DE102006041135A1

DE102006041135A1 - Abgasnachbehandlungsanlagen

Info

Publication number: DE102006041135A1
Application number: DE102006041135A
Authority: DE
Inventors: Devesh Upadhyay; David John Kubinski
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2005-09-01
Filing date: 2006-09-01
Publication date: 2007-03-08
Anticipated expiration: 2026-09-02
Also published as: DE102006041135B4

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Ermitteln einer in dem Katalysator gespeicherten Reduktionsmittelmenge durch intrusives Desorbieren eines Teils des Reduktionsmittels und Überwachen der Reaktion eines Reduktionsmittelsensors auf den desorbierten Teil vorgestellt. Die Desorption kann bei Anlassen des Fahrzeugs ausgeführt werden, um eine anfängliche Speichermenge zu ermitteln und die Reduktionsmitteleinspritzung entsprechend anzupassen, um optimale Speicherung zu erreichen. Ferner kann ein Teil des Reduktionsmittels desorbiert werden, wenn der NOx-Umwandlungswirkungsgrad des Katalysators gesunken ist, um die für die Anlagenverschlechterung verantwortliche Komponente zu diagnostizieren.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schadstoffbegrenzungsanlage für Diesel- und andere mager betriebene Fahrzeuge und im Einzelnen das Ermitteln eines in einem NOx reduzierenden Katalysator gespeicherten Reduktionsmittels.

Hintergrund und Kurzdarstellung der Erfindung

Gängige Schadstoffbegrenzungsregelungen erfordern die Verwendung von Katalysatoren in den Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen, um Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickstoffoxide (NOx), die während des Motorbetriebs erzeugt werden, in ungeregelte Abgase zu verwandeln. Mit Diese- oder anderen mager betriebenen Motoren ausgestattete Fahrzeuge bieten den Vorteil erhöhter Kraftstoffwirtschaftlichkeit, doch ist bei solchen Anlagen die katalytische Reduktion von NOx-Emissionen mittels herkömmlicher Mittel aufgrund des hohen Anteils an Sauerstoff im Abgas schwierig.

Diesbezüglich ist bekannt, dass SCR-Katalysatoren (engl. Selective Catalytic Reduction = selektive katalytische Reduktion), bei denen NOx durch aktives Einspritzen eines Reduktionsmittels in das in den Katalysator eindringende Abgasgemisch ständig beseitigt wird, einen hohen NOx-Umwandlungswirkungsgrad erreichen. Auf Harnstoff basierende SCR-Katalysatoren verwenden gasförmiges Ammoniak als aktives NOx reduzierendes Mittel. Typischerweise wird eine wässrige Harnstofflösung an Bord eines Fahrzeugs mitgeführt und eine Einspritzanlage verwendet, um es dem in den SCR- Katalysator eindringenden Abgasstrom zuzuführen. Der wässrige Harnstoff zersetzt sich im Abgasstrom zu Cyanwasserstoffsäure (NHCO) und gasförmigem Ammoniak (NH₃). Die Cyanwasserstoffsäure wird an dem SCR katalytisch zu NH₃ umgewandelt. Idealerweise wird der größte Teil des Ammoniaks für die Reaktion mit dem einströmenden NOx in dem Katalysator gespeichert. Der NOx-Umwandlungswirkungsgrad eines SCR-Katalysators wird bei Vorhandensein von adsorbiertem Ammoniak verbessert. Wenn aber die in dem Katalysator gespeicherte Ammoniakmenge zu groß ist, kann ein Teil davon desorbieren und aus dem Katalysator schlüpfen. Ferner führt bei Vorliegen von hohen Temperaturen eine übermäßige Ammoniakspeicherung mittels Oxidation zu übermäßig viel NOx. All dies führt zu einer Abnahme des NOx-Umwandlungswirkungsgrads insgesamt. Um eine optimale NOx-Reduktion zu erreichen und Ammoniak-Schlupf in dem auf Harnstoff basierenden SCR-Katalysator zu minimieren, ist es daher wichtig, die in dem SCR-Katalysator gespeicherte Ammoniakmenge zu regeln.

Eine typische vorbekannte Anlage wird in U.S. Patent 6,069,013 beschrieben, bei dem ein Sensor zum Detektieren von NH₃ stromabwärts eines SCR-Katalysators angeordnet ist. Der Sensor besteht aus einem Zeolithmaterial geringer Azidität mit geringem Edelmetallanteil. Die Wechselstromimpedanz des Sensors ist bei Vorhandensein von NH₃ vermindert.

Die Erfinder dieser Anmeldung haben bei einem solchen Vorgehen einen Nachteil erkannt. Insbesondere erzeugt ein stromabwärts des Katalysators angeordneter Ammoniaksensor ein Signal nur dann, wenn über dem Katalysator Ammoniakschlupf vorliegt. Ammoniakschlupf ist meist ein Ergebnis von Temperatursprüngen oder übermäßiger Speicherung. Schlupf aufgrund übermäßiger Speicherung ist mittels eines Steuereingriffs unmöglich zu korrigieren. Somit wird erkannt, dass ein allein auf der Rückmeldung eines NH₃-Sensors beruhender Steuereingriff bestenfalls ein verzögerter korrigierender Eingriff ist.

Ferner haben die Erfinder erkannt, dass der Großteil des in den Katalysator eingeleiteten Ammoniaks an den stromaufwärts 20–30% eines Katalysator-Bricks typischer Größe in der Größenordnung von 1 bis 2 Motorhubräumen gespeichert oder reduziert wird. Das verbleibende Katalysatorvolumen dient als Puffer zum Fassen von Schlupf und zum Ermöglichen einer gewissen transienten NOx-Reduktion bei hohen Raumgeschwindigkeiten. Ferner haben die Erfinder erkannt, dass es zum Erreichen optimaler NOx-Umwandlung im SCR nicht erforderlich ist, dass die gesamte Katalysatorspeicherkapazität durch Ammoniak genutzt wird. Daher ist es wünschenswert, entweder die im Katalysator gespeicherte Ammoniakmenge auf einen gewissen optimalen Wert unter dem Höchstwert zu regeln (für eine Konfiguration mit einem Brick) oder bei höheren Werten bei einer Konfiguration mit mehreren Bricks nur in dem bzw. den vorderen Bricks zu speichern.

