DE102009022882A1

DE102009022882A1 - Sensor zum Erfassen der Menge eines Reduktionsmittels und der Menge eines Schadstoffs in einem Abgas

Info

Publication number: DE102009022882A1
Application number: DE102009022882A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Aichhorn
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2009-05-27
Publication date: 2010-12-02
Also published as: US20120055139A1; CN102449279B; CN102449279A; US8601795B2; WO2010136296A1

Abstract

Die Erfindung gibt eine Systemanordnung zum Erfassen der Menge eines Reduktionsmittels (12) und der Menge eines Schadstoffes in einem Abgas (18) an. In der Systemanordnung ist ein erster zum Reduktionsmittel querempfindlicher Schadstoffsensor (26) vorhanden, der zum Ausgeben eines ersten zur Menge des Schadstoffes im Abgas (18) proportionalen Messsignals (28) und zur Anwendung vor einer Filtereinrichtung (20) zum selektiven Reduzieren des Reduktionsmittels (12) oder des Schadstoffes im Abgas (18) vorgesehen ist. Ferner ist ein zweiter zum Reduktionsmittel (12) querempfindlicher Schadstoffsensor (30) vorhanden, der zum Ausgeben eines zweiten zur Menge des Schadstoffes im Abgas (22) proportionalen Messsignals (32) und zur Anwendung nach der Filtereinrichtung (20) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Systemanordnung zum Erfassen der Menge eines Reduktionsmittels, wie Ammoniak, und der Menge eines Schadstoffes, wie Stickoxid, in einem Abgas, eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Schadstoffen in einem Abgas, ein Abgasnachbehandlungssystem und ein Verfahren zum Erfassen der Menge eines Reduktionsmittels und der Menge eines Schadstoffes in einem Abgas.
Aus der Kraftstoffverbrennung entstehende Abgase in einem Fahrzeug müssen zur Minimierung des Schadstoffausstoßes nachbehandelt werden. Beispielsweise soll der Ausstoß von Stickoxiden vermieden werden, da diese nicht nur beim Menschen zu Reizungen und Schädigungen der Atmungsorgane führen können, sondern auch für sauren Regen und für Smog verantwortlich gemacht werden.
Derartige Schadstoffe können durch die selektive katalytische Reduktion gezielt aus dem Abgas entfernt werden. Dazu wird in das Abgas ein Reduktionsmittel wie Ammoniak eingeleitet, dessen Menge entsprechend der geschätzten Menge an Schadstoffen im Abgas dosiert wird. Das mit dem Reduktionsmittel angereicherte Abgas passiert dann einen Katalysator, in dem die Schadstoffe mit dem Reduktionsmittel reagieren und sich in neutrale Stoffe wie Wasser und Stickstoff umwandeln. Ist die Reduktionsmitteldosis jedoch zu gering, verbleiben nach der Reaktion Schadstoffe im Abgas. Ist sie zu hoch, verbleibt Reduktionsmittel im Abgas, was auch unerwünscht ist, weil beispielsweise Ammoniak ebenfalls gesundheits- und umweltschädlich ist.
Ein Schadstoffsensor, wie ein Stickoxidsensor, kann für die Schätzung der im aus dem Katalysator austretenden Abgas befindlichen Schadstoffe ein Ausgangssignal liefern, auf dessen Grundlage sich die notwendige Reduktionsmitteldosis besser einstellen lässt. Der Schadstoffsensor ist jedoch querempfindlich zum Reduktionsmittel, so dass in dem Ausgangssignal die Informationen über die Schadstoffmenge und Reduktionsmittelmenge miteinander vermischt sind. Die Schadstoffmenge und die Reduktionsmittelmenge können daher aus dem Ausgangssignal nicht getrennt voneinander bestimmt werden.
