DE19948150A1 - Anordnung und Verfahren zur Steuerung einer photochemischen Abgasreinigungsanlage von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Anordnung und Verfahren zur Steuerung einer photochemischen Abgasreinigungsanlage von Brennkraftmaschinen

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Abstract

Die Erfindung offenbart ein Verfahren und eine Anordnung zur Steuerung einer photochemischen Abgasreinigungsanlage von Brennkraftmaschinen, wobei die Abgasreinigungsanlage aus einem im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneten Photokatalysator, zumindest einer dem Photokatalysator zugeordneten Strahlungsquelle, zumindest einem Abgassensor stromab des Photokatalysators und einem Steuergerät, das mit der Strahlungsquelle, der Brennkraftmaschine und dem Abgassensor unmittelbar oder über Stellmittel verbunden ist, besteht. DOLLAR A Dabei wird DOLLAR A (a) mit dem Abgassensor (20) ein Anteil oder eine Konzentration wenigstens einer Schadstoffkomponente am Abgas erfaßt und damit ein Massenstrom für die Schadstoffkomponente bestimmt und in einem Steuergerät (22), das mit der Strahlungsquelle (12), der Brennkraftmaschine (16) und dem Abgassensor (20) unmittelbar oder über Stellmittel (24, 26) verbunden ist, zur Verfügung gestellt und DOLLAR A (b) in Abhängigkeit von dem Massenstrom der Schadstoffkomponente über die jeweiligen Stellmittel (24, 26) ein Arbeitsmodus der Brennkraftmaschine (16) und/oder der Strahlungsquelle (12) geregelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer photochemischen Abgasreinigungsanlage mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen und eine Anordnung zur Steuerung einer photochemischen Abgasreinigungsanlage mit den im Oberbegriff des Anspruchs 7 genannten Merkmalen.
Zur Minderung von Schadstoffemissionen ist es bekannt, das Abgas einer Brennkraftmaschine, insbesondere von Kraftfahrzeugen, durch Abgasreinigungsanlagen strömen zu lassen. Die während des Verbrennungsvorgangs eines Luft-Kraftstoff- Gemisches gebildeten Schadstoffe, wie Stickoxide NOx, unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe HC oder Kohlenmonoxid CO, werden dabei üblicherweise an Katalysatoren zu weniger umweltrelevanten Produkten umgesetzt. Einerseits kann die notwendige Aktivierungsenergie auf thermischen Wege bereitgestellt werden und an­ dererseits sind sogenannte Photokatalysatoren bekannt, bei denen die für die Umsetzung notwendige Aktivierungsenergie durch Licht bereitgestellt wird. Letztge­ nannte Systeme ermöglichen prinzipiell eine Behandlung des Abgases bei bereits wesentlich niedrigeren Temperaturen. Darüber hinaus kann durch eine geeignete Wahl der Wellenlänge eine sehr viel höhere Selektivität und unter Umständen auch Umsetzung erreicht werden.
Bekannte Anordnungen mit einer photochemischen Abgasreinigungsanlage weisen den Nachteil auf, daß sie rein statisch betrieben werden. Da sich jedoch in einem dynamischen Betrieb der Brennkraftmaschine zum einen laufend die Anteile einzelner Schadstoffkomponenten am Abgas ändern (relative Massen) und zum anderen die absoluten Massen schwanken, sind die Umsetzungen in der Praxis nicht optimal. So wird die Emission der Strahlungsquellen bei den herkömmlichen Verfahren in bezug auf Lichtintensität und Wellenlänge konstant gehalten. Dies führt nicht nur zu einem gegebenenfalls unnötigen Energiemehrverbrauch beim Betrieb der Strahlungsquelle, sondern kann, sofern die gegebene Wellenlänge nicht optimal auf die Umsetzung der jeweiligen Schadstoffkomponente eingeregelt ist, zu einer erhöhten Schadstoffemission führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, in denen in einfacher Weise eine Steuerung der photochemischen Abgasreinigungsanlage zur Optimierung der Schadstoffemission und des Energieverbrauchs verwirklicht ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Steuerung einer photochemischen Abgasreinigungsanlage von Brennkraftmaschinen mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen und durch die Anordnung zur Steuerung der photochemischen Abgasreinigungsanlage von Brennkraftmaschinen mit den im Anspruch 7 genannten Merkmalen gelöst.
Die Abgasreinigungsanlage besteht dabei aus einem im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneten Photokatalysator, zumindest einer dem Photokatalysator zugeordneten Strahlungsquelle und zumindest einem Abgassensor stromab des Photokatalysators. Indem
  • a) mit dem Abgassensor ein Anteil oder eine Konzentration wenigstens einer Schadstoffkomponente am Abgas erfaßt und damit ein Massenstrom für die Schadstoffkomponente bestimmt und in einem Steuergerät, das mit der Strahlungsquelle, der Brennkraftmaschine und dem Abgassensor unmittelbar oder über Stellmittel verbunden ist, zur Verfügung gestellt wird und
  • b) in Abhängigkeit von dem Massenstrom der Schadstoffkomponente über die jeweiligen Stellmittel ein Arbeitsmodus der Brennkraftmaschine und/oder der Strahlungsquelle geregelt wird,
können die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden.