Die Erfinder dieser Anmeldung haben festgestellt, dass eine Verbesserung durch Aufteilen des Katalysatorbricks in mindestens zwei Teile erreicht werden kann, wobei das Volumen des ersten Brick 20–30% des gesamten dem einzelnen Brick entsprechenden Katalysatorvolumen betragen würde. Der erste Brick würde die meisten der Ammoniakspeicher-/NOx-Umwandlungsfunktionen übernehmen, und der zweite Brick würde nur zum Auffangen von etwaigem Ammoniak dienen, das an dem ersten Brick vorbeischlüpft. Die Erfinder haben daher erkannt, dass durch Steuern der in dem ersten Brick gespeicherten Ammoniakmenge eine wirksame Steuerung der gesamten Katalysatorammoniakspeichermengen verwirklicht werden kann.

Ferner haben die Erfinder dieser Anmeldung ein Verfahren zum effektiven Messen und Steuern der in dem Katalysator gespeicherten Ammoniakmenge vor dem Erreichen von Katalysatorsättigungswerten entwickelt. Die Erfinder haben nämlich erkannt, dass es möglich ist, einen Teil des in dem Katalysator gespeicherten Ammoniaks intrusiv zu desorbieren und die Gesamtmenge an gespeichertem Ammoniak anhand eines Messwerts eines NH₃-Sensors zu ermitteln, der in der Nähe des Desorptionsbereichs angeordnet ist.

Weiterhin haben die Erfinder erkannt, dass es möglich ist, durch Überwachen und Steuern der in dem Katalysator gespeicherten Ammoniakmenge eine Anlagenverschlechterung der Katalysatorleistung effektiv zu diagnostizieren. Insbesondere haben die Erfinder erkannt, dass bei Verschlechterung des NOx-Umwandlungswirkungsgrads des Katalysators und bei einer Ammoniakspeichermenge unter dem Optimalwert das Einspritzen einer vorbestimmten Menge von Reduktionsmittel den NOx-Umwandlungswirkungsgrad verbessert, sofern der Katalysator nicht durch Kohlenwasserstoffe vergiftet oder thermisch gealtert ist. Die Erfinder haben mit anderen Worten erkannt, dass die Katalysatorleistung aufgrund von Kohlenwasserstoffvergiftung verschlechtert sein kann, wenn der NOx-Umwandlungswirkungsgrad des Katalysators sich nicht im Anschluss an das Einspritzen von Ammoniak verbessert, und dass dieser regeneriert werden sollte.

Daher wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Steuern eines NOx reduzierenden Katalysators vorgestellt, wobei das Verfahren umfasst: intrusives Desorbieren eines Teils des in dem Katalysator gespeicherten Reduktionsmittels; Anpassen der Reduktionsmitteleinspritzung in den Katalysator basierend auf einer intrusiv desorbierten Reduktionsmittelmenge; und Regenerieren des Katalysators, wenn der NOx-Umwandlungswirkungsgrad des Katalysators über eine vorbestimmte Zeitdauer im Anschluss an die Anpassung der Reduktionsmitteleinspritzung unter einem vorbestimmten Wert bleibt.

In einer noch anderen erfindungsgemäßen Ausführung umfasst ein Diagnosesystem: einen Motor; einen stromabwärts des Motors angeschlossenen Katalysator mit: einem ersten Katalysator-Brick, wobei der Brick einen aufgeheizten Teil aufweist; sowie einem in großer Nähe zu dem aufgeheizten Teil angeschlossenen Sensor; sowie ein Steuergerät, das eine Temperatur des aufgeheizten Teils des ersten Katalysator-Bricks anpasst, um an dem aufgeheizten Teil gespeichertes Reduktionsmittel zu desorbieren, wobei das Steuergerät eine Reduktionsmittelmenge in einem in den Katalysator eindringenden Abgasgemisch basierend auf einer Reaktion des Sensors auf das desorbierte Reduktionsmittel anpasst; und Vorsehen einer Anzeige der Katalysatorverschlechterung, wenn eine Menge eines Abgasbestandteils stromabwärts des Katalysators über eine vorbestimmte Dauer im Anschluss an das Anpassen der in den Katalysator eindringenden Reduktionsmittelmenge durch das Steuergerät über einem vorbestimmten Wert bleibt.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die verbesserte Schadstoffbegrenzung. Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung sind verbesserte Fahrzeugdiagnosefähigkeiten.