Da die Schadstoffmenge im Abgas nicht direkt bestimmbar ist, erfolgt die Regelung der selektiven katalytischen Reduktion herkömmlicherweise intrusiv. Dabei wird ein System-Ungleichgewicht erzwungen und die Reduktionsmitteldosis basierend auf der durch den Schadstoffsensor gemessenen Reaktionen eingestellt. Das intrusive Regelungsverfahren führt jedoch zu einem nicht optimalen Betrieb des gesamten Systems, was zu einem unnötigen Ausstoß an Schadstoffen und/oder Reduktionsmittel mit dem Abgas führt. Auch sind zur Verarbeitung des Ausgangssignals aus dem Schadstoffsensor aufwendige Berechnungsalgorithmen notwendig.
Insofern ist es Aufgabe der Erfindung eine Systemanordnung zum Erfassen der Menge eines Reduktionsmittels und der Menge eines Schadstoffes in einem Abgas anzugeben, der technisch einfacher realisierbar ist und dennoch verbesserte Messergebnisse liefert.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die jeweiligen Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen zum Gegenstand.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, nach einer ersten Messung der Schadstoffmenge selektiv entweder nur Schadstoff oder nur Reduktionsmittel aus dem Abgas zu filtern und die Messung erneut durchzuführen. Unter der Annahme, dass die nicht gefilterte Komponente im Abgas konstant geblieben ist, sind zwei unabhängige Messwerte für die Berechnung des Reduktionsmittelanteils und des Schadstoffanteils im Abgas vorhanden. Die Berechnung selbst ist linear und damit technisch einfach durchführbar.
Erfindungsgemäß weist eine Systemanordnung zum Erfassen der Menge eines Reduktionsmittels und der Menge eines Schadstoffes in einem Abgas daher einen ersten zum Reduktionsmittel querempfindlichen Schadstoffsensor auf, der zum Ausgeben eines ersten zur Menge des Schadstoffes im Abgas proportionalen Messsignals vorgesehen und zur Anwendung vor einer Filtereinrichtung zum Reduzieren des Reduktionsmittels oder des Schadstoffes im Abgas geeignet ist. Weiter weist die Systemanordnung einen zweiten zum Reduktionsmittel querempfindlichen Schadstoffsensor zum Ausgeben eines zweiten zur Menge des Schadstoffes im Abgas proportionalen Messsignals auf, der zur Anwendung nach der Filtereinrichtung vorgesehen ist. Durch die Verarbeitung der beiden Messsignale lassen sich der Reduktionsmittelanteil und der Schadstoffanteil in einem Abgas getrennt voneinander messen. Die Systemanordnung lässt durch die lineare Verarbeitung der Signale eine besonders einfache Regelung mit kurzer Reaktionszeit des Gesamtsystems auf Veränderungen zu.
Die Systemanordnung kann eine Berechnungseinrichtung zum Bestimmen der Schadstoffmenge und der Menge des Reduktionsmittels basierend auf der Differenz aus den Messsignalen aus dem ersten und zweiten Schadstoffsensor beinhalten.
Die Schadstoff kann Stickoxid, das Reduktionsmittel Ammoniak, und das Abgas ein mageres Abgas sein.
Die Systemanordnung kann eine Filtereinrichtung aufweisen, die zum Filtern des Schadstoffes oder des Reduktionsmittels vorgesehen ist.
In einem Fahrzeug mit einem eingebauten zum Oxidieren des Reduktionsmittels vorgesehenen Dieselpartikelfilter kann dieser direkt als Filtereinrichtung zur Filterung des Reduktionsmittels verwendet werden, wodurch die erfindungsgemäße Systemanordnung in einem herkömmlichen Fahrzeug besonders einfach und kostengünstig realisierbar ist.
Erfindungsgemäß besonders günstig ist es, eine der Komponenten nach der ersten Messung vollständig aus dem Abgas zu entfernen, so dass bei der zweiten Messung die ungefilterte Komponente aus dem Messsignal nach der Filterung direkt entnehmbar und nur noch eine einzige Berechnung zur Bestimmung der gefilterten Komponente notwendig ist.
