DE19944009A1 - Method for operating an SCR catalytic converter - Google Patents

Method for operating an SCR catalytic converter

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Abstract

The aim of the invention is to operate an NOx catalyst in the exhaust-gas section of an internal combustion engine. To this end, the real efficiency (NOx2/NOx1) is detected and compared to a desired efficiency (H_S) that is dependent upon the working temperature. Dosage of the reduction means is carried out in such a way that the real efficiency (NOx2/NOx1) approaches the desired efficiency (H_S).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines SCR- Katalysators im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine.The invention relates to a method for operating an SCR Catalyst in the exhaust tract of an internal combustion engine.

Zur Verringerung des NOx-Gehaltes im Abgas einer mit Luftüberschuß betriebenen Brennkraftmaschine ist das soge­ nannte Selectiv-Catalytic-Reduction-Verfahren bekannt. Dabei wird an einer Stelle vor einem Katalysator ein Reduktionsmit­ tel in das Abgas eingespritzt und so im Abgas enthaltenes NOx in einem sogenannten SCR-Katalysator zu N2 reduziert. Hierzu sei auf die Veröffentlichung Schöppe et al. "Ein geregeltes Abgasnachbehandlungssystem zur Erfüllung zukünftiger Emissi­ onsgrenzwerte bei PKW-Dieselmotoren", 17. Internat. Wiener Motorensymposium, 1996, Bd. 1, verwiesen. Als Reduktionsmit­ tel kann Ammoniak dienen, aus Gründen der Handhabbarkeit wird üblicherweise eine wässrige Harnstofflösung oder pulverförmi­ ger Harnstoff eingesetzt. Es ist auch bekannt, Kraftstoff oder Derivate als Reduktionsmittel zu verwenden.To reduce the NOx content in the exhaust gas of an internal combustion engine operated with excess air, the so-called selectiv-catalytic reduction method is known. Here, a reducing agent is injected into the exhaust gas at one point in front of a catalytic converter and NOx contained in the exhaust gas is reduced to N 2 in a so-called SCR catalytic converter. For this purpose, the publication Schöppe et al. "A regulated exhaust gas aftertreatment system to meet future emission limit values for passenger car diesel engines", 17th Internat. Wiener Motorensymposium, 1996, Vol. 1. Ammonia can be used as the reducing agent; for reasons of manageability, an aqueous urea solution or powdered urea is usually used. It is also known to use fuel or derivatives as a reducing agent.

Beim SCR-System, wie es beispielsweise aus DE 43 15 278 A1 bekannt ist, wird vom Steuergerät der Brennkraftmaschine fortlaufend die Sollmenge der Reduktionsmitteldosierung be­ rechnet. Dazu benötigt das Steuergerät den momentanen Reduk­ tionsmittelbedarf. Dieser wird aus Betriebsparametern der Brennkraftmaschine, wie Luftmasse, Betriebstemperatur oder Last berechnet, indem der Füllstand an Reduktionsmittel im SCR-Katalysator modelliert wird.In the SCR system, as is known, for example, from DE 43 15 278 A1 is known from the control unit of the internal combustion engine continuously the target amount of reducing agent metering calculates. The control unit needs the current Reduk for this agent requirements. This is based on the operating parameters of the Internal combustion engine, such as air mass, operating temperature or Load calculated by the level of reducing agent in the SCR catalyst is modeled.

Um etwaige Ungenauigkeiten in der Modellierung dieses Füll­ standes tolerieren zu können, wird zum real möglichen Maxi­ malfüllstand ein Sicherheitsabstand eingehalten, damit eine Ammoniakemission sicher verhindert ist. Dadurch ist die Lei­ stungsfähigkeit des SCR-Katalysators nicht voll ausgenutzt. For any inaccuracies in the modeling of this fill Being able to tolerate the state becomes a real possible maxi a safety distance, so that a Ammonia emission is safely prevented. This is the lei performance of the SCR catalytic converter is not fully utilized.  

