AT516469B1 - METHOD FOR TARGETED GENERATION OF NH3 DURING THE REGENERATION PROCESS OF NOX MEMORY CATALYST - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gezielten Generierung von NH3 während des Regenerationsvorgangs eines in einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine (1) angeordneten NOX-Speicherkatalysators (LNT), wobei die Regeneration durch Einstellen einer reduzierend wirkenden Abgasatmosphäre vor dem NOX-Speicherkatalysator (LNT) ausgelöst wird und der zeitliche Verlauf von zumindest während der Regenerationsphase stromaufwärts und stromabwärts des NOX-Speicherkatalysators (LNT) ermittelten Lambdawerten (λ1, λ2) im Abgas stromauf- und stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators (LNT) bestimmt wird. Dabei werden folgende Schritte durchgeführt: a) Aufsuchen eines Kreuzungszeitpunktes (K), an welchem die ermittelten Lambdawerte (λ1, λ2) stromaufwärts und stromabwärts des NOx- Speicherkatalysators (LNT) den gleichen Wert aufweisen; b) Ermitteln einer ab dem Kreuzungszeitpunkt (K) bis zu einem Bezugszeitpunkt (TB) durch die zeitlichen Verläufe der Lambdawerte (λ1, λ2) stromaufwärts und stromabwärts des NOX-Speicherkatalysators (LNT) aufgespannten Differenzfläche (D); c) Ermitteln einer NH3-Menge im Abgas stromabwärts des NOX-Speicherkatalysators (LNT) auf der Basis der Differenzfläche (D); d) Beendigung des Regenerationsvorganges, wenn die ermittelte NH3-Menge im Abgas stromabwärts des NOX-Speicherkatalysators (LNT) einen definierten Grenzwert überschreitet.The invention relates to a method for the specific generation of NH3 during the regeneration process of a in an exhaust system of an internal combustion engine (1) arranged NOX storage catalyst (LNT), wherein the regeneration is triggered by setting a reducing exhaust gas atmosphere before the NOX storage catalyst (LNT) and the time profile of at least during the regeneration phase upstream and downstream of the NOx storage catalytic converter (LNT) determined lambda values (λ1, λ2) in the exhaust gas upstream and downstream of the NOx storage catalyst (LNT) is determined. The following steps are carried out: a) Searching for a crossover point (K) at which the determined lambda values (λ1, λ2) have the same value upstream and downstream of the NOx storage catalytic converter (LNT); b) determining a differential area (D) spanned from the point of intersection (K) up to a reference time (TB) by the temporal profiles of the lambda values (λ1, λ2) upstream and downstream of the NOX storage catalytic converter (LNT); c) determining an amount of NH3 in the exhaust gas downstream of the NOX storage catalyst (LNT) based on the differential area (D); d) termination of the regeneration process, when the determined amount of NH3 in the exhaust downstream of the NOx storage catalyst (LNT) exceeds a defined limit.
Description
Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gezielten Generierung von NH3 während des Regenerationsvorgangs eines in einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine angeordneten ΝΟχ-Speicherkatalysators, wobei die Regeneration durch Einstellen einer reduzierend wirkenden Abgasatmosphäre vor dem NOx-Speicherkatalysator ausgelöst wird und der zeitliche Verlauf von zumindest während der Regenerationsphase stromaufwärts und stromabwärts des ΝΟχ-Speicherkatalysators ermittelten Lambdawerten im Abgas stromauf- und stromabwärts des ΝΟχ-Speicherkatalysators bestimmt wird.Description: The invention relates to a method for the targeted generation of NH 3 during the regeneration process of an ΝΟχ storage catalytic converter arranged in an exhaust system of an internal combustion engine, the regeneration being triggered by setting a reducing exhaust gas atmosphere in front of the NO x storage catalytic converter and the time course is determined by at least during the regeneration phase upstream and downstream of the ΝΟχ storage catalytic converter, the lambda values in the exhaust gas determined upstream and downstream of the ΝΟχ storage catalytic converter.
[0002] Zur Erfüllung aktueller und zukünftiger Emissionsgrenzwerte gibt es beim Betrieb eingangs erwähnter Brennkraftmaschinen verschiedene Möglichkeiten. Ein NOx-Speicherkatalysator, welcher auch als LNT („Lean-NOx-Trap) bekannt ist, kann mit einem SCR-Katalysator kombiniert sein, zu dessen Betrieb NH3 notwendig ist, welches im LNT durch verlängerten Fettbetrieb gebildet werden kann. Diese interne NH3 Generierung während der verlängerten LNT-Regeneration in Kombination mit einem nachgeschalteten SCR wird als passives SCR bezeichnet. Alternativ oder zusätzlich kann eine aktive NH3-Dosierung von außen vorgesehen sein.[0002] There are various possibilities for fulfilling current and future emission limit values when operating internal combustion engines mentioned at the beginning. A NO x storage catalytic converter, which is also known as LNT (“lean NO x trap), can be combined with an SCR catalytic converter, for the operation of which NH 3 is necessary, which can be formed in the LNT by prolonged rich operation. This internal NH 3 generation during the extended LNT regeneration in combination with a downstream SCR is called a passive SCR. Alternatively or additionally, an active NH 3 metering can be provided from the outside.
