DE102020215546A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer Menge eines Reduktionsmittels zur Reduktion von NOx im Abgas einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Menge eines Reduktionsmittels zur Reduktion von NOx im Abgas einer Brennkraftmaschine in ein SCR Katalysatorsystem, wobei das SCR Katalysatorsystem einen ersten SCR Katalysator (1) und einen zweiten SCR Katalysator (2) aufweist. Das Reduktionsmittel wird vor dem ersten SCR Katalysator (1) eingebracht, wobei ein Gemisch von NOx und Reduktionsmittel nach dem ersten SCR Katalysator (1) dem zweiten Katalysator (2) zugeführt wird. Die Menge von Reduktionsmittel und NOx nach dem ersten SCR Katalysator (1) und nach dem zweiten SCR Katalysator (21) wird bestimmt. Ein erster Regelbeitrag aufgrund der Menge von Reduktionsmittel nach dem ersten SCR Katalysator (1) und ein zweiter Regelbeitrag aufgrund der Menge von Reduktionsmittel nach dem ersten SCR Katalysator (1) und dem zweiten SCR Katalysator (2) wird bestimmt. Die Bestimmung von Reduktionsmittel und NOx nach dem ersten SCR Katalysator (1) wird verändert, um den ersten und zweiten Regelbeitrag anzugleichen.

