DE10126456A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgas mager betriebener Brennkraftmaschinen - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgas mager betriebener BrennkraftmaschinenInfo
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Abstract
Es wird eine Vorrichtung zur Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgas mager betriebener Brennkraftmaschinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen verwendeten Dieselmotoren, vorgeschlagen, mit einer Reduktionsmitteleinspeisung, mit einem NH3-Sensor zur Messung der NH3-Konzentration im Abgas und mit einer Abgasleitung mit NOx-Reduktionskatalysator, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Vorrichtung. DOLLAR A Erfindungsgemäß weist die Reduktionsmitteleinspeisung einen Regelkreis zur mengenmäßig kontinuierlich regelbaren Reduktionsmittelzufuhr in das Abgas auf, wobei die Regelgröße des Regelkreises die von dem NH3-Sensor gemessene NH3-Konzentration ist und die Führungsgröße des Regelkreises ein in Abhängigkeit vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine vorgebbarer NH3-Konzentrationswert ist. Der NOx-Reduktionskatalysator ist in wenigstens zwei voneinander getrennte, in Abgasströmungsrichtung hintereinander angeordnete Teile aufgeteilt; für das Verfahren ist vorgesehen, dass als Regelgröße die von dem NH3-Sensor gemessene NH3-Konzentration verwendet wird und als Führungsgröße ein in Abhängigkeit vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine vorgebbarer NH3-Konzentrationswert verwendet wird. DOLLAR A Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Kraftfahrzeugen mit dieselmotorischem Antrieb.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur
Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgas mager betriebener
Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw.
10 und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
Aus der Patentschrift DE 42 17 552 C1 ist eine
Abgasnachbehandlungseinrichtung für Kraftfahrzeugdieselmotoren
mit einem NOx-Reduktionskatalysator und einer NH3-
Dosiervorrichtung bekannt, bei dem die NH3-Zufuhr entsprechend
einer vorgebbaren unteren bzw. oberen NH3-
Schwellenkonzentration im Abgas ein- bzw. ausgeschaltet wird.
Zur Ermittlung der Schwellenkonzentrationen sind ein die NH3-
Konzentration in der Gasphase messender Sensor und ein
weiterer, das im NOx-Reduktionskatalysator adsorbierte NH3
messende Sensor vorgesehen.
An NOx-Reduktionskatalysatoren wird NOx mit einem
Reduktionsmittel zu unschädlichem Stickstoff (N2) reduziert.
Unter den oxidierenden Bedingungen im Abgas einer mager
betriebenen Brennkraftmaschine, wie z. B. eines Dieselmotors,
erfordert dies das Ablaufen einer selektiv verlaufenden
Reduktionsreaktion zwischen NOx und dem Reduktionsmittel, damit
das Reduktionsmittel nicht in unerwünschter Weise mit dem mit
hohem Überschuss im Abgas vorhandenen Sauerstoff reagiert. Als
NOx-Reduktionskatalysatoren kommen hauptsächlich sogenannte
SCR-Katalysatoren (SCR = selective catalytic reduction) zum
Einsatz, an denen NOx unter oxidierenden Bedingungen in einer
selektiven Reduktionsreaktion mit dem Reduktionsmittel NH3 zu
unschädlichem N2 reduziert wird. Das Reduktionsmittel wird dem
Abgas üblicherweise von außen zugegeben. Als Reduktionsmittel
kommt NH3 oder eine im Abgas NH3-abspaltende Substanz, wie z. B.
Harnstoff in Frage.
Bekannte SCR-Katalysatoren müssen eine ausreichende Menge NH3
gespeichert haben, damit ein gewisser NOx-Umsatz realisiert
werden kann. Die Menge an speicherbarem NH3 ist sehr stark von
der Temperatur und der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases
bzw. dem Abgasmassenstrom abhängig. Und zwar nimmt die im NOx-
Reduktionskatalysator speicherbare NH3-Menge mit steigender
Temperatur und mit steigendem Abgasdurchsatz stark ab. Wird ein
hoher NOx-Umsatz angestrebt, sollte der SCR-Katalysator eine
möglichst hohe NH3-Menge gespeichert haben. Übersteigt die
gespeicherte NH3-Menge jedoch ein gewisses Maß, so tritt
begleitend zum NOx-Umsatz auch ein gewisser NH3-Austrag (NH3-
Schlupf) aus dem Katalysator auf. Aufgrund der Schädlichkeit
und des stechenden Geruchs von NH3 ist dieser NH3-Schlupf
unerwünscht und sollte auf einen Wert von z. B. 10 ppm begrenzt
bleiben. Die schlupffrei, oder für einen vorgegebenen
Schlupfwert im Katalysator einspeicherbare NH3-Menge ist
demnach begrenzt und hauptsächlich von der Abgastemperatur,
bzw. der Katalysatortemperatur, dem Abgasmassenstrom und dem
NOx-Angebot abhängig. Bei einer plötzlichen Erhöhung der
Katalysatortemperatur und/oder des Abgasmassenstroms wird von
üblichen SCR-Katalysatoren NH3 durch Desorption in
unerwünschter Weise freigesetzt. Aus diesem Grund wird die im
SCR-Katalysator gespeicherte NH3-Menge üblicherweise kleiner
gehalten, als dies für einen optimalen NOx-Umsatz nötig ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein
Verfahren mit verbesserter Wirksamkeit hinsichtlich der
selektiven Stickoxid-(NOx-)Verminderung bei gleichzeitig
vermindertem NH3-Schlupf anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 bzw. 10 und mit einem Verfahren mit den Merkmalen
des Anspruchs 4 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus,
dass die Reduktionsmitteleinspeisung dosiert über einen
Regelkreis zur mengenmäßig kontinuierlich regelbaren
Reduktionsmittelzufuhr in das Abgas der Brennkraftmaschine
erfolgt. Vorzugsweise wird mit NH3 oder einer NH3-abspaltenden
Substanz als Reduktionsmittel gearbeitet. Unter einer
mengenmäßig kontinuierlichen Regelung ist hier zu verstehen,
dass die Führungsgröße im Unterschied zu einer Ein-Aus-Regelung
oder einer Zweipunktregelung eine Vielzahl von verschiedenen
Werten, vorzugsweise ein Wertekontinuum innerhalb eines
bestimmten Wertebereichs, annehmen kann. Der Regelkreis ist
dabei so aufgebaut, dass als Regelgröße die von einem NH3-
Sensor im Abgas gemessene NH3-Konzentration dient, und als
Führungsgröße ein NH3-Konzentrationswert vorgebbar ist, der
abhängig vom jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine
ist. Mit dieser betriebspunktabhängig vorgebbaren Führungsgröße
kann flexibel auf sich ändernde Betriebszustände der
Brennkraftmaschine reagiert werden und die im Katalysator
gespeicherte NH3-Menge für einen hohen NOx-Umsatz optimiert
werden. Der Betriebspunkt der Brennkraftmaschine ist hier z. B.
