SE533790C2 - Förfarande och system för styrning av insprutningen av reduktionsmedel uppströms en SCR-katalysator - Google Patents

Description

» 533 790 net som bidrar till den katalytiska omvandlingen i SCR-katalysa- torn. Ammoniaken ackumuleras i katalysatorn genom att adsor- beras på aktiva säten i katalysatorn och i avgaserna förekom- mande NO, omvandlas till kväve och vatten då det i katalysatorn bringas i kontakt med ackumulerad ammoniak på de aktiva sä- tena i katalysatorn.

Vid användning av en SCR-katalysator i kombination med dose- ring av reduktionsmedel i form av urea eller ammoniak är det viktigt att styra insprutningen av reduktionsmedlet så att en öns- kad omvandling av det aktuella avgasämnet erhålls utan att allt för stora mängder oförbrukad ammoniak medföljer avgaserna ut ur katalysatorn och därigenom avges till omgivningen. Härigenom kan förbrukningen av reduktionsmedlet och därigenom kostna- derna för detta minimeras samtidigt som en oönskad avgivning till omgivningen av ammoniak undviks eller åtminstone minime- ras. Ammoniak är giftigt och illaluktande, varför detär önskvärt att i största möjliga mån minimera avgivning till omgivningen av denna ammoniak under upprätthållande av en insprutning av re- duktionsmedel, exempelvis i form av urea, som är tillräcklig för att uppnå erfordrad omvandling av det aktuella avgasämnet, i detta fall NOX. Uttrycket ”ammoniakslip” används konventionellt som en benämning på en förekomst av ammoniak i de gaser som lämnar en SCR-katalysator.

Då en katalysator av den aktuella typen används styrs i dagslä- get insprutningen av reduktionsmedel vanligtvis med hjälp av tvådimensionella tabeller, där varje tabell är relaterad till en viss avgastemperatur. Respektive tabell innefattar värden på den mängd reduktionsmedel som skall insprutas i avgasledningen vid rådande last och varvtal hos den aktuella förbränningsmotorn.

Respektive tabell har således motorlast på en första axel och motorvarvtal på en andra axel. Dessa tabeller upprättas empiriskt genom en kartläggning av den aktuella förbränningsmotorn och katalysatorn utgående från prestanda vid stationära förhållanden.

En sådan kartläggning måste göras för varje specifik kombination av förbränningsmotor och katalysator och denna tidigare kända 533 'ïElfl lösning kräver dessutom omfattande testkörningar och inställ- ningar för varje specifik kombination av motortyp och katalysator- typ. En förändring av exempelvis motorns emission medför att omfattande och omständliga ändringar av alla värdena i tabel- lerna måste genomföras. Eftersom tabellerna ger en dosering som är anpassad för stationära förhållanden så behövs det dy- namiska kompenseringar när driftförhållandena ändras hastigt.

En ytterligare nackdel med denna kända lösning är att det trots dynamiska kompenseringar kan uppstå driftförhållanden som ta- bellerna ej är utformade för, vilket kan leda till felaktig dosering av reduktionsmedel.

Genom exempelvis EP 1 706 607 A1 är det tidigare känt att i ett system för styrning av insprutningen av reduktionsmedel utnyttja beräkningsvärden från en beräkningsmodell som, under beak- tande av de förväntade reaktionerna i katalysatorn under rå- dande driftförhållanden, kontinuerligt fastställer aktuella tillstånd i katalysatorn, såsom exempelvis ackumulationen av ammoniak i olika delar av katalysatorn och den omvandling av NOX som sker i olika delar av katalysatorn. Hos systemet enligt EP 1 706 607 A1 utnyttjas värdena från beräkningsmodellen bland annat för att fastställa ärvärden och börvärden avseende ackumulationen av ammoniak i katalysatorn, varvid en regulator som styr insprut- ningen avreduktionsmedlet avger en styrsignal i beroende av överensstämmelsen mellan det rådande ärvärdet och börvärdet.

En av fördelarna med att använda en beräkningsmodell av nämnda typ är att beräkningsmodellen endast behöver vara an- passad efter katalysatorn och därigenom kan vara oberoende av utformningen hos den förbränningsmotor som är kopplad till ka- talysatorn. Det är dessutom möjligt att använda en skalbar be- räkningsmodell som enkelt kan anpassas i beroende av dimen- sionerna hos katalysatorn.

Vid fordonstillämpningar medför SCR-tekniken en stor utmaning med avseende på regleringen av reduktionsmedelsinsprutningen, eftersom avgasernas flöde, temperatur och NOx-koncentration ständigt varierar i beroende av varierande driftförhållanden. 533 790 UPPFINNINGENS SYFTE Syftet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en fördel- aktig vidareutveckling av ett förfarande och system av den i EP 1 706 607 A1 beskrivna typen och skapa möjligheter att på ett effektivt sätt styra insprutningen av reduktionsmedel utan att maximalt tillåtet ammoniakslip efter katalysatorn överskrids.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Enligt uppfinningen uppnås nämnda syfte med hjälp av ett förfa- rande uppvisande de i patentkravet 1 definierade särdragen och ett system uppvisande de i patentkravet 5 definierade särdragen.

