DE10348800B4

DE10348800B4 - Diesel-Abgasnachbehandlungssysteme

Info

Publication number: DE10348800B4
Application number: DE10348800A
Authority: DE
Inventors: Devesh Dearborn Upadhyay; Michiel J. van Ann Arbor Nieuwstadt; William Charles Farmingtion Hills Ruona; Michael Dearborn Heights Göbelbecker
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2002-11-21
Filing date: 2003-10-21
Publication date: 2008-09-18
Anticipated expiration: 2023-10-22
Also published as: DE10348800A1; US6895747B2; US20040098971A1

Abstract

Verfahren für die Steuerung eines mindestens ein Heizelement (22) aufweisenden Reduktantzuführsystems (16), wobei das Reduktantzuführsystem (16) stromauf von einem SCR-Katalysator (14) angeschlossen ist, welches Verfahren folgende Schritte umfasst:
Einspritzen von Luft in das Reduktantzuführsystem (16),
Einspritzen von Reduktant in das Reduktantzuführsystem (16),
Herstellen einer Betriebstemperatur für das Heizelement (22), wodurch eine verdampfte Mischung der genannten eingespritzten Luft und des genannten eingespritzten Reduktants geschaffen wird, und
Leiten der genannten verdampften Mischung in eine in den SCR-Katalysator (14) eintretende Abgasmischung,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Heizelement (22) Bestandteil einer Verdampfereinheit (21) ist und dass die Verdampfereinheit (21) einen hydrolysierenden Katalysator zur katalytischen Umsetzung des Reduktants umfaßt, so dass die Verdampfung der Mischung aus der genannten eingespritzten Luft und dem genannten eingespritzten Reduktant im Bereich des hydrolysierenden Katalysators erfolgt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für die Steuerung eines Reduktantzuführsystems und ein Abgasnachbehandlungssystem unter Verwendung eines luftgestützten beheizten Reduktantzuführsystems, um die Systemleistung zu verbessern und den Kraftstoffverbrauchsnachteil zu mindern.
Hintergrund der Erfindung
Die aktuellen Abgasvorschriften erfordern die Verwendung von Katalysatoren in den Abgassystemen von Kraftfahrzeugen, um Kohlenmonoxide (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickoxide (NOx), die während des Motorbetriebes entstehen, in nicht vorschriftswidrige Abgase umzuwandeln. Mit Diesel- oder Magerbenzinmotoren ausgerüstete Fahrzeuge bieten den Vorteil verbesserten Kraftstoffverbrauchsverhaltens. Solche Fahrzeuge müssen mit Abgasnachbehandlungssystemen für Magermotoren, wie z. B. einem harnstoffbasierten Katalysator für die selektive katalytische Reduktion (SCR-Katalysator), ausgerüstet werden, die auch in einer sauerstoffreichen Umgebung kontinuierlich NO_x-Emissionen zu reduzieren vermögen. 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, die Lösung in den Abgasstrom zu führen. Die Hitze in dem Abgas bewirkt, daß die wäßrige Harnstofflösung sich in Ammoniak und Hydrocyanidsäure (HNCO) zerlegt. Diese Zersetzungsprodukte treten in den SCR-Katalysator ein, wo das Gasphasenammoniak absorbiert wird, und ferner wird die Cyanidsäure im SCR-Katalysator in Gasphasenammoniak zersetzt. Das absorbierte Ammoniak nimmt dann an der Reduktion des Gasphasen-NO_x teil.
Aus der DE 201 19 514 U1 ist eine Reduktionsmitteldosiereinrichtung bekannt, die Vorrichtungen zum Beheizen und Verdampfen von Mischungen aus Reduktant und Luft aufweist. Diese Druckschrift lehrt weiterhin einen Hydrolysekatalysator zum hydrolytischen Aufspalten dieses Aerosols.
Die DE 40 38 054 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen NO_x-Reduktion in sauerstoffhaltigen Abgasen, wobei zur Stickoxid-Verminderung Harnstofflösungen aus einem Behälter auf einen geheizten Verdampfer/Katalysator fein versprüht und gegebenenfalls mittels eines nachgeschalteten Hydrolysekatalysators nachbehandelt werden soll.
Die Erfinder erkannten mehrere Nachteile dieser Vorgehensweise. Wenn der eingespritzte wäßrige Harnstoff nicht gut verteilt und zerstäubt wird und eine nicht ausreichende Zeit im Abgas verbleibt, um die Konversion in gasförmiges Ammoniak zu vollenden, bevor er die vordere Wand des Monolithen des SCR-Katalysators erreicht, wird kein optimaler Systemwirkungsgrad erzielt. Die Erfinder haben des weiteren erkannt, daß ein Harnstoffeinspritzsystem nach dem Stand der Technik dies nicht wirksam erreicht, da es einen gerichtete Harnstoff-Sprühnebel abgibt, der sich mit den Abgasen nicht gut vermischen läßt Des weiteren kann dieser Harnstoff-Sprühnebel die Katalysatorwand direkt beeinflussen, wodurch sich wäßriger Harnstoff auf ihm ablagert und der Katalysator beschädigt wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung lehrt ein Verfahren für die Steuerung eines Reduktantzuführsystems und ein Abgasnachbehandlungssystem für das Einleiten von Reduktant in einen harnstoffbasierten SCR-Katalysator, die die oben erwähnten Nachteile nach dem Stand der Technik überwinden.
Erfindungsgemäß umfaßt ein Verfahren für die Steuerung eines Reduktantzuführsystems mit mindestens einem Heizelement, wobei das Zuführsystem stromauf mit einen SCR-Katalysator verbunden ist: Einspritzen von Luft in das Reduktantzuführsystem, Einspritzen von Reduktant in das Reduktantzuführsystem, Liefern einer Betriebstemperatur für das beheizte Element, wodurch eine verdampfte Mischung der genannten eingespritzten Luft und des genannten eingespritzten Reduktant geschaffen wird, und Einleiten der genannten verdampften Mischung in eine in den SCR-Katalysator eintretende Abgasmischung.
Die vorliegende Erfindung bietet eine Reihe von Vorteilen. Insbesondere wird sogar unter kalten Abgasbedingungen durch den Einsatz eines Heizelements in dem Reduktantzuführsystem genügend Energie für die Zersetzung von Harnstoff in HNCO und HN₃ bereitgestellt, womit der NO_x-Umwandlungswirkungsgrad des SCR-Katalysators während des gesamten Fahrzyklus verbessert wird. Ein noch weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die Verdampfung der Harnstofflösung deren Vermischung und Verteilung im Abgas verbessert. Zusätzlich dient das Gehäuse um das erhitzte Element herum als Leitfläche für den Teil des eingespritzten Harnstoff-Sprühnebels, welcher nicht auf der beheizten Oberfläche auftrifft, wodurch er in kleine Partikel aufgebrochen und des weiteren sein Vermischen und Verteilen verbessert wird. Des weiteren reduziert die Verwendung des luftgestützten beheizten Reduktantzuführsystems die erforderliche Aufenthaltszeit der Harnstofflösung im Abgas und verbessert somit die Gesamtreaktionszeit des Systems.
Weitere erfindungswesentliche Merkmale gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der mit Bezug auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele erläutert werden. In den Zeichnungen zeigen:
1A und 1B schematische Diagramme eines Motors, bei dem die Erfindung vorteilhaft genutzt wird;
2 ein Beispiel einer Ausführungsform eines Abgasreinigungssystems, bei dem die vorliegende Erfindung vorteilhaft genutzt wird;
3A, 3B und 3C Beispiele von Reduktantzuführsystemen nach der vorliegenden Erfindung;
4 ein Übersichtsflußdiagramm einer beispielhaften Routine für die Regelung einer Temperatur des Heizelements nach der vorliegenden Erfindung;
5 und 6 die Beschreibung einer beispielhaften Routine und einer Veränderungskurve zur Bestimmung einer dem Abgasnachbehandlungssystem zuzuführenden Reduktantmenge nach der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Ein Innenverbrennungsmotor 10, welcher eine Mehrzahl von Zylindern aufweist, von denen ein Zylinder in 1 gezeigt wird, wird von einem elektronischen Motorsteuergerät 12 gesteuert. Der Motor 10 weist einen Verbrennungsraum 30 und Zylinderwände 32 mit darin angeordneten und mit der Kurbelwelle 40 verbundenem Kolben 36 auf. Der Verbrennungsraum 30 steht über jeweilige Einlaßventile 52 und Auslaßventile 54 mit einem Ansaugkrümmer 44 und einem Auspuffkrümmer 48 in Verbindung. Der Ansaugkrümmer 44 wird weiter so dargestellt, daß damit ein Kraftstoffinjektor 80 verbunden ist, um proportional zur Impulsbreite eines Signals FPW aus dem Steuergerät 12 Kraftstoff zuzuführen. Sowohl durch die das Signal FPW geregelte Kraftstoffmenge als auch der Einspritzzeitpunkt können angepaßt werden. Kraftstoff wird dem Kraftstoffinjektor 80 durch ein (nicht gezeigtes) Kraftstoffsystem zugeführt, welches einen Kraftstofftank, eine Kraftstoffpumpe und ein (nicht gezeigtes) Kraftstoffverteilerrohr aufweist.
Das Steuergerät 12 wird in 1 als ein an sich bekannter Mikrocomputer dargestellt, welcher aufweist: eine Mikroprozessoreinheit 102, Eingangs-/Ausgangsanschlüsse 104, einen nicht löschbaren Festwertspeicher 106, einen Direktzugriffsspeicher 108 und einen herkömmlichen Datenbus. Das Steuergerät 12 erhält zusätzlich zu den vorstehend erörterten Signalen verschiedene Signale aus den mit dem Motor 10 verbundenen Sensoren, einschließlich: Motorkühlmitteltemperatur (ECT) durch den mit dem Kühlmantel 114 verbundenen Temperatursensor 112, eine Messung des Krümmerdrucks (MAP) durch den mit dem Ansaugkrümmer 44 verbundenen Drucksensor 116, eine Messung (AT) der Krümmertemperatur durch den Temperatursensor 117; ein Motordrehzahlsignal (RPM) durch den mit der Kurbelwelle 40 verbundenen Motordrehzahlsensor 118.
Ein Abgasreinigungssystem 20, das mit einem Auspuffkrümmer 48 verbunden ist, wird nachstehend im Detail anhand der 2 beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 1B wird nun ein alternatives Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem der Motor 10 ein Motor mit Direkteinspritzung ist, wobei der Injektor 80 so angeordnet ist, daß er Kraftstoff direkt in den Zylinder 30 einspritzt.
Unter Bezugnahme auf 2 wird ein Beispiel eines Abgasreinigungssystems nach der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Abgasreinigungssystem 20 ist stromab von einem Innenverbrennungsmotor 10 verbunden und wird unter besonderer Bezugnahme auf 1 beschrieben.
Der Katalysator 14 ist ein harnstoffbasierter Katalysator für die selektive katalytische Reduktion (SCR-Katalysator), in dem NO_x durch aktive Einspritzung einer wäßrigen Harnstofflösung oder eines sonstigen stickstoffbasierten Reduktants in das in die Vorrichtung eintretende Abgas reduziert wird. Die Harnstofflösung wird, bevor sie in den SCR-Katalysator eintritt, in Hydrocyanidsäure (NHCO) und gasförmiges Ammoniak (NH₃) umgewandelt, wobei NH₃ im SCR-Katalysator als aktiver NO_x reduzierender Wirkstoff dient.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der SCR-Katalysator eine Basismetall-/Zeolit-Formulierung mit optimaler NO_x-Umwandlungsleistung im Temperaturbereich von 200 bis 500°C. Der Oxidationskatalysator 13 ist stromauf vom SCR-Katalysator verbunden und kann ein Edelmetallkatalysator, vorzugsweise ein Platin enthaltender Katalysator, für einen hohen Umwandlungswirkungsgrad von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid sein. Der Oxidationskatalysator verbrennt exothermisch Kohlenwasserstoffe (HC) in dem aus dem Motor ankommenden Abgas und liefert damit Hitze für das rasche Erwärmen des SCR-Katalysators 14. Der Partikelfilter 15 ist stromab vom SCR-Katalysator für die Speicherung von Ruß verbunden.
Ein Reduktantzuführsystem 16 ist zwischen dem Oxidationskatalysator und dem SCR-Katalysator mit dem Abgaskrümmer verbunden. Luft und Reduktant werden in das Reduktantzuführsystem eingespritzt, wo sie durch das beheizte Element verdampen, und der daraus resultierende Dampf wird in die in den SCR-Katalysator eintretende Abgasmischung eingeleitet. Alternative Ausführungsbeispiele des Reduktantzuführsystems nach der vorliegenden Erfindung werden später hierin unter besonderer Bezugnahme auf die 3A bis 3C beschrieben.
Das Diagramm der 3A stellt allgemein ein Ausführungsbeispiel eines Reduktantzuführsystems nach der Erfindung dar. Das System umfaßt eine Verdampfereinheit 21, welche ein längliches Heizelement 22 beinhaltet. In diesem Beispiel ist das Heizelement ein elektrisch beheiztes zylinderförmiges Heizelement. Alternativ könnte das Heizelement rechteckig geformt sein, um seine Oberflächenkontaktfläche mit der eingespritzten Reduktant- und Luftmischung zu vergrößern.
Bei noch einem weiteren (nicht gezeigten) alternativen Ausführungsbeispiel könnte eine hydrolysierende Katalysatorbeschichtung zur Verdampfereinheit hinzugefügt werden, wie z. B. eine Beschichtung auf der Innenfläche des Heizelementgehäuses, oder eine katalytische Kappe an dem Punkt, an dem die verdampfte Reduktant- und Luftmischung in den Auspuffkrümmer eintritt. Die große Nähe des hydrolysierenden Katalysators dient dazu, die Gesamtproduktion von NH₃ zu erhöhen, indem HNCO in NH₃ umgewandelt wird. Das Steuergerät 12 regelt die Temperatur des Heizelements durch Lieferung eines PWM-Signals mit verschiedenen Einschaltzyklen. Der Einschaltzyklus des PWM-Steuersignals an das Heizelement wird aufgrund einer abgespeicherten Tabelle basierend auf Betriebsbedingungen festgelegt, um die gewünschte Heizelementtemperatur für ein optimales Verdampfen/Zerlegen des eingespritzten Harnstoffs zu erreichen. Die Mischeinheit 23 weist einen Reduktanteinlaß und einen Lufteinlaß sowie einen Auslaß 24 auf, der mit der Verdampfereinheit verbunden ist und über den eine Mischung aus Reduktant und Luft in das Gehäuse eingespritzt wird und anschließend mit der Oberfläche des Heizelements 22 in Kontakt kommt.
Bei einem (nicht gezeigten) alternativen Ausführungsbeispiel können sowohl Luft als auch Reduktant durch einen einzelnen Einlaß eingespritzt werden. Das Reduktant wird von einer Pumpe herangeführt und durch ein Steuerventil dosiert, wobei sowohl die Pumpe als auch das Ventil durch das Steuergerät 22 gesteuert werden. Die Luftpumpe 25 liefert Druckluft an die Mischeinheit 23, wodurch eine Mischung von Reduktant und Luft geschaffen wird. Der Auslaß 24 ist so ausgebildet, daß er die Reduktant- und Luftmischung zu mehr als einer Fläche an der Oberfläche des Heizelements führt. Das Steuergerät 12 kann abhängig von Betriebsbedingungen, wie z. B. Motordrehzahl, Motorlast, Abgastemperatur usw., wahlweise die Einspritzung der Mischung in diese Bereiche aktivieren und deaktivieren. Beispielsweise kann es, wenn die erforderliche Reduktantmenge groß ist, wie z. B. bei Zuständen hoher Last, notwendig sein, die Zuführung der Reduktant- und Luftmischung zu mehr als einem Bereich auf der Oberfläche des Heizelements zu aktivieren. Alternativ kann der Auslaß 24 so konfiguriert sein, daß er die Reduktant- und Luftmischung zu einem bestimmten Bereich auf der Oberfläche des Heizelements führt.
3B zeigt eine alternative Konstruktion des Heizelementgehäuses. Wie in der Zeichnung zu sehen ist, wird das Heizelement von einem Zuführrohr umschlossen, dessen Innendurchmesser groß genug ist, um das Heizelement aufzunehmen. Das Zuführrohr weist einen engen, in dasselbe gebohrten Kanal auf, der als Durchlaß für die Luft- und Reduktantmischung dient. Die Luft- und Reduktantmischung wird in den engen Kanal eingespritzt und wird durch die durch das eingeschlossene Heizelement gelieferte Hitze rasch verdampft, ohne in direkten Kontakt mit seiner Oberfläche zu kommen. Bei dieser Ausführungsform wird die Lebensdauer des Heizelements weiter verbessert, da die Reduktant- und Luftmischung niemals in direkten Kontakt mit seiner Oberfläche kommt, und somit treten Lack- und Rußablagerungen nicht auf. Das Zuführrohr weist an seinem Ende eine oder mehrere Öffnungen auf, durch die die verdampfte Reduktant- und Luftmischung in den Auspuffkrümmer eintritt.
3C zeigt noch ein alternatives Ausführungsbeispiel des in 3B gezeigten Heizelementgehäuses, bei dem ein poröser hydrolysierender katalytischer Einsatz am Kopf des Zuführrohrs angeordnet wird, und eine oder mehrere Öffnungen werden in das Zuführrohr längs seiner Länge gebohrt und mit porösem hydrolysierenden katalytischen Material verschlossen, um die NH₃-Produktion zu erleichtern.
Demzufolge kann der NO_x-Umwandlungswirkungsgrad eines harnstoffbasierten SCR-Katalysators durch Verwendung eines Reduktantzuführsystems nach der vorliegenden Erfindung erhöht werden, bei dem eine Mischung von Harnstoff und Luft in das System eingespritzt wird und die durch die von dem Heizelemente erzeugte Hitze verdampft wird. Das Zuführen der Reduktant- und Luftmischung in Dampfform stellt sicher, daß die Mischung mit den in den SCR-Katalysator eintretenden Gasen gut vermischt wird, und demzufolge werden vor dem Eintreten in den Katalysator hohe Werte an Harnstoffumwandlung in NH₃ und HNCO erreicht. Ein zusätzlicher Vorteil wird durch die Tatsache erreicht, daß der Katalysator nicht durch Harnstoffablagerungen auf seinem vorderen Element kontaminiert wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Reduktantzuführsystem auch einen hydrolysierenden Katalysator, der in dem Weg der verdampften Reduktant- und Luftmischung vor deren Vermischen mit dem Abgas plaziert wird, was die NH₃-Erzeugung weiter erleichtert.
Wie für den Fachmann leicht erkennbar ist, können die nachstehend anhand der 4 bis 5 beschriebenen Routinen eine oder mehrere einer beliebigen Anzahl von Verarbeitungsstrategien darstellen, wie z. B. ereignisgetriebene, unterbrechungsgetriebene, Multi-Tasking-, Multi-Threading- und ähnliche Strategien. Entsprechend können verschiedene dargestellte Schritte oder Funktionen in der dargestellten Abfolge oder parallel ausgeführt oder in einigen Fällen weggelassen werden. Analog muß die Reihenfolge der Verarbeitung nicht unbedingt eingehalten werden, um die Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung zu erreichen, diese werden lediglich für Zwecke der Erläuterung und Beschreibung geliefert. Obwohl dies nicht ausdrücklich dargestellt wurde, wird der Fachmann erkennen, daß einer oder mehrere der dargestellten Schritte oder Funktionen abhängig von der besonderen jeweils genutzten Strategie mehrfach ausgeführt werden können.
Unter Bezugnahme auf 4 wird nunmehr eine beispielhafte Routine für die Regelung der Temperatur des Heizelements des Reduktantzuführsystems nach der vorliegenden Erfindung beschrieben. Zunächst wird im Schritt 100 die gewünschte Heizelementtemperatur T_des bestimmt. Diese Bestimmung beruht darauf, welche Funktion das Reduktantverdampfersystem ausführt, beispielsweise ob die Mischung verdampft oder verbrannt werden muß. Als nächstes geht die Routine weiter zum Schritt 200, bei dem Betriebsbedingungen, von denen bekannt ist, daß sie eine Auswirkung auf die Heizelementtemperatur haben, wie z. B. die Abgastemperatur stromauf vom ALNC, bewertet werden. Die Abgastemperatur kann aufgrund eines im Auspuffkrümmer angeordneten Temperatursensors festgestellt oder aufgrund von Parametern, wie Motordrehzahl, Motorlast, Motortemperatur, Zündzeitpunkt usw. geschätzt werden. Als nächstes wird im Schritt 300 aufgrund von Betriebsbedingungen, wie z. B. im vorliegenden Beispiel der Abgastemperatur, und aufgrund eines abgespeicherten, durch Versuche erarbeiteten Temperaturkennfelds ein optimaler Einschaltzyklus zur Erreichung der gewünschten Heizelementtemperatur für das Heizelement bestimmt. Die Routine geht dann zum Schritt 400 weiter, bei dem der Einschaltzyklus des Heizelementsteuersignals so eingestellt wird, daß die gewünschte Heizelementtemperatur erreicht wird. Die Routine ist dann abgeschlossen.
Durch Erzeugen eines Kennfeldes der Heizelementtemperatur aufgrund von Betriebsbedingungen, wie z. B. der Abgastemperatur, oder eines beliebigen Parameters, von dem bekannt ist, daß er die Temperatur des erhitzten Elements beeinflußt, ist es dementsprechend möglich, die Temperatur des Heizelements dynamisch zu regeln, um eine optimale Abgabe von Reduktant- und Luftmischung zu erreichen und gleichzeitig den Stromverbrauch zu minimieren sowie eine Überhitzung des Heizelements zu verhindern. Mit anderen Worten ist es möglich, die Hitze, die von dem durch das Reduktantzuführsystem strömenden Abgas geliefert wird, zu nutzen, wenn die Temperatur des Heizelements geregelt wird. Beispielsweise führt eine höhere Abgastemperatur zu geringem Strombedarf, während eine niedrigere Abgastemperatur zu höherem Strombedarf führt. Es ist auch möglich, die Stromzufuhr vollständig abzustellen, wenn die Abgastemperatur hoch genug ist, um das Heizelement bei der gewünschten Temperatur zu halten, wie z. B. in einem Zustand mit hoher Motorlast.
Unter Bezugnahme auf 5 wird nunmehr eine beispielhafte Routine der Regelung der Einspritzung eines Reduktants in den Abgasstrom unter Verwendung eines Reduktantverdampfersystems, wie in 3A beschrieben, vorgestellt. Zunächst wird im Schritt 500 die Menge an NO_x in der in die Vorrichtung eintretenden Abgasmischung NOx_fg auf der Grundlage von Motorbetriebsbedingungen geschätzt. Diese Bedingungen können Motordrehzahl, Motorlast, Abgastemperaturen, Temperaturen der Abgasnachbehandlungssystem, Einspritzzeitpunkt, Motortemperatur und sonstige Parameter umfassen, von denen der Fachmann weiß, daß sie geeignet sind, die Menge des durch die Verbrennungsdrücke produzierten NO_x anzuzeigen. Alternativ kann ein NO_x-Sensor dazu verwendet werden, die Menge an NO_x in der Abgasmischung zu messen. Als nächstes wird im Schritt 600 die Reduktanteinspritzmenge RA_{inj_1} bei konstanten Bedingungen auf der Grundlage folgender Gleichung berechnet:
worin RA_fg die Menge an Reduktant in der in die Vorrichtung eintretenden Abgasmischung ist, die auf der Grundlage von Motorbetriebsbedingungen bestimmt werden kann. Diese anfängliche Reduktantmenge RA_{inj_1} wird bei konstanten Bedingungen evaluiert und ergibt eine Basisreduktantmenge, welche für jeden Motordrehzahl- und Motorlastpunkt einzuspritzen ist. Die Menge wird kalibriert, um ein bestimmtes Zuführgas/NO_x-Verhältnis R_des zu erreichen. Das Verhältnis wird typischerweise als Ergebnis einer Abwägung zwischen NO_x-Umwandlung und Kraftstoffverbrauchsnachteil aufgrund der Reduktanteinspritzung bestimmt, und in diesem Beispiel wird es auf ungefähr 10 eingestellt. Anschließend wird im Schritt 700 die Basis-Reduktanteinspritzmenge RA_{inj_1} bei konstanten Bedingungen modifiziert, um Motorbetriebsbedingungen, wie Motorkühlmitteltemperatur T_c, Abgastemperatur T_eg, EGR-Ventilstellung EGR_pos, Beginn der Einspritzung SOI und sonstige Parameter, zu berücksichtigen: RAinj_2 = RAinj_1·f1(Tc)·f2(Teg)·f3(SOI)·f4(EGRpos)
Die Routine geht dann weiter zum Schritt 800, wo die momentane Veränderung der Gaspedalstellung wie folgt berechnet wird:
worin T_s die Samplingrate ist und pps(t) die Gaspedalstellung beim Zeitpunkt t angibt. Als nächstes wird im Schritt 900 ein Tiefpaßfilter angewandt, um Störeinflüsse zu dämpfen: pps_diff_lp(t) = (1 – kf)·pps_diff_lp(t – 1) + kf·pps_diff(t – 1)worin k_f die Rate der Filterung regelt. Die Routine geht dann weiter zum Schritt 1000, wo die Reduktantmenge weiter modifiziert wird, um transientes Motorverhalten zu berücksichtigen, wie dies durch die Veränderungen bei der Gaspedalstellung dargestellt wurde: RAinj_3 = RAinj_2·f5(pps_diff_lp)worin die Funktion f₅ gebildet wird, um ein verstärktes Einspritzen von Reduktant während des Niedertretens des Gaspedals und ein vermindertes Einspritzen von Reduktant während des Loslassens des Gaspedals zu erlauben. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel können anstelle der Gaspedalstellung die Motordrehzahl oder der Kraftstoffbedarfssensor oder jeder andere Parameter, von dem der Fachmann weiß, daß er geeignet ist, eine Messung des transienten Motorverhal tens zu liefern, verwendet werden, um RA_{inj_3} zu erhalten. Als nächstes wird im Schritt 1100 die gewünschte Temperatur des Heizelements wie unter besonderer Bezugnahme auf 4 beschrieben angepaßt, um dadurch eine optimale Temperatur für die Reduktant- und Luftmischungsverdampfung zu erreichen. Die Routine geht dann weiter zum Schritt 1200, bei dem die Bereiche auf der Fläche des Heizelementes, in die eine Reduktant- und Luftmischung eingespritzt wird, aufgrund von Betriebsbedingungen ausgewählt werden. Diese Bereiche werden aus einem abgespeicherten Kennfeld auf der Grundlage der genannten Parameter, wie der Menge des zuzuführenden Reduktants, Motorlast, Drehzahl, Abgastemperatur, Katalysatortemperatur, Drosselklappenstellung usw. ausgewählt. Beispielsweise kann es bei hohen Motorlasten wünschenswert sein, die Reduktant- und Luftmischung schneller einzuspritzen als bei niedrigen Motorlasten, und demzufolge wird in diesem Fall die Zuführung zu mehreren Bereichen aktiviert. Die Routine ist damit beendet. Ein Beispiel von f₅ wird mit besonderer Bezugnahme auf 6 gezeigt.