durch Drehmoment und Drehzahl bestimmt, oder durch andere
charakteristische Größen, wie die Konzentration der NOx-
Emission der Brennkraftmaschine im Abgas, die Abgastemperatur
und den Abgasmassenstrom. Für den Aufbau des Regelkreises kommt
jede dem Fachmann geläufige Struktur in Frage.
Erfindungsgemäß weist der NOx-Reduktionskatalysator wenigstens
zwei voneinander getrennte Teile auf, welche in
Abgasströmungsrichtung hintereinander angeordnet sind. Dabei
ist der NOx-Reduktionskatalysator als üblicher SCR-Katalysator
ausgeführt. Wenn der Katalysator geteilt ist, kann z. B. der
erste Katalysatorteil mit einer hohen NH3-Beladung versehen
werden, weshalb an diesem Katalysatorteil auch ein hoher NOx-
Umsatz erzielt werden kann. Der dabei notwendigerweise
auftretende relativ große NH3-Schlupf kann vom nachfolgenden
Katalysatorteil abgefangen werden. Am ersten Katalysatorteil
nicht umgesetztes NOx kann dann ganz oder zum größten Teil
mittels des NH3-Schlupfes des ersten Katalysatorteils am
zweiten Katalysatorteil umgesetzt werden. Zweckmäßigerweise
wird das Volumen der einzelnen Katalysatorteile an die NH3-
Speichereigenschaften und den Dynamikbereich der
Brennkraftmaschine angepasst. Vorteilhaft ist ein
Volumenverhältnis der Katalysatorteile im Bereich von 1 : 10 bis
10 : 1.
In Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 2 ist die
Reduktionsmittelzufuhr in das Abgas der Brennkraftmaschine
eingangsseitig des ersten Teils des NOx-Reduktionskatalysators
in Strömungsrichtung vorgesehen und der NH3-Sensor zur
Bestimmung bzw. Messung der NH3-Konzentration im Abgas ist
ausgangsseitig jeden Teils des NOx-Reduktionskatalysators
angebracht. Die Anbringung der NH3-Sensoren ausgangsseitig der
einzelnen Katalysatorteile eröffnet die Möglichkeit, den NH3-
Schlupf des gesamten Katalysators ortsaufgelöst zu bestimmen
und damit den Katalysatorzustand und insbesondere die NH3-
Beladung des Katalysators besser zu erfassen. Somit kann die
NH3-Beladung des Katalysators insgesamt bis an die Grenze der
für maximalen NOx-Umsatz noch schlupffrei realisierbaren NH3-
Beladungsgrenze gesteigert werden und damit der NOx-Umsatz bis
an den maximalen Wert gesteigert werden. Insbesondere bei
mehrfacher Unterteilung des Katalysators besteht die
Möglichkeit, das Katalysatorverhalten differentiell zu
erfassen. Demgegenüber ist bei einem ungeteilten Katalysator
gleichen Gesamtvolumens und NH3-Messung nur ausgangsseitig des
Katalysators nur die Erfassung des integralen
Katalysatorverhaltens möglich.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 3 ist
die Reduktionsmittelzugabe eingangsseitig jeden
Katalysatorteils vorgesehen und der NH3-Sensor zur Bestimmung
bzw. Messung der NH3-Konzentration im Abgas ist ausgangsseitig
des letzten Teils des NOx-Reduktionskatalysators in
Strömungsrichtung angebracht. Durch die Möglichkeit, die
Reduktionsmittelzufuhr an verschiedenen Stellen des gesamten
Katalysators vorzunehmen, kann das in Strömungsrichtung im
Katalysator vorhandene NH3-Beladungsprofil ebenfalls in
vorteilhafter Weise beeinflusst werden. Ein weiterer Vorteil
ist die Einsparung ein oder mehrerer NH3-Sensoren.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass
die Zufuhr des Reduktionsmittels ins Abgas der
Brennkraftmaschine mittels eines Regelkreises mengenmäßig
kontinuierlich regelbar vorgenommen wird, wobei als Regelgröße
die von dem NH3-Sensor gemessene NH3-Konzentration verwendet
wird und als Führungsgröße ein in Abhängigkeit vom
Betriebspunkt der Brennkraftmaschine vorgebbarer NH3-
Konzentrationswert verwendet wird. Dabei kann es natürlich
notwendig sein, dass der als Regelgröße dienende NH3-
Konzentrationsmesswert, z. B. in der Regeleinrichtung des
Regelkreises, in einen praxisgerecht verarbeitbaren Signalwert
umgeformt wird. Mit der mengenmäßig kontinuierlichen Regelung
der Reduktionsmittelzufuhr wird gegenüber einer
diskontinuierlichen, Ein/Aus-gesteuerten Reduktionsmittelzugabe
oder gegenüber einer auf Kennfeldern basierten gesteuerten
Reduktionsmittelzugabe ein deutlicher Vorteil erzielt, wie
dahingehende Untersuchungen gezeigt haben. Der Vorteil besteht
hauptsächlich darin, dass mit einer größeren, im SCR-
Katalysator eingespeicherten NH3-Menge und damit mit einem
höheren NOx-Umsatz gearbeitet werden kann, ohne dass ein
unzulässig hoher NH3-Schlupf auftritt. In Verbindung mit der
erfindungsgemäßen Teilung des Katalysators kann insbesondere
der bei plötzlichem Lastwechsel der Brennkraftmaschine mögliche
NH3-Schlupf vermieden werden.
In Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 5 wird
ausgangsseitig jeden Katalysatorteils mittels eines dort
angebrachten NH3-Sensors die NH3-Konzentration im Abgas
gemessen und die Reduktionsmittelzufuhr eingangsseitig des in
Strömungsrichtung gesehen ersten Katalysatorteils vorgenommen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 6 wird
derjenige NH3-Sensor, dessen NH3-Konzentrationsmesswert als
Regelgröße für die stetige Regelung der Reduktionsmittelzufuhr
dient, in Abhängigkeit vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine
ausgewählt und in weiterer Ausgestaltung der Erfindung gemäß
Anspruch 7 in Abhängigkeit von den ausgangsseitig jeden Teils
des NOx-Reduktionskatalysators gemessenen NH3-
Konzentrationswerten ausgewählt. Dadurch wird insbesondere
vermieden, dass auf einen NH3-Konzentrationswert von Null
geregelt werden muss, was erfahrungsgemäß große
regelungstechnische Schwierigkeiten mit sich bringt. Wird
nämlich von einem NH3-Sensor ein NH3-Schlupf von Null gemessen,
so bedeutet dies, dass ab einer gewissen Entfernung
stromaufwärts des Sensors im Katalysator nur eine geringe oder
gar keine NH3-Beladung vorhanden ist. Daher wird dieser
Katalysatorteil für den NOx-Umsatz auch nicht genutzt, wodurch
Potential zur NOx-Verminderung verloren geht. Wird daher von
dem NH3-Sensor, dessen Messwert als Regelgröße herangezogen
wird, eine sehr geringe NH3-Konzentration oder eine NH3-
Konzentration von Null gemessen, so wird der Messwert des NH3-
Sensors, der ausgangsseitig des weiter stromaufwärts gelegenen
Katalysatorteils angebracht ist, als Regelgröße für die
kontinuierlich geregelte NH3-Zufuhr herangezogen. Dieser NH3-
Konzentrationswert ist aufgrund der zur
Katalysatoreingangsseite hin zunehmenden NH3-Beladung von Null
verschieden und kann somit in vorteilhafter Weise als
Regelgröße herangezogen werden. Umgekehrt wird auf einen weiter
stromabwärts angebrachten NH3-Sensor gewechselt, wenn ein hoher
NH3-Schlupf gemessen wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 8 ist
ausgangsseitig des letzten Teils des NOx-Reduktionskatalysators
in Strömungsrichtung ein NH3-Sensor zur Messung der NH3-
Konzentration im Abgas untergebracht und die
Reduktionsmittelzufuhr in das Abgas der Brennkraftmaschine
erfolgt eingangsseitig jeden Teils des NOx-
Reduktionskatalysators. Insbesondere wird in weiterer
Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 9 der Teil des NOx-
Reduktionskatalysators, eingangsseitig dessen die
Reduktionsmittelzufuhr erfolgt, in Abhängigkeit vom
Betriebspunkt der Brennkraftmaschine ausgewählt. Dieser
Betriebspunkt kann durch seine Lage im Drehmoment-Drehzahl-
Kennfeld oder durch Größen wie die Konzentration der NOx-
Emission der Brennkraftmaschine im Abgas, die Abgastemperatur
und den Abgasmassenstrom gegeben sein. Dadurch kann ebenfalls
das gesamte Katalysatorvolumen in vorteilhafter Weise zur NH3-
Speicherung eingesetzt werden. Ferner wird durch den variablen
Ort der Reduktionsmittelzufuhr erreicht, dass am Ausgang des
letzten Katalysatorteils meist ein zwar geringer, aber
messbarer NH3-Schlupf vorhanden ist, und damit der dort
angebrachte NH3-Sensor einen Messwert ungleich Null liefert.
Somit kann dieser Messewert als Regelgröße zur
Reduktionsmittelzufuhr in vorteilhafter Weise herangezogen
werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Anspruch 10 zeichnet
sich dadurch aus, dass im einteilig ausgeführten NOx-
Reduktionskatalysator wenigstens zwei NH3-Sensoren angebracht
sind und dass die Reduktionsmitteleinspeisung dosiert über
einen Regelkreis zur mengenmäßig kontinuierlich regelbaren
Reduktionsmittelzufuhr in das Abgas der Brennkraftmaschine
erfolgt und die Reduktionsmittelzufuhr eingangsseitig des NOx-
Reduktionskatalysators erfolgt. Auch in dieser Variante wird
die Führungsgröße der Regelung betriebspunktabhängig
vorgegeben. Als Regelgröße dient der von einem der NH3-Sensoren
gelieferte Messwert. Die Anbringung von zwei oder mehr NH3-
Sensoren im Katalysator erlaubt eine gut aufgelöste Bestimmung
des im SCR-Katalysator vorhandenen NH3-Konzentrationsgefälles.
