DE10036942B4 - Method for determining the temperature distribution of a NOx catalyst - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Bestimmung der Temperaturverteilung eines Katalysators einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator in n Scheiben, n > 1, in seiner axialer Richtung aufgeteilt und die Temperatur jeder Scheibe als Funktion der Temperatur des die Scheibe anströmenden Abgases bestimmt wird, wobei die radiale Temperaturverteilung als konstant angenommen und eine adiabatische Wärmeübertragung zwischen dem Abgas und der Katalysatorscheibe n berechnet wird.Method for determining the temperature distribution of a catalytic converter of an internal combustion engine, characterized in that the catalyst is divided into n disks, n> 1, in its axial direction and the temperature of each disk is determined as a function of the temperature of the exhaust gas flowing in the disk, the radial temperature distribution is assumed to be constant and an adiabatic heat transfer between the exhaust gas and the catalyst disk n is calculated.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Temperaturverteilung eines Katalysators, insbesondere eines NOx-Speicherkatalysators sowie die Verwendung des Verfahrens zur Steuerung der Brennkraftmaschine. Anhand einer derartigen Temperaturverteilung kann in einem entsprechenden Verfahren der Betriebsmodus bei magerbetreibbaren Brennkraftmaschinen bestimmt werden.The The invention relates to a method for determining the temperature distribution a catalyst, in particular a NOx storage catalyst and the use of the method for controlling the internal combustion engine. On the basis of such a temperature distribution can in a corresponding Method of operating mode in lean-burn internal combustion engines be determined.
Heutige magerbetreibbare Brennkraftmaschinen, beispielsweise direkteinspritzende Brennkraftmaschinen, ob nun direkteinspritzende Otto- oder Dieselmotoren, erzeugen während des Magerbetriebs umweltschädigende Stickoxide NOx. Diese Stickoxide werden während des Magerbetriebs der Brennkraftmaschine in einem der Brennkraftmaschine nachgeschaltetem NOx-Speicherkatalysator gespeichert. Aufgrund der endlichen Aufnahmekapazität des NOx-Speicherkatalysator wird das gespeicherte NOx unter gleichzeitiger Reduktion zu Stickstoff N2 durch einen kurzzeitigen Fettbetrieb der Brennkraftmaschine freigesetzt. Um zur Verminderung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen den Betriebsmodus der Brennkraftmaschine so präzise wie möglich steuern zu können, sind möglichst genaue Kenntnisse der Zustände im Abgasreinigungssystem notwendig, beispielsweise um den Zeitpunkt des Beginns und des Endes der Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators bestimmen zu können.today lean-burn internal combustion engines, for example direct injection Internal combustion engines, whether direct injection petrol or diesel engines, generate during of lean operation polluting Nitrogen oxides NOx. These nitrogen oxides are during lean operation of the Internal combustion engine in one of the internal combustion engine downstream NOx storage catalyst stored. Due to the finite absorption capacity of the NOx storage catalyst becomes the stored NOx with simultaneous reduction to nitrogen N2 released by a brief rich operation of the internal combustion engine. To help reduce fuel consumption and emissions To be able to control the operating mode of the internal combustion engine as precisely as possible, are preferably exact knowledge of the conditions necessary in the exhaust gas purification system, for example at the time the beginning and the end of the regeneration of a NOx storage catalyst to be able to determine.
Daher können Kenntnisse über den Verlauf der Temperatur im Katalysator beitragen, den Betrieb einer Brennkraftmaschine genauer auf die Randbedingungen und Grenzen des Abgasreinigungssystems abzustimmen, wobei insbesondere zu nennen sind:
- – Anreicherung eines Ottomotors im oberen Teillast- und Vollastbereich zur Begrenzung der Katalysatortemperatur;
- – Änderung des Betriebsmodus bei magerlauffähigen Ottomotoren (Saugrohreinspritzer mit homogenem Magerbetrieb, Direkteinspritzer mit homogenem und geschichtetem Magerbetrieb) im Bereich der NOx-Thermo-Desorption von NOxSpeicherkatalysatoren (um 550°C, je nach NOx-Speicherkatalysatorsystem);
- – Ergreifen von abgas- und/oder katalysatortemperatursteigernden Maßnahmen bei Auskühlung des Katalysators nahe an die Anspringtemperatur;
- – Aussetzen von abgas- und/oder katalysatortemperatursteigernden Maßnahmen nach Auskühlung und nachfolgendem Erwärmen eines hinreichend großen Bereichs des Katalysators, und
- – Sicherstellen einer hinreichenden Erwärmung eines ausreichend großen Bereichs des Katalysators bei der Entschwefelung.
