WO2010066546A1

WO2010066546A1 - Verfahren zur adaption der reduktionsmittelzufuhr, insbesondere in einem abgasnachbehandlungssystem mit einem scr-katalysator oder dieselpartikelfilter

Info

Publication number: WO2010066546A1
Application number: PCT/EP2009/065365
Authority: WO
Inventors: Joris Fokkelman
Original assignee: Continental Automotive Gmbh
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2009-11-18
Publication date: 2010-06-17
Also published as: DE102008061469A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Adaption der Reduktionsmittelzufuhr in einem Abgasnachbehandlungssystem mit -einem SCR-Katalysator zur Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgas eines Verbrennungsmotors und/oder -einem Dieselpartikelfilter und -mindestens einer Reduktionsmittelzuführeinrichtung wobei der Reduktionsmittelbedarf der Reduktionsmittelzuführeinrichtung im Betrieb durch die folgenden Schritte bestimmt wird: a) Einspritzung einer konstanten Menge an Reduktionsmittel durch die Reduktionsmittelzuführeinrichtung, b) Integration des Reduktionsmittelbedarfs seit der in Schritt a) ausgeführten Zugabe an Reduktionsmittel, c) Bestimmung eines Integratorwertes, der die konstante Einspritzmenge der Reduktionsmittelzuführeinrichtung überschreitet, d) Freigabe der nächsten Einspritzung einer konstanten Menge an Reduktionsmittel durch die Reduktionsmittelzuführeinrichtung, und e) Subtraktion der in Schritt d) eingespritzten Menge vom aktuellen Integratorwert. Die Erfindung betrifft außerdem ein Abgasnachbehandlungssystem zur Durchführung des Verfahrens und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Abgasnachbehandlungssystems.

Description

Beschreibung

Verfahren zur Adaption der Reduktionsmittelzufuhr, insbesondere in einem Abgasnachbehandlungssystem mit einem SCR- Katalysator oder Dieselpartikelfilter

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Adaption der Reduktionsmittelzufuhr in einem Abgasnachbehandlungssystem mit einem SCR-Katalysator zum Entfernen von Stickoxiden aus dem Ab- gas eines Verbrennungsmotors oder zur Regeneration eines Dieselpartikelfilters gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Steuerung für ein Abgasnachbehandlungssystem zur Ausführung dieses Verfahrens.

Zur Reduktion von Schadstoffen, insbesondere zur Reduktion von Stickoxiden und zur Regeneration von Dieselpartieklfil- tern, haben sich verschiedene Verfahren etabliert, bei denen reduzierende Fluide (Gase oder Flüssigkeiten) in das Abgassystem eines Verbrennungsmotors eingeleitet werden. Zur Verminderung der Stickoxide hat sich besonders die SCR- Technologie bewährt, bei der im Abgas enthaltene Stickoxide (NOx) mit Hilfe von Ammoniak oder einer entsprechenden zu Ammoniak umsetzbaren Vorläufersubstanz selektiv zu Stickstoff und Wasser reduziert werden. Bevorzugt wird hierbei auf wäss- rige Harnstofflösungen zurückgegriffen. Die Harnstofflösung wird mittels Hydrolysekatalysatoren oder direkt auf dem SCR- Katalysator zu Ammoniak und Kohlendioxid hydrolysiert . Dazu wird die Harnstofflösung mittels spezieller Dosiersysteme vor dem Hydrolysekatalysator oder dem SCR-Katalysator in den Ab- gasstrom eingespritzt. Hierbei ergibt sich zum einen das

Problem die optimale Reduktionsmittelmenge zu ermitteln, zum anderen aber auch die sichere Zuführung und Dosierung des Reduktionsmittels zu gewährleisten. Wird eine sichere und zuverlässige Dosierung nicht gewähr- leistet, kann eine effiziente Stickoxidentfernung (NOx) aus dem Abgas nicht erreicht werden. Eine Überdosierung von Reduktionsmittel einerseits kann eine unerwünschte Emission, beispielsweise von Ammoniak, einen so genannten Reduktions- mitteldurchbruch, zur Folge haben. Eine Unterdosierung kann andererseits zur unzureichenden Reduktion der Stickoxide führen .

Gleiches gilt auch entsprechend für die Regeneration von Die- selpartikelfiltern, die durch Kraftstoffeinspritzung erfolgt. Bei flüssigen Reduktionsmitteln, wie den gebräuchlichen Harnstofflösungen oder Kraftstoff, kann die Dosierung mittels eines Injektors erfolgen. Die Ansteuerzeit und damit die Öffnungszeit des Injektors sind dabei maßgebend für die dem Ab- gasnachbehandlungssystem zugeführte Menge an Reduktionsmittel.