Damit kann das Verhalten der Regelstrecke, deren wesentlicher
Bestandteil der SCR-Katalysator ist, besser beschrieben und die
Regelung optimiert werden. Ferner wird durch den Verzicht auf
eine Trennung des Katalysators in zwei oder mehrere Teile eine
kompaktere Bauweise erreicht.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 11 sind
die NH3-Sensoren in den Katalysator integriert. Der
vorzugsweise als Wabenkörper ausgestaltete Katalysator kann
z. B. sensitiv wirksame Bereiche in einigen Kanälen aufweisen
oder die die NH3-Sensoren sind Bestandteil der katalytisch
wirksamen Beschichtung wodurch die maßgeblichen NH3-
Konzentrationsmesswerte genauer ermittelt werden können.
Auch hier wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung nach
Anspruch 12 derjenige der NH3-Sensoren, dessen NH3-
Konzentrationsmesswert als Regelgröße herangezogen wird, in
Abhängigkeit vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine
ausgewählt oder gemäß Anspruch 13 in Abhängigkeit von den
jeweiligen NOx-Konzentrationsmesswerten ausgewählt.
Es gibt nun verschieden Möglichkeiten, die Lehre der 4
vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten
und weiterzubilden. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der
nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockbild eines Regelkreises zur
mengenmäßig kontinuierlich regelbaren
Reduktionsmittelzufuhr,
Fig. 2 ein schematisches Blockbild einer Brennkraftmaschine mit
zugehöriger Abgasreinigungsanlage mit zweifach geteiltem
Katalysator in der Abgasleitung,
Fig. 3 ein weiteres schematisches Blockbild einer
Brennkraftmaschine mit zugehöriger Abgasreinigungsanlage
mit zweifach geteiltem Katalysator in der Abgasleitung,
Fig. 4 ein weiteres schematisches Blockbild einer
Brennkraftmaschine mit zugehöriger Abgasreinigungsanlage
mit ungeteiltem Katalysator in der Abgasleitung.
Der in Fig. 1 schematisch gezeigte Regelkreis dient zur
kontinuierlich geregelten Reduktionsmittelzufuhr in das Abgas
einer in Fig. 2 dargestellten Brennkraftmaschine 10. Eine
Führungsgröße 1 des Regelkreises ist ein elektrisches Signal,
welches sich, vorzugsweise durch einen proportionalen
Zusammenhang, aus einem vorgebbaren NH3-Konzentrationswert
ableitet. Die Führungsgröße 1 stellt den Sollwert für die NH3-
Konzentration dar, welche als Regelgröße 6 nach Messung mittels
der Messeinrichtung 8, im Regelkreis zurückgeführt wird. Die
Messeinrichtung 8 wird hierbei durch einen NH3-Sensor
dargestellt. Eine gegebenenfalls notwendige Umformung des vom
NH3-Sensor gelieferten Signals wird durch einen separaten nicht
eingezeichneten Messumformer oder in einer Regeleinrichtung 2
vorgenommen. Das resultierende Signal stellt somit den Ist-Wert
der NH3-Konzentration an der Stelle im Abgas dar, an der der
NH3-Sensor untergebracht ist. Soll-Wert und Ist-Wert der NH3-
Konzentration werden subtraktiv verknüpft und der resultierende
Wert als Regelabweichung der Regeleinrichtung 2 zugeführt. Mit
Hilfe der in der Regeleinrichtung 2 implementierten
Funktionalität wird eine Stellgröße 3 als Steuersignal erzeugt,
welches auf ein Stellglied 4 einwirkt. Die Stellgröße 3 ist ein
Signal, das z. B. in proportionalem Zusammenhang zum
Reduktionsmittelmengenstrom steht, welcher dem Abgas zugegeben
werden soll. Durch das Stellglied 4 wird die Zufuhr des
Reduktionsmittels in das Abgas im angestrebten Sinne
beeinflusst. Das Stellglied 4 ist z. B. als Dosierventil
ausgebildet, dessen Öffnungsdauer oder Öffnungsweite durch die
Stellgröße 3 derart beeinflusst wird, dass die
Reduktionsmittelzufuhr in das Abgas in der vorgegebenen Höhe
realisiert wird. Dadurch wird der Zustand einer gesamten
Regelstrecke 5 in der vorgesehenen Weise beeinflusst. Die
Regelstrecke 5 wird im wesentlichen durch den SCR-Katalysator
gebildet und ist hauptsächlich durch dessen NOx-
Reduktionsverhalten, dessen gespeicherte NH3-Menge und seinen
NH3-Schlupf charakterisiert. Der Einfluss von Störgrößen 7,
welche auf die gesamte Regelstrecke 5 einwirken, ist
beispielhaft durch eine subtraktive Verknüpfung mit der
Ausgangsgröße der Regelstrecke 5 berücksichtigt.
Von besonderer Bedeutung ist, dass der Wert der Führungsgröße 1
in Abhängigkeit vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 10
vorgebbar ist. Der Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 10 ist
z. B. durch seine Lage im Drehmoment-Drehzahl-Kennfeld gegeben.