- - Enrichment of a gasoline engine in the upper part-load and full load range to limit the catalyst temperature;
- - Modification of the operating mode for lean-burn gasoline engines (homogeneous lean-burn intake manifold injectors, direct lean and homogeneous lean-burn engines) in the field of NOx thermal desorption of NOx storage catalytic converters (around 550 ° C, depending on the NOx storage catalyst system);
- - Taking measures of exhaust gas and / or catalyst temperature-increasing measures when cooling the catalyst close to the light-off temperature;
- - Exposure of exhaust gas and / or catalyst temperature-increasing measures after cooling and subsequent heating of a sufficiently large range of the catalyst, and
- - Ensure sufficient heating of a sufficiently large area of the catalyst during desulfurization.
Beim gegenwärtigen Stand der Technik kann die Katalysatortemperatur beispielsweise durch Messen der Abgastemperatur sowohl vor als auch hinter dem Katalysator ermittelt werden. Sie kann auch durch Messen der Abgastemperatur vor dem Katalysator und Errechnen einer homogenen Katalysatortemperatur, überwiegend durch Analyse des Wärmeübergangs zwischen Katalysator und Abgas, bestimmt werden. Mit der so bestimmten, mittleren Katalysatortemperatur sind jedoch Effekte, die im dynamischen Betrieb durch inhomogene Temperaturverteilung im Katalysator auftreten können, nicht zu erfassen. So kann beispielsweise durch eine mittlere, ermittelte NOx-Speicherkatalysatortemperatur nahe der NOx-Thermo-Desorptionsgrenze nicht erfaßt werden, ob bei sehr großen tatsächlichen Temperaturdifferenzen zwischen der vordersten und der hintersten Katalysatorzone bereits aus der vordersten Katalysatorzone NOx thermo-desorbiert wird und somit ein NOx-Durchbruch erfolgt. Um solche Effekte auszuschließen, weist die errechnete Katalysatortemperaturschwelle, bei der bei magerlauffähigen Brennkraftmaschinen zur Vermeidung von NOx-Durchbrüchen auf Lambda = 1 – Betrieb umgeschaltet wird, einen großen Sicherheitsabstand zur tatsächlichen Thermo-Desorptionsschwelle auf. Resultierend werden höhere Zeitanteile als erforderlich in einem verbrauchsungünstigeren Betriebsmodus gefahren. Sinngemäß kann durch eine Ermittlung des Temperaturverlaufs im NOx-Speicherkatalysator auch nach einer Vollastfahrt mit sehr hohen Katalysatortemperaturen eine hinreichend ausgedehnte Auskühlung unter die ThermoDesorptionsschwelle festgestellt werden, so daß zu einem möglichst frühen Zeitpunkt vom Betrieb mit Lambda = 1 auf Magerbetrieb umgeschaltet werden kann.At the current For example, in the art, the catalyst temperature may be by measuring the exhaust gas temperature both before and after the Catalyst can be determined. It can also be done by measuring the exhaust gas temperature before the catalyst and calculating a homogeneous catalyst temperature, predominantly by analysis of the heat transfer between the catalyst and the exhaust gas. With the so determined mean catalyst temperature, however, are effects that in the dynamic Operation by inhomogeneous temperature distribution in the catalyst occur can, not to be detected. Thus, for example, by a mean, determined NOx storage catalytic converter temperature near the NOx thermo-desorption limit can not be detected, whether at very large actual Temperature differences between the foremost and the rearmost Catalyst zone already from the foremost catalyst zone NOx thermo-desorbed and thus a NOx breakthrough takes place. To exclude such effects, points the calculated catalyst temperature threshold, in the case of lean-running internal combustion engines to avoid NOx breakthroughs to lambda = 1 operation is switched, a big one Safety distance to the actual Thermo-desorption threshold on. As a result, higher time shares driven as required in a more fuel-efficient operating mode. Meaningfully, through a determination of the temperature profile in the NOx storage catalytic converter even after a full load drive with very high catalyst temperatures a sufficiently prolonged cooling below the thermo-desorption threshold be determined so that too one possible early Time switched from operation with lambda = 1 to lean operation can be.
Vorteilhaft wäre somit die Kenntnis der über eine Berechnung bestimmten örtlichen Temperaturverteilung im Katalysator, um idealerweise jedem infinitesimal kleinen Katalysatorelement eine Temperatur und resultierend – gegebenenfalls in Kombination mit weiteren Eingangsgrößen spezifische Konvertierungs- und Speichereigenschaften zuordnen zu können. Aus der Summe der Eigenschaften jedes einzelnen Katalysatorelementes ergibt sich eine Verhaltensprognose des Gesamtkatalysators, die gegenüber der Betrachtung des Katalysators als einem Element deutlich präziser das reale Verhalten des Katalysators widerspiegelt. Zeitpunkt und Umfang von Eingriffen in den Betriebsmodus der Brennkraftmaschine richten sich dann besser nach dem realen Verhalten des Abgasreinigungssystems, da die Eingriffsschwellen näher an die kritischen Größen des Katalysators herangeführt werden können.Thus, it would be advantageous to know the local temperature distribution in the catalyst determined by means of a calculation, in order to be able to assign a temperature to each infinitesimal small catalyst element and, if appropriate, to be able to assign specific conversion and storage properties in combination with other input variables. From the sum of the properties of each individual catalyst element results in a behavioral prediction of the total catalyst, which compared to the consideration of the catalyst as an element much more precisely reflects the real behavior of the catalyst. The timing and extent of interventions in the operating mode of the internal combustion engine then depend better on the real behavior of the exhaust gas cleaning system, since the intervention thresholds closer to the critical sizes of Catalyst can be introduced.
Seitens der Fahrzeug- und Katalysatorhersteller sind in der Vergangenheit mehrere Programme zur Berechnung der Katalysatortemperatur und des Konvertierungsverhaltens entwickelt worden. Die dabei verwendeten, sehr genau abbildenden Berechnungsalgorithmen sind jedoch wegen ihrer Struktur und ihres Umfangs nicht für die Einbindung in Motor-Steuergeräte geeignet, da der Softwareumfang, die Hardwareanforderungen, Art und Umfang der erforderlichen Eingangsgrößen und die Rechenzeiten deutlich über den Möglichkeiten gegenwärtiger und in naher Zukunft zu erwartender Steuergeräte liegen.by The vehicle and catalyst manufacturers are in the past several programs for calculating the catalyst temperature and the Conversion behavior has been developed. The ones used, However, very accurate mapping algorithms are because of their structure and scope are not suitable for integration in engine control units, because the software scope, the hardware requirements, type and scope the required input quantities and the computation times significantly over the possibilities current and in the near future expected ECUs are.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Berechnung der Temperaturverteilung zu schaffen, das bei wesentlich geringerem Umfang und unter Inkaufnahme einer gewissen Ungenauigkeit Aussagen über die örtliche Temperaturverteilung im Katalysator ermöglicht. Ferner wird ein Verfahren zur Steuerung eines Speicherkatalysators unter Verwendung dieses Berechnungsverfahrens angegeben.Of the The invention is therefore based on the object, a method for calculation the temperature distribution to create, at much lower Extent and at the expense of some inaccuracy statements about the local Temperature distribution in the catalyst allows. Further, a method for controlling a storage catalyst using this Calculation method specified.
Die Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 und der Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 15 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.The The object is achieved by the method according to claim 1 and the use the method of claim 15 solved. Preferred embodiments The invention are the subject of the dependent claims.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Berechnung der Temperaturverteilung wird zur Vereinfachung des Systems die radiale Temperaturverteilung als konstant angenommen, der Katalysator wird in n hintereinander angeordnete Segmente unterteilt und die Temperatur jedes Segment bestimmt. Dabei ist n eine natürliche Zahl größer Eins. Die jedem n zugeordneten Segmente können dabei unterschiedlich lang sein, um eine bessere Anpassung zu erreichen. Durch Unterteilung des Katalysators in n hintereinander angeordnete Segmente wird die Zahl der zu berechnenden Katalysatorelemente auf ein praxisgerechtes Maß begrenzt.According to the method of the invention for the calculation of the temperature distribution is to simplify the Systems assumed the radial temperature distribution to be constant, the catalyst is divided into n consecutively arranged segments and the temperature of each segment is determined. Where n is a natural number greater than one. The segments assigned to each n can differ be long to achieve a better fit. By subdivision of the catalyst in n successively arranged segments is the Number of catalyst elements to be calculated on a practice-oriented Limited measure.
