DE102008039687B4 - Process for the aftertreatment of an exhaust gas stream of an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Nachbehandlung eines Abgasstroms (7) eines Verbrennungsmotors (3) eines Kraftfahrzeuges (1) mittels einer selektiven katalytischen Reduktion, mit: – Ermitteln einer von einer ersten Teilgröße (47) und einer zweiten Teilgröße (49) abhängigen, die Zusammensetzung des Abgasstromes kennzeichnenden Leitgröße (21), wobei die erste Teilgröße eine Anwesenheit von Schadstoffen im Abgasstrom und die zweite Teilgröße eine Anwesenheit eines Reduktionsmittels (13) kennzeichnet, – Zugeben des Reduktionsmittels (13) in den Abgasstrom (7) in Abhängigkeit von der Leitgröße (21), gekennzeichnet durch Ermitteln der zweiten Teilgröße (cNH3) (49) mittels einer katalytischen exothermen Oxidation von NH3 des im Abgasstrom (7) enthaltenen Reduktionsmittels (13) an einer katalytisch wirksamen Pt-Oberfläche (57) und Ermitteln einer Reaktionswärme der exothermen Oxidation.Method for the after-treatment of an exhaust gas flow (7) of an internal combustion engine (3) of a motor vehicle (1) by means of a selective catalytic reduction, comprising: - determining a composition of the exhaust gas stream which is dependent on a first part size (47) and a second part size (49) Guide variable (21), wherein the first part size indicates a presence of pollutants in the exhaust gas flow and the second part size indicates the presence of a reducing agent (13), - adding the reducing agent (13) into the exhaust gas flow (7) as a function of the control variable (21), characterized by determining the second part size (cNH3) (49) by means of a catalytic exothermic oxidation of NH3 of the reducing agent (13) contained in the exhaust stream (7) on a catalytically active Pt surface (57) and determining a heat of reaction of the exothermic oxidation.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachbehandlung eines Abgasstroms eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mittels einer selektiven katalytischen Reduktion.The invention relates to a method for the after-treatment of an exhaust gas stream of an internal combustion engine of a motor vehicle by means of a selective catalytic reduction.
Es ist bekannt zur Nachbehandlung eines Abgasstroms, insbesondere zur Entstickung, so genannte SCR-Katalysatoren (selektive katalytische Reduktion) einzusetzen. Diese können beispielsweise für Dieselmotoren oder beliebige andere Motoren mit einer überstöchiometrisch arbeitenden Motorsteuerung, beispielsweise Motoren mit homogener Kompressionszündung und/oder Magermotoren mit Fremdzündung eingesetzt werden. Mittels des SCR-Katalysators können in dem Abgasstrom mitgeführte Schadstoffe, beispielsweise NO, NO2 in Anwesenheit eines zusätzlich zugebbaren Reduktionsmittels, beispielsweise NH3, in unschädliche Komponenten umgesetzt werden. Zum Steuern und/oder Regeln einer Umsetzungsrate der Schadstoffe kann eine Zugabemenge des Reduktionsmittels gesteuert werden. Die
Aus der
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Nachbehandlung eines Abgasstroms eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges mittels einer selektiven katalytischen Reduktion zu ermöglichen, insbesondere eine verbesserte Regelung und/oder Steuerung einer Zugabe eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom.The object of the invention is to enable an improved aftertreatment of an exhaust gas stream of an internal combustion engine of a motor vehicle by means of a selective catalytic reduction, in particular an improved control and / or control of an addition of a reducing agent in the exhaust gas stream.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The object is achieved with the features of
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Nachbehandlung eines Abgasstroms eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges mittels einer selektiven katalytischen Reduktion ist vorgesehen
- – Ermitteln einer von einer ersten Teilgröße (
47 ) und einer zweiten Teilgröße (49 ) abhängigen, die Zusammensetzung des Abgasstromes kennzeichnenden Leitgröße (21 ), wobei die erste Teilgröße eine Anwesenheit von Schadstoffen im Abgasstrom und die zweite Teilgröße eine Anwesenheit eines Reduktionsmittels (13 ) kennzeichnet, - – Zugeben des Reduktionsmittels (
13 ) in den Abgasstrom (7 ) in Abhängigkeit von der Leitgröße (21 ), und zeichnet sich aus durch Ermitteln der zweiten Teilgröße (cNH3) (49 ) mittels einer katalytischen exothermen Oxidation von NH3 des im Abgasstrom (7 ) enthaltenen Reduktionsmittels (13 ) an einer katalytisch wirksamen Pt-Oberfläche (57 ) und Ermitteln einer Reaktionswärme der exothermen Oxidation.