Daraus lassen sich in einer nicht eingezeichneten
elektronischen Motorsteuerung zur Steuerung der
Brennkraftmaschine 10, z. B. durch weitere Kennfelder die NOx-
Emission, die Abgastemperatur und weitere Größen ableiten,
welche ebenfalls zur Bildung der vorgebbaren Führungsgröße 1
herangezogen werden können.
Die in Fig. 1 angegebene schematische Darstellung des
Regelkreises dient zur abstrahierenden Verdeutlichung und ist
deshalb nicht als exaktes Abbild der wechselseitigen
physikalischen Verknüpfung aller Systemkomponenten zu
verstehen. Insbesondere kann z. B. die Regeleinrichtung 2 über
weitere, hier nicht eingezeichnete Signaleingänge weiterer
Systemkomponenten verfügen, oder weitere Funktionalitäten wie
Signalverstärker, Signalwandler oder Schaltkontakte besitzen,
die jedoch für die prinzipielle Tatsache der kontinuierlich
geregelten Reduktionsmittelzufuhr von untergeordneter Bedeutung
sind.
Für den Fachmann ist daher ersichtlich, dass der in Fig. 1
schematisch skizzierte Regelkreis durch das Ergreifen
verschiedener formaler Maßnahmen eine andere Struktur erhalten
kann. So ist z. B. die Aufnahme der Funktion des Stellgliedes 4
in die Regelstrecke 5 oder die Aufnahme der Funktion der
Messeinrichtung 8 in die Regeleinrichtung 2 denkbar, wodurch
die entsprechenden Strukturblöcke entfallen. Weiterhin ist auch
die Ergreifung regelungstechnischer Maßnahmen möglich, wodurch
die Struktur des Regelkreises ebenfalls geändert wird. Z. B.
kann eine Störgrößenaufschaltung als regelungstechnische
Maßnahme durchgeführt werden, wodurch die Struktur des
Regelkreises und die regelungstechnische Wirkungsweise
entsprechende Veränderung erfahren.
Fig. 2 zeigt beispielhaft ein schematisches Blockbild einer
Brennkraftmaschine 10 mit zugehöriger Abgasreinigungsanlage.
Das von der Brennkraftmaschine 10 ausgestoßene Abgas wird in
einer Abgasleitung 11 aufgenommen und durchströmt nacheinander
die beiden hintereinander angeordneten Katalysatorteile 12 und
13. Eingangsseitig des ersten Katalysatorteils 12 ist ein
Temperatursensor 15 zur Messung der Abgastemperatur in der
Abgasleitung 11 und weiter stromaufwärts des Temperatursensors
15 ein Dosierventil 14 zur Reduktionsmittelzugabe in das Abgas
eingebracht. Die Versorgung des Dosierventils 14 mit
Reduktionsmittel erfolgt aus einem Behälter 20. Jeweils
ausgangsseitig der Katalysatorteile 12 bzw. 13 befinden sich
NH3-Sensoren 16 und 17 in der Abgasleitung 11. Diese NH3-
Sensoren 16 und 17 dienen zur Messung des NH3-Schlupfes der
jeweiligen Katalysatorteile 12 und 13. Die NH3-Sensoren 16, 17,
der Temperatursensor 15 sowie das Dosierventil 14 sind über
Signalleitungen 18 mit der Regeleinrichtung 2 verbunden. Die
Regeleinrichtung 2 ist ferner über eine weitere Signalleitung
19 mit der Brennkraftmaschine 10 verbunden. Über diese
Signalleitung 19 erhält die Regeleinrichtung 2 Informationen
über wichtige Betriebszustandsgrößen der Brennkraftmaschine 10.
Dies können z. B. Informationen über das abgegebene Drehmoment
oder die Drehzahl sein. Ebenso können von der nicht
eingezeichneten elektronischen Steuereinheit der
Brennkraftmaschine 10 weitere errechnete Größen oder in
Kennfeldern gespeicherte Größen wie z. B. die NOx-Emission oder
die Abgastemperatur über die erwähnte Signalleitung 19 an die
Regeleinrichtung 2 übermittelt werden.
Es ist klar, dass in der Abgasleitung 11 weitere, für die
stetig geregelte Reduktionsmittelzugabe prinzipiell nicht
bedeutsame und daher nicht eingezeichnete Komponenten enthalten
sein können. So z. B. ein zusätzlicher Oxidationskatalysator
oder ein Partikelfilter, die stromab oder stromauf der
eingezeichneten Katalysatorteile 12 und 13 in der Abgasleitung
11 verbaut sein können. Ferner können weitere Sensoren, wie
z. B. ein NOx-Sensor oder Temperatursensoren in der Abgasleitung
11 untergebracht sein und mit der Regeleinrichtung 2 zur
Verbesserung des Regelverhaltens verbunden sein.
Die Reduktionsmitteldosierung erfolgt nun beispielsweise so,
dass innerhalb eines bestimmten Kennfeldbereichs der
Brennkraftmaschine 10 der Messwert des stromab des ersten
Katalysatorteils 12 angebrachten NH3-Sensors 16 von der
Regeleinrichtung 2 als Regelgröße 6 herangezogen wird. Dieser
Kennfeldbereich ist z. B. dadurch gekennzeichnet, dass er den
Leistungsbereich mit einer Leistung kleiner als die Hälfte der
Brennkraftmaschinen-Nennleistung umfasst. Als Führungsgröße 1
wird die Regeleinrichtung 2 z. B. mit einem NH3-
Konzentrationswert von 10 ppm beaufschlagt und die
Reduktionsmittelzugabe wird von der Regeleinrichtung 2 so
geregelt, dass sich dieser NH3-Konzentrationswert am Ausgang
des Katalysatorteils 12 einstellt. Durch diese Maßnahme besitzt
bei den angesprochenen Betriebsbedingungen der
Brennkraftmaschine 10 der stromabwärts des Katalysatorteils 12
liegende Katalysatorteil 13 nur eine geringe Menge an
gespeichertem NH3 und weist demgemäß eine relativ große
Aufnahmekapazität an NH3 auf. Tritt nun eine plötzliche
Lasterhöhung bei der Brennkraftmaschine 10 ein, so wird dadurch
die Abgastemperatur und der Abgasdurchsatz plötzlich erhöht.
