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Dynamische Harnstoff-Verbrauchsmessung in der Entwicklung, Produktion

und Applikation von SCR-Systemen

Dynamic Urea Consumption Measurement in Development, Production

and Application of SCR-Systems

Dr. M. Dürrwächter, Dr. H. Kammerstetter, S. Peuse, M. WernerAVL Pierburg Instruments Flow Technology GmbH, Neuss

B. HollaufAVL List GmbH PTE / DSA, Graz, Österreich

T. Sacher AVL List GmbH PTE / DEA, Graz, Österreich

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1. Einleitung Moderne Abgasnachbehandlungskonzepte für Dieselmoto-ren verwenden SCR-Systeme (Selective Catalytic Reduc-tion) wegen ihrer hohen Effizienz bei der Verringerung derStickoxid-Emission (NOx) und ihres damit verbundenenPotentials zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs durchinnermotorische Maßnahmen. Durch die erzielbaren NOx-Reduktionsraten >90% können die herausfordernd geringenGrenzwerte aktueller und zukünftiger Abgasnormen (z.B.US2010, Euro6) eingehalten werden und gleichzeitig Bei-träge zur Verminderung des Kraftstoffverbrauchs und zurWirtschaftlichkeit der Abgasnachbehandlung geleistet wer-den.

SCR-Systeme bestehen aus einem Niederdruck-Einspritz-system, welches eine wässrige Harnstofflösung (auch be-kannt unter dem Markennamen AdBlue®) als Reduktions-mittel in den Abgasstrom einsprüht und einem Katalysatorin welchem das im heißen Abgas entstandene Ammoniakmit Stickoxid zu Stickstoff und Wasser reagiert.

Um einerseits die NOx-Emissionen möglichst stark zu sen-ken und andererseits kein überständiges Ammoniak auszu-stoßen ist es entscheidend, das Reduktionsmittel AdBlue®

in allen Betriebszuständen des Motors exakt zu dosieren.Für diese Aufgabe verarbeitet die elektronische Dosiersteue-rung (DCU) die relevanten Zustandsdaten aus der Motor-steuerung (ECU) und die Messdaten von Sensoren im Ab-gastrakt. Die Dosierung erfolgt in der Regel anhand eineskomplexen Berechnungsmodells auf Basis eines gespei-cherten Kennfelds und aktueller Sensordaten.

Eine wichtige Voraussetzung für das optimale Zusammen-spiel der genannten SCR-Systemkomponenten ist zunächstdie präzise Funktion des Harnstoff-Dosiersystems. Diesewird grundlegend sichergestellt durch eine sorgfältige Über-prüfung der Dosier-Kennlinien in der Entwicklung und Pro-duktion der Niederdruck-Einspritzsysteme. Die Injektor-Charakterisierung anhand stationärer Schussmengenmes-sung erfordert ein sehr präzises Messgerät und stabile Rah-menbedingungen um die geforderte Messunsicherheit zumErreichen der Messmittelfähigkeit auch bei kleinstenDurchflussraten von unter 10g/h sicherzustellen. Das be-reits im Kraftstoffbereich bewährte AVL Shot To Shot™PLU131 Durchflussmesssystem liefert für diese Aufgabeunvergleichlich präzise Messdaten.

Die wesentlichen Applikationsaufgaben bei der Integrationdes SCR-Systems in die Abgasnachbehandlung eines Die-selmotors sind die Einstellung des Steuergeräts, d.h. dieKalibrierung der Harnstoff-Dosiermengen über das gesamteMotor-Kennfeld (Last/Drehzahl) und deren Überprüfung inEmissionszyklen. Die kontinuierliche Verbrauchsmessungder eingespritzten Harnstofflösung unterstützt dabei diedirekte Massenbilanzierung bei der Modellverifikation sowiedie Funktionsüberwachung des Einspritzsystems. Das AVLPLUrea™ Harnstoff-Verbrauchsmesssystem ermöglichtdiese hochdynamischen Messungen des transienten Ver-brauchs während Emissions-Testzyklen (ETC, FTP) am Mo-tor- oder Rollenprüfstand.

