DE10036942A1 - Modeling of axial distribution of exhaust catalyst temperature, slices catalyst into discs, calculating temperature of each as function of approaching exhaust gas temperature - Google Patents
Modeling of axial distribution of exhaust catalyst temperature, slices catalyst into discs, calculating temperature of each as function of approaching exhaust gas temperatureInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Temperaturverteilung eines Katalysators, insbesondere eines NOx-Speicherkatalysators. Anhand einer derartigen Temperaturverteilung kann in einem entsprechenden Verfahren der Betriebsmodus bei magerbetreibbaren Brennkraftmaschinen bestimmt werden.The invention relates to a method for determining the temperature distribution of a Catalyst, in particular a NOx storage catalyst. Based on such Temperature distribution can be carried out in a corresponding process lean-burn engines are determined.
Heutige magerbetreibbare Brennkraftmaschinen, beispielsweise direkteinspritzende Brennkraftmaschinen, ob nun direkteinspritzende Otto- oder Dieselmotoren, erzeugen während des Magerbetriebs umweltschädigende Stickoxide NOx. Diese Stickoxide werden während des Magerbetriebs der Brennkraftmaschine in einem der Brennkraftmaschine nachgeschaltetem NOx-Speicherkatalysator gespeichert. Aufgrund der endlichen Aufnahmekapazität des NOx-Speicherkatalysator wird das gespeicherte NOx unter gleichzeitiger Reduktion zu Stickstoff N2 durch einen kurzzeitigen Fettbetrieb der Brennkraftmaschine freigesetzt. Um zur Verminderung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen den Betriebsmodus der Brennkraftmaschine so präzise wie möglich steuern zu können, sind möglichst genaue Kenntnisse der Zustände im Abgasreinigungssystem notwendig, beispielsweise um den Zeitpunkt des Beginns und des Endes der Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators bestimmen zu können.Today's lean-burn internal combustion engines, for example direct injection Generate internal combustion engines, whether direct-injection gasoline or diesel engines Environmentally harmful nitrogen oxides NOx during lean operation. These nitrogen oxides are during lean operation of the internal combustion engine in one of the Internal combustion engine downstream NOx storage catalyst stored. by virtue of The finite absorption capacity of the NOx storage catalytic converter becomes the stored one NOx with simultaneous reduction to nitrogen N2 through a short-term grease operation the internal combustion engine is released. To reduce fuel consumption and the emissions make the operating mode of the internal combustion engine as precise as possible to be able to control are as precise as possible knowledge of the conditions in the Emission control system necessary, for example at the time of the start and to determine the end of regeneration of a NOx storage catalytic converter.
Daher können Kenntnisse über den Verlauf der Temperatur im Katalysator beitragen,
den Betrieb einer Brennkraftmaschine genauer auf die Randbedingungen und Grenzen
des Abgasreinigungssystems abzustimmen, wobei insbesondere zu nennen sind:
Knowledge of the temperature profile in the catalytic converter can therefore help to fine-tune the operation of an internal combustion engine to the boundary conditions and limits of the exhaust gas purification system, in particular:
- - Anreicherung eines Ottomotors im oberen Teillast- und Vollastbereich zur Begrenzung der Katalysatortemperatur;- Enrichment of a gasoline engine in the upper part-load and full-load range for limitation the catalyst temperature;
- - Änderung des Betriebsmodus bei magerlauffähigen Ottomotoren (Saugrohreinspritzer mit homogenem Magerbetrieb, Direkteinspritzer mit homogenem und geschichtetem Magerbetrieb) im Bereich der NOx-Thermo-Desorption von NOxSpeicherkatalysatoren (um 550°C, je nach NOx-Speicherkatalysatorsystem);- Changing the operating mode for lean-burn gasoline engines (intake manifold injection with homogeneous lean operation, direct injection with homogeneous and stratified Lean operation) in the area of NOx thermal desorption of NOx storage catalysts (around 550 ° C, depending on the NOx storage catalyst system);
- - Ergreifen von abgas- und/oder katalysatortemperatursteigernden Maßnahmen bei Auskühlung des Katalysators nahe an die Anspringtemperatur; - Take measures to increase exhaust gas and / or catalyst temperature Cooling of the catalyst close to the light-off temperature;
- - Aussetzen von abgas- und/oder katalysatortemperatursteigernden Maßnahmen nach Auskühlung und nachfolgendem Erwärmen eines hinreichend großen Bereichs des Katalysators, und- Suspension of exhaust gas and / or catalyst temperature increasing measures Cooling down and subsequent heating of a sufficiently large area of the Catalyst, and
- - Sicherstellen einer hinreichenden Erwärmung eines ausreichend großen Bereichs des Katalysators bei der Entschwefelung.- Ensure sufficient heating of a sufficiently large area of the Desulfurization catalyst.
