DE102005031720B4

DE102005031720B4 - Verfahren zur Dosierung eines Reduktionsmittels

Info

Publication number: DE102005031720B4
Application number: DE102005031720.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Beckmann; Bernd Christner; Dr. Fekete Nicholas; Dipl-Ing. Paule Markus
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2005-07-07
Filing date: 2005-07-07
Publication date: 2020-06-18
Anticipated expiration: 2025-07-08
Also published as: DE102005031720A1

Abstract

Verfahren zur Dosierung eines als wässrige Harnstofflösung ausgebildeten Reduktionsmittels in eine Abgasleitung (2) einer Brennkraftmaschine (1) mit- einem Abgasreinigungssystem, umfassend ein in der Abgasleitung (2) angeordnetes Dosierventil (27) zur Zugabe des Reduktionsmittels in das Abgas und einen stromab des Dosierventils (27) in der Abgasleitung (2) angeordneten, als SCR-Katalysator ausgebildeten Stickoxid-Reduktionskatalysator (5), an welchem eine selektive Reduktion von im Abgas enthaltenen Stickoxiden mit Ammoniak erfolgen kann, und- einer Steuereinrichtung (46) zur Steuerung des Abgasreinigungssystems, wobei die Steuereinrichtung (46) eine Dosierrate von dem Abgas über das Dosierventil (27) zuzugebendem Reduktionsmittel einstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (46) Veränderungen einer Wandfilmmasse (m) von an der Innenwand der Abgasleitung (2) angelagertem Reduktionsmittel ermittelt und bei der Einstellung der Dosierrate berücksichtigt, wobei von der Steuereinrichtung (46) eine Anlagerungsrate von sich im Wandfilm anlagerndem und eine Desorptionsrate von aus dem Wandfilm desorbierendem Reduktionsmittel ermittelt wird und der Betrag der Wandfilmmasse laufend durch Bilanzierung der Anlagerungsrate und der Desorptionsrate ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dosierung eines Reduktionsmittels in eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Zur Unterstützung einer katalytischen Reinigung von Brennkraftmaschinenabgasen ist es bekannt, dem Abgas der Brennkraftmaschine Reduktionsmittel zuzugeben. Dabei ergibt sich das Problem, eine für die angestrebte Reinigungswirkung passende Zugaberate für das Reduktionsmittel zu ermitteln. Insbesondere zur Entfernung von Stickoxiden (NOx) mittels eines so genannten SCR-Katalysators ist die Zugabe eines flüssigen Reduktionsmittels wie wässerige Harnstofflösung zum Abgas gebräuchlich. Dabei ergibt sich zusätzlich das Problem, dass eine Überdosierung einen unerwünschten Schlupf von Ammoniak (NH3) zur Folge haben kann.
Zur Lösung dieser Probleme wird in der EP 1 348 477 A1 vorgeschlagen, eine Verbrauchsmenge von im Katalysator gespeicherten NH3 und eine NOx-Reinigungsrate zu ermitteln und in Abhängigkeit von diesen Größen im Zusammenhang mit einer Speichermenge von im Katalysator gespeicherten NH3 die Reduktionsmittelzugabe zu steuern.
Aus der DE 101 26 456 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgas mager betriebener Brennkraftmaschinen mittels eines Ammoniak enthaltenden Reduktionsmittels bekannt, bei welchen ein in wenigstens zwei voneinander getrennte Teile aufgeteilter Stickoxid-Reduktionskatalysator eingesetzt wird. Ausgangsseitig jeden Katalysatorteils ist ein Sensor vorgesehen, der den Ammoniakschlupf des jeweiligen Katalysatorteils erfasst. Eine Zugabe des Reduktionsmittels erfolgt geregelt auf der Basis des erfassten Ammoniakschlupfes. Auf diese Weise ist eine differenzierte Beurteilung des gesamten Katalysatorvolumens ermöglicht und der Stickoxidumsatz kann im Vergleich zu einer integralen Erfassung eines gleich großen Katalysatorvolumens verbessert werden. Nachteilig sind jedoch die Kosten für die Sensoren. Zudem stellt der Ammoniaksschlupf eine Größe dar, die den Katalysatorzustand lediglich indirekt charakterisiert. Weiterhin erweist sich eine schlupfgeregelte Reduktionsmittelzugabe als schwierig, wenn der Ammoniakschlupf vollständig vermieden werden soll.
Aus der Patentschrift DE 42 17 552 C1 ist eine Abgasnachbehandlungseinrichtung für Kraftfahrzeugdieselmotoren mit einem NOx-Reduktionskatalysator und einer NH3-Dosiervorrichtung bekannt, bei der 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.
Aus der Offenlegungsschrift EP 0 554 766 A1 ist ein Verfahren zur NOx-Minderung in Abgasen durch gesteuerte überstöchiometrische Zugabe von NH3 bekannt, bei welchem stromauf eines Katalysators NH3 so lange zudosiert wird, bis die im Katalysator gespeichert NH3-Menge einen oberen Schwellenwert erreicht hat. Das im Katalysator gespeicherte NH3 wird durch Reaktion mit dem von der Brennkraftmaschine emittierten NOx verbraucht, wodurch der Schadstoff NOx aus dem Abgas entfernt wird. Die NH3-Zugabe wird wieder aufgenommen, wenn die im Katalysator gespeicherte NH3-Menge einen unteren Schwellenwert erreicht hat.
In den beschriebenen Verfahren erfolgt meist eine modellbasierte Verknüpfung von Messwerten und gespeicherten Kennwerten, beispielsweise für den SCR-Katalysator. Es hat sich jedoch gezeigt, dass dabei trotz Berücksichtigung vieler Einflussgrößen oftmals eine Fehldosierung des Reduktionsmittels erfolgt, so dass keine optimale Abgasreinigung erreicht wird.
Aus der US 2004/0187483 A1 ist ein Verfahren zur Reduktion von Stickoxiden an einem Stickoxid-Reduktionskatalysator mittels Wasserstoff und Kohlenmonoxid als Reduktionsmittel bekannt, wobei der Wasserstoff und das Kohlenmonoxid aus einem Kraftstoff erzeugt werden. Der Kraftstoff ist vorzugsweise ein Kohlenwasserstoff und wird mittels eines Injektors dem Abgas zugegeben und in einer katalytischen Zone erfolgt eine Freisetzung des Wasserstoffs und Kohlenmonoxids aus dem Kraftstoff. In einem nachgeschalteten katalytischen Prozess erfolgt die Reduktion der Stickoxide an dem Stickoxid-Reduktionskatalysator.
Aus der DE 196 04 136 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung einer Kraftstoff-Einspritzmenge für einen Motor bei dessen Wiederinbetriebnahme (Wiedereinsetzen) nach vorangegangener Abschaltung bekannt.
