WO2001019499A1 - Verfahren zum betrieb eines scr-katalysators - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for operating an SCR catalytic converter in the exhaust tract of an internal combustion engine.
  • the control unit of the internal combustion engine continuously calculates the target quantity of the reducing agent metering. For this, the control unit needs the current reducing agent requirement. This is calculated from the operating parameters of the internal combustion engine, such as air mass, operating temperature or load, by modeling the level of reducing agent in the SCR catalytic converter.
  • the invention is therefore based on the object of providing a method for operating an SCR catalytic converter with which the performance of the catalytic converter is fully utilized and which nevertheless does not involve the data processing outlay of the prior art without having to rely on special detectors.
  • the invention is based on the knowledge that the efficiency of the SCR catalytic converter depends, among other things, on the reducing agent metering. Therefore, the actual efficiency, for example from NOx concentrations upstream and downstream of the SCR catalytic converter, is determined and compared with an operation-dependent target efficiency in order to control the metering of reducing agents in such a way that the actual efficiency reaches the target efficiency. On the one hand, this fully utilizes the performance of the SCR catalytic converter, and on the other hand, the computational effort is relatively low. The determination of the degree of loading of the SCR catalytic converter or level calculations can fall.
  • the actual efficiency has to be calculated, which can be achieved, for example, by simply forming a ratio of the NOx concentration upstream and downstream of the SCR catalytic converter.
  • the target efficiency results in a simple manner from the NOx content upstream of the SCR catalytic converter and its operating temperature and can be found, for example, in a suitable map.
  • the method also enables the diagnosis of a defective catalytic converter if the actual efficiency falls below a threshold value. If one further selects a certain operating state with constant load and adds a predetermined, constant amount of urea, one can correct, for example, the target efficiency stored at Kennfeid at this operating point if the actual efficiency is
  • the correction factor determined in this way can be taken into account when the SCR catalytic converter continues to operate.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an internal combustion engine with SCR exhaust gas purification system
  • Fig. 2 is a flow diagram of the implementation of a method according to the invention.
  • An internal combustion engine 1 has an exhaust Srete 3, in which an SCR catalyst 4 is located.
  • An injection nozzle 7 is arranged upstream of the SCR catalytic converter 4 and is fed by a urea container 8.
  • a NOx sensor 6 is located upstream of this injection nozzle 7 in the exhaust tract 3.
  • a further NOx sensor 5 is arranged downstream of the SCR catalytic converter 4.
  • a control unit 2 controls the operation of the internal combustion engine 1 and is additionally connected to the injection nozzle 7 and the NOx sensors 5 and 6 via lines which are not specified in any more detail.
  • urea is injected into the exhaust gas from the urea container 8 via the injection nozzle 7.
  • This urea is hydrolyzed in the hot exhaust tract 3.
  • a hydrolysis catalytic converter (not shown) can also be provided between the injection nozzle 7 and the SCR catalytic converter 4.
  • other reducing agents e.g. Hydrocarbons such as fuel.
  • control unit 2 In order to determine the optimum urea dose which is emitted by the injection nozzle 7 in accordance with the control by the control unit 2, the control unit 2 carries out the following method, which is shown in a flow chart in FIG. 2:
  • step S1 the control unit 2 reads out the NOx sensor 5 and detects the NOx concentration NOx2.
  • step S2 the control unit 2 reads out the NOx sensor 6 and detects the NOx concentration NOxl upstream of the SCR catalytic converter 4.
  • step S3 the control unit 2 calculates the ratio of NOx2 to NOxl.
  • a step S4 it determines the mass flow of NOx M_NOxl which is fed to the SCR catalytic converter 4.
  • the control unit 2 first determines the exhaust parameters flowing through the exhaust tract 3 from the operating parameters known to it. Dimensions. M_NOxl then results from the exhaust gas mass flow and the NOx concentration NOxl.
  • the control unit detects the operating temperature T_KAT of the SCR catalytic converter 4 by reading out the temperature sensor 9.
  • the control unit 2 calculates the target efficiency H_S from M_NOxl and T_KAT in step S6.
  • This target efficiency H_S can be obtained, for example, from a map that is spanned by M_N0xl and T_KAT. This map takes into account the fact that an SCR catalytic converter has an efficiency that is dependent on the operating temperature and concentration.
  • the control unit 2 forms the ratio of the actual efficiency, which resulted from N0x2 / N0xl, and the target efficiency H_S.
  • the reducing agent is now metered in such a way that this ratio assumes one. That is, the further away this ratio is from one, the more NH_DOS is increased.
  • a constant amount of urea is metered in at a certain operating point at which the internal combustion engine 1 is operated with a constant load.
