DE102009027184A1

DE102009027184A1 - Verfahren zur Adaption eines SCR-Katalysatorsystems einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102009027184A1
Application number: DE102009027184A
Authority: DE
Inventors: Christian Walz; Frank Schweizer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-06-25
Filing date: 2009-06-25
Publication date: 2010-12-30
Also published as: IT1401093B1; ITMI20101104A1; FR2947302B1; FR2947302A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Adaption eines Katalysatorsystems einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei zur NOx-Minderung im Abgas einer solchen Brennkraftmaschine eine selektive katalytische Reduktion (SCR) durch Zudosierung eines Reduktionsmittels erfolgt und wobei ein- und ausgehende NOx-Massenströme mittels eines NOx-Sensors erfasst werden, ist insbesondere vorgesehen, dass eine Abweichung des mittels des NOx-Sensors erfassten Istwertes des NOx-Massenstroms von einem Sollwert des NOx-Massenstroms quantitativ ausgewertet wird und aus dem Ergebnis der quantitativen Auswertung darauf geschlossen wird, um welchen Betrag sich der Istwert der Dosiermenge an zudosiertem Reduktionsmittel von einem Sollwert der Dosiermenge unterscheidet, und dass auf der Basis der Abweichung zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Dosiermenge ein Langzeitadaptionsfaktor ermittelt wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Abgasbehandlung sauerstoffreicher Abgase einer Brennkraftmaschine mittels eines SCR-Katalysatorsystems.
Bei der Abgasnachbehandlung in der Kraftfahrzeugtechnik ist die sogenannte selektive katalytische Reduktion (SCR) bekannt, bei der eine NOx-Minderung in sauerstoffreichen Abgasen mittels NH₃ bzw. NH₃-abspaltenden Reagenzien bzw. Reduktionsmitteln erfolgt. Als solches Reduktionsmittel wird dem Abgas meist Ammoniak zudosiert, und zwar bspw. in Form von Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL).
Der Wirkungsgrad eines solchen SCR-Katalysators ist von der Temperatur, von der Raumgeschwindigkeit der beteiligten Gase und ganz entscheidend auch vom aktuellen NH₃-Füllstand des Katalysators abhängig. Zudem ist das Speicherverhalten des Katalysators abhängig von seiner jeweiligen Betriebstemperatur. Je geringer die Temperatur ist, umso größer ist das Speichervermögen.
Hat der Katalysator seinen Speicher vollständig gefüllt, kann es bei Lastsprüngen einer den Katalysator aufweisenden Brennkraftmaschine zu sogenanntem ”NH₃-Schlupf” kommen, wobei katalytisch nicht umgesetztes NH₃ im Abgas auftritt, obwohl kein Reduktionsmittel mehr zudosiert wird.
Sollen möglichst hohe NOx-Umsätze erzielt werden, hat das SCR-System bei einem möglichst hohen NH₃-Füllstand betrieben zu werden. Da die Berechnung der notwendigen NH₃-Menge einer Vielzahl von Unsicherheiten oder Abweichun gen unterliegt, wie etwa Unsicherheiten oder Abweichungen bzgl. der Rohemissionen der angenommenen Brennkraftmaschine oder des Umsatzgrades des Katalysators, oder aber Ungenauigkeiten bei der genannten Zudosierung von Ammoniak, kommt es selbst bei einem neuen, sorgfältig applizierten System zu Fehldosiermengen.
In der vorveröffentlichten Anmeldung DE 10 2004 046 640 wird daher eine Regelstrategie zur Nachregelung eines vorgesteuerten SCR-Systems mittels eines NH₃-querempfindlichen NOx-Sensors vorgeschlagen, wobei in der ebenfalls bereits veröffentlichten Voranmeldung DE 10 2005 042 487 eine praktische Ausführung dieses Vorschlags offenbart ist.