2. Messtechnische RahmenbedingungenDer Verbrauch an Harnstofflösung eines SCR-Systems liegtbei ca. 3-5% des entsprechenden Kraftstoffverbrauchs desDieselmotors. Daraus ergibt sich die besondere Herausfor-

1. Introduction Modern concepts for Diesel engine exhaust aftertreatmentinclude SCR systems (Selective Catalytic Reduction) due totheir highly efficient nitrogen oxide (NOx) reduction and therelated potential for reduced fuel consumption via engineinternal measures. With achievable NOx reduction rateshigher than 90% compliance with current and futureexhaust emission legislation (e.g. US2010, Euro6) can beaccomplished. In the same time SCR contributes to enginefuel economy and cost effectiveness of exhaust aftertreat-ment.

SCR systems consist of a low pressure injection system, anda catalyst. As a reducing agent aqueous urea solution (alsoknown under the brand name of AdBlue®) is sprayed intothe hot exhaust stream, where ammonia is created in ahydrolysis reaction. The ammonia stored in a subsequentcatalyst, where it reacts with nitrogen oxide to water andNitrogen.

In order to achieve a maximum NOx emission reduction rateon one hand and avoid ammonia slip on the other exactquantities of the reducing agent AdBlue® need to be injec-ted in every operational state of the engine. An electronicdosing control unit (DCU) receives the relevant data onengine state from the engine controller (ECU) and measure-ment data from sensors in the exhaust system. Dosing quan-tity usually is determined with complex calculation modelsbased on a stored calibration map and online sensor data.

Precise performance of the urea dosing system is an impor-tant requirement for optimized coordination between thementioned SCR system components. It is verified via inves-tigation of injector characteristics in development and pro-duction of low pressure injection systems. Injector charac-terization by steady-state injection quantity measurementrequires a very precise measurement instrument and stableenvironmental conditions for the necessary measurementuncertainty required to reach "measurement capability”down to smallest flow rates around 10g/h. The AVL Shot ToShot™ PLU131 has proven unique precision in fuel injec-tor characterization for many years.

The primary task of a SCR system application into theexhaust aftertreatment system of a diesel engine are ureadosing calibration of the control unit in all engine opera-tional states (load/speed engine map) and its test in emis-sion cycle operation. Continuous consumption measure-ment of the injected urea supports direct mass balance indosing model verification and it facilitates monitoring of theinjection system operation.

The AVL PLUrea™ Urea Consumption Measurement Systemis uniquely capable of this highly dynamic flow rate measu-rement during transient emission test cycles (e.g. ETC, FTP)on engine or chassis dyno test bed.

2. Measurement ConditionsUrea consumption of an SCR system amounts to about 3-5% of the corresponding Diesel engine fuel consumption.This implies the main challenge in urea consumption mea-

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derung der Harnstoff-Verbrauchsmessung im Vergleich zurKraftstoff-Verbrauchsmessung: Die extrem geringen Durch-flussraten bis unterhalb von 10g/h.

Aus dem geringen Durchfluss ergeben sich unmittelbar dreiwesentliche physikalische Bedingungen für eine exakteVerbrauchsmessung:

1. Eine möglichst direkte Anbindung des Messgeräts an denInjektor mit kurzer, unelastischer Leitung. Die Minimie-rung des Schadvolumens zwischen Sensor und Injektorverringert Scheindurchflüsse aufgrund von Temperatur-änderungen bzw. Druckschwankungen.

2. In der Nähe des Injektors herrschen pulsierende Druck-verhältnisse durch die niederfrequente Harnstoffein-spritzung. Diese dürfen das Messgerät nicht stören undandererseits darf das Messgerät die Druckverhältnisse imEinspritzsystem nicht verändern (kein Druckabfall bzw.∆p=0).

3. Die vollständige Entlüftung des SCR-Einspritzsystemsum eine blasenfreie Dosierung sicherzustellen. Bei denmöglichen Durchflussraten von typisch <5kg/h ist derTransport von Luftblasen im Leitungssystem in der Regelnicht ausreichend gesichert um die zügige Aus- oder Ab-scheidung zu gewährleisten.

