DE102010002620A1 - Verfahren zum Betreiben eines SCR-Katalysators - Google Patents

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Betreiben eines SCR-Katalysators zur Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, bei dem zur Minderung von Stickoxiden (NOx) im Abgas ein Reduktionsmittel zudosiert wird und die erforderliche Menge des zuzudosierenden Reduktionsmittels anhand eines Modells errechnet wird, wird bei einer Abweichung oberhalb einer vorgebbaren Schwelle zwischen einem gemessenen NOx-Sensorwert NOxSens (22) stromabwärts des SCR-Katalysators und einem modellierten NOx-Wert NOxEst (23) stromabwärts des SCR-Katalysators eine diskontinuierliche Adaption durch Senkung des Füllstandes im ängigkeit von einer erkannten Unterdosierung oder Überdosierung des Reduktionsmittels durchgeführt. Zur weiteren kontinuierlichen Adaption der Dosierung des Reduktionsmittels wird NOxSens (22) mit NOxEst (23) verglichen und bei NOxSens (22) < NOxEst (23) die Dosierung des Reduktionsmittels reduziert und bei NOxSens (22) > NOxEst (23) die Dosierung erhöht.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines SCR-Katalysators zur Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, wobei zur Minderung von Stickoxiden im Abgas ein Reduktionsmittel zudosiert wird und die erforderliche Menge des zuzudosierenden Reduktionsmittels anhand eines Modells errechnet wird.
  • Stand der Technik
  • Es sind Verfahren und Vorrichtungen zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt, in deren Abgasbereich ein SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction) angeordnet ist, der die im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxide (NOx) in Gegenwart eines Reduktionsmittels zu Stickstoff reduziert. Hierdurch können die Stickoxide im Abgas erheblich vermindert werden. Für den Ablauf der Reaktion wird Ammoniak (NH3) benötigt, das dem Abgas zugemischt wird. Als Reduktionsmittel werden NH3 oder NH3-abspaltende Reagenzien eingesetzt. In der Regel wird hierfür eine wässrige Harnstofflösung verwendet, die vor dem SCR-Katalysator in den Abgasstrang mit Hilfe einer Dosiereinrichtung eingespritzt wird. Aus dieser Lösung bildet sich NH3, das als Reduktionsmittel wirkt. Die Dosierung des Reduktionsmittels erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit von den motorischen Stickoxidemissionen und ist damit von der momentanen Drehzahl und dem Drehmoment des Motors abhängig. Die Dosierung wird daher vorzugsweise in Abhängigkeit von Betriebs-Kenngrößen der Brennkraftmaschine und in Abhängigkeit von Abgas-Kenngrößen vorgenommen.
  • Die Dosierung des Reduktionsmittels muss sorgfältig festgelegt werden. Bei einer zu geringen Dosierung können die Stickoxide im SCR-Katalysator nicht mehr vollständig reduziert werden. Bei einer zu hohen Dosierung kann es zu einem sogenannten Reduktionsmittelschlupf (NH3-Schlupf) kommen, der einerseits zu einer Geruchsbelästigung durch das freiwerdende Ammoniak führt und andererseits einen unnötig hohen Verbrauch an Reduktionsmittel zur Folge hat.
  • Der Wirkungsgrad eines SCR-Katalysators ist sowohl von der Temperatur als auch ganz entscheidend von dem NH3-Füllstand des Katalysators bzw. dessen Beladung mit NH3 abhängig. SCR-Katalysatoren lagern durch Adsorption an ihrer Oberfläche eine gewisse Menge Ammoniak ein. Dadurch stehen für die Stickoxid-Reduktion neben dem direkt als Harnstofflösung zudosierten Ammoniak auch gespeichertes Ammoniak zur Verfügung, wodurch sich der Wirkungsgrad gegenüber einem entleerten Katalysator erhöht. Das Speicherverhalten ist abhängig von der jeweiligen Betriebstemperatur des Katalysators, d. h. je geringer die Temperatur ist, umso größer ist das Speichervermögen.
  • Hat der Katalysator seinen Speicher vollständig gefüllt, kann es bei Lastsprüngen zu NH3-Schlupf kommen. Dies kann selbst dann der Fall sein, wenn kein Reduktionsmittel mehr eingespritzt wird. Da es in der Regel gewünscht ist, möglichst hohe Stickoxid-Umsätze zu erzielen, ist es erforderlich, den SCR-Katalysator bei einem hohen NH3-Füllstand zu betreiben. Hierbei bezeichnet der NH3-Füllstand den Grad der Beladung des SCR-Katalysators mit gespeichertem NH3. Es kann selbst bei genau ausgelegter Dosiermenge unter instationären Bedingungen kurzfristig zu NH3-Schlupf kommen.
