DE102009060285A1 - Method for determining ammonia-loading condition of storage of ammonia storage system of selective catalytic reduction catalyst system in vehicle, involves detecting state variable that characterizes heating and/or cooling characteristics - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein zur Bestimmung eines NH3-Beladungsstandes eines Speichers (34) eines Ammoniakspeichersystems (32) eines nach dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) arbeitenden Katalysatorsystems (28), wobei der Speicher (34) ein NH3-Speichermaterial enthält, das temperaturabhängig Ammoniak (NH3) reversibel zu binden vermag, und mit einer Heizeinrichtung (38) ausgestattet ist. Es ist vorgesehen, dass während eines Wärmeeintrags in den Speicher (34) und/oder Wärmeaustrags aus dem Speicher (34) wenigstens eine, ein Aufheizverhalten und/oder ein Abkühlverhalten des Speichers (34) charakterisierende Zustandsgröße des Speichers (34) erfasst wird und der NH3-Beladungsstand des Speichers (34) in Abhängigkeit von der wenigstens einen Zustandsgröße bestimmt wird.The invention relates to a system for determining an NH3 loading level of a store (34) of an ammonia storage system (32) of a catalyst system (28) operating on the principle of selective catalytic reduction (SCR), the store (34) containing an NH3 storage material which Depending on the temperature, ammonia (NH3) can bind reversibly and is equipped with a heating device (38). It is provided that at least one state variable of the memory (34) characterizing a heating behavior and / or a cooling behavior of the memory (34) is recorded during a heat input into the memory (34) and / or heat discharge from the memory (34) and the NH3 loading level of the memory (34) is determined as a function of the at least one state variable.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines NH3-Beladungsstandes eines Speichers eines Ammoniakspeichersystems, insbesondere eines Reduktionsmittelspeichers, eines nach dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) arbeitenden Katalysatorsystems. Die Erfindung betrifft ferner ein zur Ausführung des Verfahrens eingerichtetes SCR-Katalysatorsystem und ein entsprechendes Fahrzeug.The invention relates to a method for determining an NH 3 loading level of a storage of an ammonia storage system, in particular of a reducing agent storage, of a catalyst system operating on the principle of selective catalytic reduction (SCR). The invention further relates to an SCR catalyst system configured for carrying out the method and to a corresponding vehicle.
Verbrennungsmotoren, die zeitweise oder überwiegend mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben werden, produzieren Stickoxide NOx (hauptsächlich NO2 und NO), die NOx-reduzierende Maßnahmen erforderlich machen. Eine motorische Maßnahme, um die NOx-Rohemission im Abgas zu reduzieren, stellt die Abgasrückführung dar, bei der ein Teil des Abgases des Verbrennungsmotors in die Verbrennungsluft rückgeführt wird, wodurch die Verbrennungstemperaturen gesenkt und somit die NOx-Entstehung reduziert wird. Die Abgasrückführung ist jedoch nicht immer ausreichend, um gesetzliche NOx-Grenzwerte einzuhalten, weswegen zusätzlich eine aktive Abgasnachbehandlung erforderlich ist, welche die NOx-Endemission senkt. Eine bekannte NOx-Abgasnachbehandlung sieht den Einsatz von NOx-Speicherkatalysatoren vor, die im mageren Betrieb (bei λ > 1) Stickoxide in Form von Nitraten speichern und in kurzen Intervallen mit einer fetten Abgasatmosphäre (λ < 1) die gespeicherten Stickoxide desorbieren und in Gegenwart der im fetten Abgas vorhandenen Reduktionsmittel zu Stickstoff N2 reduzieren.Internal combustion engines that are operated intermittently or predominantly with a lean air-fuel mixture produce nitrogen oxides NO x (mainly NO 2 and NO), which require NO x -reducing measures. A motor measure for reducing the NO x raw emission in the exhaust gas is the exhaust gas recirculation, in which part of the exhaust gas of the internal combustion engine is recirculated into the combustion air, whereby the combustion temperatures are lowered and thus the NO x formation is reduced. However, the exhaust gas recirculation is not always sufficient to comply with legal NO x limits, so in addition an active exhaust aftertreatment is required, which reduces the NO x -Edemission. A known NO x exhaust aftertreatment provides for the use of NO x storage catalysts that store nitrogen oxides in the form of nitrates during lean operation (at λ> 1) and desorb the stored nitrogen oxides at short intervals with a rich exhaust gas atmosphere (λ <1) and reduce to nitrogen N 2 in the presence of the reducing agent present in the rich exhaust gas.