Aus der DE 101 41 929 A1 ist ein Verfahren zum Starten eines Ottomotors bekannt, bei welchem ein Saugrohrdruck gesteuert wird.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Dosierung eines Reduktionsmittels anzugeben, mit welchem eine verbesserte Abgasreinigung erzielt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß werden von der Steuereinrichtung zur Steuerung des Abgasreinigungssystems Veränderungen einer Wandfilmmasse von an der Innenwand der Abgasleitung angelagertem Reduktionsmittel ermittelt und bei Einstellung der Dosierrate des in die Abgasleitung zugegebenen Reduktionsmittels berücksichtigt. Der Abgasleitung zugegebenes Reduktionsmittel kann sich jedoch mehr oder weniger stark an der Abgasleitungsinnenwand anlagern bzw. adsorbieren und einen Wandfilm bilden. Aus diesem Wandfilm kann andererseits Reduktionsmittel wieder desorbieren. Überwiegt die Anlagerung von Reduktionsmittel an der Abgasleitung gegenüber der Desorption, so findet ein Wandfilmaufbau statt und dem Stickoxid-Reduktionskatalysator wird über das Abgas weniger Reduktionsmittel zugeführt, als dem Abgas über das Dosierventil zugegeben wird. Überwiegt hingegen die Desorption von Reduktionsmittel von der Abgasleitung gegenüber der Anlagerung, so findet ein Wandfilmabbau statt und dem Stickoxid-Reduktionskatalysator wird über das Abgas mehr Reduktionsmittel zugeführt, als dem Abgas über das Dosierventil zugegeben wird. Diese Adsorptions- und Desorptionserscheinungen beeinflussen somit letztlich die dem Reduktionskatalysator zugeführte Reduktionsmittelmenge, so dass es zu einer Fehldosierung von Reduktionsmittel kommen kann. Durch die erfindungsgemäße Berücksichtigung von Veränderungen der Wandfilmmasse von an der Innenwand der Abgasleitung angelagertem Reduktionsmittel wird diese Fehlerquelle beseitigt. Folglich kann die für eine optimale Abgasreinigung erforderliche Dosierrate genauer ermittelt und eingestellt werden. Dabei wird unter einer „Rate“ wie üblich eine auf ein Zeitintervall bezogene Menge verstanden und speziell unter der Dosierrate die im Zeitintervall über das Dosierventil in die Abgasleitung abgegebene Reduktionsmittelmenge.
Für die Ermittlung der Veränderungen der Wandfilmmasse ist die Steuereinrichtung zur Durchführung von Berechnungen ausgebildet, wobei hierfür notwendige Eingangsgrößen messtechnisch erfasst oder aus gespeicherten Modellen oder Kennlinien beispielsweise betreffend den Zustand des Reduktionskatalysator in Abhängigkeit von Brennkraftmaschinenbetriebsgrößen gewonnen werden.
Als Reduktionsmittel wird eine Harnstoff-Wasser-Lösung verwendet. Dementsprechend ist der Stickoxid-Reduktionskatalysator als so genannter SCR-Katalysator zur Stickoxidverminderung ausgebildet. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch auch für andere Abgasreinigungssysteme geeignet.
Die Dosierung des Reduktionsmittels erfolgt bevorzugt über ein Dosierventil, das von der Steuereinrichtung zur Abgabe der ermittelten Dosierrate entsprechend angesteuert wird. Die Abgabe des Reduktionsmittels in die Abgasleitung erfolgt zweckmäßigerweise fein verteilt über eine in die Abgasleitung mündende Düse.
In Ausgestaltung des Verfahrens wird von der Steuereinrichtung der Betrag der Wandfilmmasse laufend durch Bilanzierung einer Anlagerungsrate von sich im Wandfilm anlagernden und einer Desorptionsrate von aus dem Wandfilm desorbierenden Reduktionsmittel ermittelt. Vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, die Dosierrate mit in die Bilanzierungsberechnungen einzubeziehen. Die aktuellen Werte der Wandfilmmasse und der Anlagerungs- und Desorptionsrate werden vorzugsweise rekursiv und zeitlich getaktet aus den jeweiligen Vorgängerwerten ermittelt. Auf diese Weise stehen laufend aktualisierte Werte hierfür zur Verfügung und die Dosierrate kann, falls notwendig, laufend um die Anlagerungs- und Desorptionsrate korrigiert werden.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird von der Steuereinrichtung die Desorptionsrate in Abhängigkeit vom Betrag der Wandfilmmasse und wenigstens von einer Strömungsgeschwindigkeit und/oder einer Temperatur des Abgases in der Abgasleitung und/oder einer Temperatur der Abgasleitung ermittelt. Hierfür können entsprechende Kennfelder für die Desorptionsrate in Abhängigkeit der genannten Größen vorab, beispielsweise mittels experimenteller Untersuchungen ermittelt und in der Steuereinrichtung gespeichert werden. Der Betrag der Wandfilmmasse sowie Strömungsverhältnisse und die Temperaturverhältnisse beeinflussen die Desorptionsrate. Durch die Verfügbarkeit der entsprechenden Abhängigkeiten kann der Wandfilmabbau daher hinreichend genau beschrieben werden. Gegebenenfalls können zusätzlich weitere relevante Abhängigkeiten berücksichtigt werden. Die Temperatur des Abgases in der Abgasleitung und/oder die Temperatur der Abgasleitung können messtechnisch bzw. über ein geeignetes Modell ermittelt werden.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird von der Steuereinrichtung die Anlagerungsrate in Abhängigkeit wenigstens von einer Strömungsgeschwindigkeit und/oder einer Temperatur des Abgases in der Abgasleitung und/oder einer Temperatur der Abgasleitung ermittelt. Hierfür können entsprechende Kennfelder für die Anlagerungsrate in Abhängigkeit der genannten Größen vorab, beispielsweise mittels experimenteller Untersuchungen ermittelt und in der Steuereinrichtung gespeichert werden. Da die genannten Größen die Anlagerungsrate maßgeblich bestimmen, kann mit den gespeicherten Kennfeldern der Wandfilmaufbau hinreichend genau beschrieben werden.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Dosierrate des Reduktionsmittels so eingestellt, dass eine vorgebbare Zufuhrrate von mit dem Abgasstrom dem Stickoxid-Reduktionskatalysator zugeführtem Reduktionsmittel resultiert. Die Menge des dem Katalysator mit dem Abgas zugeführten Reduktionsmittels bestimmt letztlich die mit dem Katalysator erzielbare Reinigungswirkung. Erfindungsgemäß werden von Wandfilmveränderungen verursachte Abweichungen von Dosierrate und Zufuhrrate erfasst. Folglich kann die Dosierrate so eingestellt werden, dass dem Katalysator je Zeiteinheit die vorgegebene Reduktionsmittelmenge mit dem Abgas zugeführt wird. Vorzugsweise wird die Zufuhrrate über ein Rechenmodell aus Zustandsgrößen des Katalysators und des Brennkraftmaschinenabgases ermittelt und vorgegeben.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Zufuhrrate in Abhängigkeit von der Temperatur des Stickoxid-Reduktionskatalysators und/oder von einem Reduktionsmittelfüllstand im Stickoxid-Reduktionskatalysator vorgegeben. Auf diese Weise kann insbesondere ein ungewollter Austrag von im Katalysator gespeichertem Reduktionsmittel (Schlupf) vermieden werden. Bevorzugt ist der Stickoxid-Reduktionskatalysator als klassischer SCR-Katalysator, insbesondere auf der Basis von Wolframoxid bzw. Vanadiumpentoxid oder als zeolithischer Katalysator ausgebildet. Diese Katalysatortypen können beträchtliche Mengen von Ammoniak speichern können, welcher im Falle eines ammoniakhaltigen Reduktionsmittels als Reaktionspartner für eine Reduktion von mit dem Abgas zugeführten Stickoxiden wirkt. In diesem Sinne ist unter einem Reduktionsmittelfüllstand die Menge an im Katalysatorbett gespeichertem Reduktionsmittel zu verstehen. Vorzugsweise sind Füllstandsermittlungsmittel zur Ermittlung des Reduktionsmittelfüllstands vorgesehen, und die Dosierrate ist in Abhängigkeit vom von den Füllstandsermittlungsmitteln ermittelten Reduktionsmittelfüllstand des Katalysators einstellbar. Der Reduktionsmittelfüllstand stellt eine aussagekräftige Größe zur Beurteilung des Katalysatorzustands dar und bestimmt maßgeblich den Stickoxidumsatz und den Reduktionsmittelschlupf. Die Ermittlung des Reduktionsmittelfüllstands im Katalysator erlaubt eine differenzierte Beurteilung des Katalysatorzustands, welche es ermöglicht, den Katalysator hinsichtlich des Stickoxidumsatzes und des Reduktionsmittelschlupfs optimal einzustellen. Infolge der erfindungsgemäßen Berücksichtigung der Wandfilmassenveränderung kann die in den Katalysator eingebrachte Reduktionsmittelmenge genau ermittelt werden, und daher ist der Reduktionsmittelfüllstand im Katalysator ebenfalls genau ermittelbar. Insgesamt ist folglich eine Optimierung von Stickoxidumsatz und Reduktionsmittelschlupf ermöglicht.
