DE102007044607B4

DE102007044607B4 - Verfahren zum Anpassen einer Eindüsung eines Reduktionsmittels stromaufwärts eines SCR-Katalysators und zum Betrieb eines SCR- Katalysators

Info

Publication number: DE102007044607B4
Application number: DE102007044607.3A
Authority: DE
Inventors: Tino Arlt; Peter Bauer; Michaela Schneider
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2007-09-19
Filing date: 2007-09-19
Publication date: 2014-03-27
Anticipated expiration: 2027-09-20
Also published as: DE102007044607A1

Abstract

Verfahren zum Anpassen einer Eindüsung eines Reduktionsmittels (60) stromaufwärts eines einer Brennkraftmaschine (10) nachgeschalteten SCR-Katalysators (20), wobei für einen Betrieb der Brennkraftmaschine (10) deren Kohlenwasserstoff-Emissionen (HC) in Abhängigkeit von wenigstens einem zur Verfügung stehenden Parameter ermittelt werden, und anhand der ermittelten Kohlenwasserstoff-Emissionen (HC) der Brennkraftmaschine (10), eine stromaufwärts des SCR-Katalysators (20) einzudüsende Menge (V) des Reduktionsmittels (60) angepasst wird, wobei die einzudüsende Menge (V) des Reduktionsmittels (60) durch ein Speicherfähigkeitsmodell (32) des SCR-Katalysator (20) gesteuert wird, welches die ermittelten Kohlenwasserstoff-Emissionen (HC) berücksichtigt, und das Ermitteln der Kohlenwasserstoff-Emissionen (HC) durch eine Kennlinie oder ein Kennfeld und/oder ein Modell erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anpassen einer Eindüsung eines Reduktionsmittels stromaufwärts eines einer Brennkraftmaschine nachgeschalteten SCR-Katalysators. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren für einen Betrieb eines SCR-Katalysators in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, wobei eine Eindüsung eines Reduktionsmittels erfindungsgemäß angepasst wird.
Bei einem Betrieb einer Brennkraftmaschine entsteht Abgas, welches Schadstoffe wie Kohlenwasserstoff (HC), Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NO_x) und Partikel enthält. Für verschiedene Schadstoffe existieren gesetzliche Regelungen, welche den Schadstoffausstoß während des Betriebs der Brennkraftmaschine beschränken. Um diese gesetzlichen Vorschriften zu erfüllen, ist in der Regel eine Reinigung des anfallenden Abgases notwendig. Hierfür wird üblicherweise eine Abgasereinigungsanlage eingesetzt, welche einen oder eine Mehrzahl von Katalysatoren, verschiedene Abgassensoren, und im Fall einer Dieselbrennkraftmaschine meist einen Partikelfilter enthält. Im Fall von Magerbrennkraftmaschinen (Dieselmotoren oder Otto-Mager-Motoren) werden in zunehmenden Maße spezielle, Stickoxid reduzierende Verfahren auf Basis von Stickoxid-Speicher-Katalysatoren oder SCR-Katalysatoren eingesetzt.
Mit SCR (Selective Catalytic Reduction) bezeichnet man die Technik einer selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden in Abgasen z. B. von Brennkraftmaschinen. Die chemische Reaktion der Reduktion ist dabei selektiv, d. h. es werden nicht alle Abgaskomponenten reduziert, sondern nur die Stickoxide. SCR-Katalysatoren benötigen für die Stickoxidreduktion ein Reduktionsmittel, meist Ammoniak (NH₃). Beim SCR-Verfahren wird das Reduktionsmittel in das Abgas an einer Stelle stromaufwärts vor dem SCR-Katalysator eingespritzt, sodass am SCR-Katalysator insbesondere die chemischen Reaktionen: 4NO + 4NH₃ + O₂ => 4N₂ + 6H₂O 2NO₂ + 4NH₃ + O₂ => 3N₂ + 6H₂O ablaufen können.
Der Ammoniak wird heute üblicherweise durch eine Einspritzung bzw. eine Eindüsung einer Harnstoff-Wasser-Lösung und deren Hydrolyse im Abgastrakt der Brennkraftmaschine erzeugt und anschließend dem SCR-Katalysator zugeführt. Eine Dosierung des Reduktionsmittels erfolgt durch eine zeitliche Ansteuerung eines Dosierventils, wobei das Reduktionsmittel von einer Pumpe und einem Druckregler mit definiertem Druck vom Dosierventil bereitgestellt wird. Die Zudosierung des Reduktionsmittels muss kontinuierlich überwacht werden, da eine Überdosierung Emissionen von Ammoniak verursacht und eine Unterdosierung einen zu hohen Ausstoß von Stickoxiden zufolge haben kann.
Für eine Steuerung bzw. eine Regelung eines Stickoxid-Reduktionssystems können Abgassensoren eingesetzt werden, die jedoch Störungen bei der Reduktionsmittel-Zudosierung nur durch eine Messung einer Stickoxid- bzw. einer Ammoniak-Konzentration in Strömungsrichtung des Abgases gesehen nach dem SCR-Katalysator und somit nur mit einer zeitlichen Verzögerung detektieren können.