Beim gegenwärtigen Stand der Technik kann die Katalysatortemperatur beispielsweise durch Messen der Abgastemperatur sowohl vor als auch hinter dem Katalysator ermittelt werden. Sie kann auch durch Messen der Abgastemperatur vor dem Katalysator und Errechnen einer homogenen Katalysatortemperatur, überwiegend durch Analyse des Wärmeübergangs zwischen Katalysator und Abgas, bestimmt werden. Mit der so bestimmten, mittleren Katalysatortemperatur sind jedoch Effekte, die im dynamischen Betrieb durch inhomogene Temperaturverteilung im Katalysator auftreten können, nicht zu erfassen. So kann beispielsweise durch eine mittlere, ermittelte NOx- Speicherkatalysatortemperatur nahe der NOx-Thermo-Desorptionsgrenze nicht erfaßt werden, ob bei sehr großen tatsächlichen Temperaturdifferenzen zwischen der vordersten und der hintersten Katalysatorzone bereits aus der vordersten Katalysatorzone NOx thermo-desorbiert wird und somit ein NOx-Durchbruch erfolgt. Um solche Effekte auszuschließen, weist die errechnete Katalysatortemperaturschwelle, bei der bei magerlauffähigen Brennkraftmaschinen zur Vermeidung von NOx-Durchbrüchen auf Lambda = 1 - Betrieb umgeschaltet wird, einen großen Sicherheitsabstand zur tatsächlichen Thermo-Desorptionsschwelle auf. Resultierend werden höhere Zeitanteile als erforderlich in einem verbrauchsungünstigeren Betriebsmodus gefahren. Sinngemäß kann durch eine Ermittlung des Temperaturverlaufs im NOx-Speicherkatalysator auch nach einer Vollastfahrt mit sehr hohen Katalysatortemperaturen eine hinreichend ausgedehnte Auskühlung unter die ThermoDesorptionsschwelle festgestellt werden, so daß zu einem möglichst frühen Zeitpunkt vom Betrieb mit Lambda = 1 auf Magerbetrieb umgeschaltet werden kann.For example, in the current state of the art, the catalyst temperature determined by measuring the exhaust gas temperature both upstream and downstream of the catalytic converter become. It can also be done by measuring the exhaust gas temperature upstream of the catalytic converter and Calculate a homogeneous catalyst temperature, mainly by analyzing the Heat transfer between the catalytic converter and exhaust gas can be determined. With that certain, mean catalyst temperature, however, are effects that occur in the dynamic Operation cannot occur due to inhomogeneous temperature distribution in the catalyst capture. For example, a medium, determined NOx Storage catalyst temperature near the NOx thermal desorption limit not detected whether very large actual temperature differences between the foremost and the rearmost catalyst zone already from the foremost Catalyst zone NOx is thermally desorbed and thus a NOx breakthrough takes place. Around Excluding such effects is demonstrated by the calculated catalyst temperature threshold that of lean-burn engines to avoid NOx breakthroughs is switched to lambda = 1 operation, a large safety distance from actual thermal desorption threshold. The result is higher time shares run in a less fuel-efficient operating mode than required. Analogous can also by determining the temperature profile in the NOx storage catalytic converter sufficient after a full load run with very high catalyst temperatures extensive cooling below the thermal desorption threshold can be determined, see above that at the earliest possible point in time from operation with lambda = 1 to lean operation can be switched.
Vorteilhaft wäre somit die Kenntnis der über eine Berechnung bestimmten örtlichen Temperaturverteilung im Katalysator, um idealerweise jedem infinitesimal kleinen Katalysatorelement eine Temperatur und resultierend - gegebenenfalls in Kombination mit weiteren Eingangsgrößen - spezifische Konvertierungs- und Speichereigenschaften zuordnen zu können. Aus der Summe der Eigenschaften jedes einzelnen Katalysatorelementes ergibt sich eine Verhaltensprognose des Gesamtkatalysators, die gegenüber der Betrachtung des Katalysators als einem Element deutlich präziser das reale Verhalten des Katalysators widerspiegelt. Zeitpunkt und Umfang von Eingriffen in den Betriebsmodus der Brennkraftmaschine richten sich dann besser nach dem realen Verhalten des Abgasreinigungssystems, da die Eingriffsschwellen näher an die kritischen Größen des Katalysators herangeführt werden können.It would therefore be advantageous to know the local location determined via a calculation Temperature distribution in the catalyst, ideally every infinitesimally small Catalyst element a temperature and resulting - if necessary in combination with additional input variables - specific conversion and storage properties to be able to assign. From the sum of the properties of each one Catalyst element results in a behavioral forecast of the overall catalyst, the compared to considering the catalytic converter as an element, this is much more precise reflects real behavior of the catalyst. Time and extent of interventions in the operating mode of the internal combustion engine is then better based on the real one Behavior of the emission control system, since the intervention thresholds are closer to the critical sizes of the catalyst can be introduced.
Seitens der Fahrzeug- und Katalysatorhersteller sind in der Vergangenheit mehrere Programme zur Berechnung der Katalysatortemperatur und des Konvertierungsverhaltens entwickelt worden. Die dabei verwendeten, sehr genau abbildenden Berechnungsalgorithmen sind jedoch wegen ihrer Struktur und ihres Umfangs nicht für die Einbindung in Motor-Steuergeräte geeignet, da der Softwareumfang, die Hardwareanforderungen, Art und Umfang der erforderlichen Eingangsgrößen und die Rechenzeiten deutlich über den Möglichkeiten gegenwärtiger und in naher Zukunft zu erwartender Steuergeräte liegen.The vehicle and catalytic converter manufacturers have had several in the past Programs for calculating the catalyst temperature and the Conversion behavior has been developed. The used very precisely imaging calculation algorithms are because of their structure and Scope not suitable for integration in engine control units because of Software scope, the hardware requirements, type and scope of the required Input variables and the computing times clearly above the possibilities of current ones and control units to be expected in the near future.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Berechnung der Temperaturverteilung zu schaffen, das bei wesentlich geringerem Umfang und unter Inkaufnahme einer gewissen Ungenauigkeit Aussagen über die örtliche Temperaturverteilung im Katalysator ermöglicht. Ferner wird ein Verfahren zur Steuerung eines Speicherkatalysators unter Verwendung dieses Berechnungsverfahrens angegeben.The invention is therefore based on the object of a method for calculating the To create temperature distribution that is much smaller and below Accepting a certain inaccuracy statements about the local Temperature distribution in the catalyst enables. Furthermore, a method for Control of a storage catalytic converter using this Calculation method specified.
