendet. Desweiteren wird dem Motorsteuergerät 12 über den Temperaturfühler 62 die Abgastemperatur (Tm) gemeldet. Alternativ kann die Temperatur (Tm) unter Verwendung verschiedener Verfahren, die den Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt sind, geschätzt werden. Das Motorsteuergerät 12 sendet ferner das Signal fpwr an die Kraftstoff-Einspritzdüsen 20 und 22 und das Signal fpwl an die Kraftstoff-Einspritzdüsen 24 und 26.
  • Wie oben dargelegt, wird dem Motor 10 Dieselkraftstoff zur Verbrennung mit in einer durch das Signal FI dargestellten Kraftstoff-Einspritzmenge zugeführt. Die Menge des eingespritztem Kraftstoffs ist proportional zur Bewegung eines vom Fahrer betätigten Elements (nicht dargestellt). Der Kraftstoff wird mittels eines herkömmlichen Dieselkraftstoff-Einspritzsystems (nicht dargestellt) mit variabler, von den Betriebsbedingungen abhängiger Zeit für den Einspritzstart eingespritzt, wobei der Zeitpunkt für den Einspritzstart durch das Signal SOI dargestellt ist.
  • Unter Bezugnahme auf 2 wird ein Programmteil zur Berechnung des an die Reduktionsmittel-Einspritzdüse 40 gesendeten Signals ird1 beschrieben. Zunächst wird in Schritt 210 ein grundlegender Reduktionsmittelbedarf (ird1b) als vorbestimmte Funktion von Motordrehzahl (N) und eingespritzter Kraftstoffmenge (FI) berechnet. Anschließend wird in Schritt 220 dieser Basiswert mittels eines Korrekturfaktors (CF) geändert. Der Korrekturfaktor setzt sich aus mehreren Korrekturen für verschiedene Motorbetriebsbedingungen zusammen, wie beispielsweise dem Abgasrückführungsbetrag, der Temperatur des Motorkühlmittels, der Ansauglufttemperatur und dem Zeitpunkt für den Einspritzstart (SOI). Beispielsweise kann der Korrekturfaktor CF aus dem Produkt der Korrekturen für die einzelnen Motorbetriebsbedingungen gebildet werden, wobei der Korrekturfaktor gleich 1 ist, wenn die Betriebsbedingung einer Basisbedingung entspricht. In einer bevorzugten Ausführungsform liegen die Korrekturfaktoren zwischen den Werten 0 und 2. Der korrigierte Reduktionsmittelbedarf (ird1c) wird als Produkt aus dem Korrekturtaktor (CF) und dem grundlegenden Reduktionsmittelbedarf (ird1b) berechnet. In Schritt 230 wird der erste Reduktionsmittel-Einspritzbedarf (ird1) anhand des korrigierten Reduktionsmittelbedarfs (ird1 c) und der Temperatur (Tm) berechnet.
  • Unter Bezugnahme auf 3 wird ein Programmteil zur Berechnung des an die Reduktionsmittel-Einspritzdüse 42 gesendeten Signals ird2 beschrieben. Zunächst wird in Schritt 312 der Wirkungsgrad (η1) des ersten Katalysators 32 anhand der Betriebsbedingungen ermittelt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Wirkungsgrad (η1) aus einer vorbestimmten Kennwerttabelle als Funktion von Motordrehzahl (N) und Menge des eingespritzten Kraftstoffs (FI) ermittelt.
  • In Schritt 314 wird der erste Reduktionsmittel-Einspritzbedarf (ird1) aus Schritt 230 eingelesen. In Schritt 316 wird ein temporärer zweiter Einspritzbedarf (ird2t) für die Einspritzdüse 42 anhand des ersten Reduktionsmittel-Einspritzbedarfs (ird1) und des Wirkungsgrads des ersten Katalysators (η1) berechnet. Insbesondere wird der temporäre zweite Reduktionsmittel-Einspritzbedarf (ird2t) für die Einspritzdüse 42 durch Multiplikation des ersten Reduktionsmittel-Einspritzbedarfs mit der imaginären Einheit minus dem Wirkungsgrad des ersten Katalysators (η1) berechnet. Anschließend wird in Schritt 318 der zweite Reduktionsmittel-Einspritzbedarf (ird2) anhand des temporären zweiten Reduktionsmittel-Einspritzbedarfs (ird2t) und der Temperatur (Tm) berechnet, wobei die Funktion f anhand von Motortestdaten kalibriert wird.
