DE102009058089A1 - Determining the linear relationship of two signals determined by means of NOx sensors in an SCR exhaust aftertreatment system - Google Patents
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Abstract
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Messverfahren für ein SCR-Abgasnachbehandlungssystem eines Fahrzeugs, wobei das SCR-Abgasnachbehandlungssystem einen ersten NOx-Sensor, welcher abgasstromaufwärts des SCR-Katalysators und der Harnstoff-Einbringungsvorrichtung angeordnet ist, und einen zweiten NOx-Sensor, welcher in dem SCR-Katalysator oder abgasstromabwärts des SCR-Katalysators angeordnet ist, umfasst.
Gemäß dem Verfahren wird ein erstes Signal mittels des ersten NOx-Sensors bestimmt. Dieses erste Signal kann auch ein zeitlich verzögertes Signal sein. Außerdem wird ein zweites Signals mittels eines zweiten NOx-Sensors bestimmt. Basierend auf dem ersten und dem zweiten Signal wird eine Linearitätsangabe (beispielsweise ein Korrelationskoeffizient) ermittelt, welche ein Maß für den linearen Zusammenhang zwischen beiden Signalen ist.
Die Linearitätsangabe lässt sich dazu verwenden, um zwischen NOx-Schlupf oder NH3-Schlupf zu differenzieren.A first aspect of the invention relates to a measurement method for an SCR exhaust aftertreatment system of a vehicle, wherein the SCR exhaust aftertreatment system includes a first NOx sensor disposed downstream of the SCR catalyst and the urea introduction device, and a second NOx sensor disposed in the SCR catalyst or downstream of the SCR catalytic converter is arranged comprises.
According to the method, a first signal is determined by means of the first NOx sensor. This first signal may also be a delayed signal. In addition, a second signal is determined by means of a second NOx sensor. Based on the first and the second signal, a linearity indication (for example, a correlation coefficient) is determined, which is a measure of the linear relationship between the two signals.
The linearity specification can be used to differentiate between NOx slip or NH3 slip.
Description
Die Erfindung betrifft SCR-Abgasnachbehandlungssysteme (SCR – selective catalytic reduction).The invention relates to SCR exhaust gas aftertreatment systems (SCR - selective catalytic reduction).
Ein Verfahren zum Senken von Stickoxid-Emissionen in Kraftfahrzeug-Dieselmotoren ist das sogenannte SCR-Verfahren, d. h. die selektive katalytische Reduktion von Stockoxiden. Zum Ablauf der Reaktion wird Ammoniak (NH3) verwendet. Die Produkte der Reaktion sind Wasser (H2O) und Stickstoff (N2). Der für die SCR-Reaktion verwendete Ammoniak wird in Form einer wässrigen Harnstofflösung (typischerweise 32,5 Prozent Harnstoff) vor dem SCR-Katalysator in den Abgasstrang eingebracht, beispielsweise mittels Dosierpumpe oder Injektor eingespritzt. Aus der Harnstoff-Wasser-Lösung entstehen durch eine Hydrolyse-Reaktion Ammoniak und CO2. Der Ammoniak reagiert in einem speziellen SCR-Katalysator mit den Stickoxiden im Abgas.One method for reducing nitrogen oxide emissions in automotive diesel engines is the so-called SCR process, ie the selective catalytic reduction of stock oxides. Ammonia (NH3) is used to complete the reaction. The products of the reaction are water (H 2 O) and nitrogen (N 2 ). The ammonia used for the SCR reaction is introduced in the form of an aqueous urea solution (typically 32.5 percent urea) before the SCR catalyst in the exhaust line, for example by means of metering pump or injector injected. From the urea-water solution formed by a hydrolysis reaction ammonia and CO 2 . The ammonia reacts with the nitrogen oxides in the exhaust gas in a special SCR catalytic converter.
