DE10347134A1 - Diesel exhaust aftertreatment systems - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Regelung einer Temperatur eines erhitzten Elements eines Reduktantzuführsystems für eine stromab von einem Innenverbrennungsmotor angeordnete Abgasnachbehandlungsvorrichtung für Magermotoren vorgestellt. Das Verfahren lehrt das Erreichen einer gewünschten Temperatur eines Heizelements durch Auswählen eines Steuersignals an das Heizelement aus einem vorbestimmten Temperaturkennfeld aufgrund von Motorbetriebsbedingungen, wie z. B. Abgastemperatur, Motordrehzahl, Motorlast usw. Demzufolge werden die Lebensdauer des Heizelements und sein Stromverbrauch beispielsweise verbessert durch Regelung seiner Temperatur zur Verhinderung von Überhitzen und durch die zur Verfügung stehende Möglichkeit, das Heizelement abzuschalten, wenn die Abgastemperaturen ausreichend hoch sind.A method for controlling a temperature of a heated element of a reductant supply system for an exhaust gas aftertreatment device for lean burn engines arranged downstream of an internal combustion engine is presented. The method teaches reaching a desired temperature of a heating element by selecting a control signal to the heating element from a predetermined temperature map based on engine operating conditions, such as. Exhaust gas temperature, engine speed, engine load, etc. Accordingly, the life of the heating element and its power consumption are improved, for example, by controlling its temperature to prevent overheating and by the ability to turn off the heating element when the exhaust gas temperatures are sufficiently high.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zur Verbesserung der Leistung einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung und insbesondere auf die Verwendung eines luftgestützten beheizten Reduktantzuführsystems, um die Systemleistung zu verbessern und den Kraftstoffverbrauchsnachteil zu mindern.The present invention relates refer to a system and method to improve performance an exhaust gas aftertreatment device and in particular on its use an airborne heated reductant delivery system, to improve system performance and fuel economy disadvantage reduce.
Die aktuellen Abgasvorschriften erfordern die Verwendung von Katalysatoren in den Abgassystemen von Kraftfahrzeugen, um Kohlenmonoxide (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickoxide (NOx), die während des Motorbetriebes entstehen, in nicht vorschriftswidrige Abgase umzuwandeln. Mit Diesel- oder Magerbenzinmotoren ausgerüstete Fahrzeuge bieten den Vorteil verbesserten Kraftstoffverbrauchsverhaltens. Solche Fahrzeuge müssen mit Abgasnachbehandlungssystemen für Magermotoren, wie z.B. Active Lean NOx-Katalysatoren (ALNC), ausgerüstet werden, die auch in einer sauerstoffreichen Umgebung kontinuierlich NOx-Emissionen zu reduzieren vermögen. Um die NOxReduzierung in dem ALNC zu maximieren, muß dem in die Vorrichtung eintretenden Abgas ein kohlenwasserstoffbasiertes Reduktant, wie z.B. Kraftstoff (HC), hinzugefügt werden. Das Einleiten von Kraftstoff als Reduktant Kraftstoff verschlechtert jedoch die Gesamtkraftstoffökonomie des Fahrzeuges. Um hohe Werte der NOx Umwandlung im ALNC zu erreichen und gleichzeitig den Kraftstoffverbrauchsnachteil zu minimieren, ist es wichtig, die Verwendung von eingespritztem Reduktant zu optimieren.Current exhaust gas regulations require the use of catalysts in the exhaust systems of motor vehicles in order to convert carbon monoxides (CO), hydrocarbons (HC) and nitrogen oxides (NOx), which are generated during engine operation, into non-compliant exhaust gases. Vehicles equipped with diesel or lean gasoline engines offer the advantage of improved fuel consumption behavior. Such vehicles must be equipped with exhaust gas aftertreatment systems for lean-burn engines, such as Active Lean NO x catalysts (ALNC), which can continuously reduce NO x emissions even in an oxygen-rich environment. To maximize NO x reduction in the ALNC, a hydrocarbon based reductant, such as fuel (HC), must be added to the exhaust gas entering the device. However, the introduction of fuel as a reductant fuel worsens the overall fuel economy of the vehicle. In order to achieve high levels of NO x conversion in the ALNC and at the same time to minimize the fuel consumption disadvantage, it is important to optimize the use of injected reductant.