  • Um die Dosierung des Reduktionsmittels zu optimieren, schlägt die DE 10 2004 031 624 A1 ein Verfahren zum Betreiben eines zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine verwendeten SCR-Katalysators vor, bei dem eine Steuerung oder Regelung des Füllstandes des Reduktionsmittels, insbesondere des NH3-Füllstandes, im SCR-Katalysator auf einen vorgegebenen Sollwert vorgesehen ist. Durch die gezielte Vorgabe des Sollwertes soll sichergestellt werden, dass insbesondere bei instationären Zuständen der Brennkraftmaschine einerseits eine ausreichende Menge von Reduktionsmittel zur katalytischen Reduktion von Stickoxiden zur Verfügung steht und dass andererseits ein Schlupf von Reduktionsmittel vermieden wird. Der Reduktionsmittelfüllstand des SCR-Katalysators wird anhand eines Katalysatormodells (SCR-Modell) ermittelt. Hierbei wird der in den SCR-Katalysator einströmende NOx-Massenstrom, der den SCR-Katalysator verlassende NOx-Massenstrom, die Katalysatortemperatur sowie gegebenenfalls der NH3-Schlupf berücksichtigt. Die Wirkungsgrad des SCR-Katalysators hängt von der katalytischen Aktivität ab, die bei geringen Betriebstemperaturen gering ist, mit steigender Betriebstemperatur ein Maximum durchläuft und bei weiter zunehmender Betriebstemperatur wieder absinkt. Auch der maximal mögliche Reduktionsmittelfüllstand des SCR-Katalysators hängt von der Betriebstemperatur des SCR-Katalysators, wie oben erwähnt, ab.
  • Die Berechnung der notwendigen Menge an Reduktionsmittel unterliegt einer Vielzahl von Fehlern und Abweichungen. Beispielsweise beeinflussen die Motorrohemissionen, der Umsatzgrad des Katalysators und auch Ungenauigkeiten des Dosiersystems die Berechnung der Dosiermenge. Daher ist eine Adaption des Füllstandes des Katalysators erforderlich. Um eine Adaption vornehmen zu können, wird in der Regel ein NOx-Sensor eingesetzt, der die Stickoxid menge stromabwärts des SCR-Katalysators erfasst. Aufgrund des Messprinzips bei üblichen NOx-Sensoren zeigen diese Sensoren eine Querempfindlichkeit gegenüber NH3. Daher misst ein herkömmlich verwendeter NOx-Sensor ein Summensignal aus NOx und NH3. Das SCR-Modell berechnet hingegen ausschließlich die NOx-Emissionen stromabwärts des SCR-Katalysators. Daher können Abweichungen vom gemessenen NOx-Sensorwert drei Ursachen haben: Neben der Modellungenauigkeit (bis zu ±50 ppm) als erste Ursache können eine Unterschätzung des Füllstandes des SCR-Katalysators und damit eine Freisetzung von NH3 (NH3-Schlupf) und eine Überschätzung des Füllstandes und damit ein Minderumsatz und Freisetzung von NOx (NOx-Schlupf) die Ursachen der Abweichung sein.
  • Das aus der Offenlegungsschrift DE 10 2004 031 624 A1 bekannte Verfahren zur Regelung der Dosiermenge hat den Nachteil, dass das Verfahren von einer Unterdosierung ausgeht. Sollte aufgrund verschiedener Umstände jedoch eine Überdosierung vorliegen, geht das Verfahren weiterhin von einer Unterdosierung aus und wird den Regelwert so lange anheben, bis ein maximaler Regelanschlag erreicht ist. Nach Erreichen dieses Anschlages ist es erforderlich, den Regelwert neu zu initialisieren. In der Phase bis zum Erreichen des Regelanschlags kann daher unerwünschterweise viel NH3 freigesetzt werden.
  • Zur Adaption des Dosiersystems ist es weiterhin bekannt, bei dem Erreichen oder Überschreiten einer vergebbaren Schwelle der Abweichung des Sensorwertes vom errechneten Wert zunächst eine Erhöhung des berechneten Ist-Füllstandes des Katalysators im SCR-Modell vorzunehmen. Als Reaktion des Systems wird die Dosiermenge des Reduktionsmittels vom System verkleinert. Hierdurch wird der NH3-Füllstand abgesenkt. Der NH3-Anteil des Summensignals wird gezielt abgebaut mit dem Ergebnis, dass der querempfindliche NOx-Sensor ein Signal misst, das ausschließlich auf NOx zurückzuführen ist. Je nachdem, ob ein NH3-Schlupf oder ein NOx-Schlupf (Minderumsatz) vorlag, führt die im Zuge dieser Adaption erfolgende Absenkung des Füllstandes zu folgenden Fällen:
    • a) Bei einer Unterdosierung, d. h. bei einem Minderumsatz, wird sich der Wirkungsgrad des SCR-Katalysators gegenüber dem Modellwert weiter verschlechtern. Der Füllstand im SCR-Katalysator ist tatsächlich kleiner als der vom Modell angenommene Füllstand. Das führt dazu, dass der Wirkungsgrad gegenüber dem Modell deutlich kleiner ausfallen wird. Das NOx-Sensorsignal wird sich nach der Absenkung des Füllstandes zwischen dem Modellwert und den Rohemissionen bewegen.