Den uppfinningsenliga lösningen innebär: - att insprutningen av reduktionsmedel i avgasledningen styrs i beroende av resultatet av en jämförelse mellan ett ackumulation- ärvärde och ett ackumulation-börvärde, där ackumulation-ärvär- det och ackumulation-börvärdet representerar aktuell respektive begärd ackumulation i katalysatorn av ammoniak och beräknas utgående från information från en beräkningsmodell som, under beaktande av de förväntade reaktionerna i katalysatorn under rå- dande driftförhällanden, kontinuerligt fastställer aktuella tillstànd i katalysatorn, såsom ackumulationen av ammoniak i olika delar av katalysatorn och den omvandling av NOX som sker i olika de- lar av katalysatorn, varvid katalysatorn enligt beräkningsmodel- len i sin längdriktning är uppdelad i en tankserie med ett flertal på varandra följande tankar och ackumulation-ärvärdet och ac- kumulation-börvärdet hänför sig till aktuell respektive begärd ac- kumulation av ammoniak i en tank, här benämnd referenstank, belägen ett eller flera steg uppströms den tank som är närmast katalysatorns utloppsände, - att utgående från ett givet slip-värde som representerar maxi- malt tillåten koncentration av ammoniak i de avgaser som lämnar katalysatorn beräknas för respektive tank, med hjälp av informa- tion från nämnda beräkningsmodell, ett referensvärde som repre- 533 730 senterar den jämviktsackumulation av ammoniak som ska före- ligga i tanken för att erhålla det givna slip-värdet, varvid ett så- dant referensvärde beräknas sekventiellt för respektive tank startande med den tank som är belägen närmast katalysatorns utloppsände och sedan tank för tank uppströms fram till refe- renstanken, och - att det för referenstanken fastställda referensvärdet används som nämnda ackumulation-börvärde eller som en maximalt tillà- ten övre gräns för detta ackumulation-börvärde.

Med bestämningen att referenstanken är belägen "ett eller flera steg uppströms den tank som är närmast katalysatorns utlopps- ände” avses i denna beskrivning och de efterföljande patentkra- ven att referenstanken inte utgör den sista tanken i beräknings- modellens tankserie, dvs inte den tank i tankserien som är belä- gen närmast katalysatorns utloppsände. Som referenstank är det möjligt att välja den näst sista tanken i tankserien eller en tank som är belägen längre uppströms i tankserien. I det sistnämnda fallet återfinns följaktligen en eller flera tankar mellan referens- tanken och den sista tanken i tankserien.

Med uttrycket ”jämviktsackumulation” avses i denna beskrivning och de efterföljande patentkraven den ackumulation av ammo- niak som stationärt erhålls vid aktuella driftförhållanden med en viss nivå pà reduktionsmedelsinsprutningen, dvs det värde am- moniakackumulationen under rådande driftförhållanden svängs in mot vid en förändring av reduktionsmedelsinsprutningen.

Med den uppfinningsenliga lösningen fastställs det hur stor jäm- viktsackumulation av ammoniak som kan medges i referenstan- ken utan att ett givet slipvärde överskrids, dvs utan att den maximalt tillåtna koncentrationen av ammoniak i de avgaser som lämnar katalysatorn överskrids. Genom att i regleringen av re- duktionsmedelsinsprutningen ta hänsyn till denna maximalt till- làtna jämviktsackumulation blir det möjligt att säkerställa att det givna slipvärdet ej överskrids. Den uppfinningsenliga lösningen möjliggör ett effektivare utnyttjande av katalysatorn och insprutat 533 750 reduktionsmedel, vilket i sin tur möjliggör en reducerad reduk- tionsmedelsförbrukning och användandet av en katalysator med reducerad katalysatorvolym.

Enligt en utföringsform av uppfinningen väljs den tank som är belägen närmast katalysatorns inloppsände som referenstank.

Regleringen av reduktionsmedelsinsprutningen blir snabbare med bibehållen robusthet ju längre uppströms referenstanken är belägen i katalysatorn. De bästa förutsättningarna för en snabb och robust reglering ges därför om referenstanken är belägen först i katalysatorn, dvs utgör den tank i tankserien som är belägen närmast katalysatorns inloppsände.

Andra fördelaktiga särdrag hos förfarandet och systemet enligt uppfinningen framgår av de osjälvständiga patentkraven och den nedan följande beskrivningen.

Uppfinningen avser även en datorprogramprodukt uppvisande de i patentkravet 7 definierade särdragen och en elektronisk styr- enhet uppvisande de i patentkravet 9 definierade särdragen.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen kommer i det följande att närmare beskrivas med hjälp av utföringsexempel, med hänvisning till bifogade ritningar.

Det visas i: Fig 1 en principskiss över en förbränningsmotor med en tillhörande katalysator och ett system enligt förelig- gande uppfinning, Fig 2 ett blockdiagram illustrerande ett system enligt en utfö- ringsform av uppfinningen, och Fig 3 en principskiss över en elektronisk styrenhet för imple- mentering av ett förfarande enligt uppfinningen. 533 750 DETALJERAD BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER l Fig 1 visas schematiskt en förbränningsmotor 1 försedd med ett system 10 enligt föreliggande uppfinningen. Avgaserna som läm- nar förbränningsmotorn 1 rör sig i en avgasledning 2 och träder ut i omgivningen via ett avgasutiopp 3. I avgasledningen 2 är en SCR-katalysator 4 anordnad. Således bringas avgaserna från förbränningsmotorn 1 att passera denna katalysator 4 innan de träder ut i omgivningen via avgasutloppet 3. l avgasledningen 2 återfinns uppströms katalysatorn 4 ett insprutningsställe 5 för re- duktionsmedel. lnsprutningen av reduktionsmedel sker med hjälp av en insprutningsanordning innefattande ett eller flera i avgas- ledningen anordnade insprutningsorgan 6, i form av insprut- ningsmunstycken eller liknande, och en därtill ansluten förva- ringsbehållare 7 för reduktionsmedel. lnsprutningsanordningen innefattar vidare en doserenhet 8, vilken innefattar en dose- ringsinrättning och ett reglerorgan, såsom en reglerventil eller liknande, anordnade att reglera tillförseln av reduktionsmedel till nämnda insprutningsorgan 6. Doserenheten 8 styrs av ett system enligt föreliggande uppfinning, vilket fastställer hur stor mängdreduktionsmedel som skall sprutas in i avgaserna. l Fig 2 illustreras schematiskt en utföringsform av ett system 10 enligt uppfinningen. Systemet 10 innefattar ett elektroniskt be- räkningsmedel 11 som är anordnat att genom användning av en beräkningsmodell kontinuerligt fastställa aktuella tillstånd i kata- lysatorn 4 under beaktande av de förväntade reaktionerna i ka- talysatorn under rådande driftförhållanden. Beräkningsmodellen tar hänsyn till de förväntade exoterma och endoterma reaktio- nerna i katalysatorn 4 under rådande driftförhållanden och be- räknar bland annat ackumulationen av ammoniak i olika delar av katalysatorn och den omvandling av NOX som sker i olika delar av katalysatorn under inverkan av däri ackumulerad ammoniak.

Beräkningsmodellen kan utformas på godtyckligt sätt så länge som den med önskad noggrannhet ger korrekta värden på acku- mulationen av ammoniak och omvandlingen av NOX i katalysa- torn. Katalysatorn 4 är enligt beräkningsmodellen i sin längdrikt- 533 750 ning uppdelad i en tankserie med ett flertal på varandra följande tankar 4k och beräkningsmedlet 11 är anordnat att utgående från information från nämnda beräkningsmodell fastställa ett acku- mulation-ärvärde V1 och ett ackumulation-börvärde V2, vilka re- presenterar aktuell respektive begärd ackumulation i katalysatorn av ammoniak i en tank 4,ef, här benämnd referenstank, belägen ett eller flera steg uppströms den tank 4K som är närmast kataly- satorns utloppsände.

Katalysatorn 4 är i beräkningsmodellen indelad i minst två tankar 4k, men antalet tankar 4k i beräkningsmodellen är lämpligen fem eller fler.

Systemet 10 innefattar vidare en komparator 12, vilken är anord- nad att jämföra nämnda ackumulation-ärvärde V1 och ackumula- tion-börvärde V2. Komparatorn 12 är således anordnad att mot- taga information om det rådande ärvärdet V1 och börvärdet V2 från beräkningsmedlet 11. Komparatorn 12 är anordnad att jäm- föra ärvärdet V1 och börvärdet V2 och avge en signal S1 som beror av överensstämmelsen, såsom exempelvis differensen, mellan detta ärvärde V1 och börvärde V2. Systemet 10 innefattar även en regulator 13 som är anordnad att utgående från nämnda signal S1 från komparatorn 12 generera en styrsignal v som på- verkar insprutningen av reduktionsmedel. Regulatorn 13 utgörs lämpligen av en Pl-regulator. I det illustrerade exemplet är regu- latorn 13 anordnad att avge styrsignalen v till ett elektroniskt styrmedel 14, vilket är anslutet till insprutningsanordningens do- serenhet 8 och vilket är anordnat att styra denna doserenhet i beroende av nämnda styrsignal v så att en för rådande förhållan- den lämplig mängd reduktionsmedel insprutas i avgasledningen 2.

Beräkningsmedlet 11 är anordnat att, utgående från ett givet slip- värde YsL som representerar maximalt tillåten koncentration av ammoniak i de avgaser som lämnar katalysatorn 4 och med hjälp av information från nämnda beräkningsmodell, sekventiellt för respektive tank 4k startande med den tank 4K som ärbelägen 533 750 närmast katalysatorns utloppsände och sedan tank för tank upp- ströms fram till referenstanken 4,ef beräkna ett referensvärde GM som representerar den jämviktsackumulation av ammoniak som ska föreligga i tanken för att erhålla det givna slip-värdet ysL. Be- räkningsmedlet 11 är anordnat att låta det sålunda för referens- tanken 4,ef fastställda referensvärdet GUef utgöra nämnda acku- mulation-börvärde V2 eller en maximalt tillåten övre gräns för detta ackumulation-börvärde V2.

Beräkningsmedlet 11, komparatorn 12, regulatorn 13 och styr- medlet 14 är med fördel integrerade i en gemensam datorenhet men kan om så finnes lämpligt vara implementerade medelst två eller flera separata och till varandra anslutna enheter.

Datorprogramkod för implementering av ett förfarande enligt uppfinningen är lämpligen inkluderad i ett datorprogram som är inläsningsbart till internminnet hos en dator, såsom internminnet hos en elektronisk styrenhet hos ett motorfordon. Ett sådant da- torprogram är lämpligen tillhandahållet via en datorprogrampro- dukt innefattande ett av en elektronisk styrenhet läsbart datalag- ringsmedium, vilket datalagringsmedium har datorprogrammet lagrat därpå. Nämnda datalagringsmedium är exempelvis ett op- tiskt datalagringsmedium i form av en CD-ROM-skiva, en DVD- skiva etc, ett magnetiskt datalagringsmedium i form av en hård- disk, en diskett, ett kassettband etc, eller ett Flashminne eller ett minne av typen ROM, PROM, EPROM eller EEPROM.

Ett datorprogram enligt en utföringsform av uppfinningen inne- fattar datorprogramkod för att i ett system 10 av ovan beskriven typ bringa beräkningsmedlet 11 hos systemet: - att, utgående från ett givet slip-värde ySL som representerar maximalt tillåten koncentration av ammoniak i de avgaser som lämnar katalysatorn och med hjälp av information från nämnda beräkningsmodell, sekventiellt för respektive tank startande med den tank som är belägen närmast katalysatorns utloppsände och sedan tank för tank uppströms fram till referenstanken beräkna ett referensvärde 6.__k som representerar den jämviktsackumula- 533 'ïåü tion av ammoniak som ska föreligga i tanken för att erhålla det givna slip-värdet ysL, och - att låta det för referenstanken fastställda referensvärdet Guef utgöra ovan nämnda ackumulation-börvärde V2 eller en maximalt tillåten övre gräns för detta ackumulation-börvärde V2.

Fig 3 illustrerar mycket schematiskt en elektronisk styrenhet 20 innefattande ett exekveringsmedel 21, såsom en central proces- sorenhet (CPU), för exekvering av datorprogramvara. Exekve- ringsmedlet 21 kommunicerar med ett minne 23, exempelvis av typen RAM, via en databuss 22. Styrenheten 20 innefattar även datalagringsmedium 24, exempelvis i form av ett Flashminne el- ler ett minne av typen ROM, PROM, EPROM eller EEPROM.