  • the target efficiency H_S for this constant amount of urea is known or can be calculated as explained above with reference to FIG. 2. If the actual efficiency, which can be calculated in a known manner, falls below a threshold value, the SCR catalytic converter 4 is to be identified as defective.

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Abstract

Zum Betrieb eines NOx-Katalysators im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine wird der Ist-Wirkungsgrad (NOx2/NOx1) ermittelt und mit einem betriebstemperaturabhängigen Soll-Wirkungsgrad (H_S) verglichen. Die Reduktionsmitteldosierung erfolgt dann so, daß der Ist-Wirkungsgrad (NOx2/NOx1) sich dem Soll-Wirkungsgrad (H_S) annähert.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betrieb eines SCR-Katalysators
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines SCR- Katalysators im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine.
Zur Verringerung des NOx-Gehaltes im Abgas einer mit Luftüberschuß betriebenen Brennkraftmaschine ist das soge- nannte Selectiv-Catalytic-Reduction-Verfahren bekannt. Dabei wird an einer Stelle vor einem Katalysator ein Reduktionsmittel in das Abgas eingespritzt und so im Abgas enthaltenes NOx in einem sogenannten SCR-Katalysator zu N2 reduziert. Hierzu sei auf die Veröffentlichung Schöppe et al . „Ein geregeltes Abgasnachbehandlungssystem zur Erfüllung zukünftiger Emissionsgrenzwerte bei PKW-Dieselmotoren", 17. Internat. Wiener Motorensymposium, 1996, Bd. 1, verwiesen. Als Reduktionsmittel kann Ammoniak dienen, aus Gründen der Handhabbarkeit wird üblicherweise eine wässrige Harnstofflösung oder pulverförmi- ger Harnstoff eingesetzt. Es ist auch bekannt, Kraftstoff oder Derivate als Reduktionsmittel zu verwenden.
Beim SCR-System, wie es beispielsweise aus DE 43 15 278 AI bekannt ist, wird vom Steuergerät der Brennkraftmaschine fortlaufend die Sollmenge der Reduktionsmitteldosierung berechnet. Dazu benötigt das Steuergerät den momentanen Reduktionsmittelbedarf. Dieser wird aus Betriebsparametern der Brennkraftmaschine, wie Luftmasse, Betriebstemperatur oder Last berechnet, indem der Füllstand an Reduktionsmittel im SCR-Katalysator modelliert wird.
Um etwaige Ungenauigkeiten in der Modellierung dieses Füllstandes tolerieren zu können, wird zum real möglichen Maximalfüllstand ein Sicherheitsabstand eingehalten, damit eine Ammoniakemission sicher verhindert ist. Dadurch ist die Leistungsfähigkeit des SCR-Katalysators nicht voll ausgenutzt. Darüber hinaus ist die Modellierung des Füllstandes, für die die Beladungsfähigkeit des SCR-Katalysators berechnet werden muß, relativ datenverarbeitungsaufwendig.
Aus der DE 43 34 071 Cl ist eine Abgasreinigungsanlage bekannt, bei der der Datenverarbeitungsaufwand zur Reduktionsmitteldosierung herabgesetzt ist. Dies wird dadurch erreicht, daß ein spezieller NO/NH3-Detektor im Abgastrakt hinter dem SCR-Katalysator angeordnet ist. Der elektrische Widerstand des durch ein spezielles Sputter-Verfahren hergestellten Detektors ist dann am größten, wenn die Umsetzung von Stickstoffmonoxid zu Stickstoff und Wasser stöchiometrisch abläuft. Das Konzept der DE 43 34 071 Cl erkauft sich den Vorteil einfacherer Datenverarbeitung somit durch den Einsatz eines besonderen, relativ teueren Detektors.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines SCR-Katalysators zu schaffen, mit dem die Leistungsfähigkeit des Katalysators voll ausgenutzt wird und das dennoch nicht den Datenverarbeitungsaufwand des Standes der Technik mit sich bringt ohne auf spezielle Detektoren angewiesen zu sein.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß der Wirkungsgrad des SCR-Katalysators u.a. von der Reduktionsmitteldosierung abhängt. Deshalb wird der Ist-Wirkungsgrad, beispiels- weise aus NOx-Konzentrationen stromauf und stromab des SCR- Katalysators bestimmt und mit einem betriebsabhängigen Soll- Wirkungsgrad verglichen, um die Reduktionsmitteldosierung so zu steuern, daß der Ist-Wirkungsgrad den Soll-Wirkungsgrad erreicht. Dadurch wird zum einen die Leistungsfähigkeit des SCR-Katalysators voll ausgenützt, zum anderen ist der Rechenaufwand relativ gering. Die Bestimmung des Beladungsgrades des SCR-Katalysators oder Füllstandsberechnungen können ent- fallen. Statt dessen muß lediglich der Ist-Wirkungsgrad berechnet werden, was beispielsweise durch eine simple Verhältnisbildung der NOx-Konzentration stromauf und stromab des SCR-Katalysators erreicht werden kann. Der Soll-Wirkungsgrad ergibt sich auf einfache Weise aus dem NOx-Gehalt stromauf des SCR-Katalysators und dessen Betriebstemperatur und kann beispielsweise einem geeigneten Kennfeld entnommen werden.
Weiter ermöglicht das Verfahren die Diagnose eines defekten Katalysators, wenn der Ist-Wirkungsgrad einen Schwellenwert unterschreitet. Wählt man weiter einen bestimmten Betriebszustand mit konstanter Last und dosiert dabei eine vorbestimmte, konstante Harnstoffmenge zu, so kann man den beispielsweise kennfeidhinterlegten Soll-Wirkungsgrad an diesem Be- triebspunkt korrigieren, wenn der Ist-Wirkungsgrad den
Schwellenwert zwar nicht unterschreitet, aber dennoch unter dem Soll-Wirkungsgrad bleibt. Der dabei ermittelte Korrekturfaktor kann beim weiteren Betrieb des SCR-Katalysators Berücksichtigung finden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wir nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeich- nung in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit SCR-Abgasreinigungssystem und
Fig. 2 ein Flußdiagramm der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
In Fig. 1 ist schematisch eine Brennkraftmaschine mit SCR- Abgasreinigungsanlage dargestellt, wobei nur diejenigen Komponenten gezeigt sind, die für das Verständnis der Erfindung wesentlich sind. Eine Brennkraftmaschine 1 hat einen Abga- strakt 3, in dem sich ein SCR-Katalysator 4 befindet. Stromauf des SCR-Katalysators 4 ist eine Einspritzdüse 7 angeordnet, die von einem Harnstoffbehälter 8 gespeist wird. Stromauf dieser Einspritzdüse 7 befindet sich im Abgastrakt 3 ein NOx-Meßaufnehmer 6. Ein weiterer NOx-Meßaufnehmer 5 ist stromab des SCR-Katalysators 4 angeordnet. Ein Steuergerät 2 steuert den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 und ist über nicht näher bezeichnete Leitungen zusätzlich mit der Einspritzdüse 7 und den NOx-Meßaufnehmern 5 und 6 verbunden. Am SCR-Katalysator 4 befindet sich noch ein Temperaturfühler 9, der ebenfalls an das Steuergerät 2 angeschlossen ist.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wird über die Einspritzdüse 7 aus dem Harnstoffbehälter 8 Harnstoff in das Abgas eingespritzt. Dieser Harnstoff wird im heißen Abgastrakt 3 hydrolisiert . Zur Verbesserung dieser Hydrolyse kann zwischen Einspritzdüse 7 und SCR-Katalysator 4 noch ein (nicht dargestellter) Hydrolyse-Katalysator vorgesehen sein. Es ist aber auch möglich, andere Reduktionsmittel anstelle von Harnstoff zu verwenden, z.B. Kohlenwasserstoffe wie Kraftstoff.
Zur Ermittlung der optimalen Harnstoffdosis, die von der Einspritzdüse 7 entsprechen der Ansteuerung durch das Steuergerät 2 abgegeben wird, führt das Steuergerät 2 das folgende, in einem Flußdiagramm in Fig. 2 dargestellte Verfahren durch:
In einem Schritt Sl liest das Steuergerät 2 den NOx- Meßaufnehmer 5 aus und erfaßt die NOx-Konzentration NOx2. Als nächstes liest das Steuergerät 2 in einem Schritt S2 den NOx- Meßaufnehmer 6 aus und erfaßt die NOx-Konzentration NOxl stromauf des SCR-Katalysators 4. In einem Schritt S3 berechnet das Steuergerät 2 das Verhältnis von NOx2 zu NOxl.
