DE102008054952A1

DE102008054952A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Adaption eines SCR-Katalysatorsystems einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102008054952A1
Application number: DE102008054952A
Authority: DE
Inventors: Matthias Loehr; Christian Walz; Torsten Handler; Andreas Rudolph
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2010-06-24

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Adaption eines SCR-Katalysatorsystems einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei zur NOx-Minderung in sauerstoffreichen Abgasen einosierung eines Reduktionsmittels erfolgt, wird geprüft, ob die aktuelle Katalysatortemperatur größer ist als eine empirisch vorgegebene Minimaltemperatur und in diesem Fall eine Zudosierung des Reduktionsmittels unterhalb des Umsatzmaximums durchgeführt. Dabei entspricht das Signal des NOx-Sensors nach dem SCR-Katalysator im Wesentlichen der tatsächlichen NOx-Konzentration. Als genannte Minimaltemperatur wird ein Wert zwischen 200 und 330°C, bevorzugt 250°C, vorgegeben.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Adaption eines Katalysatorsystems einer Brennkraftmaschine gemäß den Oberbegriffen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche.
Ein bekanntes Verfahren zur NOx-Minderung in sauerstoffreichen Abgasen ist die selektive katalytische Reduktion (SCR) mittels NH₃ bzw. NH₃-abspaltenden Reagenzien. Der Wirkungsgrad eines entsprechenden SCR-Katalysators ist von der Temperatur, von der Raumgeschwindigkeit der Abgase im jeweiligen Messraum und ganz entscheidend vom aktuellen NH₃-Füllstand des Katalysators abhängig.
Es ist weiter bekannt, dass die genannten SCR-Katalysatoren durch Adsorption an ihrer Oberfläche eine gewisse Menge an NH₃ (Ammoniak) anlagern. Dadurch stehen zur NOx-Reduktion neben in der Form von Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) direkt zudosiertem Ammoniak auch gespeichertes NH₃ zur Verfügung, wodurch sich der Wirkungsgrad gegenüber entleertem Katalysator erhöht. Dieses Speicherverhalten ist abhängig von der jeweiligen Betriebstemperatur des Katalysators. Je geringer die Temperatur ist, umso größer ist das Speichervermögen an dem zusätzlich angelagerten NH₃.
Hat der Katalysator seinen Speicher vollständig gefüllt, kann es aber bei Lastsprüngen zu NH₃-Schlupf kommen, wobei katalytisch nicht umgesetztes NH₃ im Abgas auftritt, auch wenn kein Reduktionsmittel mehr zudosiert wird. Sollen jedoch möglichst hohe NOx-Umsätze erzielt werden, ist es vorteilhaft, ein solches SCR-Katalysatorsystem bei einem hohen NH₃-Füllstand zu betreiben. Dabei wird es selbst bei sehr genau ausgelegter Dosiermenge unter nicht-stationären Bedingungen kurzfristig zu NH₃-Schlupf kommen, was aber zum Erreichen des hohen NOx-Umsatzziels tolerierbar ist.
Da die Berechnung der notwendigen NH₃-Menge einer Vielzahl von Fehlern und Abweichungen unterliegt, z. B. von durch Rohemissionen der Brennkraftmaschine bedingten Fehlern, von durch Schwankungen des Umsatzgrads des Katalysators bedingten Schwankungen oder aufgrund von Ungenauigkeiten des Dosiersystems selbst, kommt es selbst bei einem neuen, sorgfältig applizierten System zu Fehldosierungen.
In der Voranmeldung DE 10 2004 046 640.8 A1 der vorliegenden Anmelderin wird eine prinzipielle Regelstrategie zur beschriebenen Nachregelung eines vorgesteuerten Systems mittels eines NH₃-querempfindlichen NOx-Sensors beschrieben.
In der genannten Voranmeldung wird etwa auftretender NH₃-Schlupf nicht berücksichtigt. Eine für diesen Zustand geeignete Füllstandsadaption ist zusätzlich in der Voranmeldung DE 10 2004 046 640.8 A1 der vorliegenden Anmelderin beschrieben. Bei auftretendem NH₃-Schlupf wird bei der dort beschriebenen Regelstrategie die Dosiermenge durch eine Erhöhung des berechneten NH₃-Ist-Füllstands zurückgenommen. Durch einen Vergleich zwischen der berechneten NOx-Konzentration nach SCR-Katalysator und gemessenem Sensorsignal wird auf Abweichungen geprüft und zwischen NOx und NH₃-Schlupf unterschieden. Liegt eine Sensorabweichung vor, wird durch eine Erhöhung des berechneten Ist-Füllstands die zu dosierende Reduktionsmittelmenge zurückgenommen.
