DE102010000896A1 - Verfahren zur Bestimmung eines NO2-/NOX-Verhältnisses im Abgas - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung eines NO2-/NOX-Verhältnisses im Abgas Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer NOX-Konzentration (52) im Strömungsweg hinter einem in einer Abgasanlage (23) eines Verbrennungsmotors (11) angeordneten SCR-Katalysators (35), wobei ein von der NOX-Konzentration (52) abhängiges Signal (64) eines dort angeordneten NOX-Sensors (40) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein modellierter Wert (73) eines sich dort einstellenden Verhältnisses von NO2 (53) zu NOX (52) aus Betriebsparametern des Verbrennungsmotors (11) und/oder der Abgasanlage (23) ermittelt wird und die NOX-Konzentration (52) in Abhängigkeit von dem erfassten Signal (64) und dem modellierten Wert (73) ermittelt wird. Ein unabhängiger Anspruch richtet sich auf eine zur Durchführung des Verfahrens eingerichtete Steuer- und/oder Regeleinrichtung (17).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer NOx-Konzentration im Strömungsweg hinter einem in einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors angeordneten SCR-Katalysator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
  • Stand der Technik
  • Zur Abgasnachbehandlung bei Dieselmotoren kommen überwiegend SCR-Systeme (selektive catalytic reduction) zur Minderung der Stickoxidemissionen zum Einsatz. Hierbei wird ein Reduktionsmittel, z. B. eine wässrige Harnstofflösung (sogenanntes AdBlue) in das Abgasrohr im Strömungsweg vor einen SCR-Katalysator eindosiert. Durch eine chemische Reaktion zerfällt der Harnstoff zu Ammoniak (NH3), das im SCR-Katalysator mit den schädlichen Stickoxiden (NOX) des Abgases reagiert und diese in unschädliches Wasser (H2O) und Stickstoff (N2) umwandelt. Die Menge der zu dosierenden Harnstofflösung hängt von Temperaturen in der Abgasanlage, dem momentanen Ammoniak-Speicherfüllstand des SCR-Katalysators und wesentlich von einer aktuellen NOX-Rohemissionskonzentration ab. Zuwenig Harnstofflösung würde einen zu geringen Umsatz an Stickoxiden bedeuten. Dosiert man hingegen zuviel, kann es zu einem sogenannten Ammoniakschlupf kommen, bei dem Ammoniak im Abgas aus dem Abgasrohr mit ausgestoßen wird, was ebenfalls vermieden werden sollte. Um eine optimale Dosierung zu gewährleisten, ist deshalb eine Information über die aktuell vorliegenden NOX Rohemissionen unerlässlich. Diese werden üblicherweise von einem Sensor im Strömungsweg der Abgase zwischen dem Verbrennungsmotor und dem SCR-Katalysator gemessen oder, solange der Sensor nicht betriebsbereit ist, in einem Modell berechnet.
  • Neben den NOX-Rohemissionen sind für eine Bewertung des Abgasnachbehandlungssystems auch die Tailpipe-Emissionen in die Umwelt von Bedeutung. Diese werden für die NOX-Bestandteile durch einen hinter dem SCR-Katalysator angeordneten Sensor ermittelt, der neben einer NOX-Sensitivität auch eine Sensitivität gegenüber NH3 aufweist. Das Signal des NOX-Sensors ist also ein Summensignal aus NO-, NO2- und NH3-Einflüssen mit allerdings unterschiedlichen Gewichtungen. Das bedeutet, dass der Sensor eine unterschiedliche Sensitivität gegenüber NO, NO2 und NH3 aufweist. Ein handelsüblicher NOX-Sensor, der beispielsweise eine NO-Konzentration relativ exakt misst, erfasst die NO2- bzw. NH3-Konzentration mit einer Ungenauigkeit von bis zu 20%, weil die Sensorkennlinien für NO und NO2 unterschiedlich steil verlaufen. Dies kann zu einer Verfälschung des Summensignals führen. Darauf aufbauende Steuer- und Regelungsvorgänge arbeiten dadurch fehlerhaft.