Darüber hinaus ist die Modellierung des Füllstandes, für die die Beladungsfähigkeit des SCR-Katalysators berechnet werden muß, relativ datenverarbeitungsaufwendig.In addition, the modeling of the level for which the loading capacity of the SCR catalyst can be calculated must be relatively data processing-intensive.

Aus der DE 43 34 071 C1 ist eine Abgasreinigungsanlage be­ kannt, bei der der Datenverarbeitungsaufwand zur Reduktions­ mitteldosierung herabgesetzt ist. Dies wird dadurch erreicht, daß ein spezieller NO/NH3-Detektor im Abgastrakt hinter dem SCR-Katalysator angeordnet ist. Der elektrische Widerstand des durch ein spezielles Sputter-Verfahren hergestellten De­ tektors ist dann am größten, wenn die Umsetzung von Stick­ stoffmonoxid zu Stickstoff und Wasser stöchiometrisch ab­ läuft. Das Konzept der DE 43 34 071 C1 erkauft sich den Vor­ teil einfacherer Datenverarbeitung somit durch den Einsatz eines besonderen, relativ teueren Detektors.From DE 43 34 071 C1 an exhaust gas cleaning system is known, in which the data processing effort for reducing agent dosing is reduced. This is achieved in that a special NO / NH 3 detector is arranged in the exhaust tract behind the SCR catalytic converter. The electrical resistance of the detector produced by a special sputtering process is greatest when the conversion of nitrogen monoxide to nitrogen and water is stoichiometric. The concept of DE 43 34 071 C1 buys the part of simpler data processing before by using a special, relatively expensive detector.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines SCR-Katalysators zu schaffen, mit dem die Leistungsfähigkeit des Katalysators voll ausgenutzt wird und das dennoch nicht den Datenverarbeitungsaufwand des Standes der Technik mit sich bringt ohne auf spezielle Detektoren an­ gewiesen zu sein.The invention is therefore based on the object of a method to operate an SCR catalyst with which the Performance of the catalyst is fully utilized and not the data processing effort of the stand of technology without attaching to special detectors to be instructed.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.This object is characterized by that in claim 1 Invention solved.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß der Wirkungs­ grad des SCR-Katalysators u. a. von der Reduktionsmitteldosie­ rung abhängt. Deshalb wird der Ist-Wirkungsgrad, beispiels­ weise aus NOx-Konzentrationen stromauf und stromab des SCR- Katalysators bestimmt und mit einem betriebsabhängigen Soll- Wirkungsgrad verglichen, um die Reduktionsmitteldosierung so zu steuern, daß der Ist-Wirkungsgrad den Soll-Wirkungsgrad erreicht. Dadurch wird zum einen die Leistungsfähigkeit des SCR-Katalysators voll ausgenützt, zum anderen ist der Rechen­ aufwand relativ gering. Die Bestimmung des Beladungsgrades des SCR-Katalysators oder Füllstandsberechnungen können ent­ fallen. Statt dessen muß lediglich der Ist-Wirkungsgrad be­ rechnet werden, was beispielsweise durch eine simple Verhält­ nisbildung der NOx-Konzentration stromauf und stromab des SCR-Katalysators erreicht werden kann. Der Soll-Wirkungsgrad ergibt sich auf einfache Weise aus dem NOx-Gehalt stromauf des SCR-Katalysators und dessen Betriebstemperatur und kann beispielsweise einem geeigneten Kennfeld entnommen werden.The invention is based on the knowledge that the effect degree of SCR catalyst u. a. from the reducing agent dose depends on. Therefore, the actual efficiency, for example from NOx concentrations upstream and downstream of the SCR Catalyst determined and with an operation-dependent target Efficiency compared to the reducing agent dosage so to control that the actual efficiency is the target efficiency reached. On the one hand, this increases the performance of the SCR catalyst fully used, on the other hand is the rake effort relatively low. The determination of the degree of loading of the SCR catalyst or level calculations can ent  fall. Instead, only the actual efficiency has to be can be calculated, for example by a simple ratio formation of the NOx concentration upstream and downstream of the SCR catalyst can be achieved. The target efficiency results in a simple way from the NOx content upstream of the SCR catalyst and its operating temperature and can for example, can be taken from a suitable map.