Als weiterer Ansatz zur Konvertierung von Stickoxiden in Abgasen magerlauffähiger Verbrennungsmotoren ist der Einsatz von Katalysatorsystemen bekannt, die nach dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion (SCR für selective catalytic reduction) arbeiten. Diese Systeme umfassen zumindest einen SCR-Katalysator, der in Gegenwart eines dem Abgas kontinuierlich zugeführten Reduktionsmittels, üblicherweise Ammoniak NH3, die Stickoxide des Abgases in Stickstoff und Wasser umwandelt. Dabei kann das Ammoniak aus einer wässrigen Ammoniaklösung dem Abgasstrom zudosiert werden oder aus einer Vorläuferverbindung, beispielsweise Harnstoff, im Wege der Thermolyse und Hydrolyse erhalten werden. Ein neuer vielversprechender Ansatz für die Ammoniakspeicherung im Fahrzeug stellen NH3-Speichermaterialien dar, die Ammoniak in Abhängigkeit von der Temperatur reversibel binden. Insbesondere sind in diesem Zusammenhang Metallamminspeicher bekannt, beispielsweise MgCl2, CaCl2 und SrCl2, die Ammoniak in Form einer Komplexverbindung speichern, um dann beispielsweise als MgCl2(NH3)x, CaCl2(NH3)x beziehungsweise SrCl2(NH3)x vorzuliegen. Aus diesen Verbindungen kann durch Zufuhr von Wärme das Ammoniak wieder freigesetzt werden. Vorteil der Metallamminspeicher ist, dass diese Verbindungen eine große Menge Ammoniak in sehr geringen Volumina speichern können. So bindet beispielsweise ein Mol SrCl2 acht Mol NH3. Zudem lassen diese Verbindungen eine gut kontrollierbare Freisetzung des Ammoniaks zu und sind sehr sicher.As another approach to the conversion of nitrogen oxides in exhaust gases mlauflauffähiger internal combustion engines, the use of catalyst systems is known which operate on the principle of selective catalytic reduction (SCR for selective catalytic reduction). These systems comprise at least one SCR catalyst which, in the presence of a reducing agent continuously fed to the exhaust gas, usually ammonia NH 3 , converts the nitrogen oxides of the exhaust gas into nitrogen and water. In this case, the ammonia can be added from an aqueous ammonia solution to the exhaust gas stream or be obtained from a precursor compound, for example urea, by way of thermolysis and hydrolysis. A promising new approach to ammonia storage in vehicles is NH 3 storage materials, which reversibly bind ammonia as a function of temperature. In particular, metal-ammonium stores are known in this connection, for example MgCl 2 , CaCl 2 and SrCl 2 , which store ammonia in the form of a complex compound in order then to contain, for example, MgCl 2 (NH 3 ) x , CaCl 2 (NH 3 ) x or SrCl 2 (NH 3 ) x to be present. From these compounds, by supplying heat, the ammonia can be released again. The advantage of metal-ammonium storage is that these compounds can store a large amount of ammonia in very small volumes. For example, one mole of SrCl 2 binds eight moles of NH 3 . In addition, these compounds allow a good controllable release of ammonia and are very safe.
Um eine schnellere Startbereitschaft zu erzielen, ist bekannt, neben einem oder zwei Hauptspeichern einen vergleichsweise kleinvolumig dimensionierten Startspeicher vorzusehen, der üblicherweise eine elektrische Heizeinrichtung aufweist. Der Hauptspeicher kann entweder mit einer elektrischen Heizeinrichtung oder mit einer mit Motorkühlwasser versorgten Heizeinrichtung beheizt werden. Der aufgrund seines geringen Volumens schnell aufgeheizte und betriebsbereite Startspeicher übernimmt in der Aufwärmehase die NH3-Versorgung des SCR-Katalysators. Seine Beheizung erfolgt solange, bis im Hauptspeicher der Betriebsdruck aufgebaut ist. Erst wenn auch der thermisch trägere Hauptspeicher seine Betriebstemperatur und seinen Betriebsdruck aufgebaut hat, wird die gesamte NH3-Versorgung von diesem übernommen. Der Startspeicher wird dann mit NH3 aus dem Hauptspeicher beladen und besitzt somit bei jedem Systemstart einen praktisch identischen NH3-Füllstand.In order to achieve a faster start-up readiness, it is known to provide, in addition to one or two main memories, a comparatively small-volume sized start memory, which usually has an electrical heating device. The main memory can be heated either with an electric heater or with a supplied with engine cooling water heater. In the warm-up phase, the startup tank, which is heated and ready for use due to its low volume, takes over the NH 3 supply of the SCR catalytic converter. Its heating takes place until the operating pressure is built up in the main memory. Only when the thermally inert main memory has built up its operating temperature and operating pressure, the entire NH 3 supply is taken from this. The starting memory is then loaded with NH 3 from the main memory and thus has at virtually every system start a virtually identical NH 3 level.
Aus
Derzeit existiert kein Konzept, um einen NH3-Füllstand eines Ammoniakspeichers für SCR-Katalysatorsysteme zu ermitteln. Die Kenntnis des Füllstandes ist jedoch zur Prognose der Reichweite eines Fahrzeugs wichtig. Auch besteht ein Interesse, frisch eingesetzte Speicherkartuschen hinsichtlich ihres korrekten Füllstandes zu kontrollieren.Currently, there is no concept to determine an NH 3 level of ammonia storage for SCR catalyst systems. However, the knowledge of the level is to predict the range of a Vehicle important. There is also an interest in controlling freshly used memory cartridges for their correct level.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem eine Ermittlung des NH3-Beladungszustandes (Füllstand) neuer und in Betrieb befindlicher Ammoniakspeicher mit guter Zuverlässigkeit und geringem Systemaufwand möglich ist. Es soll ferner ein zur Ausführung des Verfahrens geeignetes SCR-Katalysatorsystem und ein entsprechendes Fahrzeug bereitgestellt werden.The invention is based on the object to provide a method with which a determination of the NH 3 -Bleadungszustandes (level) of new and operating ammonia storage with good reliability and low overhead is possible. It is also intended to provide an SCR catalyst system suitable for carrying out the method and a corresponding vehicle.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren, ein SCR-Katalysatorsystem und ein Fahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.These objects are achieved by a method, an SCR catalyst system and a vehicle having the features of the independent claims.
Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf die Bestimmung eines NH3-Beladungszustandes eines Speichers eines Ammoniakspeichersystems in einem nach dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) arbeitenden Katalysatorsystem. Der Speicher enthält ein NH3-Speichermaterial, das temperaturabhängig Ammoniak NH3 reversibel zu binden (absorbieren oder adsorbieren) vermag. Dabei ist der Speicher mit einer Heizeinrichtung ausgestattet, um diesen auf seine Betriebstemperatur beziehungsweise seinen Betriebsdruck zu bringen. Erfindungsgemäß wird während eines (aktiv durch die Heizeinrichtung bewirkten) Wärmeeintrags in den Speicher und/oder während eines (spontan nach Abschaltung der Beheizung erfolgenden) Wärmeaustrags aus dem Speicher wenigstens eine Zustandsgröße des Speichers erfasst, die ein Aufheizverhalten und beziehungsweise ein Abkühlverhalten des Speichers charakterisiert. In Abhängigkeit von der wenigstens einen Zustandsgröße wird der NH3-Beladungszustand des Speichers bestimmt. Dabei macht sich die Erfindung zunutze, dass das Aufheizverhalten und das Abkühlverhalten des Speichers von seiner Wärmekapazität abhängt, die ihrerseits von dem Beladungszustand des Speichers beziehungsweise des in diesem enthaltenen Speichermaterials abhängt. Beispielsweise weisen NH3-angereicherte Metallamminkomplexe eine sehr viel höhere spezifische Wärmekapazität auf, als ihre NH3-abgereicherte oder ihre NH3-freie Form. Dieses schlägt sich in einem veränderten Aufheizverhalten beziehungsweise Abkühlverhalten nieder, welches somit als Indikator für den Beladungszustand genutzt werden kann. Besonders vorteilhaft ist, dass das Verfahren die Bestimmung des absoluten Beladungszustandes erlaubt und nicht nur eine relative Beladungsänderung seit Systemstart. Auf diese Weise kann auch bei einer neu eingesetzten Speicherkartusche ihr tatsächlicher NH3-Beladungszustand mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, dass keine konstruktiven Maßnahmen zu seiner Durchführung erforderlich sind.The method according to the invention relates to the determination of an NH 3 loading state of a storage tank of an ammonia storage system in a selective catalytic reduction (SCR) catalyst system. The storage tank contains an NH 3 storage material that can reversibly bind (absorb or adsorb) ammonia NH 3 depending on the temperature. The memory is equipped with a heater to bring this to its operating temperature or its operating pressure. According to the invention, at least one state variable of the memory, which characterizes a heating behavior and / or a cooling behavior of the memory, is detected from the memory during a heat input (actively effected by the heating device) into the memory and / or during a heat discharge (taking place spontaneously after switching off the heating). Depending on the at least one state variable, the NH 3 charge state of the memory is determined. The invention makes use of the fact that the heating behavior and the cooling behavior of the memory depends on its heat capacity, which in turn depends on the loading state of the memory or of the storage material contained therein. For example, NH 3 -enriched metal ammine complexes have a much higher specific heat capacity than their NH 3 -depleted or their NH 3 -free form. This is reflected in an altered heating behavior or cooling behavior, which can thus be used as an indicator of the loading condition. It is particularly advantageous that the method allows the determination of the absolute load state and not just a relative load change since system start. In this way, even with a newly inserted memory cartridge their actual NH 3 -Beladungszustand can be determined with high accuracy. Another advantage of the method is that no constructive measures are required to carry it out.
In bevorzugter Ausführung des Verfahrens wird die wenigstens eine, das Abkühlverhalten und/oder das Aufheizverhalten des Speichers charakterisierende Zustandsgröße während einer Betriebsphase beobachtet, in der dem Speicher kein Ammoniak entnommen wird. Auf diese Weise vereinfachen sich die Zusammenhänge zwischen dem NH3-Beladungszustand und der beobachteten Zustandsgröße. Insbesondere kommt hier eine Beheizungsphase des Speichers bei Systemstart oder eine Abkühlphase des Speichers nach Abstellen des Systems in Betracht.In a preferred embodiment of the method, the at least one, the cooling behavior and / or the heating behavior of the memory characterizing state variable is observed during an operating phase in which no ammonia is removed from the memory. In this way, the relationships between the NH 3 loading state and the observed state variable are simplified. In particular, here is a heating phase of the memory at system startup or a cooling phase of the memory after turning off the system into consideration.