- - Determining one of a first partial size (
47 ) and a second partial size (49 ) dependent, the composition of the exhaust gas flow characterizing (21 ), wherein the first part size, a presence of pollutants in the exhaust stream and the second part size, a presence of a reducing agent (13 ), - Adding the reducing agent (
13 ) in the exhaust stream (7 ) as a function of the control variable (21 ) and is characterized by the determination of the second part size (cNH3) (49 ) by means of a catalytic exothermic oxidation ofNH 3 in the exhaust gas stream (7 ) reducing agent (13 ) on a catalytically active Pt surface (57 ) and determining a heat of reaction of the exothermic oxidation.
Erfindungsgemäß ist also ein Ermitteln der zweiten Teilgröße (cNH3) mittels einer katalytischen exothermen Oxidation von NH3 des im Abgasstrom enthaltenen Reduktionsmittels an einer katalytisch wirksamen Pt-Oberfläche und Ermitteln einer Reaktionswärme der exothermen Oxidation vorgesehen. Vorteilhaft kann zumindest ein kleiner Teil des Abgasstroms an der katalytisch wirksamen Pt-Oberfläche vorbeigeführt werden. Vorteilhaft reagiert NH3 in Verbindung mit Sauerstoff und in Anwesenheit von Platin bereits bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise ab circa 200°C schnell und stark exotherm. Die dabei auftretende Reaktionswärme kann vorteilhaft ein Maß für eine Konzentration des in dem Abgasstrom mitgeführten NH3 sein.According to the invention, therefore, a determination of the second part size (cNH3) by means of a catalytic exothermic oxidation of NH3 of the reducing agent contained in the exhaust stream to a catalytically active Pt surface and determining a heat of reaction of the exothermic oxidation is provided. Advantageously, at least a small part of the exhaust gas flow can be guided past the catalytically active Pt surface. Advantageously,
Zum Ermitteln der Leitgröße kann ein Verrechnen einer eine Anwesenheit von Schadstoffen in dem Abgasstrom kennzeichnenden ersten Teilgröße (cNOx) und einer eine Anwesenheit eines Reduktionsmittels in dem Abgasstrom kennzeichnenden zweiten Teil Größe (cNH3) mittels einer Rechenvorschrift und einem auf eine der Teilgrößen angewendeten inversen Operator der Rechenvorschrift zum Ermitteln einer die Zusammensetzung des Abgasstromes kennzeichnenden Leitgröße und ein Zugeben des Reduktionsmittels in den Abgasstrom in Abhängigkeit von der Leitgröße vorgesehen sein. Die Rechenvorschrift kann beispielsweise eine Addition oder eine Multiplikation aufweisen. Unter einem inversen Operator kann eine Rechenoperation verstanden werden, die bezüglich der zugehörigen Rechenvorschrift und angewendet bei identischen Operanden als Ergebnis das neutrale Element der Rechenvorschrift liefert. Im Falle einer Addition liefern dann die Rechenvorschrift und der inverse Operator in Form einer Multiplikation einer der Operanden mit (–1) als Ergebnis das neutrale Element Null und im Falle einer Multiplikation bei einer Kehrbruchbildung das neutrale Element 1. Vorteilhaft ist mittels der Verrechnung im Vergleich zu üblichen Summensignalen die Leitgröße eindeutig Betriebszuständen des Verbrennungsmotors zuordenbar. Vorteilhaft können Nachteile einer sich sonst ergebenden unterbestimmten Regelung vermieden werden.For determining the control variable, a first partial variable (cNOx) characterizing a presence of pollutants in the exhaust gas flow and a second partial variable (cNH3) characterizing a presence of a reducing agent in the exhaust gas flow can be calculated by means of a calculation rule and an inverse operator applied to one of the partial quantities Calculation rule for determining a characteristic of the composition of the exhaust gas stream Leitgröße and adding the reducing agent may be provided in the exhaust stream in dependence on the Leitgröße. The calculation rule may have, for example, an addition or a multiplication. An inverse operator can be understood to mean an arithmetic operation which, as a result, supplies the neutral element of the calculation rule with regard to the associated arithmetic rule and applied to identical operands. In the case of an addition, then the calculation rule and the inverse operator in the form of a multiplication of one of the operands with (-1) result in the neutral element zero and in the case of a multiplication in a sweep formation the