Die Erfindung gibt auch eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Schadstoffen in einem Abgas eine erfindungsgemäße Systemanordnung zum Erfassen der Schadstoffmenge und der Menge des Reduktionsmittels im Abgas am Ausgang der Vorrichtung an. Die Vorrichtung weist eine Einspritzvorrichtung auf, die zum Einspritzen des Reduktionsmittels in das Abgas am Eingang der Vorrichtung basierend auf einer Dosiermenge in Abhängigkeit der Messsignale des Sensors vorgesehen ist. Weiter weist die Vorrichtung einen Katalysator auf, der zum Reduzieren der Schadstoffe im Abgas basierend auf dem Reduktionsmittel vorgesehen ist. Da die erfindungsgemäße Systemanordnung die Menge an Schadstoffen und an Reduktionsmitteln im Abgas getrennt ausgibt, ist der Schadstoffanteil im Abgas nicht nur unmittelbar einstellbar, die Rege lung kann auch im Gleichgewichtszustand des Gesamtsystems erfolgen. So ist für eine maximale Reduktion von Schadstoffen eine optimale Dosierung des Reduktionsmittels möglich, ohne dass eine intrusive Regelung vorgesehen werden muss.
Der gemessene Reduktionsmittelanteil lässt im Abgas und damit die folglich berechnete optimale Dosierung des Reduktionsmittels Rückschlüsse auf den Zustand aller am Abgasstrom mitwirkenden technischen Komponenten zu. Anhand einer normierten optimalen Dosierung, die beispielsweise vom Hersteller vorgegeben werden kann, kann insbesondere besonders einfach bestimmt werden, dass das Gesamtsystem ordnungsgemäß arbeitet, wenn die berechnete optimale Dosierung der vorgegebenen Norm entspricht. Abweichung von dieser Norm können daher als Grundlage zur Erkennung oder sogar zur Korrektur von Hardwarefehlern herangezogen werden.
Weiter erlaubt der gemessene Reduktionsmittelanteil im Abgas auch eine verbesserte On Board Diagnose der Abgasreinigung im Schubbetrieb des Fahrzeuges. Obwohl das Reduktionsmittel erfahrungsgemäß im Schubbetrieb von der Regelstrecke nicht in jedem Fall vollständig aus dem Abgas entfernt werden kann, ist dies für einen entsprechenden Nullpunktabgleich bei der Regelung unschädlich, da die erfindungsgemäße Systemanordnung in der Lage ist, den Reduktionsmittelanteil im Abgas als Absolutbetrag anzugeben.
Schließlich ermöglicht der gemessene Reduktionsmittel- und Schadstoffanteil im Abgas auch den Wirkungsgrad der Regelung genauer zu bestimmen, wodurch das Gesamtsystem effizienter betrieben werden kann.
Die Einspritzvorrichtung kann zum Erhöhen der Dosiermenge für das Reduktionsmittel vorgesehen sein, wenn ein Anstieg der Schadstoffmenge gemessen wird, und zum Senken der Dosiermenge für das Reduktionsmittel, wenn ein Anstieg der Menge an Reduktionsmittel gemessen wird.
Der Regelkreis kann auch eine Verarbeitungseinrichtung zur mathematischen Verarbeitung der Dosiermenge aufweisen.
Die Verarbeitungseinrichtung kann zum Einstellen der Dosiermenge derart vorgesehen sein, dass die Menge des Reduktionsmittels und die Schadstoffmenge im Abgas am Ausgang der Vorrichtung minimiert sind.
Die Verarbeitungseinrichtung kann alternativ oder zusätzlich zum Mitteln der Dosiermenge über die Zeit vorgesehen sein. Dadurch kann die normierte optimale Dosiermenge während des Betriebes an Alterserscheinungen der Hardware im Gesamtsystem angepasst werden.
Die Verarbeitungseinrichtung kann auch zur unabhängigen Verarbeitung der Dosiermenge für unterschiedliche Betriebsbereiche der Vorrichtung vorgesehen sein.