In bevorzugter Ausführung des Verfahrens handelt es sich bei der wenigstens einen, das Aufheizverhalten beziehungsweise das Abkühlverhalten des Speichers charakterisierenden Zustandsgröße um eine temperaturbezogene Größe und/oder eine druckbezogene Größe. Da die üblichen Speichersysteme häufig bereits über entsprechende Temperatur- und/oder Drucksensoren verfügen oder ohne weiteres mit diesen nachgerüstet werden können, ist die Erfassung dieser Zustandsgrößen ohne wesentlichen konstruktiven Aufwand durchführbar. Vorzugsweise wird eine druckbezogene Größe erfasst, da der Speicherdruck mit sehr hoher Homogenität im Speicher vorliegt, während die Speichertemperatur örtlich und/oder zeitlich stärker fluktuiert.In a preferred embodiment of the method, the at least one state variable characterizing the heating behavior or the cooling behavior of the memory is a temperature-related variable and / or a pressure-related variable. Since the usual storage systems often already have appropriate temperature and / or pressure sensors or can be easily retrofitted with these, the detection of these state variables can be carried out without significant design effort. Preferably, a pressure-related variable is detected, since the storage pressure is present with very high homogeneity in the memory, while the storage temperature fluctuates more locally and / or temporally.
Insbesondere kann die wenigstens eine Zustandsgröße aus der Gruppe gewählt werden umfassend eine Temperaturänderung im Speicher; eine Druckänderung im Speicher; eine Zeitspanne und/oder kumulierte Heizleistung bis zur Erreichung einer vorbestimmten Temperatur im Speicher; eine Zeitspanne und/oder kumulierte Heizleistung bis zur Erreichung eines vorbestimmten Drucks im Speicher; eine nach einer vorbestimmten Zeit und/oder vorbestimmten kumulierten Heizleistung erreichte Temperatur im Speicher und/oder einen nach einer vorbestimmten Zeit und/oder vorbestimmten kumulierten Heizleistung erreichten Druck im Speicher.In particular, the at least one state variable can be selected from the group comprising a temperature change in the memory; a pressure change in the memory; a period of time and / or cumulative heating power until a predetermined temperature is reached in the memory; a period of time and / or cumulative heating power until a predetermined pressure is reached in the reservoir; a temperature reached in the memory after a predetermined time and / or predetermined cumulative heating power and / or a pressure reached in the memory after a predetermined time and / or predetermined cumulative heating power.
Gemäß einer besonderen Ausführung des Verfahrens wird in Abhängigkeit der wenigstens einen Zustandsgröße die Wärmekapazität des Speichers bestimmt und in Abhängigkeit von der Wärmekapazität der NH3-Beladungszustand des Speichers ermittelt. Wie bereits ausgeführt, stellt die Wärmekapazität des Speichers einen sehr genauen Indikator für seinen Beladungszustand dar.According to a particular embodiment of the method, the heat capacity of the memory is determined as a function of the at least one state variable and determined as a function of the heat capacity of the NH 3 -Beladungszustand the memory. As already stated, the heat capacity of the memory is a very accurate indicator of its loading condition.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Ermittlung des NH3-Beladungszustandes des Speichers rechnerisch unter Anwendung gespeicherter Rechenvorschriften und/oder Algorithmen. Derartige Rechenvorschriften lassen sich aus den bekannten Gesetzen der Thermodynamik ohne weiteres ableiten und stellen den Zusammenhang zwischen der beobachteten Zustandsgröße und dem NH3-Beladungszustand des Speichers mit guter Genauigkeit dar. According to an advantageous embodiment of the method, the determination of the NH 3 loading state of the memory takes place mathematically using stored calculation instructions and / or algorithms. Such computational rules can readily be deduced from the known laws of thermodynamics and represent the relationship between the observed state variable and the NH 3 loading state of the memory with good accuracy.
In alternativer Ausführung erfolgt die Ermittlung des Beladungszustandes des Speichers unter Anwendung gespeicherter Kennfelder (worunter vorliegend auch Kennlinien als Spezialfall verstanden werden). Derartige Kennfelder lassen sich empirisch in Versuchsreihen ermitteln, in denen die interessierende Zustandsgröße in Abhängigkeit von dem NH3-Beladungszustand ermittelt wird. Wird dann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Zustandsgröße erfasst, kann aus dem entsprechenden Kennfeld ohne weiteres der zugehörige NH3-Beladungszustand des Speichers ausgelesen werden. Vorteil der Anwendung empirisch ermittelter Kennfelder ist, dass keine rechnerischen Näherungen angewendet werden müssen. Vielmehr kann der Zusammenhang exakt für genau das verwendete Ammoniakspeichersystem ermittelt werden.In an alternative embodiment, the determination of the loading state of the memory is carried out using stored maps (which in the present case also characteristic curves are understood as a special case). Such maps can be determined empirically in test series in which the state variable of interest is determined as a function of the NH 3 loading state. If a state variable is then detected within the scope of the method according to the invention, the associated NH 3 loading state of the memory can be readily read from the corresponding map. The advantage of using empirically determined maps is that no computational approximations have to be applied. Rather, the relationship can be determined exactly for exactly the ammonia storage system used.
