DE102007060221B4 - Process for the provision of reducing agents in an exhaust gas aftertreatment system - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Reduktionsmittelbereitstellung in einer Abgasnachbehandlungsanlage (1) einer Brennkraftmaschine (10) mit einer Abgasführung (20), in der ein SCR-Katalysator (30) vorgesehen ist, wobei gasförmiges Ammoniak als Reduktionsmittel, welches durch Aufheizen eines Speichers (41) mit einem Ammoniak-Speichermedium in einem Reduktionsmittel-Speichersystem (40) erzeugt wird, mittels einer Dosiereinrichtung (50) in die Abgasführung (20) in Strömungsrichtung des Abgases vor dem SCR-Katalysator (30) eingebracht wird, wobei das Aufheizen des Speichers (41) hinsichtlich einer Zielfreisetzungsrate für das gasförmige Ammoniak mittels einer Steuereinheit (100) geregelt und vorgesteuert wird und wobei als Regelgröße (44) ein Massendurchfluss an Reduktionsmitteln durch eine Reduktionsmittel-Zuführung (45) in Richtung Dosiereinrichtung (50), ein Druckanstiegsgradient im Speicher (41) des Reduktionsmittel-Speichersystems (40) und/ oder eine Änderung einer mit dem Speichergrad korrelierbaren Eigenschaft des Speichemediums im Speicher (41) verwendet werden.Method for providing reducing agent in an exhaust gas aftertreatment system (1) of an internal combustion engine (10) with an exhaust gas duct (20) in which an SCR catalytic converter (30) is provided, whereby gaseous ammonia is used as the reducing agent, which is obtained by heating a reservoir (41) with an ammonia -Storage medium is generated in a reducing agent storage system (40), is introduced by means of a metering device (50) into the exhaust gas duct (20) in the flow direction of the exhaust gas upstream of the SCR catalytic converter (30), the heating of the memory (41) with regard to a The target release rate for the gaseous ammonia is regulated and pre-controlled by means of a control unit (100) and a mass flow of reducing agents through a reducing agent feed (45) in the direction of the metering device (50), a pressure increase gradient in the storage (41) of the reducing agent as the control variable (44) Storage system (40) and / or a change in a property that can be correlated with the degree of storage can be used in the storage medium in the memory (41).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktionsmittelbereitstellung in einer Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasführung, in der ein SCR-Katalysator vorgesehen ist, wobei gasförmiges Ammoniak als Reduktionsmittel, welches durch Aufheizen eines Speichers mit einem Ammoniak-Speichermedium in einem Reduktionsmittel-Speichersystem erzeugt wird, mittels einer Dosiereinrichtung in die Abgasführung in Strömungsrichtung des Abgases vor dem SCR-Katalysator eingebracht wird.The invention relates to a method for providing reducing agent in an exhaust gas aftertreatment system of an internal combustion engine with an exhaust gas duct in which an SCR catalyst is provided, with gaseous ammonia as reducing agent, which is generated by heating a store with an ammonia storage medium in a reducing agent storage system by means of a metering device is introduced into the exhaust gas duct in the flow direction of the exhaust gas upstream of the SCR catalytic converter.
Im Zusammenhang mit künftigen gesetzlichen Vorgaben bezüglich der Stickoxidemission von Kraftfahrzeugen ist eine entsprechende Abgasnachbehandlung erforderlich. Die selektive katalytische Reduktion (SCR) kann zur Verringerung der NOx-Emission (Entstickung) von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Dieselmotoren, mit zeitlich überwiegend magerem, d.h. sauerstoffreichem Abgas eingesetzt werden. Hierbei wird dem Abgas eine definierte Menge eines selektiv wirkenden Reduktionsmittels zugegeben. Dies kann beispielsweise in Form von Ammoniak sein, welches direkt gasförmig zudosiert wird, oder auch aus einer Vorläufersubstanz in Form von Harnstoff oder aus einer Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) gewonnen wird. Derartige HWL-SCR-Systeme sind erstmalig im Nutzfahrzeugsegment eingesetzt worden.Appropriate exhaust gas aftertreatment is required in connection with future legal requirements with regard to nitrogen oxide emissions from motor vehicles. The selective catalytic reduction (SCR) can be used to reduce the NO x emissions (denitrification) of internal combustion engines, in particular of diesel engines, with predominantly lean, ie oxygen-rich, exhaust gas. Here, a defined amount of a selectively acting reducing agent is added to the exhaust gas. This can be in the form of ammonia, for example, which is metered in directly in gaseous form, or it can also be obtained from a precursor substance in the form of urea or from a urea-water solution (HWL). Such HWL-SCR systems have been used for the first time in the commercial vehicle segment.
Ein Verfahren zur Reduktionsmittelbereitstellung der eingangs genannten Art ist in der
Ein derartiges Verfahren zeigt auch die nicht vorveröffentlichte
Weitere Verfahren zur Reduktioinsmittelbereitstellung sind in der
In der
Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass HWL beim Betrieb der Brennkraftmaschine verbraucht wird. Dabei liegt der Verbrauch bei ca. 4 % des Kraftstoffverbrauchs. Die Versorgung mit Harnstoff-Wasser-Lösung müsste entsprechend großflächig, zum Beispiel an Tankstellen, sichergestellt sein. Ein weiterer Nachteil des Verfahrens liegt in dem notwendigen Betriebstemperaturbereich. Die Hydrolysereaktion der Harnstoff-Wasser-Lösung findet quantitativ erst ab Temperaturen von 200 °C am Hydrolysekatalysator unter Freisetzung des Ammoniaks statt. Diese Temperaturen im Abgas werden beispielsweise bei Dieselmotoren erst nach längerer Betriebsdauer erreicht. Aufgrund von Abscheidungen kann es bei Temperaturen unterhalb von 200 °C zu Verstopfungen an der Dosiereinheit kommen, welche die Zufuhr der Harnstoff-Wasser-Lösung in den Abgastrakt zumindest behindern. Weiterhin kann eine Zudosierung der Harnstoff-Wasser-Lösung bei Temperaturen unter 200 °C auf Grund einer Polymerisation zur Hemmung der notwendigen katalytischen Eigenschaften am Hydrolysekatalysator oder am SCR-Katalysator führen.The disadvantage of this method is that HWL is consumed during operation of the internal combustion engine. The consumption is around 4% of the fuel consumption. The supply of urea-water solution would have to be ensured over a correspondingly large area, for example at petrol stations. Another disadvantage of the process is the required operating temperature range. The hydrolysis reaction of the urea-water solution only takes place quantitatively from temperatures of 200 ° C on the hydrolysis catalytic converter with the release of ammonia. In the case of diesel engines, for example, these temperatures in the exhaust gas are only reached after a long period of operation. At temperatures below 200 ° C., deposits can lead to blockages in the metering unit, which at least impede the supply of the urea-water solution to the exhaust tract. Furthermore, metering in the urea-water solution at temperatures below 200 ° C. can lead to an inhibition of the necessary catalytic properties on the hydrolysis catalytic converter or on the SCR catalytic converter due to polymerization.
Um das Mitführen eines weiteren Betriebsstoffes zu vermeiden, wurde inzwischen in einer noch unveröffentlichten Schrift der Anmelderin ein Plasmaverfahren zur On-Board-Generierung von Reduktionsmitteln vorgeschlagen. Dabei wird der zur Reduktion der Stickoxide notwendige Ammoniak aus ungiftigen Substanzen bedarfsgerecht im Fahrzeug hergestellt und anschließend dem SCR-Prozess zugeführt.In order to avoid having to carry another operating material with you, a plasma process for on-board generation of reducing agents has been proposed in an as yet unpublished document by the applicant. The ammonia required to reduce nitrogen oxides is produced from non-toxic substances in the vehicle as required and then fed into the SCR process.