Allerdings ist es in nicht möglich, mittels des Sensorsignals eines solchen NOx-Sensors zwischen NH₃-Schlupf und zu geringem NOx-Umsatz zu unterscheiden. Als Lösung wird in der bereits veröffentlichten Voranmeldung DE 10 2005 042 489 deshalb eine Plausibilisierung über berechnete Emissions- und Dosiergrößen vorgeschlagen, um durch das Sensorsignal eineindeutig zwischen NH₃-Schlupf und zu geringem NOx-Umsatz unterscheiden zu können.
Um die Häufigkeit von möglichen Fehlregelungen auf ein Minimum zu reduzieren bzw. den Betrieb des SCR-Systems mit zu hohem NH₃-Schlupf zu vermeiden, wird in der ebenfalls bereits veröffentlichten Voranmeldung DE 10 2005 042 490 vorgeschlagen, die berechnete NH₃-Menge über eine Langzeitadaption auf das reale Dosiersystem anzupassen. Dabei wird eine bereits geregelte Dosierung in eine adaptierte, lernende Dosierung überführt, wobei systematische Abweichungen des Dosiersystems berücksichtigt werden können.
Die genannte Langzeitadaption wertet insbesondere die Häufigkeit und die Reihenfolge der Plausibilisierungsergebnisse aus und stellt sich iterativ auf den gewünschten Betriebspunkt ein. Aufgrund dieser statistischen Auswertung und der Abhängigkeit der Häufigkeit der Plausibilisierungsereignisse vom individuellen Fahrerprofil bedarf eine solche Adaption auf den optimalen Betriebspunkt allerdings mehrerer Betriebsstunden.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Adaption eines Katalysatorsystems einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei zur NOx-Minderung im Abgas einer solchen Brennkraftmaschine eine genannte selektive katalytische Reduktion durch Zudosierung eines Reduktionsmittels erfolgt und wobei ein- und/oder ausgehende NOx-Massenströme mittels eines NOx-Sensors erfasst werden, sieht insbesondere vor, dass die Abweichung eines mittels des NOx-Sensors erfassten Istwertes des NOx-Massenstroms von einem Sollwert des NOx-Massenstroms quantitativ ausgewertet wird und aus dem Ergebnis der quantitativen Auswertung darauf geschlossen wird, um welchen Betrag sich der Istwert der Dosiermenge an zudosiertem Reduktionsmittel von einem Sollwert der Dosiermenge unterscheidet, und dass auf der Basis der Abweichung zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Dosiermenge ein Langzeitadaptionsfaktor ermittelt wird.
Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung wird im Stand der Technik die Höhe der Sensorabweichung nur dazu herangezogen, um eine Unter- oder Überdosierung zu erkennen, nicht aber dazu verwendet, einen quantitativen Wert der Fehldosierung abzuschätzen. Wie bereits erwähnt, wird im Stand der Technik die optimale Dosiermenge durch statistische Auswertung der rein qualitativen Ergebnisse ermittelt. Das SCR-System stellt sich dabei automatisch auf den Bereich des bestmöglichen Umsatzes ein, was im Falle einer Applikation, wo das SCR-System aus HWL-Verbrauchsgründen nicht auf optimalem Umsatz appliziert ist, z. B. bei der Abgasnorm ”NKW-Euro 5”, zu einem unerwünschten Mehrverbrauch an Reduktionsmittel führt.
Im Gegensatz dazu kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch quantitative Auswertung der Sensorabweichung direkt darauf geschlossen werden, um welchen Betrag sich die Dosiermenge von der gewünschten Menge unterscheidet und es kann bereits nach nur einem Plausibilisierungsschritt ein präziser (und korrekter) Langzeitadaptionsfaktor berechnet werden. Das System wird automatisch auf den gewünschten, also nicht zwangsläufig optimalen NOx-Umsatz eingestellt, wobei das SCR-System auch bzgl. des Verbrauchs an Reduktionsmittel optimiert wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen, unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen, beschrieben. Aus diesen ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
Im Einzelnen zeigen:
1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Ablaufdiagramms;
2 ein SCR-System, welches bei angenommener Überdosierung (+50%) gemäß der Erfindung ausgeregelt wird; und
3 ein SCR-System, welches bei angenommener Unterdosierung (–40%) ausgeregelt wird.