[0003] Üblicherweise wird das Ende der Regeneration eines ΝΟχ-Speicherkatalysators, welcher auch als LNT (Lean NOX Trap) bekannt ist, anhand eines charakteristischen Abfalls des Lambdawertes einer nach dem ΝΟχ-Speicherkatalysator angeordneten Lambdasonde erkannt, siehe WO 00/19075 A1. Alternativ wird zum Erkennen des Endes der Regeneration auch der Schnittpunkt (Lambdakreuzung) der zeitlichen Verläufe der Lambdawerte stromauf- und stromabwärts des ΝΟχ-Speicherkatalysators verwendet (DE 10 2010 001 202 A1). Des Weiteren ist es aus der DE 10 355 037 B4 bekannt, einen charakteristischen Anstieg und nachfolgenden Abfall eines NOx-Wertes eines NOx-Sensors, welcher stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators angeordnet ist, zu verwenden.Usually, the end of the regeneration of a ΝΟχ storage catalytic converter, which is also known as LNT (Lean NO X Trap), is recognized on the basis of a characteristic drop in the lambda value of a lambda probe arranged after the ΝΟχ storage catalytic converter, see WO 00/19075 A1. Alternatively, the point of intersection (lambda crossing) of the time profiles of the lambda values upstream and downstream of the ΝΟχ storage catalytic converter is used to identify the end of the regeneration (DE 10 2010 001 202 A1). Furthermore, it is known from DE 10 355 037 B4 to use a characteristic increase and subsequent decrease in a NO x value of a NO x sensor which is arranged downstream of the NO x storage catalytic converter.
[0004] Die EP 2 149 684 A1 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung der NOx-Reinigung in einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine, wobei zur Regeneration des NOx-Speicherkatalysators stromaufwärts dieses eine reduzierend wirkende Abgasatmosphäre eingestellt wird. Darüber hinaus werden die Messwerte eines stromaufwärts angeordneten Lambda-Sensors, sowie weitere Motorparameter verwendet, um die NH3-Generierung aus vorher ermittelten Kennfeldern zu bestimmen.[0004] EP 2 149 684 A1 describes a method for controlling NO x purification in an exhaust system of an internal combustion engine, with a reducing exhaust gas atmosphere being set upstream to regenerate the NO x storage catalytic converter. In addition, the measured values of an upstream lambda sensor and other engine parameters are used to determine the NH 3 generation from previously determined maps.
[0005] Die US 2013/0 019 589 A1 offenbart ein Abgasnachbehandlungssystem für selbstzündende Brennkraftmaschinen, welches aus einem Dreiwegkatalysatorelement, einem ΝΟχSpeicherkatalysator und einem Oxidationskatalysatorelement besteht. Dabei ist vorgesehen, dass die NH3-Sättigung des Speicherkatalysators mittels eines Modells auf der Basis einer Anzahl an Betriebsparametern und Messwerten bestimmt wird.[0005] US 2013/0 019 589 A1 discloses an exhaust gas aftertreatment system for self-igniting internal combustion engines, which consists of a three-way catalytic converter element, a und storage catalytic converter and an oxidation catalytic converter element. It is provided that the NH3 saturation of the storage catalytic converter is determined using a model based on a number of operating parameters and measured values.
[0006] Bekannte Verfahren haben allerdings den Nachteil, dass sie relativ ungenau sind und/oder dass für die Messung zusätzliche und aufwändige Messsensorik (z.B. zumindest eine ΝΟχ-Sonde, die aktuell ca. das Dreifache von einfachen Lambdasonden kosten) erforderlich ist.Known methods, however, have the disadvantage that they are relatively inaccurate and / or that additional and complex measuring sensors (e.g. at least one ΝΟχ-probe, which currently costs approximately three times the value of simple lambda probes) are required for the measurement.
[0007] Es ist die Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren vorzuschlagen, welches ohne zusätzliche teure Sensoren auskommt und qualitativ hochwertige Aussagen ermöglicht.It is the object of the invention to avoid these disadvantages and to propose a method which manages without additional expensive sensors and enables high-quality statements.
[0008] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass folgende Schritte durchgeführt werden:[0008] According to the invention, this is achieved by performing the following steps:
[0009] a) Aufsuchen eines Kreuzungszeitpunktes, an welchem die ermittelten Lambdawerte stromaufwärts und stromabwärts des ΝΟχ-Speicherkatalysators den gleichen Wert aufweisen, [0010] b) Ermitteln einer ab dem Kreuzungszeitpunkt bis zu einem Bezugszeitpunkt durch die zeitlichen Verläufe der Lambdawerte stromaufwärts und stromabwärts des ΝΟχSpeicherkatalysators aufgespannten Differenzfläche;A) Searching for an intersection at which the determined lambda values upstream and downstream of the ΝΟχ storage catalytic converter have the same value, [0010] b) determining an from the intersection time to a reference time by the time profiles of the lambda values upstream and downstream of the ΝΟχ storage catalyst spanned differential area;
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AT516 469 B1 2018-06-15 österreichisches patentamt [0011] c) Ermitteln einer NH3-Menge im Abgas stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators auf der Basis der Differenzfläche;AT516 469 B1 2018-06-15 Austrian Patent Office [0011] c) determining an amount of NH 3 in the exhaust gas downstream of the NO x storage catalytic converter based on the difference area;
[0012] d) Beendigen des Regenerationsvorganges, wenn die ermittelte NH3-Menge im Abgas stromabwärts des ΝΟχ-Speicherkatalysators einen definierten Grenzwert überschreitet.D) Terminating the regeneration process when the determined amount of NH 3 in the exhaust gas downstream of the ΝΟχ storage catalytic converter exceeds a defined limit.