Des Weiteren wird in der Voranmeldung DE 10 2006 041 676.7 A1 der vorliegenden Anmelderin vorgeschlagen, eine mögliche Unterdosierung an Ammoniak durch eine sogenannte Schnellplausibilisierung zu erkennen, was insbesondere zur Einhaltung der NOx-Grenzwerte bei Abgastests wichtig ist. Eine Langzeitadaption, wie in der Voranmeldung 10 2005 042 490.2 A1 der vorliegenden Anmelderin (Az. der Anmelderin: EM 2005/1389) vorgeschlagen, speichert die Plausibilisierungsergebnisse und sorgt ggf. für eine dauerhafte Korrektur der Dosiermenge.
Durch diese Maßnahmen wird das gesamte SCR-Katalysatorsystem (einschließlich der Brennkraftmaschine, des Katalysators usw.) bezüglich der Endemissionen adaptiert. Ein Nachteil der vorbeschriebenen Lösungen besteht darin, dass der Zeitbedarf zum Ermitteln des Langzeitadaptionsfaktors relativ hoch ist.
Offenbarung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es im realen Fahrbetrieb Betriebsbereiche einer hier betroffenen Brennkraftmaschine bzw. eines zugrunde liegenden Katalysatorsystems gibt, bei denen eine Dosierung unterhalb des Maximalumsatzes möglich ist. Dies wird hauptsächlich bei hohen Temperaturen in Verbindung mit hoher Last der Fall sein. Unter diesen Bedingungen wird der Speicherfüllstand des Katalysators sehr gering sein, d. h. der Einfluss des Füllstandsreglers ist vernachlässigbar. Somit ist der NOx-Umsatz hauptsächlich von der momentanen Zudosierung der Reduktionsmittels, der sogenannten „Online-Dosierung”, abhängig.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung zur Adaption eines Katalysatorsystems einer Brennkraftmaschine ist vorgesehen, dass unter den genannten Betriebsbedingungen eine Dosierung unterhalb, bevorzugt deutlich unterhalb des Umsatzmaximums durchgeführt wird. Aufgrund dieser Unterdosierung des Reduktionsmittels ist sichergestellt, dass selbst bei an der Obergrenze einer möglichen Zudosierung an Reduktionsmittel auftretenden Systemtoleranzen kein NH₃-Schlupf auftritt. Das Signal des NOx-Sensors nach dem SCR-Katalysator entspricht dadurch der tatsächlichen NOx-Konzentration. Daraus ergeben sich eine Reihe von nachfolgend beschriebenen Möglichkeiten, eine sehr schnelle Adaption des Dosiersystems durchzuführen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend an Hand bevorzugter Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch eingehender erläutert, aus denen weitere Besonderheiten, Merkmale und Vorteile hervorgehen. Im Einzelnen zeigt die einzige Figur ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Bei dem in der Figur gezeigten Verfahren wird zunächst geprüft, ob das System mit geringem Speicherfüllstand und ohne NH₃-Schlupf betrieben wird. Dies gelingt am leichtesten bei Katalysatortemperaturen oberhalb 250°C in Verbindung mit hohen NOx-Emissionen. Daher wird in Schritt 100 zunächst geprüft, ob die aktuelle Katalysatortemperatur T_Kat, größer als eine empirisch vorgegebene Minimaltemperatur T_min, bevorzugt 250°C, ist. Im nachfolgenden Schritt 105 wird dann geprüft, ob die NOx-Emissionen einen empirisch vorgegebenen Schwellwert überschreiten bzw. überschritten haben.
Falls sich das Katalysatorsystem in diesem Temperaturzustand befindet, d. h. die beiden Bedingungen 100 und 105 erfüllt sind, wird gemäß Schritt 110 die Dosierung abgeschaltet, und zwar mittels der gezeigten Programmschleife so lange, bis die Bedingung 115 erfüllt ist, wonach sich das NOx-Eingangssignal und das NOx-Ausgangssignal auf dem gleichen Niveau befinden. Gemäß den obigen Ausführungen ist damit der Katalysatorfüllstand leer gefahren.
