DE102008039687A1

DE102008039687A1 - Verfahren zur Nachbehandlung eines Abgasstroms eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102008039687A1
Application number: DE102008039687A
Authority: DE
Inventors: Michael Daetz; Jens Stefan Schneider; Frank Stanglmeier
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Volkswagen AG
Priority date: 2008-08-26
Filing date: 2008-08-26
Publication date: 2010-03-04
Anticipated expiration: 2028-08-27
Also published as: DE102008039687B4

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Nachbehandlung eines Abgasstroms (7) eines Verbrennungsmotors (3) eines Kraftfahrzeuges 1 mittels einer selektiven katalytischen Reduktion vorgeschlagen.
Um eine verbesserte Abgasnachbehandlung zu ermöglichen, weist das Verfahren ein Verrechnen einer eine Anwesenheit von Schadstoffen in dem Abgasstrom kennzeichnenden ersten Teilgröße (cNOx) (47) und einer eine Anwesenheit eines Reduktionsmittels (13) in dem Abgasstrom (7) kennzeichnenden zweiten Teilgröße (cNH3) (49) mittels einer Rechenvorschrift und einem auf eine der Teilgrößen (47, 49) angewendeten inversen Operator der Rechenvorschrift zum Ermitteln einer Leitgröße (21) und ein Zugeben des Reduktionsmittels (13) in den Abgasstrom (7) in Abhängigkeit von der Leitgröße (21) auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachbehandlung eines Abgasstroms eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mittels einer selektiven katalytischen Reduktion.
Es ist bekannt zur Nachbehandlung eines Abgasstroms, insbesondere zur Entstickung, so genannte SCR-Katalysatoren (selektive katalytische Reduktion) einzusetzen. Diese können beispielsweise für Dieselmotoren oder beliebige andere Motoren mit einer überstöchiometrisch arbeitenden Motorsteuerung, beispielsweise Motoren mit homogener Kompressionszündung und/oder Magermotoren mit Fremdzündung eingesetzt werden. Mittels des SCR-Katalysators können in dem Abgasstrom mitgeführte Schadstoffe, beispielsweise NO, NO2 in Anwesenheit eines zusätzlich zugebbaren Reduktionsmittels, beispielsweise NH3, in unschädliche Komponenten umgesetzt werden. Zum Steuern und/oder Regeln einer Umsetzungsrate der Schadstoffe kann eine Zugabemenge des Reduktionsmittels gesteuert werden. Die DE 10 2007 044 193 A1 betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zum Steuern der Einspritzung eines Reduktionsmittels in einen Abgasstrom. Aus der DE 10 2006 041 676 A1 ist ein Verfahren zum Dosieren eines Reagenzmittels in den Abgasbereich einer Brennkraftmaschine und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bekannt. Die DE 60 2005 001 922 T2 gibt ein Verfahren zur Regelung der Zugabe eines Reduktionsmittels in das Abgas einer Brennkraftmaschine an.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Nachbehandlung eines Abgasstroms eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges mittels einer selektiven katalytischen Reduktion zu ermöglichen, insbesondere eine verbesserte Regelung und/oder Steuerung einer Zugabe eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom.
Die Aufgabe ist mit einem Verfahren zur Nachbehandlung eines Abgasstroms eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges mittels einer selektiven katalytischen Reduktion gelöst. Das Verfahren weist ein Verrechnen einer eine Anwesenheit von Schadstoffen in dem Abgasstrom kennzeichnenden ersten Teilgröße (cNOx) und einer eine Anwesenheit eines Reduktionsmittels in dem Abgasstrom kennzeichnenden zweiten Teil Größe (cNH3) mittels einer Rechenvorschrift und einem auf eine der Teilgrößen angewendeten inversen Operator der Rechenvorschrift zum Ermitteln einer die Zusammensetzung des Abgasstromes kennzeichnenden Leitgröße und ein Zugeben des Reduktionsmittels in den Abgasstrom in Abhängigkeit von der Leitgröße auf. Die Rechenvorschrift kann beispielsweise eine Addition oder eine Multiplikation aufweisen. Unter einem inversen Operator kann eine Rechenoperation verstanden werden, die bezüglich der zugehörigen Rechenvorschrift und angewendet bei identischen Operanden als Ergebnis das neutrale Element der Rechenvorschrift liefert. Im Falle einer Addition liefern dann die Rechenvorschrift und der inverse Operator in Form einer Multiplikation einer der Operanden mit (–1) als Ergebnis das neutrale Element Null und im Falle einer Multiplikation bei einer Kehrbruchbildung das neutrale Element 1. Vorteilhaft ist mittels der Verrechnung im Vergleich zu üblichen Summensignalen die Leitgröße eindeutig Betriebszuständen des Verbrennungsmotors zuordenbar. Vorteilhaft können Nachteile einer sich sonst ergebenden unterbestimmten Regelung vermieden werden.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens ist ein Ermitteln der Leitgröße mittels subtrahieren der zweiten Teilgröße von der ersten Teilgröße (cNOx-cNH3) vorgesehen. Vorteilhaft kann die Leitgröße als Eingangsgröße eines Reglers zur Zugabe des Reduktionsmittels dienen, wobei vorteilhaft sowohl Ammoniakdurchbrüche als auch Betriebszustände mit zu hohen NOx-Emissionen erfassbar sind.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist ein Ermitteln der Leitgröße mittels Dividieren der ersten Teilgröße durch die zweite Teilgröße (cNOx/cNH3) vorgesehen. Eine so ermittelte Leitgröße kann ebenfall den Betriebszuständen des Verbrennungsmotors und damit einhergehenden Emissionen von Stickoxiden oder Ammoniak eindeutig zugeordnet werden und als Eingangsgröße des Reglers dienen.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist ein Ermitteln der ersten Teilgröße als Addition einer ersten Stickoxidgröße (cNO) und einer zweiten Stickoxidgröße (cNO2) vorgesehen. Die erste Teilgröße kann als Summensignal der Stickoxidgrößen gebildet werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist ein Ermitteln der Leitgröße mittels einer dem Abgasstrom zuordenbaren NH3/NOx-Verhältnissonde vorgesehen. Vorteilhaft können basische redoxchemische Eigenschaften von Ammoniak zur Detektion ausgenutzt werden. Vorteilhaft kann mittels nur einer Sonde ein Verhältnis zwischen der ersten und zweiten Teilgröße zum Ermitteln der Leitgröße gebildet werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens sind ein Ermitteln der ersten Teilgröße mittels eines NOx-Sensors und/oder ein Ermitteln der zweiten Teilgröße mittels eines NH3-Sensors vorgesehen. Vorteilhaft können für die Teilgrößen separate Signale ermittelt werden, die mittels einer Recheneinheit zur Leitgröße verrechnet werden können.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahren ist ein Verrechnen der ersten und der zweiten Teilgröße mittels eines mittels eines elektrochemischen Sensors ermittelbaren Summensig nals (cNO + cNO2 + CNH3) und eines Korrektursignals für die zweite Teilgröße (cNH3) vorgesehen. Vorteilhaft kann das Summensignal mittels eines üblichen Sensors zur quantitativen Erfassung der ersten und zweiten Teilgröße ermittelt werden. Das Summensignal kann mittels des Korrektursignals entsprechend korrigiert werden, sodass eine die Betriebszustände des Verbrennungsmotors eindeutig kennzeichnende Leitgröße ermittelbar ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist ein Ermitteln der zweiten Teilgröße (cNH3) mittels einer katalytischen exothermen Oxidation von NH3 des im Abgasstrom enthaltenen Reduktionsmittels an einer katalytisch wirksamen Pt-Oberfläche und Ermitteln einer Reaktionswärme der exothermen Oxidation vorgesehen. Vorteilhaft kann zumindest ein kleiner Teil des Abgasstroms an der katalytisch wirksamen Pt-Oberfläche vorbeigeführt werden. Vorteilhaft reagiert NH3 in Verbindung mit Sauerstoff und in Anwesenheit von Platin bereits bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise ab circa 200°C schnell und stark exotherm. Die dabei auftretende Reaktionswärme kann vorteilhaft ein Maß für eine Konzentration des in dem Abgasstrom mitgeführten NH3 sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist ein Berücksichtigen eines ersten Zeitverhaltens des NOx-Sensors und eines zweiten Zeitverhaltens des NH3-Sensors und/oder Berücksichtigen des ersten und zweiten Zeitverhaltens mittels messen der ersten Teilgröße mittels des NOx-Sensors stromaufwärts des die zweite Teilgröße messenden NH3-Sensors, oder umgekehrt vorgesehen. Vorteilhaft kann mittels der Berücksichtigung des Zeitverhaltens der Sensoren die Verrechnung zur Leitgröße möglichst wenig zeitverzerrt erfolgen. Eine Kompensation beziehungsweise Berücksichtigung des unterschiedlichen Zeitverhaltens der Sensoren kann beispielsweise mittels einer nachgeschalteten Recheneinheit, beispielsweise einer Motorsteuerung erfolgen. Vorteilhaft kann dies jedoch auch alternativ oder zusätzlich lediglich mittels einer passenden Positionierung der Sensoren im Abgasstrom erfolgen. Dazu können diese in einem gewissen Abstand zueinander in dem Abgasstrom angeordnet werden, so dass aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit, also dem zwischen den Sensoren zurückgelegten Weg der mitgeführten Stoffe des Abgasstroms eine Zeitverzögerung beziehungsweise Laufzeit auftritt. Vorteilhaft kann der Abstand beziehungsweise die sich daraus ergebende Verzögerungszeit so gewählt werden, dass die unterschiedlichen Zeitverhalten der Sensoren bestmöglich kompensiert werden. Der Abstand zwischen den Sensoren kann so gewählt werden, dass bei einem Arbeitspunkt und/oder einer mittleren Geschwindigkeit des Abgasstroms eine optimale Kompensation des Zeitverhaltens der Sensoren möglich ist.
Die Aufgabe ist außerdem mit einem Kraftfahrzeug mit einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung mittels einer selektiven katalytischen Reduktion zum Reinigen eines Abgasstroms eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeuges ausgelegt, konstruiert und/oder eingerichtet zum Durchführen eines vorab beschriebenen Verfahrens gelöst. Es ergeben sich die vorab beschriebenen Vorteile.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezug auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges mit einer nachgeschalteten Abgasreinigungsvorrichtung;
2 eine weitere schematische Darstellung des in 1 gezeigten Verbrennungsmotors mit der nachgeschalteten Abgasreinigungsvorrichtung, wobei im Unterschied zwei beabstandet zueinander angeordnete Sensoren vorgesehen sind;
3 eine einem Abgasstrom zuordenbare Sensorvorrichtung zur Ermittlung einer zweiten Teilgröße (cNH3) zur Kennzeichnung einer Anwesenheit eines in dem Abgasstrom mitgeführten Reduktionsmittels;
4 ein Schaubild eines Übertragungsverhaltens mit unterschiedlichen Offsetwerten eines dem Abgasstrom zuordenbaren Sensors zur Ermittlung eines quantitativen Summensignals;
5 das in 4 gezeigte Schaubild, jedoch zusätzlich mit einem eingezeichneten Signalverlauf einer aus einer ersten Teilgröße und zweiten Teilgröße ermittelbaren Leitgröße.
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Teils eines Kraftfahrzeuges 1 mit einem Verbrennungsmotor 3 und einer diesem nachgeschalteten Abgasanlage 5. Die Abgasanlage 5 ist zum Reinigen und Führen eines Abgasstroms 7 des Verbrennungsmotors 3 ausgelegt. Zum Reinigen des Abgasstroms 7 kann die Abgasanlage 5 weitere, nicht in 1 dargestellte Komponenten zur Abgasnachbehandlung aufweisen, beispielsweise Katalysatoren und Sensoren. Bei dem Verbrennungsmotor 3 kann es sich beispielsweise um einen Dieselmotor handeln. Es ist jedoch auch möglich, dass es sich um einen beliebigen anderen überstöchiometrisch arbeitenden Motor, beispielsweise einen Motor mit einer homogenen Kompressionszündung und/oder einen Magermotor mit Fremdzündung, handelt.
Die Abgasanlage 5 ist zur Nachbehandlung des Abgasstroms 7 mittels einer selektiven katalytischen Reduktion ausgelegt und weist dazu einen SCR-Katalysator 9 auf. Der SCR-Katalysator 9 kann unter Anwesenheit eines Reduktionsmittels 13, beispielsweise NH3 in dem Abgasstrom mitgeführte Schadstoffe, beispielsweise NOx, in unschädliche Komponenten konvertieren. Unter Reduktionsmittel kann auch eine chemische Vorstufe eines solchen verstanden werden, insbesondere Harnstoff. Das Reduktionsmittel 13 kann mittels weiterer, nicht näher dargestellter Komponenten dem Abgasstrom 7 zudosiert werden, beispielsweise in Form mittels einer wässrigen Harnstofflösung, die erst in dem Abgasstrom 7 das NH3 freigibt. Zum Zudosieren des Reduktionsmittels 13, beispielsweise der dieses freisetzenden wässrigen Harnstofflösung, kann der Abgasanlage 5 eine Dosiereinrichtung 11 zugeordnet sein.
Zur Ansteuerung der Dosiervorrichtung 11 zum Zudosieren des Reduktionsmittels 13 in den Abgasstrom 7 ist der Dosiervorrichtung 11 eine Steuervorrichtung 15 vorgeschaltet. Mittels der Steuervorrichtung 15 kann eine Dosiermenge 17 zur Ansteuerung der Dosiervorrichtung 11 ermittelt werden. Mittels der Steuervorrichtung 15 wird auch eine Gemischbildung 19 des Verbrennungsmotors 3 gesteuert. Mittels der Gemischbildung 19 und der Dosiermenge 17 der Steuervorrichtung 15 kann auf eine Zusammensetzung des Abgasstroms 7 Einfluss genommen werden. Mittels einer, beispielsweise dem SCR-Katalysator 9 zugeordneten Messvorrichtung beziehungsweise Sensorvorrichtung, insbesondere einer NH3/NOx-Verhältnissonde 31, kann eine die Zusammensetzung des Abgasstromes kennzeichnende Leitgröße 21 ermittelt werden. Diese Leitgröße 21 kann einem Regler 23 zugeführt werden, der mittels eines Vergleichs mit einem vorgebbaren Sollwert 25 und nicht dargestellten Regelalgorithmen eine Steuergröße 27 zur Ansteuerung der Steuervorrichtung 15 generieren kann. Der Regler 23 und die Steuervorrichtung 15 können in einem Motorsteuergerät 29 des Verbrennungsmotors 3 implementiert sein.
Zur Ermittlung der Leitgröße 21 kann die NH3/NOx-Verhältnissonde 31 dienen. Die Verhältnissonde 31 kann dem SCR-Katalysator 9 zugeordnet sein. Alternativ ist es jedoch auch möglich, die Verhältnissonde 31 dem SCR-Katalysator 9 nachzuschalten. Vorteilhaft kann mittels der Verhältnissonde 31 eine in dem Abgasstrom 7 vorhandene Konzentration von Ammoniak (cNH3) direkt in das Verhältnis zu einer in dem Abgasstrom 7 vorhandenen Konzentration von Stickoxiden (NOx) eingesetzt werden. Vorteilhaft kann basierend auf der Leitgröße 21 mittels des Reglers 23 eine Regelung der Zudosierung des Reduktionsmittels 13 zum Erzielen einer bestmöglichen Entstickung des Abgasstroms realisiert werden.
Alternativ und/oder zusätzlich ist es möglich dem Regler 23 weitere Eingangsgrößen zuzuführen, insbesondere mittels eines mitrechnenden Modells 33 die Leitgröße 21 zu ermitteln.
2 zeigt eine schematische Darstellung des in 1 gezeigten Kraftfahrzeuges 1, jedoch mit einer modifizierten Messvorrichtung 35. Im Folgenden wird lediglich auf die Unterschiede zu 1 eingegangen. Im Unterschied zur Darstellung gemäß 1 ist die Messvorrichtung 35 dem SCR-Katalysator 9 nachgeschaltet und weist einen ersten Sensor 37 und einen dem ersten Sensor 37 nachgeschalteten zweiten Sensor 39 auf. Der erste Sensor 37 kann beispielsweise als NOx-Sensor und der zweite Sensor 39 als NH3-Sensor ausgelegt sein. Die Sensoren 37 und 39 sind in einem mittels eines Doppelpfeils 41 angedeuteten Abstand zueinander angeordnet. Aufgrund des Abstandes werden in dem Abgasstrom mitgeführte Schadstoffkonzentrationen beziehungsweise Konzentrationen des Reduktionsmittels 13 zeitverzögert von den Sensoren 37, 39 gemessen. Eine mittlere Geschwindigkeit des Abgasstroms 7 ist mittels eines Pfeils 43 angedeutet. Im Falle einer zeitlichen Änderung des Abgasstroms 7 beziehungsweise einer Zusammensetzung des Abgasstroms 7 registriert der erste Sensor 37 diese Änderung früher als der zweite Sensor 39. Vorteilhaft kann der mittels des Doppelpfeils 41 symbolisierte Abstand zwischen den Sensoren 37, 39 so gewählt werden, dass möglicherweise vorhandene unterschiedliche Zeitverhalten zwischen den Sensoren 37, 39 ausgeglichen werden können. Vorliegend kann der zweite Sensor 39 ein schnelleres Zeitverhalten als der erste Sensor 37 aufweisen. Dennoch können trotz dieser unterschiedlichen Zeitverhalten, aufgrund der mittels des Pfeils 43 symbolisierten Laufzeit des Abgasstroms 7, die Sensoren im Wesentlichen gleich schnell auf eine Veränderung einer Zusammensetzung des Abgasstroms 7 reagieren. Vorteilhaft können mittels einer Recheneinheit 45, die beispielsweise in dem Regler 23 implementiert sein kann, eine mittels des ersten Sensors 37 ermittelbare erste Teilgröße 47 (cNOx) mit einer zweiten Teilgröße 49 des zweiten Sensors 39 (cNH3) zu der Leitgröße 21 verrechnet werden. Die erste Teilgröße 47 kennzeichnet eine Anwesenheit von Schadstoffen, beispielsweise Stickoxiden, des Abgasstroms 7. Die zweite Teilgröße 49 kennzeichnet eine Anwesenheit des Reduktionsmittels 13 im Abgasstrom 7, beispielsweise eine Konzentration von Ammoniak. Die Recheneinheit 45 kann insbesondere eine Division oder eine Subtraktion der Teilgrößen 47 und 49 durchführen. Zusätzlich ist es möglich, die Teilgrößen 47, 49 mit unterschiedlichen Faktoren und/oder Offset-Werten zu verrechnen und/oder alternativ und/oder zusätzlich das Zeitverhalten der Sensoren 37, 39 rechnerisch auszugleichen.
3 zeigt eine weitere Messvorrichtung 35, die eine Anwesenheit der zweiten Teilgröße 49 ermitteln kann. Hierzu kann die Messvorrichtung 35 dem Abgasstrom 7 einen Teilstrom 51 entnehmen und diesen aufteilen auf einen Leerpfad 53 und einen katalytischen Pfad 55. Der katalytische Pfad 55 weist eine katalytisch wirksame Oberfläche 57 auf, an der der Teilstrom 51 hälftig, oder in einem bekannten Verhältnis vorbeigeführt wird. Zur Ermittlung einer Wärmetönung sind sowohl dem Leerpfad 53 als auch dem katalytischen Pfad 55 Temperaturmessstellen 59 zugeordnet. Die Temperaturmessstelle 59 des katalytischen Pfades 55 ist der katalytischen Oberfläche 57 nachgeschaltet. Vorteilhaft kann mittels der Temperaturmessstelle 59 eine Diffe renztemperatur gebildet werden, die auf eine Temperaturerhöhung des katalytischen Pfades 55 hindeutet. Da an der katalytischen Oberfläche 57, die beispielsweise Platin aufweisen kann, das Reduktionsmittel Ammoniak unter der Voraussetzung in dem Abgasstrom 7 enthaltenen Sauerstoffs exotherm oxidiert werden kann, ist die Temperaturerhöhung ein Maß für eine Reaktionswärme der Oxidation und damit für eine Umsetzungsrate und damit für eine Konzentration des in dem Abgasstrom 7 mitgeführten Reduktionsmittels Ammoniak. Vorteilhaft kann dadurch die erste Teilgröße 47 ermittelt werden. Alternativ und/oder zusätzlich ist es denkbar, der katalytischen Oberfläche 57 eine weitere Temperaturmessstelle die in 3 gepunktet dargestellt ist, vorzuschalten. Die Temperaturdifferenz vor und nach der katalytischen Oberfläche 57 kann ebenfalls ein Maß für eine Umsetzung des Reduktionsmittels 13 sein. Alternativ und/oder zusätzlich ist es möglich, den Leerpfad 53 und den katalytischen Pfad 55 sensorisch und bezüglich einer Wärmekapazität identisch auszugestalten und jeweils zwei Temperatursensoren vorzusehen.
4 zeigt ein Schaubild 61 mit einer X-Achse 63 und einer Y-Achse 65. Auf der X-Achse 63 ist ein Verhältnis zwischen der ersten Teilgröße 47 und der zweiten Teilgröße 49 aufgetragen, beispielsweise zwischen 0 und 1,5. Auf der Y-Achse 65 ist ein Sensorsignal zwischen –20 und +80 aufgetragen. In 4 sind insgesamt drei Kennlinien 67 eines aus dem Stand der Technik bekannten Sensors zur Ermittlung eines quantitativen Summensignals der ersten Teilgröße 47 und der zweiten Teilgröße 49 aufgetragen. Die drei Kennlinien 67 unterscheiden sich lediglich durch verschiedene Offset-Werte, die in 4 mittels Pfeilen 69 angedeutet sind. Es ist zu erkennen, dass die Kennlinien 67 bei einem Verhältnis von 1 der Teilgrößen 47 und 49 jeweils minimal werden. Nachteilig ist daran, dass die mittels der Kennlinien 67 gekennzeichneten Sensorsignale jeweils für zwei ganz unterschiedliche Zusammensetzungen beziehungsweise Verhältnisse der Teilgrößen 47 und 49 und damit Betriebszustände des Verbrennungsmotors 3 des Kraftfahrzeuges 1 gleiche Werte annehmen. Eine Unterscheidung von beispielsweise einem Zustand des Verbrennungsmotors 3 und der nachgeschalteten Abgasanlage 5 mit einer sehr hohen Konzentration an Stickoxiden würde also dasselbe Signal liefern, wie bei einem Ammoniakdurchbruch durch den SCR-Katalysator 9. Mithin kann ohne Kenntnis weiterer Parameter keine funktionierende Regelstrategie auf Basis solcher Sensorsignale gefunden werden.
Im Unterschied dazu ist gemäß der 5, die ebenfalls das Schaubild 61 zusammen mit den Kennlinien 67 zeigt ein Verlauf 71 der Leitgröße 21 eingezeichnet. Der Verlauf 71 der Leitgröße 21 kann beispielsweise direkt mittels der Verhältnissonde 31 oder mittelbar mittels der Recheneinheit 45 generiert werden.
Es ist zu erkennen, dass der Verlauf 71 die Verhältnisse zwischen der ersten Teilgröße 49 und damit die Betriebszustände des Verbrennungsmotors 3 und der Abgasanlage 5 eindeutig kenn zeichnet. Vorteilhaft ist auf Basis der Leitgröße 21 eine Regelung der Dosierung des Reduktionsmittels 13 mittels der Dosiervorrichtung 11 möglich.
Vorteilhaft kann ein für eine möglichst vollständige Umsetzung günstiges Verhältnis zwischen NO, NO2 sowie dem Reduktionsmittel 13 (NH3) eingestellt werden. Hierzu kann die Abgasanlage 5 zusätzlich einen Oxidationskatalysator aufweisen. Das Reduktionsmittel 13 kann mittels der Dosiervorrichtung 11 in Form einer wässrigen Harnstofflösung zudosiert werden. Hierzu können ein nicht dargestellter Vorratsbehälter und eine Dosierpumpe vorgesehen sein, die eine Dosierung des Reduktionsmittels 13 oberhalb des SCR-Katalysators 9 bewirken können. Vorteilhaft kann die Dosiervorrichtung 11 mittels der Leitgröße 21, die eine Verrechnung der ersten Teilgröße 47 und der zweiten Teilgröße 49 darstellt, erfolgen. Im Vergleich zu üblichen NOx-Sonden, beispielsweise nach einem amperometrischen Prinzip, tritt keine störende, annähernd quantitative Querempfindlichkeit auf NH3 auf. Vorteilhaft ermöglicht der Verlauf 71 der Leitgröße 21 eine Auflösung von Signalbeiträgen des Reduktionsmittels 13 und der mittels der ersten Teilgröße gekennzeichneten Schadstoffe. Das insbesondere mittels des Reglers 23 realisierte Regelsystem ist bestimmt, wobei keine Motorbetriebzustände des Verbrennungsmotors 3 existieren, die gleiche Sensorsignale, also eine gleiche Leitgröße 21 bewirken würden. Vorteilhaft können durch Verbrennungsparameter veränderte NOx-Emissionen des Verbrennungsmotors 3 und eine NH3-Dosiermenge voneinander unterschieden werden, sodass mittels des Reglers 23 beziehungsweise des Motorsteuergeräts 29 eine Nachregelung beziehungsweise Adaption der NH3-Dosiermenge, der Kraftstoffmenge, der Luftmenge und/oder weiterer Parameter fehlerfrei möglich ist.
Vorteilhaft können neben unerwünschten NH3-Durchbrüchen auch Unterdosierungen oder zu hohe Dosierungen der in dem Abgasstrom 7 mitgeführten NOx-Emissionen erkannt werden.
Vorteilhaft kann eine Regelung beziehungsweise Ansteuerung des Verbrennungsmotors 3, insbesondere ausgelegt als Dieselmotor, und/oder eine Adaption einer Ammoniakdosierung mittels der Dosiervorrichtung 11 mit Hilfe der Leitgröße 21 als (cNO2 + cNO) – cNH3 erfolgen. Alternativ und/oder zusätzlich, beispielsweise durch eine einfache Anpassung des Reglers 23 ist es auch möglich, mit der gleichen Zielsetzung auch eine äquivalente Leitgröße als (cNO2 + cNO) dividiert durch cNH3 zu nutzen.
Die Ermittlung der Leitgröße 21 kann beispielsweise, wie in 2 dargestellt, mittels solitären Sensoren, mittels des ersten Sensors 37 und des zweiten Sensors 39 erfolgen. Die Sensoren 37 und 39 können, wie in 2 dargestellt, dem SCR-Katalysator 9 nachgeschaltet sein oder alternativ und/oder zusätzlich auch innerhalb des SCR-Katalysators 9 vorgesehen sein.
Alternativ ist es denkbar, wie in 1 dargestellt, eine kombinierte NH3/NOx-Sonde, die Verhältnissonde 31 vorzusehen. Besonders vorteilhaft kann die Verhältnissonde 31 basische und/oder redoxchemische Eigenschaften des Reduktionsmittels 13 beziehungsweise des Ammoniaks zur Detektion nutzen.
Vorteilhaft ist im Vergleich zum Stand der Technik dadurch jederzeit eine eindeutige Zuordnung des Sensor-Signals beziehungsweise des Verlaufs 71 der Leitgröße 21 mit dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors 3 beziehungsweise der NH3-Dosiermenge der Dosiervorrichtung 11 möglich und es können sowohl Stickoxid- als auch Ammoniakdurchbrüche erkannt und korrigiert werden (Vergleich 5).
Das Regelsystem mit dem Regler 23 kann gemäß der Darstellung in 2 mit separaten NOx- und NH3-Sensoren 37, 39, die im oder hinter dem SCR-Katalysator 9 positioniert sind, aufgebaut werden. Vorteilhaft können die Sensoren 37, 39 auch so ausgewählt und dimensioniert sein, dass der erste Sensor 37 eine nahezu quantitative Querempfindlichkeit auf Ammoniak aufweist, während der zweite Sensor 39 nicht oder zumindest nur in einem minimalen Maß auf Stickoxide anspricht.
Die separat erhaltenen Sensor-Signale, beispielsweise die erste Teilgröße 47 und die zweite Teilgröße 49 können mittels einer ECU, beispielsweise mit der Recheneinheit 45, zu der gemeinsamen Leitgröße 21 cNOx-cNH3 beziehungsweise cNOx/cNH3 zur Harnstoffdosierregelung und/oder Motorsteuerung mittels des Motorsteuergerätes 29 verarbeitet werden.
Ein Einbau der Sensoren 37, 39 im SCR-Katalysator 9 kann vorteilhaft ein schnelleres Regelbeziehungsweise Adaptionsverhalten ermöglichen, wobei eine Positionierung der Sensoren 37, 39, wie in 2 gezeigt, einen grundsätzlich einfacheren Aufbau ermöglicht. Vorteilhaft kann, wie in 2 gezeigt, ein unterschiedliches Retentionsverhalten (Speicherverhalten) von Ammoniak beziehungsweise Stickoxiden im SCR-Katalysator 9 und/oder ein unterschiedliches zeitliches Ansprechverhalten der Sensoren 37, 39 so durch die Positionierung der Sensoren 37, 39 kompensiert werden, dass bei der Zusammenführung der Sensor-Signale beziehungsweise der Teilgrößen 47, 49 in der Recheneinheit 45, die Leitgröße 21 cNOx-cNh3 oder cNOx dividiert durch cNH3 möglichst präzise und ohne zeitliche Verzerrung erhalten wird.
Wie in 1 gezeigt, kann das Reglersystem mit dem Regler 23 auch nur mit einem Sensortyp, der NH3/NOx-Verhältnissonde 31, aufgebaut werden. Vorteilhaft ist die NH3/NOx-Verhältnissonde 31 selbst in der Lage, das im Abgas beziehungsweise im Abgasstrom 7 vorliegende NOx/NH3-Verhältnis zu detektieren. Das Sensorsignal beziehungsweise die Leitgröße 21 kann bei dieser Ausgestaltung dann direkt als Eingangsgröße des Reglers 23 und damit zur Dosierregelung genutzt werden. Vorteilhaft ist eine Positionierung der NH3/NOx-Verhältnissonde 31 von unterschiedlichen Zeitverhalten unabhängig und kann daher vorteilhaft bezüglich Einbaukosten, Regelgeschwindigkeit sowie einer Minimierung einer Belastung durch Temperaturwechsel und möglicherweise auftretender Vergiftungen optimiert werden.
Als Funktionsprinzip für die NH3/NOx-Verhältnissonde 31 können die sehr unterschiedlichen Säure/Baseeigenschaften der Stickoxide und des Ammoniaks bevorzugt genutzt werden. Da Ammoniak eine starke Brönstedt-Base mit einem pK_B-Wert von 4,75 ist und die höheren Stickoxide mäßig saure Eigenschaften aufweisen, kann unter Voraussetzung einer genügend schnellen Neutralisationsreaktion an einer absorbierenden Oberfläche die vorherrschende Spezies über eine pH-Wert-analoge Größe nachgewiesen werden. Zur Bestimmung einer solchen pH-Wert-analogen Größe können vorteilhaft temperaturfeste Protonenleiter, wie zum Beispiel β-Aluminate, Sr-, Ba-Cerate oder La-Zirkonate verwendet werden. In einem gewissen Maße auftretende Querempfindlichkeiten auf SO2 und/oder H2O können bei einer Auslegung des Reglers 23 berücksichtig werden.
Alternativ ist es denkbar, thermisch stabile basische und/oder saure Oxide und/oder Zeolithe zur selektiven Chemiesorption von NH3 und NO/NO2 einzusetzen. Zur Detektion kommen Änderungen der Impedanz, die Elektrizitätseigenschaften und/oder einer Masse des beladenen Materials in Frage.
Außerdem ist es denkbar, insbesondere um ein noch selektiveres und empfindlicheres Übertragungsverhalten der NH3/NOx-Verhältnissonde 31 zu ermöglichen, Halbleiterfeldeffekt-Transistoren mit einem selektiv empfindlichen Gate für NO2 und/oder für NH3 vorzusehen.
Ferner sind zur Ermittlung der Leitgröße 21 beliebige andere Sonden, die auf anderen chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften des Ammoniaks beziehungsweise der Stickoxide basieren, möglich, beispielsweise ein redoxchemisches Verhalten dieser Spezies.
Ferner ist es denkbar, die NH3/NOx-Verhältnissonde 31 so auszulegen, dass diese als elektrochemischer Sensor nutzbar ist, der die Teilkonzentrationen von den Stickoxiden und Ammoniak im Abgas beziehungsweise Abgasstrom 7 quantitativ erfasst, aber eine zusätzliche Funktion aufweist, die es erlaubt das Summensignal (cNO + cNO2 + cNH3) bezüglich der vorliegenden Ammoniakkonzentration (cNH3) zu korrigieren.
Eine solche Korrekturfunktion kann unter Nutzung der sehr unterschiedlichen Säure-Baseeigenschaften von Ammoniak im Vergleich zu Stickoxiden erfolgen. Wie bereits ausgeführt, ist Ammoniak eine starke Brönstedt-Base mit einem PK_B-Wert von 4,75 während die hö heren Stickoxide hingegen mäßig bis stark saure Eigenschaften aufweisen, wobei mittels eines im Sensor platzierten Festprotonenleiters ein hoher Ammoniakteil erfasst werden kann.
Verschiedene Festkörper mit Perowskit-Struktur weisen im Applikationstemperaturbereich von Dieselabgasen eine gute Protonenleitfähigkeit auf, zum Beispiel für die Ladungsträger H3O+ oder NH4+. Ein Beispiel für besonders vorteilhaft bei Temperaturen bis 650°C als „Feststoff-pH-Meter” einsetzbares Material beziehungsweise Materialgruppe sind dotierte Li-Lanthan-Titanate (zum Beispiel Sr-dotiertes LLT). Eine Auswahl von geeigneten Materialien mit kubischer oder tetragonaler Perowskit-Struktur ist aber keinesfalls auf das oben genannte Beispiel beschränkt. Ein Maß des H+ Ionenstroms beziehungsweise der Impedanz bei bekannter Temperatur und Spannung korreliert mit einer NH3-Konzetration, also der zweiten Teilgröße 49, wobei eine auftretende H2O-Querempfindlichkeit im Regler 23 berücksichtigbar ist.
Alternativ ist es denkbar, eine katalytische Oxidation von NH3 an einer Pt-Oberfläche, beispielsweise der in 3 dargestellten katalytischen Oberfläche 57 möglich, wobei das Maß des Stoffumsatzes an einem Katalysator der katalytischen Oberfläche 57 mit der NH3-Konzentration, also der zweiten Teilgröße 49 korreliert, wobei auftretende Querempfindlichkeiten auf andere oxidierbare Abgaskomponenten, wie beispielsweise HCx bei der Auslegung des Reglers 23 berücksichtigbar sein können.
Ammoniak wird schon bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise ab 200°C, an einer Pt-Oberfläche schnell und stark exotherm katalytisch oxidiert. Eine solche Oxidation von Ammoniak stellt eine unerwünschte Nebenreaktion beim SCR-Verfahren dar. Vorteilhaft kann der SCR-Katalysator 9 eine möglichst hohe SCR-Aktivität bei einer möglichst niedrigen NH3-Oxidationsaktivität aufweisen und kann vorteilhaft möglichst wenig PGM (PlatinGruppenMetalle) enthalten.
Bei der Pt-katalysierten Oxidation von Ammoniak mit O2 treten folgende Reaktionen auf:
4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O (Hauptreaktion bis ca. 300°C), Reaktionswärme +1266 kJ
2NH3 + 2O2 → 2 N2O + 3H2O (Hauptreaktion von 300 bis 400°C) Reaktionswärme 550 kJ
4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O (Hauptreaktion ab 400 Grad C) Reaktionswärme + 905 kJ.
Als Nebenreaktion kann noch eine Oxidation mit NO berücksichtigt werden, die wie folgt abläuft:
4NH3 + 6NO → 5N2 + 6H2O + Reaktionswärme 1.808 kJ
Vorteilhaft können Diemerisierungs- oder Disproportionierungsreaktionen und/oder weitergehende Oxidationen zu NO2 wegen ihrer im Wesentlichen geringen Wärmetönung und/oder ihrer Gleichgewichtslage unberücksichtigt bleiben. Eine Detektion eines NH3-Umsatzes entsprechend der oben aufgeführten 4 Oxidationsreaktionen an einer feinteiligen katalytisch hochaktiven Pt-Fläche, also der katalytischen Oberfläche 57, kann daher vorteilhaft als Maß zur Ermittlung der zweiten Teilgröße 49 dienen.
Vorteilhaft kann eine Messung der Reaktionswärme beziehungsweise Wärmetönung der Oxidationsreaktion, wie in 3 dargestellt, über eine vergleichsweise resistive Messung zwischen einem katalytisch aktiven und einem passivierten Elektronenpad erfolgen, beispielsweise wie in 3 dargestellt durch einen Vergleich des Leerpfades 53 mit dem katalytischen Pfad 55.

1: Kfz
3: Verbrennungsmotor
5: Abgasanlage
7: Abgasstrom
9: SCR-Katalysator
11: Dosiervorrichtung
13: Reduziermittel
15: Steuervorrichtung
17: Dosiermenge
19: Gemischbildung
21: Leitgröße
23: Regler
25: Sollwert
27: Steuergröße
29: Motorsteuergerät
31: NH3/NOx-Verhältnissonde
33: Modell
35: Messvorrichtung
37: 1. Sensor
39: 2. Sensor
41: Doppelpfeil
43: Pfeil
45: Recheneinheit
47: 1. Teilgröße
49: 2. Teilgröße
51: Teilstrom
53: Leerpfad
55: katalytischer Pfad
57: katalytische Oberfläche
59: Temperaturmessstelle
61: Schaubild
63: X-Achse
65: Y-Achse
67: Kennlinien
69: Pfeil
71: Verlauf

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102007044193 A1 [0002]
- DE 102006041676 A1 [0002]
- DE 602005001922 T2 [0002]

Claims

Verfahren zur Nachbehandlung eines Abgasstroms (7) eines Verbrennungsmotors (3) eines Kraftfahrzeuges (1) mittels einer selektiven katalytischen Reduktion, mit: – Verrechnen einer eine Anwesenheit von Schadstoffen in dem Abgasstrom (7) kennzeichnenden ersten Teilgröße (cNOx) (47) und einer eine Anwesenheit eines Reduktionsmittels (13) in dem Abgasstrom (7) kennzeichnenden zweiten Teilgröße (cNH3) (49) mittels einer Rechenvorschrift und einem auf eine der Teilgrößen (47, 49) angewendeten inversen Operator der Rechenvorschrift zum Ermitteln einer die Zusammensetzung des Abgasstromes kennzeichnenden Leitgröße (21), – Zugeben des Reduktionsmittels (13) in den Abgasstrom (7) in Abhängigkeit von der Leitgröße (21).
Verfahren nach Anspruch 1, mit: – Ermitteln der Leitgröße (21) mittels subtrahieren der zweiten Teilgröße (49) von der ersten Teilgröße (47) (cNOx–cNH3).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit: – Ermitteln der Leitgröße (21) mittels dividieren der ersten Teilgröße (47) durch die zweite Teilgröße (49) (cNOx/cNH3)
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit: – Ermitteln der ersten Teilgröße (47) als Addition einer ersten Stickoxidgröße (cNO) und einer zweiten Stickoxidgröße (cNO2).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit: – Ermitteln der Leitgröße (21) mittels einer dem Abgasstrom (7) zuordenbaren NH3/NOx-Verhältnissonde (31).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit zumindest einem des Folgenden: – Ermitteln der ersten Teilgröße (47) mittels eines NOx-Sensors (37), – Ermitteln der zweiten Teilgröße (49) mittels eines NH3-Sensors (39).
Verfahren nach einem der hervorgehenden Ansprüche, mit: – Verrechnen der ersten und der zweiten Teilgröße (47, 49) mittels eines mittels eines elektro-chemischen Sensors ermittelbaren Summensignals (cNO + cNO2 + cNH3) und eines Korrektursignals für die zweite Teilgröße (cNH3) (49).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit: – Ermitteln der zweiten Teilgröße (cNH3) (49) mittels einer katalytischen exothermen Oxidation von NH3 des im Abgasstrom (7) enthaltenen Reduktionsmittels (13) an einer katalytisch wirksamen Pt-Oberfläche (57) und ermitteln einer Reaktionswärme der exothermen Oxidation.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, mit zumindest einem des Folgenden: – Berücksichtigen eines ersten Zeitverhaltens des NOx-Sensors (37) und eines zweiten Zeitverhaltens des NH3-Sensors (39), – Berücksichtigen des ersten und zweiten Zeitverhaltens mittels messen der ersten Teilgröße (47) mittels des NOx-Sensors (37) stromaufwärts des die zweite Teilgröße (49) messenden NH3-Sensors (39), oder umgekehrt.
Kraftfahrzeug (1) mit einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung mittels einer selektiven katalytischen Reduktion zum Reinigen eines Abgasstroms (7) eines Verbrennungsmotors (3) des Kraftfahrzeuges (1), ausgelegt, konstruiert und/oder eingerichtet zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.