Die Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 und der Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 14 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved by the method according to claim 1 and the use of the Method according to claim 14 solved. Preferred embodiments of the invention are Subject of the subclaims.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Berechnung der Temperaturverteilung wird zur Vereinfachung des Systems die radiale Temperaturverteilung als konstant angenommen, der Katalysator wird in n hintereinander angeordnete Segmente unterteilt und die Temperatur jedes Segment bestimmt. Dabei ist n eine natürliche Zahl größer Eins. Die jedem n zugeordneten Segmente können dabei unterschiedlich lang sein, um eine bessere Anpassung zu erreichen. Durch Unterteilung des Katalysators in n hintereinander angeordnete Segmente wird die Zahl der zu berechnenden Katalysatorelemente auf ein praxisgerechtes Maß begrenzt. According to the inventive method for calculating the temperature distribution the radial temperature distribution is considered constant to simplify the system Assume that the catalyst is divided into n segments arranged one behind the other and determines the temperature of each segment. Here n is a natural number larger One. The segments assigned to each n can be of different lengths in order to to achieve better customization. By dividing the catalyst into n successive segments will be the number of segments to be calculated Catalyst elements limited to a practical level.
Vorzugsweise wird der Katalysator in n Scheiben zu je 1/n seiner Gesamtlänge unterteilt. Die Zahl n kann dabei zwischen 1 und unendlich liegen; unter realen Berechnungsbedingungen wird n zwischen 2 und 50, vorteilhaft zwischen 3 und 12 und insbesondere zwischen 5 und 7 betragen.The catalyst is preferably in n disks of 1 / n each of its total length divided. The number n can be between 1 and infinity; under real Calculation conditions will be between 2 and 50, advantageously between 3 and 12 in particular between 5 and 7.
Ein Wärmeübergang zwischen den Scheiben findet im wesentlichen nur durch das durchströmende Gas statt. Die axiale Wärmeleitung wird daher vorzugsweise zu Null gesetzt; sie kann jedoch für besondere Anwendungsfälle in die nachfolgend aufgelisteten Berechnungsalgorithmen mit aufgenommen werden.A heat transfer between the panes takes place essentially only through the flowing gas instead. The axial heat conduction is therefore preferably zero set; however, it can be used for special applications in the following listed calculation algorithms are included.
Zunächst wird der adiabate Wärmeübergang zwischen dem Abgas und der Katalysatorscheibe und damit die durch thermische Energieübertragung erzielte Temperaturänderung des Abgases und der Katalysatorscheibe berechnet. Anschließend wird abhängig vom Abgasmassenstrom und von der Temperatur jeder einzelnen Katalysatorscheibe eine örtlich variable Umsetzung der anströmenden Schadstoffe angenommen. Die Wärmeverluste über den Katalysator werden näherungsweise in Abhängigkeit von der Temperatur der Katalysatorscheibe berücksichtigt.First, the adiabatic heat transfer between the exhaust gas and the Catalyst disc and thus the one achieved by thermal energy transfer Temperature change of the exhaust gas and the catalyst disc calculated. Subsequently becomes dependent on the exhaust gas mass flow and the temperature of each individual Catalyst disc a locally variable implementation of the incoming pollutants accepted. The heat losses over the catalyst are approximately in Dependence on the temperature of the catalytic converter disc is taken into account.
Zur Berechnung des thermischen Wärmeübergangs zwischen Abgas und Katalysator an jeder einzelnen Katalysatorscheibe, des Energieübergangs durch Schadstoffumsetzung und der Wärmeverluste im Vorrohr können besonders vorteilhaft die im Anhang 1 und 2 beschriebenen Algorithmen genutzt werden.To calculate the thermal heat transfer between exhaust gas and catalytic converter every single catalytic converter disc, the energy transfer due to pollutant conversion and the heat losses in the front pipe can be particularly advantageous in Appendix 1 and 2 described algorithms can be used.
Die Abgastemperatur im Vorlauf des Katalysators wird durch einen Temperaturfühler vor dem Katalysator oder durch einen Temperaturfühler hinter einem eventuell vorgeschalteten Vorkatalysator ermittelt. Im letzten Fall muß der Temperaturverlust über das Abgasrohr zwischen Vor- und Hauptkatalysator modelliert werden.The exhaust gas temperature in the flow of the catalytic converter is set by a temperature sensor the catalyst or through a temperature sensor behind one upstream pre-catalyst determined. In the latter case, the temperature loss must be above the exhaust pipe between the primary and the main catalytic converter are modeled.
