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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasreinigungsanlage
einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine, in deren Abgasstrang ein oxidationskatalytisch
wirksames Abgasreinigungsbauteil stromauf eines SCR-Katalysators
angeordnet ist, wobei ein Stickstoffdioxid-Gehalt im Abgas beeinflusst
wird.
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Aus
der
WO 99/39809 A1 ist
ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt, bei welchem
mittels eines Oxidationskatalysators im Abgas enthaltenes Stickstoffmonoxid
(NO) durch Überleiten des Abgases über einen Oxidationskatalysator
wenigstens teilweise zu Stickstoffdioxid (NO
2)
oxidiert wird. Infolge des erhöhten NO
2-Gehalts
ist ein verbesserter Umsatz von Stickoxid (NOx) am nachgeschalteten
SCR-Katalysator ermöglicht. Die Erhöhung des NO
2-Gehalts ist jedoch relativ unkontrolliert
und kann geringer oder aber auch größer als wünschenswert
ausfallen. Wie festgestellt werden konnte, besteht bei einem zu stark
erhöhten NO
2-Gehalt zudem die Gefahr
eines unvollständigen NOx-Umsatzes, was zu einer unerwünschten
Abgabe von NO
2 an die Umgebung führen
kann. Dabei ist zu beachten, dass NO
2 als
deutlich schädlicher einzustufen ist als NO.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasreinigungsanlage mit
einem SCR-Katalysator und einem vorgeschalteten oxidationskatalytisch
wirksamen Abgasreinigungsbauteil anzugeben, mit welchem bei insgesamt möglichst
umfassender und gründlicher Abgasreinigung die Gefahr einer
unerwünschten NO2-Emission vermindert
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Charakteristischerweise
wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bei Überschreiten
eines vorgebbaren NO2-Schwellenwerts im
Abgas der NO2-Gehalt vermindert, indem ein Kohlenwasserstoffanteil
im Abgas stromauf des oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteils
erhöht wird.
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Wie
festgestellt werden konnte, ist es möglich, durch eine
gezielte, d. h. quantitativ festgelegte Erhöhung des normalerweise
vorhandenen Gehalts an Kohlenwasserstoffen (HC) im Abgas stromauf
des oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteils die
NO2-Bildung des oxidationskatalytisch wirksamen
Abgasreinigungsbauteils zumindest unter bestimmten Betriebsbedingungen
in gewissem Umfang zu beeinflussen, insbesondere zu vermindern, ohne
dass hierbei die Reinigungsfunktion der Abgasreinigungsanlage insgesamt
in unerwünschtem Maße beeinträchtigt
wird. Somit kann durch Erhöhung des HC-Anteils im Abgas
stromauf des oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteils der
NO2-Gehalt im Abgas eingangsseitig des SCR-Katalysators
begrenzt und insgesamt ein kritischer NO2-Gehalt
im Abgas vermieden werden.
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Generell
ist unter einem oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteil
jedes einer Abgasreinigung dienende Bauteil zu verstehen, welches
zumindest eine Oxidation von NO unterstützt. Bei dem oxidationskatalytisch
wirksamen Abgasreinigungsbauteil kann es sich beispielsweise um
einen Oxidationskatalysator oder um einen Partikelfilter mit einer
oxidationskatalytisch wirksamen Beschichtung oder um eine Kombination
der genannten Bauteile handeln. Unter einem SCR-Katalysator wird
wie üblich ein Katalysator verstanden, welcher eine Reduktion
von NOx unter oxidierenden Bedingungen, insbesondere mittels Ammoniak
(NH3) als selektivem Reduktionsmittel, katalysieren
kann. Typischerweise handelt es sich um einen insbesondere eisenhaltigen zeolithischen
SCR-Katalysator. Dabei ist eine NOx-Verminderung infolge einer katalysierten
Reduktion von NOx mit HC in der Abgasreinigungsanlage generell und
insbesondere durch den SCR-Katalysator nicht oder nur zu einem vernachlässigbaren Umfang
vorhanden.
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In
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist der maßgebende NO2-Schwellenwert, ab
welchem eine Erhöhung des HC-Anteils im Abgas stromauf
des oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteils vorgesehen
ist, als NO2/NOx-Konzentrationsverhältnis
eingangsseitig des SCR-Katalysators und/oder als NO2-Gehalt
ausgangsseitig des SCR-Katalysators festgelegt. Die entsprechenden
betriebspunktabhängigen Werte können vorgehaltenen
Kennfeldern entnommen oder auch direkt messtechnisch gewonnen sein.
