DE19736384A1

DE19736384A1 - Verfahren zur Dosierung eines Reduktionsmittels in stickoxidhaltiges Abgas einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19736384A1
Application number: DE19736384A
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl Ing Zuther; Gerhard Dipl Ing Emmerling; Andreas Doering
Original assignee: MAN Nutzfahrzeuge AG
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 1997-08-21
Filing date: 1997-08-21
Publication date: 1999-02-25
Also published as: TR199801663A2; US6119448A; DE59810976D1; EP0898061B1; EP0898061A3; EP0898061A2

Description

Die Erfindung betrifft gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 ein Verfahren zur Dosierung eines Reduktionsmittels, insbesondere Harnstoff bzw. wäßrige Harnstofflö sung, in stickoxidhaltiges Abgas einer Brennkraftmaschine räumlich in die Abgaslei tung vor einem Katalysator mit wenigstens NO_x-Reduktionsaktivität, der eine geringe Wärmekapazität und keine ausgeprägte Reduktionsmittelspeicheraktivität aufweist.

Bei der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) von NO_x muß je nach Betriebszu stand der Brennkraftmaschine und des SCR-Katalysators eine bestimmte Menge Re duktionsmittel in den Abgasstrom eindosiert werden, um NO_x zu N₂ zu reduzieren. Wird zu wenig Reduktionsmittel eindosiert, so sinkt der Reduktionsgrad unnötig. Wird zuviel Reduktionsmittel eindosiert, so kommt es zum Schlupf von Reduktionsmittel sowie unerwünschten Zwischen- und Spaltprodukten. Außerdem resultiert daraus ein unnötig hoher Verbrauch an Reduktionsmittel. Falls als Reduktionsmittel Harnstoff verwendet wird, bedeutet dies, daß Ammoniakdurchbrüche, oder, wenn dem SCR-Ka talysator ein Oxidationskatalysator nachgeschaltet ist, Emissionen von Distickstoffoxid N₂O auftreten können.

EP 0 515 857 A1 sowie EP 0 697 062 B1 sind Verfahren, die beide auf der Speicher fähigkeit des Katalysators und einer zeitweisen überstöchiometrischen Dosierung des Reduktionsmittels beruhen.

In DE 43 10 961 A1 wird ein Verfahren zur Ermittlung der Katalysatoraktivität durch Einsatz mindestens eines Temperatursensors im Katalysator beschrieben.

Allen bekannten Verfahren ist gemeinsam, daß sie keine exakte Zudosierung von Re duktionsmittel ins Abgas unter dynamischen bzw. hochdynamischen Betriebsbedin gungen der Brennkraftmaschine ermöglichen, die dynamischen bzw. hochdynamischen Änderungen blieben bisher weitgehend unberücksichtigt. Vor allem die genaue Ermitt lung der Katalysatoraktivität bei diesen dynamischen Lastwechseln der Brennkraftma schine ist ein bislang nicht gelöstes Problem gewesen.

Außerdem fanden nicht alle, sondern nur einige, relevante Zustandsgrößen bei den be kannten Reduktionsmittel-Dosierverfahren Berücksichtigung. Bei dem aus der DE 43 10 961 A1 bekannten Verfahren wird zwar für die Ermittlung einer Zustands größe des Katalysators, nämlich der Temperatur, vorgeschlagen, mehrere Temperatur sensoren in den Katalysator einzubauen. Dies erscheint jedoch wenig praktikabel und außerdem sehr kostenintensiv.

Eine exakte Ermittlung des Reduktionsmittelfüllgrades im SCR-Katalysator, wie sie notwendig ist, um Reduktionsmitteldosierungen nach den Vorschlägen der EP 0 697 062 B1 und EP 0 515 857 A1 darstellen zu können, ist aufgrund der komplexen Zu sammenhänge solcher Katalysatorsysteme bis dato nicht möglich gewesen. Aus diesem Grund wird die Dosierung zeitweise unterbrochen und der Katalysator auf diese Weise leergefahren, um wieder definierte Verhältnisse zu bekommen. Der Nachteil besteht jedoch darin, daß der NO_x-Umsatz notgedrungen sinkt.

Die oben genannten Dokumente gehen also in ihrer Dosierstrategie von einer deutli chen Speicherfähigkeit des Katalysators in Bezug auf Reduktionsmittel und Wärme aus.

Diese Vorgehensweise ist prinzipiell für Vollkatalysatoren, wie sie aus der Kraftwerkstechnik bekannt sind, denkbar. Diese bestehen vollständig aus aktivem Material, das es ihnen ermöglicht, besonders bei niedrigen Temperaturen Reduktionsmittel einzuspeichern. Dank dieser Speicherfähigkeit können Reduktions mitteldurchbrüche bei dynamischen, bzw. hochdynamischen Lastwechseln dadurch weitgehend vermieden werden, daß überschüssiges Reduktionsmittel, speziell NH₃, Katalysator kurzzeitig eingespeichert wird.