Vorzugsweise umfaßt dabei das Stellmittel der Strahlungsquelle einen Regler für eine Strahlungsintensität, so daß beispielsweise bei nur geringen Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine und damit geringen Massenströmen der Energieverbrauch der Strahlungsquelle verringert werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfaßt die Abgasreinigungsanlage mehrere Strahlungsquellen unterschiedlicher Emissionsmaxima. Die einzelnen Strahlungsquellen einer derartigen Anordnung werden in ihrem Emissionsmaximum auf die jeweils zur Umsetzung der verschiedenen Schadstoffkomponenten notwendigen Wellenlängen abgestimmt und in Abhängigkeit von den Massenströmen der Schadstoffkomponenten angesteuert. Steigt beispielsweise die Emission (Massenstrom) von Kohlenmonoxid CO, so wird sinnvollerweise die Strahlungsintensität der Strahlungsquelle mit dem optimalen Emissionsmaximum für die Umsetzung von CO erhöht.
Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, neben der Regelung der Strahlungsquelle auch einen Arbeitsmodus der Brennkraftmaschine zu beeinflussen. Dazu werden bekannte Stellmittel, wie beispielsweise ein Einspritzsystem und eine Abgasrückführeinrichtung, genutzt. So kann einerseits eine Zusammensetzung des Abgases als auch dessen Temperatur hinsichtlich der Umsetzung in dem Photokatalysator optimiert werden.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung, die eine Anordnung zur Steuerung einer photochemischen Abgasreinigungs­ anlage zeigt, näher erläutert.
Die Abgasreinigungsanlage 10 umfaßt dabei zumindest eine Strahlungsquelle 12 und einen in einem Abgasstrang 14 einer Brennkraftmaschine 16 angeordneten Photokatalysator 18. Stromab des Photokatalysators 18 ist ferner ein Abgassensor 20 dem Photokatalysator 18 zugeordnet.
Weiterhin umfaßt die Anordnung ein Steuergerät 22, das unmittelbar mit dem Abgassensor 20 und über Stellmittel 24 beziehungsweise 26 mit der Brennkraftmaschine 16 beziehungsweise der Strahlungsquelle 12 verbunden ist.
Die Steuerung der Abgasreinigungsanlage 10 kann wie folgt durchgeführt werden:
Zunächst wird mit Hilfe des Abgassensors 20 ein Anteil oder eine Konzentration wenigstens einer Schadstoffkomponente am Abgas erfaßt. Dazu kann der Abgassensor 20 beispielsweise als ein komponentenspezifischer Sensor, der HC-, NOx-, H2- oder CO-Konzentrationen im Abgas ermittelt, ausgeführt sein. Denkbar ist auch eine Lambdasonde einzusetzen (zum Beispiel Punkt- oder Breitbandsonde).
Selbstverständlich können auch mehrere Sonden/Sensoren nebeneinander eingesetzt werden.
Aus dem gemessenen Anteil oder der gemessenen Konzentration wird unter Berücksichtigung eines gemessenen oder berechneten Luft-Massenstroms ein Massenstrom für die Schadstoffkomponente bestimmt. Der Massenstrom wird in das Steuergerät 22 eingelesen und dort anhand eines Modells bewertet. Ein solches Modell umfaßt als Eingangsgrößen weiterhin Parameter der Abgasreinigungsanlage 10, wie beispielsweise die Lichtintensität oder die Wellenlänge der Strahlungsquelle 12, als auch ausgewählte Betriebsparameter der Brennkraftmaschine 16. Als letztere Parameter kommen beispielsweise eine eingespritzte Kraftstoffmasse und der Luft-Massenstrom in Frage.
Das Modell liefert mit Hilfe der Massenströme letztendlich Stellgrößen für die Stellmittel 24, 26, die wiederum einen Arbeitsmodus der Brennkraftmaschine 16 beziehungsweise der Strahlungsquelle 12 beeinflussen. Damit wird insgesamt einerseits die Brennkraftmaschine 16 und andererseits die Strahlungsquelle 12 in Abhängigkeit von der Schadstoffkomponente geregelt.
Als Stellmittel 24 der Brennkraftmaschine 16 kommen beispielsweise ein Einspritzsystem oder eine Abgasrückführeinrichtung in Frage. Derartige Stellmittel 24 und auch deren Regelung sind bekannt und sollen daher im Rahmen dieser Beschreibung nicht näher erläutert werden. Die Stellmittel 26 der Strahlungsquelle 12 können beispielsweise einen Regler umfassen, der es ermöglicht, die Lichtintensität zu beeinflussen. Weiterhin können für den Fall, daß mehrere Strahlungsquellen 12 mit unterschiedlichen Emissionsmaxima vorhanden sind, diese in Abhängigkeit von den Massenströmen verschiedener Schadstoffkomponenten angesteuert werden. Die einzelnen Strahlungsquellen 12 weisen dazu ein Emissionsmaximum auf, das auf die notwendigen Wellenlängen zur Umsetzung der jeweiligen Schadstoffkomponenten abgestimmt ist.