  • In der DE 103 00 298 A1 wird ein Signal eines hinter dem SCR-Katalysator angeordneten NOX-Sensors genutzt, um einen Wirkungsgrad des SCR-Katalysators zu ermitteln und bei einem schlechtem Wirkungsgrad eine Regeneration des SCR-Katalysators durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung auszulösen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von dem eingangs genannten Stand der Technik dadurch, dass ein modellierter Wert eines Verhältnisses von NO2 zu NOX, das sich hinter dem in einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors angeordneten SCR-Katalysators einstellt, aus Betriebsparametern des Verbrennungsmotors und/oder der Abgasanlage ermittelt wird und die NOX-Konzentration in Abhängigkeit von dem erfassten Signal des NOX-Sensors und dem modellierten Wert ermittelt wird. Definitionsgemäß wird unter NOX die Summe aus einem NO-Anteil und einem NO2-Anteil im Abgas verstanden, wobei immer dann, wenn zwei Werte bekannt sind, der dritte bei Bedarf berechnet werden kann. Die Berücksichtigung des modellierten Verhältnisses von NO2 und NOX erlaubt eine korrekte Berücksichtigung der unterschiedlichen Einflüsse der einzelnen Abgasbestandteile auf das Signal des NOX-Sensors. Während einer sogenannten Adaptionsphase, die von der Steuerung des Verbrennungsmotors und der Abgasnachbearbeitungsanlage ausgelöst wird, wird in gewissen Abständen in einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung überprüft, ob ein modellierter Wert für die NOX-Konzentration mit dem über den NOX-Sensor gemessenen Wert unter Berücksichtigung von Systemtoleranzen übereinstimmt, oder ob die Strategie zum Dosieren von Reduktionsmittel für den SCR-Katalysator angepasst werden muss. Dabei ist der NO2-Anteil und der NO-Anteil im Abgas auch deshalb von besonderer Bedeutung, da zur Reduktion von NO2-bedingt durch die chemischen Reaktionen im SCR-Katalysator – ungefähr die doppelte Menge an Reduktionsmittel nötig ist, wie zur Reduktion von NO. Hier sind also genaue Messwerte erforderlich, die der NOX-Sensor nicht ohne Weiteres liefern kann. Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, an Hand von bekannten (gemessenen) Betriebsparametern und Modellierungen ein möglichst exaktes NO2-/NOX-Verhältnis im Abgas hinter dem SCR-Katalysator zu ermitteln, und anschließend, beispielsweise über ein Kennfeld, das die unterschiedliche Sensitivität des NOX-Sensors zu NO und NO2 berücksichtigt, den vom NOX-Sensor gelieferten Signalwert in Abhängigkeit von einem aktuell ermittelten NO2-/NOX-Verhältnis einem Absolutwert der NOX-Konzentration zuzuordnen. Der angepasste Wert wird anschließend zum Vergleich mit dem modellierten Wert zur NOX-Konzentration angewandt.
  • Es sei hier darauf hingewiesen, dass eine Überwachung der SCR-Funktionalitäten im Rahmen einer Onboard-Diagnose (OBD) ebenfalls die Informationen des NOX-Sensors hinter dem Katalysator benötigt. In diesem Rahmen kann es nötig sein, in gewissen Betriebszuständen die NO2-Korrektur des NOX-Sensors vorübergehend zu deaktivieren oder entsprechend den Anforderungen der Onboard-Diagnose anzupassen. Die Berechnung des NO2-/NOX-Verhältnisses hinter dem Katalysator sollte dies berücksichtigen.
  • Vorteilhaft ist beim erfindungsgemäßen Verfahren, dass ein Basiswert für das NO2-/NOX-Verhältnis im Strömungsweg des Abgases vor dem SCR-Katalysator ermittelt wird und daraus und aus einem Wirkungsgradmodell für den SCR-Katalysator auf ein NO2-/NOX-Verhältnis hinter dem SCR-Katalysator geschlossen wird. Die Ermittlung der Abgaswerte vor dem SCR-Katalysator geschieht dabei nach bereits bekannten Verfahren und/oder erfolgt durch Messungen über Sensoren. Die Ermittlung erfolgt darüber hinaus bevorzugt in Abhängigkeit von einer Temperatur eines Oxidationskatalysators, der im Strömungsweg vor dem SCR-Katalysator angeordnet ist, von einer Temperatur eines Partikelfilters, der im Abgasrohr zwischen dem Oxidationskatalysator und dem SCR-Katalysator angeordnet ist und von einem Abgasmassenstrom. Andere Betriebsparameter können bei Bedarf ebenfalls ausgewertet werden. Die Betriebsparameter können über Kennlinien oder Kennfelder in den Ermittlungsprozess einfließen. Ziel dabei ist, ein möglichst genaues NO2-/NOX-Verhältnis vor dem SCR-Katalysator zu erhalten, um für das Wirkungsgradmodell bestmögliche Eingangsvoraussetzungen zu schaffen.