SCR-Katalysatoren können in Abhängigkeit ihrer Größe nur eine bestimmte Menge von NH3 speichern. Die Harnstoff-Dosierung sollte im Mittel dem zur Reduktion der Stickoxid-Emissionen nötigen Harnstoff entsprechen. Hierbei ist zu beachten, dass die motorische Stickoxid-Emission von der jeweiligen Drehzahl und dem jeweiligen Drehmoment des Motors abhängig ist, so dass die Harnstoff-Dosierung entsprechend angepasst werden sollte. Wenn die Harnstoff-Dosierung zu gering ist, kommt es zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrads der Stockoxid-Reduktion. Dies wird auch als NOx-Schlupf bezeichnet, d. h. der SCR-Katalysator lässt zu viel Stickoxid passieren. Falls jedoch die Harnstoff-Dosierung zu hoch ist, so kann der resultierende Ammoniak aufgrund des Ammoniak-Überangebots nicht in ausreichender Menge mit den Stickoxiden reagieren. In diesem Fall kann Ammoniak in die Umgebung gelangen, was zu einer Geruchsbelästigung führen kann. Man spricht in diesem Fall auch von NH3-Schlupf.Depending on their size, SCR catalysts can only store a certain amount of NH3. The urea dosage should correspond on average to the urea necessary to reduce nitrogen oxide emissions. It should be noted that the engine nitrogen oxide emission is dependent on the respective speed and the respective torque of the engine, so that the urea dosage should be adjusted accordingly. If the urea dosage is too low, the efficiency of the stock oxide reduction deteriorates. This is also referred to as NOx slippage, i. H. the SCR catalyst lets too much nitrogen oxide pass through. However, if the urea dosage is too high, the resulting ammonia may not react with the nitrogen oxides in sufficient quantity due to the ammonia over-supply. In this case, ammonia can enter the environment, which can lead to an odor nuisance. In this case one also speaks of NH3-slip.
Derzeit in Fahrzeuganwendungen eingesetzte NOx-Sensoren können nicht zwischen NOx und NH3 differenzieren; NOx-Sensoren haben nämlich eine sogenannte NH3-Querempfindlichkeit. Deshalb ist es nicht möglich, aus dem hinter dem SCR-Katalysator
Aus der Druckschrift
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Messverfahren anzugeben, welches trotz der NH3-Querempfindlichkeit des zweiten NOx-Sensors eine Differenzierung zwischen NOx-Schlupf und NH3-Schlupf ermöglicht, d. h. welches es ermöglicht zu differenzieren, ob der vom zweiten NOx-Sensor detektierte Stoff NOx oder NH3 ist. Ferner zielt die Erfindung auf die Angabe einer entsprechenden Vorrichtung. Ferner ist die Erfindung auf die Angabe eines dieses Messverfahren nutzende Regelverfahren zur Regelung der Harnstoff-Dosierung gerichtet.The object of the invention is to provide a measuring method which, in spite of the NH3 cross-sensitivity of the second NOx sensor, permits a differentiation between NOx slip and NH3 slip, that is to say differentiation between NOx slip and NH3 slip. H. which makes it possible to differentiate whether the substance detected by the second NOx sensor is NOx or NH3. Furthermore, the invention aims at specifying a corresponding device. Furthermore, the invention is directed to the disclosure of a control method for controlling the urea dosage using this measuring method.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.The object is solved by the features of the independent claims.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Messverfahren für ein SCR-Abgasnachbehandlungssystem eines Fahrzeugs. Ein solches SCR-Abgasnachbehandlungssystem umfasst:
- – einen SCR-Katalysator,
- – eine Harnstoff-Einbringungsvorrichtung,
- – einen ersten NOx-Sensor, welcher abgasstromaufwärts des SCR-Katalysators und der Harnstoff-Einbringungsvorrichtung angeordnet ist, und
- – einen zweiten NOx-Sensor, welcher in dem SCR-Katalysator oder abgasstromabwärts des SCR-Katalysators angeordnet ist.
- An SCR catalyst,
- A urea introduction device,
- A first NOx sensor arranged upstream of the exhaust gas upstream of the SCR catalyst and the urea introduction device, and
- A second NOx sensor disposed in the SCR catalyst or downstream of the SCR catalyst.
Gemäß dem Verfahren wird ein erstes Signal mittels des ersten NOx-Sensors bestimmt. Dieses erste Signal kann auch ein zeitlich verzögertes Signal sein; dies wird in der Beschreibung später noch genauer diskutiert. Außerdem wird ein zweites Signals mittels eines zweiten NOx-Sensors bestimmt. Basierend auf dem ersten und dem zweiten Signal wird eine Linearitätsangabe ermittelt, welche ein Maß für den linearen Zusammenhang zwischen beiden Signalen ist. According to the method, a first signal is determined by means of the first NOx sensor. This first signal may also be a delayed signal; this will be discussed in more detail later in the description. In addition, a second signal is determined by means of a second NOx sensor. Based on the first and the second signal, a linearity indication is determined, which is a measure of the linear relationship between the two signals.