Wird im Zuge eines dynamischen Betriebes der Brennkraftmaschine 18 beispielsweise der Massenstrom von Kohlenmonoxid CO am Abgas erhöht, so wird dieser durch den Abgassensor 20 detektiert. Infolgedessen kann über die Stellmittel 24 eine Regelung der Brennkraftmaschine 16 derart erfolgen, daß die Zusammensetzung des zu verbrennenden Luft-Kraftstoff-Gemisches geändert und damit auch die CO-Emission gemindert wird. Alternativ oder ergänzend dazu kann die Strahlungsintensität der Strahlungsquelle 12 erhöht werden, wenn sie in ihrem Emissionsmaximum auf die Umsetzung von Kohlenmonoxid CO im Photokatalysator 18 abgestimmt ist. Andere Strahlungsquellen 12 können gegebenenfalls gedrosselt werden, und damit ist die Energieanforderung durch die Abgasreinigungsanlage 10 an die tatsächlichen Notwendigkeiten gebunden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Steuerung einer photochemischen Abgasreinigungsanlage von Brennkraftmaschinen, wobei die Abgasreinigungsanlage aus einem im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneten Photokatalysator, zumindest einer dem Photokatalysator zugeordneten Strahlungsquelle und zumindest einem Abgassensor stromab des Photokatalysators besteht, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) mit dem Abgassensor (20) ein Anteil oder eine Konzentration wenigstens einer Schadstoffkomponente am Abgas erfaßt und damit ein Massenstrom für die Schadstoffkomponente bestimmt und in einem Steuergerät (22), das mit der Strahlungsquelle (12), der Brennkraftmaschine (16) und dem Abgassensor (20) unmittelbar oder über Stellmittel (24, 26) verbunden ist, zur Verfügung gestellt wird und
  • b) in Abhängigkeit von dem Massenstrom der Schadstoffkomponente über die jeweiligen Stellmittel (24, 26) ein Arbeitsmodus der Brennkraftmaschine (16) und/oder der Strahlungsquelle (12) geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellmittel (26) der Strahlungsquelle (12) einen Regler für eine Strahlungsintensität umfassen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsintensität der Strahlungsquelle (12) mit zunehmendem Massenstrom der Schadstoffkomponente am Abgas erhöht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasreinigungsanlage (10) mehrere Strahlungsquellen (12) mit verschiedenen Emissionsmaxima umfaßt, wobei die Emissionsmaxima auf die jeweils zur Umsetzung der verschiedenen Schadstoffkomponenten notwendigen Wellenlängen abgestimmt sind und die Strahlungsquellen (12) in Abhängigkeit von den Massenströmen der Schadstoffkomponenten angesteuert werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellmittel (24) der Brennkraftmaschine (16) ein Einspritzsystem und eine Abgasrückführeinrichtung umfassen.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abgastemperatur mit zunehmendem Massenstrom einer Schadstoffkomponente am Abgas über die Stellmittel (24) erhöht wird.
7. Anordnung zur Steuerung einer photochemischen Abgasreinigungsanlage (10) für Abgase einer Brennkraftmaschine (16) von Kraftfahrzeugen, bestehend aus
  • a) einem Photokatalysator (18), der in einem Abgasstrang (14) der Brennkraftmaschine (16) angeordnet ist,
  • b) zumindest einer Strahlungsquelle (12), die dem Photokatalysator (18) zugeordnet ist,
  • c) zumindest einem Abgassensor (20), der zur Erfassung eines Anteils oder einer Konzentration wenigstens einer Schadstoffkomponente am Abgas des Kraftfahrzeugs stromab des Photokatalysators (18) dient und
  • d) einem Steuergerät (22), das mit der Strahlungsquelle (12), der Brennkraftmaschine (16) und dem Abgassensor (20) unmittelbar oder über Stellmittel (24, 26) verbunden ist.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgassensor (20) eine Lambdasonde oder ein komponetenspezifischer Sensor, wie ein NOx-, HC-, H2- oder CO-Sensor, ist.
9. Anordnung nach den Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellmittel (24) für die Strahlungsquelle (12) ein Regler für die Strahlungsintensität ist.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellmittel (24, 26) der Brennkraftmaschine (16) ein Einspritzsystem und/­ oder eine Abgasrückführungseinrichtung sind.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasreinigungsanlage (10) mehrere Strahlungsquellen (12) mit verschiedenen Emissionsmaxima umfaßt, wobei die Emissionsmaxima auf die jeweils zur Umsetzung der verschiedenen Schadstoffkomponenten notwendigen Wellenlängen abgestimmt sind und die Strahlungsquellen (12) in Abhängigkeit von den Massenströmen der Schadstoffkomponenten regelbar sind.
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