Die Erfindung gibt auch Abgasnachbehandlungssystem mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung an. Das System weist einen Katalysator auf, insbesondere einen Dieseloxidationskatalysator zum Oxidieren von Schadstoffen im Abgas aus einem Motor, insbesondere aus einem Dieselmotor, der zum Verbrennen eines Kraftstoffgemisches, insbesondere eines mageren Kraftstoffgemisches vorgesehen ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in diesem System zum Minimieren von Stickoxiden im Abgas aus dem Katalysator vorgesehen. Insbesondere Abgase aus der Verbrennung eines mageren Kraftstoffgemisches können so besonders effektiv von Stickoxiden befreit werden.
Die Erfindung gibt auch ein Verfahren zum Erfassen der Menge eines Reduktionsmittels und der Menge eines Schadstoffes in einem Abgas an. Das Verfahren setzt sich aus den Schritten Ausgeben eines ersten zur Menge des Reduktionsmittels und zur Menge des Schadstoffes im Abgas proportionalen Messsignals, Filterung des Abgases durch Reduzieren des Reduktionsmittels oder des Schadstoffes im Abgas und Ausgeben eines zweiten zur Menge des Reduktionsmittels und zur Menge des Schadstoffes im gefilterten Abgas proportionalen Messsignals zusammen.
Im Folgenden wird ein die Erfindung nicht einschränkendes Anwendungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung genauer erläutert.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem 2 gezeigt, das zur Minimierung des Stickoxidanteils im Motorabgas 4 aus einem Motor 6 geeignet ist. Das Motorabgas 4 wird einem Dieseloxidationskatalysator 8 zugeführt, in dem Kohlenwasserstoffverbindungen und Kohlenmonoxid aus dem Motorabgas 4 nachverbrannt werden. Das vorgereinigte Motorabgas 10 aus dem Dieseloxidationskatalysator 8 wird mit Ammoniak 12 aus einer noch zu beschreibenden Dosiereinrichtung 14 angereichert und einer selektiven katalytischen Reduktion 16 unterzogen. Dabei reagieren Stickoxide im vorgereinigten Motorgas 10 und das das Ammoniak 12 miteinander und wandeln sich in Stickstoff und Wasser um. Ein Dieselpartikelfilter 20 filtert aus dem so gereinigten Motorabgas 18 verbliebenes Ammoniak 12 und gibt das gefilterte Abgas 22 an die Umgebungsluft 24 ab.
Erfindungsgemäß misst ein erster Stickoxidsensor 26 den Stickoxidanteil im gereinigten Motorabgas 18 und gibt das Messergebnis in Form eines ersten Messsignals 28 an die Dosiereinrichtung 14 ab. Ein zweiter Stickoxidsensor 30 misst den Stickoxidanteil im gefilterten Motorabgas 22 und gibt das Messergebnis in Form eines zweiten Messsignals 32 an die Dosiereinrichtung 14 ab. Technisch bedingt sind beide Stickoxidsensoren 26, 30 querempfindlich gegenüber dem Ammoniak 12 in den Motorabgasen 18, 22, so dass die Messsignale 28, 32 abhängig vom Stickoxidanteil und vom Ammoniakanteil in den Motorabgasen 18, 22 sind.
Da der Dieselpartikelfilter 20 in der vorliegenden Ausführung das verbliebene Ammoniak 12 vollständig aus dem gereinigten Motorabgas 18 herausfiltert und den Stickoxidanteil unverändert lässt, zeigt das zweite Messsignal 32 den Stickoxidanteil nicht nur im gefilterten Motorabgas 22 sondern auch im gereinigten Motorabgas 18 an. Die Dosiereinrichtung 14 kann daher aus der Differenz zwischen dem zweiten Messsignals 32 und dem ersten Messsignal 28 den Anteil des Ammoniaks 12 im gereinigten Motorabgas 18 bestimmen und das Ammoniak 12 für das vorgereinigte Motorabgas 10 geeignet dosieren.