Für den Einsatz solcher Systeme unter räumlich stark eingeschränkten Bedingungen, wie z. B. im Fahrzeug, bei dem eine deutliche Reduktion von Abmessungen und Ge wicht der zur Zeit verfügbaren Systeme notwendig wird, sind Vollkatalysatoren weni ger gut geeignet, da sie kein ausreichendes Entwicklungspotential in Bezug auf oben genannte Anforderungen besitzen.

Aus diesem Grund werden Beschichtungskatalysatoren verwendet, deren Zellenzahl bedeutend höher gesetzt werden kann, und die durch ihre wesentlich geringere Wand starke des Trägers eine größere freie Anströmfläche und dadurch einen geringeren Druckverlust aufweisen, siehe Fig. 6.

Ein solches Katalysatorsystem hat jedoch eine geringe Speicherfähigkeit für NH₃, da wesentlich weniger aktives Material zur Verfügung steht. Reduktionsmittelspitzen können somit nicht durch Absorption abgefangen werden, es kommt leichter zu uner wünschten Emissionen von Reduktionsmittelprodukten.

Daraus folgen höhere Anforderungen an die Genauigkeit der Dosierung und der Erfas sung der Einflußparameter, wie Katalysatortemperatur, NO_x-Konzentration, Abgas menge, Katalysatoraktivität usw., als dies für Vollkatalysatoren bisher angewendet wird.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, für ein Verfahren der gattungsgemäßen Art eine Strategie anzugeben, die dynamischen Änderungen des Brennkraftmaschinenbetriebes im Sinne einer optimierten Reduktionsmittelratenanpassung gerecht wird.

Diese Aufgabe wird zum einen erfindungsgemäß entsprechend dem Kennzeichen des Anspruches 1 durch die dort angegebenen Verfahrensmerkmale gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren basiert darauf, daß zunächst anhand einer Referenz- Brennkraftmaschine, die der im Anwendungsfall benutzten Brennkraftmaschine entspricht, z. B. an einem dynamischen Maschinenprüfstand die maschinenspezifischen Werte für die NO_x-Konzentration im Abgas und die ausgestoßene Abgasmenge erfaßt und in einen Kennfeld- oder Datenspeicher eines die Dosiereinrichtung steuernden Rechners eingeschrieben werden. Diese Daten/Werte werden während des Maschi nenbetriebes wenigstens noch durch die Werte der aktuell sensierten Temperatur des Abgases ergänzt und dann gemeinsam als Regelparameter für die Reduktionsmittel- Dosierung herangezogen. Dabei wird aus diesen wenigstens drei Parametern, gegebe nenfalls noch unter Berücksichtigung der Konzentration des Reduktionsmittels, eine bestimmte Reduktionsmittelrate errechnet. Diese solchermaßen errechnete Redukti onsmittelrate für stationäre Verhältnisse wird in Abhängigkeit von erfaßten Lastzu standsänderungen der Brennkraftmaschine einer dynamischen oder hochdynamischen Korrektur unterzogen, so daß dem Abgasstrom entsprechend schnell eine geänderte und solchermaßen angepaßte Reduktionsmittelrate zudosierbar ist, daß die geänderte Abgasmenge mit ihren abweichenden Abgaswerten trotzdem durch den Katalysator optimal umsetzbar ist, ohne daß ein Reduktionsmittelschlupf auftritt oder uner wünschte Zwischen- oder Spaltprodukte emittiert werden.

Zum anderen kann diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspru ches 2 gelöst werden.

So wird beispielsweise während des Betriebes der Brennkraftmaschine die NO_x-Kon zentration aus Daten ermittelt, die durch einen im Abgasstrom vor dem Katalysator an geordneten Sensor erfaßt werden. Die Abgasmenge der Brennkraftmaschine wird aus deren maschinenspezifischen Werten errechnet. Während des Betriebes der Brenn kraftmaschine kann bei solchen Lastzustandsänderungen, die nur eine dynamische, aber keine hochdynamische Korrektur der ins Abgas einzudosierenden Reduktionsmit telmenge erfordern, zusätzlich zur sensorisch erfaßten Temperatur des Abgases auch die für eine bestimmte, gegebenenfalls variabel vorgebbare Dauer vor dem Meßzeit punkt vorherrschende Abgastemperatur am Katalysatoreintritt berücksichtigt werden. Dieser Memoryabruf läßt eine verfeinerte Regelstrategie mit einer gewissen Voraus schau auf künftige Maschinenbetriebsweisen und die hieraus resultierenden Anforde rungen an das Katalysatorsystem zu.

Vorteilhafte Details bzw. einzelne Schritte des Verfahrens sind in den Unteransprü chen 3 bis 11 gekennzeichnet.

Außerdem ist es zweckmäßig, die NO_x-Konzentration im Abgas auch stromab des Ka talysators zu kontrollieren und die erfaßten/ermittelten Kontrollwerte für eine Ein flußnahme auf die Regelung der ins Abgas einzudosierenden Reduktionsmittelmenge heranzuziehen.

