DE102011010011A1 - Verfahren zur Erkennung von Fehlfunktionen des Abgasnachbehandlungssystems einer Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur Erkennung von Fehlfunktionen des Abgasnachbehandlungssystems einer Verbrennungskraftmaschine Download PDF

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Abstract

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bekannte Verfahren zur Erkennung von Fehlfunktionen des Abgasnachbehandlungssystems einer Verbrennungskraftmaschine zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bewährte und robuste Diagnoseverfahren des jeweiligen Katalysatorentyps miteinander kombiniert werden, um zu separieren, welcher der beiden Katalysatoren fehlerhaft ist. Vorteilhaft kann so differenziert der jeweilige Fehler angezeigt und gezielt der entsprechende Katalysator getauscht werden. In Fortführung des erfindungemäßen Ansatzes der kombinierten Auswertung der Diagnoseergebnisse des Oxidationskatalysators und des SCR-Katalysators kann auch eine Diagnose der Zufuhr von Reduktionsmittel zu dem Abgas erfolgen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Fehlfunktionen des Abgasnachbehandlungssystems einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
  • Zur Minderung des Anteils an Stickoxid im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine ist es vorbekannt, einen Oxidationskatalysator und einen Katalysator mit selektiver katalytischer Reduktion (SCR) zu verwenden. Mittels des Oxidationskatalysators wird ein bestimmtes Verhältnis von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid eingestellt. Insbesondere kann ein Verhältnis von 1:1 (NO/NO2) eingestellt werden. Ein solches Verhältnis ist optimal für eine selektive katalytische Reduktion am nachgeschalteten SCR-Katalysator in Gegenwart eines Reduktionsmittels. Das flüssige oder gasförmige Reduktionsmittel wird, wie allgemein bekannt, mittels eines Injektors stromauf des SCR-Katalysators dem Abgas beigemischt. Bei einem derartigen Abgasnachbehandlungssystem kann eine Vielzahl von Fehlern auftreten. Der Oxidationskatalysator kann geschädigt sein, so dass nicht mehr das gewünschte Verhältnis von NO/NO2 eingestellt werden kann. Der SCR-Katalysator kann geschädigt sein, so dass keine ausreichende selektive katalytische Reduktion mehr erfolgen kann. Das Reduktionsmittel kann nicht die richtige Qualität aufweisen, so dass ebenfalls keine ausreichende selektive katalytische Reduktion mehr erfolgen kann. Der Injektor für das Reduktionsmittel kann defekt oder verschmutzt sein, so dass nicht der vorgesehene Anteil an Reduktionsmittel dem Abgas beigemischt wird und ebenfalls keine ausreichende selektive katalytische Reduktion mehr erfolgen kann.
  • In der US7134273 wird ein Verfahren zur Diagnose eines derartigen Abgasnachbehandlungssystems einer Verbrennungskraftmaschine beschrieben. Zum einen erfolgt eine Diagnose, ob der Oxidationskatalysator noch ein bestimmtes Verhältnis von NO/NO2 liefert. Dazu erfolgt in Abhängigkeit von dem Signal eines NOx-Sensors, der stromab des SCR-Katalysators angeordnet ist, eine Berechnung des Verhältnisses von NO/NO2, das stromab des Oxidationskatalysators vorliegt. Zum anderen erfolgt eine Diagnose, ob der SCR-Katalysator geschädigt ist. Hierzu wird zunächst eine bestimmte Zusammensetzung des Abgases vor Eintritt in den Oxidationskatalysator eingestellt, insbesondere ein bestimmtes Verhältnis von NO/NO2. Dies erfolgt durch Einstellung von Betriebsparametern, etwa dem Einspritztiming, der Abgasrückführrate oder ähnlichem. Anschließend erfolgt in Abhängigkeit von dem Signal eines NOx-Sensors, der stromauf und eines NOx-Sensors der stromab des SCR-Katalysators angeordnet ist, eine Überprüfung, ob der SCR-Katalysator noch befriedigend arbeitet.