Um eine möglichst gute Vernebelung zu erreichen, werden hohe Einspritzdrücke verwendet. Dies erhöht jedoch auch die Ein- spritzmenge so verringert sich die Einspritzhäufigkeit. Um dann die Einspritzmenge über die Zeit zu variieren ist es notwendig, die Pausenzeiten zwischen zwei Einspritzungen zu variieren. Der Reduktionsmittelbedarf bestimmt somit die Pausenzeiten. Dies hat den Hintergrund, dass variable Einspritz- mengen eine variable Injektoransteuerung erfordern mit entsprechend aufwendigen und ungewollten Streuungen der resultierenden Mengen aufgrund sich ändernder Umgebungsbedingungen. Daher wird die Dauer der Einspritzung selbst konstant gehalten, während man die Pausenzeiten zwischen den einzelnen Einspritzungen leichter steuern und bestimmen kann.

Die Einspritzmenge wird auf diese Weise als Sollmenge auf einen konstanten Wert eingestellt und man ist bestrebt, die resultierende Einspritzmenge an Reduktionsmittel konstant zu halten. Dies ist auch insoweit wichtig, dass keine direkte Rückmeldung aus dem Abgassystem bezüglich der tatsächlich eingespritzten Menge vorhanden ist.

So wird in der DE 101 27 834 Al ein Verfahren zur Steuerung der Reduktionsmittelzufuhr für ein Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine beschrieben, bei dem die optimale konstante Menge in Abhängigkeit von Betriebsparametern beispielsweise durch Berechnungen unter Berücksichtigung von entsprechenden Kennfeldern ermittelt wird. Insbesondere soll eine Kompensation von Fertigungstoleranzen von Dosierrohr und Dosierleitung hinsichtlich der Dosiergenauigkeit ermöglicht werden, so dass keine Neuaufnahme einer Ventilkennlinie im Steuergerät bezogen auf die Ausgestaltung des Dosierrohrs vorgenommen werden müssen.

Es ist auch möglich, den optimalen Wert der konstanten Einspritzmenge an Reduktionsmittel vor dem Einsatz des Systems in Laborversuchen zu bestimmen, was allerdings die Änderung der aktuellen Betriebs- und Umgebungsvariablen nicht einschließt .

Im Allgemeinen wird somit die Reduktionsmittelmenge dadurch variiert, dass die Pausenzeiten zwischen den Einspritzungen einer konstanten Einspritzmenge variiert werden. Um eine neue Einspritzung freizugeben, wird die laufende zeit seit der letzten Einspritzung mit der aktuellen berechneten Pausenzeit aus den Betriebsparameter-bezogenen Kennfeldern beziehungs- weise aus den Kennfeldern aus Laborversuchen verglichen. Die Pausenzeit wird damit laufend aus dem aktuellen Reduktionsmittelbedarf berechnet. Die aktuelle Pausenzeit ergibt sich somit bei den Verfahren des Standes der Technik aus der konstanten Einspritzmenge dividiert durch den aktuellen Redukti- onsmittelbedarf . Die Zeit seit der letzten Einspritzung wird, wie vorstehend ausgeführt, hochgezählt. In jedem neuen Rechenschritt wird die Pausenzeit neu berechnet und damit der Wert des vorherigen Reduktionsmittelbedarfs vergessen. Die neue Einspritzung wird dann freigegeben, wenn die laufend be- rechnete Pausenzeit kleiner oder gleich der Zeit seit der letzten Einspritzung wird. Da dieser Vergleich nur auf dem jeweils aktuellen Wert des Reduktionsmittelbedarfs basiert, gibt es keine Berücksichtigung des Verlaufs des Reduktionsmittelbedarfs. Bei Anwendung von dynamischen Systemen führt diese Vorgehensweise jedoch zu einer strukturellen Überdosierung, da eine kleine Pausenzeit eine Einspritzung auslösen kann, unabhängig davon, wie viele große Pausenzeiten zwischendurch berechnet wurden. Diese Vorgehensweisen zur Bestimmung des Zeitpunkts der nächsten Einspritzung haben zudem den Nachteil, dass eine Division notwendig ist. Da diese Algorithmen in der Regel auf dem Steuergerät ausgeführt werden müssen, ist eine resourcen- intensive Implementierung dieser Divisionsalgorithmen notwendig.