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens ist ein Ermitteln der Leitgröße mittels subtrahieren der zweiten Teilgröße von der ersten Teilgröße (cNOx-cNH3) vorgesehen. Vorteilhaft kann die Leitgröße als Eingangsgröße eines Reglers zur Zugabe des Reduktionsmittels dienen, wobei vorteilhaft sowohl Ammoniakdurchbrüche als auch Betriebszustände mit zu hohen NOx-Emissionen erfassbar sind.In one embodiment of the method, determining the guide variable by means of subtracting the second part size from the first part size (cNOx-cNH3) is provided. Advantageously, the control variable can serve as an input variable of a regulator for the addition of the reducing agent, wherein advantageously both ammonia breakthroughs and operating states with too high NOx emissions can be detected.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist ein Ermitteln der Leitgröße mittels Dividieren der ersten Teilgröße durch die zweite Teilgröße (cNOx/cNH3) vorgesehen. Eine so ermittelte Leitgröße kann ebenfall den Betriebszuständen des Verbrennungsmotors und damit einhergehenden Emissionen von Stickoxiden oder Ammoniak eindeutig zugeordnet werden und als Eingangsgröße des Reglers dienen.In a further embodiment of the method, a determination of the guide variable by means of dividing the first part size by the second part size (cNOx / cNH3) is provided. A so determined control variable can also be clearly assigned to the operating conditions of the internal combustion engine and associated emissions of nitrogen oxides or ammonia and serve as an input variable of the controller.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist ein Ermitteln der ersten Teilgröße als Addition einer ersten Stickoxidgröße (cNO) und einer zweiten Stickoxidgröße (cNO2) vorgesehen. Die erste Teilgröße kann als Summensignal der Stickoxidgrößen gebildet werden.In a further embodiment of the method, determining the first part size is provided as addition of a first nitrogen oxide size (cNO) and a second nitrogen oxide size (cNO2). The first part size can be formed as a sum signal of the nitrogen oxide sizes.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist ein Ermitteln der Leitgröße mittels einer dem Abgasstrom zuordenbaren NH3/NOx-Verhältnissonde vorgesehen. Vorteilhaft können basische redoxchemische Eigenschaften von Ammoniak zur Detektion ausgenutzt werden. Vorteilhaft kann mittels nur einer Sonde ein Verhältnis zwischen der ersten und zweiten Teilgröße zum Ermitteln der Leitgröße gebildet werden.In a further embodiment of the method, a determination of the guide variable is provided by means of a NH3 / NOx ratio probe which can be assigned to the exhaust gas flow. Advantageously, basic redox chemical properties of ammonia can be exploited for detection. Advantageously, by means of only one probe, a ratio between the first and second part sizes can be formed for determining the guide variable.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens sind ein Ermitteln der ersten Teilgröße mittels eines NOx-Sensors und/oder ein Ermitteln der zweiten Teilgröße mittels eines NH3-Sensors vorgesehen. Vorteilhaft können für die Teilgrößen separate Signale ermittelt werden, die mittels einer Recheneinheit zur Leitgröße verrechnet werden können.In a further embodiment of the method, determining the first part size by means of a NOx sensor and / or determining the second part size by means of an NH3 sensor are provided. Advantageously, separate signals can be determined for the sub-quantities, which can be offset by means of a computing unit to the leading variable.