  • Das Wirkungsgradmodell arbeitet im Übrigen unter der Annahme, dass zur Modellierung des NO2-/NOX-Verhältnisses hinter dem SCR-Katalysator eine Reduktion von NO2 und NO im SCR-Katalysator zu gleichen Anteilen erfolgt.
  • Ferner ist vorteilhaft, dass zur Ermittlung einer NOX-Konzentration hinter dem SCR-Katalysator eine Dosierung eines im SCR-Katalysator wirkenden Reduktionsmittels derart verringert wird, dass ein Wirkungsgrad des SCR-Katalysators absinkt. Dadurch wird sichergestellt, dass das Reduktionsmittel im SCR-Katalysator vollständig umgesetzt wird. Dadurch wird eine Beeinflussung des NOX-Sensorsignals durch einen sonst möglichen Reduktionsmittelschlupf vermieden. Durch die verringerte Dosierung an Reduktionsmittel werden unerwünschte Einflüsse bei der Ermittlung der NOX-Konzentration eliminiert.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale und Ansprüche nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
  • 1 das Umfeld der Erfindung,
  • 2 eine Signalflussdarstellung zur Ermittlung eines NO2-Gehalts vor dem SCR-Katalysator;
  • 3 eine Signalflussdarstellung zur Arbeitsweise eines Wirkungsgradmodells,
  • 4 eine Signalflussdarstellung zur Ermittlung eines NO2- und eines NO-Anteils hinter dem SCR-Katalysator unter Berücksichtigung einer Gesamtbilanz;
  • 5 ein Kennfeld zur Zuordnung eines von einem NOX-Sensor erkannten Signalwerts der NOX-Konzentration;
  • 6 eine Signalflussdarstellung zur Ermittlung eines hinter dem SCR-Katalysator herrschenden NO2-/NOX-Verhältnisses;
  • 7 eine Signalflussdarstellung zu einer ersten alternativen Ausführungsform des Verfahrens;
  • 8 eine Diagramm zur Darstellung eines thermodynamischen Gleichgewichts zu einer zweiten alternativen Ausführungsform des Verfahrens;
  • 9 eine Signalflussdarstellung zu einer dritten alternativen Ausführungsform des Verfahrens; und
  • 10 ein Flussdiagramm mit einem möglichen Ablauf des Verfahrens.
  • 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 11 mit einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung 13 in einem Kraftfahrzeug. Der Verbrennungsmotor 11 weist einen Motorblock 15 mit Einspritzventilen 16 für Kraftstoff auf (in 1 ist nur ein Einspritzventil 16 dargestellt), die mit einer als ein Steuergerät 17 ausgebildeten Steuer- und/oder Regeleinrichtung der Brennkraftmaschine 11 verbunden sind. Über ein Saugrohr 19 wird Luft (Pfeil 21) in Brennräume (nicht gezeigt) des Verbrennungsmotors 11 gesaugt. Im Saugrohr 19 ist ein Luftmassenstromsensor 20 angeordnet, der seine Signale zum Steuergerät 17 sendet. Das Saugrohr 19 kann alternativ oder ergänzend weitere Sensoren zum Erfassen verschiedener Zustandsgrößen der Luft 21, wie beispielsweise eine Lufttemperatur und/oder einen Luftdruck aufweisen. Zudem kann im Saugrohr 19 eine Drosselvorrichtung als Luftmengenstellglied zum Beeinflussen des Luftmassenstroms vorgesehen sein. Alternativ oder ergänzend kann ein Abgasrückführventil, ein Ladedruckventil oder ein Stellglied zur Verstellung der Geometrie eines Abgasturboladers als Luftmengenstellglied verwendet werden. Ferner kann im Saugrohr 19 ein Verdichter des Luftsystems zum Verdichten der dem Motorblock 15 zugeführten Luft 21 angeordnet sein, wobei der Verdichter wiederum einen Teil eines Abgasturboladers bilden kann.
