DE60032291T2 - Abgasreinigungssystem mit einem Katalysator - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zur Steuerung einer Ammoniakeinspritzung stromoberhalb eines selektiven Reduktionskatalysators für den Einsatz in einer Brennkraftmaschine.
  • Um bestimmten Abgasemissionsvorschriften gerecht zu werden, können selektive Reduktionskatalysatorsysteme eingesetzt werden, die extern zugeführte Reduktionsmittel verwenden. In einem solchen System können einer Regelung unterliegende Emissionen, wie z.B. bestimmte Stickstoffoxyde oder NOx in einer sauerstoffreichen Umgebung über einen Katalysator zu Stickstoff und Wasser reduziert werden, wenn ein Reduktionsmittel wie z.B. Ammoniak zugeschlagen wird. Zusätzlich zur Regelung der Stickstoffoxydemissionen muß auch das überschüssige Ammoniak, oder Ammoniaküberschuß, verwaltet werden. Zu Ammoniaküberschuß kommt es dann, wenn mehr Ammoniak, als zur Reduktion der Stickstoffoxyde verbraucht wird, unverändert durch den Katalysator strömt und (als Ammoniak überschuß) aus dem Katalysator austritt.
  • Ein Verfahren zur Regelung von Ammoniaküberschuß besteht darin, einen stromunterhalb des Katalysators angeordneten Ammoniaksensor zu verwenden. Die so ermittelte Ammoniakkonzentration wird mit einem festen oberen Schwellenwert verglichen. Dieser Vergleich erzeugt dann ein Korrektursignal, das zur Steuerung der Bemessung der Ammoniakzufuhr stromoberhalb des Katalysators eingesetzt wird. Durch die Regelung des effektiven Ammoniaküberschusses auf den oberen Schwellenwert soll dadurch eine gewisse Reduzierung der Stickstoffoxyde erzielt werden. Ein solches System ist in der US-Patentschrift 5,369,956 offenbart.
  • Die Erfinder haben hier einen Nachteil mit dem obengenannten System festgestellt. Das obige System stellt die Regelung auf einen festen Konzentrationswert für den oberen Schwellenwert des Ammoniaküberschusses ein. Das System berücksichtigt jedoch nicht den NOx-Wandlungswirkungsgrad oder den prozentualen Überschuß. Während NH3-Überschuß als Konzentration (ppm) ausgedrückt und als Prozentsatz zueinander in Relation stehen, besteht jedoch ein großer Unterschied zwischen diesen Werten bei ihrem Einsatz in einer Steuerstrategie zur Regelung von Reduktionsmittel. Im allgemeinen beginnt Ammoniaküberschuß, wenn sich die NOx-Wandlung mit zunehmendem Ammoniakzuschlag ihrem Maximum nähert (d.h. mit zunehmendem NH3/NOx-Mol-Verhältnis). Nachdem der maximale NOx-Wandlungsgrad erreicht ist, nimmt der Ammoniaküberschuß mit steigendem NH3/NOx schneller zu. Wenn z.B. der Ammoniaküberschuß auf einen konstanten Konzentrationswert eingestellt wird, dann besteht die Wahrscheinlichkeit, daß eine für ausreichende NOx-Wandlung auch bei hohen NOx-Gaszufuhrmengen ausreichend hohe Ammoniak-Einstellung für kleinere NOx-Gaszufuhrmengen zu groß ist, so daß Ammoniak vergeudet wird. Umgekehrt wird eine Einstellung auf einen minimalen erfaßbaren Ammoniak-Konzentrationswert wahrscheinlich ungenügend sein, eine hohe NOx-Wandlung bei hohen NOx-Gaszufuhrmengen zu erlauben. Des weiteren können mittlere Einstellung noch immer ungenügend sein, eine ausreichend hohe NOx Wandlung bei hohen NOx Gas zufuhrmengen zu erlauben. Die bisherigen Verfahren können also keine ausreichend hohe NOx-Wandlung bei minimalem Ammoniaküberschuß erreichen, ganz besonders bei Fahrzeugmotoren, wo sich die NOx-Konzentration schnell und über weite Bereiche verändert.