In der
Bei Verfahren zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion (SCR-Verfahren), bei denen gasförmiger Ammoniak durch Aufheizung derartiger Speichermedien bereitgestellt wird, ist die Systemdynamik abhängig davon, wie schnell die Freisetzung an den momentanen Bedarf angepasst werden kann.In processes for selective catalytic NO x reduction (SCR process), in which gaseous ammonia is provided by heating such storage media, the system dynamics depend on how quickly the release can be adapted to the current demand.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem im Hinblick auf eine optimale Abgasreinigung und unter Vermeidung bzw. Mini-mierung eines Ammoniakschlupfes die Bereitstellung von Ammoniak als Reduktionsmittel an den momentanen Bedarf optimal angepasst wird.It is therefore the object of the invention to provide a method in which the provision of ammonia as a reducing agent is optimally adapted to the current requirement with a view to optimal exhaust gas cleaning and while avoiding or minimizing ammonia slip.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass das Aufheizen des Speichers hinsichtlich einer Zielfreisetzungsrate für das gasförmige Ammoniak mittels einer Steuereinheit geregelt und vorgesteuert wird. Durch eine Vorsteuerung der Heizleistung kann das Reduktionsmittel schneller verfügbar gemacht werden als bei einer reinen Regelung. Fahrzustandswechsel können frühzeitig erkannt und die Abgasreinigung damit optimiert werden, so dass die Einhaltung von Abgasgrenzwerten auch im dynamischen Betrieb sichergestellt werden kann. Darüber hinaus kann der Verbrauch an Reduktionsmitteln und die Gefahr eines möglichen Ammoniakschlupfes infolge einer möglichen Überdosierung reduziert werden.The object of the invention is achieved in that the heating of the store is regulated and precontrolled by means of a control unit with regard to a target release rate for the gaseous ammonia. By pre-controlling the heating output, the reducing agent can be made available more quickly than with pure regulation. Changes in driving conditions can be recognized at an early stage and exhaust gas cleaning can thus be optimized so that compliance with exhaust gas limit values can be ensured even in dynamic operation. In addition, the consumption of reducing agents and the risk of a possible ammonia slip as a result of a possible overdose can be reduced.
Erfindungsgemäß werden zur Überwachung, Regelung und Adaption der Reduktionsmittelfreisetzung als Regelgröße ein Massendurchfluss an Reduktionsmittel durch eine Reduktionsmittel-Zuführung in Richtung Dosiereinrichtung, ein Druck (-anstiegsgradient) im Speicher des Reduktionsmittel-Speichersystems und/ oder eine Änderung einer mit dem Speichergrad korrelierbaren Eigenschaft des Speichermediums, z.B. eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit, der Wärmeleitfähigkeit oder der Dielektrizitätskonstante, im Speicher verwendet.According to the invention, a mass flow of reducing agent through a reducing agent feed in the direction of the metering device, a pressure (increase gradient) in the memory of the reducing agent storage system and / or a change in a property of the storage medium that can be correlated with the storage level are used as a control variable for monitoring, regulating and adapting the reducing agent release , e.g. a change in the electrical conductivity, the thermal conductivity or the dielectric constant, is used in the memory.
Vorteilhaft ist es, wenn bei der Regelung bzw. Vorsteuerung der Reduktionsmittelbereitstellung eine Korrelation zwischen der Stellgröße Wärmeeinbringung und der Zielgröße Reduktionsmittelfreisetzung nach Betrag und Zeitverhalten ein Modell hinterlegt wird. Damit können auch komplexe physikalische bzw. chemische Zusammenhänge abgebildet werden.It is advantageous if, in the regulation or pre-control of the supply of reducing agent, a correlation between the manipulated variable of heat input and the target variable of reducing agent release is stored in terms of amount and time behavior. This means that complex physical or chemical relationships can also be mapped.