Die Füllstandsermittlungsmittel können beispielsweise einen im Katalysatorbett angeordneten, gegenüber dem Reduktionsmittel empfindlichen Sensor umfassen, der in der Lage ist, die gespeicherte Reduktionsmittelmenge zu erfassen. Es ist jedoch vorzugsweise vorgesehen, den Reduktionsmittelfüllstand rechnerisch zu ermitteln, so dass auf einen solchen Füllstandssensor verzichtet werden kann. Die Füllstandsermittlungsmittel sind daher vorzugsweise als Elektronikeinheit ausgeführt, welche auf gespeicherte Daten, vorzugsweise in Form von Kennlinien, Kennfeldern und Programmen zugreifen kann. Anhand der Daten und zusätzlicher Eingangssignale betreffend maßgebliche Zustandsgrößen des Stickoxid-Reduktionskatalysators und des Abgases sowie Betriebsdaten der Brennkraftmaschine, wie beispielsweise Temperatur, Sauerstoffgehalt des Abgases, Abgasmassenstrom, Brennkraftmaschinenlast und -drehzahl, erfolgt eine modellbasierte rechnerische Ermittlung des Reduktionsmittelfüllstands im Katalysator. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Füllstandsermittlungsmittel, die Steuereinrichtung zur Steuerung des Abgasreinigungssystems und eine Brennkraftmaschinensteuerung in eine Baueinheit integriert sind, so dass auf alle betriebsrelevanten Größen zugegriffen werden kann. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung als Regler ausgebildet, welcher den Reduktionsmittelfüllstand des Katalysators einregeln kann. In diesem Sinne stellt der Reduktionsmittelfüllstand eine Größe dar, welche anhand der Reduktionsmittelzugaberate auf vorgebbare Werte eingeregelt wird.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Dabei sind die vorstehend genannten und nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:

1 ein schematisches Blockbild einer Brennkraftmaschine mit einem ersten Beispiel für ein zugehöriges Abgasreinigungssystem,
2 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Reduktionsmittelspeicherfähigkeit eines Stickoxid-Reduktionskatalysators,
3 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Temperaturabhängigkeit der Reduktionsmittelspeicherfähigkeit,
4 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Abhängigkeit von Stickoxidumsatz und Reduktionsmittelschlupf vom Reduktionsmittelfüllstand eines Stickoxid-Reduktionskatalysators,
5 ein Diagramm zur Verdeutlichung einer Katalysatoralterung infolge einer Einwirkung erhöhter Temperaturen,
6 eine schematische Blockbilddarstellung einer vorteilhaften Ausführungsform einer Füllstandsermittlungseinheit zur Ermittlung des Reduktionsmittelfüllstands eines Stickoxid-Reduktionskatalysators,
7 eine schematische Darstellung einer Reduktionsmitteldosierung zur Verdeutlichung von Wandanlagerung und -Desorption von Reduktionsmittel,
8a und 8b Diagramme zur Verdeutlichung der Temperaturabhängigkeit von Wandanlagerung und -Desorption von Reduktionsmittel,
9 ein schematisches Blockbild einer Brennkraftmaschine mit einem zweiten Beispiel für ein zugehöriges Abgasreinigungssystem,
10a und 10b Diagramme zur Verdeutlichung von vorgebbaren Werten für Reduktionsmittelfüllstände,
11a bis 11c Ablaufdiagramme zur Erläuterung der Vorgehensweise bei der Weitererarbeitung der erfassten Reduktionsmittelfüllstände und
12 eine schematische Übersicht eines dritten Beispiels eines Abgasreinigungssystems.

1 zeigt beispielhaft ein schematisches Blockbild einer Brennkraftmaschine 1 mit zugehörigem Abgasreinigungssystem.
Die Brennkraftmaschine 1 ist vorzugsweise als luftverdichtende Brennkraftmaschine, nachfolgend vereinfacht als Dieselmotor bezeichnet, ausgebildet. Das vom Dieselmotor 1 ausgestoßene Abgas wird von einer Abgasleitung 2 aufgenommen und durchströmt nacheinander einen Oxidationskatalysator 3, einen Partikelfilter 4 und einen Stickoxid-Reduktionskatalysator 5. Zur Beheizung des Oxidationskatalysators 3 bzw. des Abgases ist ein Heizelement 26 eingangsseitig des Oxidationskatalysators 3 in der Abgasleitung 2 angeordnet. Eine Aufheizung des Abgases kommt insbesondere bei einer Regeneration des Partikelfilters 4 durch Rußabbrand in Betracht. Zur Feststellung der Notwendigkeit einer solchen Regeneration ist dem Partikelfilter 4 ein Differenzdrucksensor 22 zugeordnet. Ferner ist ein Abgasturbolader 6 vorgesehen, dessen Turbine vom Abgasstrom angetrieben wird und dessen Verdichter über eine Ansaugluftleitung 7 angesaugte Luft über eine Luftzufuhrleitung 11 dem Dieselmotor 1 zuführt. Zur Einstellung der dem Dieselmotor 1 zugeführten Luftmenge ist in der Luftzufuhrleitung 11 eine Drosselklappe 12 angeordnet. Zur Reinigung der Ansaugluft bzw. zur Messung der Ansaugluftmenge sind ein Luftfilter 8 bzw. ein Luftmassenmesser 9 in der Ansaugluftleitung 7 angeordnet. Ein in der Luftzufuhrleitung angeordneter Ladeluftkühler 10 dient zur Kühlung der verdichteten Ansaugluft.