Als Voraussetzungen einer zuverlässigen Harnstoff-Durch-flussmessung sind also ein geeignetes Durchflussmessgerätund eine Entlüftungseinrichtung in den SCR-Systemaufbauzu integrieren.

Abbildung 1 zeigt eine Übersicht der Einflüsseauf verschiedene Durch-flusssensoren an verschie-denen Messpositionen in-nerhalb des SCR-Systems.Auf die Auswahl eines fürdiese Messaufgabe geeig-neten Durchflusssensorswurde an anderer Stellebereits detailliert einge-gangen [1]. Das PLU-Messprinzip ist für dieKleinstmengenmessungunter diesen Bedingun-gen ideal geeignet. Mitihm lassen sich die ge-ringste Messunsicherheitund der höchste Mess-mittelfähigkeitsindex er-reichen. Im Labor ist dieWaagenmessung hinter dem Dosiermodul eine ebenfallsgeeignete Alternative. Insbesondere bei sehr kleinen Durch-flussraten ergeben sich jedoch sehr lange Messzeiten unddadurch auch höhere Anforderungen an die Stabilität derUmgebungsbedingungen (Druck, Temperatur). Im Produk-tionsbereich und am Motorprüfstand sind sie daher unge-eignet.

2.1. AVL Shot To Shot™ PLU131Durchflussmesssystem

Das AVL Shot To Shot™ PLU131 Durchflussmesssystemhat sich bereits seit vielen Jahren bei der zyklusaufgelöstenDurchflussmessung an Kraftstoff-Einspritzsystemen be-

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surement compared to fuel consumption measurement:Extremely low flow rates down to 10g/h. Three fundamentalphysical requirements for exact consumption measurementare direct consequences of the low flow rate:

1. Direct connection between Measurement device and in-jector with a short inelastic tube. Minimization of thevolume between sensor and injector reduces virtual flowdue to temperature changes or pressure oscillation.

2. Low frequency urea injection produces pressure oscilla-tions in the vicinity of the injector. The measurementdevice must not be disturbed by these oscillations andvice versa the instrument must not interfere with pres-sure conditions inside the injection system (no pressuredrop, i.e. ∆p=0).

3. Complete air purge of the injection system is required toachieve a bubble-free injection. A maximum possibleflow rate of around 5kg/h, which is typical for SCRsystems is insufficient for bubble transport through com-mon system pipes.

As a consequence it can be stated that an appropriate sensor and efficient air purge instrumentation need to beintegrated to the SCR system for a reliable urea consump-tion measurement.

Figure 1 shows an overview of influences on different flow sensor types in different measurement positions within theSCR system. Selection of the appropriate sensor for the

measurement task hasbeen discussed in detailbefore [1]. The PLU mea-surement principle is uni-quely appropriate to mea-sure extremely low flowrates under these condi-tions. It allows for lowestmeasurement uncertaintyand highest measurementcapability index. For thelaboratory an outlet balan-ce measurement behindthe injector is a goodalternative. However, atlow flow rate a very longmeasurement time isnecessary, which in turnrequires higher stability inenvironmental conditions(pressure, temperature).Balance measurement istherefore inappropriate in

injector production and on engine test beds.

2.1. AVL Shot To Shot™ PLU131 Flow Measurement System

The AVL Shot To Shot™ PLU131 Flow MeasurementSystem has been widely used in cycle-resolved fuel flowmeasurement of fuel injection systems [2]. The combina-

Abbildung 1:Vergleich verschiedener Durchflusssensoren an verschiedenen Messpositionen

Figure 1:Comparison of different flow sensor types in different measurement positions

währt [2]. Die Kombinationeines rotatorischen und einestranslatorischen Verdränger-zählers liefert sowohl präziseEinspritzraten als auch ex-trem genaue Schussmengen.Das duale PLU-Messprinzipermöglicht STS außerdemeine flexible hydraulischeKonfiguration des Messauf-baus. STS-Sensoren könnensowohl auf der Hochdruck-seite im Zulauf des Injektors(Up-stream) als auch im Nie-derdruck (Downstream) aufder Ablaufseite verwendetwerden. Das AVL Shot ToShot™ PLU 131 ist das einzi-ge Schussmengenmesssystemwelches eine präzise Messungauf der Zulaufseite des Injek-tors (Upstream) am ungestör-ten Einspritzsystem ermög-licht. Abbildung 2 zeigt einen vereinfachten schematischenAufbau des Messsystems mit den wichtigsten Komponen-ten.