Darüber hinaus ist denkbar, Kombinationen aus dem rechnerischen Ansatz unter Anwendung von Rechenvorschriften und dem empirischen Ansatz unter Anwendung von Kennfeldern einzusetzen. Beispielsweise kann die Wärmekapazität des Systems unter Anwendung einer geeigneten Rechenvorschrift berechnet werden und der NH3-Beladungszustand aus einem Kennfeld ausgelesen werden, der den Beladungszustand in Abhängigkeit von der Wärmekapazität darstellt.In addition, it is conceivable to use combinations of the computational approach using calculation rules and the empirical approach using maps. For example, the heat capacity of the system can be calculated using a suitable calculation rule and the NH 3 -loading state can be read out of a map representing the load state as a function of the heat capacity.
Mit großem Vorteil kann die erfindungsgemäße Bestimmung des NH3-Beladungszustandes des Speichers zur Prognose einer voraussichtlichen Reichweite eines mit dem SCR-Katalysatorsystem ausgestatteten Fahrzeugs durchgeführt werden. Auf diese Weise kann an einen Fahrer und/oder an ein Onboard-Diagnosesystem (OBD-System) ein Signal ausgegeben werden, das zur Auswechslung des Speichers auffordert.With great advantage, the determination according to the invention of the NH 3 charging state of the memory can be carried out to forecast an anticipated range of a vehicle equipped with the SCR catalytic converter system. In this way, a signal can be output to a driver and / or to an onboard diagnostic system (OBD system) requesting the replacement of the memory.
Daneben kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Füllstandskontrolle eines neu eingewechselten Speichers durchgeführt werden, insbesondere um zu überprüfen, ob dieser vorschriftsmäßig gefüllt ist. Auf diese Weise kann auch einer missbräuchlichen Manipulation begegnet werden, bei dem ein Fahrer durch Einsatz eines leeren Speichers das Diagnosesystem zu überwinden versucht. In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass die Füllstandskontrolle einmalig nach Einwechselung des Speichers durchgeführt wird und eine erneute Kontrolle nicht vor Ablauf einer vorbestimmten Betriebsdauer oder vorbestimmten zurückgelegten Fahrstrecke ausgelöst werden kann.In addition, the method according to the invention can also be carried out for level control of a newly replaced storage, in particular in order to check whether it is filled in accordance with the regulations. In this way, an abusive manipulation can be encountered in which a driver tries to overcome the diagnostic system by using an empty memory. In this context, it may be provided that the level control is performed once after Einwechselung the memory and a re-control can not be triggered before the expiry of a predetermined operating time or predetermined distance covered route.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein SCR-Katalysatorsystem mit zumindest einen SCR-Katalysator und einem Ammoniakspeichersystem, das zumindest einen mit einer Heizeinrichtung ausgestatteten Ammoniakspeicher aufweist, der ein NH3-Speichermaterial, das temperaturabhängig Ammoniak reversibel zu binden vermag, enthält. Das SCR-Katalysatorsystem weist eine Steuereinrichtung auf, die eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Zu diesem Zweck kann die Steuereinrichtung insbesondere einen Steueralgorithmus zur Ausführung des Verfahrens in computerlesbarer Form umfassen sowie geeignete Rechenvorschriften und/oder Kennfelder, die ebenfalls in computerlesbarer Form abgespeichert sind.The invention further relates to an SCR catalyst system comprising at least one SCR catalyst and an ammonia storage system comprising at least one equipped with a heater ammonia storage, which contains a NH 3 storage material, which is capable of reversibly binding ammonia reversible. The SCR catalyst system has a control device that is set up to carry out the method according to the invention. For this purpose, the control device can in particular comprise a control algorithm for executing the method in computer-readable form as well as suitable computational rules and / or characteristic diagrams which are likewise stored in computer-readable form.
Das NH3-Speichermaterial des Speichers wird vorzugsweise aus der Gruppe der NH3-komplexierenden Metallsalze, insbesondere der Alkali- und Erdalkalimetallsalze und Übergangsmetallsalze gewählt, wobei diese Gruppe vorzugsweise MgCl2(NH3)x, CaCl2(NH3)x und SrCl2(NH3)x umfasst. Hauptvorteil dieser auch als Metallammine bezeichneten Gruppe ist ihre sehr hohe Ammoniakspeicherkapazität bei geringem Volumen und Gewicht. Es können jedoch ebenso NH3-adsorbierende Feststoffe, wie säureaktivierte Aktivkohle oder Zeolithe eingesetzt werden, die im Gegensatz zu den Metallamminen NH3 nicht chemisch absorbieren, sondern physikalisch adsorbieren. Entscheidend ist, dass die NH3-Bindung reversibel ist.The NH 3 storage material of the store is preferably selected from the group of NH 3 -complexing metal salts, in particular the alkali and alkaline earth metal salts and transition metal salts, this group preferably MgCl 2 (NH 3 ) x , CaCl 2 (NH 3 ) x and SrCl 2 (NH 3 ) x . The main advantage of this group, also referred to as metal amines, is their very high ammonia storage capacity with low volume and weight. However, it is also possible to use NH 3 -adsorbing solids, such as acid-activated activated carbon or zeolites, which, in contrast to the metal amines, do not chemically absorb NH 3 but physically adsorb it. It is crucial that the NH 3 bond is reversible.