Exekveringsmedlet 21 kommunicerar med datalagringsmediet 24 via databussen 22. Ett datorprogram innefattande datorprogram- kod för implementering av ett förfarande enligt uppfinningen är lagrat på datalagringsmediet 24.

Reduktionsmedlet utgörs företrädesvis av urea (CO(NH2)2) men kan även utgöras av ammoniak (NH3). Vid insprutningen av urea i avgaserna bildas ammoniak och det är denna ammoniak som ut- gör reduktionsämnet som bidrar till den katalytiska omvandlingen i SCR-katalysatorn.

Ovan nämnda beräkningsmodell är lämpligen utformad att ut- nyttja följande invärden: a) Avgastemperaturen P1 uppströms katalysatorn 4. Denna temperatur kan fastställas med hjälp av temperaturgivare eller på något av de i sig kända sätten för beräkning därav. b) NOX-koncentrationen P2 i avgaserna uppströms katalysatorn 4. Denna koncentration kan fastställas med hjälp av givare men fastställs lämpligen på något av de i sig kända sätten för beräkning därav, exempelvis utgående från förbränningsmo- torns last, varvtal, insprutningsvinkel, d vs vinkeln hos för- bränningsmotorns vevaxel vid insprutningen av bränsle i mo- 533 790 11 torcylindern, och i förekommande fall »EGR-halt (EGR = Exhaust Gas Recirculation), 'd v s halten av till motorn _ återförda avgaser. c) Avgasmassflödet P3 genom katalysatorn 4. Detta avgasmass- flöde kan fastställas med hjälp av massflödesgivare men fast- ställs lämpligen på något av de i sig kända sätten för beräk- ning därav, exempelvis utgående från förbränningsmotorns last och varvtal. d) l avgaserna insprutad mängd P4 reduktionsmedel. Värdet på insprutad mängd reduktionsmedel erhålls lämpligen från styr- medlet 14 eller från regulatorn 13. I det i Fig 2 illustrerade ex- emplet utnyttjas styrsignalen v från regulatorn 13 som mått på insprutad mängd reduktionsmedel.

Beräkningsmodellen kan även utnyttja OZ-koncentrationen i av- gaserna uppströms SCR-katalysatorn och/eller omgivningstempe- raturen somlnvärde. Oz-koncentrationen kan fastställas med hjälp av exempelvis Iambdasensor men fastställs lämpligen på något av de i sig kända sätten för beräkning därav, exempelvis utgående från förbränningsmotorns last, varvtal och i förekom- mande fall EGR-halt.

I det följande beskrivs en beräkningsmetod som kan användas för att fastställa ovan nämnda referensvärden GLK, SLM i ett för- farande och hos ett system enligt föreliggande uppfinning. l en SCR-katalysator reagerar kväveoxid, NOX, med ammoniak och reduceras till kvävgas. NO, är det skadliga avgasämne som är avsett att avlägsnas från avgaserna och ammoniak är det re- duktlonsämne som används för detta. Ammoniak eller urea (som omvandlas till ammoniak) sprutas in i avgaserna uppströms SCR- katalysatorn.

Metoden använder sig av information från en katalysatormodell för att bestämma ovan nämnda referensvärden GU., Gmef. Katalysa- 3D 533 730 12 tormodellen är pà i sig känt sätt formulerad som en tankseriemo- dell med katalysatorn i längdriktningen indelad i ett flertal på var- andra följande tankar där det aktiva materialet i kanalväggen hos respektive tank är indelat i skikt. l katalysatormodellen ingår följande reaktioner: urea+f-l,o-> 2NH, +00, (1) s+NH, »s-NH, (2) s-NH, ->s+NH, (3) fas-NH, +4No+o2 _>4s+sH,o+4N, '(4) 4s-NH, +50, ->4s+6H,o+4No (5) l modellen ingår ureasönderdelning (reaktion (1)) från doserings- punkt fram till katalysatorn. I modellen används förenklingen att den isocyansyra (HNCO) som bildas vid sönderdelning av urea betraktas som ekvivalent med ammoniak.

Ureasönderdelningen behandlas som en homogen reaktion med reaktionshastigheten: Mk = kim 'Gram 'Yu/sym (6) Övriga reaktioner är katalytiska. Reaktionshastigheten för adsorp- tion av ammoniak i tank k och skikt n uttrycks som: faß." = ka; 'Crank 'Y~H,,k,n '(7 "9:<,n) (7) Reaktionshastigheten för desorption av ammoniak i tank k och skikt n uttrycks som: fam = kd,k 'alm (8) Reaktionshastigheten för NOX-reduktion i tank k och skikt n ut- trycks som: fr,k,n = kuk 'Clark 'YNo,,,k,n 'Ûkfl (9) 533 790 13 Reaktionshastigheten för ammoniakoxidation i tank k och skikt n uttrycks som: ro,k,n = ko,k ' ctoflk 'ålen Hastighetskonstanten för både homogen och katalytisk reaktion bestäms från Arrhenuis ekvation enligt: _ 54.: kigk = koJ 'e RT” (11) Den totala gaskoncentrationen bestäms från allmänna gaslagen enligt: ' pk R ' TSIk (12) Clark = Totaltryoket Pk kan sättas till trycket efter katalysatorn som är lika med atmosfärstrycket om katalysatorn är monterad sist i avgassy- stemet. För ett noggrannare värde kan tryckfallet från aktuell tank till slutet av katalysatorn beräknas från formel för laminärström- ning i en kanal och adderas till trycket efter katalysatorn. Om ka- talysatorn inte är sist i systemet kan trycket mätas eller beräknas från tryckfall över den eller de enheter som är placerade efter katalysatorn.

För katalysatorn kan följande materialbalans gällande gasflödet ställas upp för ämne i: F '(Y/,k-1,o _ Y f,k,o )" rig/co '(Yi.k,o _ Yi.k,1)+ ZV/:j 'flugit 'Vk = Û (1 3) I Följande materialbalans kan ställas upp gällande gasfasen i skikt n för ämne i (homogena reaktioner försummade): fi,/<,n-1 '()'i,k,n-1 '- Yi,k,n )“ fi” 'Un/m ' Yi,k,n+1)+ ZV/J 'fc,1,k,n 'Wim = Û ( 1 4) 1 533 ?SÛ 14 För innersta skiktet utgår andra termen enligt: ri,k,~-1 '()'i,/<,~-1 _ Yi,k,~ )+ :VU 'fc,j.k,~ 'Win/v = Û (1 5) 1 Materialbalanserna för gasflödet och för gasfasen i de aktiva skikten bildar ett ekvationssystem ur vilket molbråken för de olika ämnena i gasflödet och i gasfasen i de aktiva skikten bestäms.

Masstransportkoefficienten för transport mellan gasflödet och för- sta skiktet bestäms enligt: P = Ash; 'Gram 'M 1 +o.s-Ax, kc,l,k Defi,í,k (16) Masstransportkoefficienten för transport mellan skikten bestäms enligt: = 2'Derr,i,k 'Åcirk 'Umm Axn +Axn+1 Fry/nn Filmtransportkoefficienten bestäms enligt: _ sh-o,-_,, kc,i,k d (1 För Sherwoods tal, sh, kan asymptotiska värden för aktuell kanal- geometri användas. Den ordinära diffusiviteten bestäms enligt: (19) Tak J1J5 Du: :Drum '[7- :af Knudsendiffusiviteten bestäms enligt: d D _ =_,¿_ s-R-TSJ, K,|,k 3 n.Mi Den effektiva diffusiviteten bestäms enligt: (20) 533 790 (21) -_+ Dí,k DK,í,k Den tidsberoende materialbalansen för adsorberad ammoniak ger tidsderivatan för täckningsgrad enligt: dólkln 1 ”dT =N*c';"s-~H,,1'fc,j,k,n 'Wlan (22) Täckningsgraden vid varje tidpunkt integreras sedan fram utifrån tidsderivatan. Temperaturen i gasflödet genom katalysatorn be- stäms genom att lösa en värmebalans där hänsyn tas till den värme som överförs till det fasta materialet och reaktionsvärmet för homogena reaktioner. Effekten från reaktionsvärmet för homo- gena reaktioner bestäms enligt: Om = ZfnßV/Å' ÅH/m) (23) I Värmebalansen för gasflödet löses därefter genom: T k = Fm: 'CW 'Tg,k-1 *hk 'Åmk 'Tsx +Qm< g' Fre: 'CM + hk 'Åcftk (24) Där överföringskoefficienten för värme bestäms enligt: Q (25) För Nusselts tal, Nu, kan asymptotiska värden för aktuell kanalgeometri användas. Effekten från reaktionsvärmet för kata- lytiska reaktioner bestäms enligt: Oak = Zzrcjkn Wk,n '("AHc,j) 'I i 533 ?9Ü 16 Den tidsberoende värmebalansen för det fasta materialet i kataly- satorn ger tidsderivatan för temperatur enligt: dTsJ, 1 dt fnsk ' CAS (hk 'Am/f '(Tg.k “Ts,k)+ Qex) (27) Temperaturen vid varje tidpunkt integreras sedan fram utifrån tidsderivatan. l härledningen av maximalt tillåten ackumuiation av ammoniak används total omsättningsgrad av urea som bestäms från aktuella moibràk i katalysatormodellen enligt: 1 Yaøs =0 Xzowma/r = (28) 1_ÜEEÅ ydos > 0 Yuos Maximalt tillåten ackumuiation av ammoniak bestäms genom sta- tiska materialbalanser för gasflödet och för gasfasen i yttersta skiktet. lnverkan från reaktioner i övriga skikt beaktas genom att en effektivitetsfaktor för intern masstransport används och som definieras från reaktionshastigheten för NOX-reduktion enligt: N N Zrc,r,k,n 'wk,n ZYNOUkp 'alm ' Wk,n n=1 = n=1 N N fc,r,k,1 'XW/m Y No,,,k,1 'Ûkn 'XW/m n=1 n=1 (29) Üpjc = Effektivitetsfaktorn för intern masstransport beror främst på tem- peratur och kan därför vara bestämd i förväg given på tabellform eller ekvationsform som funktion av temperatur. I härledningen används också en effektivitetsfaktor för extern masstransport som definieras enligt: 771,1: = ynka (30) Som förenkling används approximationen att effektivitetsfaktorn för extern masstransport är lika för NOX och ammoniak: 533 750 17 'Ik “fl/Vona “TINHM (31) I härledningen av maximalt tillåten ackumulatlon av ammoniak används endast molbråk för gasflödet, varför index n förutsätts vara noll och utelämnas. För molbråk i yttersta skiktet används produkten av molbråket i gasflödet och effektivitetsfaktorn för ex- tern masstransport. Lösningen av optimeringsproblemet.görs ge- nom en serie beräkningar som börjar med sista tanken i kataly- satorn, dvs den tank 4K som är belägen närmast katalysatorns utloppsände, och som upprepas för närmast föregående tank tills beräkningarna är utförda för alla tankar fram till referenstanken 4,ef. Först bestäms maximalt tillåtet molbråk av ammoniak i sista tanken, vilket är lika med maximalt tillåtet molbråk av ammoniak ySL efter katalysatorn: YL,NH,,K = .VsL (32) Därefter bestäms ett antal temporära variabler enligt: ÅYK = km 'Crank 'YL,~H,,K (33) BYK = 'Vr 'krk 'Gram 'YNo,.K (34) N CK = *Vr 'k/.K 'Crank 'flpk 'ZWxm (35) n=1 Uttrycken för maximalt tillåten täckningsgrad från materialbalan- sen för NOX i yttersta skiktet samt från materialbalansen för ad- sorberad ammoniak vid jämvikt (tidsderivatan noll) ger en andra- gradsekvation med avseende på effektivitetsfaktorn för extern masstransport där endast den positiva lösningen är fysikaliskt möjlig: 2 M =__91_+ _91 z-o, 2-02 o, (36) Där koefficienterna i andragradsekvationen är definierade enligt: -10 _25 533 750 18 Qo = “f/vow/ço 'km (37) Qr = F/vo,,K,o '(kd,K "BYK 'ÅYK) (38) Qz = ÅYK 'CK +F~o,,,K,o '(5.V;< +ÅYK) (39) Effektivitetsfaktorn sätts sedan in i något av uttrycken för maxi- malt tillåten täckningsgrad enligt: (40) ÅY K ' '7i.,K (41) AYK '77L,K +ku,K +BYK 'ÜLK ÛLK = Maximalt tillåten omsättningsgrad av NOX i sista tanken 4K be- stäms därefter enligt: CK 'ÛLK ' TIL,K --_-- 42 F+CK '9L,K 'flm ( ) Xi.,/vo,,,K = Gränsvärdet för molbråk av NOX vid maximalt tillåten omsätt- ningsgrad bestäms nu för sista tanken 4K enligt: (43) K YL,No,,,K = Y~o,,o 'Hb _ XL,~o,,p) p=1 Där maximalt tillåten omsättningsgrad för tank 1 till K-1 har satts v i till aktuell omsättningsgrad enligt: _y^'_°~¿<_ (44) XL,No,,k = Xwoflk = 1 “ .V No, ,k-1 Beräkningarna för övriga tankar uppströms sista tanken 4K görs successivt tank för tank i enlighet med beräkningarna som be- skrivs nedan. Genom en materialbalans för urea mellan dose- ringspunkten och sista tanken 4K bestäms den dosering som be- 533 750 19 hövs för att uppnå gränsvärdet för molbråk av NO, och ett mol- bråk av ammoniak i sista tanken lika med maximalt tillåtet: 1 2 ' xrof,uraa,K Ytpos = ' (Y/voxß °' YL,/vox,K + YSL) (45) Maximalt tillåtet molbråk av urea i sista tanken 4K bestäms enligt: (46) yL,Urea,K = yLdos ' (1 _ XtoLUmaK ) Maximalt tillåtet molbråk av urea i aktuell tank 4k bestäms enligt: .Viuumitk =YL,dos 'Ü-Xzawmitk) (47) Maximalt tillåtet molbråk av reduktionsmedel bestäms från redu- cerad NO, från aktuell tank 4k till och med sista tanken 4K plus maximalt tillåtet reduktionsmedel ut från sista tanken enligt: YL,Rea,k = Ynoxß -Y:.,~ox,K *2 'YL,ufea,K +YsL (48) Maximalt tillåtet molbråk av ammoniak bestäms sedan som skill- naden mellan maximalt tillåtet molbråk av reduktionsmedel och maximalt tillåtet molbråk av urea med begränsningen att värdet inte kan understiga maximalt tillåten ammoniak efter katalysatorn: Yi.,~H,,/< = maxqYifl/weaß '2 'YL,ufea,k .VsLD (49) Temporära variabler bestäms enligt: Ål/k =ka,k 'Umm 'YL,NH,,k (50) BYk = *Vr 'km 'Clark 'YNoWk (51) iv Ck = 'Vr 'km 'Gram 'flak 'Ewan (52) fl=1 Koefficienter för andragradsekvationen bestäms enligt: (53) QO = 'FNOV/co 'km 533 780 01 =F~o,,k,a '(ku,k "BJ/k -ÅJ/k) (54) Oz =ÅYk 'Ck “frNofl/ßo '(BY/< +Å.Vk) (55) Den positiva lösningen av andragradsekvationen ger effektivi- tetsfaktorn för extern masstransport enligt: (56) 2 fiL,k=* Q' + 9-0- z-o, 2-02 "oz Maximalt tillåten täckningsgrad i tank k bestäms sedan från något av uttrycken: 6 = ruo,,k,o '(7 ~'7L,k) M Ck 'flak (57) Åh 'UL/f -:------_-- 58 Ayn 'flak *kim +BYk 'f7i.,k ( ) ÛL; = Den maximalt tillåtna täckningsgraden GLK i tank k utgör den jäm- viktsackumulation av ammoniak som ska föreligga i tank k för att det givna slip-värdet ySL ska erhållas. Denna täckningsgrad GLK utgör således ovan nämnda referensvärde för tank k.

Maximalt tillåten omsättningsgrad av NO, i tank k bestäms däref- ter enligt: x _ Ck 'eur "71..k L'No"k F+Ck'91.,k"7:.,k (59) Gränsvärdet för molbråk av NO, vid maximalt tillåten täcknings- grad bestäms nu för sista tanken 4K enligt: K YL,~o,,K =Y~o,,o 'H(7“XL,/vo..n) (60) p=1 533 790 21 När beräkningen gjorts för alla tankar från sista tanken 4K och fram till referenstanken 4,ef har värden för maximalt tillåten täck- ningsgrad HM samt maximalt tillåtet molbråk av ammoniak re- spektive gränsvärde för molbråk av NO, bestämts för erfordrade tankar i katalysatorn.

Den uppfinningsenliga lösningen skulle även kunna tillämpas vid en reglering i form av en så kallad kaskadreglering, exempelvis av den typ som beskrivs i EP 1 706 607 A1, med en inre regler- krets innefattande en första regulator och en yttre reglerkrets _in- nefattande en andra regulator. I detta fall utnyttjas referensvär- det 9|__,ef för referenstanken 4%; i den inre reglerkretsen som övre gräns för börvärdet. Den yttre reglerkretsen påverkar i detta fall genom sin styrsignal börvärdet för inre reglerkretsen i beroende av överensstämmelsen mellan ett emissionsbörvärde och ett emissionsärvärde för NOX.

De variabler och index som används i de ovan angivna formlerna har följande betydelser.

Variabel Betydelse A Area Ay Temporär variabel Temporär variabel Temporär variabel Diffusivitet Aktiveringsenergi Molflöde avgas Molmassa Nusselts tal Totaltryck Effekt I temporär variabel Allmänna gaskonstanten Aktivt säte Sherwoods tal Temperatur Gasvolym i katalysatorkanal w '< C <-l(:I_JUJIO'UZšT|F|1ÜÖ XITQO dos eff X"_'_'3'(Q 533 190 22 Koncentration I specifik värme Kanalstorlek Värmeöverföringskoefficient Hastighetskonstant I preexponent I massöverfö- ringskoefficient Massa katalysator Reaktionshastighet Tid Molbråk Massa aktivt material Omsättningsgrad Masstransportkoefficient Reaktionsentalpi Skikttjocklek Effektivitetsfaktor Värmeledningsförmága Stökiometrisk koefficient/ Stökiometriskt i förhållande Täckningsgrad (dimensionslös ackumulation) Betydelse Antal tankar / sista tanken Maximalt tillåten I Gränsvärde Antal skikt I innersta skiktet / antal aktiva säten Reduktionsmedel Slipgräns Adsorption Katalytisk I massöverföring Kanal Desorption Dosering Effektiv Gasfas Homogen Ämne i Reaktion j Tank k 533 790 23 n Skikt n o Ammoniakoxidation p Por/ produktindex r NOX-reduktion ref Referens s Yta tot Total u Ureasönderdelning Såsom inses av en fackman inom området kan den ovan angivna beräkningsmetoden modifieras pà en mängd olika sätt och det är även möjligt att använda en annan typ av beräkningsmetod än den ovan angivna för beräkningen av ovan nämnda referensvär- den under utnyttjande av den grundläggande idé som här pre- senteras. En förändring som kan göras är att endast använda ett skikt av det aktiva materialet. Då kan samma härledning som ovan användas genom att sätta transporttermer mellan första och andra skiktet till noll samt sätta effektivitetsfaktorn för intern masstransport till ett. En annan förändring som kan göras är att lägga till reaktioner för N02 för att kunna ta hänsyn till en even- tuell oxidationskatalysator uppströms SCR-katalysatorn. En yt- terligare förändring som kan göras är att lägga till en slipkataly- sator nedströms SCR-katalysatorn. Modellen kan då utökas med de reaktioner som sker i slipkatalysatorn och slipkatalysatorns förmåga att oxidera ammoniak kan tas i beaktande i beräknings- metoden för fastställande av ovan angivna referensvärden.

Uppfinningen är givetvis inte heller l övrigt begränsad till de ovan beskrivna utföringsformerna, utan en mängd möjligheter till mo- difikationer därav torde vara uppenbara för en fackman på områ- det, utan att denne för den skull avviker frän uppfinningens grundtanke sådan denna definieras i bifogade patentkrav. Av- gassystemet kan till exempel innefatta en hydrolyskatalysator uppströms SCR-katalysatorn 4 och/eller ett partikelfilter kopplat i serie med SCR-katalysatorn 4 uppströms eller nedströms denna.

Claims (7)

1. 0 15 20 25 30 35 533 'P90 24 PATENTKRAV 1.

2. Förfarande för styrning av insprutningen av reduktionsmedel i form av urea eller ammoniak uppströms en SCR-katalysator (4) i en avgasledning (2) från en förbränningsmotor (1), varvid insprutningen av reduktionsmedel i avgasledningen styrs i be- roende av resultatet av en jämförelse mellan ett ackumulation- ärvärde (V1) och ett ackumulation-börvårde (V2), där acku- mulation-ärvärdet (V1) och ackumulation-börvärdet (V2) re- presenterar aktuell respektive begärd ackumulation i kataly- satorn (4) av ammoniak och beräknas utgående från informa- tion från en beräkningsmodell som, under beaktande av de förväntade reaktionerna i katalysatorn under rådande driftför- hàllanden, kontinuerligt fastställer aktuella tillstånd i kataly- satorn, såsom ackumulationen av ammoniak i olika delar av katalysatorn och den omvandling av NOX som sker i olika delar av katalysatorn, varvid katalysatorn (4) enligt beräkningsmo- dellen i sin längdriktning är uppdelad i en tankserie med ett flertal på varandra följande tankar och ackumulation-ärvärdet (V1) och ackumulation-börvärdet (V2) hänför sig till aktuell re- spektive begärd ackumulation av ammoniak i en tank (4,ef), här benämnd referenstank, belägen ett eller flera steg upp- ströms den tank (4K) som är närmast katalysatorns utlopps- ände, kännetecknat därav: - att utgående från ett givet slip-värde (ySL) som representerar maximalt tillåten koncentration av ammoniak i de avgaser som lämnar katalysatorn (4) beräknas för respektive tank, med hjälp av information från nämnda beräkningsmodell, ett refe- rensvärde (SLK) som representerar den jämviktsackumulation av ammoniak som ska föreligga i tanken för att erhålla det givna slip-värdet (ysL), varvid ett sådant referensvärde (GLK) beräknas sekventiellt för respektive tank startande med den tank (4K) som är belägen närmast katalysatorns utloppsände och sedan tank för tank uppströms fram till referenstanken (4,ef), och 10 15 20 25 30 35 533 73Ü 25 - att det för referenstanken (4,ef) fastställda referensvärdet (QLN) används som nämnda ackumulation-börvärde (V2) eller som en maximalt tillåten övre gräns för detta ackumulation- börvârde (V2). _ Förfarande enligt krav 1, kännetecknat därav: - att ackumulation-ärvärdet (V1) och ackumulation-börvärdet (V2) tillförs en komparator (12), vilken till en regulator (13), fö- reträdesvis i form av en Pl-regulator, avger en signal (S1) som beror av överensstämmelsen mellan ackumulation-ärvärdet (V1) och ackumulation-börvärdet (V2), och - att regulatorn (13) i beroende av signalen (S1) från kompa- ratorn (12) avger en styrsignal (v), varvid insprutningen av re- duktionsmedel i avgasledningen styrs i beroende av denna styrsignal (v). .