2.2. Injektor-Charakterisierung in der Entwicklung und Produktion von SCR-Systemen

Die Überprüfung von Dosier-Kennlinien an Niederdruck-Einspritzsystemen erfolgt üblicherweise anhand einer sta-tionären Schussmengenmessung über den gesamtenDurchflussbereich des Injektors. Gemessen werden dabeieinige repräsentative Messpunkte von der kleinsten bis zurgrößten Durchflussrate.

Abbildung 3 zeigt eine mit dem STS PLU131 gemesseneKennlinie mit hervorragender Übereinstimmung und Linea-rität der gemessenen Istwerte mit den Sollwerten.

Die Stabilität dieser Kenn-größe innerhalb der Herstel-lertoleranzen ist wichtig umdie fehlerfreie Funktion desSCR-Systems über die Le-bensdauer des Injektors zugewährleisten. Die Überprü-fung der Kennlinien von In-jektoren wird daher über sehrlange Zeiträume wiederholtum Alterungseffekte zu fest-zustellen.

Insbesondere bei den klein-sten Durchflussraten von ca.10g/h stellt die nötige Repro-duzierbarkeit der Messungenorm hohe Anforderungen anMessunsicherheit und Lang-zeitstabilität des Messinstru-ments.

In der Serienproduktion wird die Verwendbarkeit einesMesssystems unter gegebe-nen Umgebungsbedingungen

tion of a highly dynamicpiston sensor with an extre-mely robust servo-driven gearcounter provides preciseinjection rates as well asextremely accurate shot quan-tities. In addition the PLUdual sensor measuring princi-ple allows for a unique flexibi-lity in hydraulic configuration.STS sensors can be used onthe high pressure supply sideof the injector (upstream) aswell as on the low pressureside (downstream) behind theinjector.

The AVL Shot To Shot‘™ PLU131 is the only shot measure-ment system which providesfor a precise measurement ofinjection quantities on theinlet side of the injector even

without any interference with the injection system. Figure 2shows a simplified schematic setup of the measurementsystem with its main components.

2.2. Injector Characterization in Development and Production of SCR-Systems

Testing of injector dosing characteristics for low pressureinjection systems typically includes steady-state measure-ments over the functional flow range of the injector.Injection quantity is measured at a set of representativemeasurement points between minimum and maximum flowrate.

Figure 3 shows an injector characteristic measured withSTS PLU131. Measurement results are in extremely goodcoincidence with nominal values and intended linearity.

Stability of these injector cha-racteristics within suppliertolerances is significant inorder to guarantee efficientoperation of the SCR systemover the entire lifetime of theinjector. Long-term testing ofinjector characteristics istherefore important to detectaging effects. Especially lowflow rates down to 10g/h therequired measurement repro-ducibility demands an ex-tremely low measurementuncertainty and high long-term stability from the measu-rement instrument.

In series production the compliance of a measurementsystem typically is evaluatedwith a "measurement capabi-lity test” for each individualcharacteristic measurementpoint with its individual tole-

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Abbildung 2:Schematischer Aufbau des Shot To Shot™ PLU131 Durchflussmesssystems

Figure 2:Schematic setup of the Shot To Shot™ PLU131 Flow Measurement System

Abbildung 3:Typische Injektorkennlinie mit Soll- und Istwerten der Durchflussrate und prozentualer Abweichung bei Öffnungszeiten zwischen 0,5% und 80% mit

1Hz bzw. 4Hz Einspritzfrequenz Figure 3:

Typical injector characteristic with nominal and actual flow rate and relativedeviation at duty cycles between 0.5% and 80% with 1Hz or 4Hz injection

frequency.

rance. Results of a representative customer investigationare available in [1]. The AVL Shot To Shot™ PLU131 FlowMeasurement System provides outstanding results for thistask under laboratory conditions as well as in production.