    • b) Bei einer Überdosierung, d. h. einem NH3-Schlupf, wird zuerst ebenfalls ein NOx-Sensorsignalanstieg durch die freigesetzte NH3-Menge zu beobachten sein. Durch die Reduzierung der Dosiermenge und durch die nach wie vor anliegenden Rohemissionen kann sich aber mit der Zeit das überschüssige NH3 abbauen. Da bei der Überdosierung der tatsächliche Füllstand des SCR-Katalysators über dem nach dem Modell angenommenen Füllstand liegt, wird der Wirkungsgrad nach dem Abbau des freigesetzten NH3 deutlich besser sein, als vom Modell angenommen.
  • Durch die Absenkung des Füllstandes im Zuge der Adaption können diese beiden Fälle unterschieden werden und das System entsprechend angepasst werden. Bei einer festgestellten Überdosierung kann der aktuelle Modellfüllstand mit dem Sollwert initialisiert werden. Bei einer erkannten Unterdosierung oder bei einer Adaption bzw. Plausibilisierung ohne Ergebnis kann der Füllstand über den Füllstandsregler wieder auf den Sollwert angefüllt werden. Anschließend ist es wieder erforderlich, zu dem normalen Dosierbetrieb zurückzukehren.
  • Bei systematischen Fehlern (Systemtoleranzen) lässt sich die Häufigkeit der notwendigen Adaptionseingriffe durch einen Langzeitadaptionsfaktor, der direkt auf die Vorsteuermenge eingreift, verringern. Die Dosierstrategie passt sich damit an das jeweilige System sowie auch an länger andauernde Umwelteinflüsse an.
  • Diese üblicherweise durchgeführte Adaption des SCR-Katalysatorsystems hat jedoch verschiedene Nachteile. Während der Adaption muss der NH3-Füllstand abgesenkt werden, um anschließend eine Entscheidung treffen zu können, ob eine Überdosierung oder eine Unterdosierung vorlag. Durch diese Absenkung des Füllstandes ist mit einer Umsatzverschlechterung und einem Wirkungsgradverlust während des Vorgangs zu rechnen. Weiterhin kann insbesondere bei Fahrzeugen oder Motoren mit geringen NOx-Rohemissionen die benötigte Zeit zum Absenken des NH3-Füllstandes im SCR-Katalysator verhältnismäßig lang sein, sodass eine Adaption bzw. Plausibilisierung mit gültigem Ergebnis nur bei einem längeren Fahrzyklus bzw. einer längeren Betriebszeit durchführbar ist. Schließlich korrigiert die Adaption die Dosiermenge nur diskontinuierlich, d. h. es muss zuerst eine Abweichung zwischen dem NOx-Sensorsignal und dem Modellwert nach dem SCR-Katalysator auftreten, um eine Adaption starten zu können. Die zum Starten der Adaption vorgebbare Abweichung muss aufgrund von Modellungenauigkeiten ausreichend groß angenommen werden, um ein zu häufiges Auslösen der Adaption mit Absenkung des Füllstandes zu vermeiden. Dies bedeutet, dass der Wirkungsgrad bzw. der Umsatz im SCR-Katalysator erst deutlich einbrechen muss, bevor eine Adaption gestartet wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile dieser Adaption eines SCR-Katalysatorsystems zu vermeiden und insbesondere die im Zuge der Adaption auftretende Verschlechterung des NOx-Umsatzes zu minimieren.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines SCR-Katalysators gelöst, wie es Gegenstand des Anspruchs 1 ist. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betreiben eines SCR-Katalysators zur Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine vorgesehen, wobei zur Minderung von Stickoxiden (NOx) im Abgas ein Reduktionsmittel zudosiert wird und die erforderliche Menge des zuzudosierenden Reduktionsmittels anhand eines Modells errechnet wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Abweichung eines gemessenen NOx-Wertes stromabwärts des SCR-Katalysators von einem modellierten bzw. errechneten NOx-Wert stromabwärts des SCR-Katalysators eine Absenkung des NH3-Füllstandes im SCR-Katalysator vorgenommen wird und das System in Abhängigkeit von einer erkannten Unterdosierung oder Überdosierung des Reduktionsmittels eingestellt wird. Eine weitere Feinanpassung des Systems wird derart vorgenommen, dass im Zuge einer kontinuierlichen Adaption bei Abweichungen des gemessenen NOx-Wertes stromabwärts den SCR-Katalysators (NOxSens) vom berechneten oder modellierten NOx-Wert nach dem SCR-Katalysator (NOxEst) die Dosiermenge über die Veränderung eines Dosiermengenfaktors kontinuierlich angepasst wird. Ist NOxSens kleiner als NOxEst wird die Dosierung des Reduktionsmittels reduziert. Ist NOxSens größer als NOxEst wird die Dosierung erhöht. Als NOx-Werte können beispielsweise die Massenströme der NOx-Emissionen stromabwärts des SCR-Katalysators am Sensor bzw. am Modell oder die Konzentrationen der NOx-Emissionen herangezogen werden. Weiterhin können Integrale dieser Werte eingesetzt werden. Bei der Berechnung des Dosiermengenfaktors, im Folgenden auch als Adaptionsfaktor facQtyAdap bezeichnet, fließt vorzugsweise auch ein stromaufwärts des SCR-Katalysators gemessener oder berechneter NOx-Wert, insbesondere ein NOx-Massenstrom (NOxRoh) ein, wobei der errechnete NOx-Massenstrom aus einem NOx-Rohemissionsmodell abgeleitet werden kann.