Die obigen Vorteile sowie andere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden eingehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungen in Verbindung mit den Begleitzeichnungen und aus den Ansprüchen hervor.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die hierin beschriebenen Aufgaben und Vorteile werden bei Lesen eines Beispiels einer Ausführung, bei dem die Erfindung vorteilhaft genutzt wird und das hierin als Beschreibung der bevorzugten Ausführung bezeichnet wird, unter Bezug auf die Zeichnungen besser verständlich. Hierbei sind:
1A und 1B schematische Diagramme eines Motors, bei dem die Erfindung vorteilhaft genutzt wird;
2 ein schematisches Diagramm einer Schadstoffbegrenzungsanlage, bei der die Erfindung vorteilhaft genutzt wird;
3 ein typisches Kurvenbild unter normalen Betriebsbedingungen der in einem Harnstoff-SCR-Katalysator gespeicherten NH₃-Menge als Funktion der axialen Entfernung des Katalysators von der Stirnfläche;
4 und 5 Beispiele eines erfindungsgemäßen NOx reduzierenden Katalysators; und
6 und 7 Übersichtsflussdiagramme von beispielhaften Routinen zum Steuern der Schadstoffbegrenzungsanlage gemäß der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der bevorzugten Ausführung(en)
Ein Verbrennungsmotor 10 mit mehreren Zylindern, wovon ein Zylinder in 1 gezeigt wird, wird durch ein elektronisches Steuergerät 12 gesteuert. Der Motor 10 weist einen Brennraum 30 und Zylinderwände 32 mit einem darin positionierten und mit einer Kurbelwelle 40 verbundenen Kolben 36 auf. Der Brennraum 30 wird mit einem Ansaugkrümmer 44 und einem Abgaskrümmer 48 mittels eines jeweiligen Einlassventils 52 und Auslassventils 54 kommunizierend gezeigt. Der Ansaugkrümmer 44 wird ferner mit einem damit gekoppelten Kraftstoffeinspritzventil 80 zum Zuführen von flüssigem Kraftstoff proportional zur Impulsbreite des Signals FPW des Steuergeräts 12 gezeigt. Sowohl die Kraftstoffmenge, gesteuert durch das Signal FPW, als auch die Einspritzsteuerzeiten sind einstellbar. Der Kraftstoff wird dem Kraftstoffeinspritzventil 80 durch eine (nicht dargestellte) Kraftstoffanlage mit einem Kraftstofftank, einer Kraftstoffpumpe und einem (nicht dargestellten) Verteilerrohr zugeführt.
Das Steuergerät 12 wird in 1 als herkömmlicher Mikrocomputer gezeigt, welcher umfasst: einen Mikroprozessor 102, Input/Output-Ports 104, einen Festspeicher 106, einen Arbeitsspeicher 108 und einen herkömmlichen Datenbus. Das Steuergerät 12 wird gezeigt, wie es verschiedene Signale von mit dem Motor 10 verbundenen Sensoren zusätzlich zu den bereits erläuterten Signalen empfängt, einschließlich: Motorkühlwassertemperatur (ECT) von einem mit einem Kühlmantel 114 verbundenen Temperatursensor 112; eine Messung des Motorsaugrohrdrucks (MAP) von einem mit dem Ansaugkrümmer 44 verbundenen Druckfühler 116; eine Messung (ACT) einer Krümmertemperatur von einem Temperaturfühler 117; ein Motordrehzahlsignal (RPM) von einem mit der Kurbelwelle 40 verbundenen Motordrehzahlsensor 118.
Nachstehend wird in 2 eine mit einem Abgaskrümmer 48 gekoppelte Schadstoffbegrenzungsanlage 20 eingehend beschrieben.
Unter Bezug nun auf 1B wird eine alternative Ausführung gezeigt, bei der der Motor 10 ein Direkteinspritzmotor mit einem Einspritzventil 80 ist, das zum Einspritzen von Kraftstoff direkt in einen Zylinder 30 angeordnet ist.
Unter Bezug nun auf 2 wird ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Schadstoffbegrenzungsanlage beschrieben. Die Schadstoffbegrenzungsanlage 20 ist stromabwärts eines Verbrennungsmotors 10 angeschlossen, der unter besonderem Bezug auf 1 beschrieben wird.
Ein Katalysator 14 ist ein NOx reduzierender Katalysator, wobei NOx durch aktive Einspritzung eines Reduktionsmittels in das in den Katalysator eindringende Abgasgemisch ständig beseitigt wird. In einer bevorzugten Ausführung ist der Katalysator 14 ein auf Harnstoff basierender SCR-Katalysator (Selektive Katalytische Reduktion), bei dem NOx durch aktive Einspritzung einer wässrigen Harnstofflösung oder eines anderen auf Stickstoff basierenden Reduktionsmittels in das in die Vorrichtung eindringende Abgas reduziert wird. Die Harnstofflösung wird vor dem Eindringen in den SCR-Katalysator in Cyanwasserstoffsäure (NHCO) und gasförmiges Ammoniak (NH₃) umgewandelt, wobei NH₃ als aktives NOx reduzierendes Mittel in SCR dient.