Vorzugsweise wird der Katalysator in n Scheiben zu je 1/n seiner Gesamtlänge unterteilt. Die Zahl n kann dabei zwischen 1 und unendlich liegen; unter realen Berechnungsbedingungen wird n zwischen 2 und 50, vorteilhaft zwischen 3 und 12 und insbesondere zwischen 5 und 7 betragen.Preferably the catalyst is divided into n disks of 1 / n of its total length. The number n can be between 1 and infinity; under real Calculation conditions will be between 2 and 50, advantageously between 3 and 12 and in particular between 5 and 7.
Ein Wärmeübergang zwischen den Scheiben findet im wesentlichen nur durch das durchströmende Gas statt. Die axiale Wärmeleitung wird daher vorzugsweise zu Null gesetzt; sie kann jedoch für besondere Anwendungsfälle in die nachfolgend aufgelisteten Berechnungsalgorithmen mit aufgenommen werden.One Heat transfer between the discs takes place essentially only by the gas flowing through instead of. The axial heat conduction is therefore preferably set to zero; However, it can be used for special applications in the included in the calculation algorithms listed below become.
Zunächst wird der adiabate Wärmeübergang zwischen dem Abgas und der Katalysatorscheibe und damit die durch thermische Energieübertragung erzielte Temperaturänderung des Abgases und der Katalysatorscheibe berechnet. Anschließend wird abhängig vom Abgasmassenstrom und von der Temperatur jeder einzelnen Katalysatorscheibe eine örtlich variable Umsetzung der anströmenden Schadstoffe angenommen. Die Wärmeverluste über den Katalysator werden näherungsweise in Abhängigkeit von der Temperatur der Katalysatorscheibe berücksichtigt.First, will the adiabatic heat transfer between the exhaust and the catalyst plate and thus the through thermal energy transfer achieved temperature change calculated of the exhaust gas and the catalyst disk. Subsequently, will dependent the exhaust gas mass flow and the temperature of each individual catalyst plate a local variable implementation of the inflowing Pollutants accepted. The heat losses over the Catalyst become approximate dependent on taken into account by the temperature of the catalyst disk.
Zur Berechnung des thermischen Wärmeübergangs zwischen Abgas und Katalysator an jeder einzelnen Katalysatorscheibe, des Energieübergangs durch Schadstoffumsetzung und der Wärmeverluste im Vorrohr können besonders vorteilhaft die im Anhang 1 und 2 beschriebenen Algorithmen genutzt werden.to Calculation of the thermal heat transfer between the exhaust gas and the catalyst on each individual catalyst plate, of the energy transfer by pollutant conversion and the heat losses in the front pipe can be particularly advantageously uses the algorithms described in Appendix 1 and 2 become.
Die Abgastemperatur im Vorlauf des Katalysators wird durch einen Temperaturfühler vor dem Katalysator oder durch einen Temperaturfühler hinter einem eventuell vorgeschalteten Vorkatalysator ermittelt. Im letzten Fall muß der Temperaturverlust über das Abgasrohr zwischen Vor- und Hauptkatalysator modelliert werden.The Exhaust gas temperature in the flow of the catalyst is provided by a temperature sensor the catalyst or by a temperature sensor behind a possibly ascertained upstream precatalyst. In the latter case, the temperature loss over the Exhaust pipe between the pilot and main catalyst can be modeled.
