ITMI981369A1 - PROCEDURE FOR MONITORING REDUCING DOSAGE IN AN SCR CATALYST - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
L'invenzione riguarda un procedimento per sorvegliare un dosaggio riducente in un catalizzatore SCR conformemente alla definizione introduttiva delle rivendicazioni 1, 6 e 12. The invention relates to a process for monitoring a reducing dosage in an SCR catalyst according to the introductory definition of claims 1, 6 and 12.
E' possibile una decisa riduzione dell'emissione di NOx di un motor diesel oppure di un impianto di combustione diesel, utilizzando il cosiddetto procedimento fielective-Catalytic-Eeduction. Nel procedimento SCR un riducente viene iniettato nel gas di scarico in corrispondenza di un punto a monte di un catalizzatore SCR, cosicché in corrispondenza del catalizzatore possono svolgersi in particolare le reazioni chimiche: A decisive reduction in the NOx emission of a diesel engine or a diesel combustion plant is possible, using the so-called fielective-Catalytic-Eeduction procedure. In the SCR process, a reducing agent is injected into the exhaust gas at a point upstream of an SCR catalyst, so that chemical reactions in particular can take place at the catalyst:
un riducente adatto è ad esempio ammoniaca. Per motivi di manipolabilità, l'ammoniaca viene usata in soluzione acquosa oppure viene usata una soluzione acquosa di urea, che dopo l'idrolisi fornisce ammoniaca per il processo SCI. Il dosaggio avviene mediante comando temporale dell'apertura di una valvola dosatrice. La soluzione di riducente viene fornita alla valvola da una pompa e da un regolatore di pressione con pressione definita. Il dosaggio del riducente deve essere sorvegliato continuamente, poiché un sovradosaggio provoca immissione di ammoniaca mentre un sotto dosaggio comporta un'elevata emissione di N0X. a suitable reducing agent is for example ammonia. For manipulability reasons, ammonia is used in an aqueous solution or an aqueous solution of urea is used, which after hydrolysis provides ammonia for the SCI process. Dosing takes place via time control of the opening of a dosing valve. The reductant solution is supplied to the valve by a pump and a pressure regulator with defined pressure. The dosage of the reducing agent must be monitored continuously, since an overdose causes ammonia input while an under dosage results in a high emission of N0X.
Per la regolazione del sistema di riduzione del N0X è possibile impiegare sensori del gas di scarico. Questi sensori possono rivelare irregolarità nel dosaggio ma solo misurando N0X e concentrazione di NH3 a valle del catalizzatore SCR, e solo con questo ritardo temporale poiché nello stato di esercizio del motore endotermico il catalizzatore in seguito alla sua capacità di immagazzinamento ritarda gli effetti perturbatori sul Nox di NH3 a valle del catalizzatore. Exhaust gas sensors can be used to adjust the reduction system of the N0X. These sensors can detect irregularities in the dosage but only by measuring N0X and NH3 concentration downstream of the SCR catalyst, and only with this time delay since in the operating state of the internal combustion engine the catalyst due to its storage capacity delays the perturbing effects on the Nox. of NH3 downstream of the catalyst.
Un procedimento per ridurre una concentrazione di ossido di azoto nel carico del motore endotermico con l'ausilio di un rivelatore disposto nel tratto del gas di scarico a valle del catalizzatore SCR, è descritto nel DE 43 34 071 Cl. A riguardo il rivelatore presenta un elemento sensore che interviene sia su monossido di azoto sia anche su ammoniaca. La resistenza dipendente da una concentrazione di monossido di azoto e di ammoniaca oppure la conducibilità elettrica dell'elemento sensore viene misurata e al gas di scarico viene aggiunta una quantità di riducente, tale per cui risulta massima la resistenza elettrica del sensore rispettivamente minima della conducibilità elettrica. A method for reducing a nitrogen oxide concentration in the internal combustion engine load with the aid of a detector arranged in the exhaust gas section downstream of the SCR catalyst is described in DE 43 34 071 Cl. In this regard, the detector has a sensor element which intervenes both on nitrogen monoxide and also on ammonia. The resistance dependent on a concentration of nitrogen monoxide and ammonia or the electrical conductivity of the sensor element is measured and a quantity of reductant is added to the exhaust gas, such that the electrical resistance of the sensor is maximum, respectively the minimum electrical conductivity .