Durch eine entsprechende Erhöhung des HC-Anteils im Abgas
stromauf des oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteils
lässt sich typischerweise der NO2-Gehalt
im Abgas sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig des SCR-Katalysators
beeinflussen, ohne den NOx-Umsatz selbst zu beeinträchtigen.
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Beispielsweise
kann vorgesehen sein, bei einer modellbasiert oder messtechnisch
festgestellten Überschreitung eines vorgebbaren Grenzwertes
von z. B. 3 ppm für die NO2-Konzentration
im Abgas ausgangsseitig des SCR-Katalysators eine Erhöhung des
HC-Anteils im Abgas stromauf des oxidationskatalytisch wirksamen
Abgasreinigungsbauteils derart vorzunehmen, dass der Grenzwert wieder
unterschritten wird. Analog kann vorgesehen sein, bei einer modellbasiert
oder messtechnisch festgestellten Überschreitung eines
vorgebbaren Grenzwertes von z. B. 50% für das NO2/NOx-Konzentrationsverhältnis eingangsseitig
des SCR-Katalysators eine Erhöhung des HC-Anteils im Abgas
stromauf des oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteils
derart vorzunehmen, dass der Grenzwert wieder unterschritten wird.
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In
weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist eine Kennlinie für
eine Korrelation von Kohlenwasserstoffanteil im Abgas stromauf des
oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteils und NOx-Umsatz
des SCR-Katalysators vorgehalten und bei der Erhöhung des
Kohlenwasserstoffanteils wird für diesen ein Wert eingestellt,
der entsprechend der Kennlinie einem vorgebbaren NOx-Umsatz zugeordnet
ist. Infolge der vorgehaltenen Kennlinie ist es vorteilhafterweise
ermöglicht, eine Beeinträchtigung des NOx-Umsatzes
am SCR-Katalysator besonders sicher zu vermeiden.
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Soll
eine Erhöhung des HC-Anteils stromauf des oxidationskatalytisch
wirksamen Abgasreinigungsbauteils vorgenommen werden, um den NO2-Gehalt im Abgas zu begrenzen bzw. zu vermindern,
so ist es in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens
vorgesehen, den HC-Anteil auf einen Wert einzustellen, der entsprechend
der Kennlinie so gewählt ist, dass ein Grenzwert unterschritten
wird, oberhalb dem ein zunehmender Kohlenwasserstoffanteil im Abgas
stromauf des oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteils mit
einem abnehmenden NOx-Umsatz des SCR-Katalysators korreliert.
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Besonders
zuverlässig über die Gebrauchsdauer der Abgasreinigungsanlage
lässt sich eine Beeinträchtigung des NOx-Umsatzes
als Folge einer Erhöhung des HC-Gehalts vermeiden, wenn
in weiterer Ausgestaltung des Verfahrens von Zeit zu Zeit eine Überprüfung
und gegebenenfalls eine Adaptierung der Kennlinie an im Laufe der
Zeit erfolgte Veränderungen durchgeführt wird.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen
veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Dabei sind die
vorstehend genannten und nachfolgend noch zu erläuternden
Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmals kombination,
sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Es
zeigen:
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1 ein
schematisches Blockbild eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors mit
einer angeschlossenen Abgasreinigungsanlage mit einem SCR-Katalysator
und einem stromauf angeordneten oxidationskatalytisch wirksamen
Abgasreinigungsbauteil,
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2 ein
Diagramm zur Erläuterung der Temperaturabhängigkeit
des ausgangsseitig eines oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteils
vorhandenen Konzentrationsverhältnisses von NO2 und
NOx im Abgas,
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3 ein
Diagramm zur Verdeutlichung eines typischerweise ausgangsseitig
eines oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteil vorhandenen
Konzentrationsverhältnisses von NO2 und NOx
in Abhängigkeit vom HC-Gehalt eingangsseitig des oxidationskatalytisch
wirksamen Abgasreinigungsbauteils,
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4 ein
Diagramm zur Verdeutlichung einer typischerweise vorhandenen Abhängigkeit
des NOx-Umsatzes eines SCR-Katalysators vom eingangsseitigen Konzentrationsverhältnis
von NO2 und NOx im Abgas und
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5 ein
Diagramm zur Verdeutlichung der für eine Abgasreinigungsanlage
nach 1 typischerweise vorhandenen Abhängigkeit
des NOx-Umsatzes des SCR-Katalysators vom HC-Gehalt stromauf eines
vorgeschalteten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteils.