Description

• Stand der Technik
• Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Regelung einer Menge eines Reduktionsmittels zur Reduktion von NOx im Abgas einer Brennkraftmaschine nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche. Es sind bereits Vorrichtungen zur Reduktion von NOx im Abgas einer Brennkraftmaschine bekannt, die einen ersten SCR Katalysator und einen zweiten SCR Katalysator aufweisen. Typischerweise ist für derartige Katalysatorsysteme eine Einspritzung eines Reduktionsmittels vor dem ersten SCR-Katalysator bekannt. Optional kann auch eine Einspritzung eines Reduktionsmittels vor dem zweiten SCR Katalysator verwendet werden. Bei derartigen Katalysatorsystemen ist es vorteilhaft, wenn nach dem ersten SCR Katalysator nicht nur die Menge an NOx, sondern auch die noch verbliebene Menge an Reduktionsmittel bestimmt wird.
• Vorteile der Erfindung
• Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Regelung einer Menge eines Reduktionsmittels zur Reduktion von NOx im Abgas einer Brennkraftmaschine hat demgegenüber den Vorteil, dass eine besonders genaue Regelung der Menge des Reduktionsmittels, welches vor dem ersten SCR Katalysator eingebracht wird, erreicht wird. Insbesondere kann so eine genaue Anpassung der eingebrachten Menge an das jeweilige Katalysatorsystem erfolgen. Es kann somit eine besonders gute Reduktion von NOx im Abgas erfolgen und es wird eine Abgabe von Reduktionsmitteln an die Umwelt reduziert.
• Weitere Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche. Besonders vorteilhaft ist eine Veränderung des Verhältnisses von NOx und Reduktionsmittel bei der Bestimmung von Reduktionsmittel nach dem erste SCR Katalysator, da so sowohl der erste Regelbeitrag, wie auch der zweite Regelbeitrag beeinflusst wird. Die Bestimmung erfolgt entweder durch eine Messung mit einem Sensor oder durch ein Modell. Die Regelung erfolgt dabei so, dass sowohl die Menge an noch verbliebenem NOx wie auch die noch verbliebene Menge an Reduktionsmittel nach dem zweiten SCR Katalysator auf Null gebracht wird. Die Bestimmung der Menge des Reduktionsmittels, die vor dem ersten SCR Katalysator eingebracht wird, erfolgt unter Berücksichtigung des ersten und des zweiten Regelbeitrags, insbesondere durch eine Mittelwertbildung.
• Figurenliste
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 eine schematische Ansicht eines Katalysatorsystems und
• 2 eine Veränderung des Verhältnisses der Menge an NOx und Reduktionsmittel nach dem ersten SCR Katalysator und den ersten und zweiten Regelanteil.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung
• In der 1 wird schematisch ein Katalysatorsystem zur Reduktion von NOx im Abgas einer Brennkraftmaschine gezeigt. Die Strömung des Abgases erfolgt in der Darstellung der 1 von links nach rechts. Die Abgase einer, zeichnerisch nicht dargestellten, Brennkraftmaschine strömen durch einen Abgasrohr 10 in einen erste Oxidationskatalysator 11. Vor dem Oxidationskatalysator 11 ist im Abgasrohr 10 ein erster Sensor 12 angeordnete, durch den die Menge an NOx im Abgas gemessen wird. Nach dem Oxidationskatalysator 11 ist in Flussrichtung des Abgases ein erste SCR Katalysator 1 angeordnet. Vor dem erste SCR Katalysator 1 ist ein Einspritzventil 21 zur Einspritzung einer Reduktionsmittellösung vorgesehen. Üblicherweise handelt es sich bei der Reduktionsmittellösung um eine Harnstoff-Wasserlösung, die in dem Abgas als eigentliches Reduktionsmittel Ammoniak (NH3) erzeugt. In Strömungsrichtung nach dem ersten SCR Katalysator 1 ist ein zweiter SCR Katalysator 2 angeordnet. Das Abgas durchströmte somit zunächst den Oxidationskatalysator 11, dann den ersten SCR Katalysator 1, dann den zweiten SCR Katalysator 2 um dann durch das Abgasrohr 14 an die Umwelt abgegeben zu werden.
• Vor dem zweiten SCR Katalysator 2 ist in 1 ein weiteres Einspritzventil 22 zur Einspritzung von Reduktionsmittellösung angeordnet. Das zweite Einspritzventil 22 vor dem zweiten SCR Katalysator 2 ist optional und kann bei vielen Abgassystemen weggelassen werden. Eine Einspritzung von Reduktionsmittellösung über dieses zweite Einspritzventil 22 ist optional bzw. nur in besonderen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine bzw. des Abgassystems erforderlich. Bei einem normalen Betrieb sollte das zweite Einspritzventil 22 nicht in Betrieb sein bzw. nur bei außergewöhnlichen Betriebszuständen genutzt werden, in denen durch das erste Einspritzventil 21 keine ausreichende Menge an Reduktionsmittellösung eingespritzt werden kann. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn eine sehr große Menge an NOx im Abgas enthalten ist oder wenn das eingespritzt Reduktionsmittel auf der Oberfläche des erste SCR Katalysators abgeschieden wird und somit nicht für eine Reduktion von NOx im zweiten SCR Katalysator zur Verfügung steht. Dies kann insbesondere bei einem stark variierenden Temperaturverlauf im ersten SCR Katalysator 1 der Fall sein.
• Weiterhin ist jeweils nach dem erste SCR Katalysator 1 ein Sensor 15 und nach dem zweite SCR Katalysator 2 ein Sensor 16 vorgesehen, durch die die Bestandteile des Abgases nach dem jeweiligen SCR Katalysator bestimmt werden. Insbesondere sind dabei die Sensoren als so genannter Multigassensoren ausgebildet, die einen Sensor zur Messung von NOx und einen Sensor zur Messung von NH3 aufweist. Der Sensor für die Bestimmung von NOx ist dabei querempfindlich für NH3 und misst somit ein Summensignal von NOx und NH3. Der Sensor zur Messung von NH3 misst nur den Anteil von NH3 und ist relativ ungenau. Es kann sowohl zu einer Abweichung nach oben wie auch nach unten kommen. Der Anteil von NOx wird dann durch eine Subtraktion der Sensorsignale voneinander gebildet. Alternativ kann zumindest die Bestimmung von NOx und NH3 nach dem ersten Katalysator 1 auch durch reine NOx Sensoren nach dem ersten und dem zweiten Katalysator 2 erfolgen. Dabei werden jeweils die NOx Signale nach dem ersten und zweiten Katalysator 1, 2 miteinander verglichen und es wird aus einem Modell der Anteil von NH3 nach dem ersten Katalysator errechnet. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der DE 10 2016 201 602 beschrieben. In der 1 wird der Fall mit einem Multigassensor 15 gezeigt.
• Für das Gesamtsystem kommt dem Sensor 15, d.h. dem Sensor der nach dem erste SCR Katalysator angeordnet ist, eine besondere Bedeutung zu. Eine fehlerhafte Messung an diesem Sensor 15 hat einen Einfluss auf beide Katalysatoren, da der im Sensor 15 gemessener NH3 Wert sowohl die Regelung des ersten Katalysators wie auch die Regelung des zweiten Katalysators beeinflusst.
• Zur Regelung der Einspritzungsmenge der Reduktionsmittellösung vor dem ersten Katalysator 1 durch das Einspritzventil 21 wird ein erster Regelbeitrag facDosCat1 aufgrund einer erste Regelschleife des ersten Katalysators 1 und ein zweiter Regelbeitrag facDosCat2 aufgrund einer zweiten Regelschleife des zweiten Katalysators 2 berechnet. Diese errechnen sich nach:
• 1) $\text{facDOSCat}1=\text{NH}3\text{DosCat}1\text{/NH}3\text{CnvCat}1$
  
