DE102010019309A1

DE102010019309A1 - Verfahren zur Erkennung des Zustands eines kombinierten Abgasnachbehandlungssystems mit mehreren Komponenten

Info

Publication number: DE102010019309A1
Application number: DE102010019309A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: FISCHERAUER, GERHARD, PROF. DR.-ING., DE; MOOS, RALF, PROF. DR.-ING., DE
Priority date: 2010-05-03
Filing date: 2010-05-03
Publication date: 2011-11-03
Anticipated expiration: 2030-05-04
Also published as: DE102010019309B4

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erkennung des Zustands eines kombinierten Abgasnachbehandlungssystems mit mehreren Komponenten im Abgas von Verbrennungsanlagen mit einer einzelnen Messeinrichtung vorgeschlagen. Während des Betriebs werden die Katalysatoren bzw. Filtersysteme zyklisch be- und entladen. Genutzt wird die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen innerhalb eines Hohlleiters. Dabei verändert sich die Charakteristik der Ausbreitung aufgrund der Zustandsänderungen des Abgasnachbehandlungssystems (Hohlraumresonatorstörung). Durch geeignete Wahl der Auswertefrequenzen und Auswerteparameter können mehrere Abgasnachbehandlungskomponenten voneinander differenziert werden. Damit kann eine Überwachung eines gesamten kombinierten Systems für die Abgasnachbehandlung mit nur einem Bauteil dargestellt werden.

Description

Stand der Technik
Für die Nachbehandlung von Abgasen aus Verbrennungsmotoren kann es für die Einhaltung kommender Abgasgrenzwerte notwendig werden, mehrere Komponenten wie Katalysatoren und Filter in einem Abgasnachbehandlungssystem zu kombinieren. Die Überwachung eines solchen Systems erweist sich als äußerst anspruchsvoll.
Etabliert ist die Überwachung von Drei-Wege-Katalysatoren mit Hilfe zweier Lambda-Sonden. Im Betrieb schwankt der Betriebszustand des Motors um den stöchiometrischen Betrieb von λ = 1 (λ: Luft-Kraftstoff-Verhältnis, Luftzahl). In mageren Phasen (λ > 1) speichert der Katalysator Sauerstoff ein und gibt diesen bei Bedarf (wenn λ < 1) wieder ab. Diese Sauerstoffspeicherkapazität kann über die Auswertung der Lambda-Sondensignale vor und nach Katalysator ermittelt werden und beschreibt den Zustand des Katalysators. Die Messwerte liefern jedoch lediglich eine Information über die Gasphase, nicht aber über das Katalysatormaterial selbst.
Eine ähnliche Problematik existiert bei vielen anderen Abgasnachbehandlungseinrichtungen. Beim NO_x-Speicherkatalysator (NSK, auch Lean-NO_x-Trap) werden Stickoxide zwischengespeichert oder Schwefeloxide, die den Katalysator vergiften, eingespeichert, beim Ammoniak-SCR-Verfahren wird betriebszustandsabhängig Ammoniak eingespeichert und der Ammoniak-Beladungsgrad ist eine wichtige Kenngröße. Bei Dieseloxidationskatalysatoren werden insbesondere im Kaltstart Kohlenwasserstoffe eingespeichert. Gemeinsam ist all diesen Systemen, dass die Gasbeladung eine wichtige Zustandsgröße ist, die aber nur indirekt, z. B. mittels nachgeschalteter Gassensoren, gemessen werden kann.
Bei Partikelfiltern ist die Bestimmung der Rußbeladung eine wichtige Größe. Ein Rußabbrand („Regeneration”, „Freibrennen”) bei zu hoher Rußbeladung kann zur Zerstörung des Filters führen, wohingegen ein zu häufiges Freibrennen den Kraftstoffverbrauch erhöht. Mangels geeigneter Sensoren wird der Dieselpartikelfilter (DPF) aktuell mittels Drucksensoren überwacht. Hier beschreibt die aktuelle Druckdifferenz vor und nach Filter den Zustand, d. h. den Beladungsgrad [Alkemade et. al., Solid State Ionics 177 (2006) 2291–6]. Diese Überwachung wird allerdings als unzureichend angesehen.
Es wird in der DE 103 58 495 A1 und in der DE 10 2008 012 050 A1 vorgeschlagen, diese indirekte Überwachung durch eine Hochfrequenzmessung als direkte Messung des Katalysators bzw. des Katalysator-Werkstoffs selbst zu ersetzen. Die Veränderungen des Katalysatorzustands zeigen sich in den elektrischen Eigenschaften des Katalysatormaterials und können somit über die Störung der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in einem Hohlleiter charakterisiert werden. Der Hohlleiter wird hier durch das Gehäuse des Katalysators oder Filters gebildet. Für Dieselpartikelfilter im Speziellen ist die Hochfrequenzmessung auch in US 4,477,771 oder US 5,497,099 vorgeschlagen.
Das Verfahren nutzt die Änderungen der elektrischen Eigenschaften der Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems während des Betriebs. Diese Änderungen basieren auf der physikochemischen Wechselwirkung des Katalysatormaterials mit den Gasen oder auf der Anlagerung von Ruß an dem Partikelfilter. Gemeinsam ist auf jeden Fall eine Änderung der elektrischen Eigenschaften der Abgasnachbehandlungseinrichtung aufgrund der Einwirkung des Abgasstroms. Diese Änderungen wirken sich auf die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen innerhalb des Gehäuses aus. Das Gehäuse des Katalysators oder Filters wirkt als Hohlraumresonator und bietet die Möglichkeit der Einkopplung stehender Wellen in das System. Somit folgt z. B. eine höhere Dämpfung oder eine Verschiebung von Resonanzfrequenzen bei Zustandsänderung. Die Messung des Systems erfolgt kontaktlos über eine kapazitive oder induktive Ankopplung in Form einer Stab- oder Schleifenantenne.
Die elektrischen Eigenschaften werden bei allen vorgenannten Abgasnachbehandlungseinrichtungen durch die Einspeicherung von Sauerstoff, Stickoxiden, Ammoniak oder anderen Gasen in den Katalysator bzw. durch Anlagerung von Ruß oder Asche in den Partikelfilter verändert. Die Beladung mit diesen Gasen bzw. Partikeln stellt die gewünschte Messgröße dar.
Für ein kombiniertes System z. B. bestehend aus einem NO_x-Speicherkatalysator oder einem SCR-Katalysator und einem Dieselpartikelfilter wird in den vorgenannten Schriften keine Überwachungsmöglichkeit des Gesamtsystems offenbart. Daher muss jede Komponente einzeln sensorisch erfasst werden, soweit dies möglich ist.
Aufgabenstellung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Möglichkeit zu schaffen, durch ein einfaches Messsystem den Zustand einer Anordnung von Katalysatoren und Filtern, welche im Folgenden als kombiniertes System bezeichnet wird, bzw. die Zustände der einzelnen Komponenten des kombinierten Systems mit nur einer Messeinrichtung, im Idealfall gleichzeitig, zu überwachen.
Unter dem Begriff Messeinrichtung ist in diesem Zusammenhang zu verstehen: Eine Sonde zur Einkopplung elektromagnetischer Wellen inkl. der entsprechenden Elektronik für die Einprägung und Messung der reflektierten Wellen (Reflexionsmessung) oder zwei Sonden inkl. entsprechender Elektronik für die Einprägung elektromagnetischer Wellen und Messung der reflektierten bzw. an der zweiten Sonde ankommenden Wellen (Transmissionsmessung).
Ein kombiniertes System in diesem Zusammenhang kann eine Hinteraneinanderanordnung mehrerer Abgasnachbehandlungskomponenten in einem Canning mit oder ohne Zwischenraum (wie in 1 skizziert) oder eine mit unterschiedlichen Beschichtungen „gezonte” Beschichtung eines Trägers (wie in 2 skizziert) oder eine Beschichtung eines Trägers mit mehreren unterschiedlichen Beschichtungen (wie in 3 skizziert) sein.
Die o. g. Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Aufbauend auf den Schriften DE 103 58 495 A1 , DE 10 2008 012 050 A1 und US 4,477,771 wird hier vorgeschlagen, dass die Beladungserkennung eines solchen kombinierten Systems aus Katalysatoren oder Filtern sehr gut durch die Messung in mindestens zwei Frequenzbereichen, z. B. durch die Ermittlung mehrer Resonanzfrequenzen in der Messung von Reflexions- oder Transmissionsparametern erfolgen kann. Es werden dazu eine oder zwei Feldsonden benötigt.
Freqenzbereiche in diesem Zusammenhang sind Bereiche um eine Resonanzfrequenz bzw. um die gewünschte Messfrequenz. Sie schließen mindestens einen Peak für den gesamten Umfang der Messung ein, d. h. auch wenn Verschiebungen dieser Resonanzfrequenz auftreten, muss immer noch mindestens ein vollständiger Peak innerhalb des gewählten Frequenzbereichs liegen.
Der Fachmann erwartet, dass die Auswirkungen einer Änderung der elektrischen Leitfähigkeit oder der Permittivität auf die Reflexions- oder Transmissionsparameter unabhängig von der physikalischen Ursache der Änderung sind. Dennoch beobachtet man experimentell, dass zwei verschiedene Einflusseffekte bei einer Frequenz zu denselben Änderungen der Reflexions- oder Transmissionsparameter und zugleich bei einer anderen Frequenz zu voneinander verschiedenen Änderungen führen können. Beispielsweise ändern sich die Reflexions- oder Transmissionsparameter eines kombinierten Abgasnachbehandlungssystems bei Zustandsänderung einer Einzelkomponente in unterschiedlicher Weise, auch wenn sich die elektrischen Eigenschaften des Speichermaterials gleich verändern.
Durch diesen bislang unverstandenen Effekt ist dieses Verfahren auf Abgasnachbehandlungssysteme mit mehreren Komponenten anwendbar. Hier werden unterschiedliche Frequenzbereiche genutzt, um den Zustand jeweils einer Komponente aus dem Gesamtsystem zu bestimmen. So ist es beispielsweise möglich, die Ammoniak-Beladung des SCR-Katalysators in einem bestimmten Frequenzbereich und den Füllgrad des Dieselpartikelfilters in einem weiteren Frequenzbereich mit nur einer Antenne zu messen. Auch wenn beide Systeme in einer gemeinsamen Einheit (z. B. als DPF mit SCR- oder NO_x-Speicherkatalysator-Beschichtung) vorliegen, kann das Verfahren zur Unterscheidung der Beladung der Einzelkomponente eingesetzt werden. Auch andere Beschichtungskombinationen sind möglich.
Da die elektrischen Eigenschaften der Katalysatoren oder Filter auch von weiteren Einflüssen wie Wasseranlagerung oder der aktuellen Temperatur abhängen, wird hier auch die erweiterte Messung in mindestens einem weiteren Frequenzbereich empfohlen, um diese Effekte separieren zu können. Dies bietet die Möglichkeit der Unterscheidung des gewünschten Messeffekts von Störeinflüssen wie der Temperatur der Beschichtung oder in der Beschichtung gespeichertes Wasser. Damit lässt sich die Störgröße ermitteln und das Messsignal rechnerisch korrigieren.
Als Unterscheidung kann auch das unterschiedliche Zeitverhalten von Komponenten der Abgasnachbehandlung herangezogen werden. So läuft die Ammoniakbeladung eines SCR-Katalysators im Minutenmaßstab ab, die Beladung eines Dieselpartikelfilters lässt sich dagegen in Betriebsstunden messen. Diese Unterschiede in der Dynamik der einzelnen Komponenten im Abgasstrang stellen für die Auswertung eine weitere Möglichkeit dar, mit nur einer Messeinrichtung mehrere Komponenten zu unterscheiden.
Ausführungsbeispiele
Die Möglichkeit der Differenzierung von unterschiedlichen Einflüssen ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
1a zeigt eine schematische Darstellung eines kombinierten Systems zur Abgasnachbehandlung mit zwei Komponenten und der Messung mit einer Antenne (Ausführungsform als kapazitiver Stiftkoppler). Die Anordnung lässt sich erfindungsgemäß auch mit zwei Antennen betreiben. Durch die in Anspruch 1 beschriebene Anwendung, mehrere Signalmerkmale bzw. mehrere Frequenzbereiche für die Messung zu verwenden, ermöglicht dies die Unterscheidung einzelner Komponenten (A und B) und somit die Beladungserkennung von Komponente A und B. Alternativ kann die Antenne auch in eine Komponente eingebracht werden, wie in 1b gezeigt.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines kombinierten Systems zur Abgasnachbehandlung mit einem auf einem Träger in Flussrichtung unterschiedlich beschichteten Katalysatorträger oder Partikelfilterträger und einer Antenne. Auch hier ist die Messung durch zwei oder mehr Feldsonden möglich. Wie zu 1 erläutert, ist auch hier die Unterscheidung zwischen den einzelnen Funktionskomponenten A und B erfindungsgemäß möglich. Alternativ kann die Antenne auch in eine Komponente eingebracht werden, analog zu 1.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines kombinierten Systems zur Abgasnachbehandlung mit einem auf einem Träger unterschiedlich beschichteten Katalysatorträgers oder Partikelfilterträgers und einer Antenne. Auch hier ist die Messung durch zwei oder mehr Feldsonden möglich. Wie zu 1 erläutert, ist auch hier die Unterscheidung zwischen den einzelnen Funktionskomponenten A und B erfindungsgemäß möglich. Alternativ kann auch hier die Antenne direkt in eine Komponente eingebracht werden.
Die Ausgestaltung der Antennen ist auch in der Form möglich, dass mehrere Einzelantennen zu einem Bauteil kombiniert werden und somit durch eine Ansteuerung mit Phasenversatz eine Richtcharakteristik erreicht werden kann. Dies ermöglicht auch eine Unterscheidung zweier Komponenten in einem kombinierten Abgasnachbehandlungssystem.
Für eine Erweiterung der Auswertemöglichkeiten kann weiterhin der Messfrequenzbereich der Messung erweitert werden. Damit kann beispielsweise bei steigender Temperatur die Messfrequenz flexibel angepasst werden. Dies umfasst eine Bestimmung der aktuellen Temperatur entweder durch einen separaten Sensor oder durch eine entsprechende Auswertung der gewählten Frequenzbereiche und die Nachführung des Messbereichs durch die elektronische Ansteuerung.
Neben der kontinuierlichen Messung im Frequenzbereich ist auch die Messung im Zeitbereich möglich. Dies kann z. B. durch eine Impulsanregung geschehen. Dabei wird ein Signal in Form eines kurzen Impulses aufgegeben und die Laufzeit ausgewertet. Auch ist hier die Auswertung von Laufzeitunterschieden mit mehreren Antennen möglich. So kann an einer Antenne der Impuls aufgegeben und die frequenzabhängige Laufzeit bis zum Empfang an der zweiten Antenne gemessen werden.
Die Beladung von Dieselpartikelfiltern dauert deutlich länger als beispielsweise ein Ammoniak-Beladungszyklus eines SCR-Katalysators. Dieses unterschiedliche Zeitverhalten kann auch für die Differenzierung der einzelnen Komponenten eines kombinierten Abgasnachbehandlungssystems herangezogen werden. So kann beispielsweise anhand von zeitlichen Verläufen des Messsignals zwischen einer Komponente mit kurzer Zykluszeit und einer Komponente mit langer Zykluszeit unterschieden werden.
Abgesehen von der Beladungsphase sind bei Dieselpartikelfiltern oder verschiedenen Katalysatoren die Regenerationsphasen von entscheidender Bedeutung. Die vorgeschlagene Erfindung ermöglicht auch während der Regeneration (z. B. Freibrennen des DPF) eine kontinuierliche Überwachung der jeweiligen Systemkomponente mit Unterscheidung von Komponenten ohne Regenerationsphase. Im Fall einer thermischen Regeneration kann unter Berücksichtigung des Temperatureinflusses jederzeit der aktuelle Beladungsgrad ermittelt und die Regeneration so exakt geregelt werden. Während einer Regeneration mit einem Wechsel des Betriebszustands müssen die entsprechenden Querempfindlichkeiten berücksichtigt werden, z. B. während der fetten Regeneration eines NO_x-Speicherkatalysators.
Die Art der Ankopplung ist nicht auf die bereits gezeigte kapazitive Stiftkopplung beschränkt. Es besteht auch die Möglichkeit, induktiv anzukoppeln (Schleifenantenne). Außerdem kann auch seitlich am Abgasnachbehandlungssystem, d. h. nicht direkt im Abgasstrom, ein weiteres Rohr angesetzt werden, um dort die Antenne einzubauen. Dies kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn die Funktion der Antennen im Abgasstrom z. B. durch Anlagerung von Ruß nicht dauerhaft gewährleistet 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 10358495 A1 [0005, 0013]
DE 102008012050 A1 [0005, 0013]
US 4477771 [0005, 0013]
US 5497099 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Alkemade et. al., Solid State Ionics 177 (2006) 2291–6 [0004]

Claims

Verfahren zur Erfassung des aktuellen Zustands eines kombinierten, aus mindestens zwei räumlich getrennten Komponenten oder mit mindestens zwei Funktionen versehenen, sich in einem Gehäuse befindenden Abgasnachbehandlungssystems in Kraftfahrzeugen, Lastkraftwagen, stationären Verbrennungsanlagen oder vergleichbaren Einrichtungen, das die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen innerhalb eines Hohlleiters nutzt, wobei sich die elektromagnetische Welle in einem metallischen Gehäuse ausbreitet und durch den Zustand der eingebauten Katalysator- bzw. Filtersysteme gestört wird, dadurch gekennzeichnet, dass Messungen in mehreren Frequenzbereichen eingesetzt werden und in diesen Bereichen Messgrößen bestimmt werden, beispielsweise der Reflexionsfaktorbetrag bei einer Resonanzspitze oder die Verschiebung von Resonanzfrequenzen, um mit einer Messeinrichtung Rückschlüsse auf den Zustand aller Komponenten des Systems zu ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Zustand einer Kombination von mehreren Abgasnachbehandlungseinrichtungen wie beispielsweise ein SCR-Katalysator und ein Dieselpartikelfilter durch die Auswertung mehrerer getrennter Frequenzbereiche oder Parametermessungen bei verschiedenen Frequenzen voneinander separiert werden kann und somit durch eine einzelne Messeinrichtung gleichzeitig der Zustand mehrerer Systeme erfasst werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungen wie in Anspruch 2 und 3 kombiniert werden können und durch die Auswahl geeigneter Frequenzbereiche sowohl unterschiedliche Abgasnachbehandlungssysteme als auch Querempfindlichkeiten detektiert werden können.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Anwendung mehrerer Antennen und eines Phasenversatzes die Richtcharakteristik der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen geändert werden kann und somit auch die Unterscheidung zwischen zwei Abgasnachbehandlungssystemen ermöglicht wird. Die Antennen sind dabei zwischen den beiden Systemen angeordnet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit veränderter Temperatur auch der Messfrequenzbereich verändert wird um den größtmöglichen Messeffekt zu erzielen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Signalauswertung im Zeitbereich vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signallaufzeit bzw. der Laufzeitunterschied nach Impulsanregung ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das unterschiedliche Zeitverhalten der Katalysatoren bzw. Filter eine Möglichkeit bieten, die einzelnen Komponenten zu unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass speziell bei Abgasnachbehandlungseinrichtungen, die einer Regeneration bedürfen wie beispielsweise das Freibrennen eines Dieselpartikelfilters diese Regenerationsphase überwacht und somit im Prozess leichter optimiert werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkopplung elektromagnetischer Wellen kapazitiv oder auch induktiv erfolgen kann. Auch die Einkopplung durch ein zusätzliches Anbauteil am Systemgehäuse ist möglich.