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1 zeigt
beispielhaft ein schematisches Blockbild eines Verbrennungsmotors 1 eines
nicht dargestellten Kraftfahrzeugs mit zugehöriger Abgasreinigungsanlage 28.
Der Verbrennungsmotor 1 ist vorzugsweise als luftverdichtende
Brennkraftmaschine, nachfolgend vereinfacht als Dieselmotor bezeichnet,
ausgebildet. Das vom Dieselmotor 1 ausgestoßene,
typischerweise mehr oder weniger stark sauerstoffhaltige Abgas wird
von einer Abgasleitung 2 aufgenommen und durchströmt
nacheinander einen Oxidationskatalysator 3, einen Partikelfilter 4 und
einen NOx-Reduktionskatalysator 5. Dem NOx-Reduktionskatalysator 5 ist
bevorzugt ein nicht dargestellter zweiter Oxidationskatalysator
als so genannter Sperrkatalysator zur Oxidation von durch den NOx-Reduktionskatalysator 5 schlüpfendem
Reduktionsmittel nachgeschaltet. Oxidationskatalysator 3 und
Partikelfilter 4 können eng benachbart in einem gemeinsamen
Gehäuse angeordnet sein. Bevorzugt ist eine Anordnung von
Oxidationskatalysator 3, Partikelfilter 4, NOx-Reduktionskatalysator 5 und
gegebenenfalls vorhandenem Sperrkatalysator in einem gemeinsamen
Gehäuse, womit gleichzeitig ein Schalldämpfer
gebildet ist. Der Partikelfilter 4 ist vorzugsweise mit
einer einen Rußabbrand und/oder einer NO-Oxidation fördernder
kata lytischen Beschichtung versehen. Insofern stellen Oxidationskatalysator 3 und
Partikelfilter 4 jeweils für sich oder auch als
gemeinsame Baueinheit betrachtet, ein oxidationskatalytisch wirksames
Abgasreinigungsbauteil im Sinne der Erfindung dar.
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Zur
Beheizung des Oxidationskatalysators 3 bzw. des Abgases
kann wie dargestellt eine Heizeinrichtung 26 eingangsseitig
des Oxidationskatalysators 3 in der Abgasleitung 2 angeordnet
sein. Die Heizeinrichtung 26 kann als elektrisches Heizelement oder
auch als ein Wärme liefernder Reformer oder Vorverbrenner
ausgebildet sein. Eine Ausführung als Einspritzeinrichtung
von Kraftstoff, der bei Oxidation am nachfolgenden Oxidationskatalysator 3 eine
Abgasaufheizung bewirkt, ist ebenfalls möglich. Eine Aufheizung
des Abgases kommt insbesondere bei einer erzwungenen Regeneration
des Partikelfilters 4 durch Rußabbrand in Betracht.
Zur Feststellung der Notwendigkeit einer solchen Regeneration ist
dem Partikelfilter 4 ein Differenzdrucksensor 22 zugeordnet,
welcher ein bezüglich einer Partikelbeladung auswertbares
Signal liefert. Ferner ist ein Abgasturbolader 6 vorgesehen,
dessen Turbine vom Abgasstrom angetrieben wird und dessen Verdichter über eine
Ansaugluftleitung 7 angesaugte Luft über eine Luftzufuhrleitung 11 dem
Dieselmotor 1 zuführt. Der Abgasturbolader 6 ist
vorzugsweise als so genannter VTG-Lader mit einer variablen Einstellung
seiner Turbinenschaufeln ausgebildet.
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Zur
Einstellung der dem Dieselmotor 1 zugeführten
Luftmenge ist in der Luftzufuhrleitung 11 eine Drosselklappe 12 angeordnet.
Zur Reinigung der Ansaugluft bzw. zur Messung der Ansaugluftmenge sind
ein Luftfilter 8 bzw. ein Luftmassenmesser 9 in der
Ansaugluftleitung 7 vorgesehen. Ein in der Luftzufuhrleitung
angeordneter Ladeluftkühler 10 dient zur Kühlung
der verdichteten Ansaugluft. Weiterhin ist eine nicht dargestellte, über
ein Abgasrückführventil einstellbare Abgasrückführung
vorgesehen, mit welcher eine vorgebbare Menge rückgeführten
Abgases der Ansaugluft zugegeben werden kann.