Stromauf des Stickoxid-Reduktionskatalysators 5 ist eine Zugabestelle mit einem Dosierventil 27 zur Zugabe eines Reduktionsmittels in das Abgas angeordnet. Die Versorgung des Dosierventils 27 mit dem Reduktionsmittel erfolgt aus einem hier nicht dargestellten Behälter. Nachfolgend wird davon ausgegangen, dass es sich bei dem Reduktionsmittel um Ammoniak (NH₃) handelt, welches, vorzugsweise chemisch gebunden in einer wässrigen Harnstofflösung, dem Abgas über das Dosierventil 27 dosiert zugegeben wird. Im heissen Abgas wird durch Thermolyse und/oder Hydrolyse das Ammoniak freigesetzt, welches selektiv bezüglich der Reduktion der im Abgas enthaltenen Stickoxide wirkt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch auch zur Dosierung anderer Reduktionsmittel in freier oder gebundener Form mit Vorteil anwendbar.
Zur Steuerung des Betriebs des Abgasreinigungssystems sowie des Dieselmotors 1 ist eine in 1 nicht dargestellte Steuereinrichtung vorgesehen. Hierzu erhält die Steuereinrichtung Informationen über Betriebszustandsgrößen des Dieselmotors 1. Dies können z.B. Informationen über das abgegebene Drehmoment oder die Drehzahl sein. Die Steuereinrichtung umfasst vorzugsweise eine Recheneinheit und eine Speichereinheit sowie eine Ein-Ausgabeeinheit. Dadurch ist die Steuereinrichtung in der Lage, komplexe Signalverarbeitungsvorgänge vorzunehmen und den Betrieb des Dieselmotors 1 sowie des Abgasreinigungssystems zu erfassen und zu steuern bzw. zu regeln. Hierfür notwendige Kennfelder sind vorzugsweise in der Speichereinrichtung abgelegt, wobei auch eine adaptive Anpassung der Kennfelder vorgesehen sein kann. Die Kennfelder betreffen hauptsächlich die maßgeblichen Zustandsgrößen des Abgases, wie Massenstrom, Rohemission, Temperatur in Abhängigkeit der Betriebszustandsgrößen des Dieselmotors 1 wie Last, Drehzahl, Luftverhältniszahl etc. Ferner sind Kennfelder für die maßgeblichen Zustandsgrößen des Oxidationskatalysators 3, des Partikelfilters 4 und des Stickoxid-Reduktionskatalysators 5 vorgesehen. Hinsichtlich des Stickoxid-Reduktionskatalysators 5 betreffen diese Kennfelder insbesondere den Stickoxidumsatz und die Ammoniakspeicherfähigkeit in Abhängigkeit von den hierfür maßgebenden Einflussgrößen.
Die Erfassung der Betriebszustände des Dieselmotors 1 sowie des Abgasreinigungssystems und der zugeordneten Einheiten erfolgt vorzugsweise mittels geeigneter Sensoren. Beispielhaft sind in 1 Drucksensoren 13 und 15 für einen Druck vor dem Verdichter und einen Druck vor der Turbine des Turboladers 6 sowie Temperatursensoren 14, 16, 18, 19, 21, 23 und 24 für jeweils eine Temperatur nach dem Ladeluftkühler 10, vor der Turbine, vor dem Oxidationskatalysator 3, vor und nach dem Partikelfilter 4 sowie vor und nach dem Stickoxid-Reduktionskatalysator 5 dargestellt. Weitere Sensoren, insbesondere zur Erfassung von Abgaskomponenten können ebenfalls vorgesehen sein. Beispielsweise sind ein Lambdasensor 17 sowie Stickoxidsensoren 20 und 25 für den Stickoxidgehalt im Abgas vorgesehen. Die Signale der Sensoren werden von der Steuereinrichtung verarbeitet, so dass die wesentlichen Zustandsgrößen jederzeit vorliegen und der Betriebspunkt des Dieselmotors 1 falls notwendig so verändert werden kann, dass ein optimaler Betrieb des Abgasreinigungssystems ermöglicht ist.
Nachfolgend werden mit Blick auf den Betrieb des Stickoxid-Reduktionskatalysators 5 einige wichtige Eigenschaften dieses Katalysators mit Bezug auf die 2 bis 4 erläutert. Dabei wird davon ausgegangen, dass es sich bei dem Stickoxid-Reduktionskatalysator 5 um einen typischen SCR-Katalysator mit Ammoniakspeicherfähigkeit handelt. In 2 ist ein Diagramm zu dieser wichtigen Eigenschaft dargestellt.
Das Diagramm der 2 stellt einen typischen zeitlichen Verlauf c_NH3(t) von Ammoniakkonzentrationen c_NH3 bei einer Beaufschlagung des SCR-Katalysators mit Ammoniak dar. Dabei wird davon ausgegangen, dass ein von eingespeichertem Ammoniak freier SCR-Katalysator unter isothermen Bedingungen zum Zeitpunkt t1 mit einem Abgaseingangsstrom vorgegebener und zeitlich konstanter Größe und Ammoniakeingangskonzentration beaufschlagt wird, was durch die Spur 28 wiedergegeben ist.
Entsprechend seiner Ammoniak-Speicherfähigkeit nimmt im Zeitbereich zwischen t1 und t2 der SCR-Katalysator in zeitlich abnehmendem Maße Ammoniak auf. Dementsprechend bleibt die NH₃-Konzentration in dem den SCR-Katalysator verlassenden Abgasstrom hinter der Eingangskonzentration zurück, was durch die Spur 29 wiedergegeben ist. Zum Zeitpunkt t2 ist der SCR-Katalysator gesättigt, weshalb er keinen weiteren Ammoniak mehr speichern kann und die Spur 29 in die Spur 28 einmündet. Der Ammoniakfüllstand hat dann den Maximalwert von 100 % erreicht. Die dabei vom SCR-Katalysator gespeicherte Ammoniakmenge, welche die Ammoniakspeicherfähigkeit unter den entsprechenden Bedingungen darstellt, wird durch die Größe der Fläche 29 zwischen den beiden Spuren 28, 29 repräsentiert.
Die Ammoniakspeicherfähigkeit ist in erster Linie temperaturabhängig, was durch das in 3 dargestellte Diagramme wiedergegeben ist. Dabei stellt die Spur 31 einen typischen Verlauf der tempaturabhängigen Ammoniakspeicherfähigkeit Sp_NH3 (T) dar. Die Ammoniakspeicherfähigkeit Sp_NH3 (T) ist, wie dem Diagramm der 3 zu entnehmen ist, bei niedrigen Temperaturen T vergleichsweise groß und nimmt bei hohen Temperaturen T, etwa oberhalb 300 °C ab. Außerdem besteht eine Abhängigkeit vom Gasdurchsatz, was nicht näher dargestellt ist.
In diesem Zusammenhang wird nachfolgend davon ausgegangen, dass der Ammoniakfüllstand des SCR-Katalysators die gespeicherte Ammoniakmenge bezogen auf die unter den jeweiligen Bedingungen maximal speicherbare Ammoniakmenge gemäß den dargestellten Verhältnissen angibt.
Ein wichtiger Aspekt im Zusammenhang mit den Eigenschaften eines typischen SCR-Katalysators betrifft die Abhängigkeit des Stickoxidumsatzes vom Ammoniakfüllstand. In 4 ist durch die Spur 32 diese Abhängigkeit schematisch dargestellt. Im Vergleich hierzu ist durch die Spur 33 die Abhängigkeit des Ammoniakschlupfes S_NH3 vom Ammoniakfüllstand wiedergegeben. Mit zunehmendem Füllstand F steigt dabei der Stickoxidumsatz U_NOx (F) mit flacher werdender Steigung kontinuierlich bis zu einen Maximalwert an, der im wesentlichen vom Gasdurchsatz und von der Temperatur bestimmt ist. Dies bedeutet, dass ab einem bestimmten Wert für den Ammoniakfüllstand F der Stickoxidumsatzes U_NOx durch eine weitere Einspeicherung von Ammoniak im Katalysator nicht mehr gesteigert werden kann. Vielmehr erhöht sich, wie durch die Spur 33 dargestellt, der Ammoniakschlupf S_NH3. Bei der Einstellung eines für die jeweiligen Bedingungen optimalen Werts für den Ammoniakfüllstand F ist die Berücksichtigung dieser Tatbestände von besonderer Bedeutung.