[0013] Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine bewusste NH3-Generierung durch definierte Verlängerung des Regenerationsvorganges. Das NH3 kann dann im Abgasnachbehandlungssystem, z.B. einem nachgelagerten SCR-Katalysator, eingespeichert werden. Die Ermittlung der Lambdawerte lässt sich mit beliebigen Sonden umsetzen, die Lambdawerte messen können - beispielsweise dezidierten Lambdasonden bzw. Sonden, die O2-Werte messen, aber auch Sonden, die den Lambdawert als Zwischenwert ermitteln. Für die NH3-Bestimmung sind damit keine teuren NOx-Sonden mit der entsprechenden NH3 Querempfindlichkeit notwendig.The inventive method allows a conscious NH 3 generation by defined extension of the regeneration process. The NH 3 can then be stored in the exhaust gas aftertreatment system, for example a downstream SCR catalytic converter. The determination of the lambda values can be implemented with any probes that can measure lambda values - for example dedicated lambda probes or probes that measure O 2 values, but also probes that determine the lambda value as an intermediate value. This means that no expensive NO x probes with the corresponding NH 3 cross sensitivity are required for the NH 3 determination.
[0014] Bei dem Kreuzungszeitpunkt in a) handelt es sich um denjenigen Zeitpunkt, ab bzw. nach dem der Lambdawert stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators kleiner ist als der stromaufwärtige Lambdawert. Vor diesem Kreuzungszeitpunkt ist der stromabwärtige Lambdawert größer als stromaufwärts.At the time of crossing in a), it is the time from or after which the lambda value downstream of the NO x storage catalytic converter is smaller than the upstream lambda value. Before this crossing point, the downstream lambda value is greater than upstream.
[0015] Der Bezugszeitpunkt in b) ist der Zeitpunkt des Regenerationsendes, wo der stromabwärtige Lambdawert wieder ansteigt, insbesondere über den Wert im Kreuzungszeitpunkt bzw. darüber. Dieser Bezugszeitpunkt ist auch gekennzeichnet durch die Veränderung des stromaufwärtigen Lambdawerts zurück auf den Normalbetriebswert außerhalb des Regenerationsbetriebs.The reference time in b) is the time of the end of regeneration, where the downstream lambda value rises again, in particular via the value at the time of crossing or above. This reference time is also characterized by the change in the upstream lambda value back to the normal operating value outside of the regeneration mode.
[0016] Der Grenzwert in d) ist insbesondere durch die NH3-Menge definiert, die im nachgelagerten Abgassystem benötigt wird, insbesondere in einem nachgelagerten SCR-Katalysator eingespeichert werden soll.The limit value in d) is defined in particular by the amount of NH 3 that is required in the downstream exhaust system, in particular to be stored in a downstream SCR catalytic converter.
[0017] In einer ersten Variante der Erfindung wird in c) die NH3-Menge anhand eines empirisch ermittelten Zusammenhangs zwischen der Differenzfläche und der NH3-Menge bestimmt. Der Zusammenhang wird dabei in bekannter Weise durch eine empirische Formel oder ein entsprechendes Kennfeld hergestellt. Dabei können unter anderem folgende Parameter berücksichtigt werden: Temperatur des Abgases und des Katalysators (bzw. LNT); Abgasmassenstrom; Motorbetriebspunkte wie Motordrehzahl und - last. Dabei werden die jeweiligen Differenzen der stromauf- und -abwärtigen Lambdawerte mit empirisch ermittelten Faktoren gewichtet und die gewichteten Differenzen werden zur Differenzfläche aufintegriert. Damit wird zu jedem Zeitpunkt mittels Lambdadifferenzwert über den empirisch ermittelten Zusammenhang und den Abgasmassenstrom auf eine NH3-Menge rückgeschlossen, die zu einer Gesamt-NH3-Menge aufintegriert wird. In Schritt d) wird die Regeneration gestoppt, wenn eine gewisse NH3-Menge erreicht ist.[0017] In a first variant of the invention, in c), the NH 3 amount determined based on a 3 amount empirically determined relationship between the difference of surface and NH. The relationship is established in a known manner using an empirical formula or a corresponding map. The following parameters can be taken into account: temperature of the exhaust gas and the catalyst (or LNT); Exhaust gas mass flow; Engine operating points such as engine speed and load. The respective differences of the upstream and downstream lambda values are weighted with empirically determined factors and the weighted differences are integrated into the difference area. At any point in time, a lambda difference value is used to draw conclusions about an amount of NH 3 , which is integrated into a total amount of NH 3, using the empirically determined relationship and the exhaust gas mass flow. In step d) the regeneration is stopped when a certain amount of NH 3 has been reached.