Zur Berechnung der Schadstoffumsetzung und der resultierenden Temperaturerhöhung wird zunächst abhängig von der Raumgeschwindigkeit ein Profil erstellt, das den Umsetzungsanteil der Restschadstoffe an den einzelnen Katalysatorscheiben angibt. Während bei niedrigen Raumgeschwindigkeiten die Reaktion überwiegend in der oder den vordersten Katalysatorscheiben stattfindet, verlagert sich mit zunehmender Raumgeschwindigkeit die Reaktion in die weiter hinten liegenden Katalysatorscheiben. Bei sehr hohen Raumgeschwindigkeiten kann sogar der Katalysator ganz oder teilweise überlaufen werden. Mit der Temperatur der aktuell berechneten Katalysatorscheibe wird aus einem Kennfeld die für diese Berechnungsschleife zutreffende Konvertierungsrate separat für jeden einzelnen Schadstoff ermittelt.To calculate the pollutant conversion and the resulting increase in temperature, a profile is first created depending on the space velocity, which indicates the conversion proportion of the residual pollutants at the individual catalyst disks. While at low space velocities, the reaction predominantly takes place in the foremost catalyst disk (s), it shifts with increasing space speed the reaction into the catalyst disks located further back. At very high space velocities, even the catalyst can be completely or partially overflowed. With the temperature of the currently calculated catalyst disk, the conversion rate applicable for this calculation loop is determined separately for each individual pollutant from a characteristic diagram.
Die HC-, CO-, NOx-, O2- und H2-Rohemissionen können üblicherweise nicht gemessen werden. Es ist jedoch eine näherungsweise Bestimmung aus einem Kennfeld möglich, das aus den stationären, betriebswarmen Emissionen mit additiver oder multiplikativer Korrektur für dynamische Vorgänge und Kaltstarteffekte die realen Emissionen errechnet. Das Kennfeld wird in bekannter Weise auf einem Motorenprüfstand bestimmt.The HC, CO, NOx, O2 and H2 raw emissions usually can not be measured become. It is, however, an approximate Determination from a map possible, that from the stationary, warm-burning emissions with additive or multiplicative correction for dynamic operations and cold start effects calculates the real emissions. The map is determined in a known manner on an engine test bench.
Da moderne Abgasreinigungssysteme zunehmend aus einem motornahen kleinvolumigen Vorkatalysator und einem nachgeschalteten Hauptkatalysator bestehen, wird der Hauptkatalysator überwiegend nicht mehr mit der gesamten Rohemissionsmenge beaufschlagt, sondern lediglich mit einer Teilmenge. Abhängig von der Raumgeschwindigkeit des Vorkatalysators wird ein Rohemissionsanteil ermittelt, der nicht vom Vorkatalysator umgesetzt wird und somit den Hauptkatalysator beaufschlagt.There modern emission control systems increasingly from a close-coupled small-volume Pre-catalyst and a downstream main catalyst consist, becomes the main catalyst predominantly no longer charged with the total amount of Rogehissionsmenge, but only with a subset. Depending on the space velocity of the precatalyst, a raw emission content is determined, which is not is reacted by the precatalyst and thus the main catalyst applied.
Das temperaturabhängige Konvertierungsverhalten des Vorkatalysators nach einem Kaltstart muß dabei nicht berücksichtigt werden, da davon auszugehen ist, daß der Vorkatalysator aufgrund seiner Anordnung, Beschichtung und Masse schneller anspringt als der Hauptkatalysator und daß bei Einsetzen katalytischer Reaktionen auf dem Hauptkatalysator der Vorkatalysator seine Arbeitstemperatur und damit seine maximale temperaturabhängige Konvertierungsrate bereits erreicht hat.The temperature-dependent Conversion behavior of the precatalyst after a cold start must be there not considered because it can be assumed that the precatalyst due to its arrangement, coating and mass starts faster than the main catalyst and that at Onset of catalytic reactions on the main catalyst of Pre-catalyst its working temperature and thus its maximum temperature-dependent Conversion rate has already reached.
Mit der Temperatur und der Raumgeschwindigkeit wird – wie oben beschrieben – die Konvertierungsrate der Katalysatorscheibe berechnet. Die anströmenden berechneten Rest-Schadstoffe werden auf der Katalysatorscheibe ganz oder teilweise unter Beachtung des Restsauerstoffangebotes umgesetzt. Die Energiebilanz an der Katalysatorscheibe ist anschließend nochmals unter Einbeziehung der umgesetzten chemischen Energie durchzurechnen, um die abströmende adiabate Abgastemperatur zu ermitteln. Die Abgas- und Katalysatorscheibentemperatur werden abschließend noch um den Wärmeverlust korrigiert.With the temperature and the space velocity becomes - as described above - the conversion rate calculated the catalyst disk. The inflowing calculated residual pollutants be fully or partially observed on the catalyst plate implemented the residual oxygen supply. The energy balance at the Catalyst disk is then to recalculate, taking into account the converted chemical energy, around the outflowing Adiabatic exhaust gas temperature to determine. The exhaust gas and catalyst disk temperature be final still about the heat loss corrected.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen Figur erläutert.A preferred embodiment The invention is explained below with reference to the single figure.