In dieser Hinsicht ist an sich bekannt, daß verbesserte NOx-Umwandlung dadurch erreicht werden kann, daß das Reduktant in Dampf- statt in flüssiger Form eingeleitet wird. Die Einleitung des Reduktants in Dampfform ermöglicht eine bessere Verteilung und Vermischung des Reduktants mit dem in die NOx-Reduktionsvorrichtung eintretenden Abgas.In this regard, it is known per se that improved NO x conversion can be achieved by introducing the reductant in vapor rather than liquid form. The introduction of the reductant in vapor form enables a better distribution and mixing of the reductant with the exhaust gas entering the NO x reduction device.
Ein solches System wird im US-Patent 5.771.689 beschrieben, bei dem ein Reduktant in das Abgassystem über eine Verdampfervorrichtung eingeführt wird, welche einen Hohlkörper mit einem sich in sein Inneres erstreckenden Heizelement aufweist. Die Verdampfervorrichtung erstreckt sich in die Wand des Auspuffrohrs stromauf vom Katalysator. Das Reduktant wird in der Weise eingeführt, daß es durch den engen Raum zwischen dem Hohlkörper und dem Heizelement solange fließt, bis es die Spitze des Heizelements erreicht, von wo aus es in Dampfform in das Auspuffrohr eintritt und sich mit dem in den Katalysator eintretenden Abgas vermischt.Such a system is described in the US patent 5,771,689, in which a reductant enters the exhaust system via a Evaporator device introduced which is a hollow body with a heating element extending into its interior. The evaporator device extends into the wall of the exhaust pipe upstream of the catalyst. The reductant is introduced in such a way that it the narrow space between the hollow body and the heating element flows, until it reaches the top of the heating element, from where it is in vapor form enters the exhaust pipe and gets into the catalytic converter entering exhaust gas mixed.
Die Erfinder erkannten mehrere Nachteile dieser Vorgehensweise. Wenn nämlich die Zuführung von Reduktant abgeschaltet oder gemindert wurde, wie dies durch die Betriebsbedingungen erzwungen wird, kann etwas Reduktant in dem ringförmigen Raum in Kontakt mit dem Heizelement verbleiben und demzufolge die ringförmige Öffnung um die Heizvorrichtung durch Verkohlung des Restkraftstoffs verstopfen. Ein solcher Kohlenstoffaufbau kann zum Blockieren des Durchgangs an der Spitze führen, über die der verdampfte Kraftstoff in den Abgasstrom eintritt. Des weiteren kommt es bei der Einführung des Reduktants in den Abgasstrom zu einer Verzögerung aufgrund der Zeit, die das Reduktant benötigt, um sich über die Länge des Heizelements zu bewegen. Darüber hinaus wird die Lebensdauer des Heizelements reduziert, weil seine Temperatur nicht aufgrund der Betriebsbedingungen geregelt und angepaßt wird und es zu Rußkontamination kommt. Ein weiterer Nachteil der Vorgehensweise nach dem Stand der Technik ist, daß aufgrund des oben erwähnten Fehlens einer Temperaturregelung zusätzlicher Strom verbraucht wird.The inventors recognized several disadvantages this approach. If namely the feeder was turned off or reduced by reductant, as by operating conditions can force some reductant in the ring-shaped Space remain in contact with the heating element and consequently around the annular opening block the heater by charring the remaining fuel. Such carbon buildup can block the passage lead at the top over the the vaporized fuel enters the exhaust stream. Furthermore it comes with the introduction of the reductant in the exhaust gas flow due to a delay due to the time the reductant needs to get over the length to move the heating element. About that in addition, the life of the heating element is reduced because of its Temperature is not regulated and adjusted based on the operating conditions and soot contamination comes. Another disadvantage of the state of the art Technology is that due of the above In the absence of temperature control, additional electricity is consumed.
Die vorliegende Erfindung lehrt ein System und ein Verfahren für das Einleiten von verdampftem Reduktant in einen Abgasstrom, der in eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung für Magermotoren eintritt und die die oben erwähnten Nachteile der Vorgehensweisen nach dem Stand der Technik beseitigen.The present invention teaches System and procedure for introducing vaporized reductant into an exhaust gas stream enters an exhaust gas aftertreatment device for lean-burn engines and the those mentioned above Eliminate disadvantages of the prior art procedures.