Zweckmäßig ist es auch, zwischen errechneter und in das Abgas tatsächlich eindosier ter Reduktionsmittelmenge einen Soll-Istwert-Vergleich durchzuführen, wobei der Ist wert der Reduktionsmittelzufuhrmenge mittels eines an geeigneter Stelle angeordneten Sensors oder Meßorganes festgestellt wird.

Bei hochdynamischen Lastzustandsänderungen der Brennkraftmaschine während deren Betrieb, die eine hochdynamische Korrektur der ins Abgas einzudosierenden Redukti onsmittelrate erfordern, wird als Regelkriterium auch die Geschwindigkeit der Lastzu standsänderungen der Brennkraftmaschine erfaßt bzw. ermittelt und berücksichtigt. Auf diese Weise ist eine gut angepaßte Reaktion auf Laständerungen möglich.

Zweckmäßig ist es auch, als Indikator dafür, ob während des Brennkraftmaschinenbe triebes die tatsächliche aktuelle Abgasmenge mit den gespeicherten Abgasmengen - Referenzwerten übereinstimmt, die aktuelle Temperatur der Ansaugluft mittels eines Sensors zu erfassen und mit vorgegebenen Referenzwerten zu vergleichen. Falls dieser Soll-Istwert-Vergleich es erforderlich macht, wird dieses regelungstechnisch für eine Korrektur der ins Abgas einzudosierenden Reduktionsmittelmenge berücksichtigt. Auf diese Weise kann sehr stark unterschiedlichen klimatischen Verhältnissen, in denen die Brennkraftmaschine zum Einsatz kommen kann, und den dadurch bedingten Einflüssen auf die Abgasmenge und -zusammensetzung, Rechnung getragen werden.

Gerade unter solchen stark temperaturunterschiedlichen Einsatzbedingungen kann es sich auch als zweckmäßig erweisen, die Qualität des bevorrateten Reduktionsmittels, insbesondere wenn dieses flüssig ist, zu kontrollieren. Dies geschieht beispielsweise durch sensormäßige Erfassung der Temperatur des bevorrateten Reduktionsmittels und einen Rückschluß hieraus auf dessen Dichte, wobei die Istwerte mit vorgegebenen Re ferenzwerten verglichen werden. Abhängig vom Ergebnis dieses Soll-Istwert-Verglei ches kann dann eine Korrektur der ins Abgas einzudosierenden Reduktionsmittelmen ge vorgenommen werden.

Gleichermaßen ist es zweckmäßig, von vornherein die Alterung des verwendeten Kata lysators und eine damit einhergehende Aktivitätsminderung zu berücksichtigen. Dabei wird die Betriebszeit des Katalysators aus der Betriebszeit der Brennkraftmaschine ab geleitet. Je nach Fortschritt der Betriebsdauer oder nach bestimmten Betriebsdauerin tervallen kann dann die Alterung des Katalysators durch entsprechende Änderung der ins Abgas einzudosierenden Reduktionsmittelmenge berücksichtigt werden.

Außerdem wird die ermittelte Reduktionsaktivität eines Referenz-Katalysators bei un terschiedlicher Reduktionsmittelkonzentration zur Optimierung der Reduktionsmittel dosierung herangezogen.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders in Verbindung mit hochdy namisch betriebenen Brennkraftmaschinen, die z. B. in stationären Anlagen oder Fahr zeugen, Kraftfahrzeugen, Nutzfahrzeugen, insbesondere Lastkraftwagen jeglicher Bau- und Einsatzart und Omnibussen, als Antriebsquelle eingebaut sind.

Grundsätzlich liegen der Erfindung folgende Überlegungen bzw. Theorien zugrunde.

Die in das Abgas einer Brennkraftmaschine einzudosierende Reduktionsmittelmenge hängt zum einen von der Menge der Abgasemission ab und zum anderen vom Vermö gen - der Aktivität - des Katalysators, diese abzubauen.

Die Aktivität bzw. das Reduktionsvermögen eines Katalysators läßt sich durch ver schiedene Geschwindigkeitsansätze beschreiben.

Als einfachstes Beispiel eines solchen Ansatzes sei folgender formalkinetischer Ansatz genannt: Liegt die fiktive Reaktion E → P vor, wobei E ein zu reduzierender Abgas bestandteil, z. B. NO_x, und P das Reduktionsprodukt, z. B. N₂, ist, so kann man die Änderung der Konzentration dc des Ausgangsstoffes E über der Zeit (unter der An nahme konstanten Volumens) folgendermaßen beschreiben:

R_E wird als Stoffmengenänderungsgeschwindigkeit von E bezeichnet (mol/s),
m ist die Ordnung der Reaktion [-].

