DE102010034983A1

DE102010034983A1 - Verfahren zur Erkennung des Ammoniakspeicherzustands eines SCR-Katalysators

Info

Publication number: DE102010034983A1
Application number: DE102010034983A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: FISCHERAUER, GERHARD, PROF. DR.-ING., DE; MOOS, RALF, PROF. DR.-ING., DE
Priority date: 2010-08-20
Filing date: 2010-08-20
Publication date: 2012-02-23

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erkennung des Speicherzustands eines Selective-Catalytic-Reduction-(SCR-)Ksionen von Verbrennungsmotoren vorgeschlagen. Während des Betriebs wird der Katalysator mit Ammoniak (NH3) be- und entladen. Genutzt wird die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen innerhalb eines Hohlleiters bzw. ihre Resonanz in einem Hohlraumresonator. Dabei verändert sich die Charakteristik der Ausbreitung aufgrund der Zustandsänderungen des Abgasnachbehandlungssystems (Hohlraumresonatorstörung). Durch geeignete Wahl der Auswertefrequenzen und Auswerteparameter können Störeinflüsse auf die Messung differenziert werden. Damit wird eine kontinuierliche Überwachung oder Regelung der Abgasnachbehandlung mit der SCR-Technik ermöglicht.

Description

Stand der Technik
Abgase aus magerbetriebenen Verbrennungsmotoren wie z. B. Dieselmotoren werden derzeit mit Hilfe verschiedener Verfahren nachbehandelt, um die im Abgas vorhandenen Stickoxide (NO_x) zu reduzieren. Zum Beispiel werden sog. NO_x-Speicherkatalysatoren (NSK, auch Lean-NO_x-Trap) oder Ammoniak-SCR-Systeme eingesetzt [D. Y. Wang, S. Yao, M. Shost, J. Yoo, D. Cabush, D. Racine, R. Cloudt, F. Willems: Ammonia sensor for Closed-Loop SCR Control. SAE paper 2008-01-0919 (2008)]. Während bei NO_x-Speicherkatalysatoren Stickoxide im Magerbetrieb eingespeichert und durch eine kurze Fettphase des Motors regeneriert werden, wird für Ammoniak-SCR-Systeme die separate Zudosierung einer ammoniakbildenden Verbindung ins Abgas benötigt. Dies geschieht derzeit vor allem in der Form einer Harnstoff-Wasser-Lösung, die im SCR-Katalysator zunächst zu NH₃ umgesetzt wird. Im SCR-Katalysator werden dann auch die Stickoxide mit dem entstandenen Reduktionsmittel Ammoniak zu Stickstoff und Wasser umgesetzt. Um diese sog. NH₃-SCR-Reaktionen durchzuführen, wird im SCR-Katalysator Ammoniak eingespeichert. Bedingt durch den Reaktionsmechanismus ermöglicht erst die Ammoniakeinspeicherung die NO_x-Konversion. Den Ammoniakbeladungsgrad zu bestimmen, ist äußerst schwierig, da er nicht nur von der Temperatur sondern auch vom Gasfluss und von Konzentrationen von Abgasbestandteilen wie NH₃, NO, NO₂, H₂O usw. abhängt. Weiterhin spielt die aktuelle Umsatzrate und der Alterungszustand des SCR-Katalysators eine Rolle.
Die Regelung stellt dabei eine besondere Herausforderung dar, da eine möglichst vollständige Umsetzung der Stickoxide, aber dabei kein Durchbruch von NH₃ erfolgen soll. Aktuell besteht die Möglichkeit, einen NO_x- oder NH₃-Sensor nach Katalysator einzusetzen und damit die Gaskonzentrationen nach Katalysator zu bestimmen. Eine Nachregelung der Dosierung der Harnstoff-Wasser-Lösung ist mit diesem Verfahren aber erst möglich, wenn bereits ein NH₃-Schlupf nach Katalysator aufgetreten ist. Wesentlich besser wäre eine Information über den aktuellen Speicherzustand des gesamten Katalysators.
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 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.
Die o. g. Verfahren nutzen die Änderungen der elektrischen Eigenschaften der Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems während des Betriebs. Diese Änderungen basieren auf der physikochemischen Wechselwirkung des Katalysatormaterials mit den Gasbestandteilen im Abgas. 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 kann kontaktlos über eine kapazitive oder induktive Ankopplung in Form einer Stab- oder Schleifenantenne erfolgen.
Die elektrischen Eigenschaften des SCR-Katalysators werden in erster Linie durch die Einspeicherung von Ammoniak im Katalysator verändert. Diese Beladung stellt die gewünschte Messgröße dar.
Eine Messung des Speicherzustandes kann durch die Menge gespeicherten Wassers oder anderer Komponenten, aber auch durch den Wassergehalt des Abgases oder durch andere Abgasbestandteile beeinflusst werden.
Aufgabenstellung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Möglichkeit zu schaffen, durch ein einfaches Messsystem den aktuellen Speicherzustand eines NH₃-Speicherkatalysators zu überwachen. Die Messeinrichtung soll zum Beispiel kontinuierlich im Realabgas eines Fahrzeugs eingesetzt werden können.
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).
Lösung der Aufgabe
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 SCR-Abgasnachbehandlungssystems sehr gut durch die Messung in mindestens zwei Frequenzbereichen, z. B. durch die Ermittlung mehrerer Resonanzfrequenzen in der Messung von Reflexions- oder Transmissionsparametern erfolgen kann. Es werden dazu eine oder zwei Feldsonden benötigt.
Für eine möglichst genaue Aussage über den Grad der NH₃-Beladung bietet die Hochfrequenzmessung die Möglichkeit der Betrachtung mehrerer Frequenzbereiche. Dabei wird ausgenutzt, dass sich die Änderungen des Signals durch die NH₃-Beladung im Vergleich zu den Quereinflüssen in unterschiedlichen Frequenzbereichen verschiedenartig auswirken. Somit kann durch Korrelation der Effekte in verschiedenen Frequenzbereichen der Einfluss von Störgrößen eliminiert werden.
Frequenzbereiche in diesem Zusammenhang sind Bereiche um eine Resonanzfrequenz bzw. um die gewünschte Messfrequenz. Sie schließen mindestens einen Peak (mit Peak ist hier ein Minimum oder Maximum im Betrag des Reflexions- oder des Transmissionsparameters gemeint) 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 während der Messung von NH₃ und Quereinflüssen in unterschiedlicher Weise, auch wenn sich die elektrischen Eigenschaften des Speichermaterials gleich verändern.
Durch diesen bislang unverstandenen Effekt ist dieses Verfahren auf die Ermittlung der Ammoniak-Beladung des SCR-Katalysators mit nur einer Antenne anwendbar. Die Betrachtung mehrerer Frequenzbereiche ermöglicht die Unterscheidung von NH₃-Effekt von sonstigen Quereinflüssen. Damit lässt sich die Störgröße ermitteln und das Messsignal rechnerisch korrigieren.
Ausführungsbeispiele
Die Möglichkeit der Differenzierung von unterschiedlichen Einflüssen ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
1 zeigt schematisch einen SCR-Katalysator (1), der in ein metallisches Gehäuse (2) eingebracht ist. Über eine Antenne (3), die auch als Feldsonde bezeichnet werden kann und die hier als kapazitiver Stiftkoppler ausgeführt ist, wird ein Hochfrequenzsignal eingespeist und das reflektierte Signal gemessen. Die Einspeisebeschaltung, die Verkabelung und die Reflektionsmessung sind bekannt und daher hier nicht weiter ausgeführt. Die Anordnung lässt sich erfindungsgemäß auch mit zwei Antennen, z. B. angeordnet vor und nach Katalysator, betreiben. Dann wird die Transmission gemessen.
Für die Messung werden mehrere Signalmerkmale bzw. mehrere Frequenzbereiche verwendet. Dies ermöglicht die Unterscheidung zu Quereinflüssen und somit die genauere Beladungserkennung des SCR-Speicherkatalysators.
2 zeigt Messungen im Frequenzbereich von 1 bis 3,5 GHz an einem SCR-Katalysator im Grundgas (5% H₂O in N₂) bei ca. 300°C. Gemessen wird der Reflexionsparameter S₁₁. Dargestellt ist der Betrag dieses Parameters |S₁₁| in dB (|S₁₁|/dB = 20·log|S₁₁|) über der Frequenz. Es sind unterschiedliche Resonanzpeaks zu erkennen. Es werden 500 ppm NH₃ zudosiert, bis durch die Gasanalyse nach Katalysator (FTIR) das Ende des Speichervorgangs bestätigt wird und 500 ppm NH₃ nach Katalysator gemessen werden. Die durchgezogene Linie im Diagramm zeigt das Spektrum nach der vollständigen Beladung des Katalysators.
Mit der Beladung mit Ammoniak ändert sich dieses Spektrum deutlich, so dass die Beladung direkt gemessen werden kann.
3 zeigt beispielhaft die Kennlinie der Resonanzfrequenz des Messsystems bei ca. 2,9 GHz mit steigender Ammoniakbeladung. Es ist ein monotoner, sogar nahezu linearer Zusammenhang zwischen der NH₃-Beladung m_NH3 und dem Messsignal f_res zu erkennen. Die Beladung wird dabei aus der Gasanalyse nach Katalysator und einer Bilanzierung unter Kenntnis des Gasflusses und unter Berücksichtigung des Blindumsatzes einer Leermessung ermittelt.
Betrachtet man zusätzlich die Wasserquerempfindlichkeit des Messsystems in der Tabelle, so erkennt man, dass in bestimmten Frequenzbereichen (z. B. ca. 2,1 GHz) die Empfindlichkeit auf Wasser größer ist als auf NH₃. In der nachfolgenden Tabelle sind die relativen Änderungen der Resonanzfrequenzen auf NH₃ (x_NH3) und H₂O (x_H2O) dargestellt und ins Verhältnis gesetzt. Das Verhältnis x_NH3/x_H2O gibt an, um wie viel höher die Empfindlichkeit des Messsystems bei der entsprechenden Frequenz auf den Effekt der Ammoniak-Einspeicherung im Vergleich zum Wassereffekt ist. Liegt dieser Wert unter 1, ist der Wassereffekt stärker als die Änderung durch die NH₃-Speicherung. Durch die Betrachtung zweier Frequenzbereiche wird hier die Unterscheidung zwischen NH₃- und H₂O-Effekt möglich. Eignen würden sich in diesem Fall die Frequenzen von ca. 1623 MHz und 2100 MHz, da sich hier die Messeffekte auf H₂O und NH₃ deutlich unterscheiden. Tabelle: Signaländerungen des Messsystems auf NH₃ und H₂O in unterschiedlichen Frequenzbereichen

f_res/MHz 1307 1623 2100 2380 2920

NH₃:x_NH3/ppm = Δf_res/f_res 7367 4658 1058 3190 2352

H₂O:x_H2O/ppm = Δf_res/f_res 1324 451 1772 428 398

x_NH3/x_H2O 5.56 10.32 0.6 7.46 5.9
Eine Veränderung der Resonanzfrequenzen ist auch mit variierender Temperatur zu erwarten. Hier kann ebenso eine Betrachtung mehrerer Frequenzbereiche dazu beitragen, den Temperatureffekt aus dem Messsignal zu eliminieren. Alternativ kann durch eine zusätzliche Temperaturmessung die aktuelle Temperatur ermittelt und das Messsignal korrigiert werden. In diesem Fall kann auch der Messfrequenzbereich nachgeführt werden, um den idealen Messbereich für die aktuelle Temperatur zu erhalten.
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 Art der Ankopplung ist nicht auf die bereits gezeigte kapazitive Stiftkopplung beschränkt. Es kann auch induktiv angekoppelt werden (Schleifenantenne). Außerdem kann auch seitlich am Abgasnachbehandlungssystem, d. h. nicht direkt im Abgasstrom, ein weiteres Rohr angesetzt werden, um dort die Antenne einzubauen. Dies ist in 4 skizziert. Auch hier ist der SCR-Katalysator (1) in dem metallischen Gehäuse (2) mit der entsprechenden Antenne (3) gezeigt. 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 [0003, 0009]
DE 102008012050 A1 [0003, 0009]
US 4477771 [0003, 0009]
US 5497099 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

D. Y. Wang, S. Yao, M. Shost, J. Yoo, D. Cabush, D. Racine, R. Cloudt, F. Willems: Ammonia sensor for Closed-Loop SCR Control. SAE paper 2008-01-0919 (2008) [0001]

Claims

Verfahren zur Erfassung des aktuellen Zustands eines auf der SCR-Technologie basierenden 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 Katalysatorsysteme 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 Speicherzustand unter Berücksichtigung von Quereinflüssen zu ermöglichen.
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 Einkopplung elektromagnetischer Wellen kapazitiv oder auch induktiv erfolgen kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signaleinkopplung bzw. -auskopplung durch ein zusätzliches Anbauteil am Systemgehäuse erfolgt.