[0018] Damit sorgt eine übergeordnete SCR-Koordination dafür, dass ausreichend NH3 im Abgassystem vorhanden bzw. in einem SCR-Katalysator eingelagert ist, um eine gewünschte NOx-Konvertierung sicherzustellen.A higher-level SCR coordination thus ensures that sufficient NH 3 is present in the exhaust system or is stored in an SCR catalytic converter in order to ensure a desired NO x conversion.
[0019] Gemäß einer zweiten Variante ergibt sich in c) eine besonders einfache Bestimmung der NH3-Menge im Abgas, wenn eine H2-Konzentration im Abgas stromabwärts des ΝΟχ-Speicherkatalysators auf der Basis der Differenzfläche ermittelt und die NH3-Menge im Abgas stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators auf der Basis der ermittelten H2-Konzentration bestimmt wird. Nach dem Kreuzungszeitpunkt ist gespeichertes O2 verbraucht und es kommt zu H2Bildung, die entsprechend detektiert werden kann. Das bedeutet, dass die Lambdawerte stromauf- und stromabwärts gleich sein sollten, wenn alles O2 verbraucht ist. Die H2-Bildung erfolgt beispielsweise durch Aufspaltung von Wassermolekülen in H2 und 1/s O2 im SCR-Katalysator. Wegen der größeren Querempfindlichkeit des Sensors, mit dem Lambdawerte ermittelte werden - insbesondere z.B. einer Lambdasonde - für H2 als für O2 ist das Verhältnis der Konzentrationen von H2 zu O2 in der Sonde größer als im Abgas im Katalysator und daher der Lambdawert kleiner.According to a second variant, a particularly simple determination of the NH 3 amount in the exhaust gas results in c) if an H 2 concentration in the exhaust gas downstream of the ΝΟχ storage catalytic converter is determined on the basis of the difference area and the NH 3 amount in Exhaust gas downstream of the NO x storage catalytic converter is determined on the basis of the H 2 concentration determined. After the time of crossing, stored O 2 is used up and H 2 formation occurs, which can be detected accordingly. This means that the lambda values upstream and downstream should be the same when all O 2 has been used up. The H 2 formation takes place, for example, by splitting water molecules into H 2 and 1 / s O 2 in the SCR catalytic converter. Because of the greater cross sensitivity of the sensor, with which lambda values are determined - in particular, for example, a lambda probe - for H 2 than for O 2 , the ratio of the concentrations of H 2 to O 2 in the probe is greater than in the exhaust gas in the catalytic converter and therefore the lambda value is smaller ,
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AT516 469 B1 2018-06-15 österreichisches patentamt [0020] Die ermittelte NH3-Menge kann als Eingangsgröße einem NH3-Beladungsmodell für einen stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators vom Abgas durchströmten SCR-Katalysator (SCR = Selective Catalytic Reduction) zugeführt werden.AT516 469 B1 2018-06-15 Austrian Patent Office [0020] The determined NH 3 quantity can be fed as an input variable to an NH 3 loading model for an SCR catalyst (SCR = Selective Catalytic Reduction) through which the exhaust gas flows downstream of the NO x storage catalyst ,
[0021] Gemäß der Erfindung wird das NH3 anhand der, für den Zeitraum nach Regenerationsende, aufgespannten Fläche der Lambdawerte vor und nach dem NOx-Speicherkatalysator bilanziert und in einem NH3 Beladungsmodell für einen nachfolgenden SCR-Katalysator verwendet.According to the invention, the NH 3 is balanced based on the area of the lambda values spanned for and after the regeneration end before and after the NO x storage catalytic converter and used in an NH 3 loading model for a subsequent SCR catalytic converter.
[0022] Die Erfindung basiert auf der Eigenschaft des leeren ΝΟχ-Speicherkatalysators, bei fortgesetztem unterstöchiemetrischen Motorbetrieb (Fettbetrieb, Lambdawert <1) Ammoniak (NH3) zu produzieren. An einem ΝΟχ-Speicherkatalysator wird zunächst vorwiegend durch die sogenannte Wassergas-Shift Reaktion H2 aus CO aber auch mittels steam reforming aus HC hergestellt. Dieses H2 wird zur Reduktion der von den Speicherplätzen des NOx-Speicherkatalysator desorbierten NOX verwendet. Sobald kein NOX mehr gespeichert ist, bzw. teilweise auch schon zuvor, wird aus H2 und NO NH3 gebildet.The invention is based on the property of the empty ΝΟχ storage catalytic converter, with continued substoichiometric engine operation (rich operation, lambda value <1) to produce ammonia (NH 3 ). On a ΝΟχ storage catalytic converter, H 2 is primarily produced from CO primarily by the so-called water gas shift reaction, but also by steam reforming from HC. This H 2 is used to reduce desorbed from the memory locations of the NO x storage catalytic NO x. As soon as no more NO x is stored, or in some cases even before, H 2 and NO NH 3 are formed.