Die Linearitätsangabe lässt sich dazu verwenden, um zwischen NOx-Schlupf oder NH3-Schlupf zu differenzieren. Dies wird nachfolgend genauer erklärt: Das mittels des ersten NOx-Sensors bestimmte erste Signal gibt die motorischen NOx-Emissionen vor der Harnstoff-Eindosierung an. Das mittels des zweiten NOx-Sensors bestimmte zweite Signal gibt sowohl NOx-Emissionen nach dem SCR-Katalysator als auch NH3-Emissionen nach dem SCR-Katalysator an. Für die mittels des zweiten NOx-Sensors gemessenen NOx-Emissionen besteht ein hochgradig linearer Zusammenhang zu dem mittels des ersten NOx-Sensors gemessen ersten Signal, d. h. es besteht in diesem Fall eine hohe Korrelation zwischen dem ersten und dem zweiten Signal. Die Korrelation kann dabei erhöht werden, wenn das erste und das zweite Signal durch entsprechende Verzögerung des Sensor-Signals des ersten Sensors zeitlich zueinander synchronisiert werden. Liegt hingegen am zweiten NOx-Sensor hauptsächlich NH3 vor, ist die Korrelation zwischen beiden Signalen gering.The linearity specification can be used to differentiate between NOx slip or NH3 slip. This is explained in more detail below: The first signal determined by means of the first NOx sensor indicates the engine NOx emissions before the urea dosing. The second signal determined by the second NOx sensor indicates both NOx emissions after the SCR catalyst and NH3 emissions after the SCR catalyst. For the NOx emissions measured by the second NOx sensor, there is a highly linear relationship with the first signal measured by the first NOx sensor, i. H. In this case, there is a high correlation between the first and the second signal. The correlation can be increased if the first and the second signal are synchronized with one another by a corresponding delay of the sensor signal of the first sensor. On the other hand, if NH3 is mainly present at the second NOx sensor, the correlation between the two signals is low.
Vorzugsweise wird als Linearitätsangabe ein Korrelationskoeffizient zwischen den beiden Signalen berechnet. Durch die Bestimmung des Korrelationskoeffizienten der beiden Sensorsignale lässt sich ein dimensionsloses Maß für den Grad des linearen Zusammenhangs zwischen beiden Signalen erhalten. Im Folgenden wird angenommen, dass der Betrag des Korrelationskoeffizienten maximal +1 werden kann, jedoch muss der Korrelationskoeffizient im Sinne der Erfindung nicht zwingend auf maximal 1 normiert sein. Bei einem Wert des Korrelationskoeffizienten von +1 besteht ein vollständig positiver linearer Zusammenhang zwischen den beiden Signalen. Wenn der Korrelationskoeffizient den Wert 0 aufweist, hängen die beiden Merkmale überhaupt nicht linear voneinander ab.Preferably, a correlation coefficient between the two signals is calculated as a linearity specification. By determining the correlation coefficient of the two sensor signals, a dimensionless measure of the degree of linear relationship between the two signals can be obtained. In the following, it is assumed that the magnitude of the correlation coefficient can become at most +1, but the correlation coefficient does not necessarily have to be normalized to a maximum of 1 in the sense of the invention. At a value of the correlation coefficient of +1, there is a completely positive linear relationship between the two signals. If the correlation coefficient is 0, the two features do not depend linearly on each other.
Daher kann bei einem Korrelationskoeffizienten nahe +1 auf NOx-Schlupf und bei einem Korrelationskoeffizienten nahe 0 auf NH3-Schupf geschlossen werden. Bei dem Verfahren ist es also trotz der NH3-Querempfindlichkeit des zweiten NOx-Sensors möglich, zwischen NOx-Schlupf und NH3-Schlupf zu unterscheiden.Therefore, with a correlation coefficient close to +1, NOx slip and a correlation coefficient close to 0 can be judged as NH3-shudder. Thus, in spite of the NH3 cross-sensitivity of the second NOx sensor, the method makes it possible to distinguish between NOx slip and NH3 slip.