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahren ist ein Verrechnen der ersten und der zweiten Teilgröße mittels eines mittels eines elektrochemischen Sensors ermittelbaren Summensignals (cNO + cNO2 + CNH3) und eines Korrektursignals für die zweite Teilgröße (cNH3) vorgesehen. Vorteilhaft kann das Summensignal mittels eines üblichen Sensors zur quantitativen Erfassung der ersten und zweiten Teilgröße ermittelt werden. Das Summensignal kann mittels des Korrektursignals entsprechend korrigiert werden, sodass eine die Betriebszustände des Verbrennungsmotors eindeutig kennzeichnende Leitgröße ermittelbar ist.In a further embodiment of the method, a calculation of the first and the second part size is provided by means of a sum signal (cNO + cNO2 + CNH3) which can be determined by means of an electrochemical sensor and a correction signal for the second part size (cNH3). Advantageously, the sum signal can be determined by means of a conventional sensor for the quantitative detection of the first and second part sizes. The sum signal can be correspondingly corrected by means of the correction signal, so that an operating parameter of the internal combustion engine uniquely characterizing guide variable can be determined.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist ein Berücksichtigen eines ersten Zeitverhaltens des NOx-Sensors und eines zweiten Zeitverhaltens des NH3-Sensors und/oder Berücksichtigen des ersten und zweiten Zeitverhaltens mittels messen der ersten Teilgröße mittels des NOx-Sensors stromaufwärts des die zweite Teilgröße messenden NH3-Sensors, oder umgekehrt vorgesehen. Vorteilhaft kann mittels der Berücksichtigung des Zeitverhaltens der Sensoren die Verrechnung zur Leitgröße möglichst wenig zeitverzerrt erfolgen. Eine Kompensation beziehungsweise Berücksichtigung des unterschiedlichen Zeitverhaltens der Sensoren kann beispielsweise mittels einer nachgeschalteten Recheneinheit, beispielsweise einer Motorsteuerung erfolgen. Vorteilhaft kann dies jedoch auch alternativ oder zusätzlich lediglich mittels einer passenden Positionierung der Sensoren im Abgasstrom erfolgen. Dazu können diese in einem gewissen Abstand zueinander in dem Abgasstrom angeordnet werden, so dass aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit, also dem zwischen den Sensoren zurückgelegten Weg der mitgeführten Stoffe des Abgasstroms eine Zeitverzögerung beziehungsweise Laufzeit auftritt. Vorteilhaft kann der Abstand beziehungsweise die sich daraus ergebende Verzögerungszeit so gewählt werden, dass die unterschiedlichen Zeitverhalten der Sensoren bestmöglich kompensiert werden. Der Abstand zwischen den Sensoren kann so gewählt werden, dass bei einem Arbeitspunkt und/oder einer mittleren Geschwindigkeit des Abgasstroms eine optimale Kompensation des Zeitverhaltens der Sensoren möglich ist.In a further embodiment of the method, taking into account a first time behavior of the NOx sensor and a second time behavior of the NH3 sensor and / or taking into account the first and second time behavior by measuring the first part size by means of the NOx sensor upstream of the second part size measuring NH3 Sensors, or vice versa. Advantageously, by means of taking into account the time behavior of the sensors, the billing to the control variable can be as little as possible time-skewed. A compensation or consideration of the different timing of the sensors can be done for example by means of a downstream processing unit, such as a motor control. Advantageously, this can also be done alternatively or additionally only by means of a suitable positioning of the sensors in the exhaust stream. These can be arranged at a certain distance from each other in the exhaust stream, so that due to the flow velocity, so the distance traveled between the sensors path of the entrained substances of the exhaust stream, a time delay or running time occurs. Advantageously, the distance or the resulting delay time can be selected so that the different time behavior of the sensors are compensated as best as possible. The distance between the sensors can be selected so that an optimal compensation of the time behavior of the sensors is possible at an operating point and / or a mean velocity of the exhaust gas flow.
