DE10126456A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgas mager betriebener Brennkraftmaschinen - Google Patents

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.