  • Vorzugsweise wird der Adaptionsfaktor facQtyAdap solange in Abhängigkeit von den Verhältnissen der Werte NOxSens und NOxEst verändert, bis die Differenz zwischen NOxSens und NOxEst konstant bleibt oder NOxSens gleich NOxEst ist.
  • Der Adaptionsfaktor facQtyAdap wird vorzugsweise durch einen Integral-Regler (I-Regler) oder einem Proportionalintegral-Regler (PI-Regler) eingestellt. In den I-Regler oder den PI-Regler fließt die Differenz der stromabwärts des SCR-Katalysators gemessenen NOx-Werte (Ist-Wert) und der modellierten bzw. errechneten NOx-Werte (Sollwert) ein. Hierfür können beispielsweise die Massenströme oder die Konzentrationen der NOx-Emissionen stromabwärts des SCR-Katalysators eingesetzt werden. Die Ausgangsgröße des PI/I-Reglers kann mit einem Verstärkungsfaktor des Reglers multipliziert werden. Der Dosiermengenfaktor facQtyAdap kann weiterhin mit einem Rohwert des Adaptionsfaktors facQtyAdapRaw zusammengefasst und anschließend der Wert des Reglers mit NULL resetiert werden. Der aktuelle Adaptionsfaktor facQtyAdap wird insbesondere als multiplikative Korrektur mit der Dosier-Sollanforderung des Reduktionsmittels multipliziert.
  • Der Adaptionsfaktor kann einmalig bei jedem Fahrzyklus eingestellt werden, in Abhängigkeit von einer feststellbaren Differenz zwischen NOxSens und NOxEst. Besonders bevorzugt ist es, den Adaptionsfaktor kontinuierlich zu errechnen und einzustellen, sobald vorgebbare Freigabebedingungen, wie beispielsweise die Temperatur des SCR-Katalysators, Freigabe der NOx-Sensorsignale, Dosierbetrieb „DOSING” und keine Regelabweichung am Füllstandsregler, erfüllt sind.
  • Die Reglerempfindlichkeit kann vorzugsweise appliziert werden, um ein Optimum zwischen Schnelligkeit und Robustheit des Systems durch Einstellung der Regelparameter zu realisieren. Insbesondere kann der Regler-Eingangswert limitiert werden, um bei kurzfristig großen Regelabweichungen die Regelgeschwindigkeit zu begrenzen, insbesondere bei einer Überdosierung.
  • Die Erfindung umfasst weiterhin ein Computerprogramm, das alle Schritte des beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät einer Brennkraftmaschine abläuft. Die Erfindung umfasst schließlich ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät einer Brennkraftmaschine ausgeführt wird. Dieses Computerprogramm bzw. das Computerprogrammprodukt kann mit besonderem Vorteil zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden, in deren Abgasbereich ein SCR-Katalysator zur Nachbehandlung der Abgase vorgesehen ist. Durch die Applikation des erfindungsgemäßen Computerprogramms kann der Betrieb des SCR-Katalysators und der Wirkungsgrad des SCR-Katalysators wesentlich verbessert werden. Hierbei erfolgt eine diskontinuierliche Adaption durch gezielte NH3-Füllstandsabsenkung im SCR-Katalysator kombiniert mit einer kontinuierlichen Adaption des Reduktionsmittelfüllstandes, wobei das SCR-Katalysatormodell und das Dosiersystem kontinuierlich aneinander angepasst werden. Der besondere Vorteil des Computerprogramms liegt darin, dass das erfindungsgemäße Verfahren ohne Weiteres auch bei bestehenden Systemen und insbesondere bei bestehenden Kraftfahrzeugen aufgespielt und eingesetzt werden kann, ohne dass weitere Systemkomponenten eingebaut werden müssten.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Hierbei können die verschiedenen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • In den Figuren zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung der NOx-Sensorsignale in Abhängigkeit von der NH3-Beladung des SCR-Katalysators;
  • 2 eine schematische Darstellung der Ermittlung des Adaptionsfaktors gemäß der Erfindung;
  • 3 eine schematische Darstellung der Verläufe der NOx-Werte und des Adaptionsfaktors bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei geringer Unterdosierung;
  • 4 eine schematische Darstellung der Verläufe der NOx-Werte und des Adaptionsfaktors bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei geringer Überdosierung,
  • 5 eine schematische Darstellung der Verläufe der NOx-Werte und des Adaptionsfaktors bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei großer Überdosierung und
  • 6 eine schematische Darstellung der Verläufe der NOx-Werte und des Adaptionsfaktors bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei geringer Unterdosierung über mehrere Fahrzyklen.
  • Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere bei Kraftfahrzeugen mit einem Standard-Abgassystem und mit SCR-Katalysator eingesetzt werden. Als typische Anordnung in Abgasströmungsrichtung kann dabei beispielsweise ein Oxidationskatalysator, eine Dosiereinheit für NH3-abspaltende Reagenzien und ein SCR-Katalysator vorgesehen sein. Eine andere Anordnung kann beispielsweise einen Oxidationskatalysator, einen Diesel-Partikel-Filter, eine Dosiereinheit für NH3-abspaltende Reagenzien und schließlich einen SCR-Katalysator umfassen.
  • Erfindungsgemäß wird eine kontinuierliche Adaption durch Einstellung eines Adaptionsfaktors mit einer diskontinuierlichen Adaption des SCR-Katalysatorsystems durch Füllstandsabsenkung kombiniert. Hierbei wird parallel und zusätzlich zu der kontinuierlichen Adaption geprüft, ob ein vorgebbarer Schwellenwert der Abweichung des gemessenen vom berechneten NOx-Wert (z. B. Massenstrom oder Konzentration oder entsprechende integrierte Werte) vorliegt. Die Füllstandsabsenkung kann beispielsweise ausgelöst werden, wenn die Differenz zwischen einem NOx-Sensorwert stromabwärts des SCR-Katalysators und dem entsprechenden modellierten NOx-Wert, z. B. [ppm] oder [mg/s], eine applizierbare Zeit größer als eine vorgebbare Schwelle ist. Eine weitere Möglichkeit ist das Überschreiten einer vorgebbaren Differenz in Bezug auf integrierte Messwerte und modellierte Werte. Ist eine unzulässig hohe Abweichung feststellbar, wird eine diskontinuierliche Adaption durch Absenkung des Füllstandes gestartet und durch gezielte Senkung des NH3-Füllstandes im SCR-Katalysator überprüft, ob ein NH3-Schlupf oder ein Minderumsatz, d. h. ein NOx-Schlupf, vorlag. Je nach Ergebnis dieser Überprüfung wird das System eingestellt und so eine Anpassung des Systems vorgenommen. Eine weitere Feinanpassung wird durch die Einregelung eines Adaptionsfaktors unter Berücksichtigung von gemessenen NOx-Werten und Modell-NOx-Werten stromabwärts des SCR-Katalysators vorgenommen. Hierbei kann eine gegebenenfalls vorliegende langsame Drift nachgeführt werden. Zum Auffinden eines stabilen Arbeitspunktes ist es hierbei erforderlich, dass der Wirkungsgrad des SCR-Katalysators besser als der Modellwirkungsgrad ist.
  • 1 zeigt verschiedene mögliche Betriebszustände eines SCR-Systems, bei dem ein Reduktionsmittel, also insbesondere ein NH3-abspaltendes Reagenz, zudosiert wird. Hierbei ist die Beladung des SCR-Katalysators mit NH3 (NH3 load) gegenüber dem gemessenen Signal eines NOx-Sensors stromabwärts des SCR-Katalysators dargestellt. Zur Reduktion von NOx im SCR-Katalysator ist das Reduktionsmittel NH3 erforderlich. Ein Teil des Reduktionsmittels wird im SCR-Katalysator gespeichert, sodass die Beladung des SCR-Katalysators mit NH3 so weit ansteigt, bis sich ein Gleichgewicht zwischen der dosierten Menge und der verbrauchten Menge von NH3 einstellt. Dieses Gleichgewicht ist so lange vorhanden, bis der maximal mögliche Umsatz des SCR-Katalysators für den jeweiligen Betriebspunkt erreicht ist. Eine weitere Erhöhung der Dosiermenge würde zu einem zu hohen NH3-Füllstand im SCR-Katalysator führen. Eine weitere Einspeicherung von NH3 im SCR-Katalysator ist dann nicht mehr möglich und es kommt zu einem NH3-Schlupf, d. h. die NH3-Emissionen stromabwärts des SCR-Katalysators steigen an.