[0023] Die Erfindung beruht darauf, dass nach dem Ende der Regeneration des ΝΟχSpeicherkatalysators - welche mittels der sogenannten Lambdakreuzung festgestellt wird - die Lambdasonde stromabwärts des ΝΟχ-Speicherkatalysators quasi als H2-Sensor verwendet wird, indem auf der Basis der aufgespannten Differenzfläche der Lambdawerte bzw. O2-Signale der Lambdasonden stromauf- und stromabwärts des ΝΟχ-Speicherkatalysators die H2-Konzentration berechnet wird.The invention is based on the fact that after the regeneration of the ΝΟχ storage catalytic converter has ended - which is determined by means of the so-called lambda crossing - the lambda probe downstream of the ΝΟχ storage catalytic converter is used as an H 2 sensor, in that the lambda values are based on the spanned differential area or O 2 signals of the lambda sensors upstream and downstream of the ΝΟχ storage catalytic converter, the H 2 concentration is calculated.
[0024] Die Erfindung macht sich dabei unter anderem die Beobachtung zunutze, dass die H2-Konzentration proportional zu der durch die zeitlichen Verläufe der Lambdawerte stromaufwärts und stromabwärts des ΝΟχ-Speicherkatalysators aufgespannten Differenzfläche D ist:The invention makes use of the observation that the H 2 concentration is proportional to the differential area D spanned by the time profiles of the lambda values upstream and downstream of the ΝΟχ storage catalytic converter:
D = K1 H2.D = K1 H 2 .
[0025] Die gebildete NH3 Menge ist wiederum proportional zur vorliegenden H2 Menge:The amount of NH 3 formed is again proportional to the amount of H 2 present:
H2 = K2 NH3.H 2 = K 2 NH 3 .
[0026] K1 und K2 sind dabei jeweils Proportionalitätsfaktoren. Zusätzlich wird berücksichtigt, dass die O2-Signale der Lambdasonden hinsichtlich H2 eine höhere Sensitivität aufweisen als zu CO und HC und O2.[0026] K1 and K2 are each proportionality factors. In addition, it is taken into account that the O 2 signals of the lambda probes are more sensitive to H 2 than to CO and HC and O 2 .
[0027] Die Erfindung wird anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels in den Figuren näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to a non-limiting embodiment in the figures.
[0028] Es zeigen [0029] Fig. 1 [0030] Fig. 2 eine schematische Anordnung einer Brennkraftmaschine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die zeitlichen Verläufe des Lambdawertes, der H2-Konzentration und der NH3Menge im Abgas stromabwärts des ΝΟχ-Speicherkatalysators.1 [0030] FIG. 2 shows a schematic arrangement of an internal combustion engine for carrying out the method according to the invention, the time profiles of the lambda value, the H 2 concentration and the NH 3 amount in the exhaust gas downstream of the ΝΟχ- storage catalyst.
[0031] Fig. 1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Auslasssystem 2, in welchem zur Einhaltung der gesetzlichen Emissionsbestimmungen ein ΝΟχ-Speicherkatalysator LNT (LNT = Lean NOX Trap), ein Partikelfilter cDPF und ein SCR-Katalysator SCR angeordnet sind. Im Ausführungsbeispiel sind der ΝΟχ-Speicherkatalysator und der Partikelfilter cDPF als Baueinheit ausgeführt. Mit Bezugszeichen 3 ist der Einlassstrang und mit Bezugszeichen 4 ein zwischen dem Partikelfilter cDPF und dem SCR-Katalysator vom Abgassystem 2 abzweigendes und in das Einlasssystem 3 einmündendes Abgasrückführsystem bezeichnet. Die Erfindung lässt sich aber nicht nur bei der dargestellten Niederdruckabgasrückführung (Entnahme des Abgases stromaufwärts eines Abgasturbioladers), sondern auch bei Hochdruckabgasrückführungen (Entnahme des Abgases stromaufwärts eines Abgasturboladers) anwenden.Fig. 1 shows schematically an internal combustion engine 1 with an exhaust system 2, in which a ΝΟχ storage catalyst LNT (LNT = Lean NO X Trap), a particle filter cDPF and an SCR catalyst SCR are arranged to comply with the legal emission regulations. In the exemplary embodiment, the ΝΟχ storage catalytic converter and the particle filter cDPF are designed as a structural unit. Reference number 3 denotes the inlet line and reference number 4 denotes an exhaust gas recirculation system that branches off from the exhaust system 2 between the particle filter cDPF and the SCR catalytic converter and opens into the inlet system 3. However, the invention can be used not only in the low-pressure exhaust gas recirculation shown (removal of the exhaust gas upstream of an exhaust gas turbocharger), but also in high pressure exhaust gas recirculation (removal of the exhaust gas upstream of an exhaust gas turbocharger).
[0032] Stromaufwärts des ΝΟχ-Speicherkatalysators LNT ist ein erster Lambdasensor L1 und stromabwärts des ΝΟχ-Speicherkatalysators LNT ein zweiter Lambdasensor L2 angeordnet.A first lambda sensor L1 is arranged upstream of the ΝΟχ storage catalytic converter and a second lambda sensor L2 is arranged downstream of the ΝΟχ storage catalytic converter LNT.
