DE102019120054A1

DE102019120054A1 - Abgasnachbehandlungssystem mit einem Steuergerät zum Berechnen einer Temperaturverteilung

Info

Publication number: DE102019120054A1
Application number: DE102019120054.7A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Lüers; Sebastian Petri; Corinna Jendrzey
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH; FEV Group GmbH
Current assignee: FEV Group GmbH
Priority date: 2019-07-24
Filing date: 2019-07-24
Publication date: 2020-01-16
Also published as: DE102020004332A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem Steuergerät zum Berechnen einer Temperaturverteilung, ein Verfahren und ein Herstellungsverfahren.Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem (1), das ein Steuergerät (3) umfasst. Das Steuergerät (3) ist eingerichtet, die folgenden Schritte durchzuführen:- Ermitteln (S40) eines Wärmeübergangs innerhalb eines ersten Segments des Abgasnachbehandlungssystems unter Verwendung einer Massenstromverteilung und einer Eingangstemperaturverteilung, wobei der Wärmeübergang einen Energieübergang zwischen zumindest einem Teil des ersten Segments und einem anderen Teil des ersten Segments (S41) und/oder zwischen zumindest einem Teil des ersten Segments und zumindest einem Teil eines benachbarten Segments (S42) des Abgasnachbehandlungssystems umfasst und- Berechnen (S50) einer Temperaturverteilung in dem ersten Segment unter Verwendung des ermittelten Wärmeübergangs.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem Steuergerät zum Berechnen einer Temperaturverteilung und ein Herstellungsverfahren.
Aus der DE102011103346 ist ein Verfahren zur modellbasierten Bestimmung einer Temperaturverteilung einer Abgasnachbehandlungseinheit bekannt.
Das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem umfasst ein Steuergerät. Das Steuergerät ist eingerichtet, die folgenden Schritte durchzuführen:

- Ermitteln eines Wärmeübergangs innerhalb eines ersten Segments des Abgasnachbehandlungssystems unter Verwendung einer Massenstromverteilung und einer Eingangstemperaturverteilung, wobei der Wärmeübergang einen Energieübergang zwischen zumindest einem Teil des ersten Segments und einem anderen Teil des ersten Segments und/oder zwischen zumindest einem Teil des ersten Segments und zumindest einem Teil eines benachbarten Segments des Abgasnachbehandlungssystems umfasst und
- Berechnen einer Temperaturverteilung in dem ersten Segment unter Verwendung des ermittelten Wärmeübergangs.