Aufgabe Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur Adaption der Reduktionsmittelzufuhr in einem Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor zur Entfernung von Stickoxiden mit einem SCR-Katalysator und/oder zur Regeneration eines Partikelfilters bereitzustellen, das auf ein- fache Weise im Normalbetrieb eine Optimierung der zugeführten Reduktionsmittelmenge ermöglicht und gleichzeitig weniger re- sourcen-intensiv ist als die bekannten Verfahren.

Dies wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur Adaption der Reduktionsmittelzufuhr in ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem SCR-Katalysator zur Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgas eines Verbrennungsmotors und/oder mit einem Dieselpartikelfilter und mit mindestens einer Reduktionsmittelzuführeinrichtung entsprechend des Patentanspruchs 1 und einer Steuerung für ein Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 6 erreicht. In den abhängigen Ansprüchen sind jeweils bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Adaption der Redukti- onsmittelzufuhr in einem Abgasnachbehandlungssystem mit einem SCR-Katalysator zur Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgas eines Verbrennungsmotors und/oder mit einem Dieselpartikelfilter und mit mindestens einer Reduktionsmittelzuführeinrichtung bereitgestellt, bei dem der Reduktionsmittelbedarf der Reduktionsmittelzuführeinrichtung im Betrieb durch die folgenden Schritte bestimmt wird: a) Einspritzung einer konstanten Menge an Reduktionsmittel durch die Reduktionsmittelzuführeinrichtung, b) Integration des Reduktionsmittelbedarfs seit der in Schritt a) ausgeführten Zugabe an Reduktionsmittel, c) Bestimmung eines Integratorwertes, der die konstante Einspritzmenge der Reduktionsmittelzuführeinrichtung überschreitet, d) Freigabe der nächsten Einspritzung einer konstanten Menge an Reduktionsmittel durch die Reduktionsmittelzu- führeinrichtung, und e) Subtraktion der in Schritt d) eingespritzten Menge vom aktuellen Integratorwert.

Unter Reduktionsmittelzuführeinrichtung wird insbesondere ein Dosiersystem zur dosierten Zuführung eines Reduktionsmittels in ein Abgasnachbehandlungssystem verstanden. Für flüssige Reduktionsmittel kann das Dosiersystem ein Injektorsystem sein .

Als Reduktionsmittel können sowohl Ammoniaklösungen oder wässrige Lösungen von Vorläufersubstanzen verstanden werden, die zu Ammoniak umgesetzt werden können, wie beispielsweise Harnstofflösungen . Des Weiteren werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung aber auch Kraftstoffe als Reduktionsmittel bezeichnet, die beispielsweise zur Regeneration von Partikel- filtern in das Abgassystem eingespritzt werden.

Unter Integration des Reduktionsmittelbedarfs wird verstanden, dass der jeweils aktuell berechnete Wert des Reduktionsmittelbedarfs summiert wird seit der zeit der letzten Ein- spritzung. Damit kann vorteilhafterweise der Verlauf des Reduktionsmittelbedarfs auch während der Pausenzeiten berücksichtigt werden.

Die Freigabe der nächsten Einspritzung erfolgt in Abhängigkeit des durch die Integration ermittelten Integratorwerts dann, wenn der aktuelle Integratorwert des Reduktionsmittelbedarfs den Wert der konstanten Einspritzmenge gerade übersteigt. Anschließend wird die eingespritzte Reduktionsmittelmenge dem Integratorwert in Minderung gebracht, so dass ein neuer Bestimmungszyklus für die optimale Pausenzeit beziehungsweise für den Zeitpunkt der nächsten Einspritzung beginnen kann.

Erfindungsgemäß wird somit ein Verfahren zur Verfügung gestellt, mit dem vorteilhafterweise die optimale Pausenzeit der Reduktionsmittelzuführeinrichtung in einer Weise bestimmt werden kann, die eine Berücksichtigung des Reduktionsmittelbedarfs über den gesamten Zeitraum erlaubt. Hierdurch kann die Gesamtleistung des Abgasnachbehandlungssystems, insbesondere die Stickoxidentfernung mit der SCR-Technologie oder die Reduktionsmittelzuführung für die Regeneration eines Dieselpartikelfilters, deutlich verbessert werden, so dass exakt die Menge an Reduktionsmit- tel geliefert wird, wie sie auch vom System gefordert ist. Eine strukturelle Überdosierung wird damit vermieden. Ein weiterer Vorteil ist, dass die durch die Berechnungen gebundenen Resourcen des Steuergeräts aufgrund der Integration im Vergleich zu den Divisionsalgerothmen der bisher bekannten Verfahren verringert werden können, da Integrationen weniger Rechenleistung erfordern.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann als Reduktionsmittel Ammoniak, eine Vorläuferverbindung von Ammo- niak und/oder ein Kraftstoff eingesetzt werden. Besonders bewährt hat sich hierbei eine 32,5%ige wässrige Harnstofflö- sung, die von der Industrie einheitlich mit „Adblue" bezeichnet wird und deren Zusammensetzung in der DIN 70070 geregelt ist .