  • In anderen Worten: da ein Katalysator starken Variationen der motorseitigen NOx-Mengen unterliegt, bewirkt eine Regelung auf eine gegebene Ammoniaküberschußkonzentration einen stark schwankenden, nicht optimalen NOx-Wandlungswirkungsgrad.
  • Der vorliegenden Erfindung zufolge wird ein Verfahren zur Steuerung einer Reduktionsmitteleinspritzung in einen an einen Verbrennungsmotor gekoppelten Katalysator gestellt, wie es nachstehend in Patentanspruch 1 der beigefügten Patentansprüche dargelegt ist.
  • Durch die Regelung des Ammoniaküberschusses auf einen Sollwert, der einen Bruchteil des eingespritzten Reduktionsmittels darstellt, wird der NOx-Wandlungswirkungsgrad auf einem hohen und auch bei sich über weite Bereiche ändernden NOx-Konzentrationspegeln, wie sie für Dieselmotoren typisch sind, gleichmäßigeren Niveau gehalten. Des weiteren wird, da der Ammoniaküberschuß-Sollwert auch auf der Temperatur basiert, die NOx-Wandlung hierdurch zusätzlich verbessert.
  • Damit ist es möglich, den Ammoniaküberschuß mit besserer NOx-Reduktion zu regeln, insbesondere bei Fahrzeugmotoren, wo die NOx-Konzentrationspegel stark schwanken und sich schnell ändern. Anders ausgedrückt, wenn der Ammoniaküberschuß auf einen Bruchteil des eingespritzten Reduktionsmittels oder Ammoniaks eingestellt wird, wird ein hoher NOx-Wandlungswert erreicht, ohne dabei übermäßigen Überschuß hervorzurufen, und das über den ganzen Bereich der weit schwankenden NOx-Gaszufuhrkonzentrationen.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist eine verbesserte NOx-Wandlung bei gleichzeitig niedrigem Ammoniaküberschuß.
  • Die Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beispielartig näher erläutert werden; dabei zeigt:
  • 1: ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung, in der die Erfindung zum Vorteil eingesetzt wird; und
  • 2-3: Flußdiagramme höheren Grades von verschiedenen Operationen, die von einem Teil der in 1 dargestellten Ausführungsform durchgeführt werden.
  • Eine Brennkraftmaschine 10 mit einer Vielzahl von Zylindern, wovon in 1 ein Zylinder dargestellt ist, wird von einer elektronischen Motorsteuerung 12 gesteuert. Der Motor 10 beinhaltet einen Brennraum 30 und Zylinderwände 32, wobei ein Kolben 36 innerhalb derselben angeordnet und mit einer Kurbelwelle 40 verbunden ist. Der Brennraum 30 kommuniziert in bekannter Weise mit einem Ansaugkrümmer 44 und einem Auslaßkrümmer 48 über jeweilige Einlaßventile 52 und Auslaßventile 54. Der Ansaugkrümmer 44 weist der Darstellung gemäß außerdem eine damit gekoppelte Kraftstoffeinspritzdüse 80 auf, die flüssigen Kraftstoff proportional zur Pulsbreite des Signals FPW von der Steuerung 12 einspritzt. Sowohl die Kraftstoffmenge, die über das FPW-Signal gesteuert wird, als auch der Einspritzzeitpunkt sind einstellbar. Zugeführt wird der Kraftstoff der Kraftstoffeinspritzdüse 80 über ein herkömmliches (nicht dargestelltes) Kraftstoffsystem mit einem Kraftstofftank, einer Kraftstoffpumpe und einer Kraftstoffverteilerleitung (nicht dargestellt). Alternativ dazu kann der Motor auch so ausgebildet sein, daß der Kraftstoff direkt in den Zylinder des Motors eingespritzt wird, was dem Fachmann in der Technik als Motor mit Direkteinspritzung bekannt ist.