Aktuell werden zur Bestimmung von Temperaturen in Abgasnachbehandlungssystemen überwiegend kennfeldgestützte Ansätze verwendet. Diese Ansätze sind aufgrund ihrer echtzeitfähigen Ausführungsgeschwindigkeit für den Einsatz in Seriensteuergeräten sehr gut geeignet. Allerdings erfordert die Entwicklung von RDE (Real Driving Emissions) konformen Abgasnachbehandlungssystemen räumlich aufgelöste Information über Temperaturen im Abgasnachbehandlungssystem. Dies ist mit herkömmlichen Methoden nicht möglich, erfordert einen unvorteilhaft hohen Kalibrieraufwand, der mit sehr hohen Kosten verbunden ist, oder führt zu sehr hohen Rechenzeiten, die einen Einsatz unter Echtzeitanforderungen in einem Steuergerät eines Fahrzeuges nicht zulassen.
Dadurch dass das Steuergerät des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems eingerichtet ist, die Temperaturverteilung in dem ersten Segment unter Verwendung des ermittelten Wärmeübergangs zu berechnen, können räumliche Informationen zu Temperaturen in dem ersten Segment gewonnen und sehr niedrige für die Echtzeitanwendung geeignete Rechenzeiten erreicht werden.
Das erste Segment kann sowohl Fluide wie Abgas oder Kondensat als auch Festkörper wie Wände, Wabenkörper oder Filter umfassen. Dadurch kann beispielsweise der Wärmeübergang von dem Abgas auf einen Wabenkörper eines Katalysators berücksichtigt werden. Die Verwendung der Massenstromverteilung ermöglicht die Berücksichtigung eines möglicherweise vorherrschenden Gegendrucks, der beispielsweise aus einer Querschnittserweiterung oder -verengung resultieren kann. Durch die Verwendung der Eingangstemperaturverteilung kann eine Temperaturverteilung aus einer Rechnung, einer Messung oder einem Kennfeld verwendet werden, um bei der Ermittlung des Wärmeübergangs innerhalb des ersten Segments für den Betriebszustand des Abgasnachbehandlungssystems repräsentative Temperaturanfangsbedingungen zu verwenden. Unter Temperaturverteilung werden hier sowohl für die berechnete Temperaturverteilung als auch für die Eingangstemperaturverteilung bevorzugt mehrere, quer zur Strömungsrichtung berechnete oder vorgegebene Temperaturwerte verstanden.
Vorzugsweise erfolgt die Berechnung der Temperaturverteilung ortsabhängig in axialer und/oder radialer Richtung bezogen auf die Strömungsrichtung des Abgases. Das hat den Vorteil, dass räumliche Informationen über Temperaturen in dem ersten Segment in zwei Dimensionen verfügbar sind. Dies ermöglicht eine vorteilhafte Bestimmung von thermischen Zuständen in dem Abgasnachbehandlungssystem. Basierend auf dem thermischen Zustand kann das Abgasnachbehandlungssystem so betrieben werden, dass ein Erfüllen von RDE Anforderungen ermöglicht wird.
Vorzugsweise ist das Steuergerät eingerichtet, die Schritte des Ermittelns und Berechnens in Echtzeit durchzuführen. Echtzeit ist hier so definiert, dass die Temperaturverteilung innerhalb von 0,5 Sekunden, bevorzugt innerhalb von 0,2 Sekunden und besonders bevorzugt innerhalb von 0,1 Sekunden vorliegt. So können transiente Prozesse vorteilhaft genau abgebildet werden.
Vorzugsweise umfasst das Abgasnachbehandlungssystem ein zweites Segment. Das Steuergerät ist eingerichtet, die berechnete Temperaturverteilung des ersten Segmentes als Eingangstemperaturverteilung für das zweite Segment zu berücksichtigen. Das zweite Segment ist bevorzugt stromab des ersten Segments angeordnet. Dadurch können Informationen über Temperaturen im Abgasnachbehandlungssystem, die stromauf des zweiten Segments vorliegen, beim Ermitteln des Wärmeübergangs und Berechnen des Temperaturprofils des zweiten Segments berücksichtigt werden. Durch die Kopplung der Berechnungen der Temperaturverteilungen in dem ersten und dem zweiten Segment wird eine verbesserte Modellierung der Temperaturen im Abgasnachbehandlungssystem ermöglicht, die beispielsweise für einen RDE konformen Betrieb des Abgasnachbehandlungssystems genutzt werden kann. Bevorzugt werden mehr als zwei Segmente verwendet, so dass durch Kopplung der verwendeten Segmente komplexe Abgasnachbehandlungssysteme, die unterschiedliche Vorrichtungen wie Rohre, Katalysatoren oder Filter umfassen, abgebildet werden können.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt

1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems,
2 eine schematische Darstellung von Verfahrensschritten, die von einem Steuergerät gemäß einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems ausgeführt werden und
3 eine schematische Darstellung einer Unterteilung eines Dieseloxidationskatalysators in Berechnungseinheiten gemäß einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems.

1 zeigt ein Abgasnachbehandlungssystem 1, das ein Steuergerät 3 umfasst. Das Steuergerät 3 ist eingerichtet, die folgenden, in 2 dargestellten, Schritte durchzuführen:

- Ermitteln S40 eines Wärmeübergangs innerhalb eines ersten Segments 12 ( 3) des Abgasnachbehandlungssystems 1 unter Verwendung einer Massenstromverteilung und einer Eingangstemperaturverteilung, wobei der Wärmeübergang einen Energieübergang zwischen zumindest einem Teil 16 des ersten Segments 12 und einem anderen Teil 15 des ersten Segments 12,S41 und/oder zwischen zumindest einem Teil 16 des ersten Segments 12 und zumindest einem Teil 19 eines benachbarten Segments 11,S42 des Abgasnachbehandlungssystems 1 umfasst und
- Berechnen S50 einer Temperaturverteilung in dem ersten Segment 12 unter Verwendung des ermittelten Wärmeübergangs S40.