Die in den 2 bis 4 schematisch dargestellten Abhängigkeiten werden zweckmäßigerweise für den einzusetzenden SCR-Katalysator vorab ermittelt und als Kennlinien bzw. Kennfelder abgelegt. Auf diese kann die Steuereinrichtung zugreifen, so dass der Zustand des Stickoxid-Reduktionskatalysators 5 für jeden Betriebszustand umfassend ermittelt werden kann. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, einen Kennfeldsatz für einen ungealterten Neuzustand und einen weiteren Kennfeldsatz für einen definierten Alterungszustand, vorzugsweise entsprechend einer vorgegebenen Grenzalterung, vorzusehen. Besonders vorteilhaft ist es, dabei dem ungealterten Zustand einen ersten Alterungsfaktor von beispielsweise Null und dem Grenzalterungszustand einen zweiten Alterungsfaktor von beispielsweise Eins zuzuordnen. Während des Betriebs des Dieselmotors 1 wird der aktuelle Alterungszustand des Stickoxid-Reduktionskatalysators 5 laufend ermittelt und dem aktuellen Alterungszustand ein aktueller Alterungsfaktor AF zugeordnet, der zwischen Null und Eins liegt. Beim Zugriff auf Kennfelddaten wird dann entsprechend dem aktuellen Alterungsfaktor AF vorzugsweise linear zwischen den Daten der Kennfeldsätze für den Neuzustand und dem Grenzalterungszustand interpoliert.
Bei der Ermittlung des aktuellen Alterungsfaktors AF wird dabei vorzugsweise wie folgt vorgegangen. Für den einzusetzenden Stickoxid-Reduktionskatalysator 5 wird vorab eine Temperaturschädigungskennlinie ermittelt, welche den für die Alterung überwiegend maßgebenden Temperatureinfluss berücksichtigt.
In 5 ist eine solche Temperaturschädigungskennlinie 34 dargestellt. Die Temperaturschädigung TS weist typischerweise eine annähernd exponentielle Abhängigkeit von der Temperatur T auf. Beim Betrieb des Dieselmotors 1 erfolgt eine laufende zeitliche Integration des Temperaturschädigungswertes TS (T) entsprechend der ermittelten Katalysatortemperatur T und der in 5 dargestellten und gespeicherten Kennlinie gemäß der Formel $AF = \cdot TS (T) * dt .$
Die Temperaturschädigung TS (T) ist dabei derart skaliert, dass sich für die Grenzschädigung ein Alterungsfaktor AF von Eins ergibt. Auf diese Weise kann die Temperaturbelastung des Stickoxid-Reduktionskatalysators 5 quantifiziert werden und eine an den Alterungszustand angepasste Einstellung des Ammoniakfüllstands bzw. der Reduktionsmitteldosierung vorgenommen werden. Außerdem ist eine laufende Diagnose des Stickoxid-Reduktionskatalysators 5 ermöglicht, so dass beispielsweise bei Erreichen der Grenzalterung eine entsprechende Warnmeldung ausgegeben werden kann.
In 6 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung einer Füllstandsermittlungseinheit 35 zur Ermittlung des Reduktionsmittel- bzw. Ammoniakfüllstands des Stickoxid-Reduktionskatalysators 5 schematisch in Blockbildform dargestellt. Die Füllstandsermittlungseinheit 35 erhält Eingabegrößen E, welche neben dem aktuellen Alterungsfaktor AF Abgaszustandsgrößen wie die Abgastemperatur, den Stickoxidgehalt und den Abgasmassenstrom betreffen. Die Füllstandsermittlungseinheit 35 verfügt über Kennfeldsätze 36, 37, 38 für die Umsetzung mit Stickoxiden, die Direktumsetzung mit Sauerstoff und die Desorptionsrate von im Katalysator 5 gespeichertem Ammoniak. Dabei werden die maßgeblichen Daten entsprechend den vorliegenden Eingabegrößen bestimmt. Die Werte für die Umsetzung mit Stickoxiden, die Direktumsetzung mit Sauerstoff und die durch den Ammoniakschlupf S_NH3 gegebene Desorptionsrate werden zusammen mit der Zufuhrrate Z des dem Katalysator 5 zugeführten Ammoniaks einem Summationsglied 39 zugeführt, welches die betreffenden Größen vorzeichenrichtig summiert. Auf diese Weise ist eine Bilanzierung für die Größen ermöglicht, welche die im Katalysator 5 gespeicherte Ammoniakmenge im wesentlichen bestimmen. Der Summenwert wird einem Integrationsglied 40 zugeführt, dessen Ausgangsgröße den aktuellen Ammoniakfüllstand F des Katalysators 5 darstellt. Daneben werden aus den vorliegenden Daten weitere Ausgangsgrößen A ermittelt. Dies sind vor allem Größen betreffend den Stickoxidgehalt des aus dem Katalysator ausströmenden Abgases, den Ammoniakschlupf S_NH3 sowie die infolge der Reaktionswärme oder durch Wärmeverluste gegebenenfalls veränderte Abgastemperatur.
Die Zufuhrrate Z des dem Katalysator 5 zugeführten Ammoniaks bestimmt sich unter anderem aus der über das Dosierventil 27 abgegebenen Dosierrate. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, Beeinflussungen infolge von Wandanlagerung und -Desorption zu berücksichtigen. Eine bevorzugte Vorgehensweise hierzu wird nachfolgend unter Bezug auf 7 erläutert.
In 7 ist schematisch die Situation bei einer Zugabe von flüssigem Reduktionsmittel, wie beispielsweise Harnstoff-Wasser-Lösung, über das Dosierventil 27 in die Abgasleitung 2 dargestellt. Es wird nachfolgend davon ausgegangen, dass bei einem Dosiervorgang die Zugabemenge m_e vom Dosierventil 27 in die Abgasleitung 2 eingedüst wird. Hiervon wird nur ein gewisser Anteil α • m_e im Abgas verteilt und erreicht somit auf direktem Weg mit dem Abgas den Stickoxid-Reduktionskatalysator 5. Ein mehr oder weniger großer Anteil (1 - α) • m_e lagert sich an der Innenwand der Abgasleitung 2 an und bildet hier einen Wandfilm 41 der Masse m_w aus. Andererseits desorbiert jedoch in einem bestimmten Zeitintervall eine gewisse Menge β • m_w an Reduktionsmittel wieder aus dem Wandfilm 41 und wird mit dem Abgas zusammen mit dem Anteil α • m_e dem Stickoxid-Reduktionskatalysator 5 zugeführt. Falls die durch (1 - α) • m_e gegebene Anlagerungsrate ungleich der durch β • m_w gegebenen Desorptionsrate ist, weicht daher die Zufuhrrate Z des dem Katalysator 5 zugeführten Ammoniaks von der vom Dosierventil 27 abgegebenen Dosierrate ab.