Schließlich betrifft die Erfindung ein ein entsprechendes SCR-Katalysatorsystem umfassendes Fahrzeug.Finally, the invention relates to a vehicle comprising a corresponding SCR catalytic converter system.
Weitere vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.Further advantageous embodiments are the subject of the remaining dependent claims.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
Ein Abgas des Verbrennungsmotors
Die Abgasanlage
Der Zusammenhang zwischen dem Dampfdruck von Ammoniak pNH3 und der Temperatur T lässt sich durch die thermodynamische Gleichung 1 beschreiben, worin ΔHr die Reaktionsenthalpie der Desorption des verwendeten NH3-Speichermaterials, ΔSr die Reaktionsentropie der Desorption und Rm die universelle Gaskonstante (Rm = 8,314 J/mol·K) bedeuten.The relationship between the vapor pressure of ammonia p NH3 and the temperature T can be described by the
Um das Ammoniakspeichersystem
Bei dem NH3-Speichermaterial der Speicher
Der Hauptspeicher
Im Hauptspeicher
Die Signale der Sensoren
Die Steuereinrichtung
Das in
Sobald auch der Hauptspeicher
In alternativer Ausgestaltung ist der kleinvolumige Speicher
Nachfolgend wird die Bestimmung des NH3-Beladungszustandes eines der Speicher des SCR-Katalysatorsystems
Füllstandsüberwachung des NH3-SpeichersLevel monitoring of the NH 3 storage tank
Um einen Füllstand des Hauptspeichers
Es liegt somit eine Abhängigkeit der Wärmekapazität vom NH3-Beladungszustand des Speichers
Insbesondere kann eine Temperaturänderung beziehungsweise ein Temperaturgradient im Speicher mit dem Temperatursensor
Die Temperaturänderung des Speichers während seiner Beheizung oder während seiner Abkühlung und die Änderung der freien NH3-Stoffmenge in der Gasphase des zur Verfügung stehenden Poren- und Leitungsvolumen bewirken eine Druckänderung im Speicher
Da gemäß Gleichung 3 über die Temperaturänderung dTSpeicher/dt die füllstandsabhängige Wärmekapazität gemäß Gleichung 2 in die Druckänderung einfließt, eignet sich letztere ebenfalls als Zustandgröße, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur Beobachtung des Abkühl- und Aufheizverhaltens des Speichers und der Bestimmung seines Beladungszustandes herangezogen werden kann.Since according to equation 3 on the temperature change dT memory / dt the level-dependent heat capacity according to
Die Gleichungen
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird diese Ermittlung während einer Aufheizphase und/oder einer Abkühlphase durchgeführt, das heißt in Betriebsphasen, in denen kein NH3 aus dem Speicher
In einer alternativen Ausgestaltung werden die Zusammenhänge zwischen Wärmezu- und -abfluss und der Temperatur- beziehungsweise Druckänderung im Speicher
Die Diagnose kann während einer Aufheizphase oder Abkühlphase des Speichers
Um die Diagnose zu verbessern, können in vordefinierten Zeitintervallen weitere Diagnosezeitpunkte definiert werden, an denen der aktuelle Speicherdruck und/oder die aktuelle Speichertemperatur abgefragt wird. Auch diese Zustandsgrößen können mit geeigneten, in der Steuereinrichtung
Auswertung des Übergangs zwischen zwei ZersetzungsstufenEvaluation of the transition between two decomposition stages
Die Freisetzung der in einem Metallamminsalz gespeicherten NH3-Menge erfolgt in mehreren Zersetzungsstufen. Das SrCl2(NH3)x-System beispielsweise weist zwei Zersetzungsstufen auf, wobei bei der ersten Zersetzungsstufe 7 mol NH3 pro mol SrCl2 und in der zweiten Zersetzungsstufe 1 mol NH3 pro mol SrCl2 freigesetzt werden. Bei der zweiten Zersetzungsstufe liegt die erforderliche Betriebstemperatur und Desorptionsenthalpie (Heizleistung) höher als bei der ersten Zersetzungsstufe. Aus energetischen Gründen ist es daher sinnvoll, den Speicher
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann daher mit Vorteil derjenige NH3-Füllstand bestimmt werden, der den Übergang von der ersten zur zweiten Zersetzungsstufe des verwendeten NH3-Speichermaterials kennzeichnet. In the context of the present invention, therefore, it is possible with advantage to determine that NH 3 filling level which characterizes the transition from the first to the second decomposition stage of the NH 3 storage material used.