  • Ferner weist der Verbrennungsmotor 11 ein Abgasrohr 23 auf, das die Abgase des Verbrennungsmotors 11 aufnimmt. Zwischen einem ersten Abschnitt 25 und einem zweiten Abschnitt 27 des Abgasrohrs 23 ist ein Oxidationskatalysator 29 angeordnet. Ein Ausgang des Oxidationskatalysators 29 ist über den zweiten Abschnitt 27 des Abgasrohrs 23 mit einem Eingang eines Partikelfilters 33 verbunden. Das vom Oxidationsfilter 29 ausströmende Abgas ist mit dem Bezugszeichen 34 gekennzeichnet. In Strömungsrichtung ist vor dem Oxidationskatalysator 29 ein erster Temperatursensor 31 und vor dem Partikelfilter 33 ein zweiter Temperatursensor 32 angeordnet. Beide Temperatursensoren 31 und 32 senden ihre Signale zum Steuergerät 17. Außerdem weist die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 13 einen SCR-Katalysator 35 auf (SCR = selektive catalytic reduction). Ein SCR-Katalysator begünstigt eine selektive katalytische Reduktion, die Stickoxide im Abgas in Anwesenheit von Sauerstoff reduziert. Der SCR-Katalysator 35 ist eingangsseitig über einen dritten Abschnitt 37 des Abgasrohrs 23 mit einem Ausgang des Partikelfilters 33 verbunden. Im dritten Abschnitt 37 ist vor dem SCR-Katalysator 35 ein dritter Temperatursensor 38 angeordnet. Der Ausgang des SCR-Katalysators 35 mündet in einen vierten Abschnitt 39 des Abgasrohrs 23. Im vierten Abschnitt 39 ist ein NOX-Sensor 40 angeordnet. Es sei darauf hingewiesen, dass die hier gezeigten Sensoren nur eine gewisse beispielhafte Auswahl darstellen und im realen Betrieb noch weitere Sensoren im Bereich des Abgasrohrs angeordnet sein können. In den dritten Abschnitt 37 des Abgasrohrs 23 ragt eine vom Steuergerät 17 steuerbare Dosiereinrichtung 42 zum Einspritzen einer wässrigen Harnstofflösung aus einem separaten Tank (nicht dargestellt) hinein. Ein Aktor der Dosiereinrichtung 42 ist mit einem Ausgang des Steuergeräts 17 verbunden. Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass in diesem Dokument unter NOX grundsätzlich ein Summenwert von Stickoxiden im Abgas verstanden wird.
  • Ziel ist die Berechnung eines NO2-/NOX-Verhältnisses 73 hinter dem SCR-Katalysator 35, so wie es weiter unten mit Bezug auf die 6 gebildet wird. Dazu wird zunächst die NO2-Rohemission vor dem SCR-Katalysator 35 ausgewertet. 2 zeigt das prinzipielle Verfahren an Hand einer Signalflussdarstellung. Die hier angewandte Signalflussdarstellung deckt dabei Verfahrensaspekte sowie Vorrichtungsaspekte ab. So wird in 2 durch Multiplikation einer im Steuergerät 17 bekannten NOX-Rohemission 44 mit einem im Steuergerät 17 bekannten NO2-/NOX-Verhältnis 46 in den Rohemissionen der NO2-Anteil 48 an den Rohemissionen ermittelt. Ein NO-Anteil ergibt sich anschließend aus einem Restanteil der Rohemissionen (nicht dargestellt). Die Steuerung des gesamten Verfahrens geschieht im Steuergerät 17. Es sei darauf hingewiesen, dass in einer weiteren (nicht dargestellten) Ausgestaltung des Verfahrens auch ein NO2-/NO-Verhältnis als Basis herangezogen werden könnte, da die Summe aus NO und NO2 den NOX-Anteil ergibt und aus zwei bekannten Größen immer die dritte Größe berechnet werden kann.