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Stromauf
des NOx-Reduktionskatalysators 5 ist eine Zugabestelle
mit einer Dosiereinheit 27 zur Zugabe eines Reduktionsmittels
in das Abgas angeordnet. Die Versorgung der Dosiereinheit 27 mit
dem Reduktionsmittel erfolgt aus einem hier nicht dargestellten
Behälter. Nachfolgend wird davon ausgegangen, dass es sich
bei dem Reduktionsmittel um wässrige Harnstofflösung
handelt, die dem Abgas über die Dosiereinheit 27 dosiert
zugegeben wird. Im heißen Abgas wird durch Thermolyse und/oder
Hydrolyse NH3 freigesetzt, welches selektiv
bezüglich der Reduktion von im Abgas enthaltenen NOx wirkt.
Dementsprechend ist vorliegend der NOx-Reduktionskatalysators 5 als
klassischer SCR-Katalysator auf V2O5/WO3-Basis oder
als Zeolith-beschichteter, geträgerter SCR- Katalysator
ausgebildet. Das erfindungsgemäße Verfahren ist
jedoch auch bei Dosierung anderer Reduktionsmittel in freier oder
gebundener Form mit Vorteil anwendbar.
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Zur
Steuerung des Betriebs der Abgasreinigungsanlage 28 sowie
des Dieselmotors 1 ist eine in 1 nicht
dargestellte Steuereinheit vorgesehen. Die Steuereinheit erhält
Informationen über Betriebszustandsgrößen
des Dieselmotors 1 und der Abgasreinigungsanlage 28.
Informationen über Motorbetriebsgrößen
können z. B. ein abgegebenes Drehmoment oder eine Drehzahl
betreffen. Die Steuereinheit umfasst vorzugsweise eine Recheneinheit
und eine Speichereinheit sowie eine Ein-Ausgabeeinheit. Dadurch
ist die Steuereinheit in der Lage, komplexe Signalverarbeitungsvorgänge
vorzunehmen und den Betrieb des Dieselmotors 1 sowie der
Abgasreinigungsanlage 28 zu erfassen und zu steuern bzw.
zu regeln. Hierfür notwendige Kennfelder sind vorzugsweise
in der Speichereineinheit abgelegt, wobei auch eine adaptive Anpassung
der Kennfelder vorgesehen sein kann. Die Kennfelder betreffen hauptsächlich
die maßgeblichen Zustandsgrößen des Abgases,
wie Massenstrom, Rohemission, Temperatur in Abhängigkeit
der Betriebszustandsgrößen des Dieselmotors 1 wie
Last, Drehzahl, Luftverhältniszahl etc. Ferner sind Kennfelder
für die maßgeblichen Zustandsgrößen
des Oxidationskatalysators 3, des Partikelfilters 4 und
des SCR-Katalysators 5 vorgesehen.
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Hinsichtlich
des SCR-Katalysators 5 betreffen diese Kennfelder insbesondere
den NOx-Umsatz bzw. den Wirkungsgrad in Bezug auf den NOx-Umsatz
und die NH3-Speicherfähigkeit in
Abhängigkeit von den hierfür maßgebenden
Einflussgrößen, insbesondere in Abhängigkeit
vom Konzentrationsverhältnis von NO2 und
NOx im Abgas. Für den Oxidationskatalysator 3 sind
Kennlinien oder Kennfelder betreffend die Temperatur- und Durchsatzabhängigkeit seines
Umsatzvermögens bzw. seiner Anspringtemperatur, insbesondere
in Abhängigkeit von seinem Alterungszustand vorgesehen.
Für den Partikelfilter 4 sind Kennlinien und Kennfelder
betreffend seine Partikelbeladung in Abhängigkeit vom Abgasdruck
bzw. vom Druckverlust sowie Kennfelder betreffend die Oxidation
von angesammelten Rußpartikeln durch im Abgas enthaltenes
NO2 vorgesehen.