Die Faktoren α, β sind dabei maßgeblich von der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases und der Abgastemperatur bzw. der Wandtemperatur abhängig. In den 8a und 8b sind die Temperaturabhängigkeiten schematisch in Diagrammen dargestellt. Die maßgeblichen Abhängigkeiten werden vorzugsweise vorab empirisch ermittelt und in Kennlinien bzw. Kennfeldern in der Steuereinrichtung abgespeichert. Mit den messtechnisch erfassten oder anderweitig ermittelten Werten für die Temperaturen der Abgasleitung und des Abgases sowie den Abgasmassenstrom, können beim laufenden Betrieb des Abgasreinigungssystems die Faktoren α, β laufend ermittelt werden und somit auch die Anteile (1 - α) • m_e bzw. α • m_e und β • m_w ermittelt werden. Infolge der wechselseitigen Abhängigkeiten ist daher auch die Ermittlung der Wandfilmmasse m_w und deren Veränderungen, d.h. die Ermittlung von Anlagerungsrate und Desorptionsrate möglich. Hierzu wird vorzugsweise die nachfolgend beschriebene laufende Bilanzierung durch Betrachtung der entsprechenden Größen in aufeinander folgenden Zeitintervallen k gleicher Länge durchgeführt.
Wird mit m_z,k die dem Katalysator im Intervall k zugeführte Ammoniakmenge entsprechend der auf der Basis des angestrebten Ammoniakfüllstands F berechneten Zufuhrrate Z bezeichnet, so gilt für m_z,k : $m_{z,k} = α \cdot m_{e,k} + β \cdot m_{w,k}$
und daher für die einzustellende Zugabemenge m_e,k : $m_{e,k} = 1 / α \cdot (m_{z,k} - β \cdot m_{w,k})$
Die Wandfilmmasse m_w,k+1 im auf k folgenden Zeitintervall k + 1 errechnet sich rekursiv aus dem Vorgängerwert: $m_{w,k + 1} = (1−α) \cdot m_{e,k} + (1−β) \cdot m_{w,k}$
Die Ausführung der Berechnungen gemäß den oben angegebenen Formeln ermöglicht eine trägheitsarme Einstellung der optimalen Zugaberate. Dadurch wird das dynamische Verhalten des Abgasreinigungssystems wesentlich verbessert, und der Katalysator 5 erhält auch bei sich schnell ändernden Randbedingungen die vorgegebene Zufuhrrate Z an Ammoniak.
Eine weitere Verbesserung kann erzielt werden, wenn anstelle eines einteiligen Stickoxid-Reduktionskatalysators ein mehrteiliger Katalysator eingesetzt wird, dessen einzelne Teile getrennt, insbesondere hinsichtlich der Ammoniakfüllstände, betrachtet werden. Hierbei gelten die weiter oben für einen einteiligen Katalysator erläuterten Zusammenhänge in analoger Form für die entsprechenden Teile eines mehrteiligen Katalysators.
In 9 ist exemplarisch eine Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem mit einem zweiteiligen Stickoxid-Reduktionskatalysator 5 dargestellt. Dabei sind die Bauelemente der Anordnung nach 9, soweit sie mit denen der 1 übereinstimmen, durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Nachfolgend wird lediglich auf relevante Unterschiede gegenüber der Darstellung der 1 eingegangen. In der in 9 dargestellten Anlage weist der Abgaskatalysator 5 zwei mit Abstand voneinander angeordnete Katalysatorteile 5.1 und 5.2 auf. Eingangsseitig der Katalysatorteile 5.1 und 5.2 sind Temperatursensoren 23.1 und 23.2 zur Messung der Abgaseintrittstemperaturen des in den jeweiligen Katalysatorteil 5.1 und 5.2 einströmenden Abgases angeordnet. Die Versorgung des Dosierventils 27 mit Reduktionsmittel erfolgt aus einem Behälter 44. Die Temperatursensoren 23.1 und 23.2 sowie das Dosierventil 27 sind über Steuer- bzw. Signalleitungen 45 mit der Steuereinrichtung 46 verbunden. Die Steuereinrichtung 46 ist ferner über eine weitere Leitung 47 mit dem Dieselmotor 1 verbunden. Über diese Leitung 47 erhält die Steuereineinrichtung 46 Informationen über Betriebszustandsgrößen des Dieselmotors 1. Dies können z.B. Informationen über das abgegebene Drehmoment oder die Drehzahl sein.
Zur insbesondere geregelten Ansteuerung des Dosierventils 27 und zur Dosierung des Reduktionsmittels ist eine Dosiereinheit 48 vorgesehen, welche hier beispielhaft als Bestandteil der Steuereinrichtung 46 ausgeführt ist, jedoch ebenso als eigenständige Einheit ausgebildet sein kann. Gleiches gilt für eine Füllstandsermittlungseinheit 49, welche hauptsächlich der Ermittlung der in den Katalysatorteilen 5.1, 5.2 gespeicherten Ammoniakmengen dient. Insbesondere hinsichtlich des insgesamt resultierenden Ammoniakschlupfes bedeutet die bei dieser Ausführungsform des Abgasreinigungssystems vorgesehene Möglichkeit, den Ammoniakfüllstand von zwei hintereinander angeordneten SCR-Katalysatorteilen getrennt einzustellen, einen wesentlichen Vorteil. Beispielsweise kann für den ersten Katalysatorteil 5.1 ein vergleichsweise hoher Ammoniakfüllstand eingestellt werden, wobei der dabei auftretende Ammoniakschlupf vom nachgeordneten zweiten Katalysatorteil 5.2 abgefangen werden kann. Bei der Dosierung des Reduktionsmittels wird dabei vorzugsweise wie folgt vorgegangen.
Aus dem ermittelten Ammoniakfüllstand F für den ersten Katalysatorteil 5.1 und/oder den zweiten Katalysatorteil 5.2 wird von der Steuereinrichtung 46 ermittelt, ob eine Zugabe von Reduktionsmittel erfolgen soll, bzw. die Dosierrate errechnet. Vorzugsweise dienen dabei die Ammoniakfüllstände F der Katalysatorteile 5.1 und 5.2 als Regelgrößen, wobei wie oben erläutert Veränderungen der Wandfilmmasse von dosiertem Reduktionsmittel berücksichtigt werden.
Bei einer bevorzugten Vorgehensweise dient je nach Größe des jeweiligen Ammoniakfüllstands F der des ersten Katalysatorteils 5.1 oder der des zweiten Katalysatorteils 5.2 als Regelgröße. Zur Auswahl werden bevorzugt spezifische Werte für Ammoniakfüllstände F vorgegeben, was durch die Diagramme der 10a und 10b dargestellt ist.
