DE102007044610B4

DE102007044610B4 - Verfahren zur Detektion der minimalen Öffnungszeit einer Reduktionsmittelzuführeinrichtung in einem Abgasnachbehandlungssystem mit einem SCR-Katalysator

Info

Publication number: DE102007044610B4
Application number: DE102007044610A
Authority: DE
Inventors: Peter Bauer; Rainer Bentz; Joris Fokkelmann; Joachim Dr. Frank; Hermann Dr. Ketterl; Ingo Koops; Robert Leinfelder
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2007-09-19
Filing date: 2007-09-19
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2027-09-20
Also published as: US20100257842A1; WO2009037327A1; DE102007044610A1; US8555618B2; CN101802358B; CN101802358A

Abstract

Verfahren zur Adaption der Reduktionsmittelzufuhr in einem Abgasnachbehandlungssystem mit einem SCR-Katalysator zur Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgas eines Verbrennungsmotors, einem Reduktionsmittel-empfindlichen Sensor im Abgasnachbehandlungssystem und mindestens einer Reduktionsmittelzuführeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Öffnungszeit der Reduktionsmittelzuführeinrichtung im Betrieb unter Ausschluss einer Stickoxid-Emission durch eine schrittweise Verlängerung der Öffnungszeit der Reduktionsmittelzuführeinrichtung bis zur Detektion eines Reduktionsmittelsignals durch den Sensor bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion der Minimalöffnungszeit einer Reduktionsmittelzuführeinrichtung in einem Abgasnachbehandlungssystem mit einem SCR-Katalysator zum Entfernen von Stickoxiden aus dem Abgas eines Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Steuerung für ein Abgasnachbehandlungssystem zur Ausführung dieses Verfahrens.
Stand der Technik
Zur Reduktion von Schadstoffen, insbesondere zur Reduktion von Stickoxiden, haben sich verschiedene Verfahren etabliert, bei denen reduzierende Fluide (Gase oder Flüssigkeiten) in das Abgassystem eines Verbrennungsmotors eingeleitet werden.
Zur Verminderung der Stickoxide hat sich besonders die SCR-Technologie bewährt, bei der im sauerstoffreichen Abgas enthaltene Stickoxide (NOx) mit Hilfe von Ammoniak oder einer entsprechenden zu Ammoniak umsetzbaren Vorläufersubstanz selektiv zu Stickstoff und Wasser reduziert werden. Bevorzugt wird hierbei auf wässrige Harnstofflösungen zurückgegriffen. Die Harnstofflösung wird mittels Hydrolysekatalysatoren oder direkt auf dem SCR-Katalysator zu Ammoniak und Kohlendioxid hydrolysiert. Dazu wird die Harnstofflösung mittels spezieller Dosiersysteme vor dem Hydrolysekatalysator oder dem SCR-Katalysator in den Abgasstrom eingespritzt. Hierbei ergibt sich zum einen das Problem die optimale Reduktionsmittelmenge zu ermitteln, zum anderen aber auch die sichere Zuführung und Dosierung des Reduktionsmittels zu gewährleisten.
Wird eine sichere und zuverlässige Dosierung nicht gewährleistet, kann eine effiziente Stickoxidentfernung (NOx) aus dem Abgas nicht erreicht werden. Eine Überdosierung von Reduktionsmittel andererseits kann eine unerwünschte Emission, beispielsweise von Ammoniak, einen so genannten Reduktionsmitteldurchbruch, zur Folge haben.
Bei flüssigen Reduktionsmitteln, wie den gebräuchlichen Harnstofflösungen, kann die Dosierung mittels eines Injektors erfolgen. Die Ansteuerzeit und damit die Öffnungszeit des Injektors sind dabei maßgebend für die dem Abgasnachbehandlungssystem zugeführte Menge an Reduktionsmittel.
Bedingt durch Fertigungstoleranzen und durch Alterung im Laufe der Standzeit des Dosiersystems, kann sich die Injektorkennlinie und damit die notwendige Öffnungszeit für die Reduktionsmittelzufuhr ändern und damit die Einspritzmenge nicht exakt vorausgesagt werden. Um eine maximal hohe Konvertierungsrate der Stickoxide (NOx) zu erreichen ist generell jedoch eine exakte und bedarfsgerechte Dosierung des verwendeten Reduktionsmittels notwendig. Um Ungenauigkeiten des Einspritzsystems zu korrigieren ist es bekannt, so genannte closed loop Regelungen anzuwenden. Diese setzen jedoch die aufwendige messtechnische Erfassung der tatsächlich eingespritzten Reduktionsmittelmenge voraus.
In der DE 101 00 420 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung eines Abgasnachbehandlungssystems für eine Brennkraftmaschine beschrieben, bei dem in Abhängigkeit vom Zustand der Brennkraftmaschine oder des Abgasnachbehandlungssystems eine vorgebbare Menge an Reduktionsmittel zugeführt wird. Die Menge an zugeführtem Reduktionsmittel wird dabei in Abhängigkeit von der Detektion einer Über- bzw. Unterdosierung des Reduktionsmittels in Bezug auf den Stickoxid-Umsatz des SCR-Katalysators variiert. Das Verfahren ist aufwendig und abhängig von sehr vielen Parametern sowohl der Brennkraftmaschine als auch des gesamten Abgasnachbehandlungssystems. Fertigungstoleranzen, Funktionsänderungen oder Fehlfunktionen des Reduktionsmittel-Dosiersystems werden hierbei jedoch nicht berücksichtigt.
Gleiches gilt auch für das Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß der DE 10 2004 046 639 A1 . Dort wird von einem stromabwärts des Katalysators angeordneten NOx-Sensor, der eine Querempfindlichkeit gegenüber dem Reagenzmittel aufweist, bei vorgegebenen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine ein Signal abgefragt, das als Maß für den Reagenzmittelschlupf gewertet wird. Damit wird allerdings nur ein Zustand detektiert, bei dem es bereits zu einem Schlupf des Reagenzes hinter dem Katalysator gekommen ist. Dieser Schlupf ist jedoch höchst unerwünscht.
Aufgabe
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur Adaption der Reduktionsmittelzufuhr in ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor zur Entfernung von Stickoxiden mit einem SCR-Katalysator bereitzustellen, das auf einfache Weise im Normalbetrieb eine Optimierung der zugeführten Reduktionsmittelmenge ermöglicht.
Dies wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur Adaption der Reduktionsmittelzufuhr in ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem SCR-Katalysator zur Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgas eines Verbrennungsmotors und mindestens einer Reduktionsmittelzuführeinrichtung entsprechend des Patentanspruchs 1 und einer Steuerung für ein Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 10 erreicht. In den abhängigen Ansprüchen sind jeweils bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Adaption der Reduktionsmittelzufuhr in einem Abgasnachbehandlungssystem mit einem SCR-Katalysator zur Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgas eines Verbrennungsmotors, einem Reduktionsmittel empfindlichen Sensor im Abgasnachbehandlungssystem und mindestens einer Reduktionsmittelzuführeinrichtung bereitgestellt, bei dem die minimale Öffnungszeit der Reduktionsmittelzuführeinrichtung im Betrieb unter Ausschluss einer Stickoxid-Emission durch eine schrittweise Verlängerung der Öffnungszeit der Reduktionsmittelzuführeinrichtung bis zur Detektion eines Reduktionsmittelsignals durch den Sensor bestimmt wird.
Unter Reduktionsmittelzuführeinrichtung wird insbesondere ein Dosiersystem zur dosierten Zuführung eines Reduktionsmittels in ein Abgasnachbehandlungssystem verstanden. Für flüssige Reduktionsmittel kann das Dosiersystem ein Injektorsystem sein. Der Reduktionsmittel-empfindliche Sensor wird auch als Reduktionsmittelsensor bezeichnet. Jede Reduktionsmittelzuführeinrichtung weist bei ihrer Ansteuerung und Aktivierung durch ein Steuergerät unter anderem mechanisch- und fertigungsbedingt eine Zeitspanne auf, in der noch kein Reduktionsmittel in das System eingeführt wird. Die Zeitspanne, nach der dann bei Ansteuerung tatsächlich eine Reduktionsmittelzufuhr in das Abgassystem generiert wird, wird erfindungsgemäß als minimale Öffnungszeit definiert.
In der Regelist somit ein Anfangsrichtwert für die minimale Öffnungszeit bekannt. Jedoch unterliegt die minimale Öffnungszeit alterungs- und betriebsbedingt Veränderungen, so dass eine periodische Bestimmung angebracht ist.
Unter Ausschluss einer Stickoxid-Emission wird erfindungsgemäß verstanden, dass der Motor in Schritt a) während der schrittweisen Erhöhung der Öffnungszeit keine Stickoxide emittiert. Dies ist zum Beispiel während der Schubphase der Fall. Schrittweise Erhöhung im Sinne der Erfindung bedeutet, dass die Ansteuerzeit für die Reduktionsmittelzuführeinrichtung und damit die entsprechende Öffnungszeit in Schritten von 10 ms, bevorzugt von 1 ms, besonders bevorzugt von 0,1 ms, verlängert werden kann. Es sind aber je nach Anwendung und Bedarf gleichermaßen längere als auch kürzere Öffnungszeiten möglich.
Erfindungsgemäß wird somit ein Verfahren zur Verfügung gestellt, mit dem vorteilhafterweise die minimale Öffnungszeit der Reduktionsmittelzuführeinrichtung direkt erfasst werden kann und dadurch ein Rückschluss auf die tatsächlich zugeführte Menge an Reduktionsmittel ermöglicht wird. Auf Grundlage der Bestimmung der minimalen Öffnungszeit zur Realisierung einer Zuführung des Reduktionsmittels kann erfindungsgemäß nachfolgend im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors auf einfache Weise die zugeführte Menge an Reduktionsmittel adaptiert und optimiert werden. Die ermittelte minimale Öffnungszeit kann zu diesem Zweck als Wert in der Steuerung des Abgasnachbehandlungssystems hinterlegt werden. Der ermittelte Wert für die minimale Öffnungszeit kann insbesondere auch Teil einer Kennlinie für die Reduktionsmittelzuführeinrichtung sein, auf die die Steuerung zurückgreift. Hierdurch kann die Gesamtleistung des Abgasnachbehandlungssystems, insbesondere die Stickoxidentfernung mit der SCR-Technologie deutlich verbessert werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Reduktionsmittelzuführeinrichtung als Systemkomponente einzeln kontrolliert und diagnostiziert werden kann, wie dies für eine On Board Diagnostik erforderlich ist. Die Überwachung der minimalen Öffnungszeit lässt zudem Rückschlüsse darüber zu, ob die Reduktionsmittelzuführeinrichtung funktionsfähig ist und ob eine Änderung ihrer Zuführeigenschaften oder eine Fehlfunktion vorliegen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann als Reduktionsmittel Ammoniak oder eine Vorläuferverbindung von Ammoniak eingesetzt werden. Besonders bewährt hat sich hierbei eine 32,5%ige wässrige Harnstofflösung, die von der Industrie einheitlich mit „Adblue” bezeichnet wird und deren Zusammensetzung in der DIN 70070 geregelt ist. Es kann in einer weiter bevorzugten Verfahrensvariante vorgesehen sein, dass der Reduktionsmittel-empfindliche Sensor ein Stickoxid-Sensor mit Querempfindlichkeit auf Ammoniak im Abgasnachbehandlungssystem ist. Vorteilhafterweise können so von dem/den gleichen Sensor im Betrieb verschiedene Funktionen erfüllt werden und es muss kein zusätzlicher Sensor für die Detektion des Ammoniak als Reduktionsmittel in das Gesamtsystem eingeplant und integriert werden. Hierdurch können zusätzliche Kosten in der Konzeption und in der Fertigung des Abgasnachbehandlungssystems eingespart werden.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann die Detektion des Reduktionsmittelsignals durch einen Reduktionsmittel-empfindlichen Sensor erfolgen, der im Abgasnachbehandlungssystem hinter der Reduktionsmittelzuführeinrichtung und vor dem SCR-Katalysator angeordnet ist. In dem Fall, dass zunächst eine Vorläufersubstanz zugeführt wird, wird hierunter eine Position verstanden an der auch eine vollständige Umsetzung zum eigentlichen Reduktionsmittel stattgefunden hat. Zum Beispiel soll bei der bevorzugten Verwendung einer Harnstofflösung eine vollständige Umsetzung zu Ammoniak stattgefunden haben.
Gleichermaßen bevorzugt kann die Detektion des Reduktionsmittelsignals durch einen Reduktionsmittel-empfindlichen Sensor erfolgen, der im Abgasnachbehandlungssystem hinter oder innerhalb des SCR-Katalysators angeordnet ist, wobei die Bestimmung der minimalen Öffnungszeit in Schritt a) unter Ausschluss einer Stickoxid-Umwandlung im SCR-Katalysator erfolgt. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn im SCR-Katalysator kein Reduktionsmittel, beispielsweise Ammoniak, eingespeichert ist oder wenn die Temperatur des SCR-Katalysators so hoch ist, dass keine Einspeicherung des Reduktionsmittels möglich ist. Vorteilhafterweise kann das erfindungsgemäße Verfahren somit in Abgasnachbehandlungssystemen mit verschiedenen Sensoranordnungen ausgeführt werden, ohne dass eine neue Konzeptionisierung der Sensoranordnung notwendig ist.
In einer anderen bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Bestimmung der minimalen Öffnungszeit der Reduktionsmittelzuführeinrichtung mit den Schritten a) und b) wiederholt werden, wobei in Schritt a) die vorher ermittelte minimale Öffnungszeit als Initialisierungswert verwendet wird. Vorteilhafterweise kann dies die Bestimmung der aktuellen minimalen Öffnungszeit beschleunigen und damit auch schneller die Adaption der Reduktionsmittelzufuhr erfolgen.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Abgasnachbehandlungssystem zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens mit einer Vorrichtung nach Anspruch 10. Mit dem erfindungsgemäß ausgestalteten Abgasnachbehandlungssystem kann erfindungsgemäß im Normalbetrieb eines Verbrennungsmotors auf einfache Weise, nämlich über die Adaption der minimalen Öffnungszeit der Reduktionsmittelzuführeinrichtung, die zugeführte Menge an Reduktionsmittel adaptiert und optimiert werden. Hierdurch kann die Gesamtleistung des Abgasnachbehandlungssystems, und insbesondere die Stickoxidentfernung, mit der SCR-Technologie deutlich verbessert werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Reduktionsmittelzuführeinrichtung als Systemkomponente einzeln kontrolliert und diagnostiziert werden kann, wie es für eine On-Board-Diagnostik erforderlich ist.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem mit einer On-Board-Diagnostik gekoppelt, die die Funktionsfähigkeit gegebenenfalls eine Fehlfunktion der Reduktionsmittelzuführeinrichtung anzeigen kann. Hierdurch kann die Standzeit des Gesamtsystems deutlich verbessert werden.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Steuerung eines Abgasnachbehandlungssystems, wobei Mittel zur Bestimmung der minimalen Öffnungszeit einer Reduktionsmittelzuführeinrichtung und zur Adaption der Reduktionsmitteleinspritzmenge in Abhängigkeit der detektierten minimalen Öffnungszeit vorgesehen sein können.
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhand der Zeichnung erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt.
In dieser zeigt:
1 ein schematisches Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt ein schematisches Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens für eine Reduktionsmittelzuführeinrichtung für flüssige Reduktionsmittel unter Verwendung eines Injektorsystems. Ausgehend von einer Injektoröffnungszeit t_{open_Inj(0)} = 0(I) wird schrittweise die Öffnungszeit der Reduktionsmittelzuführeinrichtung, also des Injektors, um t_{Delta_Inj} verlängert. Vorzugsweise wird als Initialisierungswert für die Bestimmung der minimalen Öffnungszeit die vorher ermittelte minimale Öffnungszeit verwendet. Vorteilhafterweise kann dies die Bestimmung der aktuellen minimalen Öffnungszeit beschleunigen und damit auch schneller die Adaption der Reduktionsmittelzufuhr erfolgen. Wird kein Anstieg des Reduktionsmittelsignals am Reduktionsmittelsensor festgestellt, ist die minimale Öffnungszeit für die Realisierung einer Zuführung des Reduktionsmittels noch nicht erreicht. Die Öffnungszeit wird so lange variiert, bis die Detektion eines Reduktionsmittelsignals erfolgt. Wird am Reduktionsmittelsensor ein Reduktionsmittelsignal detektiert, kann die minimale Öffnungszeit bestimmt und eine Adaption der Reduktionsmittelzuführeinrichtung und damit der Reduktionsmittelzufuhr erfolgen.
Auf Grundlage der aktuell ermittelten minimalen Öffnungszeit des Injektors kann auch dessen Kennlinie angepasst werden, auf die das Steuergerät des Abgasnachbehandlungssystems zur Steuerung der Reduktionsmittelzuführeinrichtung zurückgreift. Das Steuergerät kann auch Teil einer übergeordneten Motorsteuerung sein.

Claims

Verfahren zur Adaption der Reduktionsmittelzufuhr in einem Abgasnachbehandlungssystem mit einem SCR-Katalysator zur Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgas eines Verbrennungsmotors, einem Reduktionsmittel-empfindlichen Sensor im Abgasnachbehandlungssystem und mindestens einer Reduktionsmittelzuführeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Öffnungszeit der Reduktionsmittelzuführeinrichtung im Betrieb unter Ausschluss einer Stickoxid-Emission durch eine schrittweise Verlängerung der Öffnungszeit der Reduktionsmittelzuführeinrichtung bis zur Detektion eines Reduktionsmittelsignals durch den Sensor bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als Reduktionsmittel Ammoniak oder eine Vorläufersubstanz von Ammoniak, bevorzugt eine Harnstofflösung, eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Reduktionsmittel-empfindliche Sensor ein Stickoxid-Sensor mit Querempfindlichkeit auf Ammoniak im Abgasnachbehandlungssystem ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion des Reduktionsmittelsignals durch einen Reduktionsmittel-empfindlichen Sensor erfolgt, der im Abgasnachbehandlungssystem hinter der Reduktionsmittelzuführeinrichtung und vor dem SCR-Katalysator angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion des Reduktionsmittelsignals durch einen Reduktionsmittel-empfindlichen Sensor erfolgt, der im Abgasnachbehandlungssystem hinter oder innerhalb des SCR-Katalysator angeordnet ist, wobei die Bestimmung der minimalen Öffnungszeit in Schritt a) unter Aus schluss einer Stickoxid-Umwandlung im SCR-Katalysator erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der minimalen Öffnungszeit der Reduktionsmittelzuführeinrichtung mit den Schritten a) und b) wiederholt wird, wobei in Schritt a) die vorher ermittelte minimale Öffnungszeit als Initialisierungswert verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass in einem Schritt c) eine Adaption der Reduktionsmitteleinspritzmenge in Abhängigkeit der detektierten minimalen Öffnungszeit vorgenommen wird.
Abgasnachbehandlungssystem, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 eine Vorrichtung nach Anspruch 10 aufweist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer On Board Diagnostik gekoppelt ist.
Vorrichtung zur Steuerung eines Abgasnachbehandlungssystems dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind zur Bestimmung der minimalen Öffnungszeit einer Reduktionsmittelzuführeinrichtung und zur Adaption der Reduktionsmitteleinspritzmenge in Abhängigkeit der detektierten minimalen Öffnungszeit.