  • Auf diese Weise werden der erste und der zweite Reduktionsmittel-Einspritzbedarf zur Regelung der Reduktionsmitteleinspritzung in die Katalysatoren 32 und 36 berechnet. Bei dieser Art der Berechnung werden bei der Regelung der Reduktionsmitteleinspritzung für den zweiten Katalysator 36 die Betriebsmerkmale des ersten Katalysators 32 sowie die Betriebsmerkmale des Motors 10 mit berücksichtigt. Wenn beispielsweise der erste Katalysator 32 mit einem hohen Wirkungsgrad und einem niedrigen Reduktionsmittelbedarf arbeitet, wird für den zweiten Katalysator 36 wenig Reduktionsmittel benötigt. Jedoch kann es vorkommen, daß der erste Katalysator 32 mit einem hohen Wirkungsgrad und einem hohen Reduktionsmittelbedarf arbeitet, was anzeigt, daß für den zweiten Katalysator 36 eine erhöhte Reduktionsmitteleinspritzung benötigt wird.
  • In einer alternativen Ausführungsform entspricht die in den Schritten 230 und 318 verwendete Temperatur angepaßten Werten der Temperatur (Tm). Insbesondere bei Anordnung des Temperaturfühlers 62 zwischen dem ersten Katalysator 32 und dem zweiten Katalysator 36 stellt der in Schritt 230 verwendete Temperaturwert einen erhöhten Wert der Temperatur (Tm) dar, so daß der Wärmeverlust berücksichtigt ist und die Temperatur des ersten Katalysators 32 exakter dargestellt wird. Auf ähnliche Weise stellt der in Schritt 318 verwendete Temperaturwert einen verringerten Wert der Temperatur (Tm) dar, so daß der Wärmeverlust berücksichtigt ist und die Temperatur des zweiten Katalysators 36 exakter dargestellt wird. Der Temperaturerhöhungs- bzw. Verringerungsbetrag wird anhand der Motordrehzahl und der Drosselklappenstellung ermittelt, so daß die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases mit berücksichtigt ist.
  • Unter Bezugnahme auf 4 wird ein Programmteil zur Regelung der Einspritzdüsen 40 und 42 beschrieben. In Schritt 410 wird die Einspritzmenge von Einspritzdüse 40 entsprechend dem ersten Reduktionsmittel-Einspritzbedarf (ird1) geregelt. Anschließend wird in Schritt 412 die Einspritzmenge von Einspritzdüse 42 entsprechend dem zweiten Reduktionsmittel-Einspritzbedarf (ird2) geregelt.