Weiter ermöglicht das Verfahren die Diagnose eines defekten Katalysators, wenn der Ist-Wirkungsgrad einen Schwellenwert unterschreitet. Wählt man weiter einen bestimmten Betriebszu­ stand mit konstanter Last und dosiert dabei eine vorbestimm­ te, konstante Harnstoffmenge zu, so kann man den beispiels­ weise kennfeldhinterlegten Soll-Wirkungsgrad an diesem Be­ triebspunkt korrigieren, wenn der Ist-Wirkungsgrad den Schwellenwert zwar nicht unterschreitet, aber dennoch unter dem Soll-Wirkungsgrad bleibt. Der dabei ermittelte Korrektur­ faktor kann beim weiteren Betrieb des SCR-Katalysators Be­ rücksichtigung finden.The method also enables the diagnosis of a defective one Catalyst when the actual efficiency is a threshold falls below. If you continue to select a specific company stood with constant load and metered a predetermined te, constant amount of urea, so you can the example map-stored target efficiency at this Be Correct the drive point if the actual efficiency Threshold is not below, but still below the target efficiency remains. The correction determined in the process factor can be the further operation of the SCR catalyst Be find consideration.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen beschrieben.Advantageous embodiments of the invention are in the Un Described claims.

Die Erfindung wir nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeich­ nung in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:The invention is described below with reference to the drawing tion explained in more detail in an embodiment. In the Drawing shows:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit SCR-Abgasreinigungssystem und Fig. 1 is a schematic representation of an internal combustion engine with SCR exhaust gas purification system and

Fig. 2 ein Flußdiagramm der Durchführung eines erfindungsge­ mäßen Verfahrens. Fig. 2 is a flow chart of the implementation of a method according to the invention.

In Fig. 1 ist schematisch eine Brennkraftmaschine mit SCR- Abgasreinigungsanlage dargestellt, wobei nur diejenigen Kom­ ponenten gezeigt sind, die für das Verständnis der Erfindung wesentlich sind. Eine Brennkraftmaschine 1 hat einen Abga­ strakt 3, in dem sich ein SCR-Katalysator 4 befindet. Strom­ auf des SCR-Katalysators 4 ist eine Einspritzdüse 7 angeord­ net, die von einem Harnstoffbehälter 8 gespeist wird. Strom­ auf dieser Einspritzdüse 7 befindet sich im Abgastrakt 3 ein NOx-Meßaufnehmer 6. Ein weiterer NOx-Meßaufnehmer 5 ist stromab des SCR-Katalysators 4 angeordnet. Ein Steuergerät 2 steuert den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 und ist über nicht näher bezeichnete Leitungen zusätzlich mit der Ein­ spritzdüse 7 und den NOx-Meßaufnehmern 5 und 6 verbunden. Am SCR-Katalysator 4 befindet sich noch ein Temperaturfühler 9, der ebenfalls an das Steuergerät 2 angeschlossen ist.In Fig. 1, an internal combustion engine with SCR exhaust gas purification system is shown schematically, only those components are shown that are essential for understanding the invention. An internal combustion engine 1 has an output 3 , in which an SCR catalytic converter 4 is located. Current on the SCR catalyst 4 is an injector 7 angeord net, which is fed by a urea tank 8 . A current on this injection nozzle 7 is in the exhaust tract 3, a NOx sensor 6 . Another NOx sensor 5 is arranged downstream of the SCR catalytic converter 4 . A control unit 2 controls the operation of the internal combustion engine 1 and is also connected via unspecified lines to an injection nozzle 7 and the NOx sensors 5 and 6 . There is also a temperature sensor 9 on the SCR catalytic converter 4 , which is also connected to the control unit 2 .

Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wird über die Einspritz­ düse 7 aus dem Harnstoffbehälter 8 Harnstoff in das Abgas eingespritzt. Dieser Harnstoff wird im heißen Abgastrakt 3 hydrolisiert. Zur Verbesserung dieser Hydrolyse kann zwischen Einspritzdüse 7 und SCR-Katalysator 4 noch ein (nicht darge­ stellter) Hydrolyse-Katalysator vorgesehen sein. Es ist aber auch möglich, andere Reduktionsmittel anstelle von Harnstoff zu verwenden, z. B. Kohlenwasserstoffe wie Kraftstoff.During operation of the internal combustion engine 1 , urea is injected into the exhaust gas from the urea container 8 via the injection nozzle 7 . This urea is hydrolysed in the hot exhaust tract 3 . To improve this hydrolysis, a (not shown) hydrolysis catalyst can also be provided between the injection nozzle 7 and the SCR catalyst 4 . But it is also possible to use other reducing agents instead of urea, e.g. B. hydrocarbons such as fuel.

Zur Ermittlung der optimalen Harnstoffdosis, die von der Ein­ spritzdüse 7 entsprechen der Ansteuerung durch das Steuerge­ rät 2 abgegeben wird, führt das Steuergerät 2 das folgende, in einem Flußdiagramm in Fig. 2 dargestellte Verfahren durch:To determine the optimal urea dose, which is delivered by the injection nozzle 7 corresponding to the control by the control unit 2 , the control unit 2 carries out the following method, shown in a flow chart in FIG. 2:

In einem Schritt S1 liest das Steuergerät 2 den NOx- Meßaufnehmer 5 aus und erfaßt die NOx-Konzentration NOx2. Als nächstes liest das Steuergerät 2 in einem Schritt S2 den NOx- Meßaufnehmer 6 aus und erfaßt die NOx-Konzentration NOx1 stromauf des SCR-Katalysators 4. In einem Schritt S3 berech­ net das Steuergerät 2 das Verhältnis von NOx2 zu NOx1.In a step S1, the control unit 2 reads out the NOx sensor 5 and detects the NOx concentration NOx2. Next, the control unit 2 reads the NOx sensor 6 in a step S2 and detects the NOx concentration NOx1 upstream of the SCR catalytic converter 4 . In a step S3, the control unit 2 calculates the ratio of NOx2 to NOx1.

Parallel bestimmt es in einem Schritt S4 den Massenstrom an NOx M_NOx1, die dem SCR-Katalysator 4 zugeführt wird. Dazu ermittelt das Steuergerät 2 zuerst aus ihm bekannten Be­ triebsparametern die durch den Abgastrakt 3 strömende Abgas­ masse. Aus Abgasmassenstrom und der NOx-Konzentration NOx1 ergibt sich dann M_NOx1. Weiter erfaßt das Steuergerät in ei­ nem Schritt S5 die Betriebstemperatur T_KAT des SCR- Katalysators 4 durch Auslesen des Temperaturfühlers 9. Aus M_NOx1 und T_KAT berechnet das Steuergerät 2 den Soll- Wirkungsgrad H_S in Schritt S6. Dieser Soll-Wirkungsgrad H_S kann beispielsweise aus einem Kennfeld entnommen werden, das über M_NOx1 und T_KAT aufgespannt ist. Dieses Kennfeld trägt der Tatsache Rechnung, daß ein SCR-Katalysator einen betrieb­ stemperatur- und konzentrationsabhängigen Wirkungsgrad auf­ weist.At the same time, in a step S4 it determines the mass flow of NOx M_NOx1 which is fed to the SCR catalytic converter 4 . For this purpose, the control unit 2 first determines operating parameters known from it, the mass of exhaust gas flowing through the exhaust tract 3 . M_NOx1 then results from the exhaust gas mass flow and the NOx concentration NOx1. Furthermore, in a step S5, the control unit detects the operating temperature T_KAT of the SCR catalytic converter 4 by reading out the temperature sensor 9 . The control unit 2 calculates the target efficiency H_S from M_NOx1 and T_KAT in step S6. This target efficiency H_S can be taken, for example, from a map that is spanned by M_NOx1 and T_KAT. This map takes into account the fact that an SCR catalytic converter has an operating temperature and concentration-dependent efficiency.