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Die
Erfassung von Betriebszuständen des Dieselmotors 1 sowie
der Abgasreinigungsanlage 28 und der zugeordneten Einheiten
erfolgt vorzugsweise wenigstens teilweise mittels geeigneter Sensoren. Beispielhaft
sind in 1 Drucksensoren 13 und 15 für
einen Druck vor dem Verdichter und einen Druck vor der Turbine des
Turboladers 6 sowie Temperatursensoren 14, 16, 18, 19, 21, 23 und 24 für
jeweils eine Temperatur nach dem Ladeluftkühler 10,
vor der Turbine, vor dem Oxidationskatalysator 3, vor und nach
dem Partikelfilter 4 sowie vor und nach dem SCR-Katalysator 5 dargestellt.
Weitere Sensoren, insbe sondere zur Erfassung von Abgaskomponenten können
ebenfalls vorgesehen sein. Beispielsweise sind ein Lambdasensor 17 sowie
Sensoren 20 und 25 für den Stickoxid-
und/oder NH3-Gehalt im Abgas vorgesehen.
Die Signale der Sensoren werden von der Steuereinheit verarbeitet,
so dass die wesentlichen Zustandsgrößen jederzeit
vorliegen und der Betriebspunkt des Dieselmotors 1 falls
notwendig so verändert werden kann, dass ein optimaler
Betrieb der Abgasreinigungsanlage 28 ermöglicht
ist. Bevorzugt erfolgt eine rechnerische Modellierung des Verhaltens
von Oxidationskatalysator 3, Partikelfilter 4 und
SCR-Katalysator 5, welche auf die genannten Kennlinien
und Kennfelder zurückgreift, wobei bevorzugt deren Adaption
bei insbesondere alterungsbedingten Veränderungen vorgesehen
ist. Dabei erfolgt ein laufendes Monitoring des Verhaltens mittels
der vorgesehenen Sensoren.
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Zur
Erläuterung der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
wird nachfolgend zunächst auf die 2 und 3 Bezug
genommen.
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2 zeigt
in einem Diagramm schematisch eine typischerweise gegebene Temperaturabhängigkeit
eines ausgangsseitig des Oxidationskatalysators 3 vorhandenen
Konzentrationsverhältnisses von NO2 und
NOx im Abgas des mit Luftüberschuss betriebenen Dieselmotors 1.
Wie ersichtlich, ergibt sich ein Maximum des NO2/NOx-Konzentrationsverhältnisses,
welches typischerweise bei Temperaturen zwischen 200°C
und 300° bei Erreichen der vollen katalytischen Aktivität
ausgebildet ist. Unterhalb der dem Maximum zugeordneten Temperatur
ist eine NO2-Bildung aufgrund fehlender
katalytischer Aktivität kinetisch gehemmt, während
bei höheren Temperaturen eine zunehmende thermodynamisch
bedingte Limitierung der NO2-Bildung ein
Absinken des NO2/NOx-Verhältnisses
verursacht. Im Maximum beträgt das NO2/NOx-Konzentrationsverhältnis
typischerweise annähernd eins, d. h. dass im Abgas ursprünglich
vorhandenes NO nahezu vollständig zu NO2 oxidiert
wurde.
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Durch
Oxidation von im Partikelfilter 4 abgelagertem Ruß durch
NO2 kann ausgangsseitig des Partikelfilters 4 ein
im Vergleich zum eingangsseitigen Wert verringertes NO2/NOx-Konzentrationsverhältnis
vorhanden sein. Jedoch erfolgt diese Reaktion typischerweise erst
bei Temperaturen oberhalb von etwa 350°C, so dass insbesondere
in einem Temperaturbereich zwischen 200°C und 350°C
für Oxidationskatalysator 3 bzw. Partikelfilter 4 ein
sehr hohes NO2/NOx-Konzentrationsverhältnis
ausgangsseitig des Partikelfilters 4 vorliegen kann. Im
Falle eines mit einer oxidationskatalytisch wirksamen Beschichtung
versehenen Partikelfilters 4 ist dieses gegebenenfalls
noch erhöht bzw. die NO2-Anreicherungsgrenze
zu niedrigeren Temperaturen verschoben. Hohe NOx-Anteile im Abgas
sind jedoch allgemein kritisch, wenn diese beispielsweise infolge
einer temperatur- oder alterungsbedingt niedrigen katalytischen
Aktivität des SCR-Katalysators 5 nicht ausreichend
vermindert werden können und daher NOx an die Umgebung
abgegeben wird. Unter den beschriebenen Umständen ist dabei
zudem der NO2-Anteil vergleichsweise hoch,
was besonders unerwünscht ist.