Eine Überwachung kann erfolgen, wenn ein NOx-Gehalt einer Abgassonde und/ oder ein Temperatursignal eines Temperaturfühlers in Strömungsrichtung des Abgases vor dem SCR-Katalysator und/ oder ein NOx/NH3-Gehalt einer weiteren Abgassonde hinter dem SCR-Katalysator bei der Regelung bzw. Vorsteuerung der Reduktionsmittelbereitstellung berücksichtigt werden. Abhängig von dem NOx-Gehalt vor dem SCR-Katalysator kann die Dosierung des Reduktionsmittels optimal eingestellt werden. Eine Überwachung des NOx/NH3-Gehalts nach dem SCR-Katalysator kann zur Effizienzüberwachung bzw. zur Detektion eines möglichen NH3-Schlupfes genutzt werden.Monitoring can take place when an NO x content of an exhaust gas probe and / or a temperature signal from a temperature sensor in the flow direction of the exhaust gas upstream of the SCR catalytic converter and / or a NO x / NH 3 content of a further exhaust gas probe downstream of the SCR catalytic converter in the Regulation or precontrol of the reducing agent supply are taken into account. The dosage of the reducing agent can be optimally adjusted as a function of the NO x content upstream of the SCR catalytic converter. Monitoring the NO x / NH 3 content after the SCR catalytic converter can be used to monitor efficiency or to detect a possible NH 3 slip.
Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn in dem Modell der Speicherzustand des Speichers des Reduktionsmittel-Speichersystems berücksichtigt wird. Damit kann eine sehr genaue Prognose für die momentan zu erwartende Reduktionsmittelfreisetzung unter Einbringung einer bestimmten Wärmeenergie erstellt werden, was sich hinsichtlich des Regelverhaltens positiv auswirkt.It has proven to be advantageous if the storage state of the storage of the reducing agent storage system is taken into account in the model. A very precise prognosis for the reducing agent release to be expected at the moment can be made with the introduction of a certain thermal energy, which has a positive effect on the control behavior.
Insbesondere wenn die Reduktionsmittelfreisetzungsrate durch Auswertung von Regelgrößen als Zustandsparameter des Reduktionsmittel-Speichersystems überwacht wird, kann eine optimale Regelung erfolgen. Dabei können auch örtlich aufgelöste Informationen über das Reduktionsmittel-Speichersystem von Interesse sein.In particular, if the reducing agent release rate is monitored by evaluating control variables as state parameters of the reducing agent storage system, optimal regulation can take place. In this context, locally resolved information about the reducing agent storage system can also be of interest.
Hinsichtlich einer einfachen Auswertung der genannten Regelgrößen und Ableiten einer optimalen Heizleistung hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Modell des Speicherzustands des Speichers des Reduktionsmittel-Speichersystems sowie die eingangsseitigen Regelgrößen in einem oder mehreren Kennfeldern hinterlegt werden.With regard to a simple evaluation of the control variables mentioned and deriving an optimal heating output, it has been found to be advantageous if the model of the storage status of the memory of the reducing agent storage system and the input-side control variables are stored in one or more characteristic maps.
Wird beim dynamischen Wechsel zwischen zwei Zielfreisetzungsraten ein stationärer Vorsteuerwert gezielt übersteuert, kann die Anstiegszeit zusätzlich verkürzt werden.If a stationary pre-control value is deliberately overridden when dynamically changing between two target release rates, the rise time can also be shortened.
Der aktuelle Betriebszustand der Brennkraftmaschine kann optimal bei der Dosierung des Reduktionsmittels berücksichtigt werden, wenn die Zielfreisetzungsrate des Reduktionsmittels der momentanen Dosiermenge entspricht und die Dosiermenge aus einem modellbasierten Algorithmus unter Berücksichtigung von Betriebszustandsparametern, wie beispielsweise Motordrehzahl oder Moment, einer Motorsteuerung der Brennkraftmaschine sowie einer Beladungsstrategie für den SCR-Katalysator ermittelt wird.The current operating state of the internal combustion engine can be optimally taken into account when metering the reducing agent if the target release rate of the reducing agent corresponds to the current metering quantity and the metering quantity is derived from a model-based algorithm, taking into account operating state parameters such as engine speed or torque, an engine control of the internal combustion engine and a loading strategy for the SCR catalytic converter is determined.
