DE102011003599B4 - Verfahren zum Dosieren eines Reduktionsmittels - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Regelung der Dosiermenge eines Reduktionsmittels in einem SCR-Katalysatorsystem, insbesondere dem SCR-Katalysatorsystem eines Kraftfahrzeugs, umfassend die folgenden Schritte:- Berechnen der maximalen NH3-Beladung mNH3LdMax des SCR-Katalysators,- Berechnen einer NH3-Grenzbeladung mNH3LdActMax des SCR-Katalysators durch Simulation einer Überdosierung durch Vergrößerung der eindosierten Ammoniakmenge mNH3ln durch Multiplikation mit einem Faktor F und/oder Addition eines Offsets O, sowie Subtrahieren des Ammoniakverbrauchs mNH3Verb des SCR-Katalysators, und- Ausgabe eines Hinweises auf eine erhöhte Gefahr der Ammoniakabgabe ins Abgas an eine Steuerungseinheit des SCR-Systems, solange die Bedingung mNH3LdActMax ≥ mNH3LdMax erfüllt ist, wobei bei Ausgabe eines Hinweises auf eine erhöhte Gefahr der Ammoniakabgabe ins Abgas die Regelung der Dosiermenge des Reduktionsmittels gesperrt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Dosiermenge eines Reduktionsmittels in einem SCR-Katalysatorsystem, insbesondere dem SCR-Katalysatorsystem eines Kraftfahrzeugs. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie ein SCR-Katalysatorsystem, umfassend ein Steuerungsgerät auf dem ein Computerprogramm abläuft, welches alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt.
  • Stand der Technik
  • Es sind Verfahren und Vorrichtungen zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt, in deren Abgasbereich ein SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction) angeordnet ist, der die im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxide (NOx) in Gegenwart eines Reduktionsmittels zu Stickstoff (N2) reduziert. Solche SCR-Katalysatoren werden beispielsweise in den Abgasablagen von Feuerungsanlagen, Müllverbrennungsanlagen, Gasturbinen und Industrieanlagen eingesetzt. Insbesondere ist jedoch ihr Einsatz zur Verringerung des Stickoxidgehalts in den Abgasen der Motoren von Kraftfahrzeugen bekannt.
  • Durch SCR kann der Anteil von Stickoxiden im Abgas erheblich vermindert werden. Für den Ablauf der Reduktion wird Ammoniak (NH3) benötigt, das dem Abgas zugemischt wird und mit den Stickoxiden zu Stickstoff und Wasser reagiert. Als Reduktionsmittel werden daher NH3 bzw. NH3-abspaltende Reagenzien eingesetzt. Im KfZ-Bereich wird hierfür in der Regel gemäß DIN 70070 eine 32,5 %ige wässrige Harnstofflösung (Hamstoff-Wasser-Lösung; HWL) verwendet, die kommerziell unter dem Markennamen AdBlue® erhältlich ist. Diese Lösung wird mit Hilfe eines Einspritzsystems vor dem SCR-Katalysator in den Abgasstrang eingespritzt. In einem vor dem SCR-Katalysator angeordneten Hydrolysekatalysator bildet sich aus dieser Lösung NH3, das als Reduktionsmittel wirkt.
  • Der Wirkungsgrad eines SCR-Katalysators ist von der Temperatur, von der Raumgeschwindigkeit (m3/h Gas pro m3 Gesamtvolumen des Katalysators) und ganz entscheidend auch von dessen NH3-Beladung bzw. NH3-Füllstand abhängig. SCR-Katalysatoren lagern durch Absorption an ihrer Oberfläche eine gewisse Menge Ammoniak an. Dadurch steht zur NOx-Reduktion neben dem direkt zudosierten Ammoniak (als HWL-Lösung) auch gespeichertes Ammoniak zur Verfügung, wodurch sich der Wirkungsgrad gegenüber einem entleerten SCR-Katalysator erhöht. Das Speicherverhalten ist abhängig von der jeweiligen Betriebstemperatur des Katalysators. Je geringer die Temperatur ist, umso größer ist das NH3-Speichervermögen. Hat der Katalysator seinen maximalen NH3-Beladungszustand erreicht, so kann es bei Lastsprüngen allerdings zu sogenanntem NH3-Schlupf, d. h. zur Abgabe von Ammoniak ins Abgas (Ausspeicherung), kommen, auch wenn kein Reduktionsmittel mehr eindosiert wird. Reagenzmittelschlupf kann einerseits zu einem unnötig hohen Ammoniakverbrauch und andererseits zu einer unangenehmen Geruchsbelästigung führen. Sollen möglichst hohe NOx-Umsätze erzielt werden, so ist es unumgänglich, das SCR-Katalysatorsystem bei einem hohen NH3-Beladungsgrad zu betreiben. Dabei kommt es selbst bei sehr genau ausgelegter Dosiermenge unter instationären Bedingungen kurzfristig zu NH3-Schlupf, was aber zum Erreichen des hohen NOx-Umsatzziels tolerierbar ist.
  • Da die Berechnung der notwendigen NH3-Menge einer Vielzahl von Fehlern und Abweichungen unterliegt, zum Beispiel aufgrund der Motorrohemission, des Umsatzgrads des Katalysators und auch Ungenauigkeiten des Dosiersystems selbst, kommt es selbst bei einem neuen, sorgfältig applizierten System zu einem falsch berechneten NH3-Beladungszustand im SCR-Katalysator. Deshalb ist eine Adaption des Beladungszustandes mittels eines NH3-querempfindlichen NOx-Sensors unumgänglich. Bei systematischen Fehlern (Systemtoleranzen) lässt sich die Häufigkeit der notwendigen Adaptionseingriffe durch einen Langzeitadaptionsfaktor, der direkt auf die Vorsteuermenge eingreift, verringern. Die Dosierstrategie passt sich dann an das jeweilige System und länger andauernde Umwelteinflüsse an.
  • Der für diese Adaption verwendete NOx-Sensor misst ein Summensignal aus NOx und NH3. Das SCR-Modell berechnet dynamisch die NOx-Emission nach dem SCR-Katalysator. Abweichungen vom gemessenen NOx-Sensorwert können drei Ursachen haben: eine Ungenauigkeit des SCR-Katalysatormodells (< ± 50 ppm), eine Unterschätzung des Katalysatorbeladungszustandes (NH3-Schlupf) und eine Überschätzung des Katalysatorbeladungszustandes (Minderumsatz). Um diese Abweichungen auszugleichen, können verschiedene bekannte Verfahren zur Regelung der Dosiermenge eingesetzt werden:
    • In der DE 199 03 439 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors beschrieben, in dessen Abgaskanal ein SCR-Katalysator angeordnet ist, der die im Abgas des Verbrennungsmotors enthaltenen Stickoxide mit einem Reagenzmittel zu Stickstoff reduziert. Die Dosierung des Reagenzmittels beziehungsweise einer Reagenzmittel-Vorstufe erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit von Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine, wie beispielsweise der Drehzahl und der eingespritzten Kraftstoffmenge. Weiterhin erfolgt die Dosierung vorzugsweise in Abhängigkeit von wenigstens einer Abgas-Kenngröße, wie beispielsweise der Abgastemperatur oder der Temperatur des SCR-Katalysators. Als Reagenzmittel ist das Reduktionsmittel Ammoniak vorgesehen, welches aus einer Reagenzmittel-Vorstufe, speziell eine HWL-Lösung gewonnen wird.
  • In der DE 10 2004 031 624 A1 ist ein Verfahren zum Dosieren eines Reagenzmittels in den Abgaskanal eines Verbrennungsmotors beschrieben, bei dem eine Steuerung oder eine Regelung des Reagenzmittel-Füllstands in einem SCR-Katalysator auf einen vorgegebenen Reagenzmittel-Füllstand vorgesehen ist. Die gezielte Vorgabe des Reagenzmittel-Füllstands stellt einerseits sicher, dass in instationären Zuständen des Verbrennungsmotors eine ausreichende Menge an Reagenzmittel zur möglichst vollständigen NOx-Reduzierung zur Verfügung steht und dass andererseits ein Reagenzmittelschlupf stromabwärts nach dem SCR-Katalysator vermieden wird.
  • In der DE 10 2005 042 487 A1 ist ein Verfahren zum Dosieren eines Reagenzmittels beziehungsweise eine Reagenzmittel-Vorstufe in den Abgaskanal eines Verbrennungsmotors beschrieben, der ebenfalls einen SCR-Katalysator enthält. Der Reagenzmittel-Füllstand im SCR-Katalysator wird auch hier auf einen vorgegebenen Reagenzmittel-Füllstand gesteuert oder geregelt, der jedoch auf einen Maximalwert festgelegt wird, der einem vollständig mit Reagenzmittel gefüllten SCR-Katalysator entspricht. Bei auftretenden Sensorsignal-Änderungen kann immer von einer zu hohen Dosierung ausgegangen werden. Der SCR-Katalysator wird stets mit dem maximal möglichen Wirkungsgrad betrieben, bei dem die höchstmögliche NOx-Konvertierung auftritt.
  • In der DE 10 2005 042 489 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors beschrieben, in dessen Abgaskanal wenigstens ein SCR-Katalysator angeordnet ist, der mit einem Reagenzmittel beaufschlagt wird, welches zur NOx-Konvertierung beiträgt. Ein Maß für die stromabwärts des SCR-Katalysators auftretende NOx-Konzentration wird sowohl berechnet als auch mit einem NOx-Sensor gemessen, der eine Querempfindlichkeit gegenüber dem Reagenzmittel aufweist. Ermittelt wird eine Differenz zwischen dem berechneten Maß und dem gemessenen Maß der NOx-Konzentration stromabwärts des SCR-Katalysators, die bei der Festlegung der Dosierrate des Reagenzmittels beziehungsweise der Reagenzmittel-Vorstufe berücksichtigt wird. Vorgesehen ist eine Plausibilisierung, bei welcher die in einer vorgegebenen Zeitdauer dosierte Menge an Reagenzmittel beziehungsweise der Reagenzmittel-Vorstufe und die im SCR-Katalysator umgesetzte Reagenzmittelmenge und/oder die konvertierte NOx-Menge miteinander verglichen werden. Bei einer Abweichung wird ein Korrektursignal bereitgestellt, welches das Dosiersignal adaptiert.
  • Eine Weiterbildung der in der DE 10 2005 042 489 A1 beschriebenen Vorgehensweise ist in der DE 10 2005 042 490 A1 angegeben, die vorsieht, dass die Differenzen in zeitlicher Folge ermittelt und gespeichert werden. Die Dosierrate wird in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Anzahl und/oder vorgegebenen Reihenfolge von Bewertungsergebnissen der Differenzen festgelegt. Dadurch wird eine Langzeit-Adaption der Dosierrate erreicht.
  • In der DE 10 2005 042 488 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors beschrieben, in dessen Abgaskanal ebenfalls ein SCR-Katalysator angeordnet ist, der mit einem Reagenzmittel oder einer Reagenzmittel-Vorstufe beaufschlagt wird, welches/welche zur NOx-Konvertierung im SCR-Katalysator beiträgt. Berechnet wird ein Maß für die stromabwärts nach dem SCR-Katalysator auftretende NOx-Konzentration. Ein NOx Sensor, der stromabwärts nach dem SCR-Katalysator angeordnet ist, stellt ein Sensorsignal bereit, das zumindest der NOx-Konzentration und aufgrund der Querempfindlichkeit des NOx-Sensors einem Reagenzmittelschlupf entspricht. Ein Reagenzmittelsignal, welches die Dosierrate des Reagenzmittels festlegt, wird in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem gemessenen und der berechneten NOx-Konzentration jeweils stromabwärts nach dem SCR-Katalysator und in Abhängigkeit von einem Maß für die Temperatur des SCR-Katalysators mit einem Korrektursignal beeinflusst.
  • Die DE 10 2008 040 377 A1 beschreibt eine Vorgehensweise zur Dosierung eines Reagenzmittels beziehungsweise einer Vorstufe des Reagenzmittels in den Abgaskanal eines Verbrennungsmotors, welches zur katalytischen Umsetzung von NOx in einem SCR-Katalysator benötigt wird. Die Differenz zwischen einer berechneten und einer gemessenen NOx-Konzentration wird jeweils stromabwärts des SCR-Katalysators ermittelt und die Differenz wird mit einem Differenz-Schwellenwert verglichen wird. Bei einer Überschreitung des Differenz-Schwellenwerts ist eine Absenkung der Dosierrate auf eine Absenk-Dosierrate vorgesehen, die größer null ist. Die beschriebene Vorgehensweise zeichnet sich dadurch aus, dass nach einer Wartezeit ein Vergleich der berechneten mit der gemessenen NOx-Konzentration jeweils stromabwärts nach dem SCR-Katalysator vorgesehen ist und dass dann, wenn die gemessene NOx-Konzentration die berechnete NOx-Konzentration übersteigt, die Dosierrate erhöht wird und dass dann, wenn die gemessene NOx-Konzentration unterhalb der berechneten NOx-Konzentration liegt, die Dosierrate abgesenkt wird.
  • Die DE 10 2008 036 885 A1 betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasreinigungsanlage mit einem SCR-Katalysator zur Reinigung eines Abgases eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors.
  • Die DE 10 2008 017 544 A1 betrifft Verfahren zum Regeln einer in einem Katalysator einer Abgasnachbehandlungsanlage gespeicherten NH3-Menge umfasst das Ermitteln einer Masse von NH3 in den Katalysator beruhend auf einer Dosierrate eines Dosiermittels, das in einen Abgasstrom stromaufwärts des Katalysators eingespritzt wird, sowie das Ermitteln einer Masse von NH3 aus dem Katalysator. Eine kumulierte Masse von NH3 in dem Katalysator wird beruhend auf der Masse von NH3 in den Katalysator und der Masse von NH3 aus dem Katalysator berechnet. Die Dosierrate wird beruhend auf der kumulierten Masse von NH3 in dem Katalysator geregelt.
  • Die DE 11 2009 000 996 T5 betrifft das Steuern bzw. Regeln der Emissionen von Stickoxiden (NOx) für Verbrennungsmotoren und insbesondere Vorrichtungen, Systeme und Verfahren zum Steuern bzw. Regeln von NOx mit einem Katalysator mit selektiver katalytischer Reduktion (SCR - Selective Catalytic Reduction) unter Verwendung von Ammoniakspeicherung und Schlupfsteuerung aus einem SCR-Katalysator.
  • Sollte aufgrund verschiedener Umstände jedoch eine NH3-Überdosierung vorliegen, gehen diese Verfahren weiterhin von einer Unterdosierung aus, da der NH3-querempfindliche NOx-Sensor bei Vorliegen von NH3-Schlupf das ins Abgas abgegebene Ammoniak als NOx interpretiert. Um dieser vermeintlichen Unterdosierung zu begegnen wird der Reduktionsmittel-Regelwert solange angehoben, bis ein maximaler Regelanschlag erreicht ist. Nach Erreichen dieses Anschlags ist es erforderlich, den Regelwert neu zu initialisieren. In der Phase bis zum Erreichen des Regelanschlags kann daher unerwünschter Weise viel Ammoniak freigesetzt werden. Alternativ zur Neuinitialisierung des Regelwertes bei Überdosierung kann auch eine Adaption zum Einfangen des Reglers verwendet werden. Bei der Adaption wird der NH3-Beladungszustand während der Plausibilisierung abgesenkt, um das Ammoniak querempfindliche NOx-Sensorsignal nach dem SCR-Katalysator ausschließlich auf NOx zurückzuführen. Die Absenkung des Beladungszustandes kann allerdings zu einer kurzfristigen Umsatzverschlechterung des SCR-Katalysators führen.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung durch Einsatz einer Freigabelogik die Regelung während Phasen mit erhöhtem NH3-Risiko zu sperren, und so zu verhindern, dass ein maximaler Regelanschlag erreicht wird.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Regelung der Dosiermenge eines Reduktionsmittels in einem SCR-Katalysatorsystem, insbesondere einem SCR-Katalysatorsystem eines Kraftfahrzeugs gelöst, welches die folgenden Schritte umfasst:
    • - Berechnen der maximalen NH3-Beladung mNH3LdMax des SCR-Katalysators,
    • - Berechnung einer NH3-Grenzbeladung mNH3LdActMax des SCR-Katalysators durch Multiplikation der eindosierten Ammoniakmenge mNH3ln mit einem Faktor F und/oder Addition eines Offsets O, sowie Subtrahieren des Ammoniakverbrauchs mNH3Verb des SCR-Katalysators, und
    • - Ausgabe eines Hinweises auf eine erhöhte Gefahr der Ammoniakabgabe ins Abgas an eine Steuerungseinheit des SCR-Systems so lange die Bedingung mNH3LdActMax ≥ mNH3LdMax erfüllt ist.
  • Die Erfindung macht sich die physikalische Eigenschaft des SCR-Katalysators zunutze, dass bei Erreichen einer bestimmten SCR-Temperatur T der NH3-Beladungszustand des Katalysators nicht oberhalb des maximalen NH3-Beladungszustands liegen kann. Kühlt der SCR-Katalysator im nachfolgenden Betrieb wieder ab, so kann durch das höhere NH3-Speichervermögen die Kennlinie des maximalen NH3-Beladungszustands auch bei Überdosierung wieder unterschritten werden. Das Risiko für NH3-Schlupf ist dann wieder gering bzw. nicht mehr vorhanden.
  • Zur Berechnung der Phasen erhöhter Gefahr der Ammoniakabgabe ins Abgas wird eine Bilanzhülle um den SCR gezogen und die dosierte NH3-Menge mNH3In der verbrauchten NH3-Menge mNH3Verb gegenübergestellt. Zur Ermittlung des „worst case“- Zustands des NH3-Beladungszustands wird eine Überdosierung simuliert. Dieser „worst case“- Zustand des NH3-Beladungszustands wird als NH3-Grenzbeladung mNH3LdActMax bezeichnet. Das heißt, die dosierte NH3-Menge mNH3In (Eindosierung in der Regel als HWL-Lösung) wird über eine Korrekturgröße (Offset O und/oder Faktor F) vergrößert. Die verbrauchte NH3-Menge verhält sich entsprechend einem SCR-Katalysatormodell. Bei Verwendung von Offset O und Faktor F gilt also: mNH3LdActMax = mNH3ln  ×  F + O − mNH3Verb
    Figure DE102011003599B4_0001
  • Wird nur ein Offset verwendet gilt: mNH3LdActMax = mNH3ln  + O − mNH3Verb
    Figure DE102011003599B4_0002
  • Wird nur ein Faktor F verwendet gilt: mNH3LdActMax = mNH3ln  ×  F − mNH3Verb
    Figure DE102011003599B4_0003
  • Nach Ausführung kann die Korrekturgröße im einfachsten Fall aus einer Applikationsgröße bestehen. Alternativ kann die Korrekturgröße auch aus einer Kombination des bisherigen Regelungs- bzw. Adaptionsverhaltens des SCR-Systems und des erreichten NOx-Umsatzes aus dem Vergleich zwischen NOx-Sensor und SCR-Modell abgeleitet werden.
  • Bevorzugt wird bei Ausgabe eines Hinweises auf eine erhöhte Gefahr der Ammoniakabgabe ins Abgas die Regelung der Dosiermenge des Reduktionsmittels gesperrt.
  • Weiterhin ist es bevorzugt, dass bei Ausgabe eines Hinweises auf eine erhöhte Gefahr der Ammoniakabgabe ins Abgas die Menge des abgegebenen Ammoniaks mNH3OutI durch Subtrahieren der maximalen NH3-Beladung mNH3LdMax von der Ammoniakgrenzbeladung mNH3LdActMax ermittelt wird. Die Temperatur T des SCR-Katalysators ist die maßgebende Größe zur Ermittlung der maximalen Ammoniakbeladung mNH3LdMax, zusätzlich existieren jedoch noch in geringem Maße eine Abhängigkeit von der Raumgeschwindigkeit, dem NO/NO2-Verhältnis und dem NOx-Durchsatz durch den SCR-Katalysator.
  • Weiterhin kann bei Ausgabe eines Hinweises auf eine erhöhte Gefahr der Ammoniakabgabe ins Abgas die Menge des abgegebenen Ammoniaks mNH3OutlI berechnet werden, indem
    • - die Summe NOxOutSen aus dem NOx-Anteil und dem NH3-Anteil am Abgas, welches den SCR-Katalysator verlässt, mit einem NOx-Sensor ermittelt wird, welcher dem SCR-Katalysator nachgeschaltet ist,
    • - von dieser Summe NOxOutSen, der mittels eines SCR-Modells berechnete erwartete NOx-Anteil am Abgas NOxOutMod subtrahiert wird,
    • - das Ergebnis der Subtraktion unter Berücksichtigung des Abgasmassenstroms und der Molmassenverhältnisse in einen Ammoniakmassenstrom umgewandelt wird und
    • - durch Integration über den Ammoniakmassenstrom die Menge des abgegebenen Ammoniaks mNH3Outll berechnet wird.
  • Bei Verwendung eines zusätzlichen Ammoniaksensors des SCR-Katalysators kann bei Ausgabe eines Hinweises auf eine erhöhte Gefahr der Ammoniakabgabe ins Abgas die Menge des abgegebenen Ammoniaks mNH3Outll auch berechnet werden, indem
    • - der NH3-Anteil am Abgas NH3Out, welches den SCR-Katalysator verlässt, mit einem NH3-Sensor ermittelt wird, welcher dem SCR-Katalysator nachgeschaltet ist,
    • - der NH3-Anteil am Abgas unter Berücksichtigung des Abgasmassenstroms und der Molmassenverhältnisse in einem Ammoniakmassenstrom umgewandelt wird und
    • - durch Integration über dem Ammoniakmassenstrom die Menge des abgegebenen Ammoniaks mNH3Outll berechnet wird.
  • Bei Übereinstimmung der Werte mNH3Outl und mNH3Outll oder bei Vorliegen einer Korrelation zwischen den Werten mNHSOut) und mNH3OutII wird bevorzugt ein Hinweis auf das Vorliegen einer Reduktionsmittelüberdosierung an einer Störungseinheit des SCR-Systems ausgegeben.
  • Um den NH3-Anteil am Abgas (in ppm) unter Berücksichtigung des Abgasmassenstroms und der Molmassenverhältnisse in einen Ammoniakmassenstrom (in mg/s) umzuwandeln, wird der NH3-Anteil am Abgas mit der Molmasse von Ammoniak (17 g/mol) multipliziert und durch die mittlere Molmasse aller Abgaskomponenten dividiert. Für die mittlere Molmasse aller Abgaskomponenten wird hierbei ein Wert von 29 g/mol angenommen. Das Ergebnis wir mit dem Faktor 0,00027778 (mg s-1)/ppm multipliziert.
  • Wenn mNH3OutII mit Hilfe des Ergebnisses eines NH3-querempfindlichen NOx-Sensors ermittelt werden soll, gilt also: mNH3Outll = ( NO x OutSen − NO x OutMod ) × 17mg/mol 29mg/mol × 0 ,00027778 mg/s ppm
    Figure DE102011003599B4_0004
  • Sofern mNH3Outll hingegen unter Verwendung eines zusätzlichen Ammoniaksensors hinter dem SCR-Katalysator ermittelt werden soll, gilt: mNH3Outll = NH3Out × 17mg/mol 29mg/mol × 0 ,00027778 mg/s ppm
    Figure DE102011003599B4_0005
  • Bei Ausgabe eines Hinweises auf das Vorliegen einer Reduktionsmittelüberdosierung kann beispielsweise mindestens eine Maßnahme eingeleitet werden, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Erhöhen der geschätzten NH3-Beladung des SCR-Katalysators, Absenken eines Adaptionsfaktors und Aktivierung eines Ereigniszählers.
  • Die Erfindung umfasst weiterhin ein Computerprogramm, das alle Schritte des beschriebenen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät abläuft. Dieses Computerprogramm liegt als Computerprogrammprodukt mit Programmcode vor, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, wenn das Programm auf einem Rechengerät und einem Steuergerät ausgeführt wird, beispielsweise einem Steuergerät für das SCR-System. Mit einem solchen Computerprogramm lässt sich in sehr vorteilhafter Weise die Dosiermenge eines Reduktionsmittels in einem SCR-Katalysatorsystem regeln. Der besondere Vorteil des Computerprogramms besteht darin, dass das erfindungsgemäße Verfahren ohne Weiteres bei bestehenden SCR-Katalysatorsystemen eingesetzt werden kann, ohne dass weitere Komponenten in das SCR-Katalysatorsystem eingebaut werden müssten. Es ist lediglich eine Anpassung der Software durch Aufspielen des auf dem Computerprogrammprodukt gespeicherten Computerprogramms, beispielsweise auf das Steuergerät des SCR-Katalysatorsystems, erforderlich.
  • Schließlich umfasst die vorliegende Erfindung ein SCR-Katalysatorsystem, enthaltend ein Steuergerät, auf dem ein Computerprogramm abläuft, welches alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt.
  • Das folgende Ausführungsbeispiel zeigt in Verbindung mit den 1 bis 3 weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung, ohne das erfindungsgemäße Verfahren dadurch einzuschränken. Die einzelnen Merkmale können jeweils allein oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
  • Zeichnungen
    • In 1 ist die Änderung der nominellen Ammoniakbeladung mNH3LdNom und der maximalen Ammoniakbeladung mNH3LdMax eines SCR-Katalysators bei Änderung der Temperatur T dargestellt.
    • In 2 ist dargestellt, wie sich bei einer Änderung der Temperatur T eines SCR-Katalysators mit der Zeit t die nominelle Ammoniakbeladung mNH3LdNom, die maximale Ammoniakbeladung mNH3LdMax und die Ammoniakgrenzbeladung mNH3LdActMax ändert und welches qualitative Risiko rNH3 für eine Ammoniakabgabe ins Abgas daraus resultiert.
    • In 3 ist die Berechnung der Größen mNH3Outl und mNH3Outll dargestellt.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • In 1 ist die maximal mögliche NH3-Beladung mNH3LdMax eines SCR-Katalysators mNH3LdMax über der SCR-Katalysatortemperatur T auf getragen. Mit steigender Temperatur kann der SCR-Katalysator geringere NH3-Mengen einspeichern. Im normalen Fahrbetrieb wechseln sich Phasen mit hoher und niedriger SCR-Katalysatortemperatur T laufend ab. Bei steigenden SCR-Temperaturen T, insbesondere bei einem überdosierenden System, kann die NH3-Speicherfähigkeitsgrenze mNH3LdMax schnell erreicht werden. Das Risiko, dass Ammoniak nach dem SCR-Katalysator ins Abgas abgegeben wird, ist sehr hoch. Eine Regelung, insbesondere bei Überdosierung kann deshalb in SCR-Katalysatorsystemen gemäß dem Stand der Technik in dieser Phase problematisch werden, weil die Stellgröße für die Reduktionsmitteldosierung in die falsche Richtung laufen kann. So ist zu erkennen, dass bei einer Ammoniakbeladung 1, welche der maximal möglichen Ammoniakbeladung mNH3LdMax bei der gegebenen Temperatur entspricht, ein hohes Risiko für eine NH3-Abgabe besteht, wenn die Temperatur T ansteigt, sodass ein maximaler Ammoniaksbeladungszustand 2 erreicht wird. Eine Absenkung der Temperatur führt wiederum zu einer Verringerung des NH3-Ababerisikos gemäß dem Beladungszustand 3.
  • 2 zeigt die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Freigabebedingungen im Detail. Zu Beginn ist ein stationärer Betriebspunkt bei geringer SCR-Katalysatortemperatur T dargestellt. Der aktuelle Wert der NH3-Grenzbeladung mNH3LdActMax steigt langsam an, da die angenommene NH3-Dosiermenge mNH3In im SCR-Katalysator größer ist als der angenommene momentane Verbrauch mNH3Verb aus dem SCR-Katalysatormodell. Der NH3-Beladungszustand bewegt sich zwischen dem Sollwert mNH3LdNom und dem physikalischen Maximalwert mNH3LdMax.
  • Wartet man lange genug oder erwärmt sich der SCR-Katalysator, so erreicht die NH3-Grenzbeladung mNH3LdActMax den physikalischen Maximalwert mNH3LdMax. Ab diesem Zeitpunkt ist das Risiko rNH3 einer Ammoniakabgabe ins Abgas nach dem SCR-Katalysator hoch und die Regelung der Dosiermenge des Reduktionsmittels wird gesperrt. Dieser Zustand hält so lange an, bis die SCR-Katalysatortemperatur T sich wieder verringert. Nach einer Abkühlung des SCR-Katalysators steigt der maximale Ammoniakbeladungszustand mNH3LdMax schneller als die NH3-Grenzbeladung mNH3LdActMax, sodass sich das Risiko rNH3 einer Ammoniakausspeicherung reduziert und der Regler wieder freigegeben werden kann. Über eine Hystereseschwelle lässt sich diese Funktion sehr gut applizieren. Dabei ist das Risiko einer Ammoniakabgabe ins Abgas gering, bis der physikalische Maximalwert mNH3LdMax erreicht wird, und das Risiko wird wieder gering, wenn die Hystereseschwelle wieder unterschritten wird. Die beschriebene Freigabebedingung ist einfach zu applizieren die Robustheit des Reglers steigt enorm. Generell gilt, je größer die angenommene Überdosierung, desto geringer werden die Phasen ohne Ammoniakausspeicherungsrisiko, aber umso sicherer wird die Regelung.
  • Die Phasen mit Risiko der Ammoniakausspeicherung können zusätzlich zur NH3-Bilanz verwendet werden, um somit eine mögliche vorliegende Überdosierung zu bestätigen und dementsprechende Maßnahmen durchzuführen. In 3 ist die Funktionsweise der NH3-Bilanz beim Erwärmen des SCR-Katalysators dargestellt. Erreicht die NH3-Grenzbeladung mNH3LdActMax den physikalischen Maximalwert mNH3LdMax, so wird die tatsächliche NH3-Speicherfähigkeit des SCR-Katalysators geringer als die im SCR-Katalysator befindliche Ammoniakmenge. Diese Differenz mNH3Outl wird als Ammoniak aus dem SCR-Katalysator ausgetragen.
  • Der zweite Teil der NH3-Bilanz wird über das NOx-Sensorsignal nach dem SCR-Katalysator ermittelt. Aufgrund der Querempfindlichkeit des NOx-Sensors auf Ammoniak wird nach dem SCR-Katalysator das Summensignal aus NOx und Ammoniak NOxOutSen (in ppm) gemessen, welches unter dem NOx-Anteil NOx-Roh liegt, welchen das Abgas hat, welches in den SCR-Katalysator eingeleitet wird. Der NOx-Anteil NOxRoh entspricht im Wesentlichen den NOx-Rohemissionen aus der Abgase erzeugenden Brennkraftmaschine, da Katalysatoren, welche vor dem SCR-Katalysator angeordnet sind (beispielsweise ein Oxidationskatalysator), in der Regel nur eine geringfügige Minderung des NOx-Anteils am Abgas bewirken. Um den Ammoniakanteil zu bestimmen, wird aus dem Summensignal der erwartete NOx-Signalwert NOxOutMod nach dem SCR-Katalysator aus dem Katalysatormodell abgezogen. Übrig bleibt dann ein geschätzter Ammoniakanteil (in ppm), welcher sich mit Hilfe des Abgasmassenstroms und dem Molmassenverhältnis mit einem Ammoniakmassenstrom (in mg/s) umwandeln lässt. Dieser geschätzte Ammoniakmassenstrom wird jetzt in der Phase mit Ammoniakrisiko aufintegriert, um die Masse mNH3Outll als Ergebnis der Subtraktion (dm)NOxOutSen - (dm)NOxOutMod zu erhalten. Bei der Verwendung eines zusätzlichen Ammoniaksensors hinter dem SCR-Katalysator vereinfacht sich die Berechnung entsprechend und das Ergebnis der Abschätzung wird noch genauer.
  • Stimmen die Zahlenwerte der NH3-Massen mNH3OutI und mNH3OutlI gut miteinander überein oder ist die Korrelation zwischen den Werten sehr gut, so ist dies ein Zeichen dafür, dass tatsächlich Überdosierung vorliegt. Wurde auf Überdosierung erkannt, so können die üblichen Maßnahmen, wie das Erhöhen des geschätzten NH3-Füllstandes und bzw. oder die Absenkung eines Adaptionsfaktors sowie eine Aktivierung von Ereigniszählem durchgeführt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass die Regelung die Dosiermenge eines Reduktionsmittels in einem SCR-Katalysatorsystem ermöglicht, ohne dass hierzu ein Eingriff in den Einspritzvorgang notwendig wäre. Vielmehr muss nur eine Anpassung der Software des Einspritzsystems durch Aufspielen eines Computerprogramms, beispielsweise in einem Steuergerät erfolgen. Die Erfindung kann bei Abgasnachbehandlungssystemen von Verbrennungsmotoren, Diesel- wie auch Benzinmotoren eingesetzt werden.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Regelung der Dosiermenge eines Reduktionsmittels in einem SCR-Katalysatorsystem, insbesondere dem SCR-Katalysatorsystem eines Kraftfahrzeugs, umfassend die folgenden Schritte: - Berechnen der maximalen NH3-Beladung mNH3LdMax des SCR-Katalysators, - Berechnen einer NH3-Grenzbeladung mNH3LdActMax des SCR-Katalysators durch Simulation einer Überdosierung durch Vergrößerung der eindosierten Ammoniakmenge mNH3ln durch Multiplikation mit einem Faktor F und/oder Addition eines Offsets O, sowie Subtrahieren des Ammoniakverbrauchs mNH3Verb des SCR-Katalysators, und - Ausgabe eines Hinweises auf eine erhöhte Gefahr der Ammoniakabgabe ins Abgas an eine Steuerungseinheit des SCR-Systems, solange die Bedingung mNH3LdActMax ≥ mNH3LdMax erfüllt ist, wobei bei Ausgabe eines Hinweises auf eine erhöhte Gefahr der Ammoniakabgabe ins Abgas die Regelung der Dosiermenge des Reduktionsmittels gesperrt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausgabe eines Hinweises auf eine erhöhte Gefahr der Ammoniakabgabe ins Abgas die Menge des abgegebenen Ammoniaks mNH3Outl durch Subtrahieren der maximalen NH3-Beladung mNH3LdMax von der NH3-Grenzbeladung mNH3LdActMax ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale NH3-Beladung mNH3LdMax aus der Temperatur T des SCR-Katalysators, der Raumgeschwindigkeit, dem NO/NO2-Verhältnis des Abgases und dem NOx-Durchsatz des SCR-Katalysators berechnet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausgabe eines Hinweises auf eine erhöhte Gefahr der Ammoniakabgabe ins Abgas die Menge des abgegebenen Ammoniaks mNH3OutII berechnet wird, indem - die Summe NOxOutSen aus dem NOx-Anteil und dem NH3-Anteil am Abgas, welches den SCR-Katalysator verlässt, mit einem NOx-Sensor ermittelt wird, welcher dem SCR-Katalysator nachgeschaltet ist, - von dieser Summe NOxOutSen der mittels eines SCR-Modells berechnete erwartete NOx-Anteil am Abgas mNOxOutMod subtrahiert wird, - das Ergebnis der Subtraktion unter Berücksichtigung des Abgasmassenstroms und der Molmassenverhältnisse in einen Ammoniakmassenstrom umgewandelt wird, und - durch Integration über den Ammoniakmassenstrom die Menge des abgegebenen Ammoniaks mNH3Outll berechnet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausgabe eines Hinweises auf eine erhöhte Gefahr der Ammoniakabgabe ins Abgas die Menge des abgegebenen Ammoniaks mNH3Outll berechnet wird, indem - der NH3-Anteil am Abgas NH3Out, welches den SCR-Katalysator verlässt, mit einem NH3-Sensor ermittelt wird, welcher dem SCR-Katalysator nachgeschaltet ist, - der NH3-Anteil am Abgas unter Berücksichtigung des Abgasmassenstroms und der Molmassenverhältnisse in einen Ammoniakmassenstrom umgewandelt wird, und - durch Integration über den Ammoniakmassenstrom die Menge des abgegebenen Ammoniaks mNH3Outll berechnet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Übereinstimung der Werte mNH3Outl und mNH3Outll oder bei Vorliegen einer Korrelation zwischen den Werten mNH3Outl und mNH3Outll ein Hinweis auf das Vorliegen einer Reduktionsmittelüberdosierung an eine Steuerungseinheit des SCR-Systems ausgegeben wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausgabe eines Hinweises auf das Vorliegen einer Reduktionsmittelüberdosierung mindestens eine Maßnahme eingeleitet wird, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Erhöhen der geschätzten NH3-Beladung des SCR-Katalysators, Absenken eines Adaptionsfaktors, und Aktivierung eines Ereigniszählers.
  8. Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wenn das Programm auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät ausgeführt wird.
  9. SCR-Katalysatorsystem, umfassend ein Steuergerät, auf dem ein Computerprogramm abläuft, welches alle Schritte eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ausführt.
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