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AT516 469 B1 2018-06-15 österreichisches patentamtAT516 469 B1 2018-06-15 Austrian patent office
Grundsätzlich können beliebige Sensoren verwendet werden, mit denen ein Lambdawert ermittelbar ist - Lambdasonden gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind dabei eine von mehreren Möglichkeiten. Die Lambdasensoren (Lambdasonden) L1, L2 messen den Restsauerstoffgehalt O2 im Abgas, welcher sich nach Verbrennung aller bis dahin unverbrannten Kraftstoffanteile (z.B. HC, CO) ergibt, um daraus das Verhältnis (Lambdawert) λ von Verbrennungsluft zu Kraftstoff einstellen zu können. Ist für diese Oxidation zu wenig Sauerstoff vorhanden, wird dieser über eine in der Lambdasonde integrierte Sauerstoffpumpe in umgekehrter Richtung aus dem Abgas gepumpt. Dieser negative Sauerstoffpumpstrom wird als negative Sauerstoffkonzentration und in weiterer Folge als Lambda kleiner als 1 berechnet. Der Lambdawert dient als Regelfühler für einen nicht weiter dargestellten Lambdaregelkreis.Basically, any sensors can be used with which a lambda value can be determined - lambda probes according to the exemplary embodiment described are one of several possibilities. The lambda sensors (lambda sensors) L1, L2 measure the residual oxygen content O 2 in the exhaust gas, which results after combustion of all previously unburned fuel components (e.g. HC, CO) in order to be able to adjust the ratio (lambda value) λ of combustion air to fuel. If there is insufficient oxygen for this oxidation, it is pumped out of the exhaust gas in the opposite direction by an oxygen pump integrated in the lambda probe. This negative oxygen pump current is calculated as a negative oxygen concentration and subsequently as a lambda less than 1. The lambda value serves as a control sensor for a lambda control loop (not shown further).
[0033] Der NOx-Speicherkatalysator LNT dient zur Zwischenspeicherung von im Abgas enthaltenen Stickoxiden (NOX). Zur Zwischenspeicherung der Stickstoffoxide weist der NOx-Speicherkatalysator LNT auf geeigneten Trägem einen Edelmetallkatalysator wie Platin und eine NOx-Speicherkomponente, beispielsweise Barium, auf. In der mageren, das heißt sauerstoffreichen, Atmosphäre werden die Stickstoffoxide unter der Wirkung des Edelmetallkatalysators aufoxidiert, unter Ausbildung von Nitraten wie beispielsweise Bariumnitrat im Katalysator absorbiert und somit aus dem Abgasstrom entfernt. Durch ein regelmäßiges kurzzeitiges Anfetten des Abgasgemisches, also Senken des Lambdawertes λ- laufen diese Reaktionen in der entgegengesetzten Richtung ab, wodurch die NOx-Moleküle wieder in den Abgasstrom abgegeben und durch die in der fetten Atmosphäre vorhandenen reduzierenden Komponenten wie CmHn unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe - und/oder CO weiter reduziert werden.The NO x storage catalytic converter LNT serves for the temporary storage of nitrogen oxides (NO x ) contained in the exhaust gas. To temporarily store the nitrogen oxides, the NO x storage catalyst LNT has a noble metal catalyst such as platinum and a NO x storage component, for example barium, on suitable supports. In the lean, that is, oxygen-rich, atmosphere, the nitrogen oxides are oxidized under the action of the noble metal catalyst, absorbed with the formation of nitrates such as barium nitrate in the catalyst, and thus removed from the exhaust gas stream. Through regular short-term enrichment of the exhaust gas mixture, i.e. lowering the lambda value λ-, these reactions take place in the opposite direction, as a result of which the NO x molecules are released into the exhaust gas stream again and due to the reducing components present in the rich atmosphere, such as CmHn, incompletely burned hydrocarbons - and / or CO can be further reduced.
[0034] Ist die Aufnahmekapazität des NOx-Speicherkatalysators LNT erschöpft, so wird seitens der Motorelektronik kurzzeitig ein fettes, reduzierendes Abgasgemisch für einige Sekunden eingestellt (etwa zwei bis zehn Sekunden). In diesem kurzen, fetten Zyklus werden die im Katalysator zwischengespeicherten Stickoxide NOX zu Stickstoff N2 reduziert und damit der NOXSpeicherkatalysator für den nächsten Speicherzyklus vorbereitet. Um den Motorbetrieb im fetten Zyklus möglichst kurz zu halten, ist es im klassischen LNT-Betrieb wesentlich, dass das Reduktionsende möglichst exakt erkannt wird.If the absorption capacity of the NO x storage catalytic converter LNT is exhausted, the engine electronics briefly set a rich, reducing exhaust gas mixture for a few seconds (approximately two to ten seconds). In this short, rich cycle, the nitrogen oxides NO x temporarily stored in the catalytic converter are reduced to nitrogen N 2 and the NO x storage catalytic converter is thus prepared for the next storage cycle. In order to keep engine operation as short as possible in the rich cycle, it is essential in classic LNT operation that the end of reduction is recognized as precisely as possible.
[0035] Im nachgeschalteten SCR-Katalysator werden bei passiver SCR zur weiteren Stickoxidverminderung NOx-Moleküle durch NH3 zu N2 reduziert. Uber ein SCR-Katalysatormodell wird dabei die bereitzustellende NH3-Menge ermittelt.In the downstream SCR catalytic converter, NO x molecules are reduced by NH 3 to N 2 in the case of passive SCR for further nitrogen oxide reduction. The amount of NH 3 to be provided is determined using an SCR catalyst model.