  • Nachteilig ist hierbei, dass eine Berechnung des Verhältnisses von NO/NO2 erfolgt, das stromab des Oxidationskatalysators vorliegt. Derartige Berechnungen gehen immer von bestimmten Annahmen aus, so dass stets eine gewisse Ungenauigkeit vorliegt. Ferner beinhaltet das Signal des NOx-Sensors, der stromab des SCR-Katalysators angeordnet ist, auch Informationen über den Zustand des SCR-Katalysators, so dass nicht sicher unterschieden werden kann, welcher der beiden Katalysatoren beeinträchtigt ist. Nachteilig ist weiterhin, dass die Einstellung einer bestimmten Zusammensetzung des Abgases zur Diagnose des SCR-Katalysators auf Basis von Betriebsparametern der Verbrennungskraftmaschine in der Regel nur gesteuert möglich ist, beispielsweise mittels Kennfeldern. Ob eine derartige Steuerung langzeitstabil arbeitet, ist fraglich. Ferner ist nicht offenbart, wie erkannt werden kann, ob der Injektor für das Reduktionsmittel noch korrekt arbeitet bzw. ob die Qualität des Reduktionsmittels selbst mangelhaft ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das bekannte Verfahren zur Erkennung von Fehlfunktionen des Abgasnachbehandlungssystems einer Verbrennungskraftmaschine zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem Abgasnachbehandlungssystem einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Oxidationskatalysator zur Nachbehandlung von Kohlenwasserstoffen und zur Bereitstellung eines bestimmten Verhältnisses von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid am Austritt des Oxidationskatalysators und mit einem SCR-Katalysator zur Nachbehandlung von Stickoxiden sowie mit einer Zufuhr von Reduktionsmittel zu dem Abgas eine Erkennung von Fehlfunktionen mit folgenden Schritten erfolgt:
    • a.) Bestimmung der Wirksamkeit des SCR-Katalysators zur Nachbehandlung von Stickoxiden,
    • b.) Bestimmung der Wirksamkeit des Oxidationskatalysators zur Nachbehandlung von Kohlenwasserstoffen oder Bestimmung des Ansprechverhaltens des Oxidationskatalysators,
    • c.) kombinierte Auswertung der Ergebnisse unter Punkt a.) und b.)
    und
    • – Erkennung einer Fehlfunktion des Oxidationskatalysators zur Bereitstellung eines bestimmten Verhältnisses von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid am Austritt des Oxidationskatalysators, wenn die Wirksamkeit des Oxidationskatalysators zur Nachbehandlung von Kohlenwasserstoffen einen Grenzwert unterschreitet und die Wirksamkeit des SCR-Katalysators zur Nachbehandlung von Stickoxiden einen Grenzwert unterschreitet,
    • – Erkennung einer Fehlfunktion des SCR-Katalysators, wenn die Wirksamkeit des SCR-Katalysators zur Nachbehandlung von Stickoxiden einen Grenzwert unterschreitet und die Wirksamkeit des Oxidationskatalysators zur Nachbehandlung von Kohlenwasserstoffen einen Grenzwert nicht unterschreitet.
  • Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, bewährte und robuste Diagnoseverfahren des jeweiligen Katalysatorentyps miteinander zu kombinieren, um zu separieren, welcher der beiden Katalysatoren fehlerhaft ist. Vorteilhaft kann so differenziert der jeweilige Fehler angezeigt und gezielt der entsprechende Katalysator getauscht werden. In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft möglich, den Hinweis, dass der Oxidations-Katalysator nicht korrekt arbeitet, gesondert zu priorisieren, also gegenüber anderen Fehlern höher zu wichten und beispielsweise schneller anzuzeigen, d. h. schon nach Erreichen einer vergleichsweise kleinen Anzahl an wiederholten Fehlererkennungen sichtbar zu machen, da bei Verwendung von schwefelhaltigem Kraftstoff und nicht mehr korrekt eingestelltem Verhältnis von NO zu NO2 besonders schnell der SCR-Katalysator geschädigt werden kann, siehe US7134273 , wo diese Problematik beschrieben ist. Außerdem führen die im Fall eines fehlerhaften Oxidations-Katalysators überdurchschnittlich vielen unverbrannten Kohlenwasserstoffe beim Eintritt in den SCR-Katalysator ebenfalls zu einer gewissen Vergiftung des SCR-Katalysators, was zumindest bei höheren Temperaturen wieder reversibel ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Verfahren zur Diagnose eines Oxidationskatalysators und eines SCR-Katalysators bewährt und sehr robust sind. Erfindungsgemäß vorteilhaft werden einfach nur diese erprobten Überwachungssysteme geschickt miteinander kombiniert. Insbesondere erfolgt gegenüber der US7134273 keine Vorsteuerung irgendwelcher Randbedingungen, wie einer bestimmten Abgaszusammensetzung, um die erfindungsgemäße Fehlerseparation vorzunehmen. Von Vorteil ist es außerdem, dass nur zwei NOx-Sensoren notwendig sind. Natürlich kann jedes beliebige dem Fachmann bekannte Verfahren zur Diagnose des Wirkungsgrades des SCR- bzw. des Oxidationskatalysators im Rahmen der erfindungsgemäßen Kombination eingesetzt werden. In Fortführung des erfindungemäßen Ansatzes der kombinierten Auswertung der Diagnoseergebnisse des Oxidationskatalysators und des SCR-Katalysators kann auch eine Diagnose der Zufuhr von Reduktionsmittel zu dem Abgas erfolgen. Und zwar, wenn die Wirksamkeit des Oxidationskatalysators zur Nachbehandlung von Kohlenwasserstoffen einen Grenzwert unterschreitet und die Wirksamkeit des SCR-Katalysators zur Nachbehandlung von Stickoxiden einen Grenzwert unterschreitet, wird im weiteren Verlauf eine Variation der zugeführten Menge von Reduktionsmittel zu dem Abgas durchgeführt. Hat diese Variation zur Folge, dass die Wirksamkeit des SCR-Katalysators zur Nachbehandlung von Stickoxiden einen Grenzwert anschließend nicht mehr unterschreitet, kann eine Fehlfunktion der Zufuhr von Reduktionsmittel zu dem Abgas isoliert werden. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Verfahren auch angesichts der Besonderheit verwendbar, dass es nicht unbedingt einen proportionalen Zusammenhang zwischen der Wirksamkeit der Oxidation von Kohlenwasserstoffen und der Oxidation von Stickoxiden am Oxidationskatalysator gibt. D. h., wenn die mittels eines bekannten Verfahrens bestimmte Wirksamkeit der Oxidation von Kohlenwasserstoffen einen Grenzwert unterschreitet, kann eine ausreichende Wirksamkeit der Oxidation von Stickoxiden noch gegeben sein. Das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert dennoch, da in dem vorgenannten Fall die unverbrannten Kohlenwasserstoffe „durchbrechen” und den nachgeschalteten SCR-Katalysator beeinträchtigen, was erfindungsgemäß vorteilhaft durch die kombinierte Betrachtung der Resultate der Diagnoseverfahren mit detektiert wird.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Patentansprüchen und dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel zu entnehmen.
  • Dabei zeigen:
  • 1: eine schematische Darstellung des Abgasnachbehandlungssystems einer Verbrennungskraftmaschine,
  • 2: ein Flussdiagramm zur Erläuterung der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Wie in 1 gezeigt, ist eine Verbrennungskraftmaschine 1 mit einem Abgasnachbehandlungssystem 2 verbunden. Das Abgasnachbehandlungssystem 2 umfasst einen Oxidationskatalysator 3 und einen nachgeschalteten SCR-Katalysator 4. Mittels eines Injektors 5 kann Reduktionsmittel dem Abgas hinzugefügt werden. Wie aus dem Stand der Technik vorbekannt, kann der Oxidationskatalysator 3 auf seine Wirksamkeit überwacht werden. Beispielsweise ist in der DE2444334 ein Verfahren offenbart, bei dem die Wirksamkeit eines Oxidationskatalysators 3 auf Grundlage einer Zeitmessung bestimmt wird. Dabei wird der Oxidationskatalysator 3 durch einen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 mit einem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch zunächst mit Sauerstoff geladen. Dann wird die Verbrennungskraftmaschine 1 mit einem reichen Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben, wodurch der im Oxidationskatalysator 3 gespeicherte Sauerstoff aufgebraucht wird. Solange der Oxidationskatalysator 3 noch Sauerstoff an das ihm zugeführte Abgas zuführen kann, weist das von ihm ausgegebene Abgas ein stöchiometrisches Kraftstoff-Luft-Gemisch auf. Die Bestimmung des aktuellen Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt mittels eines stromab des