Vorteilhaft kann es zudem sein, wenn die Zielfreisetzungsrate im Rahmen der Vorsteuerung zusätzlich von einem prognostizierten Fahrzustand beeinflusst wird. So können beispielsweise Konstantfahrt, Beschleunigung oder Verzögerung bei der Vorsteuerung berücksichtigt werden. Werden für den prognostizierten Fahrzustand Ortsdaten aus einem GPS-Empfänger herangezogen, kann das zukünftige Streckenprofil, eventuell auch das Höhenprofil der Fahrstrecke vorhergesagt und somit die Prognose angepasst werden.It can also be advantageous if the target release rate is also influenced by a predicted driving state as part of the pre-control. For example, constant travel, acceleration or deceleration during the Feedforward control must be taken into account. If location data from a GPS receiver are used for the predicted driving condition, the future route profile, possibly also the height profile of the driving route, can be predicted and the prognosis can thus be adjusted.
Hinsichtlich einer weiteren Optimierung der Vorsteuerung der Reduktionsmittelfreisetzung können in einer Verfahrensvariante für den prognostizierten Fahrzustand Daten zur Verkehrssituation und/ oder Daten zum Abstand zu vorausfahrenden Fahrzeugen herangezogen werden. Solche Daten können beispielsweise aus TMC-Daten gewonnen werden. Der Traffic Message Channel (TMC) ist ein digitaler Radio-Datendienst, der zur Übertragung von Verkehrsstörungen an ein geeignetes Empfangsgerät verwendet wird.With regard to a further optimization of the pre-control of the reducing agent release, data on the traffic situation and / or data on the distance to vehicles traveling ahead can be used in a variant of the method for the predicted driving state. Such data can be obtained from TMC data, for example. The Traffic Message Channel (TMC) is a digital radio data service that is used to transmit traffic disruptions to a suitable receiving device.
Eine bevorzugte Anwendung des Verfahrens mit den zuvor beschriebenen Merkmalen sieht den Einsatz bei Reduktionsmittel-Speichersystemen vor, bei denen Ammoniak durch Desorption und/ oder Thermolyse aus Salzen und/ oder organischen Adsorbern freigesetzt wird. Insbesondere können hier die teils recht komplexen chemischen und physikalischen Zusammenhänge bei der Desorption bzw. Thermolyse besonders gut prognostiziert und somit die Ammoniakfreisetzung exakt vorgesteuert bzw. geregelt werden.A preferred application of the method with the features described above provides for use in reducing agent storage systems in which ammonia is released from salts and / or organic adsorbers by desorption and / or thermolysis. In particular, the sometimes quite complex chemical and physical relationships during desorption or thermolysis can be predicted particularly well and the ammonia release can thus be precisely controlled or regulated.
FigurenlisteFigure list
Die Erfindung wird im Folgenden anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine mit einem Reduktionsmittel-Speichersystem.
-
1 a schematic representation of an exhaust gas aftertreatment system of an internal combustion engine with a reducing agent storage system.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Dargestellt ist eine Abgasnachbehandlungsanlage 1 für eine Brennkraftmaschine
Die Brennkraftmaschine
Das Reduktionsmittel-Speichersystem
Der Speicher
Zur Steuerung bzw. Regelung des Reduktionsmittel-Speichersystems
Innerhalb der Vorsteuereinheit
Eine Regelung der Reduktionsmittelbereitstellung erfolgt innerhalb der Regeleinheit
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass in dem Modell der Speicherzustand des Speichers
Bei der Regelung bzw. Vorsteuerung der Reduktionsmittelbereitstellung ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass innerhalb der Korrelationseinheit
Die Funktionseinheiten innerhalb der Steuereinheit
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