DE102008036418B4

DE102008036418B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern einer Abgasnachbehandlung

Info

Publication number: DE102008036418B4
Application number: DE102008036418A
Authority: DE
Inventors: Peter Bauer; Tahar Dr. Zrilli
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2008-08-05
Filing date: 2008-08-05
Publication date: 2010-04-29
Anticipated expiration: 2028-08-06
Also published as: CN102076934A; CN102076934B; DE102008036418A1; WO2010015453A1; US20110094208A1

Abstract

Verfahren zum Steuern einer Abgasnachbehandlung für eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder (Z1–Z4) mit einem Brennraum (26) und einem Abgastrakt (14), in dem ein SCR-Katalysator (34) angeordnet ist, bei dem
– eine Kenngröße für einen Wassergehalt (HDT_EXH) eines Abgases in dem Abgastrakt (14) stromaufwärts des SCR-Katalysators (34) der Brennkraftmaschine ermittelt wird, und
– abhängig von der Kenngröße für den Wassergehalt (HDT_EXH) des Abgases eine Katalysatortemperatur (TEMP_CAT) bestimmt wird, um ein Stellsignal für ein Stellglied zum Einbringen von Ammoniak in das Abgas zu ermitteln und das Stellglied eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern einer Abgasnachbehandlung bei einer Brennkraftmaschine mit einem SCR-Katalysator.
Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich zulässiger Schadstoffemissionen in Kraftfahrzeugen, in denen Brennkraftmaschinen angeordnet sind, machen es erforderlich, die Schadstoffemissionen bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine so gering wie möglich zu halten. Dies kann zum einen dadurch erfolgen, dass die Schadstoffemissionen verringert werden, die während der Verbrennung des Luft-/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine entstehen. Zum anderen sind in Brennkraftmaschinen Abgasnachbehandlungssysteme im Einsatz, die die Schadstoffemissionen, die während des Verbrennungsprozesses des Luft-/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen Zylinder erzeugt werden, in unschädliche Stoffe umwandeln. Zu diesem Zweck werden Katalysatoren eingesetzt, die Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide in unschädliche Stoffe umwandeln. Sowohl das gezielte Beeinflussen des Erzeugens der Schadstoffemissionen während der Verbrennung als auch das Umwandeln der Schadstoffkomponenten mit einem hohen Wirkungsgrad durch einen Abgaskatalysator setzen ein sehr präzise eingestelltes Luft/Kraftstoff-Verhältnis in dem jeweiligen Zylinder voraus.
In diesem Zusammenhang muss sichergestellt werden, dass die Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems auch in der gewünschten Art und Weise über eine lange Betriebsdauer funktionieren und Fehler zuverlässig erkannt werden.
Bei einem mager laufenden Ottomotor und bei einer Diesel-Brennkraftmaschine können bei einem Verbrennungsprozess in einem Brennraum der entsprechenden Brennkraftmaschine Stickoxide entstehen. Die entstandenen Stickoxide sind dann Bestandteil eines Abgases der Brennkraftmaschine. Zum Reduzieren des Stickoxidgehalts des Abgases kann dem Abgastrakt der Brennkraftmaschine ein Reduktionsmittel zugemessen werden, durch das die Stickoxide in einem SCR-Katalysator zu unbedenklichem Stickstoff und Wasser reagieren können. Als Reduktionsmittel wird vorzugsweise Ammoniak verwendet. Der Ammoniak kann durch Erwärmen eines Komplexsalzes gewonnen werden und gasförmig dem Abgastrakt zugemessen werden. Alternativ dazu kann dem Abgastrakt eine wässrige Harnstofflösung zugemessen werden, die dann aufgrund der Hitze im Abgastrakt zumindest teilweise zu Ammoniak hydrolysiert, der in dem SCR-Katalysator mit den Stickoxiden des Abgases reagiert. Falls die Stickoxide nicht vollständig reduziert werden, tragen sie zur Umweltverschmutzung bei. Falls ein Überschuss an Ammoniak zugemessen wird und der Ammoniak aus dem Abgastrakt austritt, so führt dies zu einer deutlichen Geruchsbelästigung in einer Umgebung der Brennkraftmaschine.
Die DE 10 2004 043 933 A1 offenbart ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einem in einer Abgasleitung angeordneten Abgaskatalysator und einem dem Abgas der Brennkraftmaschine ausgesetzten und das Abgassystem überwachenden Sensor. Der Sensor ist ein Feuchtigkeitssensor.