Der SCR-Katalysator besitzt eine gewisse Speicherfähigkeit für das Reduktionsmittel Ammoniak. Ziel der technologischen Entwicklung ist es, diese Speicherfähigkeit optimal zu nutzen und nur so viel Reduktionsmittel bzw. Ammoniak zuzuführen, dass eine optimale Stickoxidkonvertierung erreicht wird, aber kein Ammoniak-Durchbruch stromabwärts des SCR-Katalysators auftritt. Hierdurch kann der SCR-Katalysator so klein und somit so kostengünstig wie möglich gefertigt werden. Ferner wird durch ein möglichst optimales Ausnutzen der Speicherfähigkeit des SCR-Katalysators die Umwelt möglichst wenig belastet.
Es gibt verschiedene motorische Einflüsse, die eine Reduzierung der Ammoniak-Speicherfähigkeit des SCR-Katalysators zur Folge haben, wobei eine Zusammensetzung der Abgas-Rohemissionen der Brennkraftmaschine einen wesentlichen Einfluss darauf hat. Treten beispielsweise in der Zusammensetzung der Abgas-Rohemissionen Überschüsse an Kohlenwasserstoffen, z. B. aufgrund Zündaussetzer, Ungenauigkeiten im Kraftstoff-Einspritzsystem, einer Regeneration eines Diesel-Partikelfilters oder bei einem Kaltstart auf, so führt dies zu einer kurz- und teilweise auch längerfristigen Verringerung der Ammoniak-Speicherfähigkeit des SCR-Katalysators.
Im Stand der Technik wird eine Zudosierung des Ammoniaks an den SCR-Katalysator mittels eines Speicherfähigkeitsmodells des SCR-Katalysators gesteuert. Das Speicherfähigkeitsmodell berücksichtigt den Einfluss der Kohlenwasserstoffe in den Rohemissionen der Brennkraftmaschine jedoch nicht. Bei Betriebszuständen, die einen Überschuss an Kohlenwasserstoffen im Vergleich mit anderen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine zur Folge haben, wird also die verringerte Speicherfähigkeit des SCR-Katalysators bei der Zudosierung des Reduktionsmittels nicht berücksichtigt. Es können Ammoniak-Durchbrüche bzw. es kann ein Ammoniak-Schlupf stromabwärts des SCR-Katalysators auftreten.
Um ein Austreten des Ammoniaks in die Umwelt zu verhindern, wird häufig ein Ammoniak-Sperrkatalysator eingesetzt. Dieser stellt jedoch einen weiteren Kostenfaktor im System dar. Ein weiterer Nachteil bei einem Ammoniak-Schlupf des SCR-Katalysators ist die Produktion von Stickoxiden durch den Sperrkatalysator, die ja eigentlich durch den SCR-Katalysator in harmlosen Stickstoff umgewandelt werden sollen.
Die JP 11 350 940 A offenbart ein Verfahren zum Betrieb eines NO_x-Reduktionskatalysators in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, wobei für einen Kaltstart bzw. ein Warmlaufen der Brennkraftmaschine eine Zugabe eines Reduktionsmittels in den NO_x-Reduktionskatalysator angepasst wird.
Die DE 103 01 602 A1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer Dosiervorrichtung für einen SCR-Katalysator einer Brennkraftmaschine, wobei ausgehend von einem stationären Zustand der Brennkraftmaschine eine in einen Abgastrakt einzuspritzende Reduktionsmittelmenge durch einen dynamischen Korrekturfaktor korrigiert wird.
Die DE 101 95 706 T1 und die EP 0 822 323 A1 offenbaren jeweils ein Verfahren zur Reduktion von NO_x-Emissionen in einem Katalysator eines Abgastrakts einer Brennkraftmaschine, wobei Stickoxide mit Hilfe von unverbranntem Dieselkraftstoff reduziert werden.
Die DE 103 47 131 A1 offenbart ein Verfahren zur Schätzung einer in einem SCR-Katalysator einer Brennkraftmaschine gespeicherten Menge an Ammoniak. Die Schätzung basiert auf einer gemessenen oder geschätzten Menge von Stickoxiden in einem Abgas der Brennkraftmaschine stromaufwärts des SCR-Katalysators, einer Menge von zur Erleichterung der Stickoxid-Reduktion in den SCR-Katalysator eingespritztem Reduktionsmittel und eines gemessenen Werts von Stickoxid im Abgas stromabwärts des SCR-Katalysators.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Anpassen einer Eindüsung eines Reduktionsmittels stromaufwärts eines einer Brennkraftmaschine nachgeschalteten SCR-Katalysators bzw. ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines SCR-Katalysators in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, Kohlenwasserstoff-Emissionen der Brennkraftmaschine bei der Eindüsung des Reduktionsmittels in den Abgastrakt zu berücksichtigen und den SCR-Katalysator entsprechend zu betreiben. Bevorzugt soll dabei ein Speicherfähigkeitsmodell des SCR-Katalysators um eine entsprechende Komponente ergänzt werden, um die Eindüsung entsprechend anpassen bzw. den SCR-Katalysator entsprechend betreiben zu können.
Die Aufgabe der Erfindung wird mittels eines Verfahrens zum Anpassen einer Eindüsung eines Reduktionsmittels stromaufwärts eines einer Brennkraftmaschine nachgeschalteten SCR-Katalysators gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betrieb eines SCR-Katalysators in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 15 gelöst.