[0036] Fig. 2 zeigt die Verläufe des Lambdawertes Aj stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators LNT, des Lambdawertes λ2 stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators LNT, den Verlauf der Anteile an Stickoxid NOX stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators LNT, den Verlauf der Anteile an Wasserstoff H2 stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators, den Verlauf der Anteile an Ammoniak NH3 stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators LNT, den Verlauf der Anteile an Kohlenmonoxid CO stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators LNT und den Verlauf der Anteile an unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators LNT, insbesondere während einer Regenerationsphase REG des NOx-Speicherkatalysators LNT über der Zeit t aufgetragen.Fig. 2 shows the curves of the lambda value Aj upstream of the NO x storage catalytic converter LNT, the lambda value λ 2 downstream of the NO x storage catalytic converter LNT, the course of the proportions of nitrogen oxide NO x downstream of the NO x storage catalytic converter LNT, the course the proportions of hydrogen H 2 downstream of the NO x storage catalytic converter, the course of the proportions of ammonia NH 3 downstream of the NO x storage catalytic converter LNT, the course of the proportions of carbon monoxide CO downstream of the NO x storage catalytic converter LNT and the course of the proportions of unburned Hydrocarbons HC downstream of the NO x storage catalytic converter LNT, in particular during a regeneration phase REG of the NO x storage catalytic converter LNT plotted over time t.
[0037] Während der Regenrationsphase REG wird die Brennkraftmaschine 1 unterstöchiometrisch betrieben, wie aus der den Betriebsmodus andeutenden Linie M hervorgeht. Dabei steht 1 für fetten Betrieb und 2 für mageren Betrieb. Im mit Bezugszeichen R1 markierten Punkt erfolgt der Wechsel vom mageren auf fetten Motorbetrieb.During the regeneration phase REG, the internal combustion engine 1 is operated substoichiometrically, as can be seen from the line M indicating the operating mode. 1 stands for rich operation and 2 for lean operation. At the point marked with reference number R1, the change from lean to rich engine operation takes place.
[0038] Die Regenerationsphase REG teilt sich in zwei Zeitabschnitte auf. Der erste Zeitabschnitt A ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass der Lambdawert Aj stromaufwärts des NOXSpeicherkatalysators LNT kleiner ist, als der Lambdawert λ2 stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators LNT. Im zweiten Zeitabschnitt ist der Lambdawert Aj stromaufwärts des NOXSpeicherkatalysators LNT dagegen größer, als der Lambdawert λ2 stromabwärts des NOXSpeicherkatalysators LNT. Im Kreuzungszeitpunkt K der Verläufe der beiden Lambdawerte A1; λ2 weisen die mittels der Lambdasensoren L1, L2 ermittelten Lambdawerte λ1; λ2 stromaufwärts und stromabwärts des NOx-Katalysators den gleichen Wert auf.[0038] The regeneration phase REG is divided into two time segments. The first time period A is characterized in that the lambda value Aj upstream of the NO x storage catalytic converter LNT is smaller than the lambda value λ 2 downstream of the NO x storage catalytic converter LNT. In the second period, however, the lambda value Aj upstream of the NO X storage catalytic converter LNT is greater than the lambda value λ 2 downstream of the NO X storage catalytic converter LNT. At the point of intersection K the courses of the two lambda values A 1; λ 2 indicate the lambda values λ 1 determined by means of the lambda sensors L1, L2 ; λ 2 upstream and downstream of the NO x catalyst to the same value.
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AT516 469 B1 2018-06-15 österreichisches patentamt [0039] Überraschenderweise wurde festgestellt, dass sich ein Zusammenhang zwischen der Differenzfläche D zwischen den Verläufen der Lambdawerte λ1; λ2, beginnend mit dem Kreuzungszeitpunkt K und endend mit dem Bezugszeitpunkt TB, und dem während des Regenerationsvorgangs generierten NH3 ergibt. In einer ersten Variante der Erfindung kommt daher ein empirisch ermittelter Zusammenhang zur Anwendung, der durch eine empirische Formel oder ein entsprechendes Kennfeld hergestellt wird. Dabei können unter anderem folgende Parameter berücksichtigt werden: Temperatur von Abgas und/oder Katalysator (z.B. LNT); Abgasmassenstrom; Motorbetriebsparameter wie Motordrehzahl und -last.AT516 469 B1 2018-06-15 Austrian Patent Office Surprisingly, it was found that there is a relationship between the difference area D between the courses of the lambda values λ 1; λ 2 , starting with the crossing time K and ending with the reference time T B , and the NH 3 generated during the regeneration process. In a first variant of the invention, therefore, an empirically determined connection is used, which is established by an empirical formula or a corresponding map. The following parameters can be taken into account: temperature of exhaust gas and / or catalytic converter (eg LNT); Exhaust gas mass flow; Engine operating parameters such as engine speed and load.