Die Geschwindigkeitskonstante k ist ein Maß dafür, wie schnell eine Reaktion abläuft und hängt von der Temperatur folgendermaßen ab:

wobei
E = Aktivierungsenergie [J/mol]
R = Allgemeine Gaskonstante = 8,314 J/(mol.K)
T = Temperatur [K]
k₀ = Stoßfaktor
bedeuten.

Nach Integration von (1) erhält man bei Annahme von m = 1 (Reaktion erster Ord nung):

c = c₀.e^-kt (3)

wobei
c = Endkonzentration [mol/m³]
c₀ = Anfangskonzentration [mol/m³]
t = Reaktionszeit [s]
bedeuten.

Die Reaktionszeit ist gleich der Verweilzeit τ im Reaktor:

wobei
= Volumenstrom [m³/s]
V_Kat = Katalysatorvolumen [m³]
bedeuten.

Aus diesen Gleichungen ist ersichtlich, daß die Endkonzentration c in diesem Fall zwar linear von der Eingangskonzentration c₀ abhängt, jedoch nicht linear von der Verweilzeit und somit auch nicht vom Volumenstrom. Im dynamischen Betrieb genügt es also keinesfalls, nur einen NO_x-Massen- oder NO_x-Volumenstrom anzugeben, wie dies in EP 0 697 062 B1 vorgeschlagen wird, da es dadurch nicht möglich ist eine ein deutige Zuordnung zu einem Betriebspunkt des Katalysatorsystems vorzunehmen. So kann ein hoher NO_x-Massenstrom zum einen aus einer hohen NO_x-Konzentration und einem niedrigen Abgasmassenstrom resultieren, oder aus einer niedrigen NO_x-Konzentration, aber einem hohen Abgasmassenstrom. Dies führt zu unterschiedlicher NO_x-Konvertierung.

Die Reaktionstemperatur hat über die Geschwindigkeitskonstante k einen wesentlichen Einfluß auf die Stoffmengenänderungsgeschwindigkeit.

Zusätzlich kann noch die Abhängigkeit von der Reduktionsmittelkonzentration be rücksichtigt werden, vgl. Gleichung 5 und 6.

Formalkinetischer Ansatz

Mechanistischer Ansatz

wobei
K = Sorptionsgleichgewichtskonstante von NH₃ [m³/mol]
bedeutet.

Will man möglichst exakte Voraussagen über die Aktivität des Katalysators treffen, so ist es folglich sinnvoll, die jeweiligen Einflüsse getrennt voneinander zu betrachten und nicht die NO_x-Konzentration und die anfallende Abgasmenge zu einem NO_x-Strom zu kombinieren.

Die Ermittlung eines globalen Geschwindigkeitsansatzes, um mit diesem eine Redukti onsmittel-Dosierung zu realisieren, erscheint unter realen Bedingungen weder möglich noch wünschenswert, da sie zum einen das Reduktionsvermögen über den gesamten Arbeitsbereich des Katalysators nicht genau genug wiedergeben und zum anderen die Zusammenhänge nicht sofort deutlich werden. Die Feinjustage der Reduktionsmittel- Dosierung würde sich so äußerst schwierig gestalten.

Aus diesem Grund wird erfindungsgemäß zur Ermittlung der NO_x-Reduktionsfähigkeit auf ein Kennfeld einer Referenz-Brennkraftmaschine zugegriffen, das einen globalen Stoffmengenänderungsgeschwindigkeitsansatz durch die Zuordnung einzelner Stoff mengenänderungsgeschwindigkeiten zu bestimmten Betriebspunkten des Katalysator systems ersetzt.

Das Kennfeld, bzw. die Kennfelder, enthalten die Haupteinflußfaktoren NO_x-Kon zentration c, die fiktive Arbeitstemperatur T_A, den Abgasvolumenstrom _Abgas und gegebenenfalls die Reduktionsmittelkonzentration. Durch _Abgas finden sowohl die Verweilzeit T, als auch die Gasgeschwindigkeit, die den Einfluß der Filmdiffusion mit bestimmt, Berücksichtigung.

Da ein einziges Kennfeld, das die oben genannten Faktoren berücksichtigt, mindestens dreidimensional sein müßte, ist es zweckmäßig, mindestens zwei Kennfelder der Refe renz-Brennkraftmaschine getrennt voneinander aufzunehmen, aus deren späterer Kombination das NO_x-Reduktionsverhalten des Katalysators berechnet werden kann, vgl. Fig. 2.

So läßt sich z. B. im ersten Kennfeld (ΔcV_Abgas=const-Kennfeld, enthält die Infor mation über die Stoffmengenänderungsgeschwindigkeit) die Endkonzentration bei konstantem _Abgas [m³/h], variabler NO_x-Eingangskonzentration c₀ [ppm] und T_A [°C] ablegen. T_A ist hierbei eine fiktive Arbeitstemperatur. c₀ kann vorerst aus einem maschinenspezifischen Kennfeld, das über die Drehzahl n sowie einem lastabhängigen Signal (z. B. der Einspritzmenge Qe) aufgetragen ist, ausgelesen oder, direkt über einen NO_x-Sensor während des Brennkraftmaschinen-Betriebes ermittelt werden.