• 2) $\text{facDOSCat}2=\text{NH}3\text{DosCat}2\text{/NH}3\text{CnvCat}2$
  
• Dabei wird durch NH3DosCat1 eine effektive Menge des Reduktionsmittels des Katalysators 1, durch NH3CnvCat1 eine durch Reduktion von NOx verbrauchte Menge des Reduktionsmittels des Katalysators 1 und durch NH3DosCat2 eine effektive Menge des Reduktionsmittels des Katalysators 2, durch NH3CnvCat2 eine durch die Reduktion von NOx verbrauchte Menge des Reduktionsmittels des Katalysators 2 angegeben. Die jeweilige Menge an verbrauchten Reduktionsmittel ergibt sich durch:
• 3) $\text{NH}3\text{CnvCat}1=\text{NH}3\text{FdCat}1\times \text{EffCat}1$
  
• 4) $\text{NH}3\text{CnvCat}2=\text{NH}3\text{FdCat}2\times \text{EffCat}2.$
  
• Dabei wird durch NH3FdCat1 die Menge an Reduktionsmittel bei 100 % Wirkungsgrad, durch EffCat1 der Wirkungsgrad für den SCR Katalysator 1 und durch NH3FdCat2 die Menge an Reduktionsmittel bei 100 % Wirkungsgrad, durch EffCat2 der Wirkungsgrad für den SCR Katalysator 2 angegeben.
• Die effektive Menge an Reduktionsmittel für die Katalysatoren 1 und 2 berechnet sich durch:
• 5) $\begin{array}{l}\text{NH}3\text{DosCat}1=\text{NH}3\text{CurrCat}1\times \text{facAdpCat}1-\text{NH}3\text{F}\ddot{\text{u}}\text{llCat}1-\text{NH}3\text{O}\times \text{Cat}1-\\ \text{NH}3\text{SlipCat}1\end{array}$
  
• 6) $\begin{array}{l}\text{NH}3\text{DosCat}2=\text{NH}3\text{CurrCat}2\times \text{facAdpCat}2-\text{NH}3\text{F}\ddot{\text{u}}\text{llCat}2-\text{NH}3\text{O}\times \text{Cat}2-\\ \text{NH}3\text{SlipCat}1-\text{NH}3\text{SlipCat}2\end{array}$
  
• Dabei wird durch NH3CurrCatl die aktuelle Menge der Einspritzung von Reduktionsmittel vor dem SCR Katalysator 1 korrigierte mit einem adaptierten Faktor facAdpCat1, durch NH3FüllCat1 die aktuelle Füllung des Katalysators 1, durch NH3OxCat1 die oxidierte Menge von Reduktionsmittel im ersten Katalysator 1 und durch NH3SlipCat1 der Schlupf (Slip) von Reduktionsmittel des Katalysators 1 angegeben. Der Schlupf von Reduktionsmittel gibt dabei an welche Menge von Reduktionsmittel einfach durch den Katalysator 1 hindurchfließt und so an den zweiten Katalysator weitergegeben wird. Durch NH3CurrCat2 wird die aktuelle Menge der Einspritzung von Reduktionsmittel vor dem SCR Katalysator 2 korrigierte mit einem adaptierten Faktor facAdpCat2, durch NH3FüllCat2 die aktuelle Füllung des Katalysators 2, durch NH30xCat2 die oxidierte Menge von Reduktionsmittel im Katalysator 2 und durch NH3SlipCat2 der Schlupf (Slip) von Reduktionsmittel des Katalysators 2 angegeben. Zu beachten ist dabei das der Term NH3SlipCat1 sowohl in Formel 5 wie auch in Formel 6 jedoch mit unterschiedlichem Vorzeichen auftaucht. In der Formel 5 wird durch einen Schlupf des SCR Katalysator 1 die Menge an effektivem Reduktionsmittel verringert und in Formel 6 entsprechend erhöht. Der Schlupf des SCR Katalysators 1 steht somit nicht im erste Katalysator 1 für eine Reduktion von NOx zur Verfügung, sondern erst im zweite Katalysator 2.
• Bei der Füllung eines SCR Katalysators handelt es sich um eine Einlagerung oder Auslagerung bzw. Absorption oder Desorption von NH3 auf der Oberfläche des Katalysators. Ein guter Wirkungsgrad eines SCR Katalysators wird nur erreicht, wenn eine ausreichende Menge an NH3 auf der Oberfläche eingelagert oder absorbiert ist. Da die Absorption bzw. Einlagerung stark temperaturabhängig ist kann es jedoch, insbesondere bei Temperatursprüngen, zu einer starken Einlagerung oder Auslagerung von Reduktionsmittel kommen. Entsprechend stark wird in diesen Betriebszuständen der Schlupf an Reduktionsmittel beeinflusst. Dieser Einfluss wird durch den Term NH3FüllCat berücksichtigt.
• Durch eine Oxidation mit Sauerstoff im Abgas wird das Reduktionsmittel oxidiert und steht dann für eine Reduktion des NOx nicht mehr zur Verfügung. Dieser Einfluss wird durch den Term NH30xCat berücksichtigt.
• Der Schlupf des ersten Katalysators NH3SlipCat1 kann durch den Sensor 15 gemessen werden. Dabei ist jedoch das Messsignal NH3Mess durch einen Korrekturfaktor facNH3Corr zu korrigieren:
• 7) $\text{NH}3\text{SlipCat}1=\text{NH}3\text{Mess}\times \text{facNH}3\text{Corr}.$
  