  • Ein Reduktionsmittel, z.B. Ammoniak, wird in einem Vorratsbehälter 130 gespeichert, der stromoberhalb des Katalysators 97 am Auslaßkrümmer 48 angeschlossen ist. Ein Steuerventil 134 steuert die Menge an Reduktionsmittel, die den in den Katalysator 97 eintretenden Abgasen zugeschlagen wird. Eine Pumpe 132 setzt das dem Steuerventil 134 zugeführte Reduktionsmittel unter Druck. Sowohl die Pumpe 132 als auch das Steuerventil 134 werden von der Steuerung 12 aus gesteuert. Ein Ammoniaksensor 140 ist der Darstellung gemäß mit dem Auslaßkrümmer 48 stromunterhalb des Katalysators 97 gekoppelt. Ein am Katalysator 97 angeschlossener Temperatursensor 142 liefert eine Angabe der Temperatur (T) des Katalysators 97. Alternativ dazu kann die Temperatur (T) auch unter Einsatz von Verfahren geschätzt werden, wie sie dem Fachmann bekannt sind und von der vorliegenden Offenbarungsschrift vorgeschlagen werden. Der Ammoniaksensor 140 liefert eine Angabe der Ammoniakkonzentration [NH3] an die Steuerung 12 zwecks Bestimmung eines Steuersignals, das dem Steuerventil 134 zugeführt wird, wie weiter unten in der vorliegenden Schrift noch mit besonderer Bezugnahme auf die 2-3 erläutert werden soll.
  • Die in 1 dargestellte Steuerung 12 ist ein herkömmlicher Mikrocomputer mit: einer Mikroprozessoreinheit 102, Eingangs-/Ausgangsschnittstellen 104, Nurlesespeicher 106, Schreib- und Lesespeicher 108 und einem herkömmlichen Datenbus. Die Steuerung 12 empfängt darstellungsgemäß verschiedene Signale von den mit dem Motor 10 gekoppelten Sensoren, zusätzlich zu den weiter oben schon erwähnten, einschließlich: Motorkühlmitteltemperatur (ECT) von einem am Kühlmantel 114 angeschlossenen Temperatursensor 112; einem Meßwert des Krümmerdruckes (MAP) von einem am Einlaßkrümmer 44 angeschlossenen Drucksensor 116; einem Meßwert der Krümmertemperatur (AT) von einem Temperatursensor 117; und einem Motordrehzahlsignal (RPM) von einem mit der Kurbelwelle 40 gekoppelten Motordrehzahlsensor 118.
  • Es sei nun Bezug genommen auf 2, wo eine Routine zur Bestimmung eines Steuersignals für das Steuerventil 134 zur Regelung der Reduktionsmittelzufuhr beschrieben wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Reduktionsmittel Ammoniak, es kann aber auch jede andere stickstoffhaltige (N) Substanz sein, wie z.B. Harnstoff. In Schritt 200 wird eine Bestimmung vorgenommen, ob die Temperatur (T) des Katalysators 97 unter einer ersten Schwellentemperatur T1 liegt. Die Berechnung der ersten Schwellentemperatur T1 wird weiter unten in der vorliegenden Schrift noch mit besonderer Bezugnahme auf 3 erläutert. Wenn die Antwort in Schritt 200 JA ist, wird das Mol-Soll-Verhältnis (Rdes) in Schritt 201 gleich Null gesetzt, und die über das Steuerventil 134 einzuspritzende Reduktionsmittel-Gesamtmenge (Qtot) wird in Schritt 203 auf Null gesetzt. Damit wird den in den Katalysator 97 einströmenden Abgasen kein Reduktionsmittel zugeschlagen, so daß sich ein Mol-Verhältnis (R) gleich dem ersten Mol-Soll-Verhältnis (R1) ergibt.
  • Das Mol-Verhältnis (R) ist das Verhältnis der Molzahl Stickstoff (N) im Reduktionsmittel zur Molzahl Stickstoffoxyd in den Motorabgasen. Die Mole Stickstoffoxyd in den Motorabgasen werden ausgehend von experimentell bestimmten Verhältnissen zwischen der Stickstoffoxydmenge und solchen Motorbetriebsbedingungen berechnet, von denen dem Fachmann in der Technik bekannt ist, daß sie eine Schätzung der aus dem Motor austretenden Stickstoffoxydmenge (Noxest) erlauben, wie z.B. die Motordrehzahl, der Krümmerdruck (MAP), die Einlaßlufttemperatur (AT), der Einspritzzeitpunkt, die Einspritzmenge (FPW) und die Motorkühlmitteltemperatur (ECT).