Das zweite Kennfeld (ε-Kennfeld), das über die fiktive Arbeitstemperatur T_A und _Abgas [m³/h] aufgetragen ist, dient zum einen dazu, den Verweilzeiteinfluß in die Berechnung einfließen zu lassen, zum anderen aber auch um Ungleichförmigkeiten bei der Anströmung, Filmdiffussionseinflüsse, Rückströmungen usw. auszugleichen. Die ses Kennfeld enthält den Korrekturfaktor e [-].

Aus dem ersten Kennfeld wird nun Δc_VAbgas=const = c₀ -c berechnet und mit ε mul tipliziert. Daraus ergibt sich, falls hochdynamische Einflüsse und Beeinflussungen durch die Reduktionsmittelkonzentration unberücksichtigt bleiben, die tatsächlich re duzierbare Konzentrationsdifferenz δc_korrigiert [ppm]. Nach Multiplikation mit _Abgas erhält man den reduzierbaren NO_x-Mengenstrom ΔNO_x [mol/h]. Durch anschließende Umrechnung ergibt sich die benötigte Reduktionsmittelrate, für den üb licherweise verwendeten Harnstoff hier als (NH₂)₂CO, Zufuhr [g/h] bezeichnet.

Ermittlung der Einflußgröße Temperatur

Da, wie vorstehend ersichtlich, die Reaktionstemperatur T großen Einfluß auf die Ge schwindigkeit der Reaktion und damit die Konvertierung hat, ist es unausweichlich, eine Möglichkeit zu finden, die Temperatur möglichst genau zu bestimmen. Dies ist insofern problematisch, als sich die Abgastemperatur im dynamischen Betrieb ständig ändert. Die Verwendung von Temperatursensoren vor und nach dem Katalysator kann den katalysatorinternen Temperaturverlauf nicht richtig widerspiegeln, das Anbringen mehrerer Temperatursensoren im Katalysator ist problematisch und teuer.

Wird die Brennkraftmaschine z. B. nach relativ hoher Last mit niedriger Last betrie ben, so schiebt sich eine Kaltfront durch den Katalysator. Der hintere Temperaturfüh ler zeigt noch heiß an, während der vordere die kältere Temperatur am Katalysatorein tritt detektiert. Erfolgt nun ein Lastsprung zu höherer Last, so meldet der Fühler am Eintritt schon heiß, während der Sensor am Ende noch heiß angibt, die Temperatur im Katalysator ist jedoch wesentlich niedriger, vgl. Fig. 8. Wegen der zu hoch angenom menen Temperatur wird in einem solchen Moment zu viel Reduktionsmittel in das Ab gas eindosiert, das nicht mehr umgesetzt werden kann. Es tritt Reduktionsmittelschlupf auf. Eine Lösung hierfür stellt die Berücksichtigung der Vorgeschichte der Katalysa tortemperatur in der Dosierstrategie dar, siehe Anspruch 3. Hierzu wird ein schleifen der Mittelwert T_Mittel über die Katalysatoreingangstemperatur gebildet, der Temperaturspitzen abfangen soll. Mit anderen katalysatorrelevanten Temperaturen, z. B. jene am Katalysatorein- und -austritt, bildet er die fiktive Arbeitstemperatur T_A, mit der dann die Daten aus den Kennfeldern ausgelesen werden.

T_A = y, T_Mittel + Σ(x_i,T_i) (7)

wobei
T_i = katalysatorrelevante Temperaturen (z. B. Temperaturen am Kateintritt T_Ein und am Kataustritt T_Aus)
T_Mittel = Schleifender Mittelwert der Temperatur;
T_Mittel = f(T_Ein, _Abgas)
Sx_i + y = 1
bedeuten.

Durch die Faktoren x_i und y wird eine Wichtung der einzelnen Temperaturen vorge nommen.

Bei einem größeren Abgasvolumenstrom erwärmt bzw. kühlt sich der Katalysator schneller ab, als bei einem kleineren. Aus diesem Grund wird die Länge des Zeit intervalls Δt, über das gemittelt wird, über eine Kennlinie von _Abgas variiert, um so das Ansprechverhalten von T_Mittel dem jeweiligen Betriebszustand besser anpassen können.

Für die Berechnung der Temperatur T_Mittel muß somit eine bestimmte Anzahl Zeit schritte reserviert werden.

Für die Aufnahmefrequenz f ergibt sich

f = n/Δt

wobei
n = Anzahl der Zeitschritte [-]
Δt = Gesamtaufnahmelänge des Mittelwertes [s]
bedeuten.

Es ist auch möglich, eine feste Frequenz vorzugeben und dafür die Anzahl der einzel nen Zeitschritte zu variieren.