Dal DE 4217 552 CI è noto un dispositivo di trattamento del gas di scarico per motori endotermici con un catalizzatore per l'aerazione catalitica selettiva di ossidi di azoto dal gas di scarico, specialmente da gas di scarico di motori diesel per autoveicoli, con aggiunta sovraspecchiometrica di NH3 oppure di sostanze liberanti NH3.Esso presenta un primo sensore, che rivela la concentrazione di NH3 contenuta nel gas di scarico e interrompe l'adduzione della quantità di NH3 al raggiungimento di un preassegnato valore di soglia superiore. Un secondo sensore rivela la NH3 adsorbita nel catalizzatore. Al raggiungimento di un preassegnato valore di soglia inferiore viene di nuovo liberata la giunta di NH3. From DE 4217 552 CI an exhaust gas treatment device for endothermic engines with a catalytic converter for the selective catalytic aeration of nitrogen oxides from the exhaust gas, especially from exhaust gases of automotive diesel engines, with over-mirror addition is known of NH3 or NH3 releasing substances. It has a first sensor, which detects the concentration of NH3 contained in the exhaust gas and interrupts the supply of the quantity of NH3 when a predetermined upper threshold value is reached. A second sensor detects the NH3 adsorbed in the catalyst. Upon reaching a predetermined lower threshold value, the NH3 junction is released again.
L'invenzione si pone il compito di indicare procedimenti con i quali è possibile sorvegliare continuamente il dosaggio di riducente. The invention has the task of indicating processes with which it is possible to continuously monitor the dosage of reducing agent.
Questo problema viene risolto mediante le caratteristiche delle rivendicazioni 1, 6 e 12. Vantaggiosi ulteriori sviluppi sono caratterizzati nelle sottorivendicazioni. This problem is solved by the features of claims 1, 6 and 12. Advantageous further developments are characterized in the subordinate claims.
L'aggiunta del riducente nel gas di scarico caldo a monte del catalizzatore CR a causa del calore di vaporizzazione che in tal caso si sviluppa comporta una variazione della temperatura. L'andamento della temperatura durante l'operazione di dosaggio viene sorvegliato, valutato e da ciò viene ricavato un indicazione in merito alla funzionalità del dispositivo dosatore. The addition of the reductant in the hot exhaust gas upstream of the CR catalyst due to the heat of vaporization which develops in this case leads to a change in temperature. The temperature trend during the dosing process is monitored, evaluated and an indication of the functionality of the dosing device is derived from this.
Con il procedimento secondo l'invenzione è possibile semplicemente sorvegliare il dispositivo dosatore specialmente la valvola dosatrice, relativamente alla capacità di funzionamento. With the method according to the invention it is simply possible to monitor the metering device, especially the metering valve, in relation to the operating capacity.
Esempi di realizzazione le invenzioni vengono illustrati in base ai seguenti disegni. In particolare : Examples of embodiments the inventions are illustrated based on the following drawings. In particular :
la figura 1 mostra uno schema a blocchi di un impianto di gas di scarico di un motore diesel equipaggiato con un catalizzatore SCR, Figure 1 shows a block diagram of an exhaust gas system of a diesel engine equipped with an SCR catalyst,
la figura 2 mostra un andamento tipico del segnale di uscita del sensore di temperatura per il dosaggio di riducente, Figure 2 shows a typical trend of the output signal of the temperature sensor for the dosage of reductant,
la figura 3 mostra uno schema a blocchi di un impianto del gas di scarico di un motore endotermico diesel, equipaggiato con un catalizzatore SCR e con un miscelatore riscaldato elettricamente, e Figure 3 shows a block diagram of an exhaust gas system of a diesel internal combustion engine, equipped with an SCR catalyst and an electrically heated mixer, and
la figura 4 mostra un tipico andamento di segnale della resistenza ohmica del riscaldamento del miscelatore per il dosaggio riducente. Figure 4 shows a typical signal pattern of the ohmic resistance of the mixer heating for the reducing agent dosage.