  • Wenn die Antwort auf Schritt 200 NEIN lautet, wird in Schritt 204 eine Bestimmung vorgenommen, ob die Temperatur (T) unter einer zweiten Schwellentemperatur T2 liegt. Die Berechnung der zweiten Schwellentemperatur T2 wird weiter unten in dieser Schrift noch mit besonderem Bezug auf 3 erläutert.
  • Wenn die Antwort auf Schritt 204 NEIN ist, wird in Schritt 208 eine Bestimmung vorgenommen, ob die Temperatur (T) unter einer dritten Schwellentemperatur T3 liegt. Die Berechnung der dritten Schwellentemperatur T3 wird weiter unten in dieser Schrift noch mit besonderem Bezug auf 3 erläutert. Wenn die Antwort in Schritt 208 JA ist, wird das Mol-Soll-Verhältnis (Rdes) in Schritt 210 auf ein drittes Mol-Soll-Verhältnis (R3) eingestellt. Dann wird in Schritt 212 eine Bestimmung in Schritt 216 [sic] vorgenommen, ob die vom Sensor 140 gemessene Ammoniakkonzentration kleiner als eine Grenzwertmenge FR1 ist. Der erste Grenzwert FR1 basiert auf einem Bruchteil der zuvor eingespritzten Reduktionsmittelmenge. Des weiteren wird die erste Grenzwertmenge FR1 für den spezifischen Temperaturbereich ermittelt. Alternativ dazu kann die erste Grenzwertmenge FR1 auch ein Verhältnis von Ammoniaküberschußkonzentration zu aus dem Motor austretender (oder in den Katalysator eintretender) NOx-Menge sein. So wird der vorliegenden Erfindung zufolge der Ammoniaküberschuß innerhalb einer Grenze gehalten, wobei diese Grenze ein Bruchteil der eingespritzten Reduktionsmittelmenge ist.
  • Weiter zu 2 wird, wenn die Antwort auf Schritt 212 JA ist, in Schritt 214 die korrigierte bzw. angepaßte Reduktionsmittelmenge (DQ) auf einen positiven Kalibrierwert (r) eingestellt. Ist die Antwort auf Schritt 212 NEIN, dann wird in Schritt 218 die korrigierte Reduktionsmitteleinspritzmenge (DQ) auf einen negativen Kalibrierwert (-r) eingestellt. Danach wird in Schritt 220, entweder von Schritt 214 oder von Schritt 218 aus, die Reduktionsmittel-Grundeinspritzmenge (Qbase) bestimmt, und zwar aus dem Produkt von Mol-Soll-Verhältnis (Rdes) und geschätzter Stickstoffoxydabgabe (Noxest) des Motors.
  • Wenn die Antwort auf Schritt 208 NEIN lautet, wird in Schritt 226 eine Bestimmung vorgenommen, ob die Temperatur (T) unter einer vierten Schwellentemperatur T4 liegt. Die Berechnung der vierten Schwellentemperatur T4 wird weiter unten in dieser Schrift noch mit besonderem Bezug auf 3 erläutert. Ist die Antwort in Schritt 226 JA, wird das Mol-Soll-Verhältnis (Rdes) in Schritt 228 auf das vierte Mol-Soll-Verhältnis (R4) eingestellt. Dann wird in Schritt 230 eine Bestimmung vorgenommen, ob die vom Sensor 140 gelieferte, gemessene Ammoniakkonzentration größer als eine zweite Grenzwertmenge FR2 ist. Die Grenzwertmenge FR2 wird als ein zweiter Bruchteil der zuvor eingespritzten Reduktionsmittelmenge berechnet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Grenzwertmenge FR2 kleiner als die erste Grenzwertmenge FR1. In einer alternativen Ausführungsform können die Grenzwertmengen FR1 und FR2 auf konstante Pegel eingestellt werden oder so angepaßt werden, daß sie einen vorgegebenen Anteil in Teilchen pro Million (ppm) an Ammoniaküberschuß ergeben. Wenn Harnstoff statt Ammoniak verwendet wird, kann des weiteren eine entsprechende Anpassung der Anteile erforderlich sein, um der unterschiedlichen Molekülstruktur Rechnung zu tragen.