  • 3 zeigt die grundsätzliche Arbeitsweise eines Wirkungsgradmodells für den SCR-Katalysator 35 zur Ermittlung des NO2-Anteils 53 und des NOX-Anteils 52 an den Emissionen hinter dem SCR-Katalysator 35 in einer Signalflussdarstellung.
  • Im Steuergerät 17 ist ein Wirkungsgrad 50 des SCR-Katalysators 35 hinterlegt, wobei der Wirkungsgrad als eine Differenz zwischen dem Stickoxid-Anteil vor dem SCR-Katalysator 35 und dem Stickoxid-Anteil hinter dem SCR-Katalysator 35 in Relation zum Stickoxid-Anteil 35 vor dem SCR-Katalysator definiert ist. Daraus kann durch Multiplikation der NOX-Rohemissionen 44 mit dem Wirkungsgrad 50 das im SCR-Katalysator 35 umgesetzte NOX 52 ermittelt werden. Um einen möglichst genauen Wert für einen im SCR-Katalysator 35 umgesetzten NO2-Anteil 53 zu erlangen, wird die Temperatur 54 des SCR-Katalysators 35 berücksichtigt, die über Signale des Temperatursensors 38 ermittelt wird. Der Einfluss der Temperatur 54 wird über ein Kennfeld 56 berücksichtigt und multiplikativ mit dem umgesetzten NOX 52 berechnet. Die Berechnung geschieht unter der Annahme, dass NO und NO2 im SCR-Katalysator 35 im Verhältnis 1:1 umgesetzt werden. Ein umgesetzter NO-Anteil ergibt sich anschließend aus einem Restanteil des umgesetzten NOX 52 (nicht dargestellt). Die jeweils im SCR-Katalysator 35 umgesetzten Abgasanteile stellen die Abgaszusammensetzung hinter dem SCR-Katalysator 35 dar.
  • Bei der Ermittlung eines NO2- und NOX-Anteils hinter dem SCR-Katalysator 35 ist zu berücksichtigen, dass bei der Berechnung durch vorhandene Toleranzen eine Gesamtbilanz des NOX gestört werden kann. Das heißt, die Gesamtmenge an NOX vor dem SCR-Katalysator 35 muss mit der Gesamtmenge an NO2 und NO hinter dem SCR-Katalysator 35 identisch sein. Für den Fall, dass der berechnete NO bzw. NO2-Anteil, welcher innerhalb des SCR-Katalysators 35 umgesetzt wird, höher ist als ein jeweiliger NO-Anteil beziehungsweise NO2-Anteil vor dem Kat, wird die jeweilige Differenz dem anderen Reaktionspartner zugeschrieben. Die Gesamtbilanz des NO-Umsatzes entspricht daher immer dem Umsatz, der sich aus dem Wirkungsgradmodell ergibt. 4 zeigt eine Signalflussdarstellung, bei der die Gesamtbilanz an NOX berücksichtigt wird. So wird aus der Subtraktion des im SCR-Katalysator 35 umgesetzten NO2 53 von der NO2-Rohemission 48 ein über eine Minimum-/Maximum Abfrage angepasster NO2-Anteil 53' ermittelt, bei dem ein über das gleiche Verfahren angepasster NO-Anteil 60' (Input: NO-Rohemission 58 und umgesetztes NO 60) berücksichtigt wird. Die Minimum-/Maximum-Abfrage Schaltung gleicht dabei eventuelle durch Toleranzen bedingte Abweichungen in der Berechnung aus. Die beiden Ausgänge der Signalflussdarstellung bilden möglichst genau den NO2- und NO-Anteil 53' und 60' im Abgas hinter dem SCR-Katalysator 35 nach.