Oxidationskatalysators 3 vorgesehenen allgemein bekannten Restsauerstoff-Sensors 6. Sobald jedoch der Sauerstoff aufgebraucht ist, wird am Ausgang des Oxidationskatalysators 3 ein reiches Kraftstoff-Luft-Gemisch gemessen. Die Zeitspanne zwischen dem Beginn des Betriebs mit einem reichen Kraftstoff-Luft-Gemisch und dem Zeitpunkt, zu dem dies am Ausgang des Oxidationskatalysators 3 erkannt wird, ist ein Maß für den Alterungszustand des Oxidationskatalysators 3. Je kürzer diese Zeitspanne ist, desto stärker ist der Oxidationskatalysator 3 gealtert, d. h. die Wirksamkeit des Oxidationskatalysators 3 zur Nachbehandlung von Kohlenwasserstoffen unterschreitet einen Grenzwert. Erfindungsgemäß können auch andere Verfahren herangezogen werden, um zu bestimmen, ob die Wirksamkeit des Oxidationskatalysators 3 zur Nachbehandlung von Kohlenwasserstoffen einen Grenzwert unterschreitet. Alternativ kann beispielsweise bestimmt werden, wie das Ansprechverhalten des Oxidationskatalysators 3 ist. Das Ansprechverhalten kann z. B. in Form einer Bestimmung der Anspringtemperatur analysiert werden, in der Fachsprache auch als Light-Off-Temperatur bezeichnet. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der DE 10 2008 057 814 beschrieben. Demgemäß erfolgt die Bestimmung der Wirksamkeit des Oxidationskatalysators 3 zur Nachbehandlung von Kohlenwasserstoffen in Abhängigkeit einer aktuell ermittelten Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators 3 und einer Referenz-Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators 3. Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist es lediglich, dass eine Information zur Bewertung der Wirksamkeit des Oxidationskatalysators 3 zur Nachbehandlung von Kohlenwasserstoffen bereitsteht. Weiterhin ist stromaufwärts des SCR-Katalysators 4 ein erster NOx-Sensor 7 vorgesehen. Ausserdem ist stromabwärts des SCR-Katalysators 4 ein zweiter NOx-Sensor 8 vorgesehen. Auf Grundlage der beiden NOx-Sensoren 7, 8 kann die Wirksamkeit des SCR-Katalysators 4 zur Nachbehandlung von Stickoxiden bestimmt werden, wie allgemein bekannt. 2 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens. In S1 wird das erfindungsgemäße Verfahren gestartet und es erfolgt in S2 eine Bestimmung der Wirksamkeit des SCR-Katalysators 4 zur Nachbehandlung von Stickoxiden und eine Bestimmung der Wirksamkeit des Oxidationskatalysators 3 zur Nachbehandlung von Kohlenwasserstoffen. In S3 erfolgt eine Prüfung, ob die Wirksamkeit des SCR-Katalysators 4 zur Nachbehandlung von Stickoxiden einen bestimmten Grenzwert unterschreitet. Liegt keine Grenzwertunterschreitung vor, erfolgt ein Rücksprung zu S2. Liegt eine Grenzwertunterschreitung vor, erfolgt ein Sprung zu S4. In S4 erfolgt eine Prüfung, ob die Wirksamkeit des Oxidationskatalysators 3 zur Nachbehandlung von Kohlenwasserstoffen einen Grenzwert unterschreitet. Liegt eine derartige Grenzwertunterschreitung vor, erfolgt ein Sprung zu S5. In S5 erfolgt ein Setzen eines Fehlers, der darauf hinweist, dass eine Fehlfunktion des Oxidationskatalysators 3 zur Bereitstellung eines bestimmten Verhältnisses von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid am Austritt des Oxidationskatalysators 3 vorliegt. Ergibt die Prüfung in S4, dass die Wirksamkeit des Oxidationskatalysators 3 zur Nachbehandlung von Kohlenwasserstoffen keinen Grenzwert unterschreitet, aber eben die Wirksamkeit des SCR-Katalysators 4 zur Nachbehandlung von Stickoxiden einen Grenzwert unterschreitet, erfolgt ein Sprung zu S6. In S6 erfolgt ein Setzen eines Fehlers, der darauf hinweist, dass eine Fehlfunktion des SCR-Katalysators 4 zur Nachbehandlung von Stickoxiden vorliegt. Mit anderen Worten erfolgt erfindungsgemäß insofern eine kombinierte Auswertung der Resultate der Prüfung der Wirksamkeit des Oxidationskatalysators 3 und der Wirksamkeit des SCR-Katalysators 4, dass in S4 gemäß 2 diese Resultate einander gegenüber gestellt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 7134273 [0003, 0007, 0007]
    • DE 2444334 [0012]
    • DE 102008057814 [0012]

Claims (7)