Erfindungsgemäß werden Kohlenwasserstoff-Emissionen der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von wenigstens einem, bevorzugt jedoch einer Mehrzahl von zur Verfügung stehenden Parametern der Brennkraftmaschine bestimmt. Dies erfolgt durch eine Kennlinie oder ein Kennfeld und/oder ein Modell. Hierbei kann ein Verhalten der Brennkraftmaschine oder des Abgastrakts in einem Vorfeld z. B. versuchstechnisch ermittelt werden. Ferner ist es möglich, hierbei aktuell zur Verfügung stehende Parameter zu berücksichtigen, die z. B. von Sensoren stammen, und/oder Informationen mit einzubeziehen, die einer Steuerung, insbesondere einer Motorsteuerung, der Brennkraftmaschine zur Verfügung stehen. Darüber hinaus können hierbei gemessene oder ermittelte Kohlenmonoxid-(CO) oder Kohlendioxid-Rohmissionen (CO₂) berücksichtigt werden.
Erfindungsgemäß werden diejenigen Kohlenwasserstoff-Rohemissionen der Brennkraftmaschine ermittelt, welche die Brennkraftmaschine in einer kurzfristig zurückliegenden Vergangenheit produziert hat und/oder aktuell produziert und/oder in einer kurzfristigen Zukunft produzieren wird. Anhand dieser ermittelten Kohlenwasserstoff-Rohemissionen wird die einzudüsende Menge des Reduktionsmittels bzw. des Ammoniaks angepasst. Hierfür wird bevorzugt eine aktuelle und/oder zukünftige Einspeicherfähigkeit des SCR-Katalysators ermittelt und die Eindüsung des Reduktionsmittels entsprechend angepasst.
Gemäß der Erfindung wird generell bei einer vermuteten oder tatsächlichen Erhöhung der Kohlenwasserstoff-Rohemissionen über ein übliches bzw. normales Niveau hinaus, die in den Abgastrakt einzudüsende Menge des Reduktionsmittels verringert oder das Eindüsen des Reduktionsmittels für eine gewisse Zeitspanne unterbrochen, um keinen Ammoniak-Schlupf des SCR-Katalysators zu riskieren.
Ferner wird bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beim Eindüsen des Reduktionsmittels in das Abgas ein zeitlicher Verlauf einer Regeneration eines Partikelfilters berücksichtigt, und/oder es werden Betriebszustände der Brennkraftmaschine miteinbezogen, in welchen diese mit einem fetten Gemisch, beispielsweise bei Volllast oder einem Kaltstart, betrieben wird. Darüber hinaus kann das Eindüsen des Reduktionsmittels mit den Kohlenmonoxid- und/oder den Kohlendioxid-Rohemissionen der Brennkraftmaschine abgestimmt werden.
Bei der Erfindung erfolgt das Ermitteln der Kohlenwasserstoff-Rohemissionen und das Anpassen der einzudüsenden Menge des Reduktionsmittels, durch ein Reduktionsmittel-Speicherfähigkeitsmodell des SCR-Katalysators. Durch das Reduktionsmittel-Speicherfähigkeitsmodell wird die einzudüsende Menge des Reduktionsmittels gesteuert.
Hierbei wird dann bevorzugt die aktuelle oder die zukünftige Einspeicherfähigkeit des SCR-Katalysators mit Reduktionsmittel bestimmt und ein Eindüsen des Reduktionsmittels – auch gemäß obigen Ausführungen – angepasst.
Das Reduktionsmittel-Speicherfähigkeitsmodell für den SCR-Katalysator in Abhängigkeit einer Berücksichtigung der Kohlenwasserstoff-Rohemissionen der Brennkraftmaschine kann dabei als ein eingeständiges Speicherfähigkeitsmodell arbeiten oder in ein bereits bestehendes Reduktionsmittel-Speicherfähigkeitsmodell des SCR-Katalysators implementiert werden. Soll es als ein eingeständiges Speicherfähigkeitsmodell des SCR-Katalysators arbeiten, so ist es bevorzugt, wenn es mit einem anderen Speicherfähigkeitsmodell des SCR-Katalysators zusammenarbeitet.