Dieses Verfahren wird noch genauer, wenn zur Bestimmung der Zersetzungsstufe zwei oder mehr „Stützpunkte” erfasst werden. Beispielsweise kann in einem ersten Schritt vor dem Systemstart überprüft werden, welcher Druck in dem Speicher bei der gegebenen Temperatur vorliegt. Anhand der in der Steuereinrichtung
Da der Abkühlvorgang relativ langsam verläuft, folgt das System auch hier wieder sehr gut der Gleichgewichtskurve gemäß Gleichung 1, so dass das reale Messsystem gut mit dem Modell korreliert.Since the cooling process is relatively slow, the system follows very well the equilibrium curve according to
Sobald der Übergang auf die zweite Zersetzungsstufe diagnostiziert wird, wird durch die Steuereinrichtung
Füllstandskontrolle nach SpeicherwechselLevel control after memory change
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch, um Plausibilitätsprüfungen durchzuführen, mit denen sichergestellt werden kann, dass bei einem Speicherwechsel nicht manipuliert werden kann. Beispielsweise muss verhindert werden, dass, nachdem ein Fahrer zum Speicherwechsel aufgefordert wurde, der entleerte Speicher aus seiner Halterung entfernt und derselbe Speicher sofort wieder eingesetzt wird, um einem OBD-System einen Speicherwechsel vorzutäuschen und das System wieder zu initialisieren.The method according to the invention is also suitable for carrying out plausibility checks which can be used to ensure that it is not possible to manipulate a memory change. For example, it must be prevented that, after a driver has been asked to change memory, the empty memory from its holder removed and the same memory is immediately reinstated to simulate an OBD system memory change and re-initialize the system.
In diesem Zusammenhang wird bei dem ersten Systemstart nach Einsetzen eines Speichers wiederum während eines Wärmeeintrags in diesen und/oder eines Wärmeaustrags aus diesem wenigstens eine das Aufheizverhalten und/oder das Abkühlverhalten des Speichers charakterisierende Zustandsgröße erfasst. Die erfasste Zustandsgröße wird dann im Rahmen einer Plausibilitätsprüfung mit geeigneten Kriterien überprüft, die sicherstellen, dass die Zustandsgröße mit einem NH3-Beladungszustand des Speichers korreliert, der einer zumindest annähernd vollen Kartusche entspricht. Beispielsweise kann hier die Zeitspanne und/oder die kumulierte Heizleistung erfasst werden, bis ein vorbestimmter Druck im Speicher, insbesondere sein üblicher Betriebsdruck, erreicht ist. Mit Verweis auf
Alternativ zur erfassten Aufheizdauer oder kumulierten Aufheizleistung kann auch überprüft werden, ob ein Druckgradient und/oder der Verlauf des Drucks in einem vorgegebenen Toleranzbereich liegen.As an alternative to the recorded heating duration or cumulative heating power, it is also possible to check whether a pressure gradient and / or the course of the pressure lie within a predetermined tolerance range.
Um das Einsetzen eines neuen Speichers in die Kartuschenhalterung feststellen zu können, kann in der Kartuschenhalterung ein geeigneter Mechanismus, beispielsweise ein Tastschalter oder ein optischer Signalgeber, integriert sein, der beim Einsetzen der Kartusche ausgelöst wird. Um Systemmanipulationen noch sicherer zu begegnen, kann in dem Steuerungsalgorithmus der Steuereinheit
Voraussetzung sollte allerdings sein, dass die initiale Füllstandskontrolle tatsächlich auch abgeschlossen werden konnte, was bei einem Kurzstreckenbetrieb nicht immer sichergestellt werden kann. Sollte daher die initiale Füllstandskontrolle nach einem Speicherwechsel beispielsweise aufgrund einer zu kurzen Betriebsdauer nicht abgeschlossen werden können, kann vorgesehen sein, die Plausibilitätsprüfung so oft durchzuführen, bis sie abgeschlossen werden kann.However, the prerequisite should be that the initial level control could actually be completed, which can not always be ensured in the case of short-haul operations. If, therefore, the initial fill level control can not be completed after a memory change, for example due to a too short operating time, it may be provided to carry out the plausibility check so often that it can be completed.
Zusätzlich können noch Plausibilitätsprüfungen mit Hilfe von NOx-Sensoren und/oder NH3-Sensoren durchgeführt werden.In addition, plausibility checks can be carried out with the help of NO x sensors and / or NH 3 sensors.
Verplombung des SpeichersSealing the memory
Um weiter sicherzustellen, dass nur ordnungsgemäß befüllte Speicher verwendet werden, werden gemäß einer Ausführung der Erfindung die Speicherkartuschen nach ihrer Wieder- oder Erstbefüllung werksseitig verplombt. Zu diesem Zweck kann an der Speicherkartusche und/oder an der fahrzeugseitigen Kartuschenhalterung eine geeignete mechanisch betätigbare Vorrichtung vorhanden sein. Beim Einsetzen des Speichers in seine Halterung wird durch die Plombe an der Kartusche der Mechanismus an der Kartuschenhalterung betätigt. Dieser Vorgang sollte nur einmal möglich sein, um zu verhindern, dass bei einem Kartuschenwechsel eine nicht ordnungsgemäß gefüllte Kartusche eingesetzt werden kann.To further ensure that only properly filled memory is used, according to an embodiment of the invention, the memory cartridges are sealed at the factory after their re-filling or initial filling. For this purpose, a suitable mechanically actuable device may be present on the storage cartridge and / or on the vehicle-mounted cartridge holder. When inserting the memory in its holder is actuated by the seal on the cartridge, the mechanism on the cartridge holder. This procedure should only be possible once to prevent a cartridge that is not filled properly from changing cartridges.