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Wird
eingangs- oder ausgangsseitig des SCR-Katalysators 5 ein
zu hoher NO2-Gehalt bzw. ein zu hohes NO2/NOx-Konzentrationsverhältnis festgestellt,
so wird dem erfindungsgemäß begegnet, indem eingangsseitig
des Oxidationskatalysators 3 der HC-Anteil im Abgas über
den normalen Wert hinaus angehoben wird. Dadurch wird eine NO2-Bildung infolge von NO-Oxidation im Oxidationskatalysator 3 bzw.
im Partikelfilter 4 behindert bzw. vermindert, wie durch
das in 3 dargestellte Diagramm verdeutlicht ist. Dieses
zeigt beispielhaft und lediglich schematisch eine typischerweise
gegebene Abhängigkeit eines ausgangsseitig des Partikelfilters 4 vorhandenen
Konzentrationsverhältnisses von NO2 und
NOx im Abgas vom HC-Anteil im Abgas stromauf des Oxidationskatalysators.
Wie ersichtlich, ergeben sich bei zunehmendem HC-Anteil abnehmende NO2/NOx-Konzentrationsverhältnisse.
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Die
Erhöhung des HC-Anteil im Abgas erfolgt bevorzugt durch
Aktivierung einer späten Kraftstoffnacheinspritzung in
die Brennräume des Dieselmotors 1 oder durch Aktivierung
einer Einrichtung zur Sekundäreinspritzung von Kraftstoff
in die Abgasleitung 2. Ein Bedarf hierzu wird durch messtechnische oder
modellbasierte Ermittlung und Bewertung des NO2-Gehalts
bzw. des NO2/NOx-Konzentrationsverhältnisses
festgestellt. Hierzu wird bevorzugt auf abgespeicherte Kennlinien
bzw. -Kennfelder betreffend den NO2-Gehalt
im Abgas beeinflussende Bauteileigenschaften und Betriebsgrößen
zurückgegriffen. Die entsprechenden Kennlinien bzw. -Kennfelder werden
beispielsweise von der Steuereinheit für Oxidationskatalysator 3,
Partikelfilter 4 und SCR-Katalysator 5 vorgehalten
und werden vorzugsweise in Abhängigkeit einer modellbasiert
oder messtechnisch ermittelten Alterung dieser Bauteile adaptiert
und auf allfällige, im Laufe der Zeit auftretende Veränderungen
angepasst.
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Das
im Abgas ausgangsseitig des Partikelfilters 4 und somit
eingangsseitig des SCR-Katalysators 5 im Abgas vorhandene
NO2/NOx-Konzentrationsverhältnis
im Abgas hat typischerweise Einfluss auf die NOx-Umsatzfähigkeit
des SCR-Katalysators 5. Im Diagramm von 4 sind
diese Verhältnisse schematisch dargestellt. Wie ersichtlich,
nimmt der NOx-Umsatz ausgehend von niedrigen NO2/NOx-Konzentrationsverhältnissen
mit zunehmendem NO2/NOx-Konzentrationsverhältnis
zunächst zu und bleibt bei weiter zunehmendem NO2/NOx-Konzentrationsverhältnis annähernd
konstant und maximal. Dabei wird davon ausgegangen, dass der SCR-Katalysator 5 in
Bezug auf die Reduktionsmittelzufuhr optimal und wenigstens annähernd schlupffrei
betrieben wird. Charakteristischerweise kann ab einem NO2/NOx-Konzentrationsverhältnis von
etwa 0,5 mit zunehmendem NO2-Anteil keine
signifikante Erhöhung des NOx-Umsatzes mehr erzielt werden.
Die im Diagramm von 4 dargestellte Abhängigkeit
ist typischerweise bei vergleichsweise niedrigen Abgastemperaturen
im Bereich von 180°C und 350°C, insbesondere bei
etwa 200°C, und Abgasraumgeschwindigkeiten von 50000 1/h
oder mehr besonders stark ausgeprägt.
