DE10330913B4 - Method and device for metering reducing agent to the exhaust gas of an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Zumessen von NOx-Reduktionsmittel (30) zum Abgas eines Verbrennungsmotors (10) über ein Zumessventil (36), wobei der Verbrennungsmotor (10) in wenigstens zwei voneinander verschiedenen Bereichen (50, 52) von Betriebsparametern betrieben werden kann, die sich wenigstens durch einen Bedarf an Reduktionsmittel (30) unterscheiden, wobei eine Anpassung einer zuzumessenden Reduktionsmittelmenge an den Bedarf in einem ersten Bereich (50) durch Variation einer kontinuierlich zugemessenen Reduktionsmittelmenge erfolgt, und in einem zweiten Bereich (52) wenigstens teilweise durch eine diskontinuierlich intermittierende Zumessung von Reduktionsmittel erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Bereich (50) durch einen vergleichsweise hohen Bedarf an Reduktionsmittel (30) auszeichnet und dass sich der zweite Bereich (52) durch einen verringerten Bedarf an Reduktionsmittel auszeichnet.A method of metering NOx reductant (30) to the exhaust of an internal combustion engine (10) via a metering valve (36), wherein the internal combustion engine (10) is operable in at least two mutually different regions (50, 52) of operating parameters at least by a need for reductant (30), wherein an adjustment of a quantity of reductant to be metered to the demand in a first region (50) by varying a continuously metered amount of reducing agent, and in a second region (52) at least partially by a batch intermittent metering Reducing agent is carried out, characterized in that the first region (50) characterized by a relatively high demand for reducing agent (30) and that the second region (52) characterized by a reduced demand for reducing agent.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zumessen von NOx-Reduktionsmittel zum Abgas eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for metering NOx reducing agent to the exhaust gas of an internal combustion engine according to the preamble of
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät, das ein solches Verfahren steuert.Moreover, the invention relates to a control device which controls such a method.
Ein solches Verfahren und ein solches Steuergerät sind aus der
Es ist allgemein bekannt, dass der Stickoxidanteil am Abgas eines Verbrennungsmotors durch eine selektive katalytische Reduktion (SCR) verringert werden kann. Dazu wird dem Abgas eine unmittelbar reduzierend wirkende Substanz wie Ammoniak oder ein Vorprodukt zugeführt, das erst im Abgas reduzierende Substanzen freisetzt. Als Vorprodukt kann beispielsweise eine Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) verwendet werden. Bei einer Reaktion des Harnstoffs mit dem Wasser (kombinierte Thermolyse und Hydrolyse) entsteht Ammoniak (NH3), das bei der selektiven katalytischen Reduktion mit Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) zu molekularem Stickstoff (N2) und Wasser umgewandelt wird. Die selektive katalytische Reduktion findet in einem SCR-Katalysator statt. Die Hydrolyse kann durch einen vorgeschalteten Hydrolysekatalysator erfolgen. Eine Umwandlung der Harnstoff-Wasser-Lösung findet aber auch im Rahmen der SCR-Reaktion statt, so dass ein separater Hydrolysekatalysator nicht obligatorisch vorhanden sein muss.It is well known that the nitrogen oxide content in the exhaust gas of an internal combustion engine can be reduced by a selective catalytic reduction (SCR). For this purpose, a directly reducing substance such as ammonia or a precursor is supplied to the exhaust, which releases only in the exhaust reducing substances. As a precursor, for example, a urea-water solution (HWL) can be used. In a reaction of the urea with the water (combined thermolysis and hydrolysis) produces ammonia (NH3), which is converted in the selective catalytic reduction with nitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO2) to molecular nitrogen (N2) and water. The selective catalytic reduction takes place in an SCR catalyst. The hydrolysis can be carried out by an upstream hydrolysis catalyst. However, a conversion of the urea-water solution also takes place in the context of the SCR reaction, so that a separate hydrolysis catalyst need not necessarily be present.