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, kännetecknat därav, att den tank som är belägen närmast katalysatorns inloppsände väljs som referenstank (4,ef). .

4. Förfarande enligt något av kraven 1-3, kännetecknat därav, att åtminstone följande invärden utnyttjas i beräkningsmodel- len vid generering av information för fastställande av nämnda referensvärde (9|__k): - avgastemperaturen (P1) uppströms katalysatorn, - koncentrationen (P2) av NOX i avgaserna uppströms kataly- satorn, - avgasmassflödet (P3) genom katalysatorn, och - lnsprutad mängd (P4) reduktionsmedel. .

5. System för styrning av insprutningen av reduktionsmedel i form av urea eller ammoniak uppströms en SCR-katalysator i en avgasledning från en förbränningsmotor, varvid systemet (10) innefattar: - ett elektroniskt beräkningsmedel (11) som är anordnat att genom användning av en beräkningsmodell kontinuerligt fast- ställa aktuella tillstånd i katalysatorn under beaktande av de 10 15 20 25 30 35 533 790 26 förväntade reaktionerna i katalysatorn under rådande driftför- hållanden, varvid katalysatorn enligt beräkningsmodellen i sin Iängdriktning är uppdelad i en tankserie med ett flertal på var- andra följande tankar och beräkningsmedlet (11) är anordnat att utgående från information från nämnda beräkningsmodell fastställa ett ackumulation-ärvärde (V1) och ett ackumulation- börvärde (V2), vilka representerar aktuell respektive begärd ackumulation i katalysatorn av ammoniak i en tank, här be- nämnd referenstank, belägen ett eller flera steg uppströms den tank som är närmast katalysatorns utloppsände, - en komparator (12), vilken är anordnad att jämföra ackumu- lation-ärvärdet (V1) och ackumulation-börvärdet (V2) och ge- nerera en signal (S1) som representerar överensstämmelsen mellan dessa, och - en regulator (13) som är anordnad att utgående från nämnda signal (S1) från komparatorn (12) generera en styrsignal (v) som påverkar insprutningen av reduktionsmedel, kännetecknat därav, att nämnda beräkningsmedel (11) är an- ordnat: - att, utgående från ett givet slip-värde (ySL) som representerar maximalt tillåten koncentration av ammoniak i de avgaser som lämnar katalysatorn och med hjälp av information från nämnda beräkningsmodell, sekventiellt för respektive tank startande med den tank som är belägen närmast katalysatorns utlopps- ände och sedan tank för tank uppströms fram till referenstan- ken beräkna ett referensvärde (GLK) som representerar den jämviktsackumulation av ammoniak som ska föreligga i tanken för att erhålla det givna slip-värdet (ysL), och - att låta det för referenstanken fastställda referensvärdet (SLM) utgöra nämnda ackumulation-börvärde (V2) eller en maximalt tillåten övre gräns för detta ackumulation-börvärde (V2). .

6. System enligt krav 5, kännetecknat därav, att nämnda beräk- ningsmedel (11) är anordnat låta den tank som är belägen närmast katalysatorns inloppsände utgöra nämnda referens- tank. 10 15 20 25 30 35 533 750 27

7. Datorprogramprodukt innefattande datorprogramkod för att i ett system som är utformat för styrning av insprutningen av reduktionsmedel i form av urea eller ammoniak uppströms en SCR-katalysator i en avgasledning från en förbränningsmotor och som innefattar: - ett elektroniskt beräkningsmedei som är anordnat att ge- nom användning av en beräkningsmodell kontinuerligt fast- ställa aktuella tillstånd i katalysatorn under beaktande av de förväntade reaktionerna i katalysatorn under rådande drift- förhållanden, varvid katalysatorn enligt beräkningsmodellen i sin längdriktning är uppdelad i en tankserie med ett flertal på varandra följande tankar och beräkningsmedlet är an- ordnat att utgående från information från nämnda beräk- ' ningsmodell fastställa ett ackumulation-ärvärde (V1) och ett ackumulation-börvärde (V2), vilka representerar aktuell re- spektive begärd ackumulation i katalysatorn av ammoniak i en tank, här benämnd referenstank, belägen ett eller flera steg uppströms den tank som är närmast katalysatorns ut- loppsände, - en komparator, vilken är anordnad att jämföra ackumula- tion-ärvärdet (V1) och ackumulation-börvärdet (V2) och ge- nerera en signal (S1) som representerar överensstämmel- sen mellan dessa, och - en regulator som är anordnad att utgående från nämnda signal (S1) från komparatorn generera en styrsignal (v) som påverkar insprutningen av reduktionsmedel, bringa nämnda beräkningsmedei: - att, utgående från ett givet slip-värde (ysL) som representerar maximalt tillåten koncentration av ammoniak i de avgaser som lämnar katalysatorn och med hjälp av information från nämnda beräkningsmodell, sekventiellt för respektive tank startande med den tank som är belägen närmast katalysatorns utlopps- ände och sedan tank för tank uppströms fram till referenstan- ken beräkna ett referensvärde (Gm) som representerar den jämviktsackumulation av ammoniak som ska föreligga i tanken för att erhålla det givna slip-värdet (ysL), och 10 15 533 ?HÜ 28 - att låta det för referenstanken fastställda referensvärdet (GLJGf) utgöra nämnda ackumulation-börvärde (V2) eller en maximalt tillåten övre gräns för detta ackumulation-börvärde (V2). . Datorprogramprodukt enligt krav 7, kännetecknad därav, att datorprogramprodukten innefattar ett datalagringsmedium som är läsbart av en elektronisk styrenhet, varvid nämnda dator- programkod är lagrad på datalagringsmediet. . Elektronisk styrenhet hos ett motorfordon innefattande ett exe- kveringsmedel (21), ett till exekveringsmedlet anslutet minne (23) och ett till exekveringsmedlet anslutet datalagringsme- dium (24), varvid datorprogramkoden hos en datorprogram- produkt enligt krav 7 är lagrad på nämnda datalagringsmedium (24).