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Aufgrund
der erläuterten Verhältnisse wird zur Erzielung
eines möglichst hohen NOx-Umsatzes ein NO2/NOx-Konzentrationsverhältnis
von etwa 0,5 beim Betrieb der Abgasreinigungsanlage 28 und
insbesondere bei Temperaturen des SCR-Katalysators 5 von
weniger als etwa 350°C angestrebt. Bei einem höheren
NO2/NOx-Konzentrationsverhältnis
besteht unter bestimmten Bedingungen die Gefahr eines unvollständigen
Umsatzes von NO2. Falls bei Überschreiten
des oder der vorgebbaren maßgeblichen NO2-Schwellenwerts
oder der Schwellenwerte ein Bedarf zur Erhöhung des HC-Anteils
im Abgas stromauf des Oxidationskatalysators 3 festgestellt
wird, um den NO2-Gehalt im Abgas zu verringern,
so wird die HC-Anreicherung des Abgases daher mengenmäßig bevorzugt
so festgelegt, dass zwischen Oxidationskatalysator 3 und
Partikelfilter 4 bzw. eingangsseitig des SCR-Katalysators 5 eine
vorgebbares NO2/NOx-Konzentrationsverhältnis,
von bevorzugt etwa 0,5 resultiert.
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Die
Einstellung eines geeigneten HC-Anteils im Abgas zur Einhaltung
eines maximalen NO2-Gehalts für
möglichst hohen und von NO2-Schlupf
freien NOx-Umsatz des SCR-Katalysators 5 ist von den Betriebsbedingungen
wie Abgastemperatur und Abgasdurchsatz abhängig. Insbesondere
besteht eine Abhängigkeit von der Katalysatoralterung.
Im Diagram von 5 ist beispielhaft eine vom
Alterungszustand des Oxidationskatalysators 3 bzw. der
oxidationskatalytisch wirksamen Beschichtung des Partikelfilters 4 abhängige
Korrelation von NOx-Umsatz des SCR-Katalysators 5 und einem
stromauf des Oxidationskatalysator 3 im Abgas vorhandenen
HC-Gehalt schematisch dargestellt. Die entsprechenden Kennlinien
zeigen als typischen Verlauf einen annähernd konstanten
und maximalen NOx-Umsatz bei niedrigen HC-Anteilen des Abgases.
Mit ansteigendem HC-Anteil wird typischerweise an einem von der
Alterung des Oxidationskatalysators 3 und/oder der oxidationskatalytisch
wirksamen Beschichtung des Partikelfilters 4 abhän gigen
Punkt 50, 51, 52 ein Absinken des NOx-Umsatzes
bei ansonsten unveränderten Bedingungen festgestellt. Charakteristisch
ist insbesondere bei vergleichsweise niedrigen Abgastemperaturen
im Bereich von 180°C und 350°C und Abgasraumgeschwindigkeiten
von etwa 50000 1/h oder mehr ein mehr oder weniger scharfes und
beispielsweise mittels einer geeigneten NOx-Sensorik detektierbares
Abknicken der Kennlinien. Am Knickpunkt ist typischerweise ein NO2/NOx-Konzentrationsverhältnis von
etwa 0,5 eingangsseitig des SCR-Katalysators 5 vorhanden,
während links vom Knickpunkt höhere NO2/NOx-Konzentrationsverhältnisse
bzw. höhere und gegebenenfalls kritische NO2-Gehalte vorhanden
sind. Mittels zuvor empirisch ermittelter Vergleichskennlinien kann
einem jeweiligen Knickpunkt 50, 51, 52 ein
entsprechender HC-Gehalt zugeordnet werden. Wird ein Überschreiten
eines kritischen NO2-Gehalts im Abgas erkannt,
kann daher durch Erhöhung des HC-Anteils im Abgas stromauf des
Oxidationskatalysators 3 entsprechend eines für den
jeweiligen Knickpunkt maßgeblichen Werts der NO2-Gehalt ohne Verringerung des NOx-Umsatzes vermindert
werden.
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Bevorzugt
stehen Kennlinien entsprechend 5 der Steuereinheit
für unterschiedliche Abgasbedingungen und/oder Alterungszustände
von Oxidationskatalysator 3, Partikelfilter 4 und/oder SCR-Katalysator 5 zur
Verfügung. Es kann jedoch auch lediglich eine für
den jeweiligen Neuzustand maßgebende Kennlinie vorgesehen
sein, welche von Zeit zu Zeit adaptiert wird. Hierzu wird vorzugsweise wie
folgt vorgegangen.