Die Figur zeigt schematisch den Ablaufplan der Berechnung des Temperaturprofils eines Katalysators für einen Zeitschritt wobei als Berechnungsfrequenz ist 0,1 bis 10 Hz, vorteilhaft um 0,5 bis 2 Hz und insbesondere sind 1 Hz empfehlenswert ist.The FIG. 1 shows schematically the flow chart of the calculation of the temperature profile a catalyst for a time step where the calculation frequency is 0.1 to 10 Hz, advantageously by 0.5 to 2 Hz and in particular 1 Hz are recommended is.
Zur Berechnung der Temperaturverteilung des Katalysators werden verschiedene Eingangsgrößen benötigt, die in zwei Nebenrechnungen ermittelt werden, wobei die Eingangsgrößen zur Berechnung einer Scheibe i von den Ergebnissen der Berechnung der Temperatur der Scheibe i – 1 abhängen können.to Calculation of the temperature distribution of the catalyst will be different Input variables needed, the are determined in two sub-bills, whereby the input variables for Calculation of a slice i from the results of the calculation of Temperature of the disc i - 1 depend can.
Aus
der Größe Rohemissionen
Mittels
einer Messung der Luftmasse in Schritt
Im
Schritt
In
Schritt
Anhangattachment
Für die hier anschließenden Betrachtungen werden die folgenden Definitionen getroffen:
- AKat
- Katalysatoroberfläche
- AKRohr
- Oberfläche Katalysatorcanning (Hüllrohr)
- ARohr
- Rohroberfläche
- Cp,Abg
- spezifische Wärmekapazität des Abgases
- cp,Kat
- spezifische Wärmekapazität des Katalysators,
- cp,Rohr
- spezifische Wärmekapazität des Rohres
- HU,Schadstoff
- Heizwert der Schadstoffe
- mKat
- Katalysatormasse,
- mRohr
- Rohrmasse
- ṁSchadstoff
- Schadstoffmassenstrom
- ṁAbg
- Abgasmassenstrom
- RK
- Konvertierungsrate
- tAbg
- Abgastemperatur
- tKat
- Katalysatortemperatur
- t'Kat
- Katalysatortemperatur am Eintritt in die Katalysatorscheibe
- tU
- Umgebungstemperatur
- tRohr
- Rohrtemperatur
- α
- Wärmeübergangskoeffizient
- αAK
- Wärmeübergangskoeffizient Abgas-Katalysator
- αAR
- Wärmeübergangskoeffizient Abgas-Rohr
- αKRU
- Wärmeübergangskoeffizient Katalysatorcanning-Umgebung
- Δτ
- Zeitintervall
- τ
- Zeit
- A cat
- catalyst surface
- A KRohr
- Surface catalyst scanning (cladding)
- A pipe
- pipe surface
- C p, exhaust
- specific heat capacity of the exhaust gas
- cp, cat
- specific heat capacity of the catalyst,
- c p, tube
- specific heat capacity of the pipe
- H U, pollutant
- Calorific value of pollutants
- cat
- Catalyst mass,
- m tube
- pipe mass
- ṁ pollutant
- Pollutant mass flow
- ṁ exhaust
- Exhaust gas mass flow
- R K
- conversion rate
- t outg
- exhaust gas temperature
- cat
- catalyst temperature
- cat
- Catalyst temperature at the inlet of the catalyst plate
- t U
- ambient temperature
- t pipe
- pipe temperature
- α
- Heat transfer coefficient
- α AK
- Heat transfer coefficient exhaust catalyst
- α AR
- Heat transfer coefficient exhaust pipe
- α KRU
- Heat transfer coefficient Catalyst scanning environment
- Δτ
- time interval
- τ
- Time
Weiter haben die verwendeten Indizes folgende Bedeutung:
- '
- Eintritt in die Katalysatorscheibe
- i
- örtlicher Laufindex
- τ
- zeitlicher Laufindex
- '
- Entry into the catalyst disc
- i
- local running index
- τ
- temporal index
1. Berechnungsschleife für eine Katalysatorscheibe1. calculation loop for a catalyst disk
1.1 Berechnung der thermisch adiabatischen Energieübertragung zwischen dem Abgas und der betrachteten Katalysatorscheibe zur Ermittlung der Konvertierungsrate der Katalysatorscheibe1.1 Calculation of the thermally adiabatic power transmission between the exhaust and the considered catalyst disk for detection the conversion rate of the catalyst disk
Allgemein läßt sich die Erwärmung eines Katalysators durch die folgende Differentialgleichung (1) beschreiben: In general, the heating of a catalyst can be described by the following differential equation (1):