Die DE 10 2006 058 880 A1 offenbart ein Verfahren zur Korrektur eines Ausgangssignals eines Lambda-Sensors einer Brennkraftmaschine, mit den Schritten: Erkennen einer Schubabschaltphase der Brennkraftmaschine, Erfassen einer Abgaszusammensetzung mittels des Lambda-Sensors während der Schubabschaltpha se, Erfassen einer Temperatur, welche ein Maß für die Ansaugluft der Brennkraftmaschine darstellt, und Kalibrieren des Lambda-Sensors basierend auf der erfassten Temperatur.
Die DE 103 01 977 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Steuerung der Feuchtigkeitsentfernung für eine Abgasreinigungseinrichtung zur Verwendung mit einem Verbrennungsmotor. Die Vorrichtung hat ein Mittel zur Abschätzung der Menge an eingefangener Feuchtigkeit, das die Menge der aus einem Verbrennungsmotor ausgetretenen und in einem Katalysator eingefangenen Feuchtigkeit abschätzt, ein Bewertungsmittel, das bewertet, ob der abgeschätzte Wert der Menge an eingefangener Feuchtigkeit eine vorbestimmte Menge überschreitet, und ein Mittel zur Steuerung der Entfernung der in dem Katalysator eingefangenen Feuchtigkeit.
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern einer Abgasnachbehandlung bei einer Brennkraftmaschine zu schaffen, die zu einer besonders vorteilhaften Reduzierung eines Schadstoffgehalts eines Abgases der Brennkraftmaschine beitragen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern einer Abgasnachbehandlung für eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder mit einem Brennraum und einem Abgastrakt, in dem ein SCR-Katalysator angeordnet ist. Eine Kenngröße für einen Wassergehalt eines Abgases in dem Abgastrakt stromaufwärts des SCR-Katalysators der Brennkraftmaschine wird ermittelt, und abhängig von der Kenngröße für den Wassergehalt des Abgases wird eine Katalysatortemperatur bestimmt, um ein Stellsignal für ein Stellglied zum Einbringen von Ammoniak in das Abgas zu ermitteln und das Stellglied wird eingestellt.
Aufgrund des im Abgas enthaltenen Wassers kann es zu einer Einlagerung von Wasser in dem SCR-Katalysator kommen. Dadurch ist es möglich, dass eine Abweichung des tatsächlichen zeitlichen Verlaufs der Katalysatortemperatur von einem zeitlichen Verlauf der Katalysatortemperatur, wie er ohne in den SCR-Katalysator eingelagertes Wasser auftreten würde, entsteht.
Der Vorteil der Berücksichtigung des Wassergehalts eines Abgases in dem Abgastrakt stromaufwärts des SCR-Katalysators besteht darin, dass der Wasser-/Feuchtigkeitsgehalt in dem SCR-Katalysator bei der Einspritzmenge und dem Einspritzzeitpunkt des zuzuführenden Reduktionsmittels berücksichtigt werden kann. Gegebenenfalls ist eine Einleitung geeigneter Heizmaßnahmen für den Katalysator möglich. Damit können NOx-Emissionen leichter vermieden werden. Des Weiteren ist eine Vermeidung einer Blockade des SCR-Katalysators durch einen hohen Wasser-/Feuchtigkeitsgehalt in dem SCR-Katalysator möglich. Darüber hinaus sind Angaben zu dem vom Feuchtigkeitseintrag abhängigen Alterungsverhalten des SCR-Katalysators möglich.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Kenngröße für den Wassergehalt des Abgases abhängig von dem Luftfeuchtigkeitsgehalt der der Brennkraftmaschine zugeführten Umgebungsluft ermittelt. Damit ist eine genaue Bestimmung des Wasser-/Feuchtigkeitsgehalts in dem SCR-Katalysator möglich.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Kenngröße für den Wassergehalt des Abgases abhängig von der Temperatur der der Brennkraftmaschine zugeführten Umgebungsluft ermittelt. Dies hat den Vorteil, dass eine genaue Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts der Umgebungsluft und damit des Abgases möglich ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der Luftfeuchtigkeitsgehalt und/oder die Temperatur mittels eines oder mehrerer Sensoren ermittelt, dessen Messsignal repräsentativ ist oder deren Messsignale repräsentativ sind für den Luftfeuchtigkeitsgehalt und/oder die Temperatur der der Brennkraftmaschine zugeführten Umgebungsluft. Dies ermöglicht die Regelung der Abgasnachbehandlung unter Berücksichtigung des Wasser-/Feuchtigkeitsgehalt in dem SCR-Katalysator mit einfach aufgebauten Sensoren.