Als nächstes wird in Schritt S7 die Harnstoffdosis NH_DOS be­ stimmt. Dazu bildet das Steuergerät 2 das Verhältnis aus Ist- Wirkungsgrad, der sich aus NOx2/NOx1 ergab, und dem Soll- Wirkungsgrad H_S. Die Reduktionsmitteldosierung erfolgt nun so, daß dieses Verhältnis Eins annimmt. Das heißt, NH_DOS wird um so stärker erhöht, je weiter dieses Verhältnis von Eins entfernt liegt.Next, the urea dose NH_DOS is determined in step S7. For this purpose, control unit 2 forms the ratio of the actual efficiency, which resulted from NOx2 / NOx1, and the target efficiency H_S. The reducing agent is now metered in such a way that this ratio assumes one. That is, the further away this ratio is from one, the more NH_DOS is increased.

Da die Hydrolyse von Harnstoff temperaturabhängig ist, wird die Harnstoffdosierung temperaturabhängig nach oben begrenzt.Since the hydrolysis of urea is temperature-dependent, the urea dosage is limited depending on the temperature.

Zur Diagnose des SCR-Katalysators 4 wird in einem bestimmten Betriebspunkt, an dem die Brennkraftmaschine 1 mit konstanter Last betrieben wird, eine konstante Harnstoffmenge zudosiert. Zu dieser konstanten Harnstoffmenge ist der Soll-Wirkungsgrad H_S bekannt oder kann wie oben anhand der Fig. 2 erläutert errechnet werden. Unterschreitet der Ist-Wirkungsgrad, der auf bekannte Weise berechnet werden kann, einen Schwellen­ wert, ist der SCR-Katalysator 4 als defekt zu kennzeichnen. Überschreitet der Ist-Wirkungsgrad diesen Schwellenwert nicht, bleibt er jedoch dennoch unter dem Soll-Wirkungsgrad H_S. wird ein Korrekturfaktor ermittelt, der mit dem Soll- Wirkungsgrad H_S verrechnet wird, so daß das Verhältnis aus korrigiertem Soll-Wirkungsgrad und Ist-Wirkungsgrad Eins er­ reicht. Dieser Korrekturfaktor wird dann bei der weiteren Er­ mittlung des Soll-Wirkungsgrades H_S in Schritt S6 berück­ sichtigt. Dieses Vorgehen trägt der Tatsache Rechnung, daß ein SCR-Katalysator 4 im stationären Betrieb sehr viel exak­ ter auf den Soll-Wirkungsgrad geführt werden kann als im dy­ namischen Betrieb.To diagnose the SCR catalytic converter 4 , a constant amount of urea is metered in at a certain operating point at which the internal combustion engine 1 is operated with a constant load. The target efficiency H_S for this constant amount of urea is known or can be calculated as explained above with reference to FIG. 2. If the actual efficiency, which can be calculated in a known manner, falls below a threshold value, the SCR catalytic converter 4 is to be identified as defective. If the actual efficiency does not exceed this threshold value, it nevertheless remains below the target efficiency H_S. a correction factor is determined, which is offset against the target efficiency H_S, so that the ratio of the corrected target efficiency and the actual efficiency one is sufficient. This correction factor is then taken into account in the further determination of the target efficiency H_S in step S6. This procedure takes into account the fact that an SCR catalytic converter 4 can be performed much more precisely on the target efficiency in stationary operation than in dynamic operation.