Die Aufgabe ist außerdem mit einem Kraftfahrzeug mit einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung mittels einer selektiven katalytischen Reduktion zum Reinigen eines Abgasstroms eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeuges ausgelegt, konstruiert und/oder eingerichtet zum Durchführen eines vorab beschriebenen Verfahrens gelöst. Es ergeben sich die vorab beschriebenen Vorteile.The object is also designed with a motor vehicle having an exhaust aftertreatment device by means of a selective catalytic reduction for purifying an exhaust gas flow of an internal combustion engine of the motor vehicle, designed and / or set up to carry out a method described above. This results in the advantages described above.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezug auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:Further advantages, features and details emerge from the following description in which an exemplary embodiment is described with reference to the drawing. The same, similar and / or functionally identical parts are provided with the same reference numerals. Show it:
Die Abgasanlage
Zur Ansteuerung der Dosiervorrichtung
Zur Ermittlung der Leitgröße
Alternativ und/oder zusätzlich ist es möglich dem Regler
Vorliegend kann der zweite Sensor
Im Unterschied dazu ist gemäß der
Es ist zu erkennen, dass der Verlauf
Vorteilhaft kann ein für eine möglichst vollständige Umsetzung günstiges Verhältnis zwischen NO, NO2 sowie dem Reduktionsmittel
Vorteilhaft können neben unerwünschten NH3-Durchbrüchen auch Unterdosierungen oder zu hohe Dosierungen der in dem Abgasstrom
Vorteilhaft kann eine Regelung beziehungsweise Ansteuerung des Verbrennungsmotors
Die Ermittlung der Leitgröße
Alternativ ist es denkbar, wie in
Vorteilhaft ist im Vergleich zum Stand der Technik dadurch jederzeit eine eindeutige Zuordnung des Sensor-Signals beziehungsweise des Verlaufs
Das Regelsystem mit dem Regler
Die separat erhaltenen Sensor-Signale, beispielsweise die erste Teilgröße
Ein Einbau der Sensoren
Wie in
Als Funktionsprinzip für die NH3/NOx-Verhältnissonde
Alternativ ist es denkbar, thermisch stabile basische und/oder saure Oxide und/oder Zeolithe zur selektiven Chemiesorption von NH3 und NO/NO2 einzusetzen. Zur Detektion kommen Änderungen der Impedanz, die Elektrizitätseigenschaften und/oder einer Masse des beladenen Materials in Frage.Alternatively, it is conceivable to use thermally stable basic and / or acidic oxides and / or zeolites for the selective chemisorption of
Außerdem ist es denkbar, insbesondere um ein noch selektiveres und empfindlicheres Übertragungsverhalten der NH3/NOx-Verhältnissonde
Ferner sind zur Ermittlung der Leitgröße
Ferner ist es denkbar, die NH3/NOx-Verhältnissonde
Eine solche Korrekturfunktion kann unter Nutzung der sehr unterschiedlichen Säure-Baseeigenschaften von Ammoniak im Vergleich zu Stickoxiden erfolgen. Wie bereits ausgeführt, ist Ammoniak eine starke Brönstedt-Base mit einem PKB-Wert von 4,75 während die höheren Stickoxide hingegen mäßig bis stark saure Eigenschaften aufweisen, wobei mittels eines im Sensor platzierten Festprotonenleiters ein hoher Ammoniakteil erfasst werden kann.Such a correction function can be done using the very different acid-base properties of ammonia compared to nitrogen oxides. As already stated, ammonia is a strong Brönstedt base with a PK B value of 4.75, whereas the higher nitrogen oxides have moderate to highly acidic properties, whereby a high proportion of ammonia can be detected by means of a solid proton conductor placed in the sensor.