3. Dynamic Consumption Measurement in SCR-Application

Primary tasks of urea consumption measurement within theapplication of SCR systems to Diesel engines are:

1. Stationary characterization of the dosing system.

2. Verification of the measurement chain via comparison ofthe measured urea dosing quantity with the calculatedvalue derived from measurement data on NOx, NH3, airintake mass, fuel mass and exhaust mass.

3. Dynamic validation of dosing system and dosing model.

In contrast to the demands in the lab or in production,where steady-state measurements are sufficient, dynamicurea flow measurement capability is an important require-ment in SCR system application.

3.1. AVL PLUrea™ Urea Consumption Measurement System

AVL PLUrea™ has been developed for the specific require-ments of SCR injection system applications in exhaust aftertreatment on Diesel engines.

Main tasks are to support urea dosing calibration of the con-trol unit over the entire load/speed engine map and its testin transient emission cycle operation. Continuous consump-tion measurement focuses on the exact correlation betweennominal and real injection quantities during the test cycles.Apart from measurement technology a second focus hasbeen a quick setup and simple handling. Figure 4 shows asimplified schematic setup of AVL PLUrea™ Urea Con-sumption Measurement System including an automatic airpurge system for reliable bubble-free urea dosing and urea

measurement and protec-tion against drainage inshut-down situationswhen the SCR-system isautomatically drained byits ECU.

Lowest flow quantitiesand highest flow dynamicsrequire a flow sensor posi-tion in direct vicinity ofthe injector also on theengine test bed in order tominimize temperature in-fluence on the measure-ment results. Mobility ofthe PLUrea™ cart and theheight adjustment of thesensor enable quick setupwith an optimized adap-

für die Überprüfung bestimmter Messwerte innerhalb fest-gelegter Toleranzen üblicherweise über Messmittelfähig-keitsuntersuchungen nachgewiesen. Die Ergebnisse einertypischen Anwenderanalyse sind in [1] zu finden. Das AVLShot To Shot™ PLU131 Durchflussmesssystem liefert fürdiese Aufgabe sowohl im Labor als auch unter Produk-tionsbedingungen optimale Resultate.

3. Dynamische Verbrauchsmessung in der Applikation

Die wesentlichen Aufgabenstellungen der Harnstoffver-brauchsmessung bei der Applikation von SCR-Systemen anDieselmotoren sind:

1. Stationäre Charakterisierung des Dosiersystems.

2. Verifikation der Messkette über den Vergleich der gemes-senen Harnstoffdosierung gegenüber der Berechnung ausden Messwerten von NOx, NH3, Luftmasse, Kraftstoff-masse und Abgasmasse.

3.Dynamische Verifikation des Dosiersystems und des Do-siermodells.

Im Unterschied zu den Messanforderungen im Labor oder inder Produktion, wo nur stationäre Messungen benötigt wer-den, ist eine der wesentlichen Aufgaben bei der Applikationeines SCR-Systems die dynamische Messung des Harn-stoffverbrauchs.

3.1. AVL PLUrea™ Harnstoff-Verbrauchsmesssystem

AVL PLUrea™ wurde für die speziellen Anforderungen beider Applikation von SCR-Systemen an Dieselmotoren ent-wickelt. Hauptaufgabe ist der Einsatz bei der Kalibrierungdes Steuergeräts, d.h. die Einstellung der Harnstoff-Dosier-mengen über das gesamte Motor-Kennfeld (Last/Drehzahl)und bei deren Überprüfung in Emissionszyklen.

Dabei geht um extrem dynamische Verbrauchsmessungenund die genaue Korrelation zwischen Soll- und Istwerten derHarnstoffeinspritzmengen während Testzyklen. Neben derreinen Messtechnik wurde vor Allem auf die schnelleHerstellung der erforderlichen Systembedingungen undeine einfache Bedienung Wert gelegt. Abbildung 4 zeigteinen vereinfachten schematischen Aufbau des AVLPLUrea™ Harnstoff-Ver-brauchsmesssystems mitautomatischem Entlüf-tungssystem und Schutzgegen Entleerung bei derautomatischen Rücksau-gung bei Abschalten desSCR-Systems.