Impianto del gas di scarico, rappresentato schematicamente in figura 1, di un motore diesel 10, presenta un tratto di aspirazione 11, ed un tratto di scarico (12) del gas con un catalizzatore SCR 13 in esso disposto, di nota struttura. A monte del catalizzatore SCR 13 è disposto un dispositivo dosatore formato da un contenitore 14 del riducente, la pompa 15 e da una valvola dosatrice 16. la pompa 15 pompa il riducente ad esempio ammoniaca oppure 'sostanze liberanti ammoniaca che si trova nel contenitore 14 del riducente e viene iniettato nel gas di scarico a monte del catalizzatore SCR 13 mediante la valvola dosatrice 16. La valvola dosatrice 16 viene comandata tramite linee non rappresentate in dettaglio da un'unità di comando 17. Questa unità di comando 17 provvede affinché al gas di scarico possa essere addotta un quantità definita, attualmente necessaria del riducente. Nella rappresentazione l'unità di comando 17 è mostrata come unità separata ma è possibile integrare la funzione di questa unità di comando nell'apparecchio di comando del motore endotermico. Il dosaggio del riducente ha luogo soltanto quando è sufficientemente alta la temperatura del gas di scarico per vaporizzare soluzione di riducente e idrolizzare urea. La temperatura del gas di scarico viene misurata in corrispondenza di un punto a monte del catalizzatore SCR mediante un sensore 18 di temperatura. Per l'operazione di dosaggio il riducente oppure la soluzione di riducente viene iniettato nel gas di scarico caldo. In seguito al calore di vaporizzazione del solvente ogni impulso di dosaggio sottrae calore all'ambiente circostante . Quando il getto di riducente incontra il sensore 18 della temperatura del gas di scarico allora questo viene raffreddato. Questo salto di temperatura può essere riconosciuto dall'unità di comando 17, poiché la temperatura del sensore in seguito alla vaporizzazione del riducente o della soluzione di riducente direttamente sulla superficie del sensore varia più velocemente che in seguito al variazione dello stato di esercizio del motore endotermico. Exhaust gas system, schematically represented in Figure 1, of a diesel engine 10, has an intake section 11, and a gas exhaust section (12) with an SCR catalyst 13 disposed therein, of known structure. Upstream of the SCR catalyst 13 there is a metering device formed by a container 14 of the reductant, the pump 15 and a metering valve 16. the pump 15 pumps the reductant, for example ammonia or ammonia releasing substances which is located in the container 14 reducing agent and is injected into the exhaust gas upstream of the SCR catalyst 13 by means of the metering valve 16. The metering valve 16 is controlled via lines not shown in detail by a control unit 17. This control unit 17 ensures that the a defined amount of the reductant can be added, which is currently required. In the illustration, the control unit 17 is shown as a separate unit but it is possible to integrate the function of this control unit into the control unit of the internal combustion engine. Dosing of the reductant takes place only when the exhaust gas temperature is high enough to vaporize the reductant solution and hydrolyze urea. The exhaust gas temperature is measured at a point upstream of the SCR catalyst by a temperature sensor 18. For the metering operation, the reductant or the reductant solution is injected into the hot exhaust gas. Following the vaporization heat of the solvent, each dosing pulse removes heat from the surrounding environment. When the reductant jet meets the exhaust gas temperature sensor 18 then the latter is cooled. This temperature jump can be recognized by the control unit 17, since the temperature of the sensor as a result of the vaporization of the reductant or the reductant solution directly on the surface of the sensor changes faster than as a result of the change in the operating state of the internal combustion engine .
La parte superiore della figura 2 mostra un andamento tipico del segnale di uscita del sensore di temperatura 18 con il dosaggio del riducente. Sull'asse dell'ascissa è riportata la temperatura T rilevata dal sensore di temperatura 18 mentre sull'asse delle ordinate viene riportato il tempo t. La parte inferiore della figura 2 mostra l'andamento temporale della corrente I della valvola con cui viene comandata la valvola dosatrice 16. The upper part of Figure 2 shows a typical trend of the output signal of the temperature sensor 18 with the dosage of the reductant. The temperature T detected by the temperature sensor 18 is reported on the axis of the abscissa, while the time t is reported on the ordinate axis. The lower part of Figure 2 shows the time course of the current I of the valve with which the metering valve 16 is controlled.
L'unità di comando aziona la valvola dosatrice 16 mediante inserimento nell'istante tl e disinserimento della corrente I della valvola nell'istante t2. Per rilevare la differenza di temperatura ΔΤ, che si verifica in seguito all'aggiunta di agente di dosaggio, mediante l'unità di comando viene rilevata la temperatura T1, possibilmente poco prima che una volt avvenuto il comando della valvola dosatrice 16 il getto riducente incontri il sensore di temperatura 18. Per definire l'istante ottimale per la misurazione del segnale tl del sensore viene definito un tempo di ritardo Atl, in cui si può tenere conto del tempo di reazione valvolare, del tempo di transito del getto di riducente, del tempo di intervento del sensore di temperatura ecc. The control unit operates the metering valve 16 by switching on at the instant tl and switching off the current I of the valve at the instant t2. In order to detect the temperature difference ΔΤ, which occurs following the addition of the dosing agent, the temperature T1 is detected by the control unit, possibly shortly before the control of the dosing valve 16 has occurred, the reducing jet encounters the temperature sensor 18. To define the optimal instant for measuring the sensor signal tl, a delay time Atl is defined, in which the valve reaction time, the transit time of the reducing agent jet, the intervention time of the temperature sensor etc.