Die eingangs genannte Druckschrift
Die Dosierung der Harnstoff-Wasser-Lösung erfolgt häufig mit Luftunterstützung durch ein sogenanntes Dosierrohr, das in den Abgasstrom hineinragt. Dieses Dosierrohr besteht beispielsweise aus einem gebogenen oder alternativ geradem Stahlrohr mit etwa 4 mm Außendurchmesser, 2 mm Innendurchmesser und Sprühlochern am Ende, durch die die Harnstoff-Wasser-Lösung in den Abgasstrom versprüht wird.The metering of the urea-water solution is often carried out with air support by a so-called metering tube, which projects into the exhaust gas stream. This metering tube consists for example of a bent or alternatively straight steel tube with about 4 mm outer diameter, 2 mm inner diameter and Sprühlochern at the end, through which the urea-water solution is sprayed into the exhaust stream.
In bestimmten Motorbetriebspunkten ist die benötigte Menge an Reduktionsmittel (HWL) gering. Bei diesen Betriebspunkten sind in Motorversuchen zum Teil Beeinträchtigungen der HWL-Dosierung aufgetreten, die die Erfüllung der jeweils gültigen Abgasgesetzgebung in Frage stellen. Die Beobachtungen und Untersuchungen der ausgefallenen Dosiervorrichtungen weisen darauf hin, dass sich Ablagerungen von Harnstoff oder von dessen Reaktionsprodukten innerhalb und außerhalb des Dosierrohrs ansammeln und nach einer gewissen Zeit zur Verstopfung des Rohrs und/oder der Sprühlöcher führen.In certain engine operating points, the required amount of reducing agent (HWL) is low. At these operating points, some impairments of the HWL dosage have occurred in engine tests which call into question the fulfillment of the respectively valid emission legislation. The observations and investigations of the failed metering devices indicate that deposits of urea or its reaction products accumulate inside and outside the metering tube and lead to clogging of the tube and / or the spray holes after a certain time.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Verfahrens zum Zumessen von NOx-Reduktionsmittel zum Abgas eines Verbrennungsmotors sowie in der Angabe eines Steuergerätes zur Steuerung des Verfahrens, das die Ansammlung von Ablagerungen von Harnstoff oder von dessen Reaktionsprodukten innerhalb und außerhalb des Dosierrohrs vermeidet und damit die Funktionsfähigkeit einer Abgasnachbehandlungsanlage mit Reduktionsmittelzumessung zum Abgas auch bei höheren Betriebsstundenzahlen aufrecht erhält.Against this background, the object of the invention is to provide a method for metering NOx reducing agent to the exhaust gas of an internal combustion engine and in the specification of a control device for controlling the process, the accumulation of deposits of urea or its reaction products inside and outside the metering tube avoids and thus maintains the functionality of an exhaust aftertreatment system with Reduktionsmittelzumessung the exhaust even at higher operating hours.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass sich der erste Bereich (
Entsprechend wird diese Aufgabe bei einem Steuergerät der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass sich der erste Bereich (
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Durch diese Merkmale wird die Aufgabe der Erfindung vollkommen gelöst. Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass sich im Inneren des Dosierrohrs bei allen Betriebspunkten des Verbrennungsmotors eine Filmströmung der Harnstoff-Wasser-Lösung an der Wand einstellt. Der Transport erfolgt durch Schubspannungen, die von der vorbeiströmenden Dosierluft in der Flüssigkeit hervorgerufen werden.By these features, the object of the invention is completely solved. The invention is based on the recognition that adjusts a film flow of urea-water solution on the wall in the interior of the metering at all operating points of the internal combustion engine. The transport takes place by shear stresses, which are caused by the passing dosing air in the liquid.
In Bereichen geringer NOx-Anteile im Rohabgas, die meist mit relativ niedrigen Abgastemperaturen korrelieren, werden geringe HWL-Mengen benötigt und es bildet sich offenbar nur ein dünner Flüssigkeitsfilm an der Rohrwand aus, der die Rohrwand schlecht kühlt. Als Folge bilden sich schlecht benetzte Zonen mit erhöhten Wandtemperaturen, an denen das Wasser lokal verdampft und es mit der Zeit zu Ablagerungen des festen Harnstoffs kommt. Diese Bedingungen treten bei geringen bis mittleren Drehzahlen des Verbrennungsmotors bei niedriger Last auf. Bei mittelschweren und schweren Lastkraftwagen (medium duty, heavy duty) liegen typische Werte niedriger Dosiermittelmengen bei Werten von etwa 300 bis 500 Gramm Harnstoff-Wasser-Lösung pro Stunde. Im Vergleich dazu liegen hohe Dosiermittelmengen in diesem technischen Umfeld typischerweise bei 2,5 bis 8 Kg pro Stunde. In areas of low levels of NOx in the raw exhaust gas, which usually correlate with relatively low exhaust gas temperatures, small amounts of HWL are required and evidently only a thin liquid film forms on the pipe wall, which badly cools the pipe wall. As a result, poorly wetted zones with elevated wall temperatures form, where the water locally vaporizes and solid urea deposits build up over time. These conditions occur at low to medium engine speeds at low load. Medium and heavy duty trucks typically have low dosages at levels of about 300 to 500 grams of urea-water solution per hour. In comparison, high dosages in this technical environment are typically 2.5 to 8 kg per hour.