Verschiedene Festkörper mit Perowskit-Struktur weisen im Applikationstemperaturbereich von Dieselabgasen eine gute Protonenleitfähigkeit auf, zum Beispiel für die Ladungsträger H3O+ oder NH4+. Ein Beispiel für besonders vorteilhaft bei Temperaturen bis 650°C als „Feststoff-pH-Meter” einsetzbares Material beziehungsweise Materialgruppe sind dotierte Li-Lanthan-Titanate (zum Beispiel Sr-dotiertes LLT). Eine Auswahl von geeigneten Materialien mit kubischer oder tetragonaler Perowskit-Struktur ist aber keinesfalls auf das oben genannte Beispiel beschränkt. Ein Maß des H+ Ionenstroms beziehungsweise der Impedanz bei bekannter Temperatur und Spannung korreliert mit einer NH3-Konzetration, also der zweiten Teilgröße
Alternativ ist es denkbar, eine katalytische Oxidation von NH3 an einer Pt-Oberfläche, beispielsweise der in
Ammoniak wird schon bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise ab 200°C, an einer Pt-Oberfläche schnell und stark exotherm katalytisch oxidiert. Eine solche Oxidation von Ammoniak stellt eine unerwünschte Nebenreaktion beim SCR-Verfahren dar. Vorteilhaft kann der SCR-Katalysator
Bei der Pt-katalysierten Oxidation von Ammoniak mit O2 treten folgende Reaktionen auf:
Als Nebenreaktion kann noch eine Oxidation mit NO berücksichtigt werden, die wie folgt abläuft:
Vorteilhaft können Diemerisierungs- oder Disproportionierungsreaktionen und/oder weitergehende Oxidationen zu NO2 wegen ihrer im Wesentlichen geringen Wärmetönung und/oder ihrer Gleichgewichtslage unberücksichtigt bleiben. Eine Detektion eines NH3-Umsatzes entsprechend der oben aufgeführten 4 Oxidationsreaktionen an einer feinteiligen katalytisch hochaktiven Pt-Fläche, also der katalytischen Oberfläche
Vorteilhaft kann eine Messung der Reaktionswärme beziehungsweise Wärmetönung der Oxidationsreaktion, wie in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Kfzautomotive
- 33
- Verbrennungsmotorinternal combustion engine
- 55
- Abgasanlageexhaust system
- 77
- Abgasstromexhaust gas flow
- 99
- SCR-KatalysatorSCR catalyst
- 1111
- Dosiervorrichtungmetering
- 1313
- Reduziermittelreducing
- 1515
- Steuervorrichtungcontrol device
- 1717
- Dosiermengedosage
- 1919
- Gemischbildungmixture formation
- 2121
- Leitgrößecommand variable
- 2323
- Reglerregulator
- 2525
- Sollwertsetpoint
- 2727
- Steuergrößecontrol variable
- 2929
- MotorsteuergerätEngine control unit
- 3131
- NH3/NOx-VerhältnissondeNH3 / NOx ratio probe
- 3333
- Modellmodel
- 3535
- Messvorrichtungmeasuring device
- 3737
- 1. Sensor1st sensor
- 3939
- 2. Sensor2nd sensor
- 4141
- Doppelpfeildouble arrow
- 4343
- Pfeilarrow
- 4545
- Recheneinheitcomputer unit
- 4747
- 1. Teilgröße1st part size
- 4949
- 2. Teilgröße2nd part size
- 5151
- Teilstrompartial flow
- 5353
- Leerpfadempty path
- 5555
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- 5757
- katalytische Oberflächecatalytic surface
- 5959
- TemperaturmessstelleTemperature measuring point
- 6161
- Schaubildgraph
- 6363
- X-AchseX axis
- 6565
- Y-AchseY-axis
- 6767
- Kennliniencharacteristics
- 6969
- Pfeilarrow
- 7171
- Verlaufcourse
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