  1. Verfahren zur Erkennung von Fehlfunktionen des Abgasnachbehandlungssystems (2) einer Verbrennungskraftmaschine (1) mit einem Oxidationskatalysator (3) zur Nachbehandlung von Kohlenwasserstoffen und zur Bereitstellung eines bestimmten Verhältnisses von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid am Austritt des Oxidationskatalysators (3) und mit einem SCR-Katalysator (4) zur Nachbehandlung von Stickoxiden sowie mit einer Zufuhr von Reduktionsmittel zu dem Abgas, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erkennung von Fehlfunktionen mit folgenden Schritten erfolgt: a.) Bestimmung der Wirksamkeit des SCR-Katalysators (4) zur Nachbehandlung von Stickoxiden, b.) Bestimmung der Wirksamkeit des Oxidationskatalysators (3) zur Nachbehandlung von Kohlenwasserstoffen, c.) kombinierte Auswertung der Ergebnisse unter Punkt a.) und b.) und – Erkennung einer Fehlfunktion des Oxidationskatalysators (3) zur Bereitstellung eines bestimmten Verhältnisses von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid am Austritt des Oxidationskatalysators (3), wenn die Wirksamkeit des Oxidationskatalysators (3) zur Nachbehandlung von Kohlenwasserstoffen einen Grenzwert unterschreitet und die Wirksamkeit des SCR-Katalysators (4) zur Nachbehandlung von Stickoxiden einen Grenzwert unterschreitet, – Erkennung einer Fehlfunktion des SCR-Katalysators (4), wenn die Wirksamkeit des SCR-Katalysators (4) zur Nachbehandlung von Stickoxiden einen Grenzwert unterschreitet und die Wirksamkeit des Oxidationskatalysators (3) zur Nachbehandlung von Kohlenwasserstoffen einen Grenzwert nicht unterschreitet.
  2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der Bestimmung der Wirksamkeit des Oxidationskatalysators (3) zur Nachbehandlung von Kohlenwasserstoffen in Punkt b.) das Ansprechverhalten des Oxidationskatalysators (3) bestimmt und einer Grenzwertbetrachtung unterzogen wird.
  3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenn die Wirksamkeit des Oxidationskatalysators (3) zur Nachbehandlung von Kohlenwasserstoffen einen Grenzwert unterschreitet, gegenüber anderen Fehlern eine höhere Wichtung diese Fehlers erfolgt und dieser Fehler schneller angezeigt wird oder dieser Fehler schon nach Erreichen einer vergleichsweise kleinen Anzahl an wiederholten Fehlererkennungen sichtbar gemacht wird.
  4. Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Wirksamkeit des SCR-Katalysators (4) zur Nachbehandlung von Stickoxiden in Abhängigkeit eines stromaufwärts des SCR-Katalysators (4) vorgesehenen ersten NOx-Sensors (7) und eines stromabwärts des SCR-Katalysators (4) vorgesehenen zweiten NOx-Sensors (8) erfolgt.
  5. Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Wirksamkeit des Oxidationskatalysators (3) zur Nachbehandlung von Kohlenwasserstoffen in Abhängigkeit des Signals eines stromab des Oxidations-Katalysators (3) vorgesehenen Restsauerstoff-Sensors (6) erfolgt.
  6. Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Wirksamkeit des Oxidationskatalysators (3) zur Nachbehandlung von Kohlenwasserstoffen in Abhängigkeit einer aktuell ermittelten Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators (3) und einer Referenz-Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators (3) erfolgt.
  7. Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dadurch eine Diagnose der Zufuhr von Reduktionsmittel zu dem Abgas erfolgt, dass wenn die Wirksamkeit des Oxidationskatalysators (3) zur Nachbehandlung von Kohlenwasserstoffen einen Grenzwert unterschreitet und die Wirksamkeit des SCR-Katalysators (4) zur Nachbehandlung von Stickoxiden ebenfalls einen Grenzwert unterschreitet, im weiteren Verlauf eine Variation der zugeführten Menge von Reduktionsmittel zu dem Abgas durchgeführt wird und wenn diese Variation zur Folge hat, dass die Wirksamkeit des SCR-Katalysators (4) zur Nachbehandlung von Stickoxiden einen Grenzwert anschließend nicht mehr unterschreitet, eine Fehlfunktion der Zufuhr von Reduktionsmittel zu dem Abgas isoliert wird.
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