Das in 1 gezeigte Abgasnachbehandlungssystem 1 umfasst vier Rohrabschnitte 4a,4b,4c,4d, einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) 5, einen Dieselpartikelfilter 9, einen Rohrbogen 10 mit einem Reduktionsmittelinjektor 11, ein Heizelement 8, einen SCR (Selective Catalytic Reduction) Katalysator 6 und einen Ammoniak-Schlupf Katalysator 7. Auch Rohrabzweigungen, Filter, Ventile oder ähnliches sind in einem Abgasnachbehandlungssystem 1 denkbar. Das erste Segment 12 ist zumindest ein Abschnitt eines der Rohre 4a,4b,4c,4d, des Dieseloxidationskatalysators 5, des Dieselpartikelfilters 9, des Rohrbogens 10, des Heizelements 8, des SCR Katalysators 6 oder des Ammoniak-Schlupf Katalysators 7. Für das erste Segment 12 werden die in 2 dargestellten Schritte des Ermittelns S40 und des Berechnens S50 durchgeführt. Vor dem Ermitteln S40 wird in einem vorgelagerten Schritt S10 eine von einem Thermoelement gemessene Abgastemperatur erfasst. Die Abgastemperatur kann auch aus einer thermodynamischen Rechnung eines Motormodells stammen oder einem Kennfeld entnommen werden. Da die vom Thermoelement gemessene Temperatur aufgrund von Verlusten durch Wärmestrahlung und Wärmeleitung in der Regel nicht identisch mit der Abgastemperatur ist, wird die erfasste Temperatur S10 korrigiert, indem durch Berechnung der Verluste die tatsächliche Gastemperatur ermittelt wird. In einem weiteren vorgelagerten Schritt S20 wird eine Massenstromverteilung für das erste Segment 12 bestimmt. So kann ein möglicherweise vorherrschender Gegendruck, der aus einer Querschnittserweiterung oder -verengung resultieren kann, berücksichtigt werden. In einem dritten vorgelagerten Schritt S30 wird die Eingangstemperaturverteilung für das erste Segment berechnet.
Das Steuergerät 3 ist so eingerichtet, dass die Berechnung S50 der Temperaturverteilung ortsabhängig in axialer und radialer Richtung bezogen auf die Strömungsrichtung des Abgases erfolgt. Hierzu umfasst das Abgasnachbehandlungssystem 1 weitere Segmente. 3 zeigt den Dieseloxidationskatalysator 5, der neben dem ersten Segment 12 zwei weitere Segmente 11,13 umfasst. Durch die Unterteilung des DOC 5 in drei Segmente 11,12,13 wird eine Diskretisierung in axialer Richtung ermöglicht. Für jedes Segment 11,12,13 wird eine Eingangstemperaturverteilung berücksichtigt S20. Für die initiale Scheibe 11 wird die erste Temperaturverteilung aus der erfassten Abgastemperatur S10 und der bestimmten Massenstromverteilung S20 ermittelt. Für die beiden anderen Scheiben 12,13 ist das Steuergerät 3 eingerichtet, die berechnete Temperaturverteilung des stromauf angeordneten Segmentes 11,12 als Eingangstemperaturverteilung für das stromab liegende Segment 12,13 zu berücksichtigen. Die Massenstromverteilung wird für alle Segmente 11,12,13 des DOC 5 als identisch angenommen. Zusätzlich zu der axialen Unterteilung in Segmente erfolgt eine Unterteilung der Segmente 11,12,13 in radiale Mäntel 15,16,17,18. Dadurch wird eine Auflösung in zwei Dimensionen ermöglicht.
Die Ermittlung des Wärmeübergangs zwischen zumindest einem Teil des Segments 11,12,13 und einem anderen Teil des Segments 11,12,13,S42 umfasst den Wärmeübergang von einem Fluid, wie beispielsweise Abgas oder Kondensat, auf einen Festkörper, wie beispielsweise einen Wabenkörper oder Filter, und den Wärmeübergang zwischen zwei angrenzenden Mänteln 15,16,17,18 innerhalb eines Segments. Die Ermittlung des Wärmeübergangs zwischen zumindest einem Teil des Segments 15,16,17,18 und einem benachbarten Körper beschreibt den Wärmeübergang zwischen einem Mantel 15,16,17,18 eines Segments 11,12,13 und einem angrenzenden Mantel 15,16,17,18 eines angrenzenden Segments 11,12,13. Im