La seconda misurazione della temperatura avviene una volta trascorso un tempo di ritardo Δt2 dopo il disinserimento della corrente I della valvola dosatrice 16. Con la misurazione ritardata della temperatura t2 dopo la chiusura della valvola dosatrice 16 nell'istante t2 oltre alla velocità di chiusura della valvola è possibile tenere conto anche di nuovo del tempo di transito del getto riducente, del tempo di intervento del sensore di temperatura ecc. The second temperature measurement takes place after a delay time Δt2 has elapsed after switching off the current I of the dosing valve 16. With the delayed temperature measurement t2 after the closing of the dosing valve 16 at the instant t2 in addition to the valve closing speed it is also possible to take into account again the transit time of the reducing jet, the intervention time of the temperature sensor, etc.
Dai valori misurati di temperatura T1, T2 viene formata la differenza ΔΤ = T1 - T2 e successivamente questa differenza di temperatura viene confrontata con un valore minimo stabilito specificamente per il sistema. Se la differenza di temperatura ΔΤ supera il valore minimo preassegnato allora tramite unità di comando 17 viene riconosciuto che è avvenuto un impulso di dosaggio. Se la differenza di temperatura determinata ΔΤ rimane al di sotto del valore minimo, allora se ne deduce un dispositivo dosatore difettoso e questo risultato viene registrato in una memoria 19 dei difetti del dispositivo di comando 17 e indicato otticamente oppure acusticamente al conducente del veicolo equipaggiato con il motore endotermico 10. From the measured temperature values T1, T2 the difference ΔΤ = T1 - T2 is formed and subsequently this temperature difference is compared with a minimum value established specifically for the system. If the temperature difference ΔΤ exceeds the pre-assigned minimum value, then the control unit 17 recognizes that a dosing pulse has occurred. If the determined temperature difference ΔΤ remains below the minimum value, then a faulty metering device is deduced and this result is recorded in a fault memory 19 of the control device 17 and indicated optically or acoustically to the driver of the vehicle equipped with the internal combustion engine 10.
In caso di sufficiente sensibilità del sensore di temperatura 18 è sufficiente potenza per l'unità di comando, specialmente nel calcolatore di comando in essa contenuto, è possibile valutare l'andamento della disponibilità di temperatura anche come misura per la lunghezza dell'impulso di dosaggio e risalire in tal modo a pressione costante, alla quantità iniettata di riducente. Ad esempio in un campo caratteristico di una memoria 20 dell'unità di comando 17 in dipendenza della differenza di temperatura ΔΤ possono essere memorizzati valori per la durante dell'impulso di dosaggio o per la quantità iniettata. If the temperature sensor 18 is sufficiently sensitive, there is sufficient power for the control unit, especially in the control computer contained therein, the trend of the temperature availability can also be evaluated as a measure for the length of the dosing pulse and thus ascending, at constant pressure, to the injected quantity of reducing agent. For example, in a characteristic field of a memory 20 of the control unit 17, depending on the temperature difference ΔΤ, values can be stored for the duration of the dosing pulse or for the quantity injected.
Utilizzando il segnale di uscita del sensore di temperatura, di per sè disposto per misurare la temperatura nel tratto del gas di scarico del motore endotermico ed è impiegato per attivare il dosaggio del riducente , si ottiene una disponibilità economicamente vantaggiosa di sorvegliare la capacità di funzionamento del dispositivo dosatore, specialmente nella valvola dosatrice. By using the output signal of the temperature sensor, which is itself arranged to measure the temperature in the exhaust gas section of the internal combustion engine and is used to activate the metering of the reducing agent, an economically advantageous availability of monitoring the operating capacity of the engine is obtained. dosing device, especially in the dosing valve.