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wirkt sich eine Stellung des Stellglieds auf eine Ammoniakmasse aus, die dem SCR-Katalysator zugeführt wird. Dies stellt eine einfache Möglichkeit dar, die Ammoniakmasse in geeigneter Weise zuzumessen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Brennkraftmaschine mit einer Steuervorrichtung, und
2 ein Blockschildschaltbild zu einem Verfahren zum Steuern einer Abgasnachbehandlung für die Brennkraftmaschine.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
In 1 ist eine Brennkraftmaschine gezeigt, mit einem Ansaugtrakt 10, einem Motorblock 12, einem Zylinderkopf 13 und einem Abgastrakt 14. Der Ansaugtrakt 10 umfasst vorzugsweise eine Drosselklappe 15 und ein Saugrohr 17. Das Saugrohr 17 ist hin zu einem Zylinder Z1 beim Einlasskanal in einen Brennraum 26 des Motorblocks 12 geführt. Der Motorblock 12 umfasst eine Kurbelwelle 18, welche über eine Pleuelstange 20 mit einem Kolben 21 des Zylinders Z1 gekoppelt ist.
Der Zylinderkopf 13 umfasst einen Ventiltrieb mit einem Gaseinlassventil 22 und einem Gasauslassventil 24. Der Zylinderkopf 13 umfasst ferner ein Einspritzventil 28 und eine Zündkerze 30. Alternativ kann das Einspritzventil 28 auch in dem Saugrohr 17 angeordnet sein.
In dem Abgastrakt 14 ist ein SCR-Katalysator 34 zur Reduktion von NOx angeordnet.
Der Brennkraftmaschine ist ferner eine Steuervorrichtung 35 zugeordnet, der Sensoren zugeordnet sind, die verschiedene Messgrößen erfassen und jeweils den Wert der Messgrößen ermitteln können. Die Steuervorrichtung 35 ist dazu ausgebildet in Abhängigkeit von mindestens einer der Messgrößen Stellgrößen zu ermitteln, die dann in ein oder mehrere Stellsignale zum Steuern von Stellgliedern mittels entsprechender Stellantriebe umgesetzt werden können. Die Steuervorrichtung 35 wird hier als Vorrichtung zum Steuern einer Abgasnachbehandlung bezeichnet.
Die Stellglieder sind beispielsweise die Drosselklappe 15, die Gaseinlass- und Gasauslassventile 22, 24, das Einspritzventil 28 oder die Zündkerze 30.
Die Sensoren umfassen einen Pedalstellungsgeber 36, der eine Fahrpedalstellung eines Fahrpedals 38 erfasst. Weiter weist die Brennkraftmaschine einen Feuchtigkeitssensor 40 auf, der stromaufwärts der Drosselklappe 15 angeordnet ist und dort eine Luftfeuchtigkeit der Ansaugluft erfasst. Ein Temperatursensor 42 stromaufwärts der Drosselklappe 15 erfasst eine Ansauglufttemperatur.
Stromabwärts des SCR-Katalysators 34 ist ein NOx-Sensor 44 angeordnet, der eine NOx-Konzentration des Abgases erfasst.
Je nach Ausführungsform der Erfindung kann eine beliebige Untermenge der genannten Sensoren vorhanden sein oder es können auch zusätzliche Sensoren vorhanden sein.
Neben dem Zylinder Z1 sind bevorzugt noch weitere Zylinder Z2 bis Z4 vorgesehen, denen ebenfalls entsprechende Stellglieder und gegebenenfalls Sensoren zugeordnet sind.
Zum Ausführen des Verfahrens zum Steuern einer Abgasnachbehandlung für eine Brennkraftmaschine kann in einem Programmspeicher der Steuervorrichtung 35 ein Programm gespeichert sein und während des Betriebs der Brennkraftmaschine abgearbeitet werden.
Das Programm ist in 2 dargestellt.
Die Figur zeigt ein Temperaturmodell 100 für die Berechnung der Temperatur des Abgases der Brennkraftmaschine aus einem Abgasmassenstrom EXH_MASS_FLOW, einer Abgastemperatur TEMP_TUR_UP vor einer Turbine der Brennkraftmaschine und einer gesamten Einspritzmenge MF_TOT an Kraftstoff. Mittels des Temperaturmodells 100 für das Abgas der Brennkraftmaschine wird daraus eine modellierte Abgastemperatur TEMP_EXH_MDL ermittelt.