  • Zwar wurde eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben, doch es gibt noch weitere Ausführungsbeispiele, die ebenfalls beschrieben werden könnten. Beispielsweise kann die Erfindung vorteilhafterweise sowohl für Motoren mit magerer Verbrennung von Dieselkraftstoff als auch für Motoren mit magerer Verbrennung von Ottokraftstoff, in denen jeweils Schadstoffe in Form von Stickoxiden entstehen, eingesetzt werden. Desweiteren können andere Verfahren zur Zugabe von Reduktionsmittel zu den Katalysatoren eingesetzt werden. Beispielsweise kann das Reduktionsmittel mittels Einspritzung von Kraftstoff über die Zylindereinspritzdüsen während eines Auspufftakts des Motors zugeführt werden, wobei unverbrannte Kohlenwasserstoffe in den ersten Katalysator einströmen können. Desweiteren kann das Verfahren auch auf eine einzelne Struktur mit mehreren darin angeordneten Katalysatorsegmenten angewendet werden, wobei das Reduktionsmittel zwischen den Segmenten zugeführt wird. Außerdem kann das Verfahren angewendet werden, wenn mehrere parallel angeordnete, vorgeschaltete Katalysatoren zu einem einzelnen, unter dem Fahrzeugboden angeordneten Katalysator führen. Wenn der Motor beispielsweise mehrere Zylinderreihen mit jeweils einem eigenen Katalysator aufweist, die zu einem einzelnen, unter dem Fahrzeugboden angeordneten Katalysator führen, wird der Wirkungsgrad beider vorgeschalteten Katalysatoren bei der Zugabe von Reduktionsmittel zu dem einzelnen, unter dem Fahrzeugboden angeordneten Katalysator, berücksichtigt. Die Erfindung ist daher nur durch die Ansprüche definiert.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Zugabe von Reduktionsmittel zu zumindest einem ersten und einem zweiten Katalysator, die im Auspuffsystem für einen Motor hintereinander angeordnet sind, mit folgenden Schritten: Bestimmung einer ersten Reduktionsmittelmenge anhand von Motorbetriebsbedingungen, die für eine vom Motor erzeugte Stickoxidmenge typisch sind, Bestimmung eines Umwandlungswirkungsgrads des ersten Katalysators anhand von Betriebsbedingungen, Bestimmung einer zweiten Reduktionsmittelmenge anhand der ersten Reduktionsmittel-Einspritzmenge und des Umwandlungswirkungsgrads, Zugabe von Reduktionsmittel zum ersten Katalysator entsprechend der so bestimmten ersten Reduktionsmittelmenge und Zugabe von Reduktionsmittel zum zweiten Katalysator entsprechend der so bestimmten zweiten Reduktionsmittelmenge.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Umwandlungswirkungsgrad des ersten Katalysators außerdem anhand einer Temperatur des ersten Katalysators ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte erste Reduktionsmittelmenge außerdem anhand einer Temperatur des ersten Katalysators ermittelt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den genannten Betriebsbedingungen um eine Motordrehzahl und eine Einspritzmenge für Motorkraftstoff handelt.
  5. Verfahren nach den Ansprüchen 2, 3 und 4, bei dem die Zugabe von Reduktionsmittel zu dem ersten Katalysator bzw. zu dem zweiten Katalysator mit einer ersten bzw. zweiten Einspritzdüse vorgenommen wird, die entsprechend der ersten bzw. zweiten Reduktionsmittelmenge gesteuert werden, wobei die erste bzw. zweite Einspritzdüse mit dem ersten bzw. dem zweiten Katalysator gekoppelt sind und der erste und der zweite Katalysator mit einem Verbrennungsmotor verbunden sind.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte zweite Reduktionsmittelmenge außerdem anhand einer Temperatur des zweiten Katalysators ermittelt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Temperatur des ersten Katalysators und die genannte Temperatur des zweiten Katalysators auf einer zwischen dem ersten Katalysator und dem zweiten Katalysator gemessenen Temperatur basieren.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der genannten Temperatur des ersten Katalysators um einen erhöhten Wert der genannten gemessenen Temperatur und bei der genannten Temperatur des zweiten Katalysators um einen verringerten Wert der genannten gemessenen Temperatur handelt.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Erhöhungs- bzw. Verringerungsbetrag des genannten erhöhten bzw. verringerten Werts auf einer Drosselklappenstellung und einer Motordrehzahl basieren.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte erste Menge anhand der Temperatur einer Luftladung beim Eintritt in den Motor geändert wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte erste Menge anhand eines Abgasrückführungsbetrags geändert wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte erste Menge anhand einer zeitlichen Verstellung des Startzeitpunkts für die Einspritzung von Kraftstoff in den Motor geändert wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte erste Reduktionsmittel-Einspritzmenge anhand einer Temperatur des Motorkühlmittels geändert wird.
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