Claims

Systemanordnung zum Erfassen der Menge eines Reduktionsmittels (12) und der Menge eines Schadstoffes in einem Abgas (18), mit einem ersten zum Reduktionsmittel querempfindlichen Schadstoffsensor (26) zum Ausgeben eines ersten zur Menge des Schadstoffes im Abgas (18) proportionalen Messsignals (28) zur Anwendung vor einer Filtereinrichtung (20) zum selektiven Reduzieren des Reduktionsmittels (12) oder des Schadstoffes im Abgas (18) und einem zweiten zum Reduktionsmittel (12) querempfindlichen Schadstoffsensor (30) zum Ausgeben eines zweiten zur Menge des Schadstoffes im Abgas (22) proportionalen Messsignals (32) zur Anwendung nach der Filtereinrichtung (20).
Systemanordnung nach Anspruch 1, mit einer Berechnungseinrichtung (14) zum Bestimmen der Schadstoffmenge und der Menge des Reduktionsmittels (12) basierend auf der Differenz aus den Messsignalen (28, 32) aus dem ersten und zweiten Schadstoffsensor (26, 30).
Systemanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei – der Schadstoff Stickoxid ist, – das Reduktionsmittel (12) Ammoniak ist, und – das Abgas (18) ein mageres Abgas ist.
Systemanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Filtereinrichtung (20), die vorzugsweise ein Dieselpartikelfilter ist, der zum Oxidieren des Reduktionsmittels (12) vorgesehen ist.
Systemanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der die Filtereinrichtung (20) zum vollständigen Entfernen des Reduktionsmittels (12) aus dem Abgas (18) vorgesehen ist.
Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Schadstoffen in einem Abgas, mit einer Systemanordnung (10, 26, 30) nach einem der vorstehenden Ansprüche zum Erfassen der Schadstoffmenge und der Menge des Reduktionsmittels (12) im Abgas (24) am Ausgang der Vorrichtung, einer Einspritzvorrichtung (14) zum Einspritzen des Reduktionsmittels (12) in das Abgas (10) am Eingang der Vorrichtung basierend auf einer Dosiermenge in Abhängigkeit der Messsignale (28, 32) des Sensors, und einem Katalysator (16) zum Reduzieren der Schadstoffe im Abgas (10) basierend auf dem Reduktionsmittel (12).
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Einspritzvorrichtung (14) zum Erhöhen der Dosiermenge für das Reduktionsmittel (12) vorgesehen ist, wenn ein Anstieg der Schadstoffmenge gemessen wird, und zum Senken der Dosiermenge für das Reduktionsmittel (12) vorgesehen ist, wenn ein Anstieg der Menge an Reduktionsmittel (12) gemessen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, mit einer Verarbeitungseinrichtung zur mathematischen Verarbeitung der Dosiermenge.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Verarbeitungseinrichtung zum Einstellen der Dosiermenge derart vorgesehen ist, dass die Menge des Reduktionsmittels (12) und die Schadstoffmenge im Abgas (22) am Ausgang (24) der Vorrichtung minimiert sind
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Verarbeitungseinrichtung zum Mitteln der Dosiermenge über die Zeit vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Verarbeitungseinrichtung zur unabhängigen Verarbeitung der Dosiermenge für unterschiedliche Betriebsbereiche der Vorrichtung vorgesehen ist.
Abgasnachbehandlungssystem, mit einem Katalysator (8), insbesondere einem Dieseloxidationskatalysator zum Oxidieren von Schadstoffen im Abgas aus einem Motor (6), insbesondere aus einem Dieselmotor, der zum Verbrennen eines Kraftstoffgemisches, insbesondere eines mageren Kraftstoffgemisches vorgesehen ist, und einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11 zum Minimieren von Stickoxiden im Abgas (10) aus dem Katalysator (8).
Verfahren zum Erfassen der Menge eines Reduktionsmittels und der Menge eines Schadstoffes in einem Abgas, mit den Schritten Ausgeben eines ersten zur Menge des Reduktionsmittels und zur Menge des Schadstoffes im Abgas proportionalen Messsignals, Filterung des Abgases durch Reduzieren des Reduktionsmittels oder des Schadstoffes im Abgas, und Ausgeben eines zweiten zur Menge des Reduktionsmittels und zur Menge des Schadstoffes im gefilterten Abgas proportionalen Messsignals.