Dies hat zur Folge, dass vom Katalysatorteil 12 eine große
Menge an NH3 freigesetzt wird. Dieser plötzlich erhöhte NH3-
Schlupf des Katalysatorteils 12 kann aber nicht durch die
Katalysatoranordnung durchschlagen, da er vom stromabwärtigen
Katalysatorteil 13 aufgenommen werden kann. Daher wird auf
diese Weise bei plötzlichem Anstieg der Leistungsabgabe der
Brennkraftmaschine 10 eine unerwünschte Freisetzung von NH3 in
die Atmosphäre vermieden. Nach Auftreten des Lastsprungs wird
von der Regeleinrichtung 2 versucht, die Folgen der wirksam
gewordenen Störgröße 7 (Lastsprung) auszuregeln und die
zugeführte Reduktionsmittelmenge wird daher erniedrigt.
In dem Kennfeldbereich, der durch eine Leistung größer als die
Hälfte der Brennkraftmaschinen-Nennleistung gekennzeichnet ist,
wird in dem betrachteten Beispiel das Signal des NH3-Sensors 17
als Regelgröße von der Regeleinrichtung 2 herangezogen. Da nun
eine weitere sehr große Leistungssteigerung der
Brennkraftmaschine 10 nicht auftreten kann, wird auf einen
relativ hohen, aber noch tolerierbaren NH3-Konzentrationswert
von z. B. 10 ppm als Führungsgröße 1 geregelt. Damit wird auch
ein hoher NOx-Umsatz erreicht, da der NOx-Umsatz direkt an den
NH3-Schlupf gekoppelt ist und das gesamte Katalysatorvolumen
zur NOx-Verminderung ausgenutzt wird.
Wird das Signal des NH3-Sensors 17 als Regelgröße 6 von der
Regeleinrichtung 2 herangezogen und ist ausgangsseitig des
Katalysatorteils 13 kein NH3-Schlupf vorhanden, so tritt eine
regelungstechnische Schwierigkeit dadurch auf, dass auf einen
NH3-Konzentrationswert von Null geregelt werden muss. Diesem
Problem wird dadurch begegnet, dass in diesem Fall auf den NH3-
Sensor 16 als Quelle für die Regelgröße 6 umgeschaltet wird. Da
der NH3-Sensor 16 den NH3-Schlupf eines weiter stromauf
liegenden Katalysatorteils 12 erfasst, wird hier ein NH3-
Schlupf größer Null gemessen und eine Regelung kann problemlos
erfolgen. Umgekehrt wird bei einem großen gemessenen NH3-
Schlupf z. B. vom NH3-Sensor 16 auf den weiter stromab liegenden
NH3-Sensor 17 als Quelle für die Regelgröße 6 umgeschaltet.
Eine weiter verbesserte Anpassung des Regelverhaltens an das
NH3-Speicherverhalten und NH3-Schlupfverhalten der
Katalysatorteile 12, 13 wird dadurch erreicht, dass der als
Führungsgröße 1 eingesetzte NH3-Konzentrationswert in
Abhängigkeit vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 10
vorgegeben wird. Dabei werden als den Betriebspunkt
charakterisierende Größen die Abgastemperatur, der
Abgasmassenstrom, die NOx-Emission der Brennkraftmaschine 10
oder Drehmoment und Drehzahl der Brennkraftmaschine 10
verwendet.
Fig. 3 zeigt als Blockbild ein weiteres Beispiel für den
schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Entfernung von
Stickoxiden aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine 10. Dieses
Blockbild entspricht in wesentlichen Teilen dem in Fig. 2
gezeigten Blockbild. Die übereinstimmenden und gleichwirkenden
Bauteile sind deshalb in Fig. 3 mit den auch in Fig. 2
verwendeten Bezugszeichen versehen. Im Unterschied zu der in
Fig. 2 gezeigten Anordnung befindet sich eingangsseitig der
Katalysatorteile 12 bzw. 13 jeweils ein Reduktionsmittel-
Dosierventil 14a bzw. 14b. Die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung
enthält jedoch nur einen NH3-Sensor 17 ausgangsseitig des
Katalysatorteils 13 in der Abgasleitung 11.