Ermittlung der Einflußgröße Abgasmenge (z. B. Abgasvolumenstrom)

Der theoretische Luftvolumenstrom wird z. B. aus dem Hubraum des Verbrennungsmo tors, der Drehzahl n und dem Saugrohrdruck pLL bestimmt, über den maschinen spezifischen Liefergrad korrigiert und mit der Kraftstoffmasse, die sich aus der Drehzahl n und Qe ergibt, zum Abgasvolumenstrom zu Saugbedingungen verknüpft.

Für die Auftragung im ε-Kennfeld kann _Abgas,Saug noch auf die Betriebstempera tur, ermittelt aus T_Ein korrigiert werden.

Ermittlung der Einflußgröße NO_x Konzentration

Die Eingangskonzentration an NO_x kann entweder nach Anspruch 1 aus maschinen spezifischen Daten z. B. mittels Kennfeldern oder, nach Anspruch 2 durch NO_x-Sen soren ermittelt werden.

Im hochdynamischen Betrieb der Brennkraftmaschine treten kurzzeitig NO_x-Konzen trationsspitzen bzw. -senken auf die deutlich von den im stationären Maschinenbetrieb ermittelten Konzentrationen abweichen, vgl. Fig. 7. Durch eine Kennlinie über die Laständerungsgeschwindigkeit wird dieses Verhalten im hochdynamischen Betrieb mitberücksichtigt, siehe Anspruch 6.

Nachfolgend noch einige zusammenfassende Anmerkungen:

- Der Vorteil gegenüber bekannten Auslegungen liegt zum einen darin, daß nur ein durchgehender Strang zur Steuerung verwendet wird. Das verspricht ein einfache res Handling in der Applikation, da Reaktionen auf Änderungen sicher einzelnen Kennfeldern bzw. Berechnungsfaktoren zugewiesen werden können. Außerdem wird durch die Verwendung der Einflußfaktoren Temperatur, Eingangskonzentrati on, Volumenstrom sowie gegebenenfalls der Reduktionsmittelkonzentration und deren Aufteilung in mindestens zwei Kennfelder eine größtmögliche Transparenz erreicht.
- Durch die Verwendung der NO_x-Konzentrationen können NO_x-Sensoren leicht in die Dosierstrategie eingebaut werden (Ersetzen des Kennfeldes c_NO durch die Sensordaten). Außerdem ist es möglich durch Anbringen eines NO_x-Sensors hinter dem Kat eine Regelung zu realisieren, siehe Anspruch 4.
- Bei plötzlichen Lastwechseln treten NO_x-Konzentrationsspitzen bzw. -senken auf, die stationär nicht ermittelt werden können. Für solch hochdynamische Zustands änderungen kann eine zusätzliche Korrektur vorgesehen werden, die über die La ständerungsgeschwindigkeit Einfluß auf die Dosiersteuerung nimmt, sprich C_NO nach oben oder unten korrigiert, siehe Anspruch 6.
- Es findet eine dynamische Korrektur über die fiktive Arbeitstemperatur T_A statt,
- Bei der Berechnung von _Abgas sowie bei der Umrechnung der Konzentration von [ppm] in [mol/m³] wird eine Lufttemperatur zu Saugbedingungen geschätzt. Hier kann eine Temperaturmeßstelle eine Erhöhung der Genauigkeit bringen, siehe An spruch 7.
- Man kann eine Dichtekorrektur für die Harnstoff-Wasser-Lösung vorsehen, um ei nen Dosierfehler aufgrund von Dichteunterschieden zu minimieren, siehe Anspruch 8.

In den Fig. 2 bis 5 sind vier verschiedene Schemata jeweils einer Dosierstrategie, wie sie vorstehend beschrieben ist, nach Art eines Flußdiagrammes aufgezeigt.

Dabei zeigt Fig. 1 schematisch eine Brennkraftmaschine, und eine Abgasnachbehand lungseinrichtung auf; mit der beispielhaft das erfindungsgemäße Dosierverfahren erläutert wird.

Fig. 2 zeigt eine Dosierstrategie einer Harnstoffdosierung mit einer dynamischen Kor rektur über die fiktive Arbeitstemperatur.

Fig. 3 zeigt eine Dosierstrategie einer Reduktionsmitteldosierung mit hochdynamischer Korrektur der Reduktionsmittelmenge auf.

Fig. 4 zeigt eine Dosierstrategie einer Reduktionsmitteldosierung mit NO_x-Sensor auf.

Fig. 5 zeigt eine Dosierstrategie einer Reduktionsmitteldosierung mit Regelung durch mehrere NO_x-Sensoren auf.

Fig. 6 zeigt den Vergleich VollKatalysator-BeschichtungsKatalysator, ausgedrückt durch die unterschiedlichen Wandstärken.

Fig. 7 zeigt das Auftreten einer NO_x-Spitze bei einem plötzlichen Lastwechsel.

Fig. 8 zeigt das Wandern einer Kaltfront durch den Katalysator.