In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann die Detektion eines Reduktionsmittelsignals durch einen Reduktionsmittel-empfindlichen Sensor erfolgen, der im Abgasnachbehandlungssystem hinter der Reduktionsmittelzuführ- einrichtung und vor dem SCR-Katalysator angeordnet ist. In dem Fall, dass zunächst eine Vorläufersubstanz zugeführt wird, wird hierunter eine Position verstanden an der auch eine vollständige Umsetzung zum eigentlichen Reduktionsmittel stattgefunden hat. Zum Beispiel soll bei der bevorzugten Verwendung einer Harnstofflösung eine vollständige Umsetzung zu Ammoniak stattgefunden haben.

Gleichermaßen bevorzugt kann die Detektion des Reduktions- mittelsignals durch einen Reduktionsmittel-empfindlichen Sensor erfolgen, der im Abgasnachbehandlungssystem hinter oder innerhalb des SCR-Katalysators angeordnet ist, wobei die Bestimmung der minimalen Öffnungszeit in Schritt a) unter Aus- schluss einer Stickoxid-Umwandlung im SCR-Katalysator er- folgt. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn im SCR- Katalysator kein Reduktionsmittel, beispielsweise Ammoniak, eingespeichert ist oder wenn die Temperatur des SCR- Katalysators so hoch ist, dass keine Einspeicherung des Reduktionsmittels möglich ist. Vorteilhafterweise kann das er- findungsgemäße Verfahren somit in Abgasnachbehandlungssystemen mit verschiedenen Sensoranordnungen ausgeführt werden, ohne dass eine neue Konzeptionisierung der Sensoranordnung notwendig ist.

Es kann in einer weiter bevorzugten Verfahrensvariante vorgesehen sein, dass der Reduktionsmittel-empfindliche Sensor ein Stickoxid-Sensor mit Querempfindlichkeit auf Ammoniak im Abgasnachbehandlungssystem ist. Vorteilhafterweise können so von dem/den gleichen Sensor im Betrieb verschiedene Funktio- nen erfüllt werden und es muss kein zusätzlicher Sensor für die Detektion des Ammoniak als Reduktionsmittel in das Gesamtsystem eingeplant und integriert werden. Hierdurch können zusätzliche Kosten in der Konzeption und in der Fertigung des Abgasnachbehandlungssystems eingespart werden.

In einer anderen bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Bestimmung des Reduktionsmittelbedarfs mit den Schritten a) bis e) wiederholt werden, wobei in Schritt b) als Startintegratorwert ein Integratorwert gleich 0 oder ein fester Integratorwert ungleich 0 verwendet wird. Auf diese Weise kann der Startintegratorwert als Initiator so gewählt werden, dass eine optimale Reduktionsmittelzuführung über die einzelnen Zyklen erreicht wird.

Beispielsweise kann auch mit der Hälfte der konstanten Menge an Reduktionsmittel als Startintegratorwert initialisiert werden .

Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Steuerung eines Abgasnachbehandlungssystems, wobei Mittel vorgese- hen sind zur Bestimmung der Reduktionsmittelmenge einer Reduktionsmittelzuführeinrichtung und zur Adaption der Reduktionsmitteleinspritzmenge in Abhängigkeit eines Integratorwertes, der den Reduktionsmittelbedarf seit der letzten Einspritzung der Reduktionsmittelzuführeinrichtung berücksich- tigt.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Abgasnachbehandlungssystem zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfah- rens . Mit dem erfindungsgemäß ausgestalteten Abgasnachbehandlungssystem kann erfindungsgemäß im Normalbetrieb eines Verbrennungsmotors auf einfache Weise, nämlich über die Integration der der aktuellen Werte des Reduktionsmittelbedarfs, die zugeführte Menge an Reduktionsmittel optimiert werden. Hierdurch kann die Gesamtleistung des Abgasnachbehandlungssystems, und insbesondere die Stickoxidentfernung, mit der SCR-Technologie deutlich verbessert werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Resourcen des Steuergeräts als Systemkomponente verringert werden können. Gleichzeitig kann eine Kopplung an eine On-Board-Diagnostik erfolgen.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem daher mit einer On- Board-Diagnostik gekoppelt, die die Funktionsfähigkeit gege- benenfalls eine Fehlfunktion der Reduktionsmittelzuführeinrichtung anzeigen kann. Hierdurch kann die Standzeit des Gesamtsystems deutlich verbessert werden. Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhand der Zeichnung erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. In dieser zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens . Fig. 1 zeigt ein schematisches Ablaufschema eines erfindungs- gemäßen Verfahrens für eine Reduktionsmittelzuführeinrichtung für flüssige Reduktionsmittel unter Verwendung eines Injektorsystems. Ausgehend von der Einzeleinspritzungsmenge 18 und der Rechnungswiederholungsrate 19 wird unter Berücksichtigung der wirklichen Menge des Reduktionsmittelflusses 11 ein aktu- eller Integratorwert 10 bestimmt, der in einem relationalen Operator 17 abgefragt und mit dem aus der Einspritzmenge einer Einzeleinspritzung 18 und der Rechnungswiederholungsrate 19 gebildeten aktuellen Wert verglichen wird. Die wirkliche Menge des Reduktionsmittelflusses 11 kann über eine Konstante A und einen Switch 21 im System vorgegeben sein. Sobald der Integratorwert 10 die Menge einer Einzeleinspritzung übersteigt (17) wird die Freigabe der nächsten Einspritzung 12 aktiviert (20) . Über einen unit delay 16 wird der wirkliche Reduktionsmittelfluss an einen diskreten Zeitintegrator 13 weitergegeben und es erfolgt im Anschluss eine Subtraktion des eingespritzten Reduktionsmittelflusses 15 vom aktuellen Integratorwert 10, der über ein goto 22 in die neue Berechnung als Startwert eingespeist wird. Die Berechnungen werden erfindungsgemäß in einem Steuergerät ausgeführt. Das Steuer- gerät kann auch Teil einer übergeordneten Motorsteuerung sein .

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Adaption der Reduktionsmittelzufuhr in einem Abgasnachbehandlungssystem mit - einem SCR-Katalysator zur Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgas eines Verbrennungsmotors und/oder einem Dieselpartikelfilter und mindestens einer Reduktionsmittelzuführeinrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der Reduktionsmittelbe- darf der Reduktionsmittelzuführeinrichtung im Betrieb durch die folgenden Schritte bestimmt wird:

a) Einspritzung einer konstanten Menge an Reduktionsmittel durch die Reduktionsmittelzuführeinrichtung, b) Integration des Reduktionsmittelbedarfs seit der in Schritt a) ausgeführten Zugabe an Reduktionsmittel, c) Bestimmung eines Integratorwertes, der die konstante Einspritzmenge der Reduktionsmittelzuführeinrichtung überschreitet, d) Freigabe der nächsten Einspritzung einer konstanten

Menge an Reduktionsmittel durch die Reduktionsmittelzuführeinrichtung, und e) Subtraktion der in Schritt d) eingespritzten Menge vom aktuellen Integratorwert.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als Reduktionsmittel Ammoniak oder eine Vorläufersubstanz von Ammoniak, bevorzugt eine Harnstofflösung, und/oder Kraftstoff eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass eine Detektion eines Reduktionsmittelsignals durch einen Reduktionsmittel-empfindlichen Sensor erfolgt, der im Abgasnachbehandlungssystem hinter der Reduktionsmittelzuführein- richtung und vor dem SCR-Katalysator angeordnet ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion des Reduktions- mittelsignals durch einen Reduktionsmittel-empfindlichen Sensor erfolgt, der im Abgasnachbehandlungssystem hinter oder innerhalb des SCR-Katalysator angeordnet ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Reduktionsmittelbedarfs mit den Schritten a) bis e) wiederholt wird, wobei in Schritt b) als Startintegratorwert ein Integratorwert gleich 0 oder ein fester Integratorwert ungleich 0 ver- wendet wird.

6. Vorrichtung zur Steuerung eines Abgasnachbehandlungssystems dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind zur Bestimmung der Reduktionsmittelmenge einer Redukti- onsmittelzuführeinrichtung und zur Adaption der Reduktionsmitteleinspritzmenge in Abhängigkeit eines Integratorwertes, der den Reduktionsmittelbedarf seit der letzten Einspritzung der Reduktionsmittelzuführeinrichtung berücksichtigt.

7. Abgasnachbehandlungssystem, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgestaltet ist.

8. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 7, dadurch ge- kennzeichnet, dass es mit einer On Board Diagnostik gekoppelt ist .