In den Diagrammen der 10a bzw. 10b sind Füllstände F₁ bzw. F₂ für den ersten Katalysatorteil 5.1 bzw. den zweiten Katalysatorteil 5.2 jeweils auf der Ordinate abgetragen. Vorzugsweise werden Füllstandsbereiche vorgegeben, in welche die Füllstände der Katalysatorteile 5.1, 5.2 eingeregelt werden. Dabei ist für den ersten Katalysatorteil 5.1 ein erster Füllstandsbereich 50 mit einem ersten unteren Schwellenwert F₁₁ und einem ersten oberen Schwellenwert F₁₂ vorgegeben. Analog ist für den zweiten Katalysatorteil 5.2 ein zweiter Füllstandsbereich 51 mit einem zweiten unteren Schwellenwert F₂₁ und einem zweiten oberen Schwellenwert F₂₂ vorgegeben. Zusätzlich ist für den ersten Katalysatorteil 5.1 ein über dem ersten oberen Schwellenwert F₁₂ liegender oberer Grenzwert F₁₃ vorgegeben. Die Füllstandsbereiche 50, 51 für die Katalysatorteile 5.1, 5.2 können durch identische Schwellenwerte vorgegeben sein, vorzugsweise sind sie jedoch verschieden und für den zweiten Katalysatorteil 5.2 ist ein zweiter Füllstandsbereich 51 vorgegeben, dessen zweite Schwellenwerte F₂₁ , F₂₂ , niedriger liegen als die ersten Schwellenwerte F₁₁ , F₁₂ für den Füllstandsbereich 50 des ersten Katalysatorteils 5.1. Es ist vorgesehen, die Schwellenwerte F₁₁ , F₁₂ , F₂₁ , F₂₂ in Abhängigkeit von der Temperatur des jeweiligen Katalysatorteils 5.1, 5.2 vorzugeben, wobei für den Fall, dass die Temperatur des ersten Katalysatorteils 5.1 viel höher als die Temperatur des zweiten Katalysatorteils 5.2 ist, die Schwellenwerte F₂₁ , F₂₂ vorzugsweise höher vorgegeben werden als die Schwellenwerte F₁₁ , F₁₂ . Es ist außerdem vorgesehen, die Bereiche 50, 51 hinsichtlich ihrer Schwellenwerte in Abhängigkeit vom Alterungsfaktor AF eines jeweiligen Katalysatorteils 5.1, 5.2 an den Alterungszustand anzupassen.
Eine Einstellung bzw. Einregelung der Füllstände der Katalysatorteile 5.1, 5.2 erfolgt nun vorzugsweise in Abhängigkeit der jeweils vorliegenden aktuellen Werte für den Reduktionsmittelfüllstand eines jeweiligen Katalysatorteils 5.1, 5.2 gemäß den in 11a bis 11c dargestellten Ablaufdiagrammen. Dabei wird nachfolgend davon ausgegangen, dass eine einfache Ein-Aus-Regelung der Dosierung bzw. des Dosierventils 27 erfolgt. Eine andere Art der Regelung, beispielsweise in Form einer PID-Regelung kann natürlich ebenfalls vorgesehen sein. Vorzugsweise erfolgt die Ausführung der in den Ablaufdiagrammen wiedergegebenen Routinen in der Dosiereinheit 48.
Im Ablaufdiagramm der 11a ist der Ablauf einer im Normalzustand ständig durchlaufenen ersten Abfrageschleife dargestellt. Die Abfrageschleife startet nach Feststellung einer Betriebsbereitschaft wenigstens des ersten Katalysatorteils 5.1 im Block 500. Im Abfrageblock 501 wird der von der Füllstandsermittlungseinheit 49 ermittelte Ammoniakfüllstand F₁ des ersten Katalysatorteils 5.1 abgefragt. Liegt dieser unterhalb des ersten oberen Schwellenwertes F₁₂ , so wird in den Block 506 (Kat1) gesprungen und es wird der Füllstand des ersten Katalysatorteils 5.1 maßgebend für die Dosierung des Reduktionsmittels. Auf die dann erfolgende weitere Vorgehensweise wird weiter unten mit Erläuterung des in 11b dargestellten zweiten Ablaufdiagramms eingegangen.
Wird im Abfrageblock 501 festgestellt, dass der Ammoniakfüllstand F₁ des ersten Katalysatorteils 5.1 oberhalb des ersten oberen Schwellenwertes F₁₂ liegt (N), so wird im nächsten Abfrageblock 502 abgefragt, ob der obere Grenzwert F₁₃ unterschritten ist. Ist dies der Fall, so wird in den Block 505 (Kat2) gesprungen und es wird der Füllstand des zweiten Katalysatorteils 5.2 maßgebend für die Dosierung des Reduktionsmittels. Auf die dann erfolgende weitere Vorgehensweise wird weiter unten mit Erläuterung des in 11c dargestellten dritten Ablaufdiagramms eingegangen.
Falls die Abfrage des Blocks 502 mit „Nein“ beantwortet wird, so wird im Block 503 nochmals abgefragt, ob der Füllstand unterhalb des ersten oberen Schwellenwertes F₁₂ liegt. Dies wird zunächst nicht der Fall sein, so dass der Block 504 erreicht wird und die Dosierung abgestellt wird (Dosierung „Aus“). Der erste Katalysatorteil 5.1 hat somit ausreichend Reduktionsmittel bzw. Ammoniak gespeichert, wobei sich der Füllstand durch Verluste infolge der Umsetzung mit Stickoxiden und/oder Sauerstoff sowie durch Desorption mit der Zeit verringert. Sinkt der Füllstand dabei unter den ersten oberen Schwellenwert F₁₂ ab, so wird dies infolge des wiederkehrenden Rücksprungs in den Abfrageblock 503 erkannt und es erfolgt ein Rücksprung zum Anfang der Abfrageschleife.
Aus dem in 11b dargestellten zweiten Ablaufdiagramm ergibt sich die Vorgehensweise, wenn für die Dosierung der Füllstand F₁ des ersten Katalysatorteils 5.1 maßgebend ist. Dabei wird zunächst im Block 507 abgefragt, ob der Füllstand F₁ unterhalb des ersten unteren Schwellenwerts F₁₁ liegt. Ist dies der Fall, so wird die Dosierung eingeschaltet (Block 508) und zurück zum Anfang der Abfrageschleife gesprungen. Im anderen Fall wird im Block 509 abgefragt, ob der Füllstand F₁ unterhalb des ersten oberen Schwellenwerts F₁₂ liegt. Ist dies der Fall, so wird ohne Änderung des Dosierzustands zurück zum Anfang der Abfrageschleife gesprungen. Ist dagegen der erste obere Schwellenwert F₁₂ überschritten (N), so wird die Dosierung abgeschaltet (Block 510) und zurück zum Anfang der Abfrageschleife gesprungen.
Aus dem in 11c dargestellten dritten Ablaufdiagramm ergibt sich die Vorgehensweise, wenn für die Reduktionsmitteldosierung der Füllstand F₂ des zweiten Katalysatorteils 5.2 maßgebend ist. Die Vorgehensweise ist dabei völlig analog zu der im Zusammenhang mit dem zweiten Ablaufdiagramm der 11b erläuterten Vorgehensweise, weshalb hier nicht näher darauf eingegangen wird. Insgesamt wird erreicht, dass für beide Katalysatorteile 5.1, 5.2 auf diese Weise der jeweils bevorzugte Füllstandsbereich eingestellt werden kann. Beim Durchlaufen der Abfrageschleifen der 11b und 11c ist die Abfrageschleife der 11a bevorzugt ständig aktiv, so dass flexibel und kontinuierlich auf eine Änderung der Füllstände reagiert werden kann.