Rahmen der Berechnung der Wärmeübergänge S40 werden auch die Wandtemperaturen der entsprechenden Mäntel aktualisiert. Die Berechnung des Wärmeübergangs zwischen zumindest einem Teil des Segments 11,12,13 und einem anderen Teil des Segments 11,12,13,S42 beinhaltet zusätzlich den Einfluss der Isolation und der Wärmeverluste nach außen auf die Temperatur. Die Wärmeverluste haben eine Reduktion der Wandtemperaturen, also der Temperaturen des äußersten Mantels 18, zur Folge. Die mögliche übertragbare Wärmemenge in den Schritten S41, S42 ist zur Fehlerprävention limitiert. Hierzu wird eine physikalisch maximal erreichbare Temperaturerhöhung bestimmt und als Limitierung verwendet.
Das Steuergerät 3 ist eingerichtet ist, die Schritte S10,S20,S30,S40,S50 in Echtzeit durchzuführen. Das bedeutet, dass das Steuergerät die Schritte S10, S20, S30, S40 und S50 für alle Segmente 11,12,13 innerhalb von 0,5 Sekunden, bevorzugt innerhalb von 0,2 Sekunden und besonders bevorzugt innerhalb von 0,1 Sekunden durchführt.
So können transiente Prozesse vorteilhaft genau abgebildet werden.
Das Steuergerät 3 ist eingerichtet, die Schritte S30, S40 und S50 iterativ durchzuführen S60. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn ein numerischer Fehler größer als eine Toleranz ist. Das iterative Durchführen S60 ermöglicht es, mögliche Ungleichverteilungen der Temperatur in der dritten Dimension, die durch die axiale und radiale Diskretisierung nicht direkt erfasst werden können und zum Beispiel durch einseitiges Abkühlen eines oder mehrerer Segmente 11,12,13 oder durch ein unsymmetrisches Strömungsprofil entstehen können, aufzulösen. Alternativ können auch einzelne Schritte iterativ durchgeführt werden oder mehrere, verschachtelte Iterationsschleifen durchgeführt werden.
Die Ermittlung S40 des Wärmeübergangs und die Berechnung S50 der zweiten Temperaturverteilung erfolgen mit einem expliziten Lösungsverfahren. Dadurch wird die erforderliche Rechenzeit bei akzeptablen Verlusten an Genauigkeit vorteilhaft reduziert. Die reduzierte Rechenzeit ermöglicht beispielsweise eine Anpassung der Regelstrategie für eine DPF-Regeneration, eine NH3-Dosierung oder eine Abgastemperatur unter Berücksichtigung einer voraussichtlichen Fahrstrecke und Fahrweise oder einer Alterung eines Katalysators während eines Fahrbetriebs.
In einem Herstellungsverfahren für eine Vorrichtung eines Abgasnachbehandlungssystems 1 wird die Vorrichtung zwecks Optimierung der Temperaturverteilung unter Verwendung des in 1 gezeigten Verfahrens ausgelegt. Durch die Verwendung des Verfahrens können Anforderungen an die thermische Stabilität und einen erforderlichen Umsatz eines Katalysators 5,6 zur Erfüllung von Abgasnormen berechnet werden. Die für diese Funktionen optimale Beschichtung kann dann in dem Herstellungsverfahren auf den Katalysator aufgebracht werden. Für den so beschichteten Katalysator 5,6 können eine optimale Arbeitstemperatur und eine optimale Steuerung im Betrieb vorteilhaft umgesetzt werden. Unter Vorrichtung wird hier eine Komponente des Abgasnachbehandlungssystems 1 verstanden, wie beispielsweise ein Rohrabschnitte 4a,4b,4c,4d, ein Dieseloxidationskatalysator (DOC) 5, ein Dieselpartikelfilter 9, ein Rohrbogen 10, ein Heizelement 8, ein SCR (Selective Catalytic Reduction) Katalysator 6 oder ein Ammoniak-Schlupf Katalysator 7.
Das Abgasnachbehandlungssystem 1 wird bevorzugt in einem Fahrzeug eingesetzt, wobei das Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, aber auch mit einer Kombination aus Verbrennungs- und Elektromotor betrieben werden kann.
Die in 2 dargestellten Verfahrensschritte können unter anderem für folgende Anwendungen eingesetzt werden:

- Für den SCR Katalysator 6 kann die berechnete Temperaturverteilung als Grundlage zur Berechnung einer Ammoniakbeladung, einer lokalen Effizienz und/oder einer dazu passenden vorteilhaften Harnstoff-Einspritzmenge in einer Motorsteuerung genutzt werden,
- Im realen Fahrbetrieb ist die prädiktive Vorhersage der sich einstellenden Temperaturen möglich, wenn eine weitere Fahrstrecke anhand von Daten zur Positionsbestimmung des Fahrzeuges oder durch einen Vergleich von Charakteristika einer vorherigen Fahrstrecke bestimmt werden kann,
- Durch eine vorausschauende Beeinflussung der Abgastemperatur am Motorauslass kann eine präzise Optimierung von Temperaturen im Abgasnachbehandlungssystem 1 erreicht werden,
- Ein thermisches Verhalten in Pausenzeiten, wie beispielsweise bei Stillstand oder während rein elektrischen Fahrens, kann durch die zweidimensionale Berechnung der Temperaturverteilung dargestellt und berücksichtigt werden.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011103346 [0002]

Claims

Abgasnachbehandlungssystem (1), umfassend ein Steuergerät (3), wobei das Steuergerät (3) eingerichtet ist, die folgenden Schritte durchzuführen: - Ermitteln (S40) eines Wärmeübergangs innerhalb eines ersten Segments des Abgasnachbehandlungssystems unter Verwendung einer Massenstromverteilung und einer Eingangstemperaturverteilung, wobei der Wärmeübergang einen Energieübergang zwischen zumindest einem Teil des ersten Segments und einem anderen Teil des ersten Segments (S41) und/oder zwischen zumindest einem Teil des ersten Segments und zumindest einem Teil eines benachbarten Segments (S42) des Abgasnachbehandlungssystems umfasst und - Berechnen (S50) einer Temperaturverteilung in dem ersten Segment unter Verwendung des ermittelten Wärmeübergangs.
Abgasnachbehandlungssystem (1) nach Anspruch 1, wobei das erste Segment zumindest ein Abschnitt eines Rohres (4), eines Katalysators (5,6,7), eines Heizelementes (8), eines Filter (9), einer Rohrabzweigung oder eines Rohrbogens (10) ist.
Abgasnachbehandlungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die Berechnung (S50) der Temperaturverteilung ortsabhängig in axialer und/oder radialer Richtung bezogen auf die Strömungsrichtung eines Abgases erfolgt.
Abgasnachbehandlungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Steuergerät (3) eingerichtet ist, die Schritte (S40,S50) in Echtzeit durchzuführen.
Abgasnachbehandlungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abgasnachbehandlungssystem (1) ein zweites Segment umfasst und wobei das Steuergerät (3) eingerichtet ist, die berechnete Temperaturverteilung des ersten Segmentes als Eingangstemperaturverteilung für das zweite Segment zu berücksichtigen.
Abgasnachbehandlungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Steuergerät (3) eingerichtet ist, zumindest einen der Schritte (S40,S50) iterativ durchzuführen.
Abgasnachbehandlungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ermittlung (S40) des Wärmeübergangs und/oder die Berechnung (S50) der Temperaturverteilung mit einem expliziten Lösungsverfahren erfolgt.
Herstellungsverfahren eines Abgasnachbehandlungssystems (1), wobei das Abgasnachbehandlungssystem zwecks Optimierung der Temperaturverteilung unter Verwendung der Schritte nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgelegt wird.