• Wenn das Abgassystem so verwendet wird, dass eine Einspritzung von Reduktionsmittellösung überwiegend mit dem erste Einspritzventil 21 erfolgt, so wird die Menge NH3CurrCat2 in der Formel 6 sehr klein bzw. 0. Weiterhin soll die Regelung des Abgassystems so erfolgen, dass auch kein Reduktionsmittel an die Umwelt abgegeben wird. Somit wird der Term NH3SlipCat2 in der Formel 6 ebenfalls sehr klein oder 0. Unter diesen beiden Randbedingungen und einen richtigen Wert für facN H3Corr nähern sich die beiden Regelbeiträge an, so das gilt:
• 8) $\text{facDOSCat}1=\text{facDOSCat}2\text{oder facDOSCat}1-\text{facDOSCAT}2=0.$
  
• Um diese beiden Regelbeiträge aneinander anzugleichen bzw. die Differenz sehr klein werden zu lassen erfolgt eine Anpassung des Korrekturfaktors facNH3Corr in der Formel 7 durch einen I-Regler. Es kann so sichergestellt werden, dass durch ein korrigiertes Messsignal NH3Mess die Menge des Schlupf des ersten SCR Katalysator NH3SlipCat1 richtig wiedergegeben wird. Idealerweise liegt der Korrekturfaktor facNH3Corr sehr nahe bei dem Wert 1. Schon kleine Ungenauigkeiten der Bestimmung des Schlupf des ersten SCR Katalysators haben einen sehr großen Effekt auf die Dosierung der Reduktionsmittellösung.
• Für die Berechnung der tatsächlich eingespritzten Reduktionsmittellösung wird der Mittelwert der beiden Regelbeiträge gebildet:
• 9) $\text{Mittelwert}=\left(\text{facDOSCat}1+\text{facDOSCat}2\right)\text{/}2$
  
• Je nachdem wie weit der ermittelte Wert für den Schlupf NH3SlipCat1 des ersten Katalysators von der Realität abweicht wird, die Regelung für beide SCR Katalysatoren beeinflusst. Zeigt NH3SlipCat1 eine zu große Menge an NH3 an, so wird die Regelung für den ersten Katalysator die Einspritzung der Reduktionsmittelmenge verringern wollen. Gleichzeitig erhält der zweite Katalysator zu wenig NH3 und wird entsprechend die Reduktionsmittelmenge erhöhen wollen. Dies führt dazu, dass sich die jeweiligen Regelbeiträge nicht aneinander annähern, sondern entfernen, was wieder eine entsprechend entgegenwirkende Anpassung des Korrekturfaktors facNH3Corr in Formel 7 bewirkt. Es wird so durch eine entsprechende Anpassung des Regelbeitrag 1 und Regelbeitrag 2 eine Richtigstellung der Bestimmung des Schlupf an Reduktionsmittel bewirkt.
• In der 2 wird der Verlauf des Korrekturwert für den NH3 Schlupf facNH3Corr und der Verlauf der Regelbeiträge facDOSCat1 und facDOSCat2 gegenüber der Zeit bei einem Betrieb des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Abgassystems dargestellt. Wie zu erkennen ist, nähern sich die beiden Regelbeiträge facDOSCat1 und facDOSCat2 mit der Zeit immer weiter aneinander an, während gleichzeitig der Korrekturwert facNH3Corr sich dem Wert 1 annähert. Dieses Verhalten belegt eindeutig, dass die Qualität der Regelung der Menge des Reduktionsmittels, welches vor dem ersten SCR Katalysator 1 eingespritzt wird, verbessert wird.
• Um das beschriebene Verfahren durchzuführen müssen zunächst eine Reihe von Vorbedingungen erfüllt sein. Die Funktionsbereitschaft der Sensoren 12, 15 und 16 und der Einspritzventile 21 und 22 muss gegeben sein. Weiterhin sollten die Katalysatoren 11, 1 und 2 in einem zulässigen Temperaturbereich liegen, keine Fehlermeldung zu den Katalysatoren vorliegen und eine ausreichende Füllung mit Reduktionsmittel in den Katalysatoren 1 und 2 gegeben sein.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102016201602 [0008]