Zur Berechnung der Schadstoffumsetzung und der resultierenden Temperaturerhöhung wird zunächst abhängig von der Raumgeschwindigkeit ein Profil erstellt, das den Umsetzungsanteil der Restschadstoffe an den einzelnen Katalysatorscheiben angibt. Während bei niedrigen Raumgeschwindigkeiten die Reaktion überwiegend in der oder den vordersten Katalysatorscheiben stattfindet, verlagert sich mit zunehmender Raumgeschwindigkeit die Reaktion in die weiter hinten liegenden Katalysatorscheiben. Bei sehr hohen Raumgeschwindigkeiten kann sogar der Katalysator ganz oder teilweise überlaufen werden. Mit der Temperatur der aktuell berechneten Katalysatorscheibe wird aus einem Kennfeld die für diese Berechnungsschleife zutreffende Konvertierungsrate separat für jeden einzelnen Schadstoff ermittelt.To calculate the pollutant conversion and the resulting temperature increase Depending on the space velocity, a profile is first created that corresponds to the Implementation proportion of the residual pollutants on the individual catalyst disks indicates. While at low space velocities the reaction predominantly in the or the foremost catalytic converter disks, shifts with increasing Space velocity the reaction in the catalyst disks further back. At very high space velocities, even the catalyst can be wholly or partially be overrun. With the temperature of the currently calculated catalytic converter disc from a map the conversion rate applicable for this calculation loop determined separately for each individual pollutant.
Die HC-, CO-, NOx-, O2- und H2- Rohemissionen können üblicherweise nicht gemessen werden. Es ist jedoch eine näherungsweise Bestimmung aus einem Kennfeld möglich, das aus den stationären, betriebswarmen Emissionen mit additiver oder multiplikativer Korrektur für dynamische Vorgänge und Kaltstarteffekte die realen Emissionen errechnet. Das Kennfeld wird in bekannter Weise auf einem Motorenprüfstand bestimmt.The HC, CO, NOx, O2 and H2 raw emissions can usually not be measured become. However, an approximate determination from a map is possible that from the stationary, warm emissions with additive or multiplicative Correction for dynamic processes and cold start effects the real emissions calculated. The map is determined in a known manner on an engine test bench.
Da moderne Abgasreinigungssysteme zunehmend aus einem motornahen kleinvolumigen Vorkatalysator und einem nachgeschalteten Hauptkatalysator bestehen, wird der Hauptkatalysator überwiegend nicht mehr mit der gesamten Rohemissionsmenge beaufschlagt, sondern lediglich mit einer Teilmenge. Abhängig von der Raumgeschwindigkeit des Vorkatalysators wird ein Rohemissionsanteil ermittelt, der nicht vom Vorkatalysator umgesetzt wird und somit den Hauptkatalysator beaufschlagt.As modern exhaust gas purification systems increasingly come from an engine small volume pre-catalyst and a downstream main catalyst exist, the main catalytic converter will mostly no longer work with the entire Raw emissions amount applied, but only with a partial amount. Depending on A raw emission share is determined for the space velocity of the pre-catalyst is not implemented by the pre-catalyst and thus acts on the main catalyst.
Das temperaturabhängige Konvertierungsverhalten des Vorkatalysators nach einem Kaltstart muß dabei nicht berücksichtigt werden, da davon auszugehen ist, daß der Vorkatalysator aufgrund seiner Anordnung, Beschichtung und Masse schneller anspringt als der Hauptkatalysator und daß bei Einsetzen katalytischer Reaktionen auf dem Hauptkatalysator der Vorkatalysator seine Arbeitstemperatur und damit seine maximale temperaturabhängige Konvertierungsrate bereits erreicht hat.The temperature-dependent conversion behavior of the pre-catalyst after a Cold start does not have to be taken into account, since it can be assumed that the Pre-catalytic converter starts up faster due to its arrangement, coating and mass as the main catalyst and that when catalytic reactions begin on the Main catalytic converter the pre-catalytic converter its working temperature and thus its maximum temperature-dependent conversion rate has already been reached.
Mit der Temperatur und der Raumgeschwindigkeit wird - wie oben beschrieben - die Konvertierungsrate der Katalysatorscheibe berechnet. Die anströmenden berechneten Rest-Schadstoffe werden auf der Katalysatorscheibe ganz oder teilweise unter Beachtung des Restsauerstoffangebotes umgesetzt. Die Energiebilanz an der Katalysatorscheibe ist anschließend nochmals unter Einbeziehung der umgesetzten chemischen Energie durchzurechnen, um die abströmende adiabate Abgastemperatur zu ermitteln. Die Abgas- und Katalysatorscheibentemperatur werden abschließend noch um den Wärmeverlust korrigiert.With the temperature and the space velocity - as described above - the Conversion rate of the catalytic converter disc calculated. The inflowing calculated Residual pollutants are wholly or partly under on the catalytic converter disc Consideration of the residual oxygen supply implemented. The energy balance at the The catalytic converter is then implemented again, including the chemical energy to calculate the outgoing adiabatic exhaust gas temperature to investigate. The exhaust gas and catalytic converter disc temperatures are still final corrected for heat loss.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen Figur erläutert.A preferred embodiment of the invention is described below with reference to the only one Figure explained.