Kleinste Durchflussmen-gen und hohe Durchfluss-dynamik erfordern auchhier eine Messposition indirekter Nähe des Injek-tors, um den Temperatur-einfluss auf die Ergeb-nisse zu minimieren. DieMobilität von PLUrea™und die Höhenverstellungdes Sensors ermöglichen

Abbildung 4:Schematischer Aufbau des AVL PLUrea™ Harnstoff-Verbrauchsmesssystems

Figure 4:Schematic setup of the AVL PLUrea™ Urea Consumption Measurement System

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tation in different test bed configurations.Figure 5 shows the system from the front side.

The PLU-Sensor robustness against pressurepulsations is an important feature in this appli-cation as well. However, automatic air purge hasproven to be the most valuable system benefit ofthe consumption measurement system com-pared to simple sensor integration. It providesreliable bubble-free urea dosing and urea flowmeasurement

Figure 6 shows dynamic consumption measure-ment of urea dosing during a transient ETC testcycle.

4. Relevance in SCR-ApplicationAnother major benefit of the AVL PLUrea™ UreaConsumption Measurement System is to enableconsistency checks for the emission measure-ment chain and early detection of possible mea-

surement error sources.Measured parameters ofthe gas concentration andexhaust gas mass are usedto calculate the AdBluedosing quantity (formula1).

The calculation is basedon FTIR measurement ofthe relevant gas concen-tration in front of the SCRcatalyst and behind it. Forthe injected urea solutiona complete conversioninto NH3 and HNCO oreven reaction with NOx isassumed. Calculated ureamass flow is then compa-red with the PLUrea™flow measurement.

Deviations can be due to leakages in the air intakeor exhaust piping, due toerrors in the exhaust gasanalysis or due to incor-rect sampling.

Figure 7 shows a compa-rison of AdBlue® dosingquantity results measuredwith AVL PLUrea™ andcalculated from gas con-centrations and exhaustmass according to formula1. Considering the num-ber of measurement

instruments involved in the comparison the resulting coin-cidence of data is excellent.

A test of the dynamic measurement capability of thePLUrea‘ system shows figure 8 with a WHTC cycle perfor-med on the same engine.

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eine schnelle, optimale Adaption an unter-schiedlichen Prüfstandskonfigurationen. Abbil-dung 5 zeigt das System von der Frontseite.

Auch die Robustheit des PLU-Sensors gegen-über den Druckpulsationen der Einspritzung istwieder eine wichtige Voraussetzung. Die auto-matische Entlüftung des Verbrauchsmess-systems ist jedoch der wichtigste Nutzen derSystemlösung gegenüber einer einfachen Sen-sorintegration. Sie sorgt für die blasenfreie Ein-dosierung und Messung der Harnstofflösung.

Abbildung 6 zeigt die dynamische Verbrauchs-messung der Harnstoff-Eindosierung währendeines transienten ETC-Testzyklus.

4. Relevanz in der SCR-ApplikationDas AVL PLUrea™ Harnstoff-Verbrauchsmess-systems kann genutzt werden um die Messketteam Motorprüfstand auf mögliche Fehlerquellenhin zu überprüfen. Hierbei wird in einem statio-nären Betriebspunkt ausden Messgrößen der Gas-konzentration und des Ab-gasmassenstroms dieAdBlue®-Dosiermenge be-rechnet (Formel 1).

Zur Ermittlung der rele-vanten Gaskonzentratio-nen werden mit einemFTIR Messsystem Mes-sungen vor und hinterdem SCR-Katalysatordurchgeführt. Dabei wirdangenommen, dass diedosierte Harnstofflösunghinter dem SCR-Kataly-sator bereits vollständig inNH3 und HNCO umge-wandelt wurde oder be-reits mit NOx reagiert hat.Der berechnete AdBlue®

Massenstrom wird mitdem mit PLUrea™ gemes-senen Massenstrom ver-glichen.

Abweichungen weisen da-bei auf eine Undichtigkeitin der Ansaug- oder Ab-gasstrecke hin oder aufeine fehlerhafte Abgas-analytik oder Probenent-nahme.