Claims (9)

1. Verfahren zum Betrieb eines SCR-Katalysators im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, bei dem
  • a) der Ist-Wirkungsgrad des SCR-Katalysators ermittelt wird,
  • b) betriebsparameterabhängig ein Sollwirkungsgrad bestimmt wird, und
  • c) eine Reduktionsmitteldosierung stromauf des SCR- Katalysators abhängig von Soll- und Ist-Wirkungsgrad erfolgt.
1. A method for operating an SCR catalyst in the exhaust tract of an internal combustion engine, in which
  • a) the actual efficiency of the SCR catalytic converter is determined,
  • b) a target efficiency is determined depending on the operating parameters, and
  • c) a reducing agent is dosed upstream of the SCR catalytic converter depending on the target and actual efficiency.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Soll-Wirkungsgrad unter Rückgriff auf die Betriebstemperatur des SCR-Katalysators bestimmt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the Target efficiency using the operating temperature of the SCR catalyst is determined. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß stromauf und stromab des SCR-Katalysators eine NOx-Konzentration im Abgas erfaßt und daraus der Ist- Wirkungsgrad des SCR-Katalysators ermittelt wird, aus Betriebsparametern der Brennkraftmaschine die Abgasmasse ermittelt wird, die durch den Abgastrakt strömt, die Betriebstemperatur des SCR-Katalysators erfaßt wird und aus Betriebstemperatur, Abgasmasse und NOx-Konzentration stromauf des SCR-Katalysators der Soll-Wirkungsgrad ermittelt wird.3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized ge indicates that upstream and downstream of the SCR catalytic converter a NOx concentration is detected in the exhaust gas and the actual Efficiency of the SCR catalyst is determined, the exhaust gas mass from the operating parameters of the internal combustion engine is determined that flows through the exhaust tract, the operating temperature of the SCR catalyst is detected and from operating temperature, exhaust gas mass and NOx concentration the target efficiency is determined upstream of the SCR catalytic converter becomes. 4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der SCR-Katalysator als defekt diagnosti­ ziert wird, wenn der Ist-Wirkungsgrad bei bestimmten Be­ triebsbedingungen der Brennkraftmaschine einen Schwellwert unterschreitet.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized ge indicates that the SCR catalyst is diagnosed as defective is adorned when the actual efficiency at certain Be operating conditions of the internal combustion engine a threshold falls below. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmten Betriebsbedingungen eine Phase mit konstanter Last sind, bei denen eine konstante Reduktionsmittelmenge zudo­ siert wird. 5. The method according to claim 4, characterized in that the a constant load phase under certain operating conditions are in which a constant amount of reducing agent zudo is settled.   6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn der Ist-Wirkungsgrad den Schwellwert nicht unterschrei­ tet, aber dennoch unter dem Soll-Wirkungsgrad bleibt, ein Korrekturfaktor für den Soll-Wirkungsgrad ermittelt wird.6. The method according to claim 5, characterized in that, if the actual efficiency does not fall below the threshold tet, but still remains below the target efficiency Correction factor for the target efficiency is determined. 7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Reduktionsmitteldosierung so bemessen wird, daß der Ist-Wirkungsgrad den Soll-Wirkungsgrad er­ reicht.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized ge indicates that the reducing agent dosage is dimensioned in this way is that the actual efficiency he the target efficiency enough. 8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Reduktionsmitteldosierung temperaturab­ hängig nach oben begrenzt wird.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized ge indicates that the reducing agent dosage is temperature-dependent depending on the upper limit. 9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Reduktionsmitteldosierung abhängig vom Verhältnis zwischen Ist-Wirkungsgrad und Soll-Wirkungsgrad erfolgt.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized ge indicates that the reducing agent dosage depends on Relationship between actual efficiency and target efficiency he follows.
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