Durch die diskontinuierlich intermittierende Zumessung kann die Dicke des Flüssigkeitsfilms zeitlich variiert werden. Als Folge kann verhindert werden, dass sich die Dicke eines Flüssigkeitsfilmes mehr oder weniger gleichmäßig bei kleiner werdendem Reduktionsmittelbedarf verringert. Durch diese Art der Zumessung kann periodisch eine größere Filmstärke, gewissermaßen ein Schwall oder eine Welle, erzeugt werden. Bei der größeren Filmstärke ist eine lokale Austrocknung nicht zu erwarten. Im Gegenteil: Bei geeigneter Wahl der Wiederholungsfrequenz und der Öffnungsimpulsbreiten des Zumessventils können eventuell vorhandene ältere Ablagerungen aufgelöst und weggeschwemmt werden. Da übliche SCR-Katalysatoren Harnstofffolgeprodukte und NH3 (Ammoniak) in gewissen Grenzen speichern können, ist das Verfahren ohne Beeinträchtigung des NOx-Umsatzes durchführbar. Als Folge kann die Abgasnachbehandlung zur NOx-Reduktion auch bei Nutzkraftwagen im unteren Teillastbereich sicher durchgeführt werden. Der untere Teillastbereich zeichnet sich durch eine vergleichsweise geringe NOx-Rohemission und damit durch einen geringen Reduktionsmittelbedarf aus.Due to the discontinuous intermittent metering, the thickness of the liquid film can be varied over time. As a result, it can be prevented that the thickness of a liquid film decreases more or less uniformly as the reducing agent requirement decreases. By this type of metering periodically a larger film thickness, in a sense, a surge or a wave can be generated. At the larger film thickness, a local dehydration is not expected. On the contrary: With a suitable choice of the repetition frequency and the opening pulse widths of the metering valve, any existing older deposits can be dissolved and washed away. Since conventional SCR catalysts can store urea products and NH3 (ammonia) within certain limits, the process is feasible without affecting the NOx conversion. As a result, the exhaust aftertreatment for NOx reduction can be carried out safely even in commercial vehicles in the lower part load range. The lower part load range is characterized by a comparatively low NOx raw emission and thus by a low reduction agent requirement.
Es ist bevorzugt, dass eine Umsteuerung der Zumessung von Reduktionsmittel beim Übergang zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich ohne eine sprunghafte Änderung der zugemessenen Menge an Reduktionsmittel erfolgt.It is preferred that a reversal of the metering of reducing agent takes place at the transition between the first region and the second region without a sudden change in the metered amount of reducing agent.
Durch diese Ausgestaltung wirkt sich der Wechsel zwischen beiden Zumessungsarten nicht in der zeitlich gemittelten Durchflussmenge aus. Da sich der Übergang von Betriebspunkten mit höherer NOx-Roh-Emission zu Betriebspunkten mit niedrigerer Roh-Emission ebenfalls ohne sprungartige Änderung der NOx-Menge vollzieht, kommt es beim Übergang weder zu einem Mangel an Reduktionsmittel, der die NOx-Konvertierung sinken ließe, noch zu einem Überschuss, der bei einem Durchbruch durch den SCR-Katalysator zu unerwünschten Emissionen von Ammoniak führen würde.Due to this configuration, the change between the two types of metering does not affect the time-averaged flow rate. Since the transition from operating points with higher NOx raw emission to operating points with lower raw emissions also without sudden change in the amount of NOx takes place, there is no transition to the lack of reducing agent, which would reduce the NOx conversion, nor to an excess that would result in undesirable emissions of ammonia if breached by the SCR catalyst.
Bevorzugt ist auch, dass die über das Zumessventil zugemessene Menge an Reduktionsmittel in einer Leitung durch ein in der Leitung strömendes Gas zum Abgas transportiert wird.It is also preferred that the metered via the metering valve amount of reducing agent is transported in a line through a gas flowing in the line to the exhaust gas.
Durch diese an sich bekannte Art des Reduktionsmitteltransports kann das Reduktionsmittel in das Abgas eingesprüht werden. Dadurch wird eine gute Dosierbarkeit der Reduktionsmittelzumessung und eine gute Verteilung des Reduktionsmittels im Abgas erzielt. Außerdem eröffnet der Reduktionsmitteltransport durch ein Gas weitere Freiheitsgrade bei der Beeinflussung des Transports des Reduktionsmittels zum Abgas. Dies wird in weiter unten vorgestellten Ausgestaltungen zur Vermeidung von Harnstoffablagerungen im Dosiersystem ausgenutzt.By this known type of reducing agent transport, the reducing agent can be sprayed into the exhaust gas. This achieves good metering of the reducing agent metering and good distribution of the reducing agent in the exhaust gas. In addition, the reduction agent transport through a gas opens up further degrees of freedom in influencing the transport of the reducing agent to the exhaust gas. This is exploited in embodiments presented below for avoiding urea deposits in the metering system.
Ferner ist bevorzugt, dass ein Volumenstrom des Gases in Abhängigkeit vom Reduktionsmittelbedarf gesteuert eingestellt wird.Furthermore, it is preferred that a volume flow of the gas is adjusted controlled in dependence on the reducing agent requirement.
Es hat sich gezeigt, dass eine Änderung der Dosierluftzufuhr, die zusätzlich zur Änderung des Musters erfolgt, mit dem ein Reduktionsmittelzumessventil angesteuert wird, die Bildung von Ablagerungen weiter verringern kann.It has been found that a change in the dosing air supply, in addition to the change in the pattern with which a reducing agent metering valve is activated, can further reduce the formation of deposits.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass bei verringertem Reduktionsmittelbedarf ein verringerter Volumenstrom eingestellt wird.A further preferred embodiment is characterized in that a reduced volume flow is set with reduced reducing agent requirement.
Durch diese Maßnahme wird die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit in dem Film verringert. Bei einer Verringerung des Druckes im Dosierrohr von 1,7 bar auf etwa 1,4 bar und einem Abgasgegendruck von etwa 1,1 bar hat sich eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit um etwa 30 Prozent ergeben. Damit nimmt auch die Wandschubspannung in dem Flüssigkeitsfilm stark ab und die Filmdicke steigt deutlich an. Gleichzeitig ist der Übergang von Wärme durch Konvektion, der für die Verdampfung von Wasser aus der Harnstoff-Wasser-Lösung mit verantwortlich ist, wegen der verringerten Reynoldszahl kleiner. Dadurch sinkt die Gefahr, dass sich durch Verdunstung von Wasser aus dem Film feste Ablagerungen bilden.By doing so, the flow rate of the liquid in the film is reduced. With a reduction of the pressure in the metering tube of 1.7 bar to about 1.4 bar and an exhaust gas back pressure of about 1.1 bar, a reduction in the flow rate by about 30 percent resulted. Thus, the wall shear stress in the liquid film decreases sharply and the film thickness increases significantly. At the same time, the transfer of heat by convection, which is responsible for the evaporation of water from the urea-water solution with, is smaller because of the reduced Reynolds number. This reduces the risk of solid deposits forming due to evaporation of water from the film.
Bevorzugt wird im ersten Bereich ein zeitlich kontinuierlicher Volumenstrom eingestellt und im zweiten Bereich wenigstens zeitweise ein pulsierender Volumenstrom eingestellt.Preferably, a time-continuous volumetric flow is set in the first region and a pulsating volumetric flow is set at least temporarily in the second region.
Es hat sich gezeigt, dass gerade die Erzeugung eines pulsierenden Volumenstroms von Dosierluft im zweiten Bereich, also dort, wo die Menge des zuzumessenden Reduktionsmittels durch eine Variation der Wiederholungsfrequenz der Öffnungsimpulsbreiten an den Bedarf angepasst wird, zu einer weiteren Verringerung der Bildung von Ablagerungen führt.It has been shown that precisely the generation of a pulsating volume flow of dosing air in the second region, ie where the amount of the reducing agent to be metered by a Variation of the repetition frequency of the opening pulse widths is adjusted to the needs, leading to a further reduction of the formation of deposits.