Bei dem Verplombungsmechanismus an der Speicherkartusche kann es sich beispielsweise um einen federbelasteten Bolzen handeln, der beim Einsetzen der Kartusche eine definierte Kraft auf den Auslösemechanismus an der fahrzeugseitigen Kartuschenhalterung ausübt. Wenn dieser Bolzen einmal betätigt, insbesondere reingedrückt wurde, wird er arretiert. Diese Arretierung sollte nur mit Spezialwerkzeugen durch die für die Wiederbefüllung verantwortlichen Unternehmen gelöst werden können.The sealing mechanism on the storage cartridge may be, for example, a spring-loaded bolt that exerts a defined force on the triggering mechanism on the vehicle-mounted cartridge holder when the cartridge is inserted. Once this pin has been pressed, in particular pushed in, it is locked. This lock should only be able to be handled by special tools by the companies responsible for refilling.
Speicherchip auf der SpeicherkartuscheMemory chip on the memory cartridge
Als weitere Maßnahme, um bei einem Speicherwechsel zu gewährleisten, dass die leere Kartusche durch eine volle Kartusche ersetzt wird, ist nach einer weiteren Ausführung an der Kartusche ein Speicherchip angebracht, der der Steuereinrichtung
Sobald die Speicherkartusche entleert ist beziehungsweise eine untere Füllstandsgrenze erreicht hat, wird dies auf dem Speicherchip registriert. Der Speicherchip wird dann nach einer Wiederbefüllung werksseitig zurückgesetzt.Once the memory cartridge is empty or has reached a lower level limit, this is registered on the memory chip. The memory chip is then reset by default after refilling.
Dichtigkeitsprüfungleak test
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überprüfung der Dichtigkeit des Ammoniakspeichersystems
Eine erste Ausführung ist in
In einer alternativen Ausführung eines Systems zur Dichtigkeitsprüfung des Gaszufuhrleitungssystems
In einer Ausgestaltung liegt zwischen beiden Leitungswandungen ein Gas, beispielsweise Luft, bei einem vorbestimmten Druck vor, der mit dem Drucksensor
Im Falle der doppelwandigen Ausführung der Rohrleitungen gemäß
Alternativ kann ebenfalls ein stark NH3-adsorbierendes Material in dem Zwischenraum des doppelwandigen Leitungssystems
In weiterer alternativer Ausführung kann ein NH3-Sensor
Funktionsüberprüfung der DosiereinrichtungFunction check of the dosing device
Um die beispielsweise als Drosselventil ausgestaltete Dosiereinrichtung
Zusätzlich kann die Systemfunktion mithilfe einer Durchflussmessung der als Massflow-Regler ausgestalteten Dosiereinrichtung überwacht werden. Zusätzlich oder alternativ kann der NOx-Umsatz am SCR-Katalysator
Alternativ kann über die Detektion von NH3 stromauf des SCR-Katalysators
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Fahrzeugvehicle
- 1212
- Verbrennungsmotorinternal combustion engine
- 1414
- Abgasanlageexhaust system
- 1616
- Einspritzanlageinjection
- 1818
- Zylindercylinder
- 2020
- Ansaugkanalintake port
- 2222
- Drosseleinrichtungthrottling device
- 2424
- Abgaskanalexhaust duct
- 2626
- erster Katalysatorfirst catalyst
- 2828
- SCR-KatalysatorsystemSCR-catalyst system
- 3030
- SCR-KatalysatorSCR catalyst
- 3232
- AmmoniakspeichersystemAmmonia storage system
- 3434
- Hauptspeichermain memory
- 3636
- Speicher (Startspeicher/Betriebsspeicher)Memory (start memory / operating memory)
- 3838
- Heizeinrichtungheater
- 4040
- Heizeinrichtungheater
- 4242
- GaszufuhrleitungGas supply line
- 4444
- VentilValve
- 4646
- Dosiereinrichtung (Drosselventil/Massflow-Regler)Dosing device (throttle valve / massflow controller)
- 4848
- Temperatursensortemperature sensor
- 5050
- Drucksensorpressure sensor
- 5252
- Steuereinrichtungcontrol device
- 5454
- MotorsteuergerätEngine control unit
- 5656
- VentilValve
- 5858
- VentilValve
- 6060
- Rückschlagventilcheck valve
- 6262
- Drucksensorpressure sensor
- 6464
- Doppelte AußenwandDouble outer wall
- 6666
- Temperatursensortemperature sensor
- 6868
- NH3-SensorNH 3 sensor
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- EP 1977817 A1 [0006] EP 1977817 A1 [0006]
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-
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R005 | Application deemed withdrawn due to failure to request examination |