Durch das Speicherfähigkeitsmodell wird eine aktuelle und/oder eine zukünftige Verringerung der Einspeicherfähigkeit des SCR-Katalysators mit Reduktionsmittel anhand der Kohlenwasserstoff-Emissionen bestimmt. Hierbei ist es bevorzugt, dass das Speicherfähigkeitsmodell anhand der Kohlenwasserstoff-Rohemissionen einen Korrekturfaktor ermittelt, durch welchen die Eindüsung des Reduktionsmittels angepasst wird. Bei Vorliegen vergleichsweise hoher Kohlenwasserstoff-Rohemissionen wird durch den Korrekturfaktor die Eindüsung des Reduktionsmittels entsprechend verringert bzw. zeitweise unterbrochen. Hierbei wird durch den Korrekturfaktor bevorzugt eine Verzugszeit in der Einspeicherfähigkeit des SCR-Katalysators berücksichtigt, um daran anschließend bei einer Verringerung der Kohlenwasserstoff-Rohemissionen und somit einer Veränderung des Korrekturfaktors, eine Eindüsung des Reduktionsmittels wieder aufzunehmen oder zu erhöhen.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung besitzt das Reduktionsmittel-Speicherfähigkeitsmodell des SCR-Katalysators zwei Module, nämlich einen Kohlenwasserstoff-Manager und ein SCR-Modul. Der Kohlenwasserstoff-Manager ermittelt die kurzfristig in einer Vergangenheit emittierten und/oder aktuell produzierten und/oder in einer kurzfristig zukünftigen Zeitspanne zu erzeugenden Kohlenwasserstoff-Rohemissionen der Brennkraftmaschine. Darüber hinaus kann der Kohlenwasserstoff-Manager obigem entsprechend auch einen Anteil an Kohlenmonoxid und/oder einen Anteil an Kohlendioxid im Abgas ermitteln. Das zeitlich daran anschließend arbeitende SCR-Modul bestimmt eine Menge und einen Zeitpunkt einer Eindüsung des Reduktionsmittels stromaufwärts des SCR-Katalysators. Ferner kann das SCR-Modul eine aktuelle oder eine zukünftige Einspeicherfähigkeit und/oder einen aktuellen oder zukünftigen Befüllungsgrad des SCR-Katalysators mit Reduktionsmittel ermitteln.
Es ist erfindungsgemäß natürlich möglich, das Speicherfähigkeitsmodell nicht in zwei getrennten Modulen auszubilden sondern in nur einem einzigen zusammenzufassen oder in eine Vielzahl solcher aufzuteilen.
Bevorzugte erfindungsgemäße Parameter der Brennkraftmaschine sind ein Lambdawert oder eine Mehrzahl von Lambdawerten; eine Kraftstoffmenge bzw. -masse; ein Zeitpunk, zu welchem eine bestimmte Kraftstoffmenge einem oder einer Mehrzahl von Brennräumen der Brennkraftmaschine zugeführt wird; eine Temperatur des Abgases an einem bestimmten Punkt des Abgastrakts; eine Temperatur an der Brennkraftmaschine oder eines Abschnitts des Abgastrakts selbst; Betriebszustände der Brennkraftmaschine; Motorkenndaten der Brennkraftmaschine und/oder eines sich daran anschließenden Aggregats oder Baugruppe; Systemfehler und/oder sonstige Werte, die einen Einfluss auf die Kohlenwasserstoff-Emissionen der Brennkraftmaschine haben.
Diese Parameter der Brennkraftmaschine werden in Form von mathematischen Algorithmen oder Funktionen, in Form von Kennlinien oder Kennfeldern und/oder in Form eines Modells entsprechend ausgelesen bzw. bestimmt bzw. ermittelt. Ferner können diese Parameter auch direkt bzw. aktuell, z. B. mittels eines Sensors, bestimmt werden oder als ein aktueller Parameter in der Motorsteuerung vorliegen.
Ferner ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren an Hand eines oder einer Mehrzahl von Sensorinformationen durchzuführen bzw. zu ergänzen. Insbesondere in Frage kommen hierbei Sensorinformationen von einem Kohlenwasserstoff-, einem Lambda-, einem Stickoxid- und/oder einem oder einer Mehrzahl von Temperatursensoren. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren Steuer- bzw. Regeleingriffe stromabwärts des SCR-Katalysators berücksichtigen.
Erfindungsgemäß werden motorische Einflüsse, die einen Überschuss an unverbrannten Kohlenwasserstoffen in den Rohemissionen der Brennkraftmaschine bewirken, an Hand von Parametern, bevorzugt in der elektronischen Motorsteuerung, erfasst. Diese Parameter geben einen Aufschluss darüber, ob kritische Bedingungen in Bezug auf die Kohlenwasserstoff-Rohemissionen der Brennkraftmaschine vorliegen und dadurch die Speicherfähigkeit des SCR-Katalysators beeinträchtig ist. Diese Informationen fließen dann erfindungsgemäß in eine Beladungsmodellierung des SCR-Katalysators und somit auch in eine Zudosierung des Reduktionsmittels bzw. des Ammoniaks ein. D. h. erfindungsgemäß wird die Eindüsung des Reduktionsmittels für eine bestimmte Zeit – während und/oder kurz nach den in Bezug auf die Kohlenwasserstoff-Rohmissionen kritischen Zustände – verringert oder unterbrochen und daran anschließend wieder auch über ein sonst übliches Maß hinaus erhöht.
Zusätzliche Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine und eines zur Brennkraftmaschine gehörigen Abgastrakts mit einem darin angeordneten SCR-Katalysator; und
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Reduktionsmittel-Speicherfähigkeitsmodells des SCR-Katalysators.
Eine in 1 dargestellte Abgasanlage einer Brennkraftmaschine 10 (Dieselmotor 10 oder Otto-Mager-Motor 10) weist einen Ansaugtrakt 12 und einen Abgastrakt 14 mit einem darin vorgesehenen SCR-Katalysator 20 auf. Dem SCR-Katalysator 20 ist eine Dosiereinrichtung vorgelagert, die einen Reduktionsmittelbehälter 22, eine Pumpe 24 und eine Dosiervorrichtung (Dosierventil 26) aufweist. Die Pumpe 24 fördert ein im Reduktionsmittelbehälter 22 befindliches Reduktionsmittel 60, beispielsweise Ammoniak NH₃ oder Ammoniak freisetzende Stoffe, welches in ein Abgas 50 der Brennkraftmaschine 10 stromaufwärts des SCR-Katalysators 20 mittels des Dosierventils 26 in den Abgastrakt 14 eingespritzt bzw. eingedüst wird.
Die Eindüsung des Reduktionsmittels 60 in den Abgastrakt 14 der Brennkraftmaschine 10 kann dabei in eine Strömungsrichtung (siehe 1) oder gegen die Strömungsrichtung (nicht dargestellt) des Abgases 50 erfolgen. Natürlich ist es auch möglich, eine Richtung der Eindüsung des Reduktionsmittels 60 in den Abgastrakt 14 mit einem von 0°- oder 180°-Grad verschiedenem Winkel, z. B. in einem 90°-Grad Winkel dazu, vorzusehen.
Das Dosierventil 26 wird über elektrische Leitungen von einer Steuereinheit 30 angesteuert. Diese Steuereinheit 30 sorgt dafür, dass dem Abgas 50 eine bestimmte, aktuell oder für eine kurzfristige Zukunft benötigte Menge V des Reduktionsmittels 60 zugeführt wird. Hierbei kann die Steuereinheit 30 als separate Einheit ausgebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, die Funktion dieser Steuereinheit 30 in eine elektronische Motorsteuerung (ECU = Engine Control Unit) der Brennkraftmaschine 10 zu integrieren.
Ferner kann der Abgastrakt 14 der Brennkraftmaschine 10 einen Vorkatalysator 40, z. B. einen Diesel-Oxidations-Katalysator oder einen 3-Wege-Katalysator, einen Pre-Turbo-Katalysator (nicht dargestellt) und/oder einen Nachkatalysator (nicht dargestellt) aufweisen. Darüber hinaus kann der Abgastrakt 14 im Falle eines Dieselmotors 10 einen Partikelfilter 40 aufweisen.
Im SCR-Katalysator 20 werden durch eine selektive katalytische Reduktion Stickoxide NO_x aus dem Abgas 50 zu großen Teilen entfernt. Das hierfür benötigte Reduktionsmittel 60, in der Regel Ammoniak NH₃, wird hierbei nicht direkt, d. h. in einer reinen Form eingedüst, sondern bevorzugt in Form einer wässrigen Lösung mit einem Gehalt von 32,5% Harnstoff. Eine Zudosierung des Reduktionsmittels 60 erfolgt nur, wenn eine Abgastemperatur T₅₀ im Bereich des Dosierventils 26 hoch genug ist, um das Reduktionsmittel 60 zu verdampfen und den Harnstoff zu hydrolysieren. Hierfür wird eine Temperatur T₅₀; T₅₂, T₅₄, T₅₆ an einer geeigneten Stelle stromaufwärts vor dem SCR-Katalysator 20 mittels eines Temperatursensors bzw. -fühlers gemessen.
Beim Dosiervorgang wird das Reduktionsmittel 60 in das heiße Abgas 50 eingespritzt bzw. eingedüst. Aus der Harnstoff-Wasser-Lösung entstehen durch eine Hydrolysereaktion Ammoniak NH₃ und Wasser H₂O. Der derart erzeugte Ammoniak NH₃ kann nun innerhalb des SCR-Katalysators 20 bei einer entsprechenden Temperatur T₅₀ mit den Stickoxiden NO_x im Abgas 50 reagieren. Die Menge des insgesamt einzuspritzenden Harnstoffs 60 ist von einer motorischen Stickoxid-Rohemission NO_x und damit von einer momentanen Drehzahl und einem Drehmoment der Brennkraftmaschine 10 abhängig.
Der SCR-Katalysator 20 kann nur dann ordnungsgemäß funktionieren, wenn ein Großteil der Kohlenwasserstoff-Emissionen HC aufoxidiert sind. D. h. eine Reduktion der Stickoxide NO_x innerhalb des SCR-Katalysators 20 kann nur an denjenigen Stellen des SCR-Katalysators 20 erfolgen, an welchen kaum oder keine unverbrannten Kohlenwasserstoffe HC vorliegen. Vorhandene unverbrannte Kohlenwasserstoffe HC verhindern einen Verbrauch des Ammoniaks NH₃ und es kann zu Ammoniak-Durchbrüchen stromabwärts hinter dem SCR-Katalysator 20 kommen.
Da die Kohlenwasserstoff-Emissionen HC der Brennkraftmaschine 10 meist nicht mittels eines Sensors erfasst werden können, ist es notwendig diese anderweitig, z. B. im Rahmen einer Emissionsmodellierung, zu ermitteln und das Dosierventil 26 entsprechend anzusteuern. Vorteilhaft hierbei ist, dass der SCR-Katalysator 20 eine gewisse Ammoniak-Speicherfähigkeit besitzt und daher dem SCR-Katalysator 20 immer nur so viel Reduktionsmittel 60 zugeführt werden soll, dass einerseits eine optimale Stickoxidkonvertierung möglich ist und andererseits bei keinem der Betriebszustände der Brennkraftmaschine 10 ein Ammoniak-Durchbruch auftritt.
D. h. neben einer direkten Ansteuerung des Dosierventils 26 ist es möglich, eine Modellierung der Kohlenwasserstoff-Emissionen HC in ein Speicherfähigkeitsmodell 32 (siehe 2) des SCR-Katalysators 20 einzubinden. Eine direkte Steuerung des Dosierventils 26 oder eine erfindungsgemäße Kohlenwasserstoff-Emissionsmodellierung innerhalb des Speicherfähigkeitsmodells 32 des SCR-Katalysators 20 erfolgt wie nachfolgend beschrieben.
Zunächst werden diejenigen Parameter Λ_o (Λ₄₀, Λ_Nachkat, Λ_{Pre-Turbo-Kat}, und/oder Λ_PC), Q, t, T_n, ES, EC, PV, SF, X herangezogen, die einen Einfluss bzw. einen direkten Einfluss auf die Kohlenwasserstoff-Emission HC der Brennkraftmaschine 10 haben. Hierbei wird wenigstens ein einziger Parameter Λ_o, Q, t, T_n, ES, EC, PV, SF, X erfasst. Es ist jedoch bevorzugt eine Mehrzahl dieser Parameter Λ_o, Q, t, T_n, ES, EC, PV, SF, X zu erfassen und im Speicherfähigkeitsmodell 32 entsprechend zu verarbeiten. Bevorzugt werden dabei diejenigen Betriebsparameter Λ_o, Q, t, T_n, ES, EC, PV, SF, X der Brennkraftmaschine 10 bzw. des Abgastrakts 14 verwendet, die der elektronischen Motorsteuerung 30 der Brennkraftmaschine 10 zur Verfügung stehen.
Dies ist insbesondere ein Lambdawert Λ₄₀ des Vorkatalysators 40 sowie ein Lambdawert Λ_PC einer Kraftstoffmengen-Vorsteuerung. Ferner kommen Lambdawerte Λ_Nachkat, Λ_{Pre-Turbo-Kat} eines Nachkatalysators und/oder eines Pre-Turbo-Katalysators in Frage. Darüber hinaus ist eine zu verbrennende Kraftstoffmenge Q sowie ein Einspritzzeitpunkt t anwendbar. Des Weiteren kann eine Temperatur T₅₂, T₅₄, T₅₆, T₅₈ des Abgases 50 zur Anwendung kommen.
Hierbei ist die Abgastemperatur T₅₂, die Temperatur T des Abgases 50 nach dem Verlassen der Brennkraftmaschine 10 bzw. vor dem Eintreten in den Vorkatalysator 40. Die Abgastemperatur T₅₄ bezieht sich dabei auf eine Temperatur T des Abgases 50 nach dem Verlassen des Vorkatalysators 40 bzw. vor dem Passieren des Dosierventils 26. Die Abgastemperatur T₅₆ repräsentiert dabei eine Temperatur T des Abgases 50 nach dem Passieren des Dosierventils 26 bzw. stromaufwärts des SCR-Katalysators 20. Entsprechend repräsentiert die Temperatur T₅₈ eine Temperatur T des Abgases 50 stromabwärts des SCR-Katalysators 20.
Darüber hinaus sind Betriebszustände ES (ES = Engine State) der Brennkraftmaschine 10 berücksichtigbar, wie z. B. ein Kaltstart, eine Regeneration des Partikelfilters 40, Heizfunktionen, etc. Des Weiteren sind Motorkenngrößen EC (EC = Engine Characteristics) bzw. Motorkenndaten EC; eine Gaspedalstellung PV (PV = Pedal Value); erkannte Systemfehler SF, wie z. B. ein Zündaussetzer, ein Fehler am/im Einspritzsystem; sowie sonstige Werte X, die einen Einfluss auf die Kohlenwasserstoff-Emissionen HC haben, anwendbar. Zu den sonstigen Werten X kann z. B. eine Außentemperatur, ein Umgebungsluftdruck, eine Luftfeuchte etc. zählen.
Anschließend wird anhand eines oder mehrerer dieser Parameter bzw. Betriebsparameter Λ_o, Q, t, T_n, ES, EC, PV, SF, X eine aktuell benötigte Einspritzmenge V des Reduktionsmittels 60 bestimmt, und/oder eine Verringerung oder Erhöhung der Einspeicherkapazität des SCR-Katalysators 20 bzw. eine aktuelle Einspeicherkapazität des SCR-Katalysators 20 modelliert.
Anhand der bestimmten Kohlenwasserstoff-Emissionen HC wird die Einspritzmenge V des Reduktionsmittels 60 korrigiert bzw. das Speicherfähigkeitsmodell anhand dieser Information korrigiert. Dies erfolgt bevorzugt mittels eines Korrekturfaktors, mit welchem die Einspritzmenge V des Reduktionsmittels 60 korrigiert wird. Anschließend findet eine Verringerung oder eine Unterbrechung oder auch eine Erhöhung der Eindüsung von Ammoniak NH₃ bzw. des wässrigen Reduktionsmittels 60 in Abhängigkeit der ermittelten Kohlenwasserstoff-Emissionen HC oder in Abhängigkeit des korrigierten Speicherfähigkeitsmodells statt. Dies kann gegebenenfalls unter einer Berücksichtigung einer Verzugszeit geschehen, bis eine bestimmte Speicherfähigkeit des SCR-Katalysators 20 wiederhergestellt ist. Wird eine entsprechend große Speicherfähigkeit des SCR-Katalysators 20 festgestellt, so wird entsprechend mehr Reduktionsmittel 60 in den Abgastrakt 14 eingedüst.
Bevorzugt wird eine Eindüsstrategie für Ammoniak NH₃ in den Abgastrakt 14 mit einem zeitlichen Verlauf einer Regeneration des Partikelfilters 40 und/oder mit Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 10 mit einem fetten Gemisch (Kaltstart, Volllast) abgestimmt. Darüber hinaus ist es möglich, Kohlenmonoxid-CO und Kohlendioxid-Emissionen CO₂ zu berücksichtigen bzw. im Rahmen der Emissionsmodellierung im Speicherfähigkeitsmodell 32 zu ermitteln und zu berücksichtigen.
Die 2 zeigt nun eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Speicherfähigkeitsmodells 32 im Rahmen einer Steuereinheit 30 bzw. einer elektronischen Motorsteuerung 30. Hierbei weist das Speicherfähigkeitsmodell 32 zwei Module, einen Kohlenwasserstoff-Manager 33 und ein SCR-Modul 34 auf. Es ist jedoch auch möglich, das Speicherfähigkeitsmodell 32 im Rahmen eines einzigen Moduls oder mit einer Vielzahl von Modulen zu organisieren.
Der Kohlenwasserstoff-Manager 33 erhält die notwendigen bzw. die zur Verfügung stehenden Parameter Λ_o, Q, t, T_n, ES, EC, PV, SF, X als Eingangssignale und ermittelt daraus die Kohlenwasserstoff-Emissionen HC bzw. eine Menge m_HC bzw. einen Anteil m_HC bzw. eine Konzentration m_HC von Kohlenwasserstoff HC im Abgas 50. Ferner ist es möglich, eine entsprechende Menge m_Co, m_CO2 bzw. einen Anteil m_CO, m_CO2 bzw. eine Konzentration m_CO, m_CO2 von Kohlenmonoxid CO und/oder Kohlendioxid CO₂ im Abgas 50 zu ermitteln.
Die Ermittlung der entsprechenden Emissionen HC, CO, CO₂ kann von entsprechenden Sensoren geliefert oder unterstützt werden. So ist es z. B. möglich, den Anteil m_HC der Kohlenwasserstoff-Emissionen HC mittels eines Kohlenwasserstoffsensors zu ermitteln. Ferner ist es möglich, die Stickoxid-Emissionen NO, NO₂ mittels eines Stickoxidsensors zu messen oder zu ermitteln und entsprechend im Speicherfähigkeitsmodell 32 zu berücksichtigen. Darüber hinaus ist es möglich, Temperaturinformationen (T₁₀, T₁₄, T₂₀, T₄₀, T₅₂, T₅₄, T₅₆, T₅₈) einfließen zu lassen, die an der Brennkraftmaschine 10 oder an einem Abschnitt des Abgastrakts 14 gemessen werden. Ferner ist es hierbei möglich, Steuer- bzw. Regeleingriffe stromabwärts des SCR-Katalysators 20 mit in das Speicherfähigkeitsmodell 32 einfließen zu lassen.
Der Kohlenwasserstoff-Manager 33 hat als Ausgangssignal wenigstens den ermittelten Anteil m_HC der Kohlenwasserstoff-Emissionen HC und gibt diese an das SCR-Modul 34 weiter. Bei Ausführungsformen der Erfindung kann der Kohlenwasserstoff-Manager 33 auch den Anteil m_CO und/oder den Anteil m_CO2 an Kohlenmonoxid-CO und/oder Kohlendioxid-Emissionen CO₂ an das SCR-Modul 34 abgeben.
Das SCR-Modul 34 der Steuereinheit 30 steuert dann das Dosierventil 26 im Abgastrakt 14 der Brennkraftmaschine 10 entsprechend an.
Im SCR-Modul 34 wird ein Status des SCR-Katalysators 20 ermittelt. D. h. bei einer Ausführungsform der Erfindung wird im SCR-Modul 34 ein aktueller bzw. zukünftiger Befüllungsgrad des SCR-Katalysators 20 mit Ammoniak NH₃ ermittelt und eine Eindüsung des Reduktionsmittels 60 gemäß obigen Vorgaben angepasst. Bevorzugt wird das eigentliche Speicherfähigkeitsmodell des SCR-Katalysators 20 im SCR-Modul 34 abgelegt.

Claims

Verfahren zum Anpassen einer Eindüsung eines Reduktionsmittels (60) stromaufwärts eines einer Brennkraftmaschine (10) nachgeschalteten SCR-Katalysators (20), wobei für einen Betrieb der Brennkraftmaschine (10) deren Kohlenwasserstoff-Emissionen (HC) in Abhängigkeit von wenigstens einem zur Verfügung stehenden Parameter ermittelt werden, und anhand der ermittelten Kohlenwasserstoff-Emissionen (HC) der Brennkraftmaschine (10), eine stromaufwärts des SCR-Katalysators (20) einzudüsende Menge (V) des Reduktionsmittels (60) angepasst wird, wobei die einzudüsende Menge (V) des Reduktionsmittels (60) durch ein Speicherfähigkeitsmodell (32) des SCR-Katalysator (20) gesteuert wird, welches die ermittelten Kohlenwasserstoff-Emissionen (HC) berücksichtigt, und das Ermitteln der Kohlenwasserstoff-Emissionen (HC) durch eine Kennlinie oder ein Kennfeld und/oder ein Modell erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei bei Betriebszuständen der Brennkraftmaschine (10), die einen Überschuss von Kohlenwasserstoff-Emissionen (HC) zufolge haben, eine einzudüsende Menge (V) des Reduktionsmittels (60) verringert oder ein Eindüsen des Reduktionsmittels (60) zeitweise unterbrochen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Kohlenwasserstoff-Emissionen (HC) in Abhängigkeit wenigstens eines Parameters ermittelt werden, die einer elektronischen Steuereinheit (30), insbesondere einer elektronischen Motorsteuerung (30), zur Verfügung stehen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei für die Ermittlung der Kohlenwasserstoff-Emissionen (HC) wenigstens einer der folgenden Parameter vom Speicherfähigkeitsmodell (32) der elektronischen Steuereinheit (30), berücksichtigt wird: • ein Lambdawert (Λ₄₀, Λ_Nachkat, Λ_{Pre-Turbo-Kat}) eines Vor-(40), Nach- und/oder Pre-Turbo-Katalysators, • ein Lambdawert (Λ_PC) einer Kraftstoffmengen-Vorsteuerung (PC), • eine Kraftstoffmenge (Q), • ein Einspritzzeitpunkt (t), • eine Temperatur (T₅₂, T₅₄, T₅₆, T₅₈) eines Abgases (50), • eine Temperatur (T₁₀, T₁₄, T₄₀, T₂₀) der Brennkraftmaschine (10) oder eines Abschnitts eines Abgastrakts (14), • ein Betriebszustand (ES) der Brennkraftmaschine (10), • eine Motorkenngröße (EC), • eine Gaspedalstellung (PV), • ein Systemfehler (SF), • eine Außentemperatur (X), • ein Umgebungsluftdruck (X), und/oder • eine Luftfeuchte (X).
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei durch das Speicherfähigkeitsmodell (32) eine Verringerung einer Einspeicherfähigkeit des Reduktionsmittels (60) innerhalb des SCR-Katalysators (20) anhand des oder der zur Verfügung stehender Parameter ermittelt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei durch das Speicherfähigkeitsmodell (32) ein Korrekturfaktor anhand der zur Verfügung stehender Parameter ermittelt wird, um welchen die Eindüsung des Reduktionsmittels (60) stromaufwärts des SCR-Katalysators (20) verringert oder zeitweise unterbrochen wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei durch das Speicherfähigkeitsmodell (32) eine Verzugszeit berücksichtigt wird, bis eine ermittelte Einspeicherfähigkeit des SCR-Katalysators (20) wieder hergestellt ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Speicherfähigkeitsmodell (32) einen Kohlenwasserstoff-Manager (33) aufweist, durch welchen aus den zur Verfügung stehenden Parametern ein Anteil (m_HC) an Kohlenwasserstoff im Abgas (50) ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei durch den Kohlenwasserstoff-Manager (33) ferner ein Anteil (m_CO) an Kohlenmonoxid (CO) und/oder ein Anteil (m_CO2) an Kohlendioxid (CO₂) im Abgas (50) ermittelt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Speicherfähigkeitsmodell (32) ein SCR-Modul (34) aufweist, durch welches die Eindüsung des Reduktionsmittels (60) stromaufwärts des SCR-Katalysator (20) ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei durch das SCR-Modul (34) ferner eine Speicherfähigkeit des SCR-Katalysators (20) und/oder ein aktueller oder zukünftiger Befüllungsgrad des SCR-Katalysators (20) mit Reduktionsmittel (60) ermittelt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei durch das Verfahren wenigstens einer der folgenden Parameter berücksichtigt wird: • eine von einem Kohlenwasserstoff-Sensor gemessene Kohlenwasserstoff-Konzentration (m_HC) des Abgases (50), • eine von einem Temperatursensor gemessene Temperatur (T₅₂, T₅₄, T₅₆, T₅₈) des Abgases (50), • eine von einem Temperatursensor gemessene Temperatur (T₁₀, T₁₄, T₄₀, T₂₀) der Brennkraftmaschine (10) oder eines Abschnitts des Abgastrakts (14), und/oder • eine gemessene oder ermittelte Stickoxid-Konzentration (m_NOx) des Abgases (50).
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Eindüsen des Reduktionsmittels (60) mit einem zeitlichen Verlauf einer Regeneration eines Partikelfilters (40) und/oder einem Betriebszustand abgestimmt wird, in welchem die Brennkraftmaschine (10) mit einem Luftmangel betrieben wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Eindüsen des Reduktionsmittels (60) mit Kohlenmonoxid- (CO) und/oder Kohlendioxid-Emissionen (CO₂) der Brennkraftmaschine (10) abgestimmt wird.
Verfahren zum Betrieb eines SCR-Katalysators (20) in einem Abgastrakt (14) einer Brennkraftmaschine (10), wobei eine Eindüsung eines Reduktionsmittels (60) stromaufwärts des SCR-Katalysators (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 angepasst wird.