  • Alternativ dazu kann die zweite Grenzwertmenge FR2 auch ein Verhältnis von Ammoniaküberschußkonzentration zur Konzentration des aus dem Motor austretenden (bzw. in den Katalysator eintretenden) NOx sein. Der vorliegenden Erfindung zufolge werden unterschiedliche Grenzwertmengen (FR1 und FR2) in unterschiedlichen Temperaturbereichen angewendet, um die NOx-Wandlung zu maximieren und den Ammoniaküberschuß zu minimieren.
  • Weiter zu 2 wird, wenn die Antwort in Schritt 230 JA ist, in Schritt 218 die korrigierte Reduktionsmittelmenge (DQ) auf einen negativen Kalibrierwert (-r) eingestellt. Andernfalls wird die korrigierte Reduktionsmittelmenge (DQ) in Schritt 214 auf einen positiven Kalibrierwert (r) eingestellt.
  • Ist die Beantwortung in Schritt 204 JA, wird das Mol-Soll-Verhältnis (Rdes) in Schritt 236 auf das zweite Mol-Soll-Verhältnis (R2) eingestellt. Dann wird in Schritt 232 die korrigierte Reduktionsmittelmenge (DQ) gleich Null gesetzt. Danach wird in Schritt 220 die Reduktionsmittel-Grundmenge (Qbase) bestimmt, und zwar aus dem Produkt von Mol-Soll-Verhältnis (Rdes) und geschätzter Stickstoffoxydabgabe (Noxest) des Motors. In Schritt 222 wird dann der Sollwert der Reduktionsmittel-Gesamtmenge (Qtot) anhand der Summe aus Reduktionsmittel-Grundmenge (Qbase) und korrigierter Reduktionsmittelmenge (DQ) ermittelt. Die Soll-Gesamtmenge an Reduktionsmittel (Qtot) wird dann in ein Steuersignal gewandelt, das dem Steuerventil 134 zugeführt wird, um so Reduktionsmittel proportional zu diesem Signal abzugeben.
  • Auf diese Weise wird eine offene Regelschleife für die Bestimmung der Reduktionsmittelmenge zum Einsatz gebracht, um die Reduktionsmittel-Grundmenge (Qbase) anhand des Produktes aus Mol-Soll-Verhältnis (Rdes) und geschätzter Stickstoffoxydmenge (Noxest) des Motors zu bestimmen. Außerdem wird das Mol-Soll-Verhältnis ausgehend von der Katalysatortemperatur (T) abgestimmt, um so Änderungen des Katalysatorwirkungsgrades zu berücksichtigen.
  • Eine Anpassung dieses aus der offenen Regelschleife gewonnenen Wertes erfolgt in zwei Temperaturbereichen, wenn die vom Sensor 140 gemessene Ammoniakkonzentration von einem Sollwert abweicht, der auf einem Bruchteil der Reduktionsmitteleinspritzmenge basiert. Die Grenzwerte FR1 und FR2 stellen jeweils zulässige Grenzen für den Ammoniaküberschuß dar. Damit wird das Reduktionsmittel also auf eine maximale Stickstoffoxydwandlung bei minimalem Überschuß zielend geregelt.
  • In einer (nicht dargestellten) alternativen Ausführungsform können unterschiedliche Kalibrierwerte in unterschiedlichen Temperaturbereichen eingesetzt werden. Außerdem können positive und negative Kalibriermengen unterschiedlich sein (nicht dargestellt).