Des Weiteren wird eine gemessene Abgastemperatur TEMP_EXH_MES ermittelt und in einem Vergleichsblock 102 mit der modellierten Abgastemperatur TEMP_EXH_MDL verglichen, wodurch in geeigneter Weise eine Abgastemperatur TEMP_EXH als Ausgangsgröße des Vergleichsblocks 102 bestimmt wird.
In einem Feuchtigkeitsmodell 104 des Abgases der Brennkraftmaschine wird aus einer Lufttemperatur AIR_TEMP der Umgebungsluft, einem Luftfeuchtigkeitsgehalt AIR_HDT der Umgebungsluft, einer Einspritzmenge MF_CYL in einen Zylinder, einer gesamten Luftfüllung MASS_GAS_CYL im Zylinder und einem Verbrennungswirkungsgrad CMB_EFF der Brennkraftmaschine ein modellierter Wassergehalt HDT_EXH_MDL des Abgases bestimmt.
Der Luftfeuchtigkeitsgehalt AIR_HDT der Umgebungsluft wird vorzugsweise durch den Feuchtigkeitssensor 40 erfasst, die Lufttemperatur AIR_TEMP der Umgebungsluft wird vorzugsweise durch den Temperatursensor 42 stromaufwärts der Drosselklappe 15 erfasst. In alternativen Ausführungsformen des Verfahrens zum Steuern der Abgasnachbehandlung können der Luftfeuchtigkeitsgehalt AIR_HDT und die Lufttemperatur AIR_TEMP der Umgebungsluft auch durch ein empirisches Modell von Wetterdaten ermittelt werden.
Des Weiteren wird aus einem Massenstrom MASS_EGR der Abgasrückführung mittels eines ersten Kennfelds 106 ein Korrek turfaktor FAC_EGR_COR der Abgasrückführung ermittelt und in einem ersten Multiplikator 108 zusammen mit dem aus dem Feuchtigkeitsmodell 104 des Abgases ermittelten modellierten Wassergehalt HDT_EXH_MDL des Abgases ein Wassergehalt HDT_EXH des Abgases bestimmt.
Durch die Bestimmung der Kenngröße für den Wassergehalt HDT_EXH des Abgases abhängig von dem Luftfeuchtigkeitsgehalt AIR_HDT und der Temperatur AIR_TEMP der der Brennkraftmaschine zugeführten Umgebungsluft ist eine genaue Bestimmung des Wassergehalts HDT_EXH des Abgases möglich.
In einem Temperaturmodell 110 des SCR-Katalysators 34 wird abhängig von der Abgastemperatur TEMP_EXH, dem Abgasmassenstrom EXH_MASS_FLOW, einer Fahrzeuggeschwindigkeit VS, der Temperatur AIR_TEMP der der Brennkraftmaschine zugeführten Umgebungsluft, einer Wärmekapazität C_CAT und einem Katalysatorvolumen VOL_CAT des SCR-Katalysators 34 eine modellierte Katalysatortemperatur TEMP_CAT_MDL bestimmt und einem zweiten Multiplikator 114 zugeführt. Der ermittelte Wert des Wassergehalts HDT_EXH des Abgases wird einem zweiten Kennfeld 112 zugeführt und daraus ein Korrekturfaktor FAC_HDT_COR des Feuchtigkeitsgehalts bestimmt und ebenfalls dem zweiten Multiplikator 114 zugeführt.
In bekannter Weise wird mittels eines Harnstoffinjektionsmodells 116 unter anderem aus dem Abgasmassenstrom EXH_MASS_FLOW und einem NOx-Gehalt NOX in dem Abgas eine modellierte Harnstoffeinspritzmenge UREA_INJ_MDL zum Einspritzen von Harnstoff in das Abgas in dem Abgastrakt 14 ermittelt und einem dritten Multiplikator 120 zugeführt.
Aus den dem Multiplikator 114 zugeführten Werten wird eine Katalysatortemperatur TEMP_CAT ermittelt und einem dritten Kennfeld 118 zugeführt. Mittels des dritten Kennfelds 118 wird ein Korrekturfaktor UREA_INJ_COR für die Harnstoffeinspritzmenge ermittelt und ebenfalls dem dritten Multiplikator 120 zugeführt.