In 12 ist eine Blockbild einer bevorzugten Ausführungsform zur geregelten Dosierung von Reduktionsmittel im Zusammenhang mit einem zweiteiligen Stickoxid-Reduktionskatalysator, wobei Bauteile und Größen, soweit sie denen der 1 bis 11 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Zur Einstellung einer Dosierrate D des Reduktionsmittels in die Abgasleitung 2 über das Dosierventil 27 sind eine erste Füllstandsermittlungseinheit 49 zur Ermittlung des Ammoniakfüllstands F₁ des ersten Katalysatorteils 5.1, eine zweite Füllstandsermittlungseinheit 49' zur Ermittlung des Ammoniakfüllstands F₂ des zweiten Katalysatorteils 5.2 und eine Dosiereinheit 48 vorgesehen. Deren Funktionen sind weiter oben im wesentlichen erläutert, so dass nachfolgend lediglich auf Besonderheiten eingegangen wird.
Im Unterschied zu der in 9 dargestellten Vorrichtung weist die Vorrichtung gemäß 12 zwei zusätzlich in der Abgasleitung 2 angeordnete Abgassensoren 52 und 53 auf. Die Abgassensoren 52, 53 sind hier als Stickoxidsensoren ausgeführt, welche die Signale für die Stickoxidkonzentration NOx,S1 und NOx,S2 an der jeweiligen Stelle liefern. Es kann jedoch zumindest einer der Sensoren 52, 53 auch als Ammoniaksensor ausgeführt sein. Deren Daten dienen insbesondere dem Abgleich der Berechnungsroutinen bzw. der Adaption der hinterlegten Kennfelder und Kennlinien, so dass gegebenenfalls zumindest einer der Sensoren 52, 53 auch entfallen kann.
Ein Motorsteuergerät 54 übermittelt Daten betreffend die aktuelle Motordrehzahl n, die aktuelle Kraftstoffeinspritzmenge K und den aktuellen Abgasmassenstrom A neben weiteren Daten W als Eingangsdaten einer Signalaufbereitungs- und Recheneinheit 55. Diese errechnet aus den genannten Eingangsdaten und der aktuellen Dosierrate D die aktuelle Raumgeschwindigkeit SV1, die aktuelle Stickoxidkonzentration NOx die Ammoniakzufuhrrate Z sowie weitere Daten W für den ersten Katalysatorteil 5.1, welche der ersten Füllstandsermittlungseinheit 49 als Eingangsdaten zugeführt werden.
Die erste Füllstandsermittlungseinheit 49 errechnet aus den genannten Daten sowie aus der Abgaseintrittstemperatur T1 für den ersten Katalysatorteil 5.1 wie oben beschrieben den Füllstand F₁ , den Alterungsfaktor AF1, den Ammoniakschlupf S_NH3,1 die Stickoxidausgangskonzentration NOx,1 und die Raumgeschwindigkeit SV2. Zusammen mit der Abgastemperatur T2 und weiteren Daten W werden diese Daten als Eingangsgrößen der zweiten Füllstandsermittlungseinheit 49' bzw. der Dosiereinheit 48 zur Verfügung gestellt. Wie in 12 dargestellt, kann die zweite Füllstandsermittlungseinheit 49' die für den zweiten Katalysatorteil 5.1 maßgebende Abgastemperatur T2 als berechneten Wert von der ersten Füllstandsermittlungseinheit 49 oder vom zweiten Temperatursensor 23.2 als Messwert erhalten. Mit den vom zweiten Temperatursensor 23.2 gelieferten Messwerten kann außerdem ein Modellabgleich vorgenommen werden.
In analoger Weise errechnet die zweite Füllstandsermittlungseinheit 49' aus den ihr zur Verfügung gestellten Eingangsdaten für den zweiten Katalysatorteil 5.2 wie oben beschrieben den Füllstand F₂ , den Alterungsfaktor AF2, den Ammoniakschlupf S_NH3,2 und die Stickoxidausgangskonzentration NOx, 2 und die Raumgeschwindigkeit SV2.
Die Dosiereinheit 48 ermittelt aus den ihr zur Verfügung gestellten Eingangsdaten eine zur Einstellung der angestrebten Ammoniakfüllstände des ersten und/oder des zweiten Katalysatorteils geeignete Dosierrate D und steuert das Dosierventil 27 entsprechend an. Ferner kann die Dosiereinheit 48 durch Auswertung insbesondere der Alterungsfaktoren AF1, AF2 sowie der eingelesenen Stickoxidkonzentrationen NOx,2 NOx,S1 und NOx,S2 eine Fehlfunktion für eines der Katalysatorteile 5.1, 5.2, der Temperatursensoren 23.1, 23.2, der Abgassensoren 52, 53 oder der Dosierung bzw. des Dosierventils 27 feststellen und eine entsprechende Fehlermeldung ausgeben. Auf diese Weise kann von der Dosiereinrichtung bzw. der zentralen Steuereinrichtung 46 eine OBD-Funktion (Onboard-Diagnose) geleistet werden.

Claims

Verfahren zur Dosierung eines als wässrige Harnstofflösung ausgebildeten Reduktionsmittels in eine Abgasleitung (2) einer Brennkraftmaschine (1) mit - einem Abgasreinigungssystem, umfassend ein in der Abgasleitung (2) angeordnetes Dosierventil (27) zur Zugabe des Reduktionsmittels in das Abgas und einen stromab des Dosierventils (27) in der Abgasleitung (2) angeordneten, als SCR-Katalysator ausgebildeten Stickoxid-Reduktionskatalysator (5), an welchem eine selektive Reduktion von im Abgas enthaltenen Stickoxiden mit Ammoniak erfolgen kann, und - einer Steuereinrichtung (46) zur Steuerung des Abgasreinigungssystems, wobei die Steuereinrichtung (46) eine Dosierrate von dem Abgas über das Dosierventil (27) zuzugebendem Reduktionsmittel einstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (46) Veränderungen einer Wandfilmmasse (m_w) von an der Innenwand der Abgasleitung (2) angelagertem Reduktionsmittel ermittelt und bei der Einstellung der Dosierrate berücksichtigt, wobei von der Steuereinrichtung (46) eine Anlagerungsrate von sich im Wandfilm anlagerndem und eine Desorptionsrate von aus dem Wandfilm desorbierendem Reduktionsmittel ermittelt wird und der Betrag der Wandfilmmasse laufend durch Bilanzierung der Anlagerungsrate und der Desorptionsrate ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von der Steuereinrichtung (46) die Desorptionsrate in Abhängigkeit vom Betrag der Wandfilmmasse und wenigstens von einer Strömungsgeschwindigkeit und/oder einer Temperatur des Abgases in der Abgasleitung (2) und/oder einer Temperatur der Abgasleitung (2) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass von der Steuereinrichtung (46) die Anlagerungsrate in Abhängigkeit wenigstens von einer Strömungsgeschwindigkeit und/oder einer Temperatur des Abgases in der Abgasleitung (2) und/oder einer Temperatur der Abgasleitung (2) der ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosierrate des Reduktionsmittels so eingestellt wird, dass eine vorgebbare Zufuhrrate von mit dem Abgasstrom dem Stickoxid-Reduktionskatalysator (5) zugeführtem Reduktionsmittel resultiert.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhrrate in Abhängigkeit von der Temperatur des Stickoxid-Reduktionskatalysators (5) und/oder von einem Reduktionsmittelfüllstand im Stickoxid-Reduktionskatalysator (5) vorgegeben wird.