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Bei
normalem Betrieb des Dieselmotors 1 wird der SCR-Katalysator 5 mit
Ammoniak bzw. Harnstofflösung vorzugsweise unter Rückgriff
auf eine modellbasierten Steuerung bzw. Regelung derart versorgt,
dass sich ein maximaler NOx-Umsatz bei gleichzeitiger Einhaltung
eines vorgebbaren Grenzwerts für einen Ammoniakschlupf
ergibt. Wird ein Betriebspunkt mit vorgebbaren Betriebsparametern
festgestellt, so wird der HC-Gehalt des Abgases eingangsseitig des
Oxidationskatalysators 3 schrittweise mit vorgebbarem zeitlichen
Abstand um vorgebbare Mengen bis zu einer vorgebbaren Höchstmenge
erhöht. Dies erfolgt bevorzugt durch Aktivierung einer
späten Kraftstoffnacheinspritzung in die Brennräume
des Dieselmotors 1 oder durch Aktivierung einer Einrichtung
zur Sekundäreinspritzung von Kraftstoff in die Abgasleitung 2.
Mittels des von der Steuereinheit ermittelbaren Abgasdurchsatzes
wird der jeweilige HC-Anteil im Abgas ermittelt.
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Für
jeden wie geschildert definiert eingestellten HC-Anteil im Abgas
eingangsseitig des Oxidationskatalysators 3 wird ein zugeordneter
NOx-Umsatz des SCR-Katalysators 5 ermittelt. Bevorzugt wird
hierfür das Signal des Stickoxidsensors 25 und ein
messtechnisch gewonnener oder anhand von Kennlinien gegebener Stickoxidgehalt
stromauf des SCR-Katalysators 5 von der Steuereinheit ausgewertet.
HC-Anteile und zugeordnete NOx-Umsätze werden wie oben
anhand des Diagramms von 5 erläutert, in eine
Kennlinie übertragen und abgespeichert. Nach Aufnahme der
Kennlinie wird die Prüfroutine beendet und zu einem normalen
Motorbetrieb ohne Nacheinspritzung oder Sekundäreinspritzung zurückgekehrt.
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Die
ermittelte Kennlinie für den NOx-Umsatz in Abhängigkeit
des eingestellten HC-Anteils wird in Bezug auf einen ein Unterschreiten
eines vorgebbaren NOx-Umsatzes zugeordneten HC-Anteil ausgewertet.
Bevorzugt wird ein Kennwert HC* ermittelt, der den größten
eingestellten HC-Anteil des Abgases angibt, bei welchem der festgestellte
NOx-Höchstumsatz um ein vorgebbares Maß unterschritten
ist. Eine vorteilhafte alternative oder zusätzlich Auswertungsroutine
umfasst eine rechnerische Ableitung der Kennlinie, d. h. die Ermittlung
der Kennliniensteigung. Dabei tritt ein abknickendes Verhalten einer Kennlinie
gemäß 5 durch einen Sprung deutlicher
in Erscheinung, was die Auswertungszuverlässigkeit und
-Genauigkeit verbessert. Als Kennwert HC* wird in diesem Fall ein
Unterschreiten eines vorgebbaren Werts für die Kennliniensteigung
definiert.
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Ist
ein gegebenenfalls hinsichtlich einer statistischen Sicherheit überprüfter
Kennwert HC* ermittelt, wird diesem ein Alterungszustand des Oxidationskatalysator 3 und/oder
der oxidationskatalytisch wirksamen Beschichtung des Partikelfilters 4 in
Form eines Alterungsfaktors AF zugeordnet.
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Dies
ermöglicht wiederum eine Anpassung einer Dosierung von
Reduktionsmittel zur NOx-Verminderung am SCR-Katalysator 5 hinsichtlich
Menge und unterer Freigabetemperatur an die alterungsbedingt geänderte
Bereitstellung von NO2. Weiterhin ist es
vorgesehen, eine alterungsbedingt verminderte Menge von bereitgestelltem
NO2 in ein Umsatzmodell für den
NOx-Umsatz des SCR-Katalysators 5 und/oder in ein Rußbeladungsmodell
des Partikelfilters 4 einfließen zu lassen. Dadurch
kann eine gegebenenfalls notwendige Verkürzung von Zeitintervallen
für erzwungene Partikelfilterregenerationen optimal festgelegt
werden. Gleichfalls vorgesehen ist es, eine aufgrund einer festgestellten
Alterung verminderte Anspringtemperatur zur Oxidation von Kraftstoff
bzw. HC bei einer Festelegung einer Freigabetemperatur für
eine HC- bzw. Kraftstoffsekundärzugabe für eine
erzwungene Partikelfilterregeneration anzupassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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