Die in der 1 gezeigte Routine, die bevorzugt in an sich bekannter Weise in einem Steuergerät einer Brennkraftmaschine, z. B. in einem Motorsteuergerät oder einem SCR-Steuergerät, in der Form eines entsprechenden Steuercodes realisiert wird, beginnt in Schritt 100 mit der an sich üblichen Zudosierung von Reduktionsmittel. Im nachfolgenden Schritt 105 werden die sich aufgrund der genannten Zudosierung ergebenden NOx-Massenströme erfasst und zu einem Integratorwert des NOx-Massenstroms aufintegriert.
In Schritt 110 wird nun geprüft, ob der Integratorwert des NOx-Massenstroms größer oder kleiner als ein vorgegebener Sollwert ist. Ist die Bedingung 110 nicht erfüllt, wird wieder an den Anfang 100 der Routine zurückgesprungen. Ist die Bedingung 110 allerdings erfüllt, so wird in einem nachfolgenden Schritt 115 die Abweichung zwischen dem Istwert und dem Sollwert des Integratorwertes quantitativ erfasst bzw. ausgewertet.
Auf der Grundlage der sich dabei ergebenden Abweichung wird nun in Schritt 120 die somit vorliegende Fehldosierung quantitativ erfasst bzw. ermittelt, d. h. ob eine Über- oder Unterdosierung vorliegt und um welchen Betrag sich der Istwert der Dosiermenge an zudosiertem Reduktionsmittel von einem Sollwert der Dosiermenge unterscheidet. Im nachfolgenden Schritt 125 wird aus dem Ergebnis dieser quantitativen Auswertung, d. h. auf der Basis der quantitativen Abweichung zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Dosiermenge, ein Langzeitadaptionsfaktor ermittelt.
Alternativ kann zusätzlich eine Plausibilisierung durchgeführt werden, wobei der ermittelte Langzeitadaptionsfaktor erst nach einem solchen Plausibilisierungsschritt berechnet wird. Eine solche Plausibilisierung ist, wie bereits eingangs erwähnt, in der Voranmeldung DE 10 2005 042 489 beschrieben und dient zur besseren Unterscheidung zwischen NH₃-Schlupf und zu geringem NOx-Umsatz.
Der erfindungsgemäß ermittelte Langzeitadaptionsfaktor kann, wie in der 1 durch den gestrichelt dargestellten optionalen Schritt 130 angedeutet, unmittelbar mit dem Ausgangswert einer Vorsteuermenge für die Zudosierung von Reduktionsmittel multipliziert werden, um die eingangs genannten Fehldosierungen bzw. Fehlregelungen zu minimieren.
Der in der 1 gezeigte Schritt 105 der Erfassung der NOx-Massenströme zum Zweck der Abschätzung der Höhe der Fehldosierung erfolgt bevorzugt durch Aufintegration der ein- und ausgehenden NOx-Massenströme, und zwar durch Bildung dreier Integrale, nämlich

a) dem Integral aus dem vor dem SCR-Katalysator gemessenen NOx-Massenstrom 'mNOxRoh';
b) dem Integral aus dem nach dem SCR-Katalysator gemessenen NOx-Massenstrom 'mNOxSens', sowie
c) dem Integral aus dem NOx-Massenstrom 'mNOxMod', der gemäß einer Berechnung nach dem SCR-Katalysator vorliegt.

Der NOx-Massenstrom vor SCR-Kat a) wird entweder von einem NOx-Sensor oder als modellierter Wert erhalten. Der gemessene NOx-Massenstrom nach SCR-Kat b) wird von einem NOx-Sensor mit NH₃-Querempfindlichkeit erhalten und beim berechneten NOx-Massenstrom c) handelt es sich um eine berechnete Größe aus einem dem Fachmann auf dem hier betroffenen Gebiet geläufigen Katalysatormodell.
Falls das SCR-System Abweichungen der Dosiermenge aufweist, werden sich die Integratoren des gemessenen b) und berechneten c) NOx-Massenstroms nach SCR-Katalysator signifikant unterscheiden, wobei die folgenden drei Fälle zu unterscheiden sind:

1. Unterdosierung
2. Überdosierung mit Katalysatormodell am Umsatzmaximum appliziert
3. Überdosierung mit geringer appliziertem NOx-Umsatz als theoretisch möglich.