Claims (9)

1. Verfahren zur Regelung einer Menge eines Reduktionsmittels zur Reduktion von NOx im Abgas einer Brennkraftmaschine in ein SCR Katalysatorsystem, wobei das SCR Katalysatorsystem einen ersten SCR Katalysator (1) und einen zweiten SCR Katalysator (2) aufweist, wobei das Reduktionsmittel vor dem ersten SCR Katalysator (1) eingebracht wird, wobei ein Gemisch von NOx und Reduktionsmittel nach dem ersten SCR Katalysator (1) dem zweiten Katalysator (2) zugeführt wird, wobei die Menge von Reduktionsmittel und NOx nach dem ersten SCR Katalysator (1) und nach dem zweiten SCR Katalysator (21) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Regelbeitrag aufgrund der Menge von Reduktionsmittel nach dem ersten SCR Katalysator (1) und ein zweiter Regelbeitrag aufgrund der Menge von Reduktionsmittel nach dem ersten SCR Katalysator (1) und dem zweiten SCR Katalysator (2) bestimmt wird, und dass die Bestimmung von Reduktionsmittel und NOx nach dem ersten SCR Katalysator (1) verändert wird um den ersten und zweiten Regelbeitrag anzugleichen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung von Reduktionsmittel und NOx nach dem ersten SCR Katalysator (1) dahingehend verändert wird, dass ein Verhältnis der Menge an NOx und Reduktionsmittel verändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Menge von NOx und Reduktionsmittel nach dem ersten SCR Katalysator (1) durch einen Sensor gemessen oder durch ein Modell bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den zweiten Regelbeitrag NOx und Reduktionsmittel nach dem zweiten SCR Katalysator (2) möglichst gering wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Regelung der Menge des Reaktionsmittels vor dem ersten SCR Katalysator (1) zur Reduktion von NOx im Abgas der erste und zweite Regelbeitrag berücksichtigt wird, wobei insbesondere ein Mittelwert der Regelbeiträge ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den ersten Regelbeitrag die Menge an Reduktionsmittel die vor dem ersten SCR Katalysator (1) eingebracht wird, eine Füllung des Reduktionsmittels im ersten SCR Katalysator (1), eine Menge an oxidiertem Reduktionsmittel im ersten SCR Katalysator (1) und ein Schlupf des Reduktionsmittels des ersten Katalysators (1) berücksichtigt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den zweiten Regelbeitrag eine Menge an Reduktionsmittel die vor dem zweiten SCR Katalysator (2) eingebracht wird, eine Füllung des Reduktionsmittels im zweiten SCR Katalysator (2), eine Menge an oxidiertem Reduktionsmittel im zweiten SCR Katalysator (2), ein Schlupf des Reduktionsmittels des ersten Katalysators (1) und ein Schlupf des Reduktionsmittels des zweiten Katalysators (2) berücksichtigt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an Reduktionsmittel, die vor dem zweiten SCR Katalysator (2) eingebracht wird, möglichst gering gewählt wird.
9. Vorrichtung zur Regelung einer Menge eines Reduktionsmittels zur Reduktion von NOx im Abgas einer Brennkraftmaschine in ein SCR Katalysatorsystem, wobei das SCR Katalysatorsystem einen ersten SCR Katalysator (1) und einen zweiten SCR Katalysator (2) aufweist, wobei das Reduktionsmittel vor dem ersten SCR Katalysator (1) eingebracht wird, wobei ein Gemisch von NOx und Reduktionsmittel nach dem ersten SCR Katalysator (1) dem zweiten Katalysator (2) zugeführt wird, wobei die Menge von Reduktionsmittel und NOx nach dem ersten SCR Katalysator (1) und nach dem zweiten SCR Katalysator (21) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind die einen ersten Regelbeitrag aufgrund der Menge von Reduktionsmittel nach dem ersten SCR Katalysator (1) und ein zweiter Regelbeitrag aufgrund der Menge von Reduktionsmittel nach dem ersten SCR Katalysator (1) und dem zweiten SCR Katalysator (2) bestimmen, und die Bestimmung von Reduktionsmittel und NOx nach dem ersten SCR Katalysator (1) verändern um den ersten und zweiten Regelbeitrag anzugleichen.

Images