Se il sistema di riduzione del N0X è eseguito con un dispositivo riscaldato per miscelare il gas di scarico con il riducente, per garantire in tal modo una miscelazione a fondo il più possibile buona ed un tempestivo avviamento del dosaggio, è possibile utilizzare anche la misurazione di temperatura, sulla parte servente da regolare la potenza di riscaldamento, oppure la misurazione della resistenza di riscaldamento ohmica come misura per la temperatura per sorvegliare il dosaggio . If the reduction system of the N0X is performed with a heated device to mix the exhaust gas with the reductant, in order to ensure the best possible thorough mixing and a timely start of the dosing, it is also possible to use the measurement of temperature, on the part serving to regulate the heating power, or the measurement of the ohmic heating resistance as a measure for the temperature to monitor the dosage.
La figura 3 mostra schematicamente la struttura di un tale impianto del gas di scarico, che a differenza dell'impianto secondo la figura 1 presenta aggiuntivamente un miscelatore 21 del gas, riscaldato elettricamente, a monte del catalizzatore SCR 13. I rimanenti componenti della figura 3 sono identici a quelli della figura 1 e pertanto sono dotati degli stessi contrassegni. Il miscelatore 21 del gas presenta un sensore della temperatura, che serve a regolare la potenza di riscaldamento del dispositivo di riscaldamento elettrico e non è rappresentato esplicitamente. Il segnale di uscita di questo sensore della temperatura può essere utilizzato analogamente alla modalità descritta in base alla figura 1 per sorvegliare la valvola dosatrice 16. Figure 3 schematically shows the structure of such an exhaust gas system, which unlike the system according to Figure 1 additionally has an electrically heated gas mixer 21 upstream of the SCR 13 catalyst. The remaining components of Figure 3 they are identical to those of figure 1 and therefore have the same markings. The gas mixer 21 has a temperature sensor, which serves to regulate the heating power of the electric heating device and is not shown explicitly. The output signal of this temperature sensor can be used analogously to the mode described according to Figure 1 to monitor the metering valve 16.
Alternativamente a ciò anche la variazione della resistenza elettrica del dispositivo di riscaldamento durante l'operazione di dosaggio può essere impiagato come misura per la variazione di temperatura per sorvegliare il dosaggio. Alternatively to this also the variation of the electrical resistance of the heating device during the dosage operation can be used as a measure for the temperature variation to monitor the dosage.
La parte superiore della figura 4 mostra l'andamento tipico della resistenza elettrica del dispositivo di riscaldamento del miscelatore del gas per il dosaggio del riducente, avente la parte inferiore della figura 4, mostra l'andamento temporale della corrente di comando per la valvola dosatrice . The upper part of figure 4 shows the typical trend of the electrical resistance of the heating device of the gas mixer for metering the reductant, having the lower part of figure 4 shows the time course of the control current for the metering valve.
A differenza dell'esempio di realizzazione secondo la figura 1 e 2 in questo caso negli istanti indicati tl+Δtl e t2+At2 non vengono rivelati i valori temperatura ma valori per la resistenza ohmica del dispositivo di riscaldamento. Il procedimento della valutazione dei valori ohmici misurati è corrispondente al procedimento per valutare i valori di temperatura, come quello precedentemente descritto. Nella memoria 20 quindi in dipendenza della differenza di resistenza ΔR è possibile memorizzare valori della durata dell'impulso di dosaggio oppure per la quantità iniettata. Unlike the example of embodiment according to Figures 1 and 2, in this case in the indicated instants tl + Δtl and t2 + At2 the temperature values are not detected but values for the ohmic resistance of the heating device. The procedure for evaluating the measured ohmic values corresponds to the procedure for evaluating the temperature values, such as the one described above. In the memory 20, therefore, depending on the difference in resistance ΔR, it is possible to store values for the duration of the dosage pulse or for the quantity injected.
Se il dispositivo di riscaldamento del miscelatore 21 del gas è equipaggiato con una veloce regolazione di temperatura, che con il raffreddamento del sensore di temperatura in seguito all'aggiunta di agenti di dosaggio aumenta immediatamente la potenza di riscaldamento, ossia la corrente di riscaldamento aumenta e quindi si ottiene una resistenza di riscaldamento approssimativamente costante, allora la potenza di riscaldamento o la corrente di riscaldamento può essere utilizzata come misura per il calore di evaporazione come conseguenza dell'impulso di iniezione analogamente alla misurazione della temperatura . If the heating device of the gas mixer 21 is equipped with a fast temperature regulation, which with the cooling of the temperature sensor following the addition of dosing agents immediately increases the heating output, i.e. the heating current increases and thus an approximately constant heating resistance is obtained, then the heating power or the heating current can be used as a measure for the evaporation heat as a consequence of the injection pulse analogously to the temperature measurement.
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