  • Um einen hohen Wirkungsgrad des SCR-Katalysators über längere Zeit aufrechterhalten zu können, ist es deshalb erforderlich, das System über einen NOx-Sensor, der stromabwärts des SCR-Katalysators angeordnet ist, im Vergleich mit modellierten Werten kontinuierlich zu überprüfen. Da übliche NOx-Sensoren eine Querempfindlichkeit gegenüber NH3 zeigen, kann das NOx-Signal nur ein Summensignal aus NOx und NH3 anzeigen. Es ist daher nicht möglich, einen einfachen Regler zu verwenden. Aus dem Stand der Technik ist es bereits bekannt, bei größeren Abweichungen der Sensorsignale von einem zu erwartenden Modellwert einzugreifen und das System wieder in den Bereich innerhalb tolerierbarer Abweichungen zwischen Modellwert und gemessenem Wert zurückzuführen. In der 1 ist der errechnete Modellwert (model) als gleichbleibende durchgehende Linie für das NOx-Sensorsignal dargestellt. Darüber liegt, in gestrichelter Linienführung angedeutet, der Schwellenwert für eine tolerierbare Abweichung des gemessenen NOx-Sensorwertes von dem Modellwert. Die Kurve 1 beschreibt das gemessene NOx-Sensorsignal in Abhängigkeit von der Beladung des SCR-Katalysators mit NH3 (NH3 load) bzw. von dem NH3-Füllstand. Links und rechts von den Schnittpunkten 2 und 3 der gemessenen NOx-Sensorsignale mit dem Schwellenwert (gestrichelte Linie) der tolerierbaren Abweichung vom Modellwert wird eine aus dem Stand der Technik bekannte Adaption des Systems durchgeführt, wobei der NH3-Füllstand des SCR-Katalysators gezielt abgesenkt wird und in Abhängigkeit von der Reaktion des Systems auf einen Minderumsatz oder einen NH3-Schlupf geschlossen wird. Beispielsweise durch erneute Initialisierung des Systems kann das System wieder in den Bereich zwischen den Schnittpunkten 2 und 3 zurückgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt neben dieser bereits bekannten Adaption des SCR-Katalysatorsystems eine weitere Optimierung des Systems zwischen den Punkten 2 und 3, um einen optimalen Betriebspunkt OP anzufahren bzw. einzustellen. Der optimale Betriebspunkt bezeichnet den Betriebspunkt, bei dem der gemessene NOx-Wert mit dem NOx-Modellwert übereinstimmt. Hierfür wird kontinuierlich ein Adaptionsfaktor facQtyAdap ermittelt, mit dem die Dosierung kontinuierlich geregelt wird und das System damit dem optimalen Betriebspunkt OP immer weiter angenähert wird.
  • 2 zeigt ein schematisches Regler-Schaltbild zur Ermittlung des Adaptionsfaktors bzw. Dosiermengenfaktors facQtyAdap. Die Regelgröße sind NOx-Werte stromabwärts des SCR-Katalysators. Als Ist-Wert kann beispielsweise der Massenstrom der NOx-Emissionen stromabwärts des SCR-Katalysators am Sensor (dmNOxSensDs) oder die Konzentration der NOx-Emissionen stromabwärts des SCR-Katalysators am Sensor (rNOxSensDs) herangezogen werden. Die Differenz eines dieser Werte mit einem entsprechenden modellierten Sollwert, also insbesondere dem Massenstrom der NOx-Emissionen stromabwärts des SCR-Katalysators gemäß Modell (dmNOxModDs) oder der Konzentration der NOx-Emissionen stromabwärts des SCR-Katalysators gemäß Modell (rNOxModDs), wird gebildet und als Eingangsgröße für den PI/I-Regler verwendet. Die Ausgangsgröße des Reglers kann mit einem Verstärkungsfaktor des Reglers (Faktor) multipliziert werden. Vorzugsweise wird bei einer Adaption der Wert des Reglers und der Wert von facQtyAdap zu facQtyAdapRaw (neu) zusammengefasst. Anschließend wird der Wert des Reglers mit NULL resetiert. Der Wert von facQtyAdapRaw als Rohwert des Adaptionsfaktors wird vorzugsweise beim Abstellen des Motors gespeichert und beim Starten wieder ausgelesen. Auf diese Weise wird facQtyAdap als aktueller Adaptionsfaktor ermittelt, der für eine multiplikative Korrektur mit der Dosier-Sollanforderung des Reduktionsmittels multipliziert wird. Im Einzelnen wird dieses Verfahren derart durchgeführt, dass der Adaptionsfaktor aus EEPROM zu Beginn ausgelesen wird. Während des Fahrbetriebs wird der Anteil des Reglers zum ausgelesenen Adaptionsfaktor addiert. Wird das Fahrzeug ohne eine diskontinuierliche Adaption durch Füllstandsabsenkung abgestellt, wird die Summe aus Anteil des Reglers und dem ausgelesenen Adaptionsfaktor erneut in EEPROM gespeichert. Der Regler liefert hiermit also ein Delta. Ist jedoch eine diskontinuierliche Adaption durch Füllstandsabsenkung erforderlich und wird eine Unter- oder Überdosierung erkannt, wird der Regleranteil, der ausgelesene Adaptionsfaktor und die Änderung aufgrund der diskontinuierlichen Adaption in einem neuen Adaptionsfaktor zusammengefasst. In einem folgenden Zeitschritt wird der Regler mit NULL initialisiert. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann bei Erkennung einer Überdosierung der Regelanteil seit der letzten Adaption verworfen werden. In diesem Fall befand sich das System möglicherweise seit längerem in Bereich einer Überdosierung und der Anteil des Reglers war möglicherweise falsch, da die Regelgröße sich überwiegend auf NH3 statt auf NOx bezog, bzw. der Sensor NH3 statt NOx gemessen hat. Der Regler kann während der Phasen einer diskontinuierlichen Adaption mit Füllstandsabsenkung aktiviert sein oder nicht. Eine Aktivierung des Reglers während der Füllstandsabsenkung kann besonders vorteilhaft sein, da vor allem im weiteren Verlauf der Füllstandsabsenkung eine Unterdosierung des Reduktionsmittels gegeben ist.