Die Figur zeigt schematisch den Ablaufplan der Berechnung des Temperaturprofils eines Katalysators für einen Zeitschritt wobei als Berechnungsfrequenz ist 0,1 bis 10 Hz, vorteilhaft um 0,5 bis 2 Hz und insbesondere sind 1 Hz empfehlenswert ist.The figure shows schematically the flow chart of the calculation of the temperature profile a catalyst for a time step, the calculation frequency being 0.1 to 10 Hz, advantageously around 0.5 to 2 Hz and in particular 1 Hz is recommended.
Zur Berechnung der Temperaturverteilung des Katalysators werden verschiedene Eingangsgrößen benötigt, die in zwei Nebenrechnungen ermittelt werden, wobei die Eingangsgrößen zur Berechnung einer Scheibe i von den Ergebnissen der Berechnung der Temperatur der Scheibe i-1 abhängen können.Various are used to calculate the temperature distribution of the catalyst Input variables required, which are determined in two secondary calculations, the Input variables for calculating a slice i from the results of the calculation can depend on the temperature of the disc i-1.
Aus der Größe Rohemissionen 1, die einem auf einem Prüfstand ermittelten Kennfeld entnommen werden, sowie einem Motordynamik-Korrekturfaktor 2 und einem Kühlmittel- Korrekturtaktor 3 werden in 4 die Emissionen vor dem Vorkatalysator berechnet. Die genannten Korrekturfaktoren 2 und 3 werden auf bekannte Weise bestimmt. In 5 wird aus den in 4 errechneten Emissionen die katalytische Umsetzung der Emissionen im Vorkatalysator berechnet, wobei zu dieser Berechnung eine weitere Eingangsgröße notwendig ist, und zwar die im Schritt 7 bestimmte Konvertierungsrate des Vorkatalysators für jeden Schadstoff, die abhängig ist von der Raumgeschwindigkeit des Abgases. Die Raumgeschwindigkeit des Abgases wird vom Block 6 bereitgestellt. Aus der im Block 5 erfolgten Berechnung der katalytischen Umsetzung der in 4 korrigierten Rohemissionen 1 ergibt sich die vor dem Katalysator anstehenden Emissionen 8, genauer gesagt die Emissionen 8, die vor der ersten Katalysatorscheibe anstehen. Bei diesen Emissionen handelt es sich um die HC-, CO-, NOx-, H2 und O2-Massenströme.The emissions are calculated prior to the primary catalytic converter in 4 out of the raw emissions size 1, that are taken from a characteristic field determined on a test bench, as well as a motor dynamic correction factor 2 and a coolant Korrekturtaktor. 3 The correction factors 2 and 3 mentioned are determined in a known manner. 5, the catalytic conversion of emissions from the calculated in 4 emissions calculated in the pre-catalyst, wherein this calculation, a further input variable is necessary, namely the determined at step 7 Conversion Rate of pre-catalyst for each pollutant, which is dependent on the space velocity of the exhaust gas , The space velocity of the exhaust gas is provided by block 6 . From made in block 5 Calculation of the catalytic conversion of the corrected in 4 1 raw emissions, emissions 8, the queue before the first catalyst disk results in the pressure upstream of the catalytic converter 8 emissions, specifically. These emissions are the HC, CO, NOx, H2 and O2 mass flows.
Mittels einer Messung der Luftmasse in Schritt 9 und der Messung der Temperatur in Schritt 10 wird in Schritt 11 der Massenstrom und die Temperatur des Abgases hinter dem Vorkatalysator bestimmt. Mittels beispielsweise des im Anhang 2. dargestellten Algorithmus wird im Schritt 12 eine Berechnung der Einflüsse des Vorrohres vorgenommen und es ergibt sich im Schritt 13 die Temperatur und der Massenstrom des Abgases vor der ersten Katalysatorscheibe. Im Schritt 14 wird aus den Daten des vorangegangenen Schrittes 13 die vorläufige Temperatur t'Kat,1 der ersten Katalysatorscheibe bestimmt. Die Bestimmung dieser vorläufigen Temperatur kann nach der im Anhang 1.1 angegebenen Gleichung (3) erfolgen. In Schritt 15 wird aus der vorläufigen Temperatur der ersten Katalysatorscheibe die Temperaturerhöhung durch Exothermie berechnet und es ergibt sich die reale Temperatur tKat,1 der Katalysatorscheibe und die Temperatur des Abgases in der ersten Katalysatorscheibe tAbg,1. Eine Möglichkeit der Berechnung ist durch die Algorithmen in Anhang 1.2 gegeben. Um die Temperaturerhöhung durch Exothermie berechnen zu können, werden die in Schritt 8 ermittelten Emissionen vor der ersten Katalysatorscheibe benötigt. Ferner wird die Konvertierungsrate der ersten Katalysatorscheibe, und zwar die Konvertierungsrate jedes im Abgas vorhandenen Schadstoffes. Diese Konvertierungsraten werden im Schritt 16 unter Berücksichtigung der raumgeschwindigkeitsabhängigen Konvertierungsrate des Vorkatalysators (Schritt 7) und der vorläufigen Temperatur t'Kat,1 der ersten Katalysatorscheibe (Schritt 14) aus einem auf einem Motorprüfstand ermittelten Kennfeld bestimmt. Die Ermittlung der Temperatur der ersten Katalysatorscheibe ist damit abgeschlossen.By measuring the air mass in step 9 and measuring the temperature in step 10 , the mass flow and the temperature of the exhaust gas downstream of the pre-catalyst are determined in step 11 . Using, for example, the one in Appendix 2 . The algorithm shown is calculated in step 12 of the influences of the front pipe and results in step 13 the temperature and the mass flow of the exhaust gas upstream of the first catalytic converter disk. In step 14 , the preliminary temperature t ′ Kat, 1 of the first catalytic converter disk is determined from the data from the previous step 13 . This provisional temperature can be determined according to equation (3) given in Appendix 1.1. In step 15 , the temperature increase due to exothermic energy is calculated from the preliminary temperature of the first catalyst disk and the real temperature t Kat, 1 of the catalyst disk and the temperature of the exhaust gas in the first catalyst disk t Abg, 1 result . One possibility of the calculation is given by the algorithms in Appendix 1.2. In order to be able to calculate the temperature increase due to exothermic energy, the emissions determined in step 8 are required before the first catalytic converter disk. Furthermore, the conversion rate of the first catalytic converter disc, namely the conversion rate of each pollutant present in the exhaust gas. These conversion rates are determined in step 16 , taking into account the space velocity-dependent conversion rate of the pre-catalytic converter (step 7 ) and the provisional temperature t ' Kat, 1 of the first catalytic converter disk (step 14 ) from a characteristic diagram determined on an engine test bench. This concludes the determination of the temperature of the first catalytic converter disk.