Ein sehr guter NOx-Umsatz bei gleichzeitig geringem NH3-Schlupf
wird in der in Fig. 3 gezeigten Anordnung durch folgendes
Betriebsverfahren erreicht. Als Regelgröße 6 wird der vom NH3-
Sensor 17 gelieferte Messwert verwendet und die NH3-Zufuhr in
das Abgas erfolgt abhängig vom Betriebspunkt der
Brennkraftmaschine 10 entweder durch Aktivierung des
Dosierventils 14a oder des Dosierventils 14b. Die Abhängigkeit
vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 10 ist vorzugsweise so
gestaltet, dass in einem unteren Leistungsbereich der
Brennkraftmaschine 10 die Reduktionsmittelzugabe ausschließlich
eingangsseitig des zweiten Katalysatorteils 13 vom Dosierventil
14b vorgenommen wird. Im anderen, oberen Leistungsbereich der
Brennkraftmaschine 10 wird die Reduktionsmittelzugabe vom
Dosierventil 14a eingangsseitig des ersten Katalysatorteils 12
übernommen. Der Übergang zwischen den beiden angesprochenen
Leistungsbereichen ist z. B. durch den Wert der halben
Nennleistung der Brennkraftmaschine 10 definiert. Durch diese
betriebspunktabhängige Wahl des Orts der Reduktionsmittelzufuhr
wird ebenfalls die Freisetzung von NH3 in die Atmosphäre bei
plötzlichem Lastwechsel der Brennkraftmaschine 10 sehr effektiv
vermieden. Ein besonderer Vorteil ist hierbei die Einsparung
eines NH3-Sensors gegenüber der in Fig. 2 gezeigten
Vorrichtung. Bei mehr als zweifacher Unterteilung des SCR-
Katalysators werden natürlich entsprechend mehr NH3-Sensoren
eingespart, da auch in diesem Fall nur ein NH3-Sensor
ausgangsseitig des in Abgasströmungsrichtung gesehen letzten
Katalysatorteils 13 angebracht ist. Dabei besteht gleichzeitig
eine erhöhte Flexibilität hinsichtlich des Orts der
Reduktionsmittelzugabe, da eingangsseitig jeden
Katalysatorteils ein Reduktionsmittel-Dosierventil eingesetzt
wird. Dies erlaubt die Zuordnung von verschiedenen
Kennfeldbereichen zu Reduktionsmittelzugabestellen, wodurch das
NH3-Speicherverhalten und das NH3-Schlupfverhalten des SCR-
Katalysators besonders gut dem dynamischen
Brennkraftmaschinenbetrieb angepasst werden kann.
Eine erhöhte Flexibilität und ein verbessertes NOx-
Umsatzverhalten wird auch dadurch erzielt, dass der als
Führungsgröße 1 eingesetzte NH3-Konzentrationswert in
Abhängigkeit vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 10
vorgegeben wird oder das Volumenverhältnis der Katalysatorteile
12, 13 in geeigneter Weise gewählt wird.
Fig. 4 zeigt als Blockbild ein weiteres Beispiel für den
schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Entfernung von
Stickoxiden aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine 10. Dabei
entsprechen gleiche Bezugszeichen in Hinsicht auf die Fig. 2
und 3 auch den gleichen Bauteilen, so dass hier auf die
Erläuterung der Funktion der bereits genannten Bauteile
verzichtet werden kann.
Im vorliegend betrachteten Beispiel ist der SCR-Katalysator 21
einteilig ausgeführt und enthält zwei NH3-Sensoren 16 und 17.
Für die Genauigkeit der Regelung ist es von besonderem Vorteil,
wenn die NH3-Sensoren 16, 17 in den Katalysatorkörper oder
sogar in die katalytische Beschichtung des SCR-Katalysators 21
integriert sind. Der Ort im Katalysator 21, in dem die NH3-
Sensoren 16, 17 eingebracht sind, ist dabei entsprechend den
Katalysatoreigenschaften gewählt. Vorzugsweise befindet sich
der NH3-Sensor 17 in der Nähe der Ausgangseite des Katalysators
21, um dort den für die NH3-Freisetzung in die Atmosphäre
maßgebenden NH3-Schlupf des Katalysators 21 messen zu können.
Zur weiteren Optimierung des NOx-Umsatzes bei gleichzeitig
geringem NH3-Schlupf wird derjenige der NH3-Sensor 16 oder 17,
dessen Signal als Regelgröße zur Reduktionsmittelzufuhr
verwendet wird, in Abhängigkeit des Betriebspunkts der
Brennkraftmaschine 10 oder in Abhängigkeit von den NH3-
Konzentrationsmesswerten der NH3-Sensoren 16, 17 ausgewählt.
Dabei ist außerdem der als Führungsgröße 1 eingesetzte NH3-
Konzentrationswert in Abhängigkeit vom Betriebspunkt der
Brennkraftmaschine 10 vorgegeben.
Claims (13)
1. Vorrichtung zur Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgas
mager betriebener Brennkraftmaschinen, insbesondere in
Kraftfahrzeugen verwendeten Dieselmotoren, mit einer
Reduktionsmitteleinspeisung in das Abgas, mit einem NH3-
Sensor zur Bestimmung der NH3-Konzentration im Abgas und
mit einer Abgasleitung mit NOx-Reduktionskatalysator,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Reduktionsmitteleinspeisung dosiert über einen
Regelkreis zur mengenmäßig kontinuierlich regelbaren
Reduktionsmittelzufuhr in das Abgas erfolgt, wobei der
Regelkreis eine Regelgröße (6) und eine Führungsgröße (1)
aufweist, wobei die Regelgröße (6) die von dem NH3-Sensor
(16, 17; 17) bestimmte NH3-Konzentration ist und die
Führungsgröße (1) ein in Abhängigkeit vom Betriebspunkt der
Brennkraftmaschine (10) vorgebbarer NH3-Konzentrationswert
ist, und dass der NOx-Reduktionskatalysator in wenigstens
zwei voneinander getrennte, in Abgasströmungsrichtung
hintereinander angeordnete Teile (12, 13) aufgeteilt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Reduktionsmittelzufuhr in das Abgas der
Brennkraftmaschine (10) eingangsseitig des ersten Teils (12)
des NOx-Reduktionskatalysators erfolgt, und dass der NH3-
Sensor (16, 17) jeweils ausgangsseitig eines jeden
Katalysatorteils (12, 13) im Abgas untergebracht ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Reduktionsmittelzufuhr in das Abgas der
Brennkraftmaschine (10) eingangsseitig eines jeden
Katalysatorteils (12, 13) erfolgt, und dass ausgangsseitig
des letzten Teils (13) des NOx-Reduktionskatalysators der
NH3-Sensor (17) im Abgas untergebracht ist.