  • 5 stellt ein Kennfeld 62 dar, mit dem ein durch den NOX-Sensor 40 gemessenes Signals durch ein ermitteltes, reales NO2-/NOX-Verhältnis 73 (vgl. 6) beziehungsweise ein NO2-/NO-Verhältnis im Abgas hinter dem SCR-Katalysator 35 einer NOX-Konzentration 52 im Abgas zugeordnet wird. Auf der Ordinate sind im Kennfeld 62 mögliche Werte des dem NOX-Sensor 40 zugeordneten Signals 64 aufgetragen. Die Abszisse 66 zeigt den aus dem Kennfeld zugeordneten Wert der NOX-Konzentration. Das Kennfeld 62 weist im Wesentlichen zwei Geraden auf, wobei die steilere Gerade 68 die vom NOX-Sensor 40 gemessene NOX-Konzentration bei 100% NO und die flachere Gerade 70 die NOX-Konzentration bei 100% NO2 darstellt. Eine gestrichelt dargestellte Gerade 72 zeigt einen Mittelwert zwischen den beiden Geraden 68 und 70.
  • Ein vom Signalwert 64 des NOX-Sensors 40 ermittelter Wert 64 schneidet beide Geraden 68 und 70 und bildet so einen Bereich D möglicher Werte der NOX-Konzentration für den Signalwert 64 auf der Abszisse 66 des Kennfeldes 62. Durch den zuvor ermittelten NO2-, NOX- und damit auch NO-Wert hinter dem SCR-Katalysator 35 kann nun mit Hilfe eines im Steuergerät 17 abgelegten Algorithmus ein konkreter Wert innerhalb des Bereichs D auf der Abszisse 66 berechnet werden. Im einfachsten Fall errechnet der Algorithmus eine Position innerhalb des Bereichs D auf Grund der prozentualen Verteilung von NO und NO2. Natürlich kann auch ein Quotient aus NO2 und NOX, der das in 6 gebildete NO2-/NOX- Verhältnis 73 verwendet, angewandt werden. Der so berechnete Wert der NOX-Konzentration wird dem Signalwert 64 zugeordnet.
  • 6 zeigt eine Signalflussdarstellung zur Ermittlung des hinter dem SCR-Katalysator 35 herrschenden NO2-/NOX-Verhältnisses 73. Der ermittelte NO2-Anteil 53 hinter dem SCR-Katalysator 35 wird durch den ermittelten NOX-Anteil 52 hinter dem SCR-Katalysator 35 dividiert (vgl. 3). Das Resultat ist das NO2-/NOX-Verhältnis 73. Das Resultat wird anschließend zur Zuordnung des Signalwerts 64 des NOX-Sensors 40 zu einer NOX-Konzentration verwendet.
  • 7 zeigt eine erste alternative Ausführungsform des Verfahrens. Dabei wird lediglich aus der NO2-Konzentration 48 vor dem SCR-Katalysator 35 und dem Wirkungsgrad 50 des SCR-Katalysators 35 über ein Kennfeld 74 ein Basiswert für die NO2-Konzentration 53 hinter dem SCR-Katalysator 35 ermittelt, wobei die NO2-Konzentration 53 hinter dem SCR-Katalysator 35 in Abhängigkeit von der Temperatur 54 des SCR-Katalysators 35 über das Temperaturkennfeld 56 temperaturabhängig korrigiert wird. Auf die Ermittlung eines NO-Anteils wird hier also verzichtet. Es wird also lediglich der NO2-Anteil bewertet. der von dem NOX-Sensor 40 nicht exakt erfasst wird.
  • In einer weiterführenden Ausgestaltung dieser ersten alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird die NO2-Konzentration hinter dem SCR-Katalysator 35 zusätzlich unter Berücksichtigung eines thermodynamischen Gleichgewichts von NO und NO2 ermittelt. 8 zeigt dazu eine grafische Darstellung mit einer durchgezogenen Linie 76, die den Verlauf einer NO2-Konzentration (in ppm) über einer Temperatur T anzeigt, und eine gestrichelte Linie 78, die den Verlauf einer NO-Konzentration (in ppm) über der Temperatur T anzeigt. Bekanntermaßen liegt das thermodynamische Gleichgewicht bei einer Temperatur von ca. 200°C abwärts nahezu vollständig auf der Seite von NO2, während bei Temperaturen von ca. 650°C aufwärts ausschließlich von NO ausgegangen werden kann. Im Temperaturbereich dazwischen kommt es zu einem mehr oder weniger ausgeprägten Gleichgewicht zwischen NO und NO2 entsprechend der Darstellung.