Im Schritt 17 wird, beispielsweise entsprechend dem der Gleichung 7 zugrundeliegenden Algorithmus die Abkühlung des Abgases ermittelt und es ergibt sich die Temperatur des Abgases vor der zweiten Katalysatorscheibe t'Abg,2. Ferner wird die im Schritt 15 berechnete Temperaturerhöhung durch exotherme Reaktionen in der ersten Katalysatorscheibe verursacht. Diese Reaktionen haben Auswirkungen auf die Emissionen vor der zweiten Katalysatorscheibe, so daß im Schritt 18 die Emissionen vor der zweiten Katalysatorscheibe bestimmt werden, mit anderen Worten, die vor der zweiten Katalysatorscheibe anstehenden HC-, CO-, NOx-, H2- und O2-Massenströme. Das Verfahren erfolgt für die zweite und jede weitere Scheibe analog zur Berechnung der ersten Scheibe. Im Folgenden wird daher nur summarisch die Bedeutung der folgenden Verfahrensschritte aufgeführt, wobei in der Figur die Berechnung für drei Scheiben, nämlich 1, 2 und 3 bzw. n, dargestellt ist.In step 17 , the cooling of the exhaust gas is determined, for example in accordance with the algorithm on which equation 7 is based, and the temperature of the exhaust gas in front of the second catalytic converter disk t ' Abg, 2 is obtained . Furthermore, the temperature increase calculated in step 15 is caused by exothermic reactions in the first catalyst disk. These reactions have an effect on the emissions in front of the second catalytic converter disk, so that in step 18 the emissions in front of the second catalytic converter disk are determined, in other words, the HC, CO, NOx, H2 and O2 mass flows. The procedure for the second and each additional slice is analogous to the calculation of the first slice. The meaning of the following method steps is therefore only summarized below, the calculation for three disks, namely 1, 2 and 3 or n, being shown in the figure.
In Schritt 19 erfolgt die Bestimmung der vorläufigen Temperatur t'Kat,2 der zweiten Katalysatorscheibe; in Schritt 20 wird die Erhöhung der Temperatur aufgrund der Exothermie berechnet (tKat,2, tAbg,2); Schritt 21 beinhaltet die Ermittlung der Konvertierungsraten in der zweiten Katalysatorscheibe für jeden Schadstoff; die Abkühlung des Abgases und damit die Temperatur t'Abg,3 des Abgases vor der dritten oder n-ten Scheibe wird im Schritt 22 festgelegt; im Schritt 23 werden die Emissionen vor der n-ten Katalysatorscheibe bestimmt; Schritt 24 beinhaltet die Bestimmung der vorläufigen Temperatur t'Kat,n; Schritt 25 umfaßt die Berechnung der Temperaturerhöhung durch Exothermie und damit die Ermittlung von tKat,n, und tAbg,n; in Schritt 26 werden die Konvertierungsraten in der n-ten Katalysatorscheibe für jeden Schadstoff ermittelt; und in Schritt 27 wird die Abgasabkühlung des von der n-ten Scheibe abströmenden Abgases t'Abg,n+1 bestimmt.In step 19 , the provisional temperature t ' Kat, 2 of the second catalyst disk is determined; in step 20 the increase in temperature based on the exothermic energy is calculated (t Kat, 2 , t Abg, 2 ); Step 21 includes determining the conversion rates in the second catalyst disk for each pollutant; the cooling of the exhaust gas and thus the temperature t ′ exhaust , 3 of the exhaust gas upstream of the third or nth disk is determined in step 22 ; in step 23 , the emissions in front of the nth catalytic converter disk are determined; Step 24 includes determining the preliminary temperature t ' Kat, n ; Step 25 comprises the calculation of the temperature increase due to exothermic energy and thus the determination of t Kat, n , and t Abg, n ; in step 26 the conversion rates in the nth catalytic converter disk are determined for each pollutant; and in step 27 the exhaust gas cooling of the exhaust gas t ' Abg, n + 1 flowing out of the nth disk is determined.