  • Es sei nun Bezug genommen auf die 3, wo eine Routine zur Berechnung der Temperaturschwellenwerte beschrieben werden soll. Zunächst werden in Schritt 310 ausgehend von vorgegebenen Kalibrierwerten Basistemperaturen (T1B, ..., T4B) bestimmt. Dann wird in Schritt 312 die Raumgeschwindigkeit (SV) des in den Katalysator 97 eintretenden Abgasstromes berechnet, und zwar ausgehend von dem Massestrom (m), der Dichte (r) und dem Katalysatorvolumen (V). Dann werden in Schritt 314 Anpassungswerte (KA1, ..., KA4) ausgehend von der Raumgeschwindigkeit (SV) des in den Katalysator 97 eintretenden Stromes und von Kalibrierfunktionen (f1, ..., f4) bestimmt. In einer bevorzugten Ausführungsform wirken die Funktionen f1 ... f4 so, daß sie die Temperaturen verringern, wenn die Raumgeschwindigkeit abnimmt, und die Temperaturen erhöhen, wenn die Raumgeschwindigkeit zunimmt.
  • Zwar ist hierin ein Beispiel einer die vorliegende Erfindung zur Anwendung bringenden Ausführungsform beschrieben worden, es bestehen jedoch zahlreiche andere Beispiele, die ebenso beschrieben werden könnten. So kann die vorliegende Erfindung z.B. vorteilhaft sowohl in Verbindung mit mager laufenden Diesel- als auch Benzinmotoren eingesetzt werden, in welchen Stickstoffoxydemissionen erzeugt werden. Außerdem kann die vorliegende Erfindung in Diagnoseanwendungen zum Einsatz kommen.

Claims (8)

  1. Ein Verfahren zum Steuern einer Reduktionsmitteleinspritzung in einen Katalysator (97), der an einen Verbrennungsmotor (10) gekoppelt ist, das Verfahren folgende Schritte umfassend: Bestimmen eines tatsächlichen Temperaturbereichs, in dem der Katalysator (97) gegenwärtig arbeitet; Erzeugen einer Reduktionsmitteleinspritzmenge auf Grundlage von Motorbetriebsbedingungen; Erzeugen einer erwünschten Reduktionsmittelschiftung bzw. -überschreitung auf Grundlage des Katalysatortemperaturbereichs und der Reduktionsmitteleinspritzmenge; und Anpassen der Reduktionsmitteleinspritzmenge, sodass sich eine tatsächliche Reduktionsmittelschiftung bzw. -überschreitung der erwünschten Reduktionsmittelschiftung bzw. -überschreitung annähert, wobei das Anpassen der Reduktionsmitteleinspritzmenge ferner das Bestimmen der tatsächlichen Reduktionsmittelschiftung bzw. -überschreitung auf Grundlage eines Sensors, der dem Katalysator nachgeschaltet angeordnet ist, und das Verringern der Reduktionsmitteleinspritzmenge umfasst, wenn die tatsächliche Reduktionsmittelschiftung bzw. -überschreitung größer als die erwünschte Reduktionsmittelschiftung bzw. -überschreitung ist.
  2. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Reduktionsmittel jegliches ammoniakbildende Material ist.
  3. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Erzeugens des erwünschten Werts der Reduktionsmittelschiftung bzw. -überschreitung ferner das Erzeugen des Werts der Reduktionsmittelschiftung bzw. -überschreitung auf Grundlage eines Bruchteils der Reduktionsmitteleinspritzmenge umfasst.
  4. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt des Erzeugens des erwünschten Werts der Reduktionsmittelschiftung bzw. -überschreitung auf Grundlage von NOx, das durch den Motor erzeugt ist.
  5. Ein Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei der Bruchteil auf der Katalysatortemperatur basiert.
  6. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Erzeugens der Reduktionsmitteleinspritzmenge ferner den Schritt des Erzeugens der Reduktionsmitteleinspritzmenge auf Grundlage einer Katalysatortemperatur und eines Bruchteils einer Motorstickstoffabgaserzeugung umfasst.
  7. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt des Abbrechens des Anpassungsschritts auf der Grundlage, ob sich die Katalysatortemperatur innerhalb von Temperaturgrenzen befindet.
  8. Ein Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei die Temperaturgrenzen auf Abgasraumgeschwindigkeit basieren.
DE60032291T 1999-07-12 2000-07-05 Abgasreinigungssystem mit einem Katalysator Expired - Lifetime DE60032291T2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
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