Es ist hervorzuheben, dass der zuletzt genannte Schritt 110 des Abschaltens der Dosierung nur ein Ausführungsbeispiel darstellt und an Stelle des Abschaltens der Dosierung bspw. eine Rampenfunktion mit schrittweisem Umschalten vorgesehen sein kann.
Wenn die genannte Betriebsbedingung 115 erreicht ist, wird in den Zustand der Online-Dosierung umgeschaltet 120, d. h. es wird mit einem festen Reduktionsmittelverhältnis α (α = NH₃/NOx) und nicht mehr nach dem eingangs beschriebenen Katalysatorfüllstandsmodell dosiert. Der Wert α ist dabei bevorzugt deutlich kleiner als 1, um den oben beschriebenen NH₃-Schlupf zu vermeiden.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden ferner Nebenreaktionen, die zu einem erhöhten Reduktionsmittelverbrauch führen, dadurch ausgeschlossen, dass die Katalysatortemperatur den Wert 550°C nicht überschreitet. Daher wird in Schritt 125 geprüft, ob die Katalysatortemperatur T_Kat kleiner als eine ebenfalls empirisch vorgegebene Maximaltemperatur T_max ist. Die Maximaltemperatur T_max beträgt bevorzugt 550°C. Die genannten Nebenreaktionen können auch in einem NH₃-Verbrauchskennfeld berücksichtigt werden, wobei dann der genannte Prüfschritt 125 nicht mehr erforderlich ist.
In dem nun vorliegenden Betriebszustand ist es möglich, mit den von den NOx-Sensoren gelieferten Messwerten den NOx-Umsatz zu berechnen 130, da kein NH₃-Schlupf auftritt. Aus dem sich ergebenden NOx-Umsatz wird der umgesetzte NOx-Massenstrom dm(NOx), bei Kenntnis der Abgasmasse dm(Abgas), gemäß der folgenden Gleichung 1 berechnet 135: dm(NOx) = f(conc.(NOx), dm(Abgas)) (Gl. 1)
Unter der Voraussetzung, dass die NOx-Sensoren korrekte Messwerte liefern, lässt sich durch einen Vergleich der umgesetzten NOx-Menge dm(NOx) mit der zudosierten Harnstoff-Menge dm(Red) überprüfen, ob das Dosiersystem die korrekte Harnstoffmenge zudosiert und daraus gemäß der folgenden Gleichung 2 ein Adaptionsfaktor fAdap ableiten 140: fAdap = dm(Red)/dm(NOx) (Gl. 2)
Bei korrekter Dosiermenge ergibt sich der Wert von 1 für das Verhältnis zwischen zudosierter und umgesetzter NOx- und Reduktionsmittelmenge. Eine Abweichung bedeutet, dass entweder zu viel oder zu wenig Reduktionsmittel dosiert wird, wobei der Wert des Faktors fAdap im Falle einer Überdosierung < 1 ist und im Falle einer Unterdosierung > 1. Mit dem aus dieser Messung bestimmten Quotienten lässt sich die einzudosierende Reduktionsmittelmenge adaptieren, was in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel durch Korrektur 145 einer entsprechenden, in dem Katalysatorsystem bekanntermaßen vorliegenden Dosierkennlinie geschieht. Der ermittelte Kennlinienadaptionsfaktor fAdap geht dabei bevorzugt multiplikativ in die genannte Dosierkennlinie ein. Es ist allerdings anzumerken, dass der Faktor fAdap prinzipiell auch auf andere Weise eingerechnet werden kann.
Um weitere Ungenauigkeiten, beispielsweise aufgrund des statistischen Rauschens, zu minimieren oder sogar auszuschließen, ist es vorteilhaft, den genannten Korrekturwert fAdapt nicht anhand einer (kurzen) Einzelmessung zu bilden, sondern die gemessenen Massenströme zu integrieren. Bei dieser Ausführungsform wird der Adaptionsquotient fAdapt erst dann gebildet, wenn ein empirisch vorgegebener Schwellwert erreicht ist.
Falls während dieser integrierenden Messung die oben beschriebenen Einschränkungen auftreten, ist es möglich, die Integration zu stoppen und zu einem späteren Zeitpunkt fortzusetzen.
Alternativ dazu kann auch aus dem Mittelwert mehrerer Messungen der Adaptionsquotient fAdapt gebildet werden.