In einer bevorzugten Ausführung ist der SCR-Katalysator eine Formulierung aus unedlem Metall/Zeolith mit optimaler NOx-Umwandlungsleistung in dem Temperaturbereich von 200°C–500°C. Ein Oxidationskatalysator 13 ist stromabwärts des SCR-Katalysators angeschlossen und kann ein Edelmetallkatalysator sein, bevorzugt ein platinhaltiger Katalysator für eine hohe Umwandlung von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid. Der Oxidationskatalysator verbrennt Kohlenwasserstoffe (HC) in dem eintretenden Abgas des Motors exotherm, wodurch Wärme zugeführt wird, um den SCR-Katalysator 14 schnell aufzuwärmen. Ein Partikelfilter 15 ist stromabwärts des SCR-Katalysators für das Speichern von Ruß angeschlossen.
Eine Reduktionsmittelzufuhranlage 16 ist zwischen dem Oxidationskatalysator und dem SCR-Katalysator mit dem Abgaskrümmer verbunden. Die Anlage 16 kann jede dem Fachmann bekannte Reduktionsmittelzufuhranlage sein. In einer bevorzugten Ausführung ist die Anlage 16 die in U.S. Patent 6,834,498, das dem gleichen Anmelder wie in der vorliegenden Erfindung abgetreten ist, beschriebene Anlage, wobei der Gegenstand dieses Patents hier durch Erwähnung aufgenommen wird. Bei einer solchen Anlage werden Luft und Reduktionsmittel in die Reduktionsmittelzufuhranlage eingespritzt, wo sie durch das aufgeheizte Element verdampft werden, und der sich ergebende Dampf wird in das in den SCR-Katalysator eindringende Abgasgemisch eingeleitet.
Stromaufwärts bzw. stromabwärts des SCR-Katalysators ist ein Paar NOx-Sensoren 17, 18 vorgesehen. Messungen der NOx-Konzentration im Abgasgemisch stromaufwärts (C_{NOx_in}) und stromabwärts (C_{NOx_out}) des SCR-Katalysators 14, die von den NOx-Sensoren geliefert werden, werden dem Steuergerät 12 zugeführt. Das Steuergerät 12 berechnet den NOx-Umwandlungsleistungsgrad des Katalysators NOx_eff.Da ein typischer NOx-Sensor auf Ammoniak querempfindlich ist, ist der Sensor 17 in einer bevorzugten Ausführung stromabwärts der Reduktionsmittelzufuhranlage 16 angeschlossen. Alternativ kann auf den NOx-Sensor 17 verzichtet werden, und die NOx-Menge in dem in den SCR-Katalysator eindringenden Abgasgemisch kann anhand von Motodrehzahl, -last, Abgastemperatur oder einem anderen dem Fachmann bekannten Parameter, der die NOx-Produktion des Motors beeinflusst, geschätzt werden.
Durch (nicht dargestellte) Temperatursensoren werden Temperaturmessungen stromaufwärts (T_u) und stromabwärts (T_d) des SCR-Katalysators vorgesehen. Das Steuergerät 12 berechnet die Katalysatortemperatur T_cat anhand der von diesen Sensoren gelieferten Angaben. Alternativ können alle anderen dem Fachmann bekannten Mittel zum Ermitteln der Katalysatortemperatur eingesetzt werden, wie Platzieren eines Temperatursensors in der Luftkammer des Katalysators oder Schätzen der Katalysatortemperatur basierend auf Motorbetriebsbedingungen.
Unter Bezug nun auf 3 ist diese eine Kurvendarstellung der in einem Harnstoff-SCR-Katalysator gespeicherten NH₃-Menge als Funktion von axialer Entfernung von der Stirnfläche des Katalysators unter normalen Betriebsbedingungen. Das durch diese Kurve hervorgehobene Ammoniakspeicherverhalten besteht darin, dass Speichern oder „Füllen" von Ammoniak an der Stirnfläche ausgelöst wird und im zeitlichen Verlauf zur hinteren Fläche fortschreitet. Somit würde ein Speichern über einen längeren Zeitraum letztendlich bewirken, dass die Kurve eine flache Linie mit gleichmäßigem Speichern über dem gesamten Katalysatorvolumen würde. Ein Speichern von Ammoniak als Funktion von Katalysatorvolumen kann wie folgt durch Multiplizieren des Speicherns über einer Katalysatorlänge mit der Katalysatorfläche bis zu dieser Länge ermittelt werden:
wobei:

A_cat = Querschnittfläche des Katalysators.
X₁, x₂ bilden die Koordinaten der Katalysatorlänge von der Stirnfläche.
m ads / NH3(x) = wird durch die Speicherfunktion wie in 3 definiert.
m ads / NH3(V) = ist der kumulative Speicher im Katalysatorvolumen zwischen Abschnitten, die durch x1 und x2 festgelegt werden.

Wie aus 3 ermittelt werden kann, wird der Großteil des in den Katalysator eingeleiteten Ammoniaks an dem stromaufwärts befindlichen 20–30% Volumen eines Katalysator-Bricks typischer Größe in der Größenordnung von 1 bis 2 Motorhubräumen gespeichert oder reduziert. Das verbleibende stromabwärts befindliche Katalysatorvolumen speichert sehr wenig Ammoniak und dient vorrangig als Puffer zum Fangen von Schlupf und zum Ermöglichen einer gewissen transienten NOx-Reduktion bei hohen Raumgeschwindigkeiten.
Unter Bezug nun auf 4 wird ein Beispiel einer erfindungsgemäßen SCR-Katalysatoranlage vorgestellt. Der Katalysator 14 umfasst ein Gehäuse 120, in dem SCR-Katalysator-Bricks (121, 122) aufgenommen sind. In einer bevorzugten Ausführung hat der Brick 121 in etwa 20–30% des gesamten Katalysatorvolumens. Ferner ist ein kleiner SCR-Testkatalysator-Brick 123 mit einem eingebetteten elektrischen Heizelement mit dem Gehäuse 120 in großer Nähe zu Brick 121 angeschlossen. In einer bevorzugten Ausführung hat der Brick 123 in etwa 5% des Volumens von Brick 121. Ein Temperaturmessfühler wird zum Überwachen und Steuern der Temperatur des Brick 123 und der Geschwindigkeit, bei der er aufgeheizt wird, verwendet. Die Höchsttemperatur des Heizelements und seine Aufwärmgeschwindigkeit werden so bestimmt, dass aus dem Teil des Brick genügend Ammoniak freigesetzt wird, damit der nahe gelegene Ammoniaksensor 124 ein Signal für einen vorbestimmten Wert erreicht. In einer anderen Ausführung könnte das Heizelement über eine vorbestimmte Zeitdauer und auf eine vorbestimmte Temperatur eingeschaltet werden, so dass angenommen werden kann, dass das gesamte Ammoniak als von dem aufgeheizten Bereich desorbiert wird. Der Ammoniaksensor 124 kann ein beliebiger dem Fachmann bekannter herkömmlicher NH₃-Sensor sein, wie er zum Beispiel in dem U.S. Patent 6,240,722 beschrieben wird. Wenn die Ammoniakspeichermenge des Katalysators ermittelt werden muss, wird das Heizelement eingeschaltet, um ein Desorbieren von Ammoniak von Brick 123 zu veranlassen. Die von dem Sensor 124 erfasste Ammoniakmenge kann zum Folgern des axialen Speicherprofils von Ammoniak im Brick 121 genutzt werden, um zum Aktualisieren und/oder Anpassen des erwarteten axialen Speicherprofils/-modells mittel Harnstoffeinspritzsteuerung verwendet zu werden. Der Algorithmus zum Steuern des Katalysators gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend bei 6 eingehender beschrieben. In einer (nicht dargestellten) alternativen Ausführung kann das Gehäuse 120 mehrere SCR-Katalysator-Bricks aufnehmen, wobei jeder einen kleinen Testkatalysator und einen in großer Nähe dazu angeschlossenen Ammoniaksensor aufweist. Auf diese Weise können Ammoniakspeichermengen in jedem Brick separat überwacht werden.
Unter Bezug nun auf 5 wird ein anderes Beispiel eines erfindungsgemäßen SCR-Katalysators vorgestellt. Der Katalysator 14 umfasst ein Gehäuse 125, in dem SCR-Katalysator-Bricks (126, 127) aufgenommen sind. In einer bevorzugten Ausführung hat der Brick 126 in etwa 20–30% des gesamten Katalysatorvolumens. Der SCR-Katalysator-Brick 126 weist ein eingebettetes elektrisches Heizelement 128 mit einem Temperaturmessfühler auf. In einer bevorzugten Ausführung hat der aufgeheizte Teil in etwa 5% des Volumens von Brick 126. Das Heizelement ist in großer Nähe zu der stromabwärts befindlichen Kante des Brick 126 angeordnet. Der Temperaturmessfühler wird zum Steuern der Höchsttemperatur des aufgeheizten Teils des Brick und der Geschwindigkeit, bei der er aufgeheizt wird, verwendet. Die Höchsttemperatur des Heizelements und seine Aufwärmgeschwindigkeit werden so bestimmt, dass aus dem Teil des Brick genügend Ammoniak freigesetzt wird, damit der nahe gelegene Ammoniaksensor 129 ein Signal für einen vorbestimmten Wert erreicht. In einer anderen Ausführung könnte das Heizelement über eine vorbestimmte Zeitdauer und auf eine vorbestimmte Temperatur eingeschaltet werden, so dass angenommen werden kann, dass das gesamte Ammoniak von dem aufgeheizten Bereich desorbiert wird. Der Ammoniaksensor 129 kann ein beliebiger dem Fachmann bekannter herkömmlicher NH₃-Sensor sein, wie er zum Beispiel in dem U.S. Patent 6,240,722 beschrieben wird.
Unter Bezug nun auf 6 wird eine Routine zum Erreichen einer optimalen Ammoniakspeichermenge im SCR-Katalysator gemäß der vorliegenden Erfindung vorgestellt. In einer bevorzugten Ausführung wird die Routine in 6 bei Motorstarten eingeleitet, um Anfangsmengen von in dem Katalysator gespeichertem Ammoniak zu ermitteln. Wird ermittelt, dass die anfängliche Ammoniakspeicherung unter dem optimalen Wert liegt, kann eine Reduktionsmitteleinspritzung eingeleitet werden, um optimale Speichermengen zu erreichen.
Zuerst wird bei Schritt 100 das eingebettete Heizelement eingeschaltet, um gespeichertes Ammoniak aus dem Katalysatorteil über dem eingebetteten Heizelement zu desorbieren.
Als Nächstes rückt die Routine zu Entscheidungsblock 200 vor, wo eine Ermittlung erfolgt, ob das Ammoniaksensorsignal S_NH3 größer als ein vorbestimmter Grenzwert S₁ ist.
Die Routine taktet weiter durch Schritt 200, bis die Antwort JA lautet, woraufhin die Logik zu Schritt 300 vorrückt. Wie vorstehend unter besonderem Bezug auf die 3 und 4 erläutert, kann das Heizelement alternativ über eine vorbestimmte Zeitdauer auf eine vorbestimmte Temperatur eingeschaltet werden, um im Wesentlichen das gesamte gespeicherte Ammoniak mutmaßlich zu desorbieren.
Als Nächstes wird bei Schritt 300 die in dem Katalysator θ gespeicherte Ammoniakmenge basierend auf der Reaktion des in großer Nähe zu dem aufgeheizten Teil des Katalysators angeschlossenen NH₃-Sensors ermittelt. Die gespeicherte Ammoniakmenge wird anhand folgender Gleichungen ermittelt:
wobei:

θ local / o der nur für den aufgeheizten Katalysatorteil ermittelte anfängliche Bedeckungsanteil (bei eingeschaltetem Motor ermittelt) ist.
θ_o(x, t) der Bedeckungsanteil über der Katalysatorlänge (x) bei der vorgegebenen Zeit (t) ist.
f1: die Funktion ist, die zum Feststellen der Bedeckung über der Katalysatorlänge verwendet wird.
SC(T_cat(o)) die gesamte Speicherkapazität des Katalysators bei der Temperatur T_cat(o) bei eingeschaltetem Motor ist, diese wird anhand von Katalysatorcharakterisierungsexperimenten ermittelt.
T_cat(t) ist die Katalysatortemperatur bei einem bestimmten Zeitpunkt, beurteilt anhand des Katalysatortemperaturmodells, definiert durch die Funktion „f2" in Gleichung 1.3. m ._NH3mes = der Massenstrom von desorbiertem Ammoniak, gemessen durch den Ammoniaksensor.
m ._ex ist der Abgasdurchfluss.
T_cat-ups die Abgastemperatur stromaufwärts des Katalysators
T_{cat_dnst} die Abgastemperatur stromabwärts des Katalysators
T_amb ist die Umgebungstemperatur.
H definiert den Wärmeübergangskoeffizienten des Katalysators und ist katalysatortypspezifisch.

