DE10347132A1

DE10347132A1 - Abgasnachbehandlungssysteme

Info

Publication number: DE10347132A1
Application number: DE10347132A
Authority: DE
Inventors: Devesh Dearborn Upadhyay; Michiel J. van Ann Arbor Nieuwstadt
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2002-11-21
Filing date: 2003-10-10
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2023-10-11
Also published as: US20040098974A1; US7093427B2; DE10347132B4

Abstract

Es wird ein Verfahren für die Schätzung einer Menge an in einem harnstoffbasierten SCR-Katalysator gespeichertem Ammoniak auf der Grundlage eines dynamischen Modells des Katalysators vorgestellt. Das Modell berücksichtigt die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Katalysators, wie z. B. Katalysatorvolumen, die Anzahl der verfügbaren Ammoniakspeicherorte, Absorptions- und Desorptionsdynamiken sowie Schwefelvergiftung, thermisches Altern und verschiedene Katalysator-Betriebstemperaturen, und generiert die Schätzung auf der Grundlage einer gemessenen oder geschätzten Menge von NO¶x¶ in einer Abgasmischung stromauf vom Katalysator, auf der Grundlage einer Menge von zur Erleichterung der NO¶x¶-Reduktion in den Katalysator eingespritztem Reduktant und auf der Grundlage eines gemessenen Wertes von NO¶x¶ in einer Abgasmischung stromab vom Katalysator. Die geschätzte Menge von gespeichertem Ammoniak wird dann dazu verwendet, um die gewünschte Ammoniakspeichermenge so aufrechtzuhalten, daß ein maximaler NO¶x¶-Umwandlungswirkungsgrad verbunden mit minimalem Austreten von Ammoniak erreicht wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Abgasreinigungssystem für Diesel- und sonstige Fahrzeuge mit Magermotoren und insbesondere auf das Erreichen optimaler NOx-Umwandlungswirkungsgrade bei gleichzeitiger Minimierung des Austretens von Ammoniak aus einem harnstoffbasierten Katalysator für selektive katalytische Reduktion (SCR-Katalysator) durch Steuern des Anteils der Katalysatoroberfläche, in der Ammoniak gespeichert ist.

Hintergrund und Zusammenfassung der Erfindung

Die aktuellen Abgasvorschriften erfordern in den Abgassystemen von Kraftfahrzeugen die Verwendung von Katalysatoren, um Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickoxide (NOx), die während des Motorbetriebes entstehen, in nicht vorschriftswidrige Abgase umzuwandeln. Mit Diesel- oder sonstigen Magermotoren ausgerüstete Fahrzeuge bieten den Vorteil verbesserter Kraftstoffökonomie, jedoch ist in solchen Systemen die katalytische Reduktion von NOx-Emissionen über konventionelle Mittel aufgrund des hohen Anteils von Sauerstoff im Abgas schwierig. In diesem Zusammenhang sind Katalysatoren für selektive katalytische Reduktion (SRC-Katalysatoren), bei denen NOx durch aktives Einspritzen eines Reduktants in die in den Katalysator eintretende Abgasmischung kontinuierlich entfernt wird, für die Erreichung hoher NOx-Umwandlungswirkungsgrade bekannt. Harnstoffbasierte SCR-Katalysatoren verwenden gasförmiges Ammoniak als den aktiven NO_x reduzierenden Wirkstoff. Typischerweise wird eine wäßrige Lösung von Harnstoff an Bord eines Fahrzeuges mitgeführt, und es wird ein Einspritzsystem dazu verwendet, es dem in den SCR- Katalysator eintretenden Abgasstrom zuzuführen, wo es sich in Hydrozyanidsäure (NHCO) und gasförmiges Ammoniak (NH₃) zerlegt, welches dann dazu verwendet wird, NOx umzuwandeln. Jedoch müssen bei solchen Systemen die Harnstoffeinspritzwerte sehr präzise gesteuert werden. Unzureichende Einspritzung von Harnstoff kann zu nicht optimaler NOx-Umwandlung führen, während eine Überschußeinspritzung zu einem Austreten von Ammoniak aus dem Auspuffendrohr führen kann. Bei einem typischen harnstoffbasierten SCR-Katalysatorsystem ist die Menge eingespritzten Harnstoffs proportional zu der Zuführgas-NOx-Konzentration, die auf einer Abwägung zwischen maximaler NOx-Umwandlung und minimalem Austreten von Ammoniak beruht.

Die Erfinder haben einen Nachteil bei der Vorgehensweise nach dem Stand der Technik erkannt. Diese Vorgehensweise erfordert nämlich mehrere Kalibrierkennfelder, um das komplizierte Verhalten des Katalysators hinsichtlich der Absorption und Desorption von Ammoniak als Funktion der Motorbetriebsbedingungen und der Katalysatorbeschädigung zu berücksichtigen, und ist demzufolge inhärent unpräzise.

Der Erfinder haben des weiteren erkannt, daß zwar der NOx-Umwandlungswirkungsgrad eines SCR-Katalysators in Gegenwart von absorbiertem Ammoniak verbessert wird, es aber nicht notwendig ist, daß die gesamte Katalysator-Speicherkapazität durch Ammoniak genutzt wird, um einen optimalen NOx-Umwandlungswirkungsgrad zu erreichen. Des weiteren haben die Erfinder erkannt, daß unter bestimmten Betriebsbedingungen, wie z.B. bei hohen SCR-Katalysator-Temperaturen und wenn die Menge des im Katalysator gespeicherten Ammoniaks zu hoch ist, ein Teil davon desorbieren und aus dem Katalysator austreten oder zu NOx oxidiert werden kann, wodurch der Gesamt-NOx-Umwandlungswirkungsgrad reduziert wird. Demzufolge haben die Erfinder festgestellt, daß es für das Erreichen einer optimalen NOx-Reduzierung und Minimierung des Austretens von Ammoniak in einem harnstoffbasierten SCR-Katalysator ganz entscheidend ist, die Menge an Ammoniak zu regeln, die im SCR-Katalysator abgespeichert ist. Da eine direkte Messung nicht möglich ist, haben die Erfinder entsprechend ein präzises Verfahren entwickelt, um die Menge des im SCR-Katalysator abgespeicherten Ammoniaks zu schätzen.

Nach der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Schätzung einer Menge von in einer stromab eines Innenverbrennungsmotors angeschlossenen Abgasnachbehandlungsvorrichtung gespeichertem Reduktant: Einspritzen von Reduktant in die Vorrichtung zur Reaktion mit einer Komponente eines Motorabgasgemischs und Schätzen der in der Vorrichtung gespeicherten Reduktantmenge auf der Grundlage einer Menge der genannten Abgaskomponente stromab von der Vorrichtung.

Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Verfahren dazu verwendet, auf der Grundlage einer NOx-Menge im Abgas stromab vom SCR-Katalysator eine in einem SCR-Katalysator gespeicherte Ammoniakmenge zu schätzen.

Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Menge an gespeichertem Ammoniak durch das Verhältnis der Anzahl der Katalysatorspeicherorte, die absorbiertes Ammoniak enthalten, zur Gesamtzahl der normalerweise verfügbaren Katalysatorspeicherort, d.h. des Anteils der Oberfläche des SCR-Katalysators, in der Ammoniak gespeichert ist, dargestellt.

Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt das Verfahren die Vorhersage der Menge des aus dem Katalysator austretenden Ammoniaks auf der Grundlage der geschätzten Menge von gespeichertem Ammoniak.

Bei noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Steuerung der Einspritzung eines Reduktants in eine durch ein solches Reduktant zu reduzierende Substanz, wobei diese Reduzierung durch einen Katalysator erleichtert wird, welcher umfaßt: Schätzen einer Menge von im Katalysator gespeichertem Reduktant auf der Grundlage einer Menge nicht reduzierter Substanz stromab vom Katalysator und Anpassen einer in die Substanz eingespritzten Reduktantmenge auf der Grundlage der genannten Schätzung.

Bei noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt das Verfahren das Anpassen der in den SCR-Katalysator eingespritzten Ammoniakmenge auf der Grundlage der Schätzung der Menge an gespeichertem Ammoniak.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß eine genaue Schätzung der Menge von im SCR-Katalysator gespeichertem Ammoniak erhalten wird. Entsprechend kann durch Aufrechterhalten von optimalen Ammoniakspeichermengen im SCR-Katalysator ein verbesserter NOx-Umwandlungswirkungsgrad erreicht werden. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Fähigkeit zur genauen Vorhersage des Austretens von Ammoniak aus dem Katalysator, da es aktuell keine im Handel verfügbaren Ammoniaksensoren gibt. Ein noch weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß das Austreten von Ammoniak aus dem Auspuffendrohr minimiert wird. Da der stromab gelegene NO_x-Sensor gegenüber Ammoniak über Kreuz empfindlich ist, verbessert zusätzlich eine Minimierung des Austretens von Ammoniak die Genauigkeit der NO_x-Sensorauslesungen, und damit wird der NO_x-Umwandlungswirkungsgrad des Gesamtsystems verbessert.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der mit Bezug auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele erläutert werden. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein funktionelles Blockdiagramm eines Motorabgassystems, das einen Prozessor aufweist, der so konfiguriert ist, daß er erfindungsgemäß die NO_x im Motorabgas reduziert, und
2 eine Wahrheitswertetabelle für die Auswahl der angemessenen Steuerstrategie für die Reduktanteinspritzung.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Unter Bezugnahme auf 1 wird nun ein Motorabgassystem 10 für die Steuerung der Einspritzung eines Reduktants, im vorliegenden Fall wäßriger Harnstoff, in die Abgasmischung eines Motors 11 gezeigt. Insbesondere wird das Reduktant durch einen Injektor 12 in die Abgasmischung eingespritzt, wobei die Menge einer solchen Einspritzung auf ein Steuersignal aus dem Prozessor 26 reagiert, das über eine Leitung 13 dem Injektor 12 zugeführt wird. Eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 14, im vorliegenden Fall ein harnstoffbasierter SCR-Katalysator, ist stromab von der Reduktanteinspritzung in das Motorabgas angeordnet, um die Reaktion zwischen dem in das Motorabgas eingespritzten Reduktanten und den NO_x in der Motorabgasmischung zu erleichtern und damit die genannten NO_x zu reduzieren.
Ein Paar NO_x-Sensoren 15, 16 ist stromauf bzw. stromab vom SCR-Katalysator angeordnet. Messungen der NO_x-Konzentration in der Abgasmischung stromauf (C_{NOx_in}) und stromab (C_{NOx_out}) des SCR-Katalysators 14, die von den NO_x-Sensoren geliefert werden, werden in einen Prozessor 26 eingespeist. Alternativ kann der NO_x Sensor 15 wegfallen, und die in den SCR-Katalysator eintretende Menge von NO_x in der Abgasmischung kann auf der Grundlage von Motordrehzahl, Motorlast, Abgastemperatur oder beliebigen sonstigen Parametern geschätzt werden, von denen der Fachmann weiß, daß sie die NO_x-Produktion des Motors beeinflussen.
Temperaturmessungen stromauf (T_u) und stromab (Td) des SCR-Katalysators werden durch Temperatursensoren 17 und 18 geliefert. Der Prozessor 26 berechnet die Katalysator-Temperatur T_cat auf der Grundlage der durch die Sensoren 17 und 18 gelieferten Information. Alternativ können beliebige andere Mittel verwendet werden, von denen der Fachmann weiß, daß sie die Katalysator-Temperatur bestimmen, wie z.B. Plazieren eines Temperatursensors in der Mitte des Katalysator-Betts oder Schätzen der Katalysator-Temperatur auf der Grundlage von Motorbetriebsbedingungen.
Der Prozessor 26 weist ein mit Annahmen arbeitendes Steuergerät 19 und ein mit tatsächlichen Werten arbeitendes Steuergerät 20 auf und wählt auf der Grundlage von Betriebsbedingungen zwischen den beiden, um auf der Leitung 13 das Steuersignal m_urea zu erzeugen. Die Steuerstrategie für die Reduktanteinspritzung wird nachstehend im Detail unter besonderer Bezugnahme auf 2 beschrieben.
Die auf Annahmen beruhende Steuerung basiert auf kennfeldbasierter nominaler Reduktanteinspritzung. Die nominale Menge von Reduktanteinspritzung RED_NOM wird aufgrund einer Lookup-Tabelle 20 als Funktion einer Mehrzahl von Betriebsparametern, einschließlich Motorbetriebsbedingungen und Katalysator-Temperatur T_cat, bestimmt. Insbesondere ist hier RED_NOM eine Funktion von Motordrehzahl, Motorlast, EGR-Wert, Beginn der Kraftstoffeinspritzung (SOI), Katalysator-Temperatur T_cat, Raumgeschwindigkeit (SV) und Konzentration von NO_x stromauf (C_{NOx_in}) bzw. stromab (C_{NOx_out}) vom SCR-Katalysator.
Die auf tatsächlichen Werten beruhende Steuerung erfolgt über einen modellbasierten Beobachter 22. Das Modell des SCR-Katalysators wurde aus ersten Grundsätzen entwickelt und verwendet die globale Kinetik der relevanten Reaktionen. Die Einflußparameter des Modells werden aufgrund von empirischen, den Katalysator interessierenden Daten geschätzt. Die Eingaben in den Beobachter sind die Konzentration von eingespritztem Ammoniak und die Konzentration von NO_x stromauf vom SCR-Katalysator. Die Ausgänge des Beobachters 22 sind Schätzungen der im SCR-Katalysator gespeicherten Ammoniakmenge und der Konzentration von Gasphasen-Ammoniak stromab vom SCR-Katalysator. Bei dieser Ausführungsform wird die gespeicherte Ammoniakmenge dargestellt durch den Anteil der Oberfläche, in der Ammoniak gespeichert ist, der definiert werden kann als das Verhältnis zwischen der Anzahl von Katalysator-Orten mit absorbiertem Ammoniak und der Gesamtmenge an in den Speicherorten verfügbarem Ammoniak. Das SCR-Katalysator-Modell umfaßt die Absorption, Desorption und Oberflächenabdeckungsdynamik verbunden mit der NO_x-Reduktion und die Ammoniakoxidationsdynamiken auf der Grundlage der relevanten chemischen Reaktionsraten und kann durch die folgenden Gleichungen dargestellt werden:
worin:
E_j: Aktivierungsenergie für die Reaktion j = ads, des, red, ox.
R_j: Reaktionsrate für die Reaktion j = ads, des, red, ox.
k_j: Präexponentielle Terms für die Reaktion j. [vol/mol].
C_x: Konzentration der Species x [mol/vol].
θ_NH3: Anteil der Oberflächenabdeckung [ohne Dimension].
Θ_SC: Gesamtammoniakspeicherkapazität [mol/vol).
R: Universelle Gaskonstante [kJ/kmol/K].
T: Temperatur [Kelvin]
Y: Ausgangskonzentration von NO (C_NO), verfügbar als Messung [mol/vol).
U: Einlaßkonzentration von NH₃ (
), [mol/vol].
d: ist ein bekannter und gebündelter Störungsinput → Einlaßkonzentration von NO, (
), [mol/vol].
F: Konstante Flußrate durch den Katalysator [m³/sek).
V_cat: Katalysator-Volumen [m³].
Die Aktivierungsenergien können Funktionen von Temperatur, Einlaßkonzentrationen oder sonstigen Mengen sein, die gemessen oder geschätzt werden können. Das Modell für die Ammoniakspeicherung kann auch ein anderes sein als die durch die obigen Arrhenius-Gleichungen (1a) und (1b) ausgedrückten.
Da die einzige in diesem System verfügbare Messung die NO_x-Konzentration stromab vom SCR-Katalysator ist, nimmt der Beobachter für den Anteil der Oberflächenabdeckung und die Konzentration des Austretens von Ammoniak folgende Form an:
worin x ^ = [C_NOx + Θ + C_NH3] die Beobachterzustände angibt, f die nichtlinearen Systemdynamiken des SCR-Katalysators, wie in den Gleichungen 1a und 1b gezeigt, angibt und L eine beliebige Funktion des Fehlers ε = (C_NOX – C_NOx) ist, der die Dynamiken des Fehlersystems asymptotisch stabil macht. Die beiden Ausgänge des Beobachters 22 (geschätzter Anteil der Oberfläche, in der Ammoniak gespeichert ist, ^ und die geschätzte Konzentration des Gasphasenammoniaks stromab vom SCR-Katalysator
werden dem mit tatsächlichen Werten arbeitenden Steuergerät 21 zugeführt. Des weiteren bestimmt das mit tatsächlichen Werten arbeitende Steuergerät 21 den gewünschten Anteil der Oberfläche, in der Ammoniak gespeichert ist, θ_des entweder aufgrund der Lookup-Tabelle 23 auf der Grundlage von Betriebsbedingungen, wie z.B. Katalysator-Temperatur, Motordrehzahl, Motorlast, Beginn der Einspritzung, Raumgeschwindigkeit usw. oder aufgrund einiger finiter oder infiniter optimaler Momentansteuerungsgesetze (horizon optimal control law) und erzeugt auf der Leitung 13 auf der Grundlage von ^ und θ_des ein Steuersignal. Alternativ kann das mit tatsächlichen Werten arbeitende Steuergerät 21 aufgrund der geschätzten und gewünschten Menge von Ammoniak stromab vom SCR-Katalysator ein Steuersignal generieren.
Das mit tatsächlichen Werten arbeitende Steuergerät 21 kann definiert werden als ein beliebiges Steuergerät U, das das System mit geschlossenem Regelkreis asymptotisch stabil macht, wie z.B.: U = K·e, oder U = K·sign(ε).
Zusätzlich liefert der Beobachter 22 an einen Diagnose/Adaptierungsbereich 24 Konvergenzzeitinformation (die Zeit, die die gemessenen und geschätzten Mengen von NO_x in der Abgasmischung stromab vom SCR-Katalysator benötigen, um sich im Bereich eines kleinen vorbestimmten Wertes ε aneinander anzunähern). Wenn die Konvergenzzeit größer ist als eine vorbestimmte Zeitkonstante t_conv, was angibt, daß die Genauigkeit des Katalysator-Modells aufgrund von Faktoren, wie z.B. Alterung des Katalysators oder Vergiftung des Katalysators, gemindert wurde, beginnt Bereich 24 ein Adaptionsschema, um das veränderte Verhalten beispielsweise durch Anpassen der Gesamtspeicherkapazität des Katalysators zu berücksichtigen und den Verlust von Speicherplätzen aufgrund von Alterung oder Vergiftung zu berücksichtigen. Der Anpassungswert wird auf der Grundlage von Betriebsbedingungen und der Dauer der Konvergenzzeit generiert. Zusätzlich kann der Diagnose/Adaptierungsbereich 24 als Reaktion auf eine erhöhte Konvergenzzeit ein Katalysator-Beschädigungssignal setzen.
Unter Bezugnahme auf 2 wird nun eine Wahrheitswertetabelle für das Umschalten zwischen dem mit Annahmen arbeitenden Steuergerät 19 oder dem mit tatsächlichen Werten arbeitenden Steuergerät 21 beschrieben.
Zustand 1 tritt ein, wenn die Abgastemperatur am Reduktanteinspritzpunkt T_inj unterhalb einer ersten vorbestimmten Schwelle T₁ (bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel 170°C) liegt. Da der eingespritzte Harnstoff sich solange nicht in Ammoniak und Hydrocyanidsäure zerlegt, wie T_inj nicht über T₁ liegt, führt jede Harnstoffeinspritzung zu einer Harnstoffakkumulation im Auspuffrohr und/oder zur Ablagerung von Harnstoff auf der Katalysatorfläche. Dies führt zu geringem Um wandlungswirkungsgrad und zu zusätzlichem Austreten von Ammoniak. T_inj kann auf der Grundlage von T₁ oder auf der Grundlage von Betriebsbedingungen, wie z.B. Motordrehzahl, Motorlast, Kühlmitteltemperatur usw., geschätzt werden. Demzufolge deaktiviert das Steuergerät 26 beim Zustand 1 die Reduktanteinspritzung.
Zustand 2 beschreibt einen Zustand, bei dem T_inj über T₁ liegt, aber T_cat unterhalb einer zweiten vorbestimmten Temperaturschwelle T₂ liegt (bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel 200°C). Zustand 2 gilt beim Motoranlaufen oder im Halte(Leerlauf)zustand. In diesem Temperaturbereich ist der NO_x-Umwandlungswirkungsgrad des SCR-Katalysators sehr niedrig, und das auf Annahmen beruhende Steuergerät wird verwendet, um Reduktant einzuspritzen und Ammoniakeinlagerung im Katalysator zu erlauben. θ_treshold ist eine Schwellenmenge von Ammoniakeinlagerung, die für verbesserte NO_x-Umwandlung erforderlich ist, wenn einmal der SCR-Katalysator im Bereich der optimalen NO_x-Umwandlungstemperatur liegt (50% bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel). Unter Bedingungen des Anlaufens wird der Wert θ aus dem KAM (batteriestrom-gestützter Speicherchip des Prozessors 26) für den letzten gelungenen Motorstart vor dem Abschalten mit dem Zündschlüssel verfügbar sein. Im Leerlaufzustand wird der vorhergesagte Wert θ für Vergleiche mit θ_treshold zur Verfügung stehen, da der Motor bereits gelaufen ist. Wenn einmal die gewünschte Menge von Ammoniakspeicherung erreicht ist, kann die Reduktanteinspritzung solange ausgesetzt werden, bis Zustand 3 erreicht ist. Dies verhindert eine übermäßige Speicherung von Ammoniak im Katalysator und reduziert damit das Austreten von Ammoniak während der Beschleunigungsvorgänge.
Zustand 3 tritt ein, wenn T_cat ≥ 200°C und die modellbasierte Beobachterkonvergenz > ε (d.h. die Differenz zwischen gemessenen und geschätzten Mengen von NO_x in der Abgasmischung stromab vom SCR-Katalysator größer ist als ein kleiner vorbestimmter Wert ε). Mit anderen Worten schaltet der Prozessor 26 nicht auf die auf tatsächlichen Werten beruhende Steuerung der Reduktanteinspritzung, bevor eine akzeptable Konvergenz zwischen der gemessenen und geschätzten NO_x-Konzentration stromab vom SCR-Katalysator erreicht wurde (d.h. die Differenz zwischen den beiden geringer oder gleich einem kleinen vorbestimmten Fehlerwert ε ist). Die Erreichung der Konvergenz zwischen den gemessenen und den geschätzten NO_x-Konzentrationswerten impliziert, daß der vorhergesagte Wert für den Anteil der Oberflächenabdeckung genau ist und nun in der auf tatsächlichen Werten beruhenden Steuerung verwendet werden kann.
Zustand 4 tritt ein, wenn T_cat ≥ 200°C und die modellbasierte Beobachterkonvergenz < ε ist. Unter diesen Bedingungen schaltet der Prozessor 26 unter Verwendung des modellbasierten Beobachters 22 auf die auf tatsächlichen Werten beruhende Steuerung der Reduktanteinspritzung um.
Demzufolge ist es nach der vorliegenden Erfindung möglich, eine genaue Schätzung der Menge von Ammoniakspeicherung in einem Katalysator unter Verwendung eines modellbasierten Beobachters des Katalysator-Verhaltens zu erhalten. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel generiert der Beobachter eine Schätzung des Anteils der Oberfläche des SCR-Katalysators, in der Ammoniak gespeichert ist, auf der Grundlage der NO_x-Konzentration stromauf und stromab vom Katalysator und der Konzentration des in den Katalysator zur Erleichterung der NO_x-Reduktion eingespritzten Ammoniaks. Der Ausgang des Beobachters kann dann dazu benutzt werden, die Menge an in den Katalysator eingespritztem Reduktant anzupassen, wodurch der gewünschte Anteil der Oberfläche, in der Ammoniak gespeichert ist, erreicht wird, um das Austreten von Ammoniak zu minimieren und den NO_x-Umwandlungswirkungsgrad des Katalysators zu optimieren. Des weiteren wird durch das Überwachen der Beobachter-Konvergenzzeit das Modell kontinuierlich aktualisiert, um Vergiftung oder thermisches Altern des Katalysators ebenso zu berücksichtigen, wie verschiedene Betriebstemperaturen. Zusätzlich verhindert das Umschalten zwischen der auf Annahmen beruhenden und der modellbasierten Steuerung der Reduktanteinspritzung Über- und Untereinspritzung von Reduktant, minimiert das Austreten von Ammoniak aus dem Auspuffrohr und verbessert den Gesamtwirkungsgrad des Abgasreinigungssystems.
Damit ist die Beschreibung der Erfindung abgeschlossen. Ihre Lektüre durch den Fachmann führt zur Entdeckung zahlreicher Änderungen und Modifizierungen, ohne Geist und Rahmen der Erfindung zu verlassen. Demzufolge ist beabsichtigt, daß der Rahmen der Erfindung durch die nachstehenden Patentansprüche definiert wird.

Claims

Verfahren für die Schätzung einer Menge des in einer stromab von einem Innenverbrennungsmotor angeschlossenen Abgasnachbehandlungsvorrichtung gespeicherten Reduktants, welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß es umfaßt: Einspritzen des Reduktants in die Vorrichtung, um mit einer Komponente einer Motorabgasmischung zu reagieren, und Schätzen der Menge des in der Vorrichtung gespeicherten Reduktants auf der Grundlage einer Menge der genannten Abgasmischungskomponente stromab von der Vorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Schätzung des weiteren auf einer Menge des in die Vorrichtung eingespritzten Reduktants beruht.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Schätzung des weiteren auf einer Menge einer stromauf von der Vorrichtung eingespritzten Abgaskomponente beruht.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein Dieselmotor ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasnachbehandlungsvorrichtung ein Katalysator für selektive katalytische Reduktion (SCR-Katalysator) ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Reduktant Ammoniak ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Komponente der genannten Abgasmischung NOx ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Menge des im genannten SCR-Katalysator gespeicherten Ammoniaks ein Anteil der Oberfläche des SCR-Katalysators, in der Ammoniak gespeichert wird, ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Oberfläche des genannten SCR-Katalysators, in der Ammoniak gespeichert wird, auf der Grundlage folgender Gleichungen geschätzt wird:
worin:
R_j: Reaktionsrate für die Reaktion j = ads, des, red, ox. k_j: Präexponentielle Terms für die Reaktion j. [vol/mol]. C_x: Konzentration der Species x [mol/vol]. θ_NH3: Anteil der Oberflächenabdeckung [ohne Dimension]. Θ_SC: Gesamtammoniakspeicherkapazität [mol/vol]. R: Universelle Gaskonstante [kJ/kmol/K]. T: Temperatur [Kelvin] Y: Ausgangskonzentration von NO (C_NO), verfügbar als Messung [mol/vol]. U: Einlaßkonzentration von NH₃ (
), [mol/vol]. d: ist ein bekannter und gebündelter Störungsinput → Einlaßkonzentration von NO, (
), [mol/vol]. F: Konstante Flußrate durch den Katalysator [m³/sek]. V_cat: Katalysator-Volumen [m³].
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Θ_SC angepaßt wird, um die Beschädigung des genannten SCR-Katalysators zu berücksichtigen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Θ_SC des weiteren auf der Grundlage einer Temperatur des SCR-Katalysators angepaßt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein Dieselmotor ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Menge des genannten in die Vorrichtung eingespritzten Reduktants, um mit der genannten Komponente der genannten Motorabgasmischung zu reagieren, auf der Grundlage von Betriebsbedingungen bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Betriebsbedingungen die Motordrehzahl umfassen.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Betriebsbedingungen des weiteren die Motorlast umfassen.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Betriebsbedingungen des weiteren eine Temperatur der Vorrichtung umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es des weiteren die Schätzung einer Menge von Reduktant in der genannten Abgasmischung stromab von der Vorrichtung auf der Grundlage der genannten geschätzten Menge von in der Vorrichtung gespeichertem Reduktant umfaßt.
Abgasreinigungssystem für einen Innenverbrennungsmotor, welches System dadurch gekennzeichnet ist, daß es umfaßt: eine stromab von dem Motor angeschlossene Abgasnachbehandlungsvorrichtung, einen stromab von der genannten Abgasnachbehandlungsvorrichtung angeschlossenen Sensor, wobei der genannte Sensor ein Signal abgibt, das eine Menge einer aus der genannten Vorrichtung austretenden Substanz in der Abgasmischung angibt, und ein das Reduktant in die genannte Vorrichtung einspritzendes Steuergerät, wobei das genannte Steuergerät des weiteren auf der Grundlage mindestens des genannten Sensorsignal eine Menge des genannten in der genannten Vorrichtung aufgrund der genannten Einspritzung gespeicherten Reduktants schätzt.
System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein Dieselmotor ist.
System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Vorrichtung ein SCR-Katalysator ist.
System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Sensor ein NO_x-Sensor ist.
System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Substanz NO_x ist.
System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktant Ammoniak ist.
System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Steuergerät die genannte gespeicherte Menge des genannten Reduktants auf der Grundlage folgender Gleichungen schätzt:
worin:
R_j: Reaktionsrate für die Reaktion j = ads, des, red, ox. k_j: Präexponentielle Terms für die Reaktion j. [vol/mol]. C_x: Konzentration der Species x [mol/vol]. θ_NH3: Anteil der Oberflächenabdeckung [ohne Dimension]. Θ_SC: Gesamtammoniakspeicherkapazität [mol/vol]. R: Universelle Gaskonstante [kJ/kmol/K]. T: Temperatur [Kelvin] Y: Ausgangskonzentration von NO (C_NO), verfügbar als Messung [mol/vol]. U: Einlaßkonzentration von NH₃ (
), [mol/vol]. d: ist ein bekannter und gebündelter Störungsinput → Einlaßkonzentration von NO, (
), [mol/vol]. F: Konstante Flußrate durch den Katalysator [m³/sek]. V_cat: Katalysator-Volumen [m³].