Parallel bestimmt es in einem Schritt S4 den Massenstrom an NOx M_NOxl, die dem SCR-Katalysator 4 zugeführt wird. Dazu ermittelt das Steuergerät 2 zuerst aus ihm bekannten Betriebsparametern die durch den Abgastrakt 3 strömende Abgas- masse. Aus Abgasmassenstrom und der NOx-Konzentration NOxl ergibt sich dann M_NOxl . Weiter erfaßt das Steuergerät in einem Schritt S5 die Betriebstemperatur T_KAT des SCR- Katalysators 4 durch Auslesen des Temperaturfühlers 9. Aus M_NOxl und T_KAT berechnet das Steuergerät 2 den Soll- Wirkungsgrad H_S in Schritt S6. Dieser Soll-Wirkungsgrad H_S kann beispielsweise aus einem Kennfeld entnommen werden, das über M_N0xl und T_KAT aufgespannt ist. Dieses Kennfeld trägt der Tatsache Rechnung, daß ein SCR-Katalysator einen betrieb- stemperatur- und konzentrationsabhängigen Wirkungsgrad aufweist .
Als nächstes wird in Schritt S7 die Harnstoffdosis NH_DOS bestimmt. Dazu bildet das Steuergerät 2 das Verhältnis aus Ist- Wirkungsgrad, der sich aus N0x2/N0xl ergab, und dem Soll- Wirkungsgrad H_S . Die Reduktionsmitteldosierung erfolgt nun so, daß dieses Verhältnis Eins annimmt. Das heißt, NH_DOS wird um so stärker erhöht, je weiter dieses Verhältnis von Eins entfernt liegt.
Da die Hydrolyse von Harnstoff temperaturabhängig ist, wird die Harnstoffdosierung temperaturabhängig nach oben begrenzt.
Zur Diagnose des SCR-Katalysators 4 wird in einem bestimmten Betriebspunkt, an dem die Brennkraftmaschine 1 mit konstanter Last betrieben wird, eine konstante Harnstoffmenge zudosiert. Zu dieser konstanten Harnstoffmenge ist der Soll-Wirkungsgrad H_S bekannt oder kann wie oben anhand der Fig. 2 erläutert errechnet werden. Unterschreitet der Ist-Wirkungsgrad, der auf bekannte Weise berechnet werden kann, einen Schwellenwert, ist der SCR-Katalysator 4 als defekt zu kennzeichnen. Überschreitet der Ist-Wirkungsgrad diesen Schwellenwert nicht, bleibt er jedoch dennoch unter dem Soll-Wirkungsgrad H_S, wird ein Korrekturfaktor ermittelt, der mit dem Soll- Wirkungsgrad H_S verrechnet wird, so daß das Verhältnis aus korrigiertem Soll-Wirkungsgrad und Ist-Wirkungsgrad Eins erreicht. Dieser Korrekturfaktor wird dann bei der weiteren Er- mittlung des Soll-Wirkungsgrades H_S in Schritt S6 berücksichtigt. Dieses Vorgehen trägt der Tatsache Rechnung, daß ein SCR-Katalysator 4 im stationären Betrieb sehr viel exakter auf den Soll-Wirkungsgrad geführt werden kann als im dynamischen Betrieb.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines SCR-Katalysators im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, bei dem a) der Ist-Wirkungsgrad des SCR-Katalysators ermittelt wird, b) betriebsparameterabhängig ein Sollwirkungsgrad bestimmt wird, und c) eine Reduktionsmitteldosierung stromauf des SCR- Katalysators abhängig von Soll- und Ist-Wirkungsgrad erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Soll-Wirkungsgrad unter Rückgriff auf die Betriebstemperatur des SCR-Katalysators bestimmt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß stromauf und stromab des SCR-Katalysators eine NOx-Konzentration im Abgas erfaßt und daraus der Ist- Wirkungsgrad des SCR-Katalysators ermittelt wird, aus Betriebsparametern der Brennkraftmaschine die Abgasmasse ermittelt wird, die durch den Abgastrakt strömt, die Betriebstemperatur des SCR-Katalysators erfaßt wird und aus Betriebstemperatur, Abgasmasse und NOx-Konzentration stromauf des SCR-Katalysators der Soll-Wirkungsgrad ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der SCR-Katalysator als defekt diagnostiziert wird, wenn der Ist-Wirkungsgrad bei bestimmten Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine einen Schwellwert unterschreitet.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmten Betriebsbedingungen eine Phase mit konstanter Last sind, bei denen eine konstante Reduktionsmittelmenge zudo- siert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn der Ist-Wirkungsgrad den Schwellwert nicht unterschreitet, aber dennoch unter dem Soll-Wirkungsgrad bleibt, ein Korrekturfaktor für den Soll-Wirkungsgrad ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktionsmitteldosierung so bemessen wird, daß der Ist-Wirkungsgrad den Soll-Wirkungsgrad erreicht .
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktionsmitteldosierung temperaturabhängig nach oben begrenzt wird.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktionsmitteldosierung abhängig vom Verhältnis zwischen Ist-Wirkungsgrad und Soll-Wirkungsgrad erfolgt .
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