Aus den dem Multiplikator 120 zugeführten Werten wird die Einspritzmenge UREA_INJ von Harnstoff in den Abgastrakt 14 stromaufwärts des SCR-Katalysators 34 bestimmt.
Mittels dieses Verfahrens ist es möglich, die tatsächliche Katalysatortemperatur TEMP_CAT unter Berücksichtigung des Wassergehalts HDT_EXH im Abgas und/oder von Kondensat im SCR-Katalysator 34 für das Steuern der Abgasnachbehandlung zu berücksichtigen. Damit können die Einspritzmenge und der Einspritzzeitpunkt des zuzuführenden Reduktionsmittels, also insbesondere der Harnstofflösung, genau bestimmt werden. Harnstoff oder ein anderes Reduktionsmittel kann dem Abgas stromaufwärts des SCR-Katalysators genau dann zugeführt werden, wenn eine vorgegebene Katalysatortemperatur TEMP_CAT tatsächlich erreicht ist. Ein gegebenenfalls unnötiger Einsatz von Harnstoff oder einem anderen Reduktionsmittel vor Erreichen der vorgegebenen Katalysatortemperatur TEMP_CAT kann so vermieden werden. Es ist so sehr gut möglich, Emissionen von Ammoniak oder NOx aus dem SCR-Katalysator 34 zu vermeiden. Insbesondere kann auch vermieden werden, dass der SCR-Katalysator 34 durch einen hohen Wasser- oder Feuchtigkeitsgehalt in seiner Funktion behindert wird. Da eine Anlagerung von Wasser oder Feuchtigkeit in dem SCR-Katalysator 34 zu einer zusätzlichen Alterung des SCR-Katalysators 34 führen kann, ermöglicht dieses Verfahren weiter, die Alterung des SCR-Katalysators 34 genau zu bestimmen.

Claims

Verfahren zum Steuern einer Abgasnachbehandlung für eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder (Z1–Z4) mit einem Brennraum (26) und einem Abgastrakt (14), in dem ein SCR-Katalysator (34) angeordnet ist, bei dem – eine Kenngröße für einen Wassergehalt (HDT_EXH) eines Abgases in dem Abgastrakt (14) stromaufwärts des SCR-Katalysators (34) der Brennkraftmaschine ermittelt wird, und – abhängig von der Kenngröße für den Wassergehalt (HDT_EXH) des Abgases eine Katalysatortemperatur (TEMP_CAT) bestimmt wird, um ein Stellsignal für ein Stellglied zum Einbringen von Ammoniak in das Abgas zu ermitteln und das Stellglied eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Kenngröße für den Wassergehalt (HDT_EXH) des Abgases abhängig von dem Luftfeuchtigkeitsgehalt (AIR_HDT) der der Brennkraftmaschine zugeführten Umgebungsluft ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Kenngröße für den Wassergehalt (HDT_EXH) des Abgases abhängig von der Temperatur (AIR_TEMP) der der Brennkraftmaschine zugeführten Umgebungsluft ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der Luftfeuchtigkeitsgehalt (AIR_HDT) und/oder die Temperatur (AIR_TEMP) mittels eines oder mehrerer Sensoren (40, 42) ermittelt wird, dessen Messsignal oder deren Messsignale repräsentativ sind für den Luftfeuchtigkeitsgehalt (AIR_HDT) und/oder die Temperatur (AIR_TEMP) der der Brennkraftmaschine zugeführten Umgebungsluft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich eine Stellung des Stellglieds auf eine Ammoniakmasse auswirkt, die dem SCR-Katalysator (34) zugeführt wird.
Vorrichtung zum Steuern einer Abgasnachbehandlung bei einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder (Z1–Z4) mit einem Brennraum (26) und einem Abgastrakt (14), in dem ein SCR-Katalysator (34) angeordnet ist, wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, – eine Kenngröße für einen Wassergehalt (HDT_EXH) eines Abgases in dem Abgastrakt (14) stromaufwärts des SCR-Katalysators (34) der Brennkraftmaschine zu ermitteln, – abhängig von der Kenngröße für den Wassergehalt (HDT_EXH) des Abgases eine Katalysatortemperatur (TEMP_CAT) zu bestimmen zum Ermitteln eines Stellsignals für ein Stellglied zum Einbringen von Ammoniak in das Abgas und das Stellglied einzustellen.