Vorzugsweise wird zum Erhalten des ersten Signals, das Sensor-Signal des ersten NOx-Sensors zeitlich verzögert, um den Zeitverzug des Abgasstroms (d. h. der NOx-Emissionen) zwischen der Position des ersten NOx-Sensors und der Position des zweiten NOx-Sensors zumindest teilweise auszugleichen. Dieser Zeitverzug entspricht näherungsweise einer Totzeit und würde das Ergebnis verfälschen, wenn der Zeitverzug bei der Berechnung nicht berücksichtigt wird. Durch die zeitliche Synchronisierung wird im Fall von NOx-Schlupf der Grad der Linearität also weiter erhöht. Um den Einfluss des Zeitverzugs im Wesentlichen vollständig auszugleichen, wird vorzugsweise die zeitliche Verzögerung des Sensor-Signals des ersten NOx-Sensors so gewählt, dass diese ungefähr dem Zeitverzug des Abgasstroms zwischen der Position des ersten NOx-Sensors und der Position des zweiten NOx-Sensors entspricht.Preferably, to obtain the first signal, the sensor signal of the first NOx sensor is delayed in time by the time lag of the exhaust gas flow (ie, NOx emissions) between the position of the first NOx sensor and the position of the second NOx sensor at least partially compensate. This time delay corresponds approximately to a dead time and would falsify the result if the time delay is not taken into account in the calculation. Due to the temporal synchronization, the degree of linearity is therefore further increased in the case of NOx slippage. In order to substantially completely compensate for the influence of the time delay, the time delay of the sensor signal of the first NOx sensor is preferably selected such that it approximately corresponds to the time delay of the exhaust gas flow between the position of the first NOx sensor and the position of the second NOx sensor equivalent.
Die zeitliche Verzögerung kann auch inhärent dadurch realisiert werden, indem bei der Bestimmung des Korrelationskoeffizienten ein zeitlicher Offset berücksichtigt wird.The time delay can also be inherently realized by taking into account a time offset in the determination of the correlation coefficient.
Das Verfahren sieht vorzugsweise vor, dass dieser Zeitverzug in Abhängigkeit des jeweiligen Abgasvolumenstroms berechnet wird. Beispielsweise kann vorgesehen werden, dass das Verfahren den Zeitverzug des Abgasstroms (d. h. der NOx-Emissionen) zwischen der Position des ersten NOx-Sensors und der Position des zweiten NOx-Sensors aus dem Abgasvolumenstrom und dem Volumen der Abgasanlage zwischen den beiden NOx-Sensoren berechnet. Entsprechend dem jeweils berechneten Zeitverzug kann das Sensor-Signal des ersten NOx-Sensors zeitlich verzögert werden.The method preferably provides that this time delay is calculated as a function of the respective exhaust gas volume flow. For example, it can be provided that the method calculates the time delay of the exhaust gas flow (ie the NOx emissions) between the position of the first NOx sensor and the position of the second NOx sensor from the exhaust gas volume flow and the volume of the exhaust system between the two NOx sensors , In accordance with the respectively calculated time delay, the sensor signal of the first NOx sensor can be delayed in time.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren zur Regelung der Harnstoff-Einbringung in ein SCR-Abgasnachbehandlungssystem. Hierbei wird die Harnstoff-Einbringung unter Ausnutzung der vorstehend beschriebenen Linearitätsangabe geregelt. Beispielsweise kann als Regelgröße die Linearitätsangabe verwendet werden. Vorzugsweise erfolgt die Regelung jedoch auf ein mit der Linearitätsangabe (z. B. dem Korrelationsfaktor) plausibilisiertes oder bewertetes Sensorsignal des zweiten Sensors.Another aspect of the invention relates to a control method for controlling urea introduction into an SCR exhaust aftertreatment system. Here, the urea introduction is controlled by utilizing the above-described linearity. For example, the linearity specification can be used as the controlled variable. However, the regulation is preferably carried out on a sensor signal of the second sensor that is plausibilized or evaluated with the linearity specification (eg the correlation factor).
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Linearitätsangabe für ein vorstehend besprochenes SCR-Abgasnachbehandlungssystem mit zwei NOx-Sensoren in einem Fahrzeug. Dabei umfasst die Vorrichtung erste Mittel zum Bestimmen einer Linearitätsangabe (beispielsweise eines Korrelationskoeffizienten) basierend auf einem ersten Signal und einem zweiten Signal, welche ein Maß für den linearen Zusammenhang zwischen beiden Signalen ist. Dabei ist das erste Signal mittels des ersten NOx-Sensors und das zweite Signal mittels des ersten NOx-Sensors bestimmt worden.Another aspect of the invention relates to an apparatus for determining a linearity indication for a previously discussed SCR exhaust aftertreatment system having two NOx sensors in a vehicle. In this case, the device comprises first means for determining a linearity indication (for example of a correlation coefficient) based on a first signal and a second signal which is a measure for the linear relationship between both signals. In this case, the first signal has been determined by means of the first NOx sensor and the second signal by means of the first NOx sensor.
Die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Messverfahren können in gleicher Weise auch auf die Vorrichtung zum Bestimmen der Linearitätsangabe übertragen werden.The above explanations of the measuring method according to the invention can also be transferred to the apparatus for determining the linearity specification in the same way.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung ein Verzögerungselement zum zeitlichen Verzögern eines Sensors-Signals des ersten NOx-Sensors, wobei das zeitlich verzögerte Signal als erstes Signal von dem Mittel zum Bestimmen der Linearitätsangabe verwendet wird. Die zeitliche Verzögerung entspricht dabei vorzugsweise ungefähr dem Zeitverzug des Abgasstroms zwischen der Position des ersten NOx-Sensors und der Position des zweiten NOx-Sensors.Preferably, the device comprises a delay element for delaying a sensor signal of the first NOx sensor, wherein the time-delayed signal is used as the first signal from the means for determining the linearity indication. The time delay preferably corresponds approximately to the time delay of the exhaust gas flow between the position of the first NOx sensor and the position of the second NOx sensor.
Ferner umfasst die Vorrichtung vorzugsweise Mittel zum Bestimmen der zeitlichen Verzögerung, beispielsweise in Abhängigkeit des jeweiligen Abgasstroms, wie dies vorstehend anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens besprochen wurde.Furthermore, the device preferably comprises means for determining the time delay, for example as a function of the respective exhaust gas flow, as has been discussed above with reference to the method according to the invention.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein SCR-Abgasnachbehandlungssystem für ein Fahrzeug. Dieses umfasst neben den vorstehend besprochenen Komponenten eines konventionellen SCR-Abgasnachbehandlungssystems mit zwei NOx-Sensoren auch die vorstehend beschriebene Vorrichtung zum Bestimmen einer Linearitätsangabe und insbesondere auch die vorstehend beschriebene Regelung.Another aspect of the invention relates to an SCR exhaust aftertreatment system for a vehicle. This includes not only the above-discussed components of a conventional SCR exhaust aftertreatment system with two NOx sensors but also the above-described device for determining a linearity specification, and in particular the control described above.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigen:An embodiment of the invention will be described below with reference to the drawings. In these show:
Die Erfindung nutzt diesen linearen Zusammenhang zwischen den Signalen aus. Vorzugsweise wird hierzu der Korrelationskoeffizient der Signale der beiden NOx-Sensoren
Im Block
Der nachfolgende MatLab-Programm-Code beschreibt den im Block
Der in Block
In dem ersten Teilblock Initialisierung der Berechnung werden zum Start der Berechnung alle Berechnungsgrößen mit den Initialwerten belegt.In the first partial block initialization of the calculation, all calculation variables are assigned the initial values at the start of the calculation.
In dem Teilblock Neustart der Berechnung erfolgt analog zur Initialisierung ein Rücksetzen der Berechnungsgrößen, d. h. ein Neustart der Berechnung, wenn eine definierte Anzahl (num_reset) aufeinanderfolgender Messwerte ungültig ist.In the sub-block Restart of the calculation, a reset of the calculation quantities takes place analogously to the initialization. H. a restart of the calculation if a defined number (num_reset) of successive measured values is invalid.
In dem Teilblock Berechnung werden aus den gültigen Messwerten der Eingangssignale
Messwerte der Eingangssignale
Bei gültigen Werten für das Signal
Mit dem vorstehend beschriebenen Konzept ist es möglich, ohne zusätzliche Messtechnik kontinuierlich zwischen NH3- und NOx-Schlupf zu unterscheiden. With the concept described above, it is possible to continuously distinguish between NH3 and NOx slip without additional measurement technology.
Mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Konzepts können auf dem Sensorsignal des zweiten NOx-Sensors
Die Unterscheidung zwischen NH3 und NOx über die Korrelation ermöglicht es, verschiedene Anwendungen in der Abgasnachbehandlung zu verbessern. Zu diesen Anwendungen gehören beispielsweise:
- – die Berechnung des Wirkungsgrads des SCR-Katalysators,
- – die Diagnose von NOx-Schlupf,
- – die Steuerung und Regelung der Harnstoff-Dosierung,
- – die Modellierung des SCR-Katalysators,
- – die Adaption der Harnstoff-Dosierung, beispielsweise infolge von Streuungen, Alterung und Fehlern im Abgasnachbehandlungssystem.
- The calculation of the efficiency of the SCR catalyst,
- - the diagnosis of NOx slip,
- The control and regulation of the urea dosage,
- The modeling of the SCR catalyst,
- - The adaptation of the urea dosage, for example due to scattering, aging and errors in the exhaust aftertreatment system.
Das Korrelationskoeffizienten-Signal
Der ermittelte NH3-Ist-Füllstand
Der Regelkreis mit den Blöcken
Neben der vorstehend beschriebenen Dosierungsregelung wird das Korrelationskoeffizienten-Signal
Ferner wird das Korrelationskoeffizienten-Signal
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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