Abbildung 7 zeigt den Ver-gleich der AdBlue®-Do-siermenge einmal mit AVLPLUrea™ gemessen und einmal durch eine Berechnungnach Formel 1 aus der Gaskonzentration und des Abgas-massenstroms ermittelt. In Anbetracht der zahlreichen amVergleich beteiligten Messgeräten ist die Übereinstimmungsehr gut.

Abbildung 5:AVL PLUrea™

Figure 5:AVL PLUrea™

Abbildung 6:AVL PLUrea™ Harnstoff-Verbrauchsmessung: AdBlue®-Durchflussrate,

akkumulierte Durchflussmenge (oben), Druck und Temperatur (unten); Ausschnitt auseuropäischen Testzyklus (ETC-Zyklus) bei 4Hz-Taktfrequenz.

Figure 6:AVL PLUrea™ Urea Consumption Measurement: AdBlue® flow rate,

accumulated mass (top), pressure and temperature (bottom); section from a european test cycle (ETC cycle) at 4Hz dosing frequency.

Formel 1:Berechnung der Harnstoff-Dosiermasse

Formula 1:Calculation of urea solution dosing mass

The AdBlue® dosing system hadbeen disconnected from theexhaust system and dosed ureaquantity had been collected in aclosed container. Total urea con-sumption over the entire cycledeviates from the PLUrea measu-rement by 1.2%, which coincideswell within the expected accuracywith such a balance setup on anengine test bed.

The subsequent developmentstep is a validation of the simula-tion model using dynamic ureameasurement in test cycles.Measured urea quantity data(PLUrea™) are used as an inputfor the model in this case. Theresults are used for a further opti-mization of NOx reduction andAdBlue® consumption. Cor-responding data were not yetavailable at printing date.

5. SummaryInjector characterization plays acentral role during developmentand production of SCR injectionsystems. Low flow rates requirestable environmental conditionsand a direct connection of anappropriate sensor to the injector.Significant advantages of a shotmeasurement for SCR injectorcharacterisation with AVL Shot To

Shot‘ PLU131 are:

• Measurement on the high pressure side of the injector(up-stream) with negligible interference with the SCRsystem

• Highest accuracy over an extremely wide flow range(1:1000)

•Short measurement time (50 injections) over the entireoperation range

Primary task in SCR system application is a precise calibra-tion of urea dosing aimed at a maximum NOx conversionrate while avoiding ammonia slip due to overdosing.

The biggest challenge upon checking urea dosing is dyna-mic measurement of the extremely low urea flow quantityduring transient test cycles.

Exact correlation between nominal and real injection quan-tity shortens problem analysis during dosing strategy deve-lopment drastically.

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Eine Überprüfung der dyna-mischen Messfähigkeit desPLUrea™ Messsystems zeigtAbbildung 8 mit einem am selbenMotor durchgeführten WHTC-Zyklus.

Das AdBlue®-Dosiersystem wurde vom Abgasstrang demontiert unddie dosierte Harnstofflösung ineinen geschlossenen Behälteraufgefangen. Das mit einerWaage ermittelte Zyklusgesamt-ergebnis stimmt mit 1,2% Ab-weichung im Rahmen der miteiner Waagenmessung am Motor-prüfstand erzielbaren Messge-nauigkeit gut überein.

Der folgende Entwicklungsschritt ist die Validierung von Simula-tionsmodellen anhand der dyna-mischen Zyklusmessungen. AlsEingangsgröße in das Modell wirddabei die gemessene Harnstoff-menge (PLUrea) genutzt. DieErgebnisse sollen zur weiterenOptimierung der NOx-Reduktionund des AdBlue®-Verbrauchs ver-wendet werden. Die entsprechen-den Auswertungen lagen beiDrucklegung leider noch nichtvor.

5. ZusammenfassungBei der Entwicklung und Produk-tion von SCR-Einspritzsystemenspielt die präzise Charakterisie-rung der Injektoren eine zentraleRolle. Die geringen Durchfluss-raten erfordern stabile Umge-bungsbedingungen und einedirekte Anbindung eines geeigne-ten Sensors and den Injektor.