Dabei sind in Fig. 1 eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit 1 und der zugehörige Abgasturbolader mit 2 bezeichnet. Durch den Verdichter 3 des Abgasturboladers 2 wird Ladeluft in eine Ladeluftleitung 4 der Brennkraftmaschine 1 gefördert. Die Tur bine 5 des Abgasturboladers 2 wird aus einem Abgasstrang 6, an dem die einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine 1 angeschlossen sind, mit Abgas zu Antriebszwecken versorgt. Vom Ausgang der Abgasturbine 5 gelangt das Abgas über eine Abgasleitung 7 zu einem in diese eingebauten Katalysator 8 und strömt gereinigt von letzterem über eine Auslaßleitung 9 ab. Mit 10 ist ein Vorratsbehälter für flüssiges Reduktionsmittel, mit 11 ist eine Dosiereinrichtung, die dieses Reduktionsmittel über eine Zuleitung 12 und eine abgasleitungsinterne Düse 13 in den Abgasstrom vor dem Katalysator 8 ein dosiert, und mit 14 ist eine Regel- und Steuereinrichtung bezeichnet, die die Dosier einrichtung 11 steuert. Die Regel- und Steuereinrichtung 14 enthält als zentrale Re geleinheit einen Mikroprozessor, der über ein Datenbussystem mit einer Ein- und Aus gabeperipherie sowie Kennfeld- bzw. Datenspeichern und Programmspeichern ver knüpft ist. Im Programmspeicher sind softwaremäßig die Regelphilosophie und die Regelalgorithmen für die Steuerung der Dosiereinrichtung im Sinne des erfindungsge mäßen Verfahrens abgelegt. In den Kennfeld- bzw. Datenspeichern sind die Referenz- und Sollwerte abgelegt, nach denen die Steuerung der Dosiereinrichtung im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt. Mit 15 ist ein Temperatursensor bezeichnet, der die Abgastemperatur vor dem Eintritt in den Katalysator 8 erfaßt. Mit 16 ist ein Temperatursensor bezeichnet, der die Abgastemperatur am Katalysatoraustritt mißt. Mit 17 ist ein Sensor- bzw. Meßorgan bezeichnet, mit dem die NO_x-Konzentration im Abgas nach dem Katalysator oder ein dafür repräsentativer Bestandteil erfaßt wird. Mit 18 ist ein Temperatursensor bezeichnet, der die Temperatur des bevorrateten Redukti onsmittels erfaßt und so einen Rückschluß auf die aktuelle Dichte des Reduktionsmit tels ermöglicht. Mit 19 ist ein Sensor bzw. eine Meßeinrichtung bezeichnet, der bzw. die die Durchfluß- bzw. Dosiermenge (Istwert) der in das Abgas eindosierten Reduk tionsmittelmenge erfaßt. Mit 20 ist ein die aktuelle Ansaugluft- bzw. Ladelufttempera tur erfassender Temperatursensor bezeichnet. Die Meßwerte der Sensoren 15, 16, 17, 18, 19, 20 und weiterer für den Maschinenbetrieb maßgeblicher, bzw. Rückschlüsse darauf zulassender Sensoren, werden der Regel- und Steuereinreichtung 14 über deren Eingangsperipherie zugeführt und dann intern ver- bzw. ausgewertet. Die errechneten Steuerbefehle werden über die Ausgangsperipherie und eine entsprechende Steuerlei tung 21 an die Dosiereinrichtung 11 gegeben, die diese in eine entsprechend in das Abgas einzudosierende Reduktionsmittelrate umsetzt.

Nach Anspruch 2 wird die NO_x-Konzentration nicht mit Hilfe der Referenz-Brenn kraftmaschine bestimmt, sondern mit einem vor dem Katalysator 8 und vor der Düse 13 angeordneten Sensor 22. Die Referenz-Brennkraftmaschine dient nur noch der Be stinimung der Abgasmenge.

Die einzelnen Schritte der Dosierstrategien hierzu sind aus den Schaubildern der Fig. 2 bis 5 nachvollziehbar.

In Fig. 6 ist ein Vergleich des für die NO_x-Reduzierung verwendeten Katalysators mit einem Voll-Katalysator dargestellt, wie er in Kraftwerken verwendet wird. Der Voll- Katalysator ist wegen seiner Wärmeträgheit für dynamische Vorgänge nicht anwend bar.

Fig. 7 zeigt das Auftreten einer NO_x-Spitze bei Lastwechsel.

In Fig. 8 ist das Wandern einer Kaltfront durch den Katalysator dargestellt.

