WO2001014045A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung eines reduktionsmittels in einem katalysatorsystem - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur bestimmung eines reduktionsmittels in einem katalysatorsystem Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for determining a reducing agent and / or the reducing agent concentration
  • Reducing agent solution in a reducing agent tank assigned to a catalyst system Reducing agent solution in a reducing agent tank assigned to a catalyst system.
  • Storage catalysts are divided.
  • the so-called SCR catalysts are regenerated by means of a urea and / or ammonia reducing agent supply, while the so-called storage catalysts are regenerated with hydrocarbons of the internal combustion engine fuel that is carried out in so-called exhaust gas fat phases.
  • a system is known from EP-A-0 381 236 which doses ammonia as a reducing agent for removing nitrogen oxides in exhaust gases from a diesel engine.
  • a turbocharger is also provided, which lowers the pressure of the exhaust gas.
  • a urea-water solution is added using compressed air.
  • the metering device is designed as a small-volume metering displacement pump which has a thread in the form of a groove on a cylindrical rotating body, the rotating body being driven at a variable speed to change the delivery rate.
  • the reducing agent is preferably added to the exhaust system depending on the Kennfeid, ie depending on the amount and / or composition of the exhaust gas.
  • a reducing agent mass is conventionally based on a constant concentration or composition of the reducing agent, for example a urea-water solution.
  • a urea-water solution for example a urea-water solution.
  • heating of the reducing agent or of the reducing agent tank associated with such high temperatures leads to a decrease in the concentration of, for example, a urea-water solution due to the formation of ammonia.
  • such a decrease in concentration can be in the double-digit percentage range. In such cases, reducing agent underdosing can therefore occur, as a result of which the achievable NO x conversion rates on the catalyst deteriorate compared to lower ambient temperatures.
  • the object of the invention is to provide a method for metering a reducing agent to be added to an exhaust gas stream as part of a catalytic aftertreatment, with which a precise metering can be carried out independently of an ambient temperature.
  • This object is achieved by a method for determining a reducing agent and / or
  • a very simple determination of the concentration of a reducing agent in a reducing agent solution is possible.
  • constant, optimal NO x conversion rates on the catalyst are ensured in spite of changed concentrations of a reducing agent in a reducing agent solution.
  • the means for determining the electrical conductivity of the reducing agent solution have a conductivity sensor to be introduced into the reducing agent solution.
  • a conductivity sensor to be introduced into the reducing agent solution.
  • Such sensors can, for example, have two poles at a defined distance, through which the aqueous solution (or the aqueous electrolyte) flows.
  • the conductivity sensor is designed integrated with a temperature sensor. Conductivity measuring cells or sensors with integrated temperature sensors are known from chemistry for laboratory and process monitoring. Since temperature sensors are conventionally provided in a reducing agent tank, such an integrated sensor proves to be particularly inexpensive.
  • Figure 1 is a schematic block diagram view of a urea metering system for
  • the system shown in which urea is used as a reducing agent, has a urea tank 1 for storing liquid urea.
  • the urea tank 1 can be acted upon by means of engine cooling water, which can be passed through a pipe system 2.
  • the metering of the cooling water passed through can be regulated via a two-way valve 3, which can be controlled via a metering control device 10.
  • a fill level sensor 4 and a temperature and / or conductivity sensor 5, the functioning of which is explained in detail below, are also introduced into the urea tank 1.
  • the one stored in the urea tank 1 Urea can be introduced via a feed pump 6 and a pressure control valve 7 m into a mixing chamber 8, which is formed on the inlet side with a metering valve 9.
  • the metering valve 9, like the feed pump 6, the temperature and / or conductivity sensor 5 and the fill level sensor 4 can be controlled via the metering control device 10.
  • the urea metering system also has a pressure which can be pressurized by means of a compressor 11
  • Air reservoir 12 on which a pressure of, for example, about 7 bar can be generated.
  • a pressure of, for example, about 7 bar can be generated.
  • Pressure threshold switch 13 a two-way valve 14 and one
  • Pressure control valve 15 can bring compressed air from the air reservoir 12 into the mixing chamber 8, in which mixing with the urea-water solution from the urea tank 1 takes place.
  • the system shown represents an air-assisted low-pressure metering system with which, for example, a 32.5% urea-water solution can be conveyed from the urea tank 1 to the metering valve 9, which is advantageously designed as a metering valve controlled by a characteristic marker, so that the solution (depending on current engine or exhaust gas parameters) m required quantity can be introduced into the mixing chamber.
  • the air-supported urea-water solution is admixed as an aerosol to the exhaust gas stream via a pipe (not shown in detail) and an atomizer device designed as a spray head 16 in front of the catalytic converter.
  • the required amount of urea-water solution is dosed so that the respective engine and catalyst-specific properties are taken into account at each operating point.
  • the metering control device 10 detects the current operating data of the engine via a (schematically illustrated) CAN bus 20 and also processes all the sensor data required for the system.
  • a correction of the dosing quantity is made by adapting the activation duration of the dosing valve 9 with the aid of a correction factor via the dosing control device 10 possible. This ensures constant NO x conversion rates on the catalyst despite changes in urea concentrations. An underdose of urea, which occurred in conventional systems at high ambient temperatures, can be effectively avoided according to the invention.
  • the calculation of the urea concentration of the urea-water solution in the tank 1, which is essentially proportional to the conductivity of the solution, can be determined in the metering control unit 10 by calculation or also by means of a stored characteristic curve. It proves that a change in the control duration of the metering valve 9 made on the basis of such a correction is inversely proportional to the change in the urea concentration of the urea-water solution.

Abstract

Verfahren zur Bestimmung einer Reduktionsmittelkonzentration einer Reduktionsmittellösung, insbesondere der Harnstoffkonzentration einer Harnstoff-Wasser-Lösung in einem Katalysatorsystem, insbesondere einem SCR-Katalysatorsystem, zugeordneten Harnstofftank (1), wobei die elektrische Leitfähigkeit der Reduktionsmittellösung bestimmt wird und die Reduktionsmittelkonzentration auf der Grundlage dieser elektrischen Leitfähigkeit, insbesondere eines bekannten funktionalen Zusammenhangs zwischen der elektrischen Leitfähigkeit und der Reduktionsmittelkonzentration ermittelt wird. Eine entsprechende Vorrichtung und ein Verfahren zur Dosierung eines Reduktionsmittels in einem Abgasstrom werden auch beschrieben und beansprucht.

Description

0
VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG EINES REDUKTIONSMITTELS IN EINEM KATALYSATORSYSTEM
5
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Reduktionsmittels und/oder 0 der Reduktionsmittelkonzentration einer
Reduktionsmittellösung in einem einem Katalysatorsystem zugeordneten Reduktionsmitteltank.
Als Folge der in den letzten Jahren stets niedriger 5 anzusetzenden Schadstoffgrenzwerte sind zahlreiche
Vorrichtungen und Verfahren zur Nachbehandlung von Abgasen von Brennkraftmaschinen entwickelt worden. Beispielsweise mittels Katalysatorsystemen, welche Harnstoff und/oder Ammoniak als Reduktionsmittel zur NOx-Konvertierung 30 verwenden, sind effiziente AbgasnachbehandlungsSysteme zur Verfügung gestellt. Um eine Reduktion von NOx-Bestandteilen in Abgasen zu erzielen, wurden insbesondere für Dieselmotoren Reduktionskatalysatoren entwickelt, die üblicherweise in sogenannten SCR-Katalysatoren (engl . Selective Catalytic Reduction) mit Harnstoff -Dosiersystem und
Speicherkatalysatoren unterteilt werden. Die sogenannten SCR-Katalysatoren werden mittels einer Harnstoff- und/oder Ammoniak-Reduktionsmittelzufuhr regeneriert, während die sogenannten Speicherkatalysatoren mit Kohlenwasserstoffen des mitgeführten Brennkraftmaschinen-Brennstoffes in sogenannten Abgasfettphasen regeneriert werden.
Aus der EP-A-0 381 236 ist ein System bekannt, welches zum Entfernen von Stickoxiden in Abgasen aus einem Dieselmotor Ammoniak als Reduktionsmittel zudosiert. Bei diesem System ist ferner ein Turbolader vorgesehen, welcher den Druck des Abgases senkt. Eine verwendete Harnstoff-Wasser-Lösung wird mittels Druckluft zudosiert.
Aus der DE-A-44 441 261 ist eine Einrichtung zum
Nachbehandeln von Abgasen einer Brennkraftmaschine bekannt, bei welcher die Leistung des Katalysators über eine Dosiereinrichtung verbessert werden soll . Die Dosiereinrichtung ist als eine Kleinstmengendosier- Verdrängerpumpe ausgebildet, die auf einem zylindrischen Rotationskörper einen Gewindegang in der Form einer Nut aufweist, wobei zur Änderung der Förderleistung der Rotationskörper mit variabler Drehzahl angetrieben wird.
Die Zugabe des Reduktionsmittels in das Abgassystem erfolgt vorzugsweise kennfeidabhängig, d.h. in Abhängigkeit von Menge und/oder Zusammensetzung des Abgases. Bei einer derartigen kennfeidabhängigen Berechnung einer jeweils erforderlichen Reduktionsmittelmasse wird herkömmlicherweise von einer konstanten Konzentration bzw. Zusammensetzung des Reduktionsmittels, beispielsweise eine Harnstoff-Wasser-Lösung, ausgegangen. Insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen ist jedoch zu beobachten, daß eine mit derartigen hohen Temperaturen verbundene Erwärmung des Reduktionsmittels bzw. des Reduktionsmitteltanks zu einer Konzentrationsabnahme beispielsweise einer Harnstoff- Wasser-Lösung durch Ammoniakbildung führt . In Abhängigkeit von Höhe und Dauer der Temperatur kann eine derartige Konzentrationsabnahme im zweistelligen Prozentbereich liegen. Es kann daher in derartigen Fällen zu einer Reduktionsmittel -Unterdosierung kommen, wodurch sich die erzielbaren NOx-Umsatzraten am Katalysator gegenüber niedrigerer Umgebungstemperaturen verschlechtern.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Dosierung eines einem Abgasstrom im Rahmen einer katalytischen Nachbehandlung zuzugebenden Reduktionsmittels, mit dem unabhängig von einer Umgebungstemperatur eine genaue Dosierung durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung eines Reduktionsmittels und/oder einer
Reduktionsmittelkonzentration einer Reduktionsmittellösung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine entsprechende Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Dosierung eines einem Abgasstrom zuzugebenden Reduktionsmittels mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6. Erfindungsgemäß ist eine sehr einfache Bestimmung der Konzentration eines Reduktionsmittels in einer Reduktionsmittellösung möglich. Mittels der erfindungsgemäßen Verfahren sind gleichbleibende, optimale NOx-Umsatzraten am Katalysator trotz veränderter Konzentrationen eines Reduktionsmittels in einer Reduktionsmittellδsung sichergestellt .
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche .
Zweckmäßigerweise wird bei einer bevorzugten Ausgestaltung des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens ein linearer Zusammenhang zwischen der elektrischen Leitfähigkeit der Reduktionsmittellösung und der
Reduktionsmittelkonzentration angenommen. Eine derartige Annahme, daß die elektrische Leitfähigkeit proportional zur Konzentration der Lösung ist, erweist sich für praktische Zwecke als ausreichend genau und ermöglicht darüber hinaus zudem in gewissen Grenzen eine Betriebsstofferkennung des Reduktionsmittelmediums .
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen die Mittel zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit der Reduktionsmittellösung einen in die Reduktionsmittellösung einzubringenden Leitfähigkeitssensor auf. Derartige Sensoren können beispielsweise zwei Pole mit definiertem Abstand aufweisen, durch welche die wäßrige Lösung (bzw. der wäßrige Elektrolyt) hindurchströmt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Leitfähigkeitssensor integriert mit einem Temperatursensor ausgebildet. Leitfähigkeitsmeßzellen bzw. -Sensoren mit integriertem Temperaturfühler sind aus der Chemie für Labor- und Prozeßüberwachung bekannt. Da in einem Reduktionsmitteltank herkömmlicherweise Temperatursensoren vorgesehen sind, erweist sich ein derartiger integrierter Sensor als besonders kostengünstig.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter beschrieben. In dieser zeigt
Figur 1 eine schematische blockschaltbildartige Ansicht eines Harnstoff-Dosiersystems für
Nutzkraftfahrzeuge, bei welchem die erfindungsgemäßen Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung in vorteilhafter Weise einsetzbar sind bzw. ist.
Das dargestellte System, bei welchem beispielhaft Harnstoff als Reduktionsmittel verwendet wird, weist einen Harnstofftank 1 zur Speicherung von flüssigem Harnstoff auf. Der Harnstofftank 1 ist mittels Motorkühlwasser, welches über ein Rohrleitungssystem 2 hindurchleitbar ist, beaufschlagbar. Die Dosierung des hindurchgeführten Kühlwassers ist über ein Zwei -Wege-Ventil 3 regelbar, welches über ein Dosiersteuergerät 10 ansteuerbar ist. In den Harnstofftank 1 sind ferner ein Füllstandssensor 4 sowie ein Temperatur und/oder Leitfähigkeitssensor 5, dessen Funktionsweise weiter unten im einzelnen erläutert wird, eingebracht. Der in dem Harnstofftank 1 gespeicherte Harnstoff ist über eine Förderpumpe 6 und ein Druckregelventil 7 m eine Mischkammer 8 einbringbar, welche emgangsseitig mit einem Dosierventil 9 ausgebildet ist. Das Dosierventil 9 ist, wie auch die Förderpumpe 6, der Temperatur- und/oder Leitfähigkeitssensor 5 und der Füllstandssensor 4 über das Dosiersteuergerät 10 ansteuerbar.
Das Harnstoff-Dosiersystem weist ferner einen mittels eines Kompressors 11 mit Druck beaufschlagbaren
Luftvorratsbehälter 12 auf, m welchem ein Druck von beispielsweise etwa 7 bar erzeugbar ist. Über einen
Druckschwellschalter 13, ein ZweiWegeventil 14 und ein
Druckregelventil 15 ist Druckluft aus dem Luftvorratsbehälter 12 in die Mischkammer 8 einbringbar, in der eine Vermischung mit der Harnstoff-Wasser-Lösung aus dem Harnstofftank 1 erfolgt.
Das dargestellte System stellt ein luftunterstütztes Niederdruckdosiersystem dar, mit dem aus dem Harnstofftank 1 beispielsweise eine 32,5%ιge Harnstoff-Wasser-Lösung zu dem Dosierventil 9 förderbar ist, welches vorteilhafterweise als kennfeidgesteuertes Dosierventil ausgebildet ist, so daß die Lösung (m Abhängigkeit von aktuellen Motor- bzw. Abgasparametern) m erforderlicher Menge in die Mischkammer einbringbar ist. Die luf unterstützte Harnstoff-Wasser-Lösung wird dem Abgasstrom über eine (nicht im einzelnen dargestellte) Rohrleitung und eine als Sprühkopf 16 ausgebildete Zerstäubereinrichtung vor dem Katalysator als Aerosol beigemischt . Um eine optimale NOx-Umsetzung über das gesamte Motorkennfeld zu gewährleisten, wird die benötigte Menge an Harnstoff-Wasser-Lösung so dosiert, daß in jedem Betriebspunkt den jeweiligen motor- und katalysatorspezifischen Eigenschaften Rechnung getragen wird. Dazu erfaßt beispielsweise das Dosiersteuergerät 10 über einen (schematisch dargestellten) CAN-Bus 20 die aktuellen Betriebsdaten des Motors und verarbeitet darüberhinaus alle für das System notwendigen Sensordaten.
Insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen führt eine hiermit einhergehende Erwärmung des Tanks 1 zu einer Konzentrationsabnahme der Harnstoff-Wasser-Lösung durch Zersetzung des Harnstoffs. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, die Harnstoffkonzentration bzw. eine auftretende Konzentrationsabnahme mittels des Sensors 5, über welchen eine Messung der Leitfähigkeit der Harnstoff- Wasser-Lösung möglich ist, zu berücksichtigen. Hierbei wird ausgenutzt, daß die elektrische Leitfähigkeit einer Harnstoff-Wasser-Lösung (Elekrolyt) proportional zur Konzentration der Lösung ist.
Für den Fall, daß über eine Messung der Leitfähigkeit mittels des Sensors 5 eine Abweichung von der Ausgangskonzentration (hier beispielsweise 32,5%) festgestellt wird, ist eine Korrektur der Dosiermenge durch Anpassung der Ansteuerdauer des Dosierventils 9 mit Hilfe eines Korrekturfaktors über das Dosiersteuergerät 10 möglich. Hierdurch sind gleichbleibende NOx-Umsatzraten am Katalysator trotz veränderter Harnstoffkonzentrationen sichergestellt. Eine Unterdosierung von Harnstoff, welche bei herkömmlichen Systemen bei hohen Umgebungstemperaturen auftrat, kann erfindungsgemäß wirksam vermieden werden.
Die Berechnung der Harnstoffkonzentration der Harnstoff- Wasser-Lösung in dem Tank 1, welche im wesentlichen proportional zur Leitfähigkeit der Lösung ist, läßt sich im Dosiersteuergerät 10 durch Berechnung oder auch über eine abgelegte Kennlinie ermitteln. Hierbei erweist sich, daß eine auf der Grundlage einer derartigen Korrektur vorgenommene Änderung der Ansteuerdauer des Dosierventils 9 umgekehrt proportional zur Änderung der Harnstoffkonzentration der Harnstoff-Wasser-Lösung ist.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung eines Reduktionsmittels und/oder einer Reduktionsmittelkonzentration einer Reduktionsmittellösung, insbesondere der
Harnstoffkonzentration einer Harnstoff-Wasser-Lösung, in einem einem Katalysatorsystem, insbesondere einem SCR- Katalysatorsystem, zugeordneten Harnstofftank (1) , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die elektrische Leitfähigkeit der Reduktionsmittellösung bestimmt wird und das Reduktionsmittel als solches und/oder die Reduktionsmittelkonzentration auf der Grundlage dieser elektrischen Leitfähigkeit, insbesondere unter Berücksichtigung eines bekannten funktionalen Zusammenhangs zwischen der elektrischen Leitfähigkeit und der Reduktionsmittelkonzentration, bestimmt bzw. ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein linearer Zusammenhang zwischen der elektrischen Leitf higkeit der Reduktionsmittellösung und der Reduktionsmittelkonzentration angenommen wird.
3. Vorrichtung zur Bestimmung einer
Reduktionsmittelkonzentration einer Reduktionsmittellösung, insbesondere einer Harnstoffkonzentration einer Harnstoff- Wasser-Lösung, in einem einem Katalysatorsystem, insbesondere einem SCR-Katalysatorsystem, zugeordneten Harnstofftank (1) , gekennzeichnet durch Mittel (5) zur Bestimmung der elektrischen Leitf higkeit der Reduktionsmittellösung und Mittel (10) zur Ermittlung einer Lösungsmittelkonzentration auf der Grundlage der bestimmten Leitfähigkeit.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit einen in die Reduktionsmittellösung einbringbaren Leitf higkeitssensor (5) aufweisen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitfähigkeitssensor (5) integriert mit einem Temperatursensor ausgebildet ist.
6. Verfahren zur Dosierung eines einem Abgasstrom im Rahmen einer katalytischen Nachbehandlung zuzugebenden Reduktionsmittels, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des Reduktionsmittels, insbesondere gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 oder 2, bestimmt wird und eine Korrektur einer dem Abgas zudosierten Reduktionsmittelmenge in Abhängigkeit von der bestimmten Konzentration durchgeführt wird.
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