Die wesentlichen Vorteile der Schussmengenmessung mittels AVL Shot To Shot™PLU131 für die SCR-Injektor-Charakterisie-rung sind:

• Verwendung auf der Hochdruckseite des Injektors (Up-stream) bei vernachlässigbarer Systembeeinflussung.

• Höchste Messgenauigkeit über einen weiten Messbereich (1:1000)

• Kurze Messzeit (50 Einspritzungen) über den gesamtenBereich der Betriebsparameter

Hauptaufgabe der Systemapplikation ist die präziseKalibrierung der Harnstoffdosierung um die maximale NOx-Konversionsrate zu erreichen ohne dabei durch Überdosie-rung Ammoniak auszustoßen. Bei der Kontrolle der Harn-stoffdosierung ist die dynamische Messung der äußerstgeringen Durchflussmengen bei transienten Verbrauch wäh-rend der Testzyklen eine große Herausforderung.

Die genaue Korrelation zwischen Soll- und Istwerten derHarnstoffeinspritzmengen verkürzt dabei drastisch dieProblemanalyse bei der Entwicklung der Dosierstrategien.

Abbildung 7:Vergleich der berechneten und der gemessenen Harnstofflösung

Formula 1:Calculation of urea solution dosing mass

Abbildung 8:Vergleich der kumulierten Dosiermenge über eine WHTC-Zyklus

zwischen der dynamischen PLUrea™ Messung und der gravimetrischen Messung durch eine Waage.

Figure 8:Comparison of cumulated urea dosing quantity over a WHTC cycle

between dynamic PLUrea™ measurement and gravimetric measurement via outlet balance.

Continuous consumption measurement of the injected ureasolution supports direct mass balance in dosing model veri-fication and it facilitates monitoring of the injection systemoperation.

The AVL PLUrea™ Urea Consumption Measurement Systemis uniquely capable of highly dynamic flow rate measure-ment during transient emission test cycles (e.g. ETC, FTP)on engine or chassis dyno test bed. Important benefits are:

• Efficient dosing strategy development due to dynamic correlation

• Optimized system solution for SCR-specific operationalconditions

• Fast detection of dosing deviations or SCR system mal-function and exact identification of corresponding opera-tional conditions

• Fast test bed integration, flexible use and comfortablestandalone functionality

6. AcknowledgementShown results from engine test bed data were collected witha heavy duty engine within the federal funded project "K2Mobility B01/T01”.

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Die kontinuierliche Verbrauchsmessung der eingespritztenHarnstofflösung unterstützt die direkte Massenbilanzierungbei der Modellverifikation sowie die Funktionsüberwachungdes Einspritzsystems.

Das AVL PLUrea™ Harnstoff-Verbrauchsmesssystem ermög-licht die präzise, hochdynamische Messungen des transien-ten Verbrauchs während Emissions-Testzyklen (ETC, FTP)am Motor- oder Rollenprüfstand. Die wesentlichen Vorteilesind:

• Effiziente Entwicklung von SCR-Dosierstrategien durchdynamische Korrelation

• Optimierte Systemlösung für die speziellen Anforderungenbeim Betrieb von Harnstoff-Dosiersystemen

• Schnelle Erkennung von Dosierabweichungen oder Fehl-funktionen und Zuordnung zu bestimmten Betriebszu-ständen bzw. Ursachen

• Schnelle Prüfstandsintegration, flexible Verwendung undkomfortable, unabhängige Funktion

6. DanksagungDie zugrunde liegenden Prüfstandsversuche wurden des staatlich geförderten Projekts „K2 Mobility B01/T01" aneinem Nutzfahrzeugmotor durchgeführt.

7. Literatur / References[1] Dr. Heribert Kammerstetter, Manfred Werner,

Reinhard Doell, Gertjan KantersThe Challenge of Precise Characterizing the Specific Large-Span Flows in Urea Dosing Systemsfor NOx Reduction SAE 08PFL-918In: SAE World Congress, 14.-17. April 2008, Detroit

[2] Dr. Ronald Henzinger, Dr. Heribert Kammerstetter,Dr. Friedrich B. Radke, Manfred WernerNew Measurement Technology for Direct InjectionSystems of Diesel and Gasoline Engines MTZ_67_2006_Vol_7-8

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