Claims

1. Verfahren zur Dosierung eines Reduktionsmittels, insbesondere Harnstoff bzw. wäßrige Harnstofflösung, in stickoxidhaltiges Abgas einer Brennkraftmaschine räumlich in die Abgasleitung vor einem Katalysatorsystem mit wenigstens NO_x-Reduktionsaktivität, geringer Wärmekapazität und geringer Speicher fähigkeit für Reduktionsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß die in Verbindung mit einer Referenz-Brennkraftmaschine ermittelten maschinenspezifischen Werte für die NO_x-Konzentration und Abgasmenge sowie wenigstens noch die während des Brennkraftmaschinenbetriebes aktuell sensierte Temperatur des Abgases und gegebenenfalls noch die Reduktionsmittelkonzentration als Regelparameter für die Reduktionsmittel-Dosierung herangezogen werden und aus diesen Parametern eine Reduktionsmittelrate errechnet wird, und daß diese solchermaßen errechnete Reduktionsmittelrate in Abhängigkeit von erfaßten Lastzustandsänderungen der Brennkraftmaschine einer dynamischen bzw. hochdynamischen Korrektur unterzogen und eine entsprechend angepaßte Reduktionsmittelmenge dem Abgasstrom zugeführt wird.

2. Verfahren zur Dosierung eines Reduktionsmittels, insbesondere Harnstoff bzw. wäßrige Harnstofflösung, in stickoxidhaltiges Abgas einer Brennkraftmaschine räumlich in die Abgasleitung vor einem Katalysatorsystem mit wenigstens NO_x-Reduktionsaktivität, geringer Wärmekapazität und geringer Speicher fähigkeit für Reduktionsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß in Verbindung mit einer Referenz-Brennkraftmaschine maschinenspezifische Werte für die Abgasmenge ermittelt werden, daß die NO_x-Konzentration während des Betriebes der Brennkraftmaschine aus Daten ermittelt wird, die von einem im Abgasstrom vor dem Katalysator angeordneten Sensor 22 erfaßt werden, sowie wenigstens noch die während des Brennkraftmaschinenbetriebes aktuell sensierte Temperatur des Abgases und gegebenenfalls noch die Reduktions mittelkonzentration als Regelparameter für die Reduktionsmittel-Dosierung herangezogen werden und aus diesen Parametern eine Reduktionsmittelrate errechnet wird, und daß diese solchermaßen errechnete Reduktionsmittelrate in Abhängigkeit von erfaßten Lastzustandsänderungen der Brennkraftmaschine einer dynamischen bzw. hochdynamischen Korrektur unterzogen und eine ent sprechend angepaßte Reduktionsmitteimenge dem Abgasstrom zugefahrt wird.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei dynamischer Korrektur der Reduktionsmittelrate zusätzlich zur sensorisch erfaßten Temperatur des Abgases auch die für einen bestimmten, ggf. variablen Zeitraum vor dem Meßzeitpunkt vorherrschende Abgastemperatur am Katalysatoreintritt berücksichtigt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu Kontroll- und Regelzwecken eine Messung der NO_x-Konzentration im Abgas auch stromab des Katalysators erfolgt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen errechneter und dem Abgas zugeführter Reduktionsmittelmenge ein Soll-Ist-Vergleich durchgeführt wird, wobei der Istwert der Reduktionsmittel zufuhrmenge mittels eines an geeigneter Stelle angeordneten Sensors oder Meßorganes festgestellt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei hochdynamischer Korrektur der Reduktionsmittelrate die Geschwindigkeit der Lastzustandsänderung der Brennkraftmaschine erfaßt und berücksichtigt wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Indikator dafür, ob die tatsächliche aktuelle Abgasmenge mit den gespeicherten Referenzwerten der Abgasmenge übereinstimmt, die aktuelle Temperatur der Ansaugluft während des Brennkraftmaschinenbetriebes mittels eines Sen sors 20 erfaßt und mit vorgegebenen Referenzwerten verglichen sowie - falls erforderlich - regelungstechnisch für eine Korrektur der ins Abgas einzudosierenden Reduktionsmittelrate berücksichtigt wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte des bevorrateten flüssigen Reduktionsmittels sensormäßig erfaßt, mit vorgegebenen Referenzwerten verglichen und abhängig vom Ergebnis dieses Soll-Istwert-Vergleiches eine etwaige notwendige Korrektur der ins Abgas einzudosierenden Reduktionsmittelmenge vorgenommen wird.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine sich aus der Betriebsdauer der Brennkraftmaschine und des Katalysators ableitende Alterung und damit einhergehende Aktivitätsminderung des Katalysators regelungstechnisch durch eine entsprechende Änderung der ins Abgas einzudosierenden Reduktionsmittelrate berücksichtigt wird.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelte Reduktionsaktivität eines Referenz-Katalysators bei unterschiedlicher Reduktionsmittelkonzentration zur Optimierung der Reduktionsmittel dosierung herangezogen wird.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, gekennzeichnet durch dessen An wendung in Verbindung mit einer dynamisch oder hochdynamisch betriebenen Brennkraftmaschine, die in stationären Anlagen oder Fahrzeugen, Kraftfahr zeugen, Nutzfahrzeugen, insbesondere Lastkraftwagen jeglicher Bau- und Einsatzart und Omnibussen, als Antriebsquelle eingebaut ist.