  • Im Folgenden wird die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an den Beispielen der verschiedenen, in der 1 gezeigten Betriebspunkte A, B und C näher erläutert.
  • Der Betriebspunkt A bezeichnet den Fall einer geringen Unterdosierung. Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens bei diesem Betriebspunkt ist in der 3 illustriert. Im oberen Bereich der Darstellung sind die integrierten Werte der NOx-Rohemissionen mNOxRoh 21, die integrierten Sensorwerte mNOxSens 22 stromabwärts des SCR-Katalysators und die integrierten Modellwerte mNOxEst 23 stromabwärts des SCR-Katalysators dargestellt. Im unteren Teil der Darstellung ist der Adaptionsfaktor facQtyAdap im Verlauf der Zeit dargestellt. Darunter ist die Reglerfreigabe gezeigt. Der Regler läuft nach Erreichen der Freigabebedingungen (z. B. SCR-Temperatur im applizierbaren Bereich, keine aktuellen Systemfehler vorhanden, SCR-Modellwirkungsgrad im Sollbereich, Regelabweichung des NH3-Füllstandes im vorgegebenen Bereich, applizierbares NOx-Integral nach Motorstart im gewünschten NOx-Emissionsbereich, usw.). Das System startet zunächst mit einem Adaptionsfaktor 1,0, bis die Regler zum Zeitpunkt 24 eingreift. Zu diesem Zeitpunkt wird der Ausgangswert des PI/I-Reglers zu dem Adaptionswert addiert, das heißt vor dem Zeitpunkt 24 ist facQtyAdap = facQtyAdapRaw. Ab dem Zeitpunkt 24 gilt facQtyAdap = facQtyAdapRaw + facQtyAdapRegler. Hierbei erhöht sich der Adaptionsfaktor und führt zu einer erhöhten Dosiermenge. Nach dem Eingreifen des Adaptionsreglers zum Zeitpunkt 24 wird der Adaptionsfaktor entsprechend der Integralverhältnisse verändert. Ist der Wert von mNOxSens 22 größer als mNOxEst 23 wie in diesem Beispiel, so wird gemäß der Regelung der Adaptionsfaktor facQtyAdap vergrößert. Hierdurch wird die Dosiermenge erhöht und die NOx-Masse mNOxSens 22 nimmt weniger schnell zu. Der Reglereingriff bewirkt solange eine Veränderung des Adaptionsfaktors, bis die Differenz zwischen mNOxSens 22 und mNOxEst 23 konstant ist und mNOxSens und mNOxEst parallel verlaufen. Dann wird der Adaptionsfaktor nicht weiter durch den Adaptionsregler verändert.
  • Zum Zeitpunkt 25 wird der Fahrzyklus beendet. Der Zeitpunkt 26 deutet einen neuen Fahrzyklus an, bei dem der Regler erneut eingreift. Zwischen den Fahrzyklen und vor dem Zeitpunkt 24 ist mindestens eine Freigabebedingung des Reglers nicht erfüllt. Der Regler und die Integrale der Emissionen bleiben auf den aktuellen Werten stehen.
  • Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens über mehrere Fahrzyklen hinweg wird damit die Einstellung eines optimalen Langzeitadaptionsfaktors erreicht. Hierbei können alle Informationen der Adaption nach Abstellen des Motors im Nachlauf im Langzeitadaptionsfaktor abgelegt und bei dem nächsten Fahrzyklus erneut berücksichtigt werden.
  • In 4 ist die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer geringen Überdosierung, also im Hinblick auf 1 beim Betriebspunkt B, dargestellt. Nach dem Eingreifen des Adaptionsreglers zum Zeitpunkt 44 wird der Adaptionsfaktor facQtyAdap entsprechend der Integralverhältnisse so lange verändert, bis sich der Abstand der Integrale mNOxEst 23 und mNOxSens 22 nicht mehr ändert. In diesem Fall der geringen Überdosierung (Betriebspunkt B) ist der Wert von mNOxSens 22 kleiner als mNOxEst 23. Gemäß der erfindungsgemäßen Regelung wird der Adaptionsfaktor facQtyAdap verkleinert. Hierdurch wird die Dosiermenge reduziert und die NOx-Masse des gemessenen NOx-Wertes mNOxSens 22 nimmt entsprechend etwas schneller zu. Der Adaptionsregler ändert den Adaptionsfaktor facQtyAdap in jedem Fahrzyklus so lange, bis die Differenz zwischen mNOxSens und mNOxEst konstant bleibt.