Fall 1 + 2:
Sowohl im Falle von NOx-Schlupf als auch von NH₃-Schlupf wird der Integrator der Sensorabweichung einen größeren Wert aufweisen als der der berechneten Emissionen, die nach bzw. hinter dem Katalysator auftreten.
Fall 3:
Bei Überdosierung wird die integrierte Sensorabweichung einen geringeren Wert aufweisen als der integrierte Modellwert, da höhere Umsätze an Reduktionsmittel als die bei der Berechnung sich ergebenden Umsätze erzielt werden.
Durch einen Vergleich der Abweichungen der beiden Integratorwerte kann also direkt auf das Maß der Über- oder Unterdosierung geschlossen werden. Dazu wird bevorzugt eine Formel angewendet, mittels der ein Adaptionsfaktor ermittelt werden kann, der wiederum direkt mit dem Basiswert der Vorsteuermenge multipliziert wird. Ein solcher Ansatz für die Korrektur ergibt sich bevorzugt gemäß folgender Formel: facQtyAdapneu = (mNOxRoh – mNOxMod)/(mNOxRoh – mNOxSens)·facQtyAdapalt
In den Fällen 1 und 2 wird der Faktor 'facQtyAdap' Werte größer 1 haben, in Fall 3 Werte kleiner 1.
Bei einer Unterdosierung (Fall 1) wird die Vorsteuermenge um diesen Faktor erhöht, d. h. durch Anwendung des folgenden Faktors: Vorsteuermenge·facQtyAdapneu
Im Falle einer Überdosierung (Fall 2) wird die Vorsteuermenge um den entsprechenden Faktor verringert, d. h. durch Anwendung des folgenden Faktors: Vorsteuermenge·1/facQtyAdapneu
Im Falle einer Überdosierung (Fall 3) bei Applikation unterhalb des Umsatzmaximums wird die Vorsteuermenge um den Adaptionsfaktor verringert. Da der Faktor automatisch kleiner als der Wert 1 ist, ergibt sich hier als anzuwendender Faktor: Vorsteuermenge·facQtyAdapneu
Die Entscheidung, ob durch den Adaptionsfaktor die Vorsteuermenge erhöht (Fall 1 bei Unterdosierung) oder vermindert (Fall 2 bei Überdosierung) wird, erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel im Vorfeld durch ein an sich bekanntes Plausibilisierungsverfahren, z. B. gemäß der bereits veröffentlichten Voranmeldung DE 10 2005 042 489 .
Die 2 und 3 zeigen die praktische Umsetzung des vorbeschriebenen Ansatzes bei angenommener Überdosierung sowie bei angenommener Unterdosierung. Es sind die Integrale (in der Einheit g) der entsprechenden NOx-Konzentrationen gegen die Zeit (in der Einheit s) aufgetragen, und zwar in Bezug auf das NOx-Eingangssignal vor dem SCR-Katalysator (205 bzw. 305) und auf das NOx-Sensor-Signal nach dem SCR-Katalysator (215, 230, 245 bzw. 315), sowie das Integral der berechneten NOx-Emissionen nach dem SCR-Katalysator (210, 225, 240 bzw. 310).
Im Falle einer Überdosierung (2) ist zu erkennen, wie das Integral des NOx-Sensors nach dem SCR-Katalysator (215, 230, 245) aufgrund von leichtem NH₃-Schlupf einen geringeren Wert als das Integral des entsprechenden modellierten Werts (210, 225, 240) erreicht. Nach Ablauf der Plausibilisierung, und zwar in dem vorliegenden Beispiel nach ca. 1100 und 2100 s, wird gemäß obiger Formel der Adaptionsfaktor facQtyAdap (200) gebildet und die Vorsteuermenge entsprechend korrigiert.