  • In einer weiteren dritten alternativen Ausführungsform des Verfahrens ist es auch möglich, dass die NO2-Konzentration 53 hinter dem SCR-Katalysator 35 in Abhängigkeit der NO2-Konzentration 48 vor dem SCR-Katalysator 35 und einer im Steuergerät 17 bekannten Ammoniak-Beladung 80 des SCR-Katalysators 35 interpoliert wird. Diese Alternative berechnet zunächst über das Kennfeld 56 mit den Eingängen der SCR-Temperatur 54 und dem NO2-Gehalt 48 vor dem SCR-Katalysator 35 eine stationäre NO2-Konzentration 82 hinter dem SCR-Katalysator 35. Über eine Interpolationskurve des Kennfeldes 56 wird ein Basiswert des möglichen NO2-Anteils 53 hinter dem SCR-Katalysator 35 zunächst auf den Bereich des NO2-Gehalt 48 vor dem SCR-Katalysator 35 beschränkt. Die NO2-Konzentration 53 hinter dem SCR-Katalysator 35 ergibt sich schließlich durch eine Interpolation 84 zwischen diesen Werten 48 und 82, wobei als Interpolationsfaktor 86 eine relative Ammoniak-Beladung 80 des SCR-Katalysators 35 genommen wird. Ein niedriger Wert 80 repräsentiert einen niedrigen Ammoniak-Füllstand und somit einen niedrigen NOX-Umsatz. Damit wird der NO2-Gehalt 53 hinter dem SCR-Katalysator 35 mit dem NO2-Gehalt vor dem SCR-Katalysator 35 gleichgesetzt. Ist die relative Ammoniak-Beladung 80 gleich Eins, d. h. der Ammoniak-Istfüllstand ist gleich einem Sollfüllstand, so wird der NO2-Anteil 53 allein über das Kennfeld 56 bestimmt. Für Werte zwischen Null und Eins erfolgt eine lineare Interpolation 84 mit dem Faktor, der sich aus einer Interpolationskennlinie ergibt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert zum Beispiel folgendermaßen:
    Zunächst wird im Schritt 100 das Reduktionsmittel in das Abgasrohr 13 vor dem SCR-Katalysator 35 in einer Menge eingespritzt, bei der sichergestellt ist, dass das gesamte vom Reduktionsmittel abgespaltene Ammoniak vollständig im SCR-Katalysator 35 umgesetzt wird, so dass kein Ammoniak aus dem Abgasrohr 13 ausgestoßen wird und der NOX-Sensor 40 nicht durch Ammoniak beeinflusst wird.
  • Anschließend wird im Schritt 110 das Signal des NOX-Sensors 40 im Steuergerät 17 ausgewertet. Man erhält einen Signalwert 64 für die NOX-Konzentration im Abgas hinter dem SCR-Katalysator 35.
  • Daraufhin wird in Schritt 120 der NO2-Anteil 48 und der NOX-Anteil 44 vor dem SCR-Katalysator 35 durch bekannte Verfahren unter Berücksichtigung von Betriebsparametern des Verbrennungsmotor 11 und der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 13 ermittelt.
  • Im Steuergerät 17 ist ein Wirkungsgradmodell für den SCR-Katalysator 35 implementiert, das im Schritt 130 den ermittelten NO2-Anteil 48 und den NOX-Anteil 44 vor dem SCR-Katalysator 35 in den NO2-Anteil 53 und den NOX-Anteil 52 hinter dem SCR-Katalysator 35 umsetzt. Es ergibt sich ein definiertes NO2-/NOX-Verhältnis 73 hinter dem SCR-Katalysator 35. Bei Bedarf kann ein NO-Anteil 60 hinter dem SCR-Katalysator 35 berechnet werden. Auch dabei werden Betriebsparameter, insbesondere die Temperatur des SCR-Katalysators 35 berücksichtigt.