  • In der 5 ist die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Systems bei einer großen Überdosierung dargestellt. In Bezug zur 1 ist dies der Betriebspunkt C. Das System kann den Betriebspunkt C zunächst nicht von dem Betriebspunkt A unterscheiden. Der Wert von mNOxSens 22 ist größer als der Wert von mNOxEst 23. Nach der erfindungsgemäßen Berechnungsformel greift der Adaptionsregler zunächst durch Erhöhung des Adaptionsfaktors facQtyAdap ein, um die Dosiermenge anzuheben. Dies führt dazu, dass das Sensorsignal mNOxSens 23 stromabwärts des SCR-Katalysators bis zum Betriebspunkt C* weiter ansteigt. Im Betriebspunkt C* (Zeitpunkt 55) ist die vorgebbare Schwelle für eine tolerierbare Differenz zwischen dem Modellwert und dem gemessenen Wert (vergl. 1) erreicht, sodass eine diskontinuierliche Adaption 57 des Systems gestartet wird, bei dem der NH3-Füllstand gezielt gesenkt wird. Im Zuge der diskontinuierlichen Adaption wird die Überdosierung erkannt und der Adaptionsfaktor wird beispielsweise durch einen fest applizierbaren Schritt oder einen berechenbaren Schnitt in die Nähe der Betriebspunkte A und B abgesenkt (Zeitpunkt 56). Anschließend kann wieder eine kontinuierliche Anpassung der Dosiermenge gemäß dem beschriebenen Verfahren in Richtung des optimalen Betriebspunktes OP erfolgen.
  • 6 illustriert den qualitativen Verlauf der verschiedenen Signale bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens über mehrere Fahrzyklen bei geringer Unterdosierung, also zum Betriebspunkt A. Ist bei dem Fahrzyklus I noch ein großer Unterschied zwischen mNOxEst 23 und mNOxSens 22, so wird dieser Unterschied in den darauf folgenden Fahrzyklen immer kleiner, bis die Differenz von mNOxSens 22 und mNOxEst 23 konstant bleibt und der optimale Adaptionsfaktor eingeregelt ist. Nach Beendigung jedes Fahrzyklus’ (Zeitpunkte 31, 31'), also bei abgestelltem Fahrzeug, wird die Summe der Adaptionsanteile (facQtyAdapRaw + facQtyAdapRegler) im Speicher abgelegt. Im darauffolgenden Fahrzyklus kann die Adaption auf diesem Wert weiter aufbauen und so selbst bei kurzen Fahrzyklen schrittweise den optimalen Adaptionsfaktor erreichen. Zu Beginn eines Fahrzyklus starten die Integrale der Emission vorzugsweise von NULL.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine kontinuierliche Adaption der Dosiermenge, die auch in einem Emissionstest oder im Kurzstreckenverkehr durchgeführt werden kann. Durch diese kontinuierliche Adaption werden größere Dosiermengenabweichungen vermieden. Es kann die Zahl der diskontinuierlichen Adaptionsvorgänge mit gezielter Verringerung der NH3-Beladung des SCR-Katalysators mit den damit einhergehenden vermehrten NOx-Emissionen deutlich verringert werden, sodass insgesamt der Emissionseinfluss durch die Adaption reduziert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren minimiert den Reduktionsmittelverbrauch und optimiert zugleich den NOx-Umsatz. Hierfür ist lediglich ein geringer Applikationsaufwand erforderlich, indem das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise in Form eines Computerprogramms auf dem Steuergerät einer Brennkraftmaschine aufgespielt wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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Claims (7)

  1. Verfahren zum Betreiben eines SCR-Katalysators zur Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, wobei zur Minderung von Stickoxiden NOx im Abgas ein Reduktionsmittel zudosiert wird und die erforderliche Menge des zuzudosierenden Reduktionsmittels anhand eines Modells errechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass – bei einer Abweichung oberhalb einer vergebbaren Schwelle zwischen einem gemessenen NOx-Sensorwert NoxSens (22) stromabwärts des SCR-Katalysators und einem modellierten NOx-Wert NOxEst (23) stromabwärts des SCR-Katalysators eine diskontinuierliche Adaption (57) durch Senkung des Füllstandes im SCR-Katalysator und Einstellung des Systems in Abhängigkeit von einer erkannten Unterdosierung oder Überdosierung des Reduktionsmittels durchgeführt wird und – dass zur weiteren kontinuierlichen Adaption der Dosierung des Reduktionsmittels NoxSens (22) mit NoxEst (23) verglichen wird und bei NoxSens (22) < NoxEst (23) die Dosierung des Reduktionsmittels reduziert und bei NoxSens (22) > NoxEst (23) die Dosierung erhöht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die Reduktion oder Erhöhung der Dosierung durch Einstellung eines Adaptionsfaktors facQtyAdap erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Adaptionsfaktor facQtyAdap so lange in Abhängigkeit von den Verhältnissen von NoxSens (22) und NOxEst (23) verändert wird, bis die Differenz zwischen NoxSens (22) und NOxEst (23) konstant ist oder NoxSens (22) gleich NOxEst (23) ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Adaptionsfaktor facQtyAdap durch einen Integral-Regler oder einen Proportionalintegral-Regler eingestellt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Adaptionsfaktor aus vorangegangenen Betriebszyklen oder ein Rohwert des Adaptionsfaktors bei der Adaption berücksichtigt wird.
  6. Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät abläuft.
  7. Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wenn das Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät ausgeführt wird.
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