Im Falle einer Unterdosierung (3) werden ebenfalls die Integrale der NOx-Konzentrationen ausgewertet. Es finden insgesamt drei Plausibilisierungen statt, anhand derer der Adaptionsfaktor facQtyAdap (300) angepasst wird. Bei der Unterdosierung ist das Integral des NOx-Sensors (315) stets größer als das des modellierten Wertes (310). Nach Anpassen des Adaptionsfaktors steigen beide Integrale in etwa gleich an (und zwar in dem vorliegenden Beispiel nach ca. 1200 s)
Es ergeben sich sehr kurze Zeiten von 50–300 Sekunden zur Ermittlung des korrekten Adaptionsfaktors und es wird über mehrere Versuche hinweg bei unterschiedlichen Randbedingungen eine Genauigkeit von +/–3% erreicht. Im Vergleich dazu ergeben sich bei Anwendung des im Stand der Technik bekannten Verfahrens wesentlich höhere Adaptionszeiten im Bereich von 3600–10000 Sekunden bei einer Adaptionsgenauigkeit von +/–7%.
Gemäß einem weiteren Vorteil der Erfindung können auch SCR-Systeme ausgeregelt werden, welche nicht den maximal möglichen Umsatz erreichen müssen, um den Emissionsgrenzwert zu unterschreiten. Überdosierende Systeme werden im Wirkungsgrad angepasst und verbrauchen nach Anpassung weniger Adblue. Damit ist es möglich, das Adaptionsverfahren auch auf in Europa zulässige Pkw-Applikationen und Applikationen im Nkw-Bereich auszudehnen.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht nur in der oben beschriebenen Kraftfahrzeugtechnik, sondern auf anderen Anwendungsgebieten der Abgasnachbehandlung zur Verringerung von NOx in sauerstoffreichen Abgasen, wie bspw. im Bereich der Flugzeug- oder Schifffahrtstechnik oder etwa der chemischen Verfahrenstechnik mit den beschriebenen Vorteilen anwendbar bzw. einsetzbar ist.
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 [0006]
- DE 102005042487 [0006]
- DE 102005042489 [0007, 0021, 0033]
- DE 102005042490 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- NKW-Euro 5 [0011]

Claims

Verfahren zur Adaption eines Katalysatorsystems einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei zur NOx-Minderung in einem sauerstoffreichen Abgas einer solchen Brennkraftmaschine eine selektive katalytische Reduktion (SCR) durch Zudosierung eines Reduktionsmittels erfolgt und wobei ein- und/oder ausgehende NOx-Massenströme mittels eines NOx-Sensors erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung eine mittels des NOx-Sensors erfassten Istwertes des NOx-Massenstroms von einem Sollwert des NOx-Massenstroms quantitativ ausgewertet wird und aus dem Ergebnis der quantitativen Auswertung darauf geschlossen wird, um welchen Betrag sich der Istwert der Dosiermenge an zudosiertem Reduktionsmittel von einem Sollwert der Dosiermenge unterscheidet, und dass auf der Basis der Abweichung zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Dosiermenge ein Langzeitadaptionsfaktor ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Langzeitadaptionsfaktor nach einem Plausibilisierungsschritt berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abschätzung der Höhe der Fehldosierung die ein- und ausgehenden NOx-Massenströme aufintegriert werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch Vergleich der Abweichungen der sich ergebenden Integratorwerte auf das Maß der Über- oder Unterdosierung geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der genannten Aufintegration das Integral für den NOx-Massenstrom vor einem SCR-Katalysator, das Integral des gemessenen NOx-Massenstroms nach dem SCR-Katalysator und das Integral des berechneten NOx-Massenstroms nach dem SCR-Katalysator berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Massenstrom vor dem SCR-Katalysator von dem NOx-Sensor oder als modellierter Wert erhalten wird, dass der gemessene NOx-Massenstrom nach dem SCR-Katalysator von einem NOx-Sensor mit NH₃-Querempfindlichkeit erhalten wird und dass der berechnete NOx-Massenstrom nach dem SCR-Katalysator auf der Grundlage eines Katalysatormodells berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte Langzeitadaptionsfaktor direkt mit einem Ausgangswert einer Vorsteuermenge multipliziert wird.