Dabei
erfüllt
die obige Differentialgleichung (1) folgende Randbedingung:
Aus der formalen Lösung der obigen Differentialgleichung unter Berücksichtigung der Randbedingung läßt sich die Temperatur des Katalysators in örtlichen (Laufindex i) und zeitlichen Schleifen (Laufindex τ) errechnen. Als Erwärmung ergibt sich am Eintritt in die Katalysatorscheibe i: From the formal solution of the above differential equation taking into account the boundary condition, the temperature of the catalyst in local (run index i) and time loops (running index τ) can be calculated. As heating results at the entrance to the catalyst disk i:
Bei einer zeitlichen Änderung der Abgastemperatur wird zur Berechnung der Laufindex τ neu gestartet und als Randbedingung die bisherige Katalysatortemperatur tKat,i,τ-1 eingesetzt. Es ist jedoch auch möglich, daß mit dem Zeitintervall Δτ und der Randbedingung für die vorherige Katalysatortemperatur gerechnet wird. Der Wärmeübergangskoeffizient α wird mit Hilfe der bekannten Nusseltzahl für den vorliegenden Strömungszustand näherungsweise ermittelt.When the exhaust gas temperature changes over time, the running index τ is restarted for the calculation, and the previous catalyst temperature t Kat, i, τ-1 is used as a boundary condition. However, it is also possible that is calculated with the time interval Δτ and the boundary condition for the previous catalyst temperature. The heat transfer coefficient α is approximately determined with the aid of the known Nusselt number for the present flow state.
1.2 Berechnung der Energieübertragung durch die Schadstoffumsetzung1.2 Calculation of the energy transfer through the pollutant conversion
Mit Hilfe einer vorläufigen Katalysatortemperatur kann eine Konvertierungsrate RK der aktuellen Katalysatorscheibe aus einem Kennfeld mit den Eingangsdaten t'Kat,i und der örtlichen Raumgeschwindigkeit ermittelt werden. Bei der Berechnung der Energieübertragung durch die Schadstoffumsetzung im Katalysator wird sowohl der vorhandene Restsauerstoffgehalt als auch die Konvertierung im Vorkatalysator berücksichtigt. Aus der Energiebilanz läßt sich in bekannter Weise die Temperatur des Abgases berechnen: With the aid of a preliminary catalyst temperature, a conversion rate R K of the current catalytic converter disk can be determined from a characteristic diagram with the input data t ' Kat, i and the local space velocity. When calculating the energy transfer through the pollutant conversion in the catalyst, both the residual oxygen content present and the conversion in the precatalyst are taken into account. From the energy balance can be calculated in a known manner, the temperature of the exhaust gas:
Aus dieser Abgastemperatur, die die chemischen Umsätze berücksichtigt, läßt sich die reale Temperatur der betrachteten Katalysatorscheibe wie folgt ermitteln: From this exhaust gas temperature, which takes into account the chemical conversions, the real temperature of the considered catalyst disk can be determined as follows:
Durch
die Wärmeabgabe
des Abgases an die Katalysatorscheibe kühlt sich das Abgas ab und aus
der Energiebilanz
1.3 Berücksichtigung von Verlusten1.3 Consideration of losses
An der Katalysatoroberfläche treten Wärmeverlust, beispielsweise durch Abstrahlung oder Konvektion, auf, so daß sich ein radialer Temperaturgradient ausbildet. Diese Wärmeverlust werden überschlagsmäßig bestimmt. Wiederum über eine Energiebilanz wird dann die sich ergebende Temperatur der Katalysatorscheibe ermittelt: At the catalyst surface heat loss occur, for example by radiation or convection, so that forms a radial temperature gradient. This heat loss is determined by a rough estimate. Again about an energy balance is then determined the resulting temperature of the catalyst plate:
2. Berechnung des Vorrohrs2. Calculation of the pre-pipe
Die Erwärmung des Vorrohrs, das als isotherm angenommen wird, läßt sich wie folgt berechnen: The heating of the pre-pipe, which is assumed to be isothermal, can be calculated as follows:
Die Berechnung der Abkühlung des Abgases kann über eine entsprechende Anwendung der Gleichung (7) erfolgen, wobei in dieser Gleichung die Größen des Katalysators durch diejenigen des Vorrohres ersetzt werden. Die Temperatur des Vorrohrs wird durch Wärmeabgabe an die Umgebung herabgesetzt, wobei diese Verluste durch Konvektion oder Strahlung erfolgen. Unter Vernachlässigung der Strahlungsverluste und ausschließlicher Berücksichtigung der Konvektionsverluste, ergibt sich schließlich eine Temperatur des Vorrohrs von: The calculation of the cooling of the exhaust gas can be made by a corresponding application of the equation (7), in which equation the sizes of the catalyst are replaced by those of the front pipe. The temperature of the front pipe is reduced by heat emission to the environment, whereby these losses occur by convection or radiation. Neglecting the radiation losses and excluding the convection losses, the final result is a temperature of the pre-pipe of:
- 11
- Rohemissionen aus Kennfeldraw emissions from map
- 22
- Korrekturfaktor Motordynamikcorrection factor engine dynamics
- 33
- Korrekturfaktor Kühlmitteltemperaturcorrection factor Coolant temperature
- 44
- Emissionen vor dem Vorkatalysatoremissions in front of the precatalyst
- 55
- Katalytische Umsetzung im Vorkatalysatorcatalytic Reaction in the precatalyst
- 66
- Raumgeschwindigkeit des Abgasesspace velocity the exhaust gas
- 77
- Konvertierungsrate des Vorkatalysators bei Arbeitstemperaturconversion rate of the precatalyst at working temperature
- 88th
- Emissionen vor der ersten Katalysatorscheibeemissions in front of the first catalyst disk
- 99
- LuftmassenmessungAir mass measurement
- 1010
- Temperaturmessung Abgas nach Vorkatalysatortemperature measurement Exhaust after precatalyst
- 1111
- Abgas nach Vorkatalysatorexhaust after precatalyst
- 1212
- Berechnung Vorrohrcalculation An exhaust pipe
- 1313
- Abgas vor erster Katalysatorscheibeexhaust in front of the first catalyst disk
- 1414
- vorläufige Temperatur der ersten Katalysatorscheibepreliminary temperature the first catalyst disk
- 1515
- Temperaturerhöhung durch Exothermie der ersten KatalysatorscheibeTemperature increase by Exothermicity of the first catalyst disk
- 1616
- Konvertierungsraten der ersten Katalysatorscheibeconversion rates the first catalyst disk
- 1717
- Abgaskühlungexhaust gas cooling
- 1818
- Emissionen vor der zweiten Katalysatorscheibeemissions in front of the second catalyst disc
- 1919
- vorläufige Temperatur der zweiten Katalysatorscheibepreliminary temperature the second catalyst disc
- 2020
- Temperaturerhöhung durch Exothermie der zweiten KatalysatorscheibeTemperature increase by Exothermicity of the second catalyst plate
- 2121
- Konvertierungsraten der zweiten Katalysatorscheibeconversion rates the second catalyst disc
- 2222
- Abgaskühlungexhaust gas cooling
- 2323
- Emissionen vor der n-ten Katalysatorscheibeemissions in front of the nth catalyst disk
- 2424
- vorläufige Temperatur der n-ten Katalysatorscheibepreliminary temperature the nth catalyst disc
- 2525
- Temperaturerhöhung durch Exothermie der n-ten KatalysatorscheibeTemperature increase by Exothermicity of the nth catalyst disc
- 2626
- Konvertierungsraten der n-ten Katalysatorscheibeconversion rates the nth catalyst disc
- 2727
- Abgaskühlungexhaust gas cooling
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