Demzufolge sollte erfindungsgemäß für die Erreichung einer verbesserten Leistung der Abgasnachbehandlungssystem die einzuspritzende Reduktantmenge angepaßt werden, um Änderungen bei der Menge an NO_x im in die Vorrichtung eintretenden Motorabgas zu berücksichtigen. Dies kann durch kontinuierliches Überwachen der Motorparameter, die es ermöglichen, eine Messung des transienten Motorverhaltens, wie z. B. ein Gaspedalstellungssensor, zu liefern, und kontinuierliches Anpassen der einzuspritzenden Reduktantmenge als Funktion von gefilterten momentanen Änderungen bei diesen Parametern erfolgen. Da die NO_x Produktion typischerweise beim Niedertreten des Gaspedals erhöht und beim Loslassen des Gaspedals gemindert wird, würde das Ergebnis eines solchen Betriebes in ersterem Fall die Erhöhung der Basiseinspritzmenge und in letzterem Fall die Verminderung der Basiseinspritzmenge sein. Des weiteren stellt die Verwendung einer Reduktantverdampfereinheit eine schnelle Systemreaktion, einen effizienteren Systembetrieb, bessere Abgasreinigung und verbessertes Kraftstoffverbrauchsverhalten sicher.
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 Steuerung eines mindestens ein Heizelement (22) aufweisenden Reduktantzuführsystems (16), wobei das Reduktantzuführsystem (16) stromauf von einem SCR-Katalysator (14) angeschlossen ist, welches Verfahren folgende Schritte umfasst: Einspritzen von Luft in das Reduktantzuführsystem (16), Einspritzen von Reduktant in das Reduktantzuführsystem (16), Herstellen einer Betriebstemperatur für das Heizelement (22), wodurch eine verdampfte Mischung der genannten eingespritzten Luft und des genannten eingespritzten Reduktants geschaffen wird, und Leiten der genannten verdampften Mischung in eine in den SCR-Katalysator (14) eintretende Abgasmischung, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (22) Bestandteil einer Verdampfereinheit (21) ist und dass die Verdampfereinheit (21) einen hydrolysierenden Katalysator zur katalytischen Umsetzung des Reduktants umfaßt, so dass die Verdampfung der Mischung aus der genannten eingespritzten Luft und dem genannten eingespritzten Reduktant im Bereich des hydrolysierenden Katalysators erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktant Harnstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (22) im inneren des Gehäuses der Verdampfereinheit (21) untergebracht ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (22) ein elektrisch beheiztes Heizelement ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine innere Fläche des Gehäuses der Verdampfereinheit (21) mit einem hydrolysierenden Katalysatormaterial beschichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein hydrolysierender Katalysator in dem Weg der genannten verdampften Mischung von dem genannten Reduktant und der genannten Luft plaziert ist.
Abgasnachbehandlungssystem, welches folgendes umfaßt: einen Innenverbrennungsmotor (10), einen stromab vom genannten Motor (10) angeschlossenen SCR-Katalysator (14), ein mindestens ein Heizelement (22) aufweisendes Reduktantzuführsystem (16), und ein Steuergerät (12) für die Einspritzung von Luft und Reduktant in das genannte Reduktantzuführsystem (16), das Herstellen einer Betriebstemperatur des genannten Heizelementes (22), wodurch die genannte verdampfte Reduktant- und Luftmischung geschaffen wird, wobei das genannte Steuergerät (12) ferner die genannte verdampfte Mischung in den genannten SCR-Katalysator (14) leitet, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (22) Bestandteil einer Verdampfereinheit (21) ist und dass die Verdampfereinheit (21) einen hydrolysierenden Katalysator zur katalytischen Umsetzung des Reduktants umfaßt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (10) ein Dieselmotor ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Reduktant wäßriger Harnstoff ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Heizelement (22) ein elektrisch beheizter länglicher Heizelementeinsatz ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Heizelementeinsatz zylindrisch geformt ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Heizelementeinsatz von rechteckiger Form ist.