Durch die vorbeschriebene Kennlinienadaption lassen sich gezielt die Toleranzen des Dosiersystems (Fördereinheit, Dosierventil, Reduktionsmittelgehalt) bevorzugt linear korrigieren, wobei allerdings die restlichen Komponenten, im Gegensatz zum Stand der Technik, nicht betrachtet werden müssen. Es ist somit möglich, durch Verwendung entweder des eingangs genannten Adaptionsansatzes der Langzeitadaption ( DE 10 2005 042 490.2 A1 ) oder durch Verwendung der hierin beschriebenen Kennlinienadaption verschiedene Toleranzeinflüsse zu unterscheiden und gegebenenfalls auszugleichen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass zur Kennlinienadaption keine Katalysatorkennfelder bedatet sein müssen bzw. die Ermittlung des Faktors unabhängig von Bedatungsqualität bzw. des Alterungszustands des jeweiligen Katalysatorsystems ist, da die Online-Dosierung bei Temperaturen oberhalb 250°C deutlich unterstöchiometrisch ohne Ausnutzung des Speicherfüllstands betrieben wird.
Die Genauigkeit des Adaptionsfaktors fAdapt ist abhängig von den Toleranzen der beiden NOx-Sensoren. Falls die NOx-Sensortoleranzen über der Genauigkeit des Dosiersystems liegen, kann kein exakter Adaptionsfaktor gebildet werden. In diesem Falle ist es allerdings möglich, den bei neuem System gebildeten Adaptionsfaktor abzuspeichern und diesen Wert in bestimmten Abständen zu überprüfen. Treten über die Laufzeit Änderungen des Adaptionsfaktors auf, kann das System damit abgeglichen werden.
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 102004046640 A1 [0006, 0007]
- DE 102006041676 A1 [0008]
- DE 102005042490 A1 [0008, 0024]

Claims

Verfahren zur Adaption eines SCR-Katalysatorsystems einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei zur NOx-Minderung in sauerstoffreichen Abgasen eine selektive katalytische Reduktion (SCR) durch Zudosierung eines Reduktionsmittels erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass geprüft wird, ob die aktuelle Katalysatortemperatur größer ist als eine empirisch vorgegebene Minimaltemperatur und in diesem Fall eine Zudosierung des Reduktionsmittels unterhalb des Umsatzmaximums durchgeführt wird, wobei das Signal des NOx-Sensors nach dem SCR-Katalysator im Wesentlichen der tatsächlichen NOx-Konzentration entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Minimaltemperatur ein Wert zwischen 200 und 300°C, bevorzugt 250°C, vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen der genannten Katalysatortemperatur die Dosierung so lange abgeschaltet wird, bis ein NOx-Eingangssignal und ein NOx-Ausgangssignal im Wesentlichen übereinstimmen, wodurch angezeigt wird, dass der Füllstand des Katalysators leer ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei vorliegender Übereinstimmung des NOx-Eingangssignals und des NOx-Ausgangssignals in einen Dosiermodus umgeschaltet wird, bei dem mit einem festen Reduktionsmittelverhältnis dosiert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Reduktionsmittelverhältnis von kleiner als 1, bevorzugt von deutlich kleiner als 1, dosiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem sich ergebenden NOx-Umsatz der umgesetzte NOx-Massenstrom dm(NOx), bei Kenntnis der Abgasmasse dm(Abgas), gemäß der Gleichung dm(NOx) = f(conc.(NOx), dm(Abgas)) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch Vergleich der umgesetzten NOx-Menge dm(NOx) mit der zudosierten Reduktionsmittelmenge dm(Red) überprüft wird, ob das Dosiersystem die korrekte Reduktionsmittelmenge zudosiert.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß der Gleichung fAdap = dm(Red)/dm(NOx) ein Adaptionsfaktor fAdap berechnet wird, wobei eine Abweichung des Adaptionsfaktors vom Wert 1 angibt, dass entweder zu viel oder zu wenig Reduktionsmittel dosiert wird, und wobei mittels des Adaptionsfaktors eine Korrektur einer Dosierkennlinie erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kennlinienadaptionsfaktor multiplikativ in die genannte Dosierkennlinie eingeht.
Vorrichtung zur Adaption eines SCR-Katalysatorsystems einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei zur NOx-Minderung in sauerstoffreichen Abgasen eine selektive katalytische Reduktion (SCR) durch Zudosierung eines Reduktionsmittels erfolgt, gekennzeichnet durch Rechenmittel und Dosiermittel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.