4. Verfahren zur Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgas mager
betriebener Brennkraftmaschinen, insbesondere in
Kraftfahrzeugen verwendeten Dieselmotoren, mit einer
Reduktionsmitteleinspeisung in das Abgas, mit einem NH3-
Sensor zur Bestimmung der NH3-Konzentration im Abgas und mit
eitler Abgasleitung mit NOx-Reduktionskatalysator, dadurch
gekennzeichnet,
dass der NOx-Reduktionskatalysator in wenigstens zwei
voneinander getrennte, in Abgasströmungsrichtung
hintereinander angeordnete Teile (12, 13) aufgeteilt ist,
und dass die Zufuhr des Reduktionsmittels in das Abgas der
Brennkraftmaschine (10) mittels eines Regelkreises
mengenmäßig kontinuierlich regelbar vorgenommen wird, wobei
als Regelgröße (6) des Regelkreises die von dem NH3-Sensor
(16, 17; 17) bestimmte NH3-Konzentration verwendet wird und
als Führungsgröße (1) des Regelkreises ein in Abhängigkeit
vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (10) vorgebbarer
NH3-Konzentrationswert verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
dass die Reduktionsmittelzufuhr in das Abgas der
Brennkraftmaschine (10) eingangsseitig des ersten Teils (12)
des NOx-Reduktionskatalysators vorgenommen wird, und dass
die NH3-Konzentration im Abgas von jeweils einem NH3-Sensor
(16, 17) ausgangsseitig einen jeden Katalysatorteils (12,
13) bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
dass in Abhängigkeit vom Betriebspunkt der
Brennkraftmaschine (10) der NH3-Sensor (16 oder 17)
ausgewählt wird, dessen NH3-Konzentrationswert dann als
Regelgröße (6) für den Regelkreis herangezogen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
dass in Abhängigkeit von den ausgangsseitig eines jeden
Katalysatorteils (12, 13) bestimmten NH3-
Konzentrationswerten der NH3-Sensor (16 oder 17) ausgewählt
wird, dessen NH3-Konzentrationswert dann als Regelgröße (6)
für den Regelkreis herangezogen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
dass die Reduktionsmittelzufuhr in das Abgas der
Brennkraftmaschine (10) eingangsseitig eines jeden
Katalysatorteils (12, 13) vorgenommen wird, und dass die
NH3-Konzentration im Abgas von dem NH3-Sensor (17)
ausgangsseitig des letzten Teils (13) des NOx-
Reduktionskatalysators bestimmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
dass als Regelgröße (6) die NH3-Konzentration herangezogen
wird, die von dem ausgangsseitig des letzten Teils (13) des
NOx-Reduktionskatalysators in Abgas-Strömungsrichtung
untergebrachten NH3-Sensor (17) bestimmt wird, und dass in
Abhängigkeit vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (10)
der Katalysatorteil (12 oder 13) ausgewählt wird,
eingangsseitig dessen dann die Reduktionsmittelzufuhr
vorgenommen wird.
10. Vorrichtung zur Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgas
mager betriebener Brennkraftmaschinen, insbesondere in
Kraftfahrzeugen verwendeten Dieselmotoren, mit einer
Reduktionsmitteleinspeisung in das Abgas, mit einem NH3-
Sensor zur Bestimmung der NH3-Konzentration im Abgas und mit
einer Abgasleitung mit NOx-Reduktionskatalysator, dadurch
gekennzeichnet,
dass der NOx-Reduktionskatalysator (21) einteilig ausgeführt
ist und dass in dem NOx-Reduktionskatalysator (21)
wenigstens zwei NH3-Sensoren (16, 17) untergebracht sind und
dass die Reduktionsmitteleinspeisung dosiert über einen
Regelkreis zur mengenmäßig kontinuierlich regelbaren
Reduktionsmittelzufuhr in das Abgas erfolgt, wobei der
Regelkreis eine Regelgröße (6) und eine Führungsgröße (1)
aufweist, wobei die Regelgröße (6) die von einem der
wenigsten zwei NH3-Sensoren (16, 17) bestimmte NH3-
Konzentration ist und die Führungsgröße (1) ein in
Abhängigkeit vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (10)
vorgebbarer NH3-Konzentrationswert ist und dass die
Reduktionsmittelzufuhr eingangsseitig des NOx-
Reduktionskatalysators (21) erfolgt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
dass die NH3-Sensoren (16, 17) in den NOx-
Reduktionskatalysator (21) integriert sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch
gekennzeichnet,
dass in Abhängigkeit vom Betriebspunkt der
Brennkraftmaschine (10) der NH3-Sensor (16 oder 17)
ausgewählt wird, dessen NH3-Konzentrationswert dann als
Regelgröße (6) für den Regelkreis herangezogen wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch
gekennzeichnet,
dass in Abhängigkeit von den ausgangsseitig eines jeden
Katalysatorteils (12, 13) bestimmten NH3-
Konzentrationswerten der NH3-Sensor (16 oder 17) ausgewählt
wird, dessen NH3-Konzentrationswert dann als Regelgröße (6)
für den Regelkreis herangezogen wird.
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