Dabei ist bevorzugt, dass das Niveau des im zweiten Bereich pulsierenden Volumenstroms kleiner ist als Niveau des Volumenstroms im ersten Bereich.It is preferred that the level of the volume flow pulsating in the second area is smaller than the level of the volume flow in the first area.
Bevorzugt ist auch, dass das Niveau des Volumenstroms im zweiten Bereich bei einem Übergang in den ersten Bereich rampenförmig auf das höhere Niveau für den ersten Bereich umgesteuert wird.It is also preferred that the level of the volumetric flow in the second region is reversed in a ramp-shaped manner to the higher level for the first region during a transition into the first region.
Besonders bevorzugt ist auch, dass der pulsierende Volumenstrom bei geschlossenem Zumessventil eingestellt wird.It is also particularly preferred that the pulsating volume flow is adjusted when the metering valve is closed.
Diese Maßnahmen verstärkt den Vorteil einer verringerten Bildung von Ablagerungen weiter. In der Praxis hat sich gezeigt, dass insbesondere diese Merkmale in Verbindung mit den vorstehenden Merkmalen einen besonders großen positiven Einfluss auf die gewünschte Verringerung der Bildung von Ablagerungen hat.These measures further enhance the advantage of reduced deposit formation. In practice, it has been found in particular that these features in combination with the above features have a particularly great positive influence on the desired reduction in the formation of deposits.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung liegt die Wiederholungsfrequenz im ersten Bereich zwischen 2 und 15 Hz, und sie wird im zweiten Bereich so eingestellt, dass das Zumessventil jeweils für Zeitintervalle von 0,5 s bis 10 s geschlossen wird.In a preferred embodiment, the repetition frequency in the first range is between 2 and 15 Hz, and it is set in the second range so that the metering valve is closed in each case for time intervals of 0.5 s to 10 s.
Diese Intervalle haben sich als guter Kompromiss zur Realisierung vergleichsweise großer Reduktionsmittelströme bei hohen NOx-Roh-Emissionen des Verbrennungsmotors und vergleichsweise kleiner Reduktionsmittelströme im Bereich geringerer NOx-Roh-Emissionen des Verbrennungsmotors in Verbindung mit einer Verringerung der Bildung von Ablagerungen im Dosiersystem herausgestellt.These intervals have proven to be a good compromise for realizing comparatively large reductant streams at high NOx raw emissions of the engine and comparatively small reductant streams in the region of lower NOx raw emissions of the engine in conjunction with a reduction in the formation of deposits in the dosing system.
Mit Blick auf das Steuergerät ist bevorzugt, dass es wenigstens eines der oben genannten Verfahren und Ausgestaltungen steuert.With regard to the control unit, it is preferred that it controls at least one of the above-mentioned methods and configurations.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.Further advantages will become apparent from the description and the accompanying figures.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Zeichnungendrawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description. Show it:
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
Bei dem Verbrennungsmotor
Zur Dosierung des Reduktionsmittels
Das Dosierluftsystem
Die vom Dosierluftsystem
In der
Um das Reduktionsmittel
Die Pulsfolge
Die Dosierluftmenge wird im Beispiel der
Wie eingangs erwähnt, haben sich bei der Dosierung kleiner Mengen von Reduktionsmittel mit einem Ansteuermuster für das Zumessventil
Ein Beispiel für ein zweites Ansteuermuster ist in der
Die Zeitdauern
Dieser erwünschte Effekt kann noch dadurch verstärkt werden, dass der Volumenstrom
Die durch den Wechsel der Dosierluftmengen-Niveaus
Alternativ oder ergänzend kann einer Verstopfung des Dosierrohrs
Ebenfalls alternativ oder ergänzend kann einer Verstopfung des Dosierrohrs
Bei konsequenter Anwendung sind diese Maßnahmen auch in Alleinstellung zur Lösung der Aufgabe der Erfindung in der Lage.With consistent application, these measures are also in isolation to achieve the object of the invention in a position.
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R016 | Response to examination communication | ||
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |