DE102010047416B4

DE102010047416B4 - Verfahren und Steuergerät zur Dosierung eines Reduktionsmittelträgers stromauf eines SCR-Katalysators

Info

Publication number: DE102010047416B4
Application number: DE102010047416.9A
Authority: DE
Inventors: Torsten Schütte; Dr. Garbe Thomas; Richard Dorenkamp
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2010-10-02
Filing date: 2010-10-02
Publication date: 2014-01-16
Anticipated expiration: 2030-10-03
Also published as: DE102010047416A1

Abstract

Verfahren zur Dosierung eines Reduktionsmittelträgers in einen Abgaskanal (12) einer Verbrennungskraftmaschine (10) stromauf eines in dem Abgaskanal (12) angeordneten SCR-Katalysators (14), wobei eine Konzentration des Reduktionsmittelträgers in einer Vorratslösung (28) oder eine äquivalente Zustandsgröße ermittelt wird und in Abhängigkeit der Konzentration des Reduktionsmittelträgers oder der äquivalenten Zustandsgröße eine Dosiermenge der Vorratslösung (28) bestimmt und die Vorratslösung (28) aus einem Vorratsbehälter (30) entsprechend der so bestimmten Dosiermenge stromauf des SCR-Katalysators (14) in den Abgaskanal (12) eingebracht wird, wobei zur Bestimmung der Konzentration des Reduktionsmittelträgers in der Vorratslösung (28) oder der äquivalenten Zustandsgröße wenigstens ein Temperaturwert, umfassend Temperatur der Vorratslösung (28), Temperatur im Vorratsbehälter (30) und/oder Umgebungstemperatur des Vorratsbehälters (30), erfasst wird und eine Änderung der Konzentration des Reduktionsmittelträgers in der Vorratslösung (28) oder der äquivalenten Zustandsgröße in Abhängigkeit von dem zumindest einen Temperaturwert unter Anwendung eines empirisch ermittelten Modells bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter (30) ein gasdurchlässiges Element aufweist, welches einen permanenten beschränkten Gasaustausch zwischen Behälter (30) und Umgebung zulässt, und das empirische Modell einen Austrag von Lösungsmittel infolge von Verdunstung und/oder von Zersetzungsprodukten des Reduktionsmittelträgers infolge von Verdunstung aus dem Vorratsbehälter (30) berücksichtigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dosierung eines Reduktionsmittelträgers in einen Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine stromauf eines SCR-Katalysators sowie ein zur Durchführung des Verfahrens eingerichtetes Steuergerät.
Verbrennungsmotoren, die zeitweise oder überwiegend mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben werden, produzieren Stickoxide NO_X (hauptsächlich NO₂ und NO), die NO_X-reduzierende Maßnahmen erforderlich machen. Eine motorische Maßnahme, um die NO_X-Rohemission im Abgas zu reduzieren, stellt die Abgasrückführung dar, bei der ein Teil des Abgases des Verbrennungsmotors in die Verbrennungsluft rückgeführt wird, wodurch die Verbrennungstemperaturen gesenkt und somit die NO_X-Entstehung reduziert wird. Die Abgasrückführung ist jedoch nicht immer ausreichend, um gesetzliche NO_X-Grenzwerte einzuhalten, weswegen zusätzlich eine aktive Abgasnachbehandlung erforderlich ist, welche die NO_X-Endemission senkt. Eine bekannte NO_X-Abgasnachbehandlung sieht den Einsatz von NO_X-Speicherkatalysatoren vor, die im mageren Betrieb (bei λ > 1) Stickoxide in Form von Nitraten speichern und in kurzen Intervallen mit einer fetten Abgasatmosphäre (λ < 1) die gespeicherten Stickoxide desorbieren und in Gegenwart der im fetten Abgas vorhandenen Reduktionsmittel zu Stickstoff N₂ reduzieren.
Als weiterer Ansatz zur Konvertierung von Stickoxiden in Abgasen magerlauffähiger Verbrennungsmotoren ist der Einsatz von Katalysatorsystemen bekannt, die nach dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion (SCR für selective catalytic reduction) arbeiten. Diese Systeme umfassen zumindest einen SCR-Katalysator, der in Gegenwart eines dem Abgas stromauf des SCR-Katalysators kontinuierlich zugeführten Reduktionsmittels die Stickoxide des Abgases in Stickstoff und Wasser umwandelt. Die Bezeichnung „selektiv” in diesem Verfahren bedeutet, dass das eingebrachte Reduktionsmittel trotz der Gegenwart von molekularem Sauerstoff bevorzugt mit den Stickoxiden reagiert. Dies grenzt das SCR-Verfahren von nicht selektiven Verfahren ab, die üblicherweise Kohlenwasserstoffe als Reduktionsmittel verwenden.
In heutigen SCR-Reduktionsverfahren wird üblicherweise Ammoniak NH₃ als Reduktionsmittel verwendet, wobei als Ammoniakträger Direktsubstanzen, Vorläufersubstanzen oder reversible. Speichersubstanzen zum Einsatz kommen können. Die Ammoniakdirektsubstanzen umfassen Ammoniakgas oder wässrige Ammoniaklösungen, die dem Abgasstrom direkt zudosiert werden. Für mobile Anwendungen sind die Ammoniakdirektsubstanzen aufgrund ihres Gefahrenpotentials problematisch. Zu den Vorläuferverbindungen, die Ammoniak im Wege der Thermolyse und Hydrolyse freisetzen, zählen Harnstoff, Ammoniumcarbamat, Cyanursäure, und Ammoniumformiat, die zum Teil als Feststoff und zum Teil in Form wässriger Lösungen eingesetzt werden, wobei im Fall von Harnstoff beide Formen üblich sind. Ein neuerer Ansatz für die Ammoniakspeicherung im Fahrzeug stellen die NH₃-Speichersubstanzen dar, die Ammoniak in Abhängigkeit von der Temperatur reversibel binden. Insbesondere sind in diesem Zusammenhang Metallamminspeicher bekannt, beispielsweise MgCl₂, CaCl₂ und SrCl₂, die Ammoniak in Form einer Komplexverbindung speichern, um dann beispielsweise als MgCl₂(NH₃)_x, CaCl₂(NH₃)_x beziehungsweise SrCl₂(NH₃)_x vorzuliegen. Aus diesen Verbindungen kann durch Zufuhr von Wärme das Ammoniak wieder freigesetzt werden.
Die Dosierung des Reduktionsmittels beziehungsweise Reduktionsmittelträgers erfolgt üblicherweise bedarfsgerecht, indem die NO_X-Konzentration des Abgases gemessen oder betriebspunktabhängig modelliert wird, ein Reduktionsmittelbedarf hieraus abgeleitet wird und dem Bedarf entsprechend der Reduktionsmittelträger dem Abgas zugeführt wird. Problematisch ist hierbei, dass üblicherweise die Bestimmung des Reduktionsmittelbedarfs von einer bestimmten, konstanten Reduktionsmittelkonzentration in der Vorratslösung ausgeht, im Falle der Verwendung einer wässrigen Harnstofflösung von einem Sollgehalt von 32,5 Gew.-% Harnstoff in der Lösung. Weicht die Lösung in ihrer Zusammensetzung etwa infolge von Alterungsprozessen oder herstellungsbedingten Ungenauigkeiten von dem Sollgehalt ab, kommt es zu einer Fehldosierung des Reduktionsmittelträgers. Liegt die Konzentration des Reduktionsmittelträgers niedriger als der abgenommene Sollwert, so kommt es zu einer Unterdosierung und damit zu einer Verschlechterung des NO_X-Umsatzwirkungsgrades. Ist andernfalls die tatsächliche Konzentration des Reduktionsmittelträgers höher als der Sollwert, ist eine Überdosierung und ein Durchbruch des Reduktionsmittels durch den SCR-Katalysator die Folge.
Aus EP 1 042 052 A1 ist ein Verfahren zur Dosierung einer wässrigen Harnstofflösung bekannt, bei der mittels eines Leitfähigkeitssensors die Leitfähigkeit oder mittels eines pH-Wert-Sensors der pH-Wert der Harnstofflösung erfasst und in Abhängigkeit von der Leitfähigkeit beziehungsweise des pH-Werts die Harnstoffkonzentration der Lösung berechnet oder anhand einer Kennlinie ermittelt wird. Sofern auf diese Weise eine etwa infolge einer thermischen Harnstoffzersetzung abgenommene Harnstoffkonzentration festgestellt wird, erfolgt eine entsprechende Anpassung der Ansteuerdauer des Dosierventils.
Ein ähnlicher Ansatz ist aus DE 199 40 298 A1 ( WO 2001/014045 A1 ) bekannt, nach welcher ebenfalls die Harnstoffkonzentration aus der gemessenen elektrischen Leitfähigkeit der Harnstofflösung ermittelt wird, wobei ein linearer Zusammenhang zwischen Leitfähigkeit und Harnstoffkonzentration angenommen wird.
Nachteilig an den genannten Ansätzen ist, dass die Messung der elektrischen Leitfähigkeit alle in Lösung befindlichen Ionen erfasst, ohne zu unterscheiden, ob diese ein Reduktionspotential aufweisen oder nicht. Auf diese Weise tragen auch Zersetzungsprodukte des Reduktionsmittels, z. B. des Harnstoffs, zur elektrischen Leitfähigkeit bei und können das Ergebnis verfälschen. Neben dieser systematischen Fehlerquelle ist ein weiterer Nachteil in dem aus der erforderlichen Sensorik resultierenden apparativen Aufwand zu sehen.
DE 101 39 142 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines Reduktionsmittelträgers in einer wässrigen Harnstofflösung, um diese in einen Abgaskanal einer Verbrennungsmaschine stromauf eines SCR-Katalysators zu dosieren. Die Bestimmung der in einem gasdichten geschlossenen Vorratsbehälter vorliegenden Harnstoffkonzentration erfolgt dabei indirekt über Messung des Drucks über der Vorratslösung. Es wird davon ausgegangen, dass sich der in Lösung befindliche Harnstoff unter Bildung von Ammoniak und Kohlendioxid zersetzt, was in dem beschriebenen geschlossenen System zu einer Druckerhöhung im Vorratsbehälter führt. Eine Berücksichtigung des bei Öffnung eines Überdruckventils aus dem Behälter entweichenden Ammoniaks erfolgt über die Öffnungszeiten des Ventils.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Dosierung eines Reduktionsmittelträgers in eine SCR-Abgasanlage zur Verfügung zu stellen, das eine präzise Ermittlung der Konzentration des Reduktionsmittelträgers in der Vorratslösung, insbesondere in einem offenen System ermöglicht und eine möglichst gute Konvertierungsrate von Stickoxiden bei möglichst geringen Reduktionsmittelemissionen hinter dem SCR-Katalysator erzielt. Das Verfahren sollte sich in Fahrzeugen mit einem geringem apparativen Aufwand realisieren lassen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und ein Steuergerät mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft die Dosierung eines Reduktionsmittelträgers in einen Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine stromauf eines in dem Abgaskanal angeordneten SCR-Katalysators. Dabei wird eine Konzentration des Reduktionsmittelträgers in einer Vorratslösung oder eine zur Konzentration äquivalente Zustandsgröße ermittelt und in Abhängigkeit der Konzentration des Reduktionsmitteträgers beziehungsweise der äquivalenten Zustandsgröße eine Dosiermenge der Vorratslösung bestimmt. Sodann wird die Vorratslösung aus einem Vorratsbehälter entsprechend der so bestimmten Dosiermenge stromauf des SCR-Katalysators in den Abgaskanal eingebracht. Dabei wird zur Bestimmung der Konzentration des Reduktionsmittelträgers in der Vorratslösung oder zur Bestimmung der äquivalenten Zustandsgröße wenigstens ein aktueller Temperaturwert erfasst wird und eine Änderung der Konzentration des Reduktionsmittelträgers in der Vorratslösung beziehungsweise eine Änderung der äquivalenten Zustandsgröße in Abhängigkeit von diesem zumindest einen Temperaturwert unter Anwendung eines empirisch ermittelten Modells bestimmt wird. Dabei kann der erfasste Temperaturwert die Temperatur der Vorratslösung, die Temperatur im Vorratsbehälter und/oder die (unmittelbare) Umgebungstemperatur des Vorratsbehälters sein, vorzugsweise die Temperatur der Vorratslösung. Da bereits im Stand der Technik üblicherweise Temperatursensoren aus Frostschutzgründen im Vorratsbehälter, insbesondere in der Vorratslösung selbst, zum Zwecke der Regelung der Beheizung der Lösung vorgesehen ist, entsteht durch die Ermittlung des Temperaturwertes kein zusätzlicher apparativer Aufwand. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass der Vorratsbehälter ein gasdurchlässiges Element aufweist, welches einen permanenten beschränkten Gasaustausch zwischen Behälter und Umgebung zulässt, und das empirische Modell einen Austrag von Lösungsmittel infolge von Verdunstung und/oder von Zersetzungsprodukten des Reduktionsmittelträgers infolge von Verdunstung aus dem Vorratsbehälter berücksichtigt.
Gegenüber der Ermittlung der Reduktionsmittelkonzentration ausschließlich in Abhängigkeit von der erfassten elektrischen Leitfähigkeit der Lösung im Stand der Technik zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren durch eine höhere Genauigkeit ab, da es auf empirisch ermittelten Daten beruht und unterschiedliche Einflussgrößen berücksichtigen kann. In diesem Zusammenhang haben die vorliegenden Erfinder festgestellt, dass die Temperatur, den Haupteinfluss auf die Alterung der Vorratslösung darstellt, so dass die Berücksichtigung der Temperatur in vielen Fällen bereits zu ausreichend genauen Ergebnissen führt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff ”äquivalente Zustandsgröße” nicht nur eine direkt in die (Massen-)Konzentration (β in g/l) des Reduktionsmittelträgers umrechenbare Größe verstanden, wie beispielsweise der Massenanteil (ω in g/g), der Stoffmengenanteil (χ in mol/mol) oder die Stoffmengenkonzentration (c in mol/l), sondern auch weitere Größen, die den Zustand der Vorratslösung hinsichtlich ihrer Alterung beschreiben. Beispielsweise kann die äquivalente Zustandsgröße ein Korrekturfaktor sein, der nach Multiplikation mit der Ausgangskonzentration (Sollkonzentration) der Vorratslösung ihre aktuelle Konzentration ergibt. Ebenfalls kann die äquivalente Zustandsgröße die Konzentration eines Zersetzungsprodukts des Reduktionsmittelträgers widerspiegeln, insbesondere die Ammoniakkonzentration.
Das erfindungsgemäß angewandte empirische Modell zur Bestimmung des Zustands der Vorratslösung wird umso genauer, je mehr Faktoren, welche die Konzentration des Reduktionsmittelträgers beziehungsweise die äquivalente Zustandsgröße beeinflussen, in dem Modell Berücksichtigung finden. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung berücksichtigt das empirische Modell eine temperaturabhängige Zersetzung des Reduktionsmittelträgers. So ist bekannt, dass beispielsweise Harnstoff thermisch in Ammoniak und Biuret und weitere Zersetzungs- und deren Folgeprodukte zerfällt. Die Zersetzung läuft umso schneller ab je höher die Temperatur der Reduktionsmittellösung ist. Empirisch wird somit ein Zusammenhang zwischen der thermischen Zersetzung und der Temperatur ermittelt und in Form einer Gleichung oder einer Kennlinie abgelegt, so dass im Betrieb in Anhängigkeit von dem erfassten Temperaturwert die aktuelle thermische Zersetzung ermittelt werden kann.
Ferner kann es bedingt durch verschiedene Ursachen zu einem Austrag eines Lösungsmittels der Vorratslösung und/oder einem Austrag von Zersetzungsprodukten des Reduktionsmittelträgers aus dem Vorratsbehälter und damit aus dem System kommen, die ebenfalls die Konzentration des Reduktionsmittelträgers bzw. der äquivalenten Zustandsgröße beeinflussen. Dementsprechend sieht die Erfindung vor, dass das Modell ferner einen Austrag eines Lösungsmittels und/oder von Zersetzungsprodukten des Reduktionsmittelträgers aus dem Vorratsbehälter infolge von Verdunstung des Lösungsmittels beziehungsweise der Zersetzungsprodukte berücksichtigt. Da die Tendenz zur Verdunstung von Lösungsmittel oder Zersetzungsprodukten bei höheren Temperaturen und niedrigeren Drücken deutlich zunimmt, wird der Austrag vorzugsweise in Abhängigkeit des erfassten Temperaturwertes und/oder eines Drucks im Vorratsbehälter und/oder eines Differenzdrucks zwischen Druck im Vorratsbehälter und Umgebungsdruck berücksichtigt.
Es versteht sich, dass der Austrag von Lösungsmittel und/oder von Zersetzungsprodukten aus dem System stark von dem Konzept des verwendeten Vorratsbehälters abhängt. Handelt es sich um einen geschlossenen Vorratsbehälter, können die verdunsteten Bestandteile nicht aus dem Behälter entweichen, so dass der Austrag vernachlässigt werden kann. Übliche Vorratsbehälter für Reduktionsmittel, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, weisen jedoch eine Belüftungsmöglichkeit zum Druckausgleich auf, so dass der Stoffaustrag aus dem System eine Rolle spielt. Bekannt sind beispielsweise Vorratsbehälter, die über ein gesintertes Element mit der Umgebung in Verbindung stehen, so dass zwar Flüssigkeiten das Sinterelement nicht passieren können, wohl aber Gase. Für solche Systeme haben die vorliegenden Erfinder überraschend festgestellt, dass etwa im Fall einer wässrigen Harnstofflösung der Austrag des Lösungsmittels (Wasser) zu einer Konzentrationszunahme des Harnstoffs führt, welche die temperaturabhängige Zersetzung des Harnstoffs überkompensiert. Mit anderen Worten wird in einem derart offenen System eine Zunahme des Reduktionsmittelträgers im Laufe der Alterung der Vorratslösung beobachtet. In geschlossenen (nicht erfindungsgemäßen) Behältern, die über ein Druckausgleichventil verfügen, das bei einem kritischen Druck öffnet, kann hingegen der Stoffaustrag infolge von Verdunstung einen geringeren Einfluss aufweisen. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zur Berücksichtigung des Austrags, des Lösungsmittels und/oder der Zersetzungsprodukte aus dem Vorratsbehälter daher Gasströmungen in und aus dem Vorratsbehälter infolge konstruktiver Belüftungen berücksichtigt. Neben der baulichen Ausgestaltung zum Druckausgleich (z. B. mittels Sinterelement) können die Gasströmungen auch durch den Druckunterschied zwischen dem Innendruck des Vorratsbehälters und dem Umgebungsdruck bestimmt werden, so dass der Druckunterschied in der Modellbetrachtung Berücksichtigung finden kann. Auf der anderen Seite wird Experimenten zufolge die Zersetzungskinetik des Reduktionsmittelträgers nicht oder nur unwesentlich durch den Druck oder die Druckdifferenz beeinflusst, so dass eine temperaturabhängige Betrachtung der Zersetzung sich als ausreichend erwiesen hat.
Weiterhin kann das empirische Modell mit Vorteil eine Konvektion der Vorratslösung infolge der Fahrzeugdynamik berücksichtigen. So haben die vorliegenden Erfinder herausgefunden, dass der Austrag des Lösungsmittels und/oder der Zersetzungsprodukte verglichen mit einer ruhenden Losung zunimmt, wenn beispielsweise Beschleunigungs- oder Querkräfte auftreten, wie dieses im realen Fahrzeugverhalten auftritt. Hingegen hat Experimenten der Erfinder zufolge die Konvektion praktisch keinen Einfluss auf die Zersetzungskinetik des Reduktionsmittelträgers.
Vorzugsweise wird der Zusammenhang zwischen temperaturabhängiger Zersetzung des Reduktionsmittelträgers und der Temperatur empirisch ermittelt, wobei die Zersetzungsgeschwindigkeit bei verschiedenen Temperaturen untersucht wird, und der so gefundene Zusammenhang in Form einer Berechnungsvorschrift oder als Kennfeld in das Modell einfließt. Als ein besonders geeigneter Ansatz zur Erfassung und Berücksichtigung der temperaturabhängigen Zersetzung des Reduktionsmittelträgers hat sich die Arrhenius-Gleichung erwiesen, welche die Abhängigkeit der Geschwindigkeitskonstanten einer chemischen Reaktion von der Temperatur beschreibt. Der Arrhenius-Zusammenhang kann in den folgenden Gleichungsschreibweisen dargestellt werden,
in welcher k die Geschwindigkeitskonstante k der Reaktion, A der Arrhenius-Parameter, R die allgemeine Gaskonstante (8,314472 J/(mol·K)) und T der erfasste Temperaturwert (in Kelvin) bedeuten. Dabei können die Aktivierungsenergie E_A sowie der Arrhenius-Parameter A empirisch bestimmt werden, indem die Geschwindigkeitskonstante K der Zersetzung des Reduktionsmittelträgers bei verschiedenen Temperaturen bestimmt und In K gegen 1/T aufgetragen wird. Dabei ergibt sich eine lineare Abhängigkeit, wobei der Arrhenius-Parameter A aus dem Achsenabschnitt und die Aktivierungsenergie E_A aus der Steigung der Geraden ermittelt werden kann.
Wie vorstehend bereits ausgeführt, kann die Konzentration des Reduktionsmittelträgers durch weitere Einflüsse verändert werden, insbesondere durch den Austrag des Lösungsmittels und/oder der Zersetzungsprodukte aus dem Vorratsbehälter infolge von Verdunstung, infolge von Gasströmungen in und aus dem Vorratsbehälter aufgrund bauformbedingter Belüftungen und Druckunterschieden und/oder infolge von Konvektion der Vorratslösung aufgrund der Fahrzeugdynamik. Falls die empirische Ermittlung der thermischen Zersetzung des Harnstoffs in einem realen Vorratesbehälter mit realen Belüftungen und unter realen Bedingungen erfolgt, können sich diese Korrekturfaktoren erübrigen, da in diesem Fall die genannten Einflüsse bereits inhärent berücksichtigt sind. Andernfalls ist in bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, diese anderen Einflussfaktoren auf die Konzentration des Reduktionsmittelträgers in der Vorratslösung beziehungsweise auf die äquivalente Zustandsgröße in Form von empirisch ermittelten Korrekturfaktoren in dem empirischen Modell zu berücksichtigen. Wenn beispielsweise die Untersuchung der thermischen Zersetzung des Reduktionsmittelträgers im Labormaßstab unter Verwendung eines Behälters erfolgt, der nicht dem realen Vorratsbehälter entspricht, so kann die hierdurch verursachte Differenz durch einen entsprechenden Korrekturfaktor berücksichtigt werden, der dem Übergang vom Laborgefäß zu dem realen Gefäß Rechnung trägt. Sämtliche dieser Korrekturfaktoren können als Konstanten vorgegeben sein oder in Form von temperatur- und/oder druckabhängigen Kennwerten, die als Kennlinien oder Kennfelder abgespeichert sind.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt ferner eine Messung der elektrischen Leitfähigkeit der Vorratslösung. Aus einer gespeicherten Kennlinie, welche die empirisch ermittelte Leitfähigkeit in Abhängigkeit von einem gelösten Zersetzungsprodukt des Reduktionsmittelträgers darstellt, insbesondere in Abhängigkeit des Ammoniakgehalts, wird dieser als Alterungsindikator verwendet, der ebenfalls in das empirische Modell einfließen kann.
Die Bestimmung der Änderung der Konzentration des Reduktionsmittelträgers oder der äquivalenten Zustandsgröße erfolgt vorzugsweise in vorbestimmten Zeitintervallen, beispielsweise halbstündlich, stündlich oder täglich, und wird über die Zeit integriert oder kumuliert. Auf diese Weise wird ausgehend von einer Anfangskonzentration des Reduktionsmittelträgers in der Vorratslösung die aktuelle Konzentration des Reduktionsmittelträgers beziehungsweise die aktuelle äquivalente Zustandsgröße bestimmt, aus der die Dosiermenge abgeleitet wird. Auf diese Weise erfolgt eine kontinuierliche Erfassung der Reduktionsmittelalterung. Dies ermöglicht zudem, bei Überschreitung eines akzeptablen Tolleranzwertes für die Vorratslösung ein Fehlersignal auszugeben mit der Aufforderung zum Wechsel der Vorratslösung beziehungsweise des Vorratsbehälters.
Die Genauigkeit der Reduktionsmitteldosierung kann weiterhin dadurch erhöht werden, dass bei der Bestimmung der dem SCR-Katalysator zuzuführenden Dosiermenge Zersetzungsprodukte des Reduktionsmittelträgers berücksichtigt werden, die als Reduktionsmitteläquivalent betrachtet werden können, da sie auch zu der Reduktion von Stickoxiden im SCR-Katalysator beitragen. Dies bedeutet, dass Zersetzungsprodukte, welche in der Vorratslösung gelöst vorliegen und als Reduktionsmittel wirken oder das Reduktionsmittel selbst darstellen, diese der Reduktionsmittelkonzentration rechnerisch zugeschlagen werden. Beispielsweise reichert sich bei Fortschreiten der Alterung einer wässrigen Harnstofflösung das Zersetzungsprodukt Ammoniak in gelöster Form in der Vorratslösung an. Bei der Bestimmung der Dosiermenge wird dann die Summe aus Harnstoff und Ammoniak (und gegebenenfalls anderen reduktionsmitteläquivalenten Zersetzungsprodukten) zugrunde gelegt.
Eine weitere Verbesserung der Genauigkeit der Dosierung wird erzielt, wenn die Dosiermenge ferner in Abhängigkeit eines Verlustes infolge einer Wandfilmbildung der eingebrachten Vorratslösung in Abgaskanal und/oder an anderen Bauteilen, insbesondere einer Dosiervorrichtung, korrigiert wird. Es wurde nämlich festgestellt, dass nicht die gesamte zudosierte Reduktionsmittelmenge den SCR-Katalysator erreicht und in diesem gespeichert wird, sondern dass geringe Mengen sich an den genannten Bauteilen abschlagen, einen Wandfilm ausbilden und durch Verdampfendes Lösungsmittels kristallisieren können. Die Korrektur erfolgt dann durch eine entsprechende geringfügige Erhöhung der Dosiermenge. Die Bestimmung des Verlustes infolge der Wandfilmbildung kann unter Verwendung eines empirisch ermittelten Modells bestimmt werden, das in seiner einfachsten Form den zeitabhängigen Verlust infolge der Wandfilmbildung darstellen kann.
Selbstverständlich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass – wie im Stand der Technik üblich – die Dosiermenge der Vorratslösung ferner in Abhängigkeit eines aktuellen Reduktionsmittelbedarfs bestimmt wird, welcher anhand einer NO_X-Konzentration im Abgas stromauf und/oder stromab des SCR-Katalysators und/oder anhand eines Betriebspunktes der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere last- und drehzahlabhängig, ermittelt wird.
Als Reduktionsmittel für das SCR-Verfahren wird vorzugsweise Ammoniak NH₃ verwendet, das in Form verschiedener Reduktionsmittelträger als Vorratslösung bevorratet werden kann. Beispielsweise kann Ammoniak in gelöster Form als Direktreduktionsmittelträger eingesetzt werden. Vorteilhafter für mobile Anwendungen ist jedoch der Einsatz einer Vorläuferverbindung als Reduktionsmittelträger, beispielsweise Harnstoff oder Ammoniumformiat. Diese Reduktionsmittelträger werden vorzugsweise in Form ihrer wässrigen Lösungen eingesetzt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Steuergerät zur Steuerung einer Dosierung eines Reduktionsmittelträgers in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine stromauf eines in dem Abgaskanal angeordneten SCR-Katalysators. Dabei enthält das Steuergerät einen Algorithmus zur Steuerung der Dosierung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend der vorstehenden Beschreibung in. computerlesbarer Form gespeichert.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 schematischer Aufbau einer SCR-Abgasanlage;
2 zeitlicher Verlauf der Massenanteile von Harnstoff (oben), Ammoniak (mitte) und Biuret (unten) in einer wässrigen Harnstofflösung bei unterschiedlichen Temperaturen;
3a zeitliche Verläufe der NO_X-Emissionen vor und hinter einem NO_X-Speicherkatalysator gemessen im Neuen Europäischen Fahrzyklus jeweils unter Verwendung einer frischen und einer gealterten wässrigen Harnstofflösung und
3b zeitliche Verläufe der Ammoniakkonzentration in ppm und der relativen kumulierten Ammoniakemission hinter einem NO_X-Speicherkatalysator gemessen im Neuen Europäischen Fahrzyklus (ab 800 s) jeweils unter Verwendung einer frischen und einer gealterten wässrigen Harnstofflösung.
1 zeigt schematisch einen überwiegend mager betriebenen Verbrennungskraftmotor 10, beispielsweise einen Dieselmotor, der mit einer SCR-Katalysatoranlage ausgestattet ist. Diese kann systematisch in ein abgas- und in ein fluidführendes System sowie ein Steuerungssystem unterteilt werden.
Das Abgassystem umfasst einen Abgaskanal 12, der zumindest einen SCR-Katalysator 14 aufweist, der in Gegenwart eines Reduktionsmittels, insbesondere Ammoniak NH₃, Stickoxide NO_X des Abgases katalytisch umsetzt. Als katalytisch wirksame Substanzen enthält der SCR-Katalysator 14 typischerweise geeignete Übergangsmetallsalze in seiner katalytischen Beschichtung, beispielsweise Vanadium-, Molybdän-, Wolfram-, Mangan und/oder Eisenoxide. Der SCR-Katalysator 14 kann als Einzelkatalysator ausgeführt sein oder als mehrere hintereinander geschaltete Katalysatorblöcke, wobei vorzugsweise der vorderste Block zum Zwecke seines schnellen Erwärmens auf seine Betriebstemperatur über ein kleineres Volumen verfügt. Zusätzlich kann zwischen den Blöcken eine Verengungsstelle vorgesehen sein, wodurch eine Verwirbelung des Abgases und eine weitere Homogenisierung des Ammoniaks erzielt wird.
Zur Anhebung des NO₂/NO-Verhältnisses im Abgas und Verbesserung des Wirkungsgrades kann stromauf des SCR-Katalysators 14, insbesondere an einer motornahen Einbaulage, ein Oxidationskatalysator 16 angeordnet sein, der zudem die Aufgabe der Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid erfüllen kann. Ferner kann im Bereich einer Mischstrecke stromab einer weiter unten erläuterten Zuführungsstelle für den Reduktionsmittelträger und stromauf des SCR-Katalysators 14 ein Mischelement 18 zur Homogenisierung des zugeführten Reduktionsmittelträgers angeordnet sein. Der Einsatz eines Mischelements 18 ist besonders bei kurzen Mischstrecken von Vorteil, um eine homogene Anströmung des SCR-Katalysators 14 durch das Reduktionsmittel zu erreichen. Stromab des optionalen Mischelements 18 kann darüber hinaus bei Einsatz von Vorläufersubstanzen des Reduktionsmittels, ein Hydrolysekatalysator 20 vorgesehen sein, der insbesondere bei dynamischer Betriebsweise in niederen Lastbereichen sinnvoll ist. Der Hydrolysekatalysator 20 kann wie dargestellt als gesonderter Katalysator oder Katalysatorabschnitt ausgestaltet sein oder als eine zusätzliche Beschichtung auf dem SCR-Katalysator 14. Ein optional dem SCR-Katalysator 14 nachgeschalteter zweiter Oxidationskatalysator 22 (so genannter Sperrkatalysator) setzt gegebenenfalls überschüssiges Ammoniak um, um Ammoniakemissionen zu verringern. Selbstverständlich können weitere, hier nicht dargestellte Abgaselemente vorhanden sein, beispielsweise ein Dieselpartikelfilter.
Zur Steuerung des SCR-Systems kann eine Sensorik in dem Abgaskanal 12 installiert sein, die verschiedene Gassensoren und/oder Temperatursensoren umfassen kann. In der dargestellten Ausführung umfasst die Sensorik einen ersten NO_X-Sensor 24, der stromauf des ersten Oxidationskatalysators 16 angeordnet ist und die aktuelle NO_X-Rohemission der Verbrennungskraftmaschine 10 misst, sowie einen stromab des SCR-Katalysators 14 angeordneten zweiten NO_X-Sensor 26, welcher der Überwachung des SCR-Katalysators 14 dient. Weitere Sensoren, beispielsweise Lambdasonden oder Temperatursensoren können zusätzlich vorgesehen sein.
Das Fluidsystem der SCR-Katalysatoranlage dient der Bevorratung und Dosierung des Reduktionsmittelträgers, wobei nachstehend von Harnstoff als Reduktionsmittelträger ausgegangen wird, das in Form einer wässrigen Harnstofflösung (Vorratslösung) 28 vorliegt. Es versteht sich jedoch, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch andere Reduktionsmittelträger, wie Ammoniak in gelöster Form oder eine andere Vorläuferverbindung, wie Ammoniumcarbamat, Cyanursäure oder Ammoniumformiat in Form ihrer wässrigen Lösungen, Einsatz finden können.
Die wässrige Harnstofflösung 28 befindet sich in einem Vorratsbehälter 30, der über eine Förderleitung 32 mit einer Dosiereinrichtung 34 in Verbindung steht. An einer geeigneten Position der Förderleitung 32 ist eine Förderpumpe 36 installiert, die vorzugsweise zur beidseitigen Förderung der Lösung 28 ausgelegt ist. Auf diese Weise baut die Förderpumpe 36 einerseits den notwendigen Systemdruck auf und kann andererseits nach Abstellen des Systems durch Rücksaugen die Förderleitung 32 entleeren. Die Dosiereinrichtung 34 ist beispielsweise als Dosierventil ausgestaltet, das über eine Flanschverbindung direkt mit dem Abgaskanal 12 verbunden ist. Ihre Einbauposition im Abgaskanal 12 kann motornah oder motorfern sein.
Der Vorratsbehälter 30 für die Harnstofflösung 28 ist im Allgemeinen dem vorhandenen Bauraum des Fahrzeugs angepasst, so dass auch geteilte Systeme Verwendung finden können. Das Behältervolumen ist vorzugsweise so bemessen, dass die Befüllung durch den Kundendienst in den regulären Serviceintervallen erfolgt. Kundenseitig austauschbare Systeme sind jedoch ebenfalls bereits im Einsatz. Typischerweise ist in dem Vorratsbehälter 30 ein hier nicht dargestellter Füllstandssensor verbaut, der beispielsweise über eine Leitfähigkeitsmessung den Füllstand überwacht. Zudem ist im Behälter ein Temperatursensor 38 an einer unteren Position angeordnet, so dass dieser die Temperatur der Vorratslösung 28 misst. Fällt die Temperatur der Lösung 28 unter einen vorbestimmten Schwellenwert, so erfolgt eine Beheizung der Vorratslösung 28 mittels einer nicht dargestellten Heizeinrichtung, etwa einer elektrischen Widerstandsheizung, die im Inneren oder Äußeren des Behälters 30 angebracht sein kann. Ebenso können auch die Leitung 32 und die Dosiereinrichtung 34 beheizbar ausgeführt sein. Im dargestellten Beispiel verfügt der Vorratsbehalter 30 über eine Belüftungseinrichtung 40, die beispielsweise als ein gasdurchlässiges Sinterelement ausgestaltet sein kann, das einen beschränkten Gasaustausch zwischen dem Behälter 30 und der Umgebung zulässt, um einem Unterdruck bei abnehmenden Füllstand und einem Überdruck bei Temperaturanstieg im Behälter entgegenzuwirken.
Zentrales Element des Steuerungssystems ist ein Steuergerät 42, das die Signale der NO_X-Sensoren 24 und 26, des Temperatursensors 38 und gegebenenfalls weiterer Sensoren empfängt. Das Steuergerät 42 ermittelt in Abhängigkeit der Signale eine benötigte Dosiermenge des Reduktionsmittelträgers und steuert die Förderpumpe 36 sowie die Dosiereinrichtung 34 so an, dass die ermittelte Dosiermenge in den Abgaskanal 12 eingespeist wird, um nach Homogenisierung durch das Mischelement 18, im Hydrolysekatalysator 20 Ammoniak NH₃ freizusetzen, das sodann im SCR-Katalysator eingespeichert wird, um als Reduktionsmittel für die NO_X-Reduktion zur Verfügung zu stehen. Grundsätzlich erfolgt – wie im Stand der Technik üblich – die Bestimmung der Dosiermenge bedarfsabhängig. Dabei kann insbesondere ein aktueller Reduktionsmittelbedarf anhand einer mit dem Sensor 24 gemessenen NO_X-Konzentration im Abgas bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich lässt sich der Bedarf jedoch auch in Abhängigkeit eines Betriebspunktes der Verbrennungskraftmaschine 10 aus einem gespeicherten Kennfeld ermitteln.
Bei dieser Vorgehensweise der Reduktionsmitteldosierung kommt es jedoch zu Über- oder Unterdosierungen, wenn sich die Reduktionsmittelträgerkonzentration in der Vorratslösung 28 infolge ihrer Alterung aufgrund verschiedener Prozesse verändert. Die Erfindung verfolgt nun den Ansatz, die Konzentrationsänderung des Reduktionsmittelträgers anhand eines empirisch ermittelten Modells zu beschreiben, um die Dosiermenge entsprechend anzupassen, wobei das Modell die wichtigsten Einflussfaktoren berücksichtigen sollte.
Insbesondere spielt hier die thermische Zersetzung des Reduktionsmittelträgers infolge von Wärmeeintrag in die Lösung eine Rolle, welche aufgrund hoher Umgebungstemperaturen sowie fahrzeugseitig durch betriebsbedingte Bauteileerwärmungen erfolgt. Dabei können bei betriebswarmen und stehendem Fahrzeug aufgrund mangelnder Luftzirkulation besonders hohe Temperaturen in der Umgebung und im Inneren des Reduktionsmittelbehälters 30 auftreten. In der Praxis wurden maximale Temperaturen der Vorratslösung von über 60°C (bei Temperaturen der unmittelbaren Behälterumgebung von über 80°C) gemessen. Im Falle der wässrigen Harnstofflösung entstehen aus der thermischen Zersetzung bei solchen Temperaturen, in geringerem Ausmaß aber auch bereits bei niedrigeren Temperaturen, vor allem Ammoniak sowie in geringeren Mengen Biuret und weitere Zersetzungsprodukte und deren Folgeprodukte. Sofern die Zersetzungsprodukte selbst jedoch einen Träger darstellen, der Ammoniak freisetzt, oder direkt in Form von Ammoniak in der Lösung 28 vorliegen, d. h. ein Reduktionsmitteläquivalent darstellen, ist mit der thermischen Zersetzung von Harnstoff nicht unbedingt eine Abnahme des Reduktionspotentials der Lösung verbunden.
In Laborversuchen wurden Probenbehälter, welche einen realen Reduktionsmittelbehälter simulieren sollten und mit einer wässrigen Harnstofflösung befüllt waren, in Klimaschränken über einen Zeitraum von 672 h verschiedenen Temperaturen ausgesetzt und die Massengehalte an Harnstoff und den Zersetzungsprodukten Ammoniak und Biuret in Intervallen von 168 h bestimmt. Das Ergebnis ist in 2 dargestellt. Es zeigt sich, dass der Anteil aller drei Komponenten linear mit der Zeit zunimmt. Die steigenden Anteile an Ammoniak und Biuret weisen auf eine thermische Zersetzung des Harnstoffs hin. Die Tatsache, dass der Harnstoffanteil trotzdem ebenfalls steigt, zeigt den überlagerten Einfluss des Austrags von Wasser durch Verdampfung, der zu einer Anreicherung des Harnstoffs führt. Aus der graphischen Darstellung von In k über 1/T gemäß der Arrhenius-Gleichung 1 für die Komponenten Ammoniak und Biuret konnte die Aktivierungsenergie EA mit 134,5 kJ/mol bestimmt werden.
Zur Erstellung eines empirischen Modells wurde Ammoniak als Indikator für die Alterung der Vorratslösung verendet und die Reaktionsgeschwindigkeit der Bildung von Ammoniak in Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt. Für das untersuchte System wurde auf diese Weise ein empirischer Laboralterungsindex λ_L gemäß folgender Gleichung 2 ermittelt, der die Änderung der Konzentration in % pro Stunde h angibt und die Alterung der Harnstofflösung infolge der Harnstoffthermolyse einerseits und Austrag von Wasser und Ammoniak infolge Verdunstung andererseits darstellt:
Der Ansatz gemäß Gleichung 2 kann grundsätzlich schon als einfaches empirisches Modell zur temperaturabhängigen Ermittlung der Änderung der Harnstoffkonzentration der Vorratslösung dienen. Da die zugrunde liegenden Messungen jedoch im Laborversuch vorgenommen wurden, die im Einzelnen von realen Bedingungen abweichen, wurden weitere Untersuchungen unternommen, um andere Einflussfaktoren auf den Zustand der Harnstofflösung zu ermitteln und in Form von Korrekturgrößen in das Modell einfließen zu lassen.
So wurden die Konstanten in Gleichung 2 durch Laborversuche in Vergleichsbehältern empirisch ermittelt, die zwar den Vorratsbehälter 30 des realen Systems abbilden sollten, sich jedoch in Größe und Belüftung (welche in den Vergleichsbehältern durch eine Bohrung geringen Durchmessers simuliert wurde) von diesem unterschieden. Um den Übergang zum realen System im Modell zu berücksichtigen, wurden einige analoge Laboruntersuchungen zur thermischen Harnstoffzersetzung in einem realen Behälter (d. h. in baugleicher Ausführung mit Serienfahrzeugbehältern) vorgenommen und wiederum die Anteile der verschiedenen Komponenten über die Zeit sowie die Geschwindigkeitskonstanten in Abhängigkeit von der Temperatur ermittelt. Die Verläufe der Gehalte von Harnstoff, Ammoniak und Biuret ähnelten grundsätzlich denen der 2 und bestätigten die Dominanz des Wasseraustrags gegenüber der Harnstoffzersetzung (nicht dargestellt). Aus den Quotienten der Geschwindigkeitskonstanten für das reale System und der Geschwindigkeitskonstanten für das Vergleichssystem wurden ein Korrekturfaktor für jede unersuchte Temperatur T ermittelt und daraus der Korrekturfaktor b_real durch arithmetische Mittelung gebildet, der im vorliegenden Beispiel 1,633 ± 0,0254 betrug.
Ferner sollte das Modell den Einfluss von Gasströmungen in und aus den Vorratsbehälter 30 berücksichtigen, die zu einem Austrag verdunsteten Lösungsmittels (Wassers) und von verdunsteten Zersetzungsprodukten, insbesondere Ammoniak, über die Belüftungseinrichtung 40 führen. Hierzu wurden im Laborversuch Probenbehälter mit unterschiedlichen Entgasungsbohrungen (von 1 mm bis 6 mm) unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt, um die Kinetiken mit Gleichung 2 zu vergleichen. Erwartungsgemäß wurde ein erhöhter Stofftransport in die Umgebung bei größeren Entgasungsbohrungen festgestellt. Ferner wurde die Änderung der Massenanteile der Komponenten Harnstoff, Ammoniak und Biuret in Abhängigkeit von den druckdifferenzbedingten Entgasungsvolumenströmen bestimmt. Es wurde ein negativer linearer Zusammenhang zwischen Ammoniak und Biuretanteil in der Lösung und Entgasungsvolumenstrom festgestellt. Auch der Wasseraustrag stieg mit dem Entgasungsvolumenstrom. Dagegen wurde ein Harnstoffaustrag erst bei größeren Gasströmungen gefunden. Diese Untersuchungen zeigen, dass die Berücksichtigung der Gasströme des realen Vorratsbehälters im Modell zweckmäßig ist.
Ein weiterer Einfluss auf den Stoffaustrag stellt die Konvektion der Vorratslösung dar, welche durch die Fahrzeugdynamik hervorgerufen wird. Zur Erfassung dieses Einflusses wurden auf einem Sechs-Achsen-Prüfstand die translatorischen Freiheitsgrade der Längs-, Quer- und Vertikalbewegung sowie der rotatorischen Freiheitsgrade des Wank-, Nick- und Gierverhaltens auf Basis eines realen, aber sehr dynamischen Fahrzyklus dargestellt. Vergleichsbehälter, welche eine frische Harnstofflösung sowie Lösungen verschiedener Alterungsstufen enthielten, wurden auf dem Prüfstand fixiert und die Veränderung der Lösungen im Dauerversuch untersucht. Eine Analyse des Harnstoff- und des Biuretgehalts zeigte keine Beeinflussung, d. h. eine Harnstoffzersetzung durch mechanischen Energieeintrag infolge dynamischer Belastung konnte nicht nachgewiesen werden, so dass es keiner Korrektur des Modells durch diesen Faktor bedarf. Auf der anderen Seite zeigten die gealterten Vorratslösungen, die aufgrund der thermischen Harnstoffzersetzung bereits einigen Anteil an Ammoniak enthielten, einen durch die Konvektion verstärkten Austrag von Ammoniak. Dieser Einfluss lässt sich durch einen Faktor für den Austrag infolge von Konvektion berücksichtigen, der vorliegend für eine „Worst-Case-Betrachtung”, die einem sehr dynamischen Fahrverhalten entspricht, auf b_{dyn_Austrag} = 0,9 bestimmt wurde. Bei einer typischeren gemäßigten Fahrweise kann der Korrekturfaktor b_{dyn_Austrag} hingegen näherungsweise gleich 1 gesetzt werden, d. h. der Einfluss vernachlässigt werden.
Weitergehende Experimente zum Druckverhalten des Behälters im realen Fahrzeug zeigten keine nennenswerte Änderung des Behälterinnendrucks gegenüber dem atmosphärischen Druck und gegenüber unterschiedlichen Fahrzeuggeschwindigkeiten. Ein signifikanter Stofftransport über die Entgasungsmöglichkeit durch Druckgefälle wird somit nicht erwartet, so dass dieser Einflussfaktor im Modell vernachlässigt werden kann. Soll die Genauigkeit des Modells jedoch noch weiter verbessert werden, ist selbstverständlich auch eine Berücksichtigung von Druckdifferenzen möglich.
Weitere Untersuchungen zeigten zudem, dass weder die thermische Zersetzung des Harnstoffs noch der Stoffaustrag aus dem System eine signifikante Abhängigkeit von wiederholten Gefrier- und Auftauzyklen zeigte, so dass auch diese Einflussfaktoren im Modell vernachlässigt werden können.
Desgleichen konnte auch keine signifikante Hydrolyse des Harnstoffs aufgrund basischer Spaltung in Langzeitversuchen festgestellt werden, so dass auch dieser Einfluss im vorliegenden System nicht betrachtet zu werden braucht.
Zur Entwicklung eines geeigneten Modells wurde im vorliegenden Beispiel die Ammoniakkonzentration C_NH3 der Harnstofflösung als Indikator für den Alterungsindex λ (= Zustandsgröße) verwendet. Ausgehend von einer Anfangskonzentration C_NH3,0 ergibt sich somit ein über die Zeit kumulierter Alterungsindex λ gemäß Gleichung 3:
Der Alterungsindex λ setzt sich aus dem ermittelten Laboralterungsindex λ_L nach Gleichung 2 und verschiedenen Korrekturfaktoren b_x zusammen und kann gemäß Gleichung 4 ausgedrückt werden: λ = λ_L·b_real·b_{dyn_Zersetzung}·b_{dyn_Austrag}·b_Druck·b_Hydrolyse (4)
In Gleichung 4 bedeutet b_real den Korrekturfaktor zum Ausgleich von Unterschieden des Laborbehälters zum realen Vorratsbehälter, b_{dyn_Zersetzung} den Korrekturfaktor zur Berücksichtigung der Harnstoffzersetzung infolge von Konvektion, b_{dyn_Austrag} den Korrekturfaktor zur Berücksichtigung des Stoffaustrags aus dem System infolge von Konvektion, b_Druck den Korrekturfaktor zur Berücksichtigung des Umgebungsluftdrucks und b_Hydrolyse den Korrekturfaktor zur Berücksichtigung der basischen Harnstoffhydrolyse. Wie vorstehend bereits diskutiert, können die Korrekturfaktoren b_{dyn_Zersetzung}, b_Druck, b_{dyn_Austrag} und b_Hydrolyse im vorliegenden System näherungsweise vernachlässigt, d. h. gleich 1 gesetzt werden, während der Korrekturfaktor b_real gleich 1,633 gesetzt wird.
Damit ergibt sich zur Ermittlung des temperaturabhängigen Modells für eine der Harnstoffkonzentration äquivalenten Zustandsgröße das Modell gemäß Gleichung 5:

In einer Untersuchung wurde eine 32,5%-ige wässrige Harnstofflösung unter Laborbedingungen über einen Zeitraum von 672 h bei einer konstanten Temperatur von 70°C gealtert, wodurch ein Alterungszustand simuliert wurde, der im Wesentlichen dem am Ende eines Serviceintervalls entspricht. Entsprechend den Ergebnissen der Messungen der Massenanteile an Harnstoff, Ammoniak und Biuret im realen Vorratsbehälter (in Analogie zu den in 2 dargestellten Ergebnissen) wurden diese Massenanteile als Berechnungsgrundlage zur Ermittlung der in der gealterten Harnstofflösung gelösten Ammoniakäquivalenzmasse pro Liter verwendet. Die aus diesen Komponenten resultierenden Ammoniakkonzentrationen der Harnstofflösung sowie die gesamte äquivalente Ammoniakmasse ist in Tabelle 1 dargestellt. Gegenüber der nicht gealterten Lösung enthält demnach die gealterte Lösung eine um 32% erhöhte Konzentration an gespeicherter Reduktionsmittelmasse (Ammoniak). Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass diese Reduktionsmitteläquivalenzmasse bei der Ermittlung der Dosiermenge in den Abgaskanal berücksichtigt wird, da sie zu der Reduktion von Stickoxiden beiträgt. Tabelle 1

Reduktionsmittel	gespeicherte Ammoniakäquivalenzmasse [g/l]
Reduktionsmittel	aus gelöstem Harnstoff	aus gelöstem Ammoniak	aus gelöstem Biuret	Gesamt
Ausgangszustand	184,30	0,10	0,01	184,41
Alterungszustand	205,30	36,20	2,00	243,50

Aus den vorstehenden Ergebnissen wird erwartet, dass bei einer nicht an den Alterungszustand angepasste Dosierung des Reduktionsmittels stromauf des SCR-Katalysators, also einer von einer konstanten Ausgangskonzentration ausgehenden Dosierstrategie, aufgrund der in der Reduktionsmittellösung zunehmenden Konzentration des Reduktionsmitteläquivalents eine Überdosierung stattfindet. Um dieses zu überprüfen, wurden die verschiedenen Emissionen einer Abgasanlage entsprechend 1 (zusätzlich mit einem Dieselpartikelfilter ausgestattet) mit einem Versuchsfahrzeug im Neuen Europäischen Fahrzyklus untersucht. Dabei wurde die nicht gealterte Harnstofflösung (Reduktionsmittelqualität 1) und die gealterte Harnstofflösung (Reduktionsmittelqualität 4) gemäß Tabelle 1 verwendet, ohne die Dosierung an den Alterungszustand anzupassen. Die Dosierfreigabe erfolgte jeweils bei Erreichen der Betriebsbereitschaft des SCR-Katalysators (2,5 dm³, Corderit-Träger, Kupfer-Zeolith als katalytische Beschichtung mit Hydrolysefunktion) bei einer Temperatur von 150°C nach etwa 810 s. Die Dosiermenge wurde durch einen Soll/Ist-Vergleich der Ammoniakbeladungsregelung des Katalysators bestimmt.
3a zeigt die kumulierten NO_X-Emissionen vor und hinter dem SCR-Katalysator jeweils für beide Reduktionsmittelqualitäten. Während erwartungsgemäß die NO_X-Rohemissionen nach den Graphen a und b nicht durch die Reduktionsmittelqualität beeinflusst wird, ist bereits kurz nach Beginn der Dosierung ein Auseinanderlaufen der NO_X-Emissionen nach dem Katalysator zu verzeichnen. Insbesondere ist die kumulierte Endemission bei Verwendung der frischen Harnstofflösung (Graph c) höher als bei der gealterten Lösung (Graph d), was auf die höhere Ammoniakkonzentration in der gealterten Lösung zurückzuführen ist. Die gealterte Lösung weist eine Wirkungsgradverbesserung im gesamten Fahrzyklus auf (im vorliegenden Beispiel von 6,7%).
Anders verhält es sich jedoch mit der Emission von Ammoniak stromab des SCR-Katalysators, die in 3b für den Teilzyklus ab Dosierbeginn dargestellt ist, in welcher die Graphen g und g' die momentane Ammoniakkonzentration in ppm bzw. die relative kumulierte Ammoniakemission in % für die nicht gealterte Harnstofflösung darstellen (Reduktionsmittelqualität 1) und die Graphen f und f' die entsprechenden Verläufe für die gealterte Lösung (Reduktionsmittelqualität 4). Hier zeigt sich ein deutlicher Anstieg von emittierten NH₃ im Falle der gealterten Harnstofflösung (Graphen f, f') gegenüber der frischen Lösung (Graphen g, g'). Dieses Phänomen ist auf die Überdosierung an Ammoniak zurückzuführen, so dass die nicht direkt am Katalysator umgesetzte und nicht eingelagerte Ammoniakmasse den Katalysator passiert.
Um die Auswirkungen einer veränderten Dosiermenge auf die Abgasemissionen zu untersuchen, wurden wiederum auf dem Motorprüfstand, diesmal jedoch unter verschiedenen konstanten Betriebspunkten des Motors die Emissionen bei verschiedenen Dosierverhältnissen des Reduktionsmittels ermittelt. Dabei stellt das Dosierverhältnis α_Red das Verhältnis der zudosierten Reduktionsmittelkonzentration C_NH3 zur Stickoxidkonzentration c_NOx im Abgas nach Gleichung 6 dar. Unter idealen Bedingungen führt ein Dosierverhältnis mit α_Red = 1 zu einer vollständigen NO_X-Konvertierung unter vollständigem Verbrauch von NH₃, so dass theoretisch Ammoniakemissionen erst bei α_Red > 1 und Stickoxidemissionen bei α_Red < 1 auftreten. Da praktisch jedoch verschiedene Einflüsse zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades führen, kann die maximal mögliche Stickoxidkonvertierung bei bestimmten Betriebspunkten bereits bei Dosierverhältnissen von α_Red < 1 erreicht werden.
Grundsätzlich steigen bei allen Messungen (hier nicht dargestellt) mit abfallender negativer Steigung der Stickoxide und gleichzeitigem Beginn einer asymptotischen Näherung die Ammoniakemissionen an. Der bereits festgestellte NO_X-Konvertierungsvorteil der gealterten Lösung Q4 gegenüber der frischen Lösung Q1 kommt besonders bei niedriglastigen Betriebspunkten zum Tragen und ist bei hochlastigen Betriebspunkten kaum noch oder nicht mehr beobachtbar. Ferner treten die Ammoniakemissionen bei gealterter Lösung bereits bei kleineren Dosierverhältnissen auf und sind in ihrer Konzentration insgesamt höher gegenüber der frischen Harnstofflösung. Auch verringert sich der Unterschied mit höherer Last und Drehzahl.
Insgesamt zeigen alle Emissionsmessungen, dass in dem Bestreben, einen möglichst hohen NO_X-Konvertierungswirkungsgrad bei möglichst geringen NH₃-Emissionen zu erzielen, eine Verschiebung des Dosierverhältnisses bei einer gealterten Reduktionsmittellösung zu kleineren Verhältnissen notwendig ist.
Erfindungsgemäß wird in einer bevorzugten Ausgestaltung folgende Vorgehensweise zur Dosierung des Reduktionsmittels Harnstoff angewandt.
Die Reduktionsmitteldosierung wird in Abhängigkeit des Betriebspunktes und des Dosierverhältnisses berechnet. Hierzu wird in Abhängigkeit von einem aktuellen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine der im Abgaskanal vorliegende Stickoxidmassenstrom ṁ_NOx ermittelt. Zu diesem Zweck kann die Stickoxidkonzentration stromauf des SCR-Katalysators C_{NOx vor SCR} (in ppm) gemessen und der betriebspunktabhängige Luftmassenstrom ṁ_Luft und Kraftstoffmassenstrom ṁ_Kraftstoff aus entsprechenden Kennfeldern eingelesen (jeweils in kg/h) werden und der Stickoxidmassenstrom ṁ_NOx (in kg/h) nach Gleichung 7 berechnet werden.
Anschließend wird aus dem vorbestimmten Dosierverhältnis α_Red nach Gleichung 6 der zur Konvertierung des Stickoxidmassenstroms ṁ_NOx erforderliche Reduktionsmittelmassenstrom ṁ_Red (hier Ammoniakmassenstrom) berechnet. Das Dosierverhältnis α_Red wird dabei so vorgegeben, dass eine möglichst hohe NO_X-Konvertierungswirkungsrate bei möglichst geringer Ammoniakemission nach SCR-Speicherkatalysator erreicht wird. Beispielsweise kann er so vorbestimmt werden, dass eine maximal zulässige Ammoniakkonzentration im Abgas nicht überschritten wird.
Der Reduktionsmittelmassenstrom ṁ_Red wird auf Basis der Ausgangskonzentration der Reduktionsmittellösung (hier 32,5%-ige Harnstofflösung) gemäß Gleichung 8 berechnet, so dass der Konzentrationsfaktor y_Red gleich 1/0,325 ist. Der Molmengenfaktor x_Red von 1/2 berücksichtigt, dass bei der thermischen Zersetzung von Harnstoff zwei Mol Ammoniak aus einem Mol Harnstoff entstehen. Die mittlere Abgasmolmasse M_Abgas und die Molmasse von Harnstoff M_Harnstoff betragen 28,8 g/mol beziehungsweise 62,062 g/mol. Der Faktor z_Red berücksichtigt die veränderte Reduktionsmittelmasse.
Der Alterungsfaktor z_Red kann folgendermaßen ermittelt werden.

– Aus dem im Steuergerät hinterlegten Modell zur Ermittlung des Alterungszustandes ergibt sich die gespeicherte Ammoniakäquivalenzmasse bzw. die prozentuale Änderung zum Ausgangszustand. Der Quotient aus z₁ = 1 für den Ausgangszustand und z₂ = 1,32 bei 32% erhöhter Ammoniakmasse ergibt den Faktor z_Red = 0,76 als Beispiel. Diese Vorgehensweise stellt eine näherungsweise Anpassung mit der Annahme eines linearen Zusammenhangs ohne Berücksichtigung äußerer Einflussfaktoren auf den Wirkungsgrad dar.
– Die Genauigkeit lässt sich durch Untersuchungen an einem Motorprüfstand erhöhen. Dazu wird der gesamte Betriebsbereich eines Motors schrittweise hinsichtlich der Emissionen vermessen und interpoliert. Die Verwendung von verschiedenen Reduktionsmittelqualitäten bzw. Alterungsstufen erhöht die Genauigkeit der Adaption. Nach der Referenzmessung mit unverändertem Dosierverhältnis wird das Dosierverhältnis zunächst mit dem in Abhängigkeit des Reduktionsmittelzustandes ermittelten Faktor Z_Red multipliziert und erneut vermessen. Aus den Messungen ergibt sich das kennfeldweite Emissionsverhalten der Stickoxide und des Ammoniaks. Mittels einer Optimierung ausgewählter Betriebspunkte durch genauere Anpassung des Dosierverhältnisses können auch äußere Faktoren berücksichtigt werden, die praktisch zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades führen. Die individuellen Faktoren werden in einem Kennfeld im Steuergerät hinterlegt.
– Eine Validierung am Fahrzeug in Form von Emissionsmessungen auf einem Rollenprüfstand mit vorgegebenen Fahrzyklen kann die Adaption abschließen.

Schließlich wird in Abhängigkeit von dem so ermittelten Reduktionsmittelmassenstrom ṁ_Red das Verhältnis der Dosierventilansteuerung TV_Red aus einer gespeicherten Kennlinie ermittelt, die sich beispielsweise mit Gleichung 9 beschreiben lässt, und die Dosiereinrichtung entsprechend durch das Steuergerät angesteuert.
Diese Schritte zur Ermittlung der Dosierventilansteuerung TV_Red werden während des Betriebs der SCR-Abgasanlage in einem zyklischen Prozess kontinuierlich wiederholt.
Im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde die Korrektur der Dosierungsmenge zur Berücksichtigung der Reduktionsmittelalterung im Schritt der Ermittlung des darzustellenden Reduktionsmittelmassenstroms ṁ_Red vorgenommen, indem das tatsächliche Reduktionsmitteläquivalent der Lösung herangezogen wurde. Es ist in diesem Zusammenhang jedoch auch denkbar, diese Korrektur an anderer Stelle des Verfahrensablaufs durchzuführen. Beispielsweise kann in Abhängigkeit der ermittelten alterungsbedingten Zustandesgröße ein auf das Dosierverhältnis α_Red anzuwendender Korrekturfaktor ermittelt werden, der das Dosierverhältnis insbesondere in Richtung < 1 verschiebt. In analoger Weise kann auch ein das Verhältnis der Dosierventilansteuerung TV_Red anwendbarer Korrekturfaktor ermittelt werden, der beispielsweise dieses in Richtung geringerer Ventilöffnungsquerschnitte oder Ventilöffnungszeiten verschiebt.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschine
12: Abgaskanal
14: SCR-Katalysator
16: Oxidationskatalysator
18: Mischelement
20: Hydrolysekatalysator
22: Oxidationskatalysator
24: NO_X-Sensor
26: NO_X-Sensor
28: Vorratslösung/wässrige Harnstofflösung
30: Vorratsbehälter
32: Förderleitung
34: Dosiereinrichtung
36: Förderpumpe
38: Temperatursensor
40: Belüftungseinrichtung
42: Steuergerät

Claims

Verfahren zur Dosierung eines Reduktionsmittelträgers in einen Abgaskanal (12) einer Verbrennungskraftmaschine (10) stromauf eines in dem Abgaskanal (12) angeordneten SCR-Katalysators (14), wobei eine Konzentration des Reduktionsmittelträgers in einer Vorratslösung (28) oder eine äquivalente Zustandsgröße ermittelt wird und in Abhängigkeit der Konzentration des Reduktionsmittelträgers oder der äquivalenten Zustandsgröße eine Dosiermenge der Vorratslösung (28) bestimmt und die Vorratslösung (28) aus einem Vorratsbehälter (30) entsprechend der so bestimmten Dosiermenge stromauf des SCR-Katalysators (14) in den Abgaskanal (12) eingebracht wird, wobei zur Bestimmung der Konzentration des Reduktionsmittelträgers in der Vorratslösung (28) oder der äquivalenten Zustandsgröße wenigstens ein Temperaturwert, umfassend Temperatur der Vorratslösung (28), Temperatur im Vorratsbehälter (30) und/oder Umgebungstemperatur des Vorratsbehälters (30), erfasst wird und eine Änderung der Konzentration des Reduktionsmittelträgers in der Vorratslösung (28) oder der äquivalenten Zustandsgröße in Abhängigkeit von dem zumindest einen Temperaturwert unter Anwendung eines empirisch ermittelten Modells bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter (30) ein gasdurchlässiges Element aufweist, welches einen permanenten beschränkten Gasaustausch zwischen Behälter (30) und Umgebung zulässt, und das empirische Modell einen Austrag von Lösungsmittel infolge von Verdunstung und/oder von Zersetzungsprodukten des Reduktionsmittelträgers infolge von Verdunstung aus dem Vorratsbehälter (30) berücksichtigt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das empirische Modell eine temperaturabhängige Zersetzung des Reduktionsmittelträgers berücksichtigt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berücksichtigung des Austrags des Lösungsmittels und/oder der Zersetzungsprodukte aus dem Vorratsbehälter (30) das empirische Modell Gasströmungen in und aus dem Vorratsbehälter (30) infolge von konstruktiven Belüftungen berücksichtigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrag des Lösungsmittels und/oder der Zersetzungsprodukte aus dem Vorratsbehälter (30), insbesondere in Abhängigkeit des erfassten Temperaturwerts, eines Drucks im Vorratsbehälter (30) und/oder eines Differenzdrucks zwischen Druck im Vorratsbehälter (30) und Umgebungsdruck berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berücksichtigung des Austrags des Lösungsmittels und/oder der Zersetzungsprodukte aus dem Vorratsbehälter (30) das Modell eine Konvektion der Vorratslösung (28) infolge einer Fahrzeugdynamik berücksichtigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zusammenhang zwischen temperaturabhängiger Zersetzung des Reduktionsmittelträgers und der Temperatur empirisch ermittelt wird und der Zusammenhang in das Modell einfließt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass andere Einflussfaktoren auf die Konzentration des Reduktionsmittelträgers in der Vorratslösung (28) oder auf die äquivalente Zustandsgröße als die temperaturabhängige Zersetzung des Reduktionsmittelträgers in Form von empirisch ermittelten Korrekturfaktoren in dem Modell berücksichtigt werden, insbesondere ein Austrag eines Lösungsmittels und/oder von Zersetzungsprodukten des Reduktionsmittelträgers aus dem Vorratsbehälter (30) infolge Verdunstung, infolge von Gasströmungen in und aus dem Vorratsbehälter (30) und/oder infolge von Konvektion.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Änderung der Konzentration des Reduktionsmittelträgers oder der äquivalenten Zustandsgröße in vorbestimmten Zeitintervallen erfolgt und über die Zeit integriert oder kumuliert wird, um ausgehend von einer Anfangskonzentration des Reduktionsmittelträgers in der Vorratslösung (28) eine aktuelle Konzentration des Reduktionsmittelträgers in der Vorratslösung (28) oder eine aktuelle äquivalente Zustandsgröße zu bestimmen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiermenge der der Vorratslösung (28) ferner in Abhängigkeit eines aktuellen Reduktionsmittelbedarfs bestimmt wird, welcher anhand einer NO_X-Konzentration im Abgas und/oder eines Betriebspunktes der Verbrennungskraftmaschine (10) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der Dosiermenge eine Konzentration von Reduktionsmitteläquivalenten Zersetzungsprodukten in der Vorratslösung (30) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiermenge ferner in Abhängigkeit eines Verlustes infolge einer Wandfilmbildung der eingebrachten Vorratslösung (28) im Abgaskanal (12) und/oder an anderen Bauteilen korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlust unter Verwendung eines empirisch ermittelten Modells bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel Ammoniak (NH₃) und der Reduktionsmittelträger Ammoniak in gelöster Form oder eine Vorläuferverbindung, insbesondere Harnstoff oder Ammoniumformiat (HCOONH₄), ist.
Steuergerät (42) zur Steuerung einer Dosierung eines Reduktionsmittelträgers in einen Abgaskanal (12) einer Verbrennungskraftmaschine (10) stromauf eines in dem Abgaskanal (12) angeordneten SCR-Katalysators (14), wobei das Steuergerät einen Algorithmus zur Steuerung der Dosierung gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in computer-lesbarer Form gespeichert enthält.