Für die hier anschließenden Betrachtungen werden die folgenden Definitionen getroffen:
AKat Katalysatoroberfläche
AKRohr Oberfläche Katalysatorcanning (Hüllrohr)
ARohr Rohroberfläche
Cp,Abg spezifische Wärmekapazität des Abgases
Cp,Kat spezifische Wärmekapazität des Katalysators,
Cp,Rohr spezifische Wärmekapazität des Rohres
HU,Schadstoff Heizwert der Schadstoffe
mKat Katalysatormasse,
mRohr Rohrmasse
Schadstoff Schadstoffmassenstrom
Abg Abgasmassenstrom
RK Konvertierungsrate
tAbg Abgastemperatur
tKat Katalysatortemperatur
t'Kat Katalysatortemperatur am Eintritt in die Katalysatorscheibe
tU Umgebungstemperatur
tRohr Rohrtemperatur
α Wärmeübergangskoeffizient
αAK Wärmeübergangskoeffizient Abgas-Katalysator
αAR Wärmeübergangskoeffizient Abgas-Rohr
αKRU Wärmeübergangskoeffizient Katalysatorcanning-Umgebung
Δτ Zeitintervall
τ ZeitThe following definitions are made for the following considerations:
A Kat catalyst surface
A CRray surface catalyst scanning (cladding tube)
A pipe pipe surface
C p, Abg specific heat capacity of the exhaust gas
C p, cat specific heat capacity of the catalyst,
C p, pipe specific heat capacity of the pipe
H U, pollutant calorific value of the pollutants
m Kat catalyst mass,
m pipe pipe mass
Pollutant mass flow
Abg exhaust gas mass flow
R K conversion rate
t Exhaust gas temperature
Kat catalyst temperature t
t ' Kat catalyst temperature at the entry into the catalyst disc
t U ambient temperature
t pipe pipe temperature
α heat transfer coefficient
α AK exhaust gas catalytic converter heat transfer coefficient
α AR exhaust gas pipe heat transfer coefficient
α KRU heat transfer coefficient catalyst scanning environment
Δτ time interval
τ time
Weiter haben die verwendeten Indizes folgende Bedeutung:
' Eintritt in die Katalysatorscheibe
i örtlicher Laufindex
τ zeitlicher LaufindexThe indices used also have the following meaning:
'' Entry into the catalytic converter disc
i local running index
τ temporal running index
Allgemein läßt sich die Erwärmung eines Katalysators durch die folgende
Differentialgleichung (1) beschreiben:
In general, the heating of a catalyst can be described by the following differential equation (1):
Dabei erfüllt die obige Differentialgleichung (1) folgende Randbedingung:
The above differential equation (1) fulfills the following boundary condition:
t'Kat(τ = 0) = τU (2)t ' Kat (τ = 0) = τ U (2)
Aus der formalen Lösung der obigen Differentialgleichung unter Berücksichtigung der
Randbedingung läßt sich die Temperatur des Katalysators in örtlichen (Laufindex i) und
zeitlichen Schleifen (Laufindex τ) errechnen. Als Erwärmung ergibt sich am Eintritt in die
Katalysatorscheibe i:
The temperature of the catalyst can be calculated in local (running index i) and temporal loops (running index τ) from the formal solution of the above differential equation taking into account the boundary condition. The heating results at the entrance to the catalyst disk i:
Bei einer zeitlichen Änderung der Abgastemperatur wird zur Berechnung der Laufindex τ neu gestartet und als Randbedingung die bisherige Katalysatortemperatur tKat,i τ -1 eingesetzt. Es ist jedoch auch möglich, daß mit dem Zeitintervall Δτ und der Randbedingung für die vorherige Katalysatortemperatur gerechnet wird. Der Wärmeübergangskoeffizient α wird mit Hilfe der bekannten Nusseltzahl für den vorliegenden Strömungszustand näherungsweise ermittelt. If the exhaust gas temperature changes over time, the running index τ is restarted for calculation and the previous catalyst temperature t Kat, i τ -1 is used as a boundary condition. However, it is also possible to use the time interval Δτ and the boundary condition for the previous catalyst temperature. The heat transfer coefficient α is approximately determined using the known Nusselt number for the current flow state.