[0040] Die Lambdadifferenzen werden mit empirisch ermittelten Faktoren gewichtet und die gewichteten Differenzen werden zur Differenzfläche D aufintegriert. Nach Erreichen einer gewünschten NH3-Menge stromabwärts wird die Regeneration gestoppt.The lambda differences are weighted with empirically determined factors and the weighted differences are integrated into the difference area D. After a desired amount of NH 3 has been reached downstream, the regeneration is stopped.
[0041] Eine weitere Variante der Erfindung lautet wie folgt: Sobald alle zwischengespeicherten Stickoxide NOX zu Stickstoff N2 reduziert und der NOx-Speicherkatalysator LNT also leer ist, wird in diesem Wasserstoff H2 produziert, angedeutet mit Bezugszeichen R2. Der Anteil des Wasserstoffes H2 ist dabei üblicherweise mehr als zehnmal so groß wie der Anteil an Kohlenmonoxid CO, welcher wieder mehr als zehnmal so groß ist wie der Anteil an unverbrannten Wasserstoffen HC (Vergleich R3 und R4). Stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators LNT ist kaum H2 festzustellen (bzw. wird mit dem Restsauerstoff oder dem im LNT gespeicherten O2 umgehend oxidiert). Untersuchungen haben gezeigt, dass die im zweiten Zeitabschnitt B der Regenerationsphase REG erzeugte Wasserstoffkonzentration H2 proportional zur Differenzfläche D zwischen den Verläufen der beiden Lambdawerte λ1; λ2 - beginnend mit dem Kreuzungszeitpunkt K und endend mit dem Bezugszeitpunkt TB - ist.[0041] A further variant of the invention is as follows: As soon as all cached nitrogen oxides NO x is reduced to nitrogen N 2 and the NO x storage catalytic converter LNT is therefore empty, is produced in this hydrogen H 2, indicated by reference numeral R2. The proportion of hydrogen H 2 is usually more than ten times the proportion of carbon monoxide CO, which is again more than ten times the proportion of unburned hydrocarbons HC (comparison R3 and R4). Upstream of the NO x storage catalytic converter LNT, hardly any H 2 can be found (or is immediately oxidized with the residual oxygen or the O 2 stored in the LNT). Studies have shown that the hydrogen concentration H 2 generated in the second period B of the regeneration phase REG is proportional to the difference area D between the courses of the two lambda values λ 1; λ 2 - starting at the time of crossing K and ending at the reference time T B - is.
[0042] Da der die Differenzen der Lambdawerte somit primär vom Wasserstoff H2 bestimmt wird, kann der Lambdasensor L1, L2 als Wasserstoffsensor eingesetzt werden. Weiters sind zusätzlich unterschiedliche Empfindlichkeiten der Lambdasonde auf Kohlenmonoxid CO und Kohlenwasserstoffe HC bekannt.Since the differences in the lambda values are thus primarily determined by the hydrogen H 2 , the lambda sensor L1, L2 can be used as a hydrogen sensor. Furthermore, different sensitivities of the lambda sensor to carbon monoxide CO and hydrocarbons HC are known.
[0043] Die Konzentration an Wasserstoff H2 kann somit als proportional zur Differenzfläche D angesetzt werden:The concentration of hydrogen H 2 can thus be set as being proportional to the difference area D:
D = K1 H2, wobei K1 einen ersten Proportionalitätsfaktor darstellt.D = K1 H 2 , where K1 represents a first proportionality factor.
[0044] Die Produzierung des Wasserstoffes ist vorwiegend auf die sogenannte WassergasShift Reaktion H2 aus CO H2O + CO <-> CO2 + H2 aber auch auf steam reforming aus HC zurückzuführen:The production of the hydrogen is primarily due to the so-called water gas shift reaction H 2 from CO H 2 O + CO <-> CO 2 + H 2 but also to steam reforming from HC:
3H2O + C3H6 <-> 3CO + 6H2.3H 2 O + C 3 H 6 <-> 3CO + 6H 2 .
[0045] Dieses H2 wird zur Reduktion der von den Speicherplätzen des NOx-Speicherkatalysator desorbierten NOX verwendet. Sobald kein NOX mehr gespeichert ist, bzw. teilweise auch schon zuvor, wird aus H2 und NO NH3 gebildet:[0045] This H 2 is used to reduce desorbed from the memory locations of the NO x storage catalytic NO x. As soon as no more NO x is stored, or in some cases even before, H 2 and NO NH 3 are formed:
8H2 + Ba(NO3)2 -> 5H2O + BaO + 2NH3.8H 2 + Ba (NO 3 ) 2 -> 5H 2 O + BaO + 2NH 3 .
[0046] Die gebildete NH3 Menge ist wiederum proportional zur vorliegenden H2 Menge:The amount of NH3 formed is again proportional to the amount of H 2 present:
H2 = K2 NH3, wobei K2 einen zweiten Proportionalitätsfaktor darstellt.H 2 = K2 NH 3 , where K2 represents a second proportionality factor.
[0047] Die solcherart ermittelte NH3-Menge kann als Eingangsgröße einem bekannten NH3Beladungsmodell für einen stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators vom Abgas durchströmten SCR-Katalysator SCR zugeführt werden.The amount of NH 3 determined in this way can be fed as an input variable to a known NH 3 loading model for an SCR catalyst SCR through which the exhaust gas flows, downstream of the NO x storage catalytic converter.
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