DE102011011441B3

DE102011011441B3 - Verfahren zur dynamischen Durchbrucherkennung für SCR-Katalysatoren

Info

Publication number: DE102011011441B3
Application number: DE102011011441A
Authority: DE
Inventors: Jens Niemeyer
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2011-02-16
Filing date: 2011-02-16
Publication date: 2012-06-14
Anticipated expiration: 2031-02-17
Also published as: CN103649481B; WO2013041154A1; US20140030810A1; HK1195928A1; CN103649481A; US9170244B2

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Anordnung zur dynamischen Durchbrucherkennung vorgestellt. Die Anordnung umfasst mindestens ein Übertragungsglied, mindestens eine Speichereinheit, in der Sensorkennlinien abgelegt sind, mindestens einen Regler und eine Auswertelogistik (4).

Description

In Kraftfahrzeugen eingesetzte Katalysatoren dienen zur Abgasbehandlung, um Schadstoffemissionen im Abgas zu reduzieren. Es sind unterschiedliche Arten von Katalysatoren, wie bspw. Drei-Wege-Katalysatoren, ungeregelte Katalysatoren Oxidationskatalysatoren und auch SCR-Katalysatoren bekannt.
In SCR-Katalysatoren wird als Verfahren zur Reduktion von Stickoxiden die sogenannte selektive katalytische Reduktion (SCR: selective catalytic reduction) eingesetzt. Die chemische Reaktion am SCR-Katalysator ist selektiv, somit werden bevorzugt die Stickoxide (NO, NO₂) reduziert, während unerwünschte Nebenreaktionen, wie bspw. die Oxidation von Schwefel zu Schwefeldioxid, weitgehend unterdrückt werden.
Bei Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen, erweist sich die Stickoxidreduzierung mittels des SCR-Verfahrens als schwierig, weil dort wechselnde Betriebsbedingungen vorliegen, was die Zumessung von Reduktionsmitteln erschwert.
Für den Betrieb von SCR-Katalysatoren wird ein Reduktionsmittel dosiert, wobei auf den NO_x-Sensorwert nach SCR geregelt wird. Der NO_x-Sensor weist eine Querempfindlichkeit auf NH₃ auf. Findet eine Überdosierung im System statt, dann entsteht nach der SCR-Reaktion ein sog. NH₃-Schlupf bzw. wenn nach der SCR ein Sperrkatalysator im System verbaut ist, entstehen wieder erhöhte NO_x-Emissionen nach der SCR.
Der NO_x-Sensor zeigt damit eine Mehrdeutigkeit in der Kennlinie. Somit kann nicht sicher unterschieden werden, ob die Dosierung zu gering ist und ob NO_x-Emissionen vorliegen, oder ob die Dosierung zu hoch ist und ein NH₃-Schlupf bzw. erhöhte NO_x-Emission durch NH₃-Umsatz im Sperrkatalysator vorliegt.
Das beschriebene Problem tritt nicht auf, wenn nur geringe NO_x-Umsatzraten durch den SCR-Katalysator erforderlich sind. Dann liegt der Umsatz im System weit vom maximal möglichen Umsatz mit der sog. Schlupfgrenze entfernt. Für eine kraftstoffsparende Motorabstimmung bzw. eine effiziente Ausnutzung des Katalysators müssen aber hohe Umsatzraten realisiert werden.
Eine weitere Möglichkeit, die Mehrdeutigkeit der Kennlinie aufzulösen besteht darin, künstlich kleine Veränderungen der Dosiermenge des Reduktionsmittels aufzuschalten. Durch geeignete Auswertung des NO_x-Wertes nach der SCR kann das Vorliegen eines NH₃-Schlupfes erkannt werden. Ein solches Vorgehen wird in DE 10 2009 012 092 A1 beschrieben.
Bei einem Verfahren gemäß der DE 10 2005 042 490 A1 wird eine Anpassung der Dosierung dadurch erreicht, dass immer erst die Dosierung reduziert wird, wenn eine Differenz zwischen einem berechneten NO_x-Wert und einem gemessenen Wert für die Summe aus NO_x-Konzentration und einem Reagenzmittelschlupf festgestellt wird.
Eine solche Auswertung funktioniert jedoch nur, wenn das System in einem stationären Zustand ist, das Vorliegen eines NH₃-Schlupfes wird daher erst verzögert erkannt.
Es wird ein Verfahren zur dynamischen Durchbrucherkennung vorgestellt, bei dem ein auftretender NH₃-Schlupf bzw. erhöhte NO_x-Emission durch NH₃-Umsatz im Sperrkatalysator im Betrieb schnell erkannt werden kann. Es muss kein stationärer Betriebspunkt des SCR-Katalysators abgewartet werden. Es ist nicht erforderlich, für das Verfahren eine spezielle Variation der Dosiermenge des Reduktionsmittels durchzuführen, der reguläre Reglerbetrieb des SCR-Systems muss nicht verändert werden.
Bei dem Verfahren zur dynamischen Erkennung von Durchbruch oder NH₃-Schlupf eines in einer Abgasnachbehandlungsanlage betriebenen SCR-Katalysators wird aus der Dosierrate eines vor dem SCR-Katalysator dem Abgasstrom zugegebenen Reduktionsmittels anhand eines Modells des dynamischen Verhaltens des SCR-Katalysators, in dem Parameter verwