DE19907382A1 - Verfahren zur Abschätzung der Katalysatortemperatur - Google Patents

Verfahren zur Abschätzung der Katalysatortemperatur

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschätzen der Katalysatortemperatur unter Verwendung eines Temperaturmodells und in Abhängigkeit von zumindest einer Eingangsgröße. DOLLAR A Eine Messung im Katalysator ist wegen der Anbringung der Temperaturmeßstelle oft schwierig. Daher wird die Temperatur im Katalysator mit einem Temperaturmodell abgeschätzt und zwar vorliegend unter Verwendung der Abgastemperatur am Katalysatoreintritt als Eingangsgröße.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abschätzung der Katalysatortempe­ ratur unter Verwendung eines Temperaturmodells und in Abhängigkeit von zumindest einer Eingangsgröße.
Die Katalysatortemperatur stellt eine maßgebliche Größe dar, die das Kon­ vertierungsverhalten und das Speicherverhalten des Katalysators kenn­ zeichnet. Sie sollte daher möglichst genau ermittelt werden.
Bei der Bestimmung der Katalysatortemperatur ist es bekannt, die Tempe­ ratur durch Messung im Katalysator selbst zu ermitteln. Bei Serienanwen­ dungen ist die Temperaturmessung selbst jedoch wegen der Anbringung der Temperaturmeßstelle im Katalysator schwierig.
Aus diesem Grunde verwendet man Verfahren und Vorrichtungen zur Ab­ schätzung der Temperatur des Katalysators, die ohne Meßstellen im Kataly­ sator auskommen. Unter anderem ist es bekannt, die Temperatur des Kata­ lysators in Abhängigkeit von der Last und Drehzahl sowie vom Wärmeeintrag in Abhängigkeit von der angesaugten Luftmasse in den Katalysator zu be­ stimmen. Zum weiteren Umfeld wird auf die JP 08284651 A, JP 08284650 A, DE 44 98 478 und US 5,303,198 hingewiesen.
Die vorgenannten Abschätzungen der Katalysatortemperatur berücksichtigen jedoch nicht in ausreichendem Maße die auftretenden physikalischen Effek­ te.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein genaues Verfahren zur Ab­ schätzung der Katalysatortemperatur anzugeben, bei dem mit einfachen Mitteln wichtige physikalische Einflüsse berücksichtigt werden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Temperaturmodell verwendet wird, welches als Eingröße die Abgastemperatur am Katalysatoreintritt ver­ wendet. Die Abgastemperatur am Katalysatoreintritt stellt eine Größe dar, die das Temperaturverhalten des Katalysators maßgeblich beeinflußt. Durch Verwendung dieser Eingangsgröße kann man daher auf einfache Weise ei­ ne sehr genaue Temperaturermittlung durchführen.
Vorzugsweise kann die Abgastemperatur am Katalysatoreintritt gemessen werden. Alternativ ist eine Bestimmung der Abgastemperatur am Katalysa­ toreintritt auch unter Zuhilfenahme eines weiteren Temperaturmodells mög­ lich.
Die Temperaturveränderungen im Katalysator werden durch eine Vielzahl physikalischer Effekte hervorgerufen. Beispielsweise findet eine Wärme­ übertragung von den Abgasen auf den Katalysator oder umgekehrt während des Durchtritts der Abgase durch den Katalysator statt. Zudem gibt der Ka­ talysator Wärme an die Umgebung ab, und zwar in Form von Konvektion oder Strahlung. Überdies ist es möglich, daß im Katalysator Sauerstoff oder Stickstoff eingespeichert wird, welcher dann in Verbindung mit einem wäh­ rend des Motorbetriebs sich ergebenden Kraftstoffüberschuß in einer exo­ thermen Reaktion, welche dem Katalysator Wärme zuführt, abgebaut wird. Diese physikalischen Effekte werden in dem Temperaturmodell in Unteran­ sprüchen berücksichtigt.
Vorzugsweise wird die Abgastemperatur am Katalysatoreintritt in bestimmten zeitlichen Abständen ermittelt und aus der Temperaturdifferenz auf die mo­ mentan vorliegende Katalysatortemperatur geschlossen.
Die vorliegende Erfindung stellt ein sehr einfaches Verfahren zur genauen Bestimmung der Katalysatortemperatur dar, ohne daß die Temperaturen durch eine separate Meßstelle im Katalysator ermittelt werden muß. Das Verfahren erlaubt eine einfache Berechnung der Katalysatortemperatur und gibt somit maßgeblich das Katalysatorverhalten in Bezug auf dessen Kon­ vertierung an. Überdies können die Fahrzeugemissionen verringert werden, da das Temperaturfenster, in dem der Katalysator mit hohem Wirkungsgrad arbeitet, genauer eingehalten werden kann. Die erhöhte Genauigkeit erreicht man entsprechend den verwendeten Ausführungsformen durch Berücksich­ tigung der physikalischen Effekte der Wärmeabgabe des Katalysators durch Konvektion an die Umgebung, der Wärmeabgabe des Katalysators durch Strahlung an die Umgebung, der exothermen Reaktion im Katalysator auf­ grund einer Sauerstoffspeicherfähigkeit bzw. einer Speicherregeneration von NOx-Stoffen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand einer einzigen Zeich­ nung und eines speziellen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Zeichnung zeigt ein sehr einfaches schematisches Blockdiagramm.
In der einzigen Figur ist ein Verbrennungsmotor 10 blockdiagrammartig dar­ gestellt, welcher über eine Abgasleitung 12 mit einem Katalysator 14 ver­ bunden ist. Vor dem Katalysatoreintritt ist ein Temperatursensor 16 im Ab­ gaskanal angeordnet, welcher seine Daten an eine Berechnungseinheit 18 übermittelt. Die Berechnungseinheit 18 führt entsprechend der nachfolgend beschriebenen Modelle Berechnungen durch. Insbesondere berücksichtigt die Berechnungseinheit 18 den Wärmeübergang Katalysator-Abgas, die Wärmeabgabe des Katalysators an die Umgebung durch Konvektion, die Wärmeabgabe an die Umgebung durch Strahlung, die Reaktion von Abgas mit Sauerstoff im Katalysator und die Reaktion von Abgas mit NOx- Speichermaterial im Katalysator.
Auf die vorgenannten Faktoren wird nachfolgend im einzelnen eingegangen:
Beim Wärmeübergang Katalysator-Abgas wird Wärme vom Abgas an den Katalysator oder umgekehrt abgegeben. Die Wärmemengen, die übertragen werden, kann man aus der Temperaturab- oder zunahme des Abgases über die Länge des Katalysators berechnen. Dabei gilt, daß die übertragene Wärmemenge durch das im Katalysator strömende Abgas QABG durch fol­ gende Gleichung bestimmt ist:
QABG = .c.ΔT1 * tA
wobei den Massenstrom des Abgases, c die temperatur- und lambdaab­ hängige Wärmekapazität des Abgases, ΔT1 das Temperaturgefälle am Ka­ talysator und tA die Abtastzeit darstellen.
Das Temperaturgefälle ΔT1 am Katalysatoraustritt kann man ermitteln über die folgende Gleichung:
wobei ΔT0 das Temperaturgefälle (Temperaturunterschied zwischen zwei Meßzeitpunkten) am Katalysatoreintritt darstellt, α der Wärmeübergangs­ koeffizient ist, U die charakteristische Seitenlänge der wärmeübertragenden Fläche bedeutet und x der Länge des Katalysators entspricht.
Insgesamt kann man somit über die Temperaturunterschiede während ver­ schiedener Abtastzeiten am Katalysatoreintritt die vom Abgas an den Kataly­ sator oder umgekehrt in dem Zeitintervall tA übertragene Wärmemenge be­ stimmen.
Die vom Katalysator an die Umgebung abgegebene Wärme durch Konvekti­ on wird bestimmt durch die Gleichung:
KON = α . A .(TKat - T∞)
wobei α der Wärmeübertragungskoeffizient, A die Katalysatoroberfläche, TKat die Temperatur des Katalysators und T∞ die Umgebungstemperatur darstellt. Die Größe Kon beschreibt den Wärmestrom durch die Konvektion. Mit einem Abtastschritt tA ergibt sich die pro Abtastschritt eine an die Umge­ bung übertragene Wärmemenge von
QKON = α . A .(TKat - T∞) . tA
Die Wärmeabgabe durch Strahlung vom Katalysator an die Umgebung kann durch die Gleichung:
beschrieben werden, wobei ε das Emissionsverhältnis, CS die Strahlungs­ konstante des schwarzen Körpers, TKAT die Temperatur des Katalysators und STR den Wärmestrom durch Strahlung bedeutet. Damit ergibt sich pro Abtastschritt an die Umgebung die übertragene Wärmemenge:
Im Katalysator kann während des Motorbetriebs mit Sauerstoffüberschuß Sauerstoff gespeichert werden. Bei Motorbetrieb mit Sauerstoffmangel kön­ nen die unverbrannten Bestandteile des Gemisches im Katalysator mit dem gespeicherten Sauerstoff reagieren. Diese Reaktion ist exotherm. Falls kein unverbranntes Gemisch im Abgas enthalten ist oder der Sauerstoffspeicher vollständig entleert ist, wird keine Energie freigesetzt.
Unter Verwendung der Formel
kann man auf die bei der Reaktion freiwerdende Energiemenge QO2 schlie­ ßen. Wobei qO2 die pro Masseneinheit Sauerstoff freiwerdende Energiemen­ ge bedeutet, MO2 die molare Masse des Sauerstoffmoleküls beschreibt und 0,5 (x + y) die benötigte Sauerstoffmolzahl für die stöchiometrische Verbren­ nung mit dem Kraftstoff CxHy beschreibt. Für einen gegebenen Kraftstoff ist mit Hilfe dieser Reaktionsgleichung bekannt, welche Energiemenge qO2 pro Masseneinheit Sauerstoff frei wird, falls die Reaktion im Katalysator stöchiometrisch abläuft. Da die oben genannte Reaktion nicht immer stöchiometrisch abläuft, wird noch eine Korrektur über den Wirkungsgrad ηO2 vorgenommen. Der. Wirkungsgrad kann eine Funktion des Inhalts des Sauerstoffpeichers sein. Damit ergibt sich pro gemessenem Teilintervall tA durch Oxidation des Sauerstoffs im Katalysator eine freiwerdende Energie von:
QO2 = ηO2.qO2.O2.tA
wobei O2 die aus dem Sauerstoffspeicher des Katalysators ausfließende Sauerstoffmasse beschreibt.
In analoger Weise kann man auf die aus der Reaktion von Abgas mit einem NOx-Speichermaterial entstandene Wärme schließen. Der Katalysator kann nämlich während des Motorbetriebs mit Sauerstoffüberschuß Stickstoff spei­ chern. Bei Motorbetrieb mit Sauerstoffmangel können dann die unverbrann­ ten Bestandteile des Gemisches im Katalysator mit dem Speichermaterial reagieren. Diese Reaktion setzt zuerst Stickoxide frei, die dann mit Hilfe der unverbrannten Kraftstoffanteile reduziert werden. Es wird keine Energie frei, falls kein unverbranntes Gemisch im Abgas enthalten ist oder der NOx- Speicher vollständig entleert ist.
Als Speichermaterial können verschiedene Metalloxide verwendet werden.
Die verschiedenen Speichermaterialien werden durch den nachfolgenden Begriff Me, das entsprechende Oxid durch MeO charakterisiert. Bei Motor­ betrieb mit Sauerstoffmangel zerfallen die Nitrate in das entsprechende Oxid und NO, anschließend wird das NO unter Freiwerden des Sauerstoffs mit Hilfe der Reduktionsmittel HC und CO reduziert. Beispielhaft wird als Reduk­ tionsmittel CO angenommen. Damit resultieren folgende Reaktionsformeln:
Me-NO3 → MeO + NO + 0,5 O2 + Q1 [KJ]
NO + CO → 0,5 N2 + CO2 + Q2[KJ]
0,5 O2 + CO → CO2 + Q3[KJ]
Insgesamt ergibt sich damit pro Masseneinheit Stickstoff freiwerdende Ener­ giemenge qNO:
wobei MNO die molekulare Masse des Stickoxidmoleküls bedeutet.
Für die beispielhaft angenommenen Reaktionsgleichungen und den entspre­ chenden Speichermaterialien ist damit bekannt, welche Energiemenge qNO pro Masseneinheit Stickstoffoxid frei wird, falls die Reaktion im Katalysator stöchiometrisch abläuft.
Da die Reaktion nicht immer stöchiometrisch abläuft, wird noch eine Kor­ rektur über den Wirkungsgrad ηNO vorgenommen. Der Wirkungsgrad kann eine Funktion des Inhalts des NO-Speichers sein. Damit ergibt sich die pro Teilintervall tA durch Oxidation des Sauerstoffs und Reaktion des Stickstoffs im Katalysator freiwerdende Energie:
QNO = ηNO.qNO.NO.tA
wobei NO der aus dem Sauerstoffspeicher des Katalysators ausfließende NO-Massenstrom bedeutet.
Nach alledem ergibt sich für die Energiebilanz des Katalysators:
Die Temperaturänderung des Katalysators ergibt sich also aus der Summe der zu- und abgeführten Wärmemenge bezogen auf die Masse des Kataly­ sators und seine spezifische Wärmekapazität. Die zu- und abgeführte Wär­ memenge dQ/dt ergibt sich aus der Summe der zu- und abgeführten Wär­ meteilmengen bezogen auf das Abgasintervall:
Insgesamt kann man daher die momentane Katalysatortemperatur TKAT,N aus der vorhergehenden Katalysatortemperatur und die im Abtastintervall erfolgte Wärmemengenänderung bestimmen. Man erhält daher:
wobei die entsprechenden Wärmemengen wie vorgenannt erläutert, be­ stimmt werden. In den Wärmemengen QO2 und QNO geht kein Temperatur­ wert ein.
In die Wärmemenge QKON und QSTR geht eine momentane Katalysatortem­ peratur TKAT,N-1 ein, welche bei der vorhergehenden Abtastung bestimmt wurde. In der Wärmemenge QABG hingegen geht die Temperaturdifferenz im Abtastintervall ein.
Insgesamt kann man somit über die Temperaturdifferenz am Katalysatorein­ tritt und das gerade diskutierte Temperaturmodell eine sehr genaue Tempe­ raturabschätzung des Katalysators beschreiben. Die erfindungsgemäße Ab­ schätzung ist nicht nur genau, sondern auch sehr kostengünstig.

Claims (8)

1. Verfahren zum Abschätzen der Katalysatortemperatur unter Verwen­ dung eines Temperaturmodells und in Abhängigkeit von zumindest ei­ ner Eingangsgröße, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsgröße die Abgastemperatur am Katalysatoreintritt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgastemperatur gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgastemperatur aus einem weiteren Temperaturmodell zur Verfügung gestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Abgas auf den Katalysator oder umgekehrt übertragene Wärmemenge sowie das Wärmespeichervermögen des Katalysators berücksichtigt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabgabe des Katalysators an die Umgebung berück­ sichtigt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Katalysator eingespeicherter Sauerstoff in Verbindung mit ei­ nem momentanen Kraftstoffüberschuß ermittelt und berücksichtigt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Katalysator eingespeichertes Stickoxid in Verbindung mit ei­ nem momentanen Kraftstoffüberschuß ermittelt und berücksichtigt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgastemperatur am Katalysatoreintritt in bestimmten zeitli­ chen Abständen ermittelt wird.
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