Mit Hilfe einer vorläufigen Katalysatortemperatur kann eine Konvertierungsrate RK der
aktuellen Katalysatorscheibe aus einem Kennfeld mit den Eingangsdaten t'Kat,i und der
örtlichen Raumgeschwindigkeit ermittelt werden. Bei der Berechnung der
Energieübertragung durch die Schadstoffumsetzung im Katalysator wird sowohl der
vorhandene Restsauerstoffgehalt als auch die Konvertierung im Vorkatalysator
berücksichtigt. Aus der Energiebilanz läßt sich in bekannter Weise die Temperatur des
Abgases berechnen:
With the aid of a preliminary catalyst temperature, a conversion rate R K of the current catalyst disk can be determined from a map with the input data t ' Kat, i and the local space velocity. When calculating the energy transfer due to the conversion of pollutants in the catalytic converter, both the existing residual oxygen content and the conversion in the pre-catalytic converter are taken into account. The temperature of the exhaust gas can be calculated in a known manner from the energy balance:
Aus dieser Abgastemperatur, die die chemischen Umsätze berücksichtigt, läßt sich die
reale Temperatur der betrachteten Katalysatorscheibe wie folgt ermitteln:
From this exhaust gas temperature, which takes into account the chemical conversions, the real temperature of the catalytic converter disc under consideration can be determined as follows:
Durch die Wärmeabgabe des Abgases an die Katalysatorscheibe kühlt sich das Abgas
ab und aus der Energiebilanz
The exhaust gas cools down and out of the energy balance due to the heat emission of the exhaust gas to the catalytic converter disk
ergibt sich die Abgastemperatur an der nächsten Katalysatorscheibe:
the exhaust gas temperature at the next catalytic converter disc results:
An der Katalysatoroberfläche treten Wärmeverlust, beispielsweise durch Abstrahlung
oder Konvektion, auf, so daß sich ein radialer Temperaturgradient ausbildet. Diese
Wärmeverlust werden überschlagsmäßig bestimmt. Wiederum über eine Energiebilanz
Heat loss occurs on the catalyst surface, for example due to radiation or convection, so that a radial temperature gradient is formed. These heat losses are determined roughly. Again about an energy balance
wird dann die sich ergebende Temperatur der Katalysatorscheibe ermittelt:
the resulting temperature of the catalyst disc is then determined:
Die Erwärmung des Vorrohrs, das als isotherm angenommen wird, läßt sich wie folgt
berechnen:
The heating of the front pipe, which is assumed to be isothermal, can be calculated as follows:
Die Berechnung der Abkühlung des Abgases kann über eine entsprechende
Anwendung der Gleichung (7) erfolgen, wobei in dieser Gleichung die Größen des
Katalysators durch diejenigen des Vorrohres ersetzt werden. Die Temperatur des
Vorrohrs wird durch Wärmeabgabe an die Umgebung herabgesetzt, wobei diese
Verluste durch Konvektion oder Strahlung erfolgen. Unter Vernachlässigung der
Strahlungsverluste und ausschließlicher Berücksichtigung der Konvektionsverluste,
ergibt sich schließlich eine Temperatur des Vorrohrs von:
The calculation of the cooling of the exhaust gas can be carried out by applying equation (7) accordingly, in which equation the sizes of the catalyst are replaced by those of the front pipe. The temperature of the front pipe is reduced by heat being released to the surroundings, these losses being caused by convection or radiation. Neglecting the radiation losses and only taking the convection losses into account, the temperature of the front pipe is:
11
Rohemissionen aus Kennfeld
Raw emissions from map
22
Korrekturfaktor Motordynamik
Correction factor motor dynamics
33
Korrekturfaktor Kühlmitteltemperatur
Correction factor coolant temperature
44
Emissionen vor dem Vorkatalysator
Emissions before the pre-catalyst
55
Katalytische Umsetzung im Vorkatalysator
Catalytic conversion in the pre-catalyst
66
Raumgeschwindigkeit des Abgases
Exhaust gas space velocity
77
Konvertierungsrate des Vorkatalysators bei Arbeitstemperatur
Conversion rate of the pre-catalyst at working temperature
88th
Emissionen vor der ersten Katalysatorscheibe
Emissions in front of the first catalytic converter disc
99
Luftmassenmessung
Air mass measurement
1010
Temperaturmessung Abgas nach Vorkatalysator
Exhaust gas temperature measurement after pre-catalyst
1111
Abgas nach Vorkatalysator
Exhaust gas after the pre-catalyst
1212
Berechnung Vorrohr
Calculation downpipe
1313
Abgas vor erster Katalysatorscheibe
Exhaust gas in front of the first catalytic converter disc
1414
vorläufige Temperatur der ersten Katalysatorscheibe
preliminary temperature of the first catalyst disk
1515
Temperaturerhöhung durch Exothermie der ersten Katalysatorscheibe
Exothermic temperature of the first catalytic converter increases the temperature
1616
Konvertierungsraten der ersten Katalysatorscheibe
Conversion rates of the first catalytic converter disk
1717
Abgaskühlung
exhaust gas cooling
1818
Emissionen vor der zweiten Katalysatorscheibe
Emissions in front of the second catalytic converter disc
1919
vorläufige Temperatur der zweiten Katalysatorscheibe
preliminary temperature of the second catalyst disk
2020
Temperaturerhöhung durch Exothermie der zweiten Katalysatorscheibe
Exothermic temperature of the second catalytic converter disc increases the temperature
2121
Konvertierungsraten der zweiten Katalysatorscheibe
Conversion rates of the second catalyst disk
2222
Abgaskühlung
exhaust gas cooling
2323
Emissionen vor der n-ten Katalysatorscheibe
Emissions in front of the nth catalytic converter disc
2424
vorläufige Temperatur der n-ten Katalysatorscheibe
provisional temperature of the nth catalyst disk
2525
Temperaturerhöhung durch Exothermie der n-ten Katalysatorscheibe
Exothermic temperature increase due to the nth catalytic converter disc
2626
Konvertierungsraten der n-ten Katalysatorscheibe
Conversion rates of the nth catalytic converter disk
2727
Abgaskühlung
exhaust gas cooling
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