DE19753842A1 - Determining when to discontinue auxiliary heating of catalyst from cold start - Google Patents
Determining when to discontinue auxiliary heating of catalyst from cold startInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betreiben eines Abgaska talysators für eine Brennkraftmaschine gemäß den Oberbegrif fen der unabhängigen Patentansprüche 1, 9 und 13.The invention relates to methods for operating an exhaust gas Talysators for an internal combustion engine according to the upper term fen of independent claims 1, 9 and 13.
Die Schadstoffemission einer Brennkraftmaschine läßt sich durch katalytische Nachbehandlung mit Hilfe eines Dreiwege- Katalysators in Verbindung mit einer Lambda-Regelungseinrich tung wirksam verringern. Eine wichtige Voraussetzung hierfür ist jedoch, daß neben der Lambda-Sonde der Regelungseinrich tung, auch der Katalysator seine Anspringtemperatur (Light- Off-Temperatur) erreicht hat. Unterhalb dieser Temperatur, bei den typischen Kraftfahrzeug-Katalysatoren ca. 300°C, ist der Katalysator wenig wirksam bis unwirksam und die Reaktion findet nur mit ungenügend kleinen Konversionsraten (« 10%) statt. Um ein schnelles Erreichen der Light-Off-Temperatur sicherzustellen und damit den Schadstoffausstoß während der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine, bei der ca. 70 bis 80% der gesamten Schadstoffe von HC und CO ausgestoßen werden, dennoch zu verringern, sind verschiedene Warmlaufstrategien bekannt.The pollutant emission of an internal combustion engine can be through catalytic aftertreatment using a three-way Catalytic converter in connection with a lambda control device reduce effectiveness effectively. An important prerequisite for this is, however, that in addition to the lambda probe, the control device tion, even the catalytic converter's light-off temperature (light Off temperature). Below that temperature, in the typical automotive catalytic converters is approximately 300 ° C the catalyst is ineffective to ineffective and the reaction finds only with insufficiently low conversion rates («10%) instead of. To quickly reach the light-off temperature ensure and thus the emission of pollutants during the Cold start phase of the internal combustion engine, in which approx. 70 to 80% the total pollutants of HC and CO are emitted, Nevertheless, various warm-up strategies are to be reduced known.
Eine schnelle Erwärmung des Katalysators kann durch Erhöhung der Abgasenergie u. a. durch Spätverstellung des Zündwinkels, Anhebung der Leerlaufdrehzahl, Gemischanfettung, Gemischabma gerung oder Sekundärlufteinblasung erfolgen (z. B. DE 40 29 811 A, DE 41 32 814 A1, DE 41 33 117 A1). Eine weitere Mög lichkeit besteht darin, den Katalysator mit einer vom Bord netz des Kraftfahrzeuges gespeisten elektrischen Heizeinrich tung auszustatten. Rapid heating of the catalyst can be increased the exhaust gas energy u. a. by retarding the ignition angle, Raising the idle speed, mixture enrichment, mixture dim or secondary air injection (e.g. DE 40 29 811 A, DE 41 32 814 A1, DE 41 33 117 A1). Another possibility possibility is to remove the catalytic converter with one electrical heating system powered by the motor vehicle equipment.
Da die genannten Verfahren zum Aufheizen des Katalysators nur bis zum Erreichen der Light-Off-Temperatur aktiv sein dürfen, sei es aus Gründen der erhöhten Emissionen, des Fahrkomforts oder der gewünschten Leistung der Brennkraftmaschine, müssen sie nach Ablauf einer gewissen Zeit wieder deaktiviert wer den. Dies kann beispielsweise über die zeitliche Integration der Luftmasse und Vergleich mit einer konstanten Schwelle oder über eine feste Zeitvorgabe erfolgen. Diese bekannten Maßnahmen führen nicht in allen Betriebsbereichen zu dem ge wünschten Erfolg.Since the above-mentioned processes for heating the catalyst only may be active until the light-off temperature is reached, be it for reasons of increased emissions, driving comfort or the desired power of the internal combustion engine they are deactivated again after a certain time the. This can be done via time integration, for example the air mass and comparison with a constant threshold or via a fixed time. These well-known Measures do not lead to the ge in all operating areas wished success.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Verfahren anzugeben, mit dessen Hilfe Kriterien zum Beenden der Auf heizmaßnahmen für den Katalysator bestimmt werden können.The invention is therefore based on the object of methods specify with the help of criteria for ending the on heating measures for the catalyst can be determined.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der unab hängigen Ansprüche 1, 9 und 13 gelöst.The object of the invention is through the features of the unab dependent claims 1, 9 and 13 solved.
Die Zeitspanne, innerhalb derer die Aufheizmaßnahmen aktiv sind, ist erfindungsgemäß vom Betriebszustand der Brennkraft maschine abhängig gewählt. Hierzu wird entweder die thermi sche Energie herangezogen, die über das Abgas dem Katalysator zugeführt wird, oder es werden Temperaturen des Abgases stromauf und/oder stromabwärts des Katalysators oder die Mo nolithtemperatur selbst gemessen, aus einem Kennfeld ausgele sen oder mittels eines physikalischen Temperaturmodells be rechnet.The period of time within which the heating measures are active are, according to the invention, of the operating state of the internal combustion engine machine selected. For this, either the thermi cal energy used, the exhaust gas to the catalyst is supplied, or there are temperatures of the exhaust gas upstream and / or downstream of the catalyst or the Mo measured temperature itself, read from a map sen or by means of a physical temperature model calculates.
Das Temperaturmodell beruht dabei auf der Energiebilanz des Katalysators, wobei die dem Katalysator über den Abgasmassen strom mit einem bestimmten Temperatur zugeführten Energie, der Energieübertrag zwischen dem Abgas und den Katalysator, der von der Schadstoffkonvertierung erzeugte Energiestrom, die stromabwärts des Katalysators vom Abgas ausgetragene Energie und die durch Strahlung und Konvektion abgegebene Energie berücksichtigt wird. The temperature model is based on the energy balance of the Catalyst, the catalyst above the exhaust gas masses electricity supplied with a certain temperature, the energy transfer between the exhaust gas and the catalytic converter, the energy flow generated by the pollutant conversion, the exhaust gas discharged downstream of the catalyst Energy and that emitted by radiation and convection Energy is taken into account.
Die Verfahren haben den Vorteil, daß sie zuverlässige Krite rien zur Beendigung der Aufheizmaßnahmen liefern und somit eine unnötige, über den Bedarf hinausgehende Erwärmung des Katalysators vermieden wird.The methods have the advantage of being reliable criteria to deliver the end of the heating measures and thus unnecessary warming of the Catalyst is avoided.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhän gigen Ansprüchen angegeben.Advantageous developments of the invention are in the depend given claims.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher er läutert; es zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to the figures purifies; show it:
Fig. 1 schematisch den Aufbau einer Abgasreinigungsanlage und Fig. 1 shows schematically the structure of an exhaust gas cleaning system and
Fig. 2 ein physikalisches Modell zur Berechnung der Mono lithtemperatur im und der Ausgangstemperatur nach dem Vorkatalysator der Abgasreinigungsanlage. Fig. 2 shows a physical model for calculating the monolith temperature and the outlet temperature after the pre-catalyst of the exhaust gas cleaning system.
Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 2 mit einer Einspritz anlage 7, die an einen Ansaugtrakt 1 und einen Abgastrakt 3 angeschlossen ist. Im Abgastrakt 3 ist ein Vorkatalysator 4 und davon getrennt in Strömungsrichtung folgend ein Hauptka talysator 5 vorgesehen. In Strömungsrichtung des Abgases (Pfeilsymbol) gesehen vor dem Vorkatalysator 4 ist ein erster Temperatursensor 11 und zwischen dem Vorkatalysator 4 und dem Hauptkatalysator 5 ist ein zweiter Temperatursensor 12 in den Abgastrakt 3 eingebracht. Vor dem Vorkatalysator 4 ist im Ab gastrakt 3 eine erste Lambdasonde 19 angeordnet. Sie dient in bekannter Weise als Regelsonde für eine Lambdaregelung, mit deren Hilfe das Kraftstoff-/Luftgemisch eingestellt wird. Nach dem Hauptkatalysator 5 ist im Abgastrakt 3 eine zweite, auch als Monitorsonde oder Trimmsonde bezeichnete Lambdasonde 13 angeordnet. Fig. 1 shows an internal combustion engine 2 with an injection system 7 , which is connected to an intake tract 1 and an exhaust tract 3 . In the exhaust tract 3 , a precatalyst 4 and a main catalyst 5 are provided separately therefrom in the flow direction. Seen in the flow direction of the exhaust gas (arrow symbol) in front of the pre-catalytic converter 4 is a first temperature sensor 11 and between the pre-catalytic converter 4 and the main catalytic converter 5 a second temperature sensor 12 is introduced into the exhaust gas tract 3 . A first lambda probe 19 is arranged in front of the pre-catalyst 4 in the gas tract 3 . In a known manner, it serves as a control probe for a lambda control, with the aid of which the fuel / air mixture is adjusted. After the main catalytic converter 5 , a second lambda probe 13 , also referred to as a monitor probe or trim probe, is arranged in the exhaust tract 3 .
Zwischen der Brennkraftmaschine 2 und dem Vorkatalysator 4 mündet eine Sekundärluftzuleitung 16 in den Abgastrakt 3. In der Sekundärluftzuleitung 16 ist ein Ventil 8, eine Sekundär luftpumpe 9 und ein zweiter Luftmassenmesser 10 angeordnet.Between the internal combustion engine 2 and the pre-catalyst 4 , a secondary air supply line 16 opens into the exhaust tract 3. In the secondary air supply line 16 , a valve 8 , a secondary air pump 9 and a second air mass meter 10 are arranged.
Im Ansaugtrakt 1 ist ein erster Luftmassenmesser 6 einge bracht, der über eine Signalleitung mit einem Steuergerät 15 in Verbindung steht, das einen Datenspeicher 14 aufweist. Das Steuergerät 15 ist über einen Datenbus 17 mit der Brennkraft maschine 2 und der Einspritzanlage 7 verbunden. Zudem ist das Steuergerät 15 über Signalleitungen mit dem zweiten Luft massenmesser 10, dem ersten Temperatursensor 11, dem zweiten Temperatursensor 12 und der Lambdasonde 13 verbunden. Die Se kundärluftpumpe 9 und das Ventil 8 sind über Ansteuerleitun gen an das Steuergerät 15 angeschlossen.In the intake tract 1 , a first air mass meter 6 is introduced, which is connected via a signal line to a control unit 15 which has a data memory 14 . The control unit 15 is connected via a data bus 17 to the internal combustion engine 2 and the injection system 7 . In addition, the control unit 15 is connected via signal lines to the second air mass meter 10 , the first temperature sensor 11 , the second temperature sensor 12 and the lambda sensor 13 . The secondary air pump 9 and the valve 8 are connected to the control unit 15 via control lines.
Das Steuergerät 15 steuert in Abhängigkeit von der zugeführ ten Motorluftmasse und der Abgaszusammensetzung nach dem Hauptkatalysator 5 die Einspritzung der Brennkraftmaschine 2 und die Zufuhr der Sekundärluft in den Abgastrakt 3.The control unit 15 controls the injection of the internal combustion engine 2 and the supply of the secondary air into the exhaust tract 3 as a function of the engine air mass supplied and the exhaust gas composition after the main catalyst 5 .
Außerdem übernimmt das Steuergerät 15 u. a. die Verarbeitung der Temperatursignale von den Sensoren 11 und 12, bzw. er rechnet aus dem Wert für die Temperatur vor dem Vorkatalysa tor über ein physikalisches Modell die Temperaturwerte im Ka talysator (Monolithtemperatur) und stromabwärts des Vorkata lysators. Daraus werden verschiedene Kriterien für das Errei chen der Anspringtemperatur des Katalysators abgeleitet. Ins besondere werden die so erhaltenen Temperaturwerte mit vorge gebenen Grenzwerten verglichen und bei überschreiten dieser Grenzwerte die Warmlaufmaßnahmen zur Katalysatoraufheizung deaktiviert.In addition, the control unit 15 takes over, among other things, the processing of the temperature signals from the sensors 11 and 12 , or it calculates the temperature values in the catalytic converter (monolith temperature) and downstream of the precatalyst from the value for the temperature in front of the precatalyst via a physical model. Various criteria for reaching the light-off temperature of the catalyst are derived from this. In particular, the temperature values obtained in this way are compared with predetermined limit values and, if these limit values are exceeded, the warm-up measures for catalyst heating are deactivated.
Im folgenden werden drei Möglichkeiten angegeben, wie jeweils ein Kriterium zum Beenden der Warmlaufmaßnahmen bestimmt wer den kann.The following are three options, each as a criterion for ending the warm-up measures determines who that can.
Das Erreichen der Katalysator Light-Off-Temperatur hängt von
der dem Katalysator über das Abgas zugeführten thermischen
Energie ab. Nach Zuführung einer bestimmten Energiemenge
stellt sich eine entsprechende Katalysatortemperatur ein. Da
ein Teil der zugeführten Energiemenge, insbesondere bei fah
rendem Fahrzeug über Konvektionsvorgänge wieder abgegeben
wird, wird die zugeführte Energiemenge um einen Konvektions
term, der von der Fahrgeschwindigkeit des mit der Brennkraft
maschine ausgerüsteten Fahrzeuges abhängt, korrigiert. Die
Aufheizmaßnahmen bleiben aktiv, bis die zugeführte Energie
menge einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet:
Reaching the catalytic converter light-off temperature depends on the thermal energy supplied to the catalytic converter via the exhaust gas. After supplying a certain amount of energy, a corresponding catalyst temperature is established. Since part of the amount of energy supplied, in particular when the vehicle is driving, is released again via convection processes, the amount of energy supplied is corrected by a convection term which depends on the driving speed of the vehicle equipped with the internal combustion engine. The heating measures remain active until the amount of energy supplied exceeds a predetermined threshold:
mit
Abgas als Massenstrom aus angesaugter Luftmasse und einge
brachter Sekundärluftmasse bestimmte Größe,
cp als spezifische Wärmekapazität des Abgases,
TVVK als Abgastemperatur stromaufwärts des Vorkatalysators,
T als die Zeit, während der die Katalysatoraufheizmaßnahmen
aktiv sind,
Konv(v) als durch Konvektion vom Katalysator abgegebener
Energiestrom (Konvektionsleistung), die von der Fahrge
schwindigkeit v abhängt und bestimmt ist zu
Konv(v) = AO.k2(v).(Tk-TU) wobei mit
AO die Katalysatoraußenfläche, mit der Konstante k2(v) der
Wärmeübertragungskoeffizient der Katalysatoroberfläche zur
Umgebungsluft in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit
v bezeichnet sind. Die Konstante k2 wird in Abhängigkeit von
der Fahrzeuggeschwindigkeit appliziert.With
Exhaust gas as a mass flow from the intake air mass and the introduced secondary air mass of a certain size,
c p as the specific heat capacity of the exhaust gas,
T VVK as the exhaust gas temperature upstream of the pre-catalyst,
T as the time during which the catalyst heating measures are active
Conv (v) as the energy flow (convection power) emitted by the catalyst by convection, which depends on the driving speed v and is determined to
Konv (v) = A O .k 2 (v). (T k -T U ) where with
A O is the outer surface of the catalyst, with which constant k 2 (v) denotes the heat transfer coefficient of the catalyst surface to the ambient air as a function of the vehicle speed v. The constant k 2 is applied as a function of the vehicle speed.
Die Werte für Konv(v) sind in einem entsprechenden Kennfeld KF1 des Datenspeichers 14 abgelegt.The values for Konv (v) are stored in a corresponding map KF1 of the data memory 14 .
SW1 als Schwellenwert, der in dem Datenspeicher 14 abgelegt ist. Er wird durch Fahrversuche auf dem Prüfstand er mittelt.SW1 as a threshold value, which is stored in the data memory 14 . It is determined by driving tests on the test bench.
Bei dieser Energiebilanz kann eine Energieabgabe durch Wär mestrahlung außer acht gelassen werden, da diese erst bei hö heren Temperaturen (ca. 500°C) einen merklichen Einfluß hat.With this energy balance, an energy release by heat measurement radiation should be disregarded, as this higher temperatures (approx. 500 ° C) has a noticeable influence.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Temperaturdifferenzen am Katalysator als Kriterium heranzuziehen, ob die Anspring temperatur des Katalysators erreicht ist. Hierzu werden die Temperaturen stromauf- und stromabwärts des Vorkatalysators ermittelt.Another option is temperature differences to use the catalyst as a criterion whether the light-off temperature of the catalyst is reached. For this, the Temperatures upstream and downstream of the pre-catalyst determined.
Die Temperatur TVVK stromaufwärts des Vorkatalysators 4 wird entweder wieder mittels des Temperatursensors 11 (Fig. 1) ge messen oder über ein Kennfeld KF2 bestimmt, das in dem Daten speicher 14 abhängig von mindestens einer der Größen Luftzahl λ, Luftmassenstrom LM im Ansaugtrakt, Zündwinkels IGA ab gelegt ist. Diese Möglichkeiten zur Ermittlung der Temperatur TVVK gilt auch für das erst genannte Verfahren.The temperature T VVK upstream of the pre-catalyst 4 is either measured again by means of the temperature sensor 11 ( FIG. 1) or determined via a map KF2, which is stored in the data memory 14 depending on at least one of the variables air ratio λ, air mass flow LM in the intake tract, ignition angle IGA is laid down. These options for determining the temperature T VVK also apply to the first-mentioned method.
Die Temperatur TNVK stromabwärts des Vorkatalysators 4 wird entweder mittels des Temperatursensors 12 gemessen oder über ein später näher beschriebenes physikalisches Temperaturmo dell bestimmt.The temperature T NVK downstream of the pre-catalyst 4 is either measured by means of the temperature sensor 12 or determined via a physical temperature model described in more detail later.
Aus den beiden Temperaturwerten wird die Differenz gebildet
und diese mit einem Schwellenwert SW2 verglichen. Wird der
Schwellenwert SW2 überschritten, so werden die Aufheizmaßnah
men (Warmlaufstrategien) beendet:
The difference is formed from the two temperature values and this is compared with a threshold value SW2. If the threshold value SW2 is exceeded, the heating measures (warm-up strategies) are ended:
TNVK-TVVK < SW2
T NVK -T VVK <SW2
Der Schwellenwert SW2 wird aus einem, abhängig vom Abgas
massenstrom Abgas und Drehzahl n der Brennkraftmaschine auf
gespannten Kennfeld KF3 entnommen, das in dem Datenspeicher
14 abgelegt ist. Der Abgasmassenstrom Abgas setzt sich zusam
men aus dem Massenstrom für die angesaugte Luftmasse LM und
dem Massenstrom der eingebrachten Sekundärluft SLM:
The threshold value SW2 is taken from a, depending on the exhaust gas mass flow, exhaust gas and speed n of the internal combustion engine on a tensioned map KF3, which is stored in the data memory 14 . The exhaust gas mass flow exhaust gas is composed of the mass flow for the intake air mass LM and the mass flow of the introduced secondary air SLM :
Abgas =(1+1/cs) LM + SLM
Exhaust gas = (1 + 1 / c s ) LM + SLM
mit cs als Koeffizient für die zugeführte Kraftstoffmenge.with c s as the coefficient for the amount of fuel supplied.
Fig. 2 zeigt schematisch das Modell, mit dem verschiedene Temperaturen im bzw.- am Vorkatalysator berechnet werden kön nen. Die Energiebilanz des Katalysators ergibt sich aus dem Zuge führten Wärmeenergiestrom in, der über den Abgasmassen strom Abgas, der die Eingangstemperatur TVVK aufweist, dem Ka talysator zugeführt wird. Im Katalysator findet ein Energie übertrag vom Abgas zum Katalysator statt. Dies ist in Fig. 2 als zeitliche Änderung des Energieübertrages (Leistungsübertrag) Gas→Kat symbolisch dargestellt. Der von der Schadstoffkonvertierung erzeugte Energiestrom ist mit Exoth bezeichnet. Durch diese beiden Energieströme erwärmt sich der Katalysator auf die Katalysatortemperatur TK. Zudem gibt der Katalysator Leistung in Form von Konvektion Konv und Strahlung Rad an die Umgebung ab. Zugleich wird mit dem Ab gas aus dem Katalysator eine Leistung (Energiestrom) Abgas abgeführt. Fig. 2 shows schematically the model with which different temperatures in or on the pre-catalyst NEN can be calculated. The energy balance of the catalyst is derived from the heat energy supplied in current, the current through the exhaust gas exhaust masses having the inlet temperature T presale, the Ka is supplied talysator. Energy is transferred from the exhaust gas to the catalytic converter in the catalytic converter. This is symbolically represented in FIG. 2 as a change over time in the energy transfer (power transfer) gas → cat . The energy flow generated by the pollutant conversion is called Exoth . These two energy flows heat the catalyst to the catalyst temperature T K. In addition, the catalyst performance are in the form of convection and radiation Conv wheel to the environment. At the same time, an output (energy flow) of exhaust gas is discharged from the catalyst with the exhaust gas .
Nach diesem Temperaturmodell wird sowohl die Temperatur des Monolithen Tk selbst, als auch die nach dem Vorkatalysator herrschende Ausgangstemperatur des Abgases TNVK berechnet.This temperature model is used to calculate both the temperature of the monolith T k itself and the starting temperature of the exhaust gas T NVK downstream of the pre-catalyst.
Ausgehend von der Energiebilanzgleichung wird aus der Tempe ratur vor dem Vorkatalysator TVVK und dem Abgasmassenstrom Abgas die Ausgangstemperatur TNVK berechnet, die der Abgas strom nach dem Vorkatalysator aufweist. Die Temperatur TVVK wird mit dem ersten Temperatursensor 11 vor dem Vorkatalysa tor 4 gemessen oder über das Kennfeld KF2 ermittelt. Der Ab gasmassenstrom Abgas wird anhand der angesaugten Motorluft und anhand der zugeführten Sekundärluft bestimmt, die mit dem ersten Luftmassenmesser 6 bzw. mit dem zweiten Luftmassenmes ser 10 gemessen wird. Starting from the energy balance equation, the starting temperature T NVK is calculated from the temperature upstream of the pre-catalyst T VVK and the exhaust gas mass flow exhaust gas , which the exhaust gas stream has after the pre-catalyst. The temperature T VVK is measured with the first temperature sensor 11 in front of the pre-catalyst 4 or determined via the map KF2. The exhaust gas mass flow from exhaust gas is determined on the basis of the intake engine air and on the basis of the secondary air supplied, which is measured with the first air mass meter 6 and the second air mass meter 10 .
Der dem Vorkatalysator 4 zugeführte Energiestrom in berech
net sich wie folgt:
The pre-catalyst 4 the energy supplied current in calculation net as follows:
in = Abgas.TVVK.cp, (1)
in = exhaust gas .T VVK .c p , (1)
wobei mit Abgas der Abgasmassenstrom, mit TVVK die gemessene Eingangstemperatur des Abgases vor dem Vorkatalysator 4 und mit cp die spezifische Wärmekapazität des Abgases bei kon stantem Druck bezeichnet sind.whereby with exhaust gas the exhaust gas mass flow, with T VVK the measured inlet temperature of the exhaust gas upstream of the pre-catalyst 4 and with c p the specific heat capacity of the exhaust gas at constant pressure are designated.
Der Abgasmassenstrom (Abgas) wird nach folgender Formel be
rechnet:
The exhaust gas mass flow ( exhaust gas ) is calculated using the following formula:
Abgas =(1+1/Cs).LM + SLM, (2)
Exhaust gas = (1 + 1 / C s ). LM + SLM , (2)
wobei mit SLM der Sekundärluftmassenstrom, mit LM der Mo torluftmassenstrom und mit CS ein Koeffizient für die zuge führte Kraftstoffmenge bezeichnet ist, der bei λ = 1 einen Wert von 14,7 aufweist.where SLM is the secondary air mass flow, LM is the motor air mass flow and C S is a coefficient for the supplied fuel quantity which has a value of 14.7 at λ = 1.
Der Leistungsübertrag (zeitliche Änderung des Energieübertra
ges) Gas→Kat vom Abgas zum Katalysatormonolithen wird mit fol
gender Gleichung beschrieben:
The power transfer (change over time of the energy transfer) gas → cat from the exhaust gas to the catalyst monolith is described with the following equation:
Gas→Kat = Abgas.k1.AM(TVVK-TK) (3)
Gas → Kat = exhaust gas .k 1 .A M (T VVK -T K ) (3)
wobei mit k1 der Wärmeübertragungskoeffizient vom Abgas zum Katalysatormonolithen, mit AM die von Abgas umströmte Ober fläche des Katalysatormonolithen und mit TK die Temperatur des Katalysatormonolithen bezeichnet sind.where k 1 is the heat transfer coefficient from the exhaust gas to the catalyst monolith, A M denotes the surface of the catalyst monolith around which exhaust gas flows and T K denotes the temperature of the catalyst monolith.
Gemäß dem Boltzmannschen Strahlungsgesetz ergibt sich die vom
Vorkatalysator abgestrahlte Leistung Rad zu:
According to the Boltzmann radiation law gives the radiated power from the pre-catalyst wheel to:
Rad = AO.kB.(TK 4-TU 4) (4)
Rad = A O .k B. (T K 4 -T U 4 ) (4)
wobei mit AO die Katalysatoraußenfläche, mit kB die Bolzmann konstante, mit TU die Umgebungstemperatur und mit TK die Ka talysatortemperatur (Monolithtemperatur) bezeichnet sind.with A O the outer catalyst surface, with K B the Bolzmann constant, with T U the ambient temperature and with T K the catalyst temperature (monolith temperature).
Durch die Konvektion wird vom Katalysator ein Konvektions
strom abgegeben, der durch folgende Gleichung beschrieben
ist:
By convection, a convection current is given off by the catalyst, which is described by the following equation:
Konv = AO.k2(v).(TK-TU) (5)
Konv = A O .k 2 (v). (T K -T U ) (5)
wobei mit Konv die Konvektionsleistung, mit AO die Katalysa toraußenfläche, mit der Konstante k2(v) der Wärmeübertra gungskoeffizient der Katalysatoroberfläche zur Umgebungsluft in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit v bezeichnet sind. Die Konstante k2 wird in Abhängigkeit von der Fahrzeug geschwindigkeit appliziert.where with Konv the convection power, with A O the outer catalyst surface, with the constant k 2 (v) the heat transfer coefficient of the catalyst surface to the ambient air depending on the vehicle speed v. The constant k 2 is applied depending on the vehicle speed.
Aus der Energiebilanzgleichung ergibt sich eine Differential
gleichung erster Ordnung für die Temperatur TK des Katalysa
tors:
A first order differential equation for the temperature T K of the catalyst results from the energy balance equation:
wobei mit mK die Masse des Katalysatormonolithen und mit cK die spezifische Wärmekapazität des Katalysatormonolithen be zeichnet sind.where m K denotes the mass of the catalyst monolith and c K denotes the specific heat capacity of the catalyst monolith.
Dabei wird davon ausgegangen, daß die exotherme Energie die thermische Energie des Monolithen erhöht.It is assumed that the exothermic energy thermal energy of the monolith increased.
Der durch die exothermische Umsetzung der Schadstoffkomponen ten im Katalysator erzeugte Energiestrom (Exoth) ist abhängig von der Monolithtemperatur (TK) in einem Kennfeld (KF4) des Datenspeichers (14) abgelegt.The energy flow ( Exoth ) generated by the exothermic conversion of the pollutant components in the catalytic converter is stored in a map (KF4) of the data memory ( 14 ) depending on the monolith temperature (T K ).
Aus den Gleichungen (3) und (6) wird schließlich die Tempera
tur stromabwärts des Vorkatalysators berechnet:
Finally, the temperature downstream of the pre-catalyst is calculated from equations (3) and (6):
Für ein optimales Temperaturmodell zur Berechnung der Aus gangstemperatur TNVK für den Katalysator werden am Motorprüf stand Temperaturverläufe des Katalysators gemessen und dazu verwendet, um die Modellparameter k1, k2, und cK entsprechend anzupassen, so daß der auftretende Fehler zwischen dem Tempe raturmodell und der tatsächlichen Erwärmung des Katalysators minimiert wird.For an optimal temperature model for calculating the starting temperature T NVK for the catalytic converter, temperature profiles of the catalytic converter were measured on the engine test stand and used to adapt the model parameters k 1 , k 2 , and c K accordingly, so that the error occurring between the temperature model and the actual heating of the catalyst is minimized.
Ein weiteres Kriterium, ob die eingeleiteten Aufheizmaßnahmen für den Katalysator wieder abgeschaltet werden können, stellt die Monolithtemperatur TK des Katalysators dar. Diese kann entweder direkt mittels eines geeigneten Temperatursensors 18 (in der Fig. 1 mit strichlinierter Darstellung gezeigt) im Vorkatalysator 4 gemessen werden, oder mit Hilfe des oben be schriebenen physikalischen Modells (Gleichung (6)) berechnet werden.A further criterion as to whether the heating measures initiated for the catalyst can be switched off again is the monolith temperature T K of the catalyst. This can be measured either directly by means of a suitable temperature sensor 18 (shown in dashed lines in FIG. 1) in the pre-catalyst 4 , or be calculated using the physical model described above (equation (6)).
Der Wert für TK wird mit einem Schwellenwert SW3 verglichen
und bei Überschreiten des Schwellenwertes werden die Aufheiz
maßnahmen deaktiviert:
The value for T K is compared to a threshold value SW3 and the heating measures are deactivated when the threshold value is exceeded:
TK < SW3T K <SW3
Der Schwellenwert SW3 wird wieder aus einem, abhängig vom Ab gasmassenstrom Abgas und Drehzahl n der Brennkraftmaschine aufgespannten Kennfeld KF5 entnommen, das in dem Datenspei cher 14 abgelegt ist.The threshold value SW3 is again taken from a map KF5 spanned depending on the exhaust gas mass flow exhaust gas and speed n of the internal combustion engine and stored in the data memory 14 .
Claims (18)
Abgas = (1+1/Cs).LM + SLM,
wobei mit Cs ein Koeffizient für die zugeführte Kraftstoff menge bezeichnet ist, der bei λ = 1 einen Wert von 14,7 auf weist.4. The method according to claim 3, characterized in that the exhaust gas mass flow ( exhaust gas ) is calculated according to the following equation:
Exhaust gas = (1 + 1 / C s ). LM + SLM ,
C s denotes a coefficient for the quantity of fuel supplied, which has a value of 14.7 at λ = 1.
mit cp als spezifische Wärmekapazität des Abgases.12. The method according to claim 11, characterized in that the temperature (T NVK ) at the outlet of the catalyst ( 4 ) is calculated using the differential equation
with c p as the specific heat capacity of the exhaust gas.
wobei mit mK die Masse des Katalysatormonolithen und mit cK die spezifische Wärmekapazität des Katalysatormonolithen be zeichnet sind.16. The method according to claim 15, characterized in that from the energy balance equation, the temperature (T K ) of the catalyst is calculated using the first order differential equation
where m K denotes the mass of the catalyst monolith and c K denotes the specific heat capacity of the catalyst monolith.
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