Sobald die Ammoniakspeichermenge ermittelt ist, rückt die Routine zu Schritt 400 vor, wo das Heizelement abgeschaltet wird.
Als Nächstes fließt die Logik zu Entscheidungsblock 500, wo eine Ermittlung erfolgt, ob die Größenordnung der Differenz zwischen dem bei vorstehendem Schritt 300 ermittelten Wert θ und θ_Grenzwert innerhalb einer vorbestimmten Konstante C liegt.
Wenn die Antwort auf Schritt 500 NEIN lautet, rückt die Routine zu Schritt 600 vor, wo eine Ermittlung erfolgt, ob die Katalysatortemperatur T_cat innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs (T₁ < T_cat < T₂) liegt. Das Verfahren zum Ermitteln der Katalysatortemperatur wird vorstehend unter besonderem Bezug auf 2 eingehend beschrieben. Wenn T_cat unter einem T₁ (in einer bevorzugten Ausführung 170°C) liegt, kann sich der eingespritzte Harnstoff nur teilweise zu Ammoniak und Cyanwasserstoffsäure zersetzen, was zu Harnstoffanreicherung in der Abgasleitung und/oder Ablagerang an der Katalysatorfläche führt. Dies führt zu einer ineffizienten Umwandlung, einer möglichen Deaktivierung des SCR aufgrund polymerisierter Ablagerungen und einem übermäßigen Ammoniak-Schlupf. Daher erfolgt bei Temperaturen unter T₁ keine Reduktionsmitteleinspritzung in den Katalysator. Wenn T_cat über T₁ liegt, aber unter einem zweiten vorbestimmten Temperaturgrenzwert T₂ (in einer bevorzugten Ausführung 200°C), ist der NOx-Umwandlungswirkungsgrad des SCR-Katalysators sehr gering und es kann Reduktionsmittel eingespritzt werden, um eine Ammoniakspeicherung im Katalysator zu ermöglichen. θ_Grenzwert ist eine erwünschte Ammoniakspeichermenge, die für eine verbesserte NOx-Umwandlung erforderlich ist, sobald der SCR-Katalysator sich innerhalb des optimalen NOx-Umwandlungstemperaturbereichs befindet (in der bevorzugten Ausführung 50%).
Wenn die Antwort auf Schritt 600 NEIN lautet, taktet die Routine weiter, bis die Katalysatortemperatur den erwünschten Bereich erreicht.
Wenn die Antwort auf Schritt 600 JA lautet, rückt die Routine zu Schritt 700 vor, wo eine vorbestimmte Menge an Reduktionsmittel R_inj in den Katalysator eingespritzt wird, um voraussichtlich eine erwünschte Ammoniakspeichermenge θ_Grenzwert zu erreichen. R_inj kann aus einer Lookup-Tabelle als Funktion mehrerer Betriebsparameter einschließlich Motorbetriebsbedingungen wie Katalysatortemperatur, Motordrehzahl, Motorlast, AGR-Wert, Beginn der Kraftstoffeinspritzung (SOI), Katalysatortemperatur T_cat, Raumgeschwindigkeit (SV), NOx-Konzentration stromaufwärts (C_{NOx_in}) und stromabwärts (C_{NOx_out}) des SCR-Katalysators und der berechneten, im Katalysator θ gespeicherten Ammoniakmenge, die bei Schritt 300 ermittelt wurde, ermittelt werden. Dann endet die Routine.
Wenn die Antwort auf Schritt 600 JA lautet, d.h. wenn die erwünschte Ammoniakspeichermenge erreicht ist, kann die Reduktionsmitteleinspritzung beendet werden und die Routine endet dann.
Daher ist es erfindungsgemäß möglich, Ammoniakspeichermengen in dem SCR-Katalysator bei Motorstart durch Desorbieren von Ammoniak von einem Teil des Katalysator-Brick (oder von einem in großer Nähe angeordneten kleinen Katalysator-Brick) und durch Überwachen der Reaktion des Ammoniaksensors auf die Desorption festzustellen.
Wenn sich der Katalysator weiterhin in dem erwünschten Temperaturbereich befindet, können die berechnete Ammoniakspeichermenge sowie andere Betriebsbedingungen genutzt werden, um die in den Katalysator einzuspritzende Menge an Reduktionsmittel zu ermitteln, so dass eine optimale NOx-Umwandlung erreicht werden kann.
In einer (nicht dargestellten) alternativen Ausführung können die Ammoniakspeichermengen im Katalysator statt nur bei Motoranlassen regelmäßig ermittelt werden, um die Reduktionsmitteleinspritzmengen anzupassen, so dass über einem Fahrzeugfahrzyklus ein optimaler NOx-Umwandlungswirkungsgrad erreicht werden kann.
Unter Bezug nun auf 7 wird eine Routine zum Diagnostizieren der Verschlechterung des SCR-Katalysators gemäß der vorliegenden Erfindung vorgestellt. In einer bevorzugten Ausführung wird diese Routine ausgeführt, sobald der SCR-Katalysator während eines normalen Fahrzyklus des Fahrzeugs ganz aufgewärmt ist.
Zunächst wird bei Schritt 800 der NOx-Umwandlungswirkungsgrad des Katalysators NOx_eff berechnet. Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben erkannt, dass der Messwert des stromabwärts befindlichen NOx-Sensor anhand des Ammoniaksensorsignals angepasst werden muss, da ein NOx-Sensor auf Ammoniak, das aus dem Katalysator schlüpfen kann, querempfindlich ist. Daher wird der NOx-Umwandlungswirkungsgrad wie folgt berechnet:
Dann rückt die Routine zu Entscheidungsblock 900 vor, wo eine Ermittlung erfolgt, ob NOx_eff größer oder gleich dem erwünschten NOx-Umwandlungswirkungsgrad NOx_{eff_des} ist. Wenn die Antwort auf Schritt 900 JA lautet, wird keine Verschlechterung festgestellt und die Routine rückt zu Schritt 1000 vor, wo der Wirkungsgradverschlechterungszähler DC auf null gesetzt wird. Dann endet die Routine.
Wenn die Antwort auf Schritt 900 NEIN lautet, rückt die Routine zu Schritt 1100 vor, wo der Wirkungsgradsverschlechterungszähler DC (zunächst auf null gesetzt) erhöht wird.
Dann rückt die Routine zu Entscheidungsblock 1200 vor, wo eine Ermittlung erfolgt, ob der Wert des Wirkungsgradverschlechterungszählers einen vorbestimmten Grenzwert DC_max überschritten hat.
Wenn die Antwort auf Schritt 1100 NEIN lautet, taktet die Routine zurück zu Schritt 800.
Wenn die Antwort auf Schritt 1200 JA lautet, was eine Verschlechterung des NOx-Umwandlungswirkungsgrads des Katalysators anzeigt, rückt die Routine zu Schritt 1300 vor, wo das eingebettete Heizelement eingeschaltet wird, um Ammoniak vom Katalysatorteil über dem Heizelement zu desorbieren. Die Temperatur des Heizelements wird durch Ammoniakdesorptionseigenschaften des Katalysators ermittelt und wird anhand von Betriebsbedingungen wie Motordrehzahl, -last, Abgastemperatur sowie Katalysatoralter angepasst.
Als Nächstes rückt die Routine zu Entscheidungsblock 1400 vor, wo eine Ermittlung erfolgt, ob das Ammoniaksensorsignal S_NH3 größer als ein vorbestimmter Grenzwert S₁ ist. Die Routine taktet weiter durch Schritt 1400, bis die Antwort JA lautet, woraufhin die Logik zu Schritt 1500 vorrückt. Wie vorstehend unter besonderem Bezug auf die 3 und 4 erläutert, kann das Heizelement alternativ eine vorbestimmte Zeit lang auf eine vorbestimmte Temperatur eingeschaltet werden, um wahrscheinlich das gesamte gespeicherte Ammoniak zu desorbieren.
Als Nächstes wird bei Schritt 1500 die in dem Katalysator θ gespeicherte Ammoniakmenge anhand der Reaktion des in großer Nähe zu dem aufgeheizten Teil des Katalysators angeschlossenen NH₃-Sensors ermittelt. Die gespeicherte Ammoniakmenge wird genau wie in vorstehender Gleichung 1 von 6 unter Anpassung an die Katalysatortemperatur, bei der die Ermittlung eingeleitet wurde, ermittelt.
Sobald die Ammoniakspeichermenge ermittelt ist, rückt die Routine zu Schritt 1600 vor, wo das Heizelement abgeschaltet wird.
Dann rückt die Routine zu Schritt 1700 vor, wo eine Ermittlung erfolgt, ob die Größenordnung der Differenz zwischen dem bei vorstehendem Schritt 1500 ermittelten Wert θ und θ_Grenzwert innerhalb einer vorbestimmten Konstante C liegt.
Wenn die Antwort auf Schritt 1700 JA lautet, was anzeigt, dass die Ammoniakspeichermengen im Katalysator bei optimalen Werten liegen, aber der NOx-Umwandlungswirkungsgrad des Katalysators verschlechtert ist, rückt die Routine zu Schritt 2100 vor, wo eine Anzeige einer Anlagenverschlechterung, beispielsweise eine NOx-Sensorverschlechterung oder ein Verschlechterung der Einspritzanlage, erzeugt wird. Dann endet die Routine.
Wenn die Antwort auf Schritt 1700 NEIN lautet, rückt die Routine zu Schritt 1800 vor, wo eine vorbestimmte Reduktionsmittelmenge R_inj (zusätzlich zu der erforderlichen Vorschubmenge für die NOx-Reduktion) in den Katalysator eingespritzt wird, um wahrscheinlich die erwünschte Ammoniakspeichermenge θ_Grenzwert zu erreichen. R_inj wird in gleicher Weise wie in vorstehendem Schritt 700 6 beschrieben ermittelt.
Dann rückt die Routine zu Entscheidungsblock 1900 vor, wo eine Ermittlung erfolgt, ob NOx_eff größer oder gleich dem erwünschten NOx-Umwandlungswirkungsgrad ist. Wenn die Antwort auf Schritt 1900 JA lautet, was anzeigt, dass eine NOx_{eff_des} Verschlechterung des NOx-Umwandlungswirkungsgrads auf unzureichende Ammoniakspeicherung im Katalysator zurückzuführen war und jetzt korrigiert wurde, endet die Routine.
Wenn die Antwort auf Schritt 1900 NEIN lautet, was anzeigt, dass eine Verschlechterung des NOx-Umwandlungswirkungsgrads des Katalysators nicht durch eine extra Reduktionsmitteleinspritzung korrigiert wurde, rückt die Routine zu Schritt 2000 vor, wo eine Anzeige einer Katalysatorverschlechterung aufgrund von zum Beispiel Kohlenwasserstoffvergiftung erzeugt wird. Dann endet die Routine.
Daher ist es erfindungsgemäß möglich, die Leistung der Schadstoffbegrenzungsanlage des Fahrzeugs durch Überwachen und Steuern einer Ammoniakspeichermenge im SCR-Katalysator zu verbessern.
Wird eine Verschlechterung des NOx-Umwandlungswirkungsgrads des Katalysators angezeigt, lehrt die vorliegende Erfindung, einen Teil des in dem Katalysator gespeicherten Ammoniaks intrusiv zu desorbieren, um die gesamte Ammoniakspeichermenge zu ermitteln. Wenn die Ammoniakspeichermenge im Katalysator bei einem optimalen Wert liegt, der NOx-Umwandlungswirkungsgrad aber immer noch verschlechtert ist, kann bestimmt werden, dass einer der NOx-Sensoren verschlechtert ist und es kann eine korrigierende Maßnahme getroffen werden.
Weiterhin ist es mit Hilfe der vorliegenden Erfindung auch möglich zu ermitteln, dass eine Katalysatorleistung aufgrund von Kohlenwasserstoffvergiftung verschlechtert ist. Wenn es mit anderen Worten nicht möglich ist, die Ammoniakspeichermenge im Katalysator durch eine extra Reduktionsmitteleinspritzung anzuheben, kann bestimmt werden, dass seine Speicherkapazität aufgrund von Kohlenwasserstoffvergiftung gesunken ist. Daher kann eine Katalysatorregenerationsroutine eingeleitet werden.
In einer (nicht dargestellten) alternativen Ausführung kann bei Anzeige einer Verschlechterung des NOx-Umwandlungswirkungsgrads die intrusive Desorption eingeleitet und die Differenz zwischen der tatsächlichen gespeicherten Ammoniakmenge und der erwünschten Speichermenge anhand der Sensorreaktion ermittelt werden. Anhand dieser Differenz kann eine Reduktionsmittelmenge, die wahrscheinlich ausreicht, um eine erwünschte Ammoniakspeichermenge zu erreichen, in den Katalysator eingespritzt werden. Eine Katalysatorverschlechterung wird angezeigt, wenn die Menge von Ammoniak-Schlupf am ersten Katalysator-Brick vorbei größer als ein vorbestimmter Wert ist, was durch den in der Nähe des ersten Brick angeschlossenen Ammoniaksensor angezeigt wird.
Dies schließt die Beschreibung der Erfindung ab. Bei Lesen könnten dem Fachmann viele Abänderungen und Abwandlungen einfallen, ohne vom Wesen und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend soll der Schutzumfang der Erfindung durch die folgenden Ansprüche festgelegt werden.

Claims

Diagnosesystem, welches umfasst: einen Motor; einen stromabwärts des Motors angeschlossenen Katalysator mit: einem ersten Katalysator-Brick, wobei der Brick einen aufgeheizten Teil aufweist; und einen in großer Nähe zu dem aufgeheizten Teil angeschlossenen Sensor; und ein Steuergerät, das eine Temperatur des aufgeheizten Teils des ersten Katalysator-Bricks anpasst, um an dem aufgeheizten Teil gespeichertes Reduktionsmittel zu desorbieren, wobei das Steuergerät eine Reduktionsmittelmenge in einem in den Katalysator eindringenden Abgasgemisch anhand einer Reaktion des Sensors auf das desorbierte Reaktionsmittel anpasst; und eine Anzeige der Katalysatorverschlechterung liefert, wenn eine Menge eines Abgasbestandteils stromabwärts des Katalysators für eine vorbestimmte Dauer im Anschluss nach dem Anpassen der in den Katalysator eindringenden Reduktionsmittelmenge durch das Steuergerät über einem vorbestimmten Wert bleibt.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein Dieselmotor ist.
System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator ein NOx reduzierender Katalysator ist.
System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx reduzierende Katalysator ein Harnstoff-SCR-Katalysator ist.
System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der aufgeheizte Teil des ersten Katalysator-Bricks ein elektrisch aufgeheizter Teil ist, der basierend auf den Katalysatordesorptionseigenschaften auf eine vorbestimmte Temperatur angepasst wird.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Ammoniaksensor ist.
System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel Ammoniak ist.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät die Temperatur des aufgeheizten Teils des ersten Katalysator-Bricks anpasst, um im Wesentlichen das gesamte an dem aufgeheizten Teil gespeicherte Reduktionsmittel zu desorbieren.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät eine Reduktionsmittelmenge in einem in den Katalysator eindringenden Abgasgemisch anpasst, um ein Speichern einer vorbestimmten Ammoniakmenge in dem ersten Katalysator-Brick zu veranlassen.
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator weiterhin einen zweiten Katalysator-Brick umfasst.
System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät eine Anzeige der Katalysatorverschlechterung liefert, wenn eine NOx-Menge stromabwärts des Katalysators für eine vorbestimmte Zeitdauer über einem vorbestimmten Wert bleibt.
System nach Anspruch 11, welches weiterhin das Regenerieren des Katalysators als Reaktion auf das Erzeugen der Anzeige einer Verschlechterung durch das Steuergerät umfasst.
Verfahren zum Steuern eines stromabwärts eines Verbrennungsmotors angeschlossenen NOx reduzierenden Katalysators, wobei der NOx reduzierende Katalysator ein eingebettetes Heizelement und einen in großer Nähe zu dem eingebetteten Heizelement angeschlossenen Ammoniaksensor aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Liefern einer Anzeige einer Katalysatorverschlechterung; als Reaktion auf die Anzeige Anpassen der Heizelementtemperatur, wodurch ein Desorbieren von Reduktionsmittel von dem Katalysator veranlasst wird; Anpassen einer Menge von Reduktionsmitteleinspritzung in den Katalysator basierend auf einer durch das Aufheizen desorbierten Reduktionsmittelmenge, wobei die desorbierte Menge durch Überwachen des Ammoniaksensorsignals ermittelt wird; und Regenerieren des Katalysators, wenn eine NOx-Menge stromabwärts des Katalysators für eine vorbestimmte Dauer im Anschluss an das Anpassen der Reduktionsmitteleinspritzung in den Katalysator über einem vorbestimmten Wert bleibt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorverschlechterung eine Verschlechterung des NOx-Umwandlungswirkungsgrads ist.
Verfahren nach Anspruch 14, welches weiterhin das Ermitteln einer in dem Katalysator gespeicherten Reduktionsmittelmenge basierend auf der Sensorreaktion auf die Reduktionsmitteldesorption umfasst.
Verfahren zum Diagnostizieren eines NOx-reduzierenden Katalysators mit einem darin eingebetteten Heizelement, wobei der Katalysator weiterhin einen in großer Nähe zu dem eingebetteten Heizelement angeordneten Reduktionsmittelsensor aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Anpassen einer Temperatur des eingebetteten Heizelements, um einen Teil des in dem NOx reduzierenden Katalysator gespeicherten Reduktionsmittels zu desorbieren; anschließend Anpassen von Reduktionsmitteleinspritzung in den Katalysator basierend auf einer Reaktion des Sensors auf die Desorption; und Regenerieren des Katalysators.
Verfahren zum Steuern eines NOx reduzierenden Katalysators, welches umfasst: intrusives Desorbieren eines Teils von in dem Katalysator gespeicherten Reduktionsmittel; Anpassen von Reduktionsmitteleinspritzung in den Katalysator basierend auf einer intrusiv desorbierten Reduktionsmittelmenge; und Regenerieren des Katalysators, wenn der NOx-Umwandlungswirkungsgrad des Katalysators für eine vorbestimmte Zeitdauer im Anschluss nach Anpassung der Reduktionsmitteleinspritzung unter einem vorbestimmten Wert bleibt.