  • In Schritt 140 wird anhand des gemessenen Signalwerts 64 des NOX-Sensors 40 im Kennfeld 62 der Bereich D festgelegt. Das NO2-/NOX Verhältnis 73 bestimmt hierbei die genaue Position des zugeordneten NOX-Konzentrationswerts innerhalb des Bereichs D auf der Abszisse 66 des Kennfelds 62. Anschließend kann mit Hilfe der ermittelten NOX-Konzentration z. B. während einer vom Steuergerät 17 angestoßenen Adaptionsphase eine so ermittelte, notwendige Anpassung der Einspritzmenge an Reduktionsmittel durchgeführt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10300298 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Ermittlung einer NOX-Konzentration (52) im Strömungsweg hinter einem in einer Abgasanlage (23) eines Verbrennungsmotors (11) angeordneten SCR-Katalysators (35), wobei ein von der NOX-Konzentration (52) abhängiges Signal (64) eines dort angeordneten NOX-Sensors (40) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein modellierter Wert (73) eines sich dort einstellenden Verhältnisses von NO2 (53) zu NOX (52) aus Betriebsparametern des Verbrennungsmotors (11) und/oder der Abgasanlage (23) ermittelt wird und die NOX-Konzentration (52) in Abhängigkeit von dem erfassten Signal (64) und dem modellierten Wert (73) ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das NO2-/NOX-Verhältnis (46) im Abgas im Strömungsweg vor dem SCR-Katalysator (35) ermittelt wird und daraus und aus einem Wirkungsgradmodell für den SCR-Katalysator (35) auf ein NO2-/NOX-Verhältnis (73) hinter dem SCR-Katalysator (35) geschlossen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des NO2-/NOX-Verhältnis (46) vor dem SCR-Katalysator (35) in Abhängigkeit von einer Temperatur eines Oxidationskatalysators (29), der im Strömungsweg vor dem SCR-Katalysator (35) angeordnet ist, von einer Temperatur eines Partikelfilters (33), der im Abgasrohr (23) zwischen dem Oxidationskatalysator (29) und dem SCR-Katalysator (35) angeordnet ist und von einem Abgasmassenstrom erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung einer NOX-Konzentration (52) hinter dem SCR-Katalysator (35) ein im SCR-Katalysator (35) wirkendes Reduktionsmittel derart dosiert eingespritzt wird, dass dadurch ein Wirkungsgrad (50) des SCR-Katalysators (35) vermindert wird, wobei dadurch sichergestellt wird, dass das Reduktionsmittel im SCR-Katalysator (35) vollständig umgesetzt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modellierung des NO2-/NOX-Verhältnisses (73) hinter dem SCR-Katalysator (35) unter der Annahme erfolgt, dass eine Reduktion von NO2 und NO im SCR-Katalysator (35) zu gleichen Anteilen erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die NO2-Konzentration (53) im Strömungsweg hinter dem SCR-Katalysator (35) in Abhängigkeit von einer NO2-Konzentration (48) vor dem SCR-Katalysator (35), einem Wirkungsgrad (50) des SCR-Katalysators (35) und einer Temperatur (54) des SCR-Katalysators (35) ermittelt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die NO2-Konzentration (53) hinter dem SCR-Katalysator (35) unter Berücksichtigung eines thermodynamischen Gleichgewichts von NO und NO2 ermittelt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine stationäre NO2-Konzentration (82) im Strömungsweg hinter dem SCR-Katalysator (35) in Abhängigkeit von der NO2-Konzentration (48) im Strömungsweg vor dem SCR-Katalysator (35) und von einer Ammoniak-Beladung (80) des SCR-Katalysators (35) interpoliert wird.
  9. Steuer- und/oder Regeleinrichtung (17), die zur Ermittlung einer NOX-Konzentration (52) im Strömungsweg hinter einem in einer Abgasanlage (23) eines Verbrennungsmotors (11) angeordneten SCR-Katalysator (35) eingerichtet ist, wobei die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (17) dazu eingerichtet ist, ein von der NOX-Konzentration (52) abhängiges Signal (64) eines dort angeordneten NOX-Sensors (40) zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (17) dazu eingerichtet ist, einen modellierten Wert (73) eines sich dort einstellenden Verhältnisses von NO2 (53) zu NOX (52) aus Betriebsparametern des Verbrennungsmotors (11) und/oder der Abgasanlage (23) zu ermitteln und die NOX-Konzentration (52) in Abhängigkeit von dem erfassten Signal (64) und dem modellierten Wert (73) zu ermitteln.
  10. Steuer- und/oder Regeleinrichtung (17) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (17) dazu eingerichtet ist, den Ablauf eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zu steuern.
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