Erfindungsgemäß umfaßt ein Reduktantzuführsystem: eine mindestens ein Heizelement aufweisende Verdampfereinheit, eine Mischvorrichtung, welche mindestens einen Einlaß und mindestens einen Auslaß aufweist, wobei der genannte Auslaß mit der genannten Verdampfereinheit verbunden ist, und ein Steuergerät für das Einleiten von Reduktant und Luft in die genannte Mischvorrichtung durch die genannte Einlaßöffnung, das Einspritzen einer Mischung des genannten Reduktants und der genannten Luft durch den genannten Auslaß in die genannte Verdampfereinheit, wobei das genannte Steuergerät eine Temperatur der genannten Heizvorrichtung für die Verdampfung der genannten Mischung anpaßt.According to the invention, a reductant supply system comprises: an evaporator unit having at least one heating element, a Mixing device which has at least one inlet and at least one outlet, said outlet with the evaporator unit is connected, and a control unit for the introduction of reductant and air into the said mixing device through the named inlet opening, injecting a mixture of said reductant and said air through said outlet into said evaporator unit, said control device a temperature of said heater for the evaporation of said Adapts mixture.
Nach einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren für den Betrieb eines Reduktantzuführsystems für eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung, wobei das System mindestens ein Heizelement aufweist, folgendes: Betreiben in einem ersten Modus, bei dem eine Reduktant- und Luftmischung in das Reduktantzuführsystem eingespritzt und das Heizelement eingeschaltet wird, und Betreiben in einem zweiten Modus, bei dem die genannte Reduktant- und Luftmischung in das Reduktantzuführsystem eingespritzt und das Heizelement abgeschaltet wird.According to another feature of the present Invention includes a procedure for the operation of a reductant delivery system for one Exhaust aftertreatment device, wherein the system at least one Heating element has the following: operating in a first mode, where a reductant and air mixture into the reductant supply system injected and the heating element is turned on, and operating in a second mode, in which the said reductant and air mixture into the reductant delivery system injected and the heating element is switched off.
Die vorliegende Erfindung bietet eine Reihe von Vorteilen. Insbesondere verbessert die Schaffung einer Mischung von Reduktant und Luft den Wirkungsgrad der Abgasnachbehandlungsvorrichtung aufgrund der verbesserten Vermischung des Reduktants mit dem Hauptabgasstrom und verbesserter Katalysatorwirkung im Vergleich zur Nutzung von Reduktant in der flüssigen Phase. Zusätzlich bricht die Vermischung von Reduktant und Luft den Reduktant in kleine Partikel auf, was zu einem entsprechend schnelleren Verdampfungsprozeß führt. Des weiteren verhin dert das Einspritzen von Luft in die Verdampfereinheit Lack- und Rußablagerungen auf der Oberfläche des Heizelements. Des weiteren erkannten die Erfinder, daß die dynamische Regelung der Temperatur des Heizelements, um von der durch die Abgase gelieferten Hitze zu profitieren, ein Überhitzen verhindert, die Lebensdauer des Heizelementes verbessert und den Stromverbrauch reduziert.The present invention offers a number of advantages. In particular, the creation improves ner mixture of reductant and air the efficiency of the exhaust gas aftertreatment device due to the improved mixing of the reductant with the main exhaust gas stream and improved catalyst effect compared to the use of reductant in the liquid phase. In addition, the mixing of reductant and air breaks the reductant into small particles, which leads to a correspondingly faster evaporation process. Furthermore, the injection of air into the evaporator unit prevents paint and soot deposits on the surface of the heating element. Furthermore, the inventors recognized that dynamically regulating the temperature of the heating element to benefit from the heat provided by the exhaust gases prevents overheating, improves the life of the heating element, and reduces power consumption.
Ein noch weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die Temperatur des Heizelementes so geregelt werden kann, daß die eingespritzte Reduktant- und Luftmischung entzündet und damit Kohlenmonoxid (CO) produziert wird, was die NOx-Reduktion im ALNC weiter verbessert.A still further advantage of the present invention is that the temperature of the heating element can be controlled so that the injected reductant and air mixture ignites and thus carbon monoxide (CO) is produced, which further improves the NO x reduction in the ALNC.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die CO-Erzeugung (und damit entsprechend der NOx-Umwandlungswirkungsgrad) dadurch verbessert wird, daß ein Oxidationskatalysator in den Weg der Reduktant- und Luftmischung vor deren Vermischung mit den Abgasen plaziert wird.Another advantage of the present invention is that the CO production (and thus the NO x conversion efficiency) is improved by placing an oxidation catalyst in the way of the reductant and air mixture before it is mixed with the exhaust gases.
Weitere erfindungswesentliche Merkmale gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der mit Bezug auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele erläutert werden. In den Zeichnungen zeigen:Further features essential to the invention emerge from the description below, in which with reference on the drawings embodiments explained become. The drawings show:
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispieledescription preferred embodiments
Ein Innenverbrennungsmotor
Das Steuergerät
Ein Abgasreinigungssystem
Unter Bezugnahme auf
Unter Bezugnahme auf
Ein Reduktantzuführsystem
Das Diagramm der
Bei noch einem weiteren alternativen
Ausführungsbeispiel
kann eine oxidierende katalytische Beschichtung zu der Verdampfereinheit
hinzugefügt
werden, wie z.B. eine Beschichtung auf der inneren Oberfläche des
Heizelementgehäuses
und eine katalytische Kappe an dem Punkt, an dem die verdampfte
Reduktant- und Luftmischung in den Auspuffkrümmer eintritt, um die CO-Erzeugung
zu erleichtern. Die katalytische Beschichtung kann eine Beschichtung
aus Edelmetall sein, vorzugsweise eine Platin oder Palladium enthaltende Beschichtung.
Das Steuergerät
Bei einem (nicht gezeigten) alternativen
Ausführungsbeispiel
können
sowohl Luft als auch Reduktant durch einen einzelnen Einlaß eingespritzt
werden. Das Reduktant kann der Mischeinheit
Demzufolge werden erfindungsgemäß ein verbessertes Reduktantzuführsystem und ein verbessertes Verfahren vorgestellt. Das Vermischen von Reduktant mit Luft bewirkt, daß das Reduktant innerhalb des Reduktantzuführsystems gut verteilt wird, und damit wird der Verdampfungsprozeß beschleunigt. Des weiteren wird die Lebensdauer des Systems durch die Minderung von Lack- und Rußablagerungen aufgrund besserer Verteilung des Reduktants und eines schnelleren Verdampfungsprozesses verbessert. Die Systemleistung wird durch die Hinzugabe einer oxidierenden katalytischen Beschichtung weiter verbessert.Accordingly, according to the invention, an improved one Reduktantzuführsystem and presented an improved process. Mixing reductant with air causes that Reductant is well distributed within the reductant delivery system, and thus the evaporation process is accelerated. Furthermore, the lifespan of the system by reducing paint and soot deposits due to better distribution of the reductant and faster Evaporation process improved. The system performance is determined by the addition of an oxidizing catalytic coating further improved.
Wie für den Fachmann leicht erkennbar
ist, können
die nachstehend anhand der
Unter Bezugnahme auf
Durch den Aufbau eines Kennfeldes der Heizelementtemperatur aufgrund von Betriebsbedingungen, wie z.B. der Abgastemperatur, oder eines beliebigen Parame ters, von dem bekannt ist, daß er die Temperatur des Heizelements beeinflußt, ist es dementsprechend möglich, die Temperatur des Heizelements dynamisch zu regeln, um eine optimale Abgabe von Reduktant- und Luftmischung zu erreichen und gleichzeitig den Stromverbrauch zu minimieren sowie eine Überhitzung des Heizelements zu verhindern. Mit anderen Worten ist es möglich, die Hitze, die von dem durch das Reduktantzuführsystem strömenden Abgas geliefert wird, zu nutzen, wenn die Temperatur des Heizelements geregelt wird. Beispielsweise führt eine höhere Abgastemperatur zu geringem Strombedarf, während eine niedrigere Abgastemperatur zu höherem Strombedarf führt. Es ist auch möglich, die Stromzufuhr vollständig abzustellen, wenn die Abgastemperatur hoch genug ist, um das Heizelement bei der gewünschten Temperatur zu halten, wie z.B. in einem Zustand mit hoher Motorlast.By building a map the heating element temperature due to operating conditions such as e.g. the exhaust gas temperature, or any parameter, of who knows that he affects the temperature of the heating element, it is accordingly possible, to regulate the temperature of the heating element dynamically in order to achieve an optimal one Delivery of reductant and air mixture to achieve and at the same time minimize power consumption and overheat the heating element to prevent. In other words, it is possible to get the heat from that through the reductant delivery system flowing Exhaust gas is delivered to use when the temperature of the heating element is regulated. For example, leads a higher one Exhaust gas temperature to low power consumption, while a lower exhaust gas temperature to higher Electricity demand leads. It is also possible, the power supply is complete turn off when the exhaust gas temperature is high enough to the heating element at the one you want Maintain temperature, e.g. in a state with high engine load.
Unter Bezugnahme auf
Die Routine geht dann weiter zum
Schritt 800, wo die momentane Veränderung der Gaspedalstellung wie
folgt berechnet wird: worin
Ts die Samplingrate ist und pps(t) die Gaspedalstellung
beim Zeitpunkt t angibt. Als nächstes
wird im Schritt 900 ein Tiefpaßfilter
angewandt, um Störeinflüsse zu dämpfen: worin kf die
Rate der Filterung regelt. Die Routine geht dann weiter zum Schritt
1000, wo die Reduktantmenge weiter modifiziert wird, um transientes
Motorverhalten zu berücksichtigen,
wie dies durch die Veränderungen bei
der Gaspedalstellung dargestellt wurde: worin
die Funktion f5 gebildet wird, um ein verstärktes Einspritzen
von Reduktant während
des Niedertretens des Gaspedals und ein vermindertes Einspritzen
von Reduktant während
des Loslassens des Gaspedals zu erlauben. Bei diesem alternativen
Ausführungsbeispiel
können
anstelle der Gaspedalstellung die Motordrehzahl oder der Kraftstoffbedarfssensor
oder jeder andere Parameter, von dem der Fachmann weiß, daß er geeignet
ist, eine Messung des transienten Motorverhaltens zu liefern, verwendet
werden, um RAinj_3 zu erhalten. Als nächstes wird
im Schritt 1100 die gewünschte
Temperatur des Heizelements wie unter besonderer Bezugnahme auf
Demzufolge sollte erfindungsgemäß für die Erreichung eines verbesserten Wirkungsgrades der Abgasnachbehandlungsvorrichtung die einzuspritzende Reduktantmenge angepaßt werden, um Erhöhungen oder Minderungen der Menge an NOx in dem in die Vorrichtung eintretenden Abgas zu berücksichtigen. Dies kann durch kontinuierliches Überwachen der Motorparameter, die es ermöglichen, eine Messung des transienten Motorverhaltens, wie z.B. ein Gaspedalstellungssensor, zu liefern, und kontinuierliches Anpassen der einzuspritzenden Reduktantmenge als Funktion von gefilterten momentanen Änderungen bei diesen Parametern ergänzt werden. Da die NOx Produktion typischerweise beim Niedertreten des Gaspedals erhöht und beim Loslassen des Gaspedals gemindert wird, würde das Er gebnis eines solchen Betriebes in ersterem Fall die Erhöhung der Basiseinspritzmenge und in letzterem Fall die Verminderung der Basiseinspritzmenge sein. Des weiteren stellt die Verwendung einer Reduktantverdampfereinheit eine schnelle Systemreaktion, einen effizienteren Systembetrieb, bessere Abgasreinigung und verbessertes Kraftstoffverbrauchsverhalten sicher.Accordingly, the amount of reductant to be injected should be adapted to achieve an improved efficiency of the exhaust gas aftertreatment device in order to take into account increases or decreases in the amount of NO x in the exhaust gas entering the device. This can be supplemented by continuously monitoring the engine parameters, which make it possible to provide a measurement of the transient engine behavior, such as, for example, an accelerator pedal position sensor, and continuously adapting the amount of reductant to be injected as a function of filtered instantaneous changes in these parameters. Since NO x production is typically increased when the accelerator pedal is depressed and decreased when the accelerator pedal is released, the result of such an operation would be to increase the basic injection quantity in the former case and to decrease the basic injection quantity in the latter case. Furthermore, the use of a reductant evaporator unit ensures a quick system response, more efficient system operation, better exhaust gas cleaning and improved fuel consumption behavior.
Damit ist die Beschreibung der Erfindung abgeschlossen. Ihre Lektüre durch den Fachmann führt zur Entdeckung zahlreicher Änderungen und Modifizierungen, ohne Geist und Rahmen der Erfindung zu verlassen. Demzufolge ist beabsichtigt, daß der Rahmen der Erfindung durch die nachstehenden Patentansprüche definiert wird.This is the description of the invention completed. Your reading by the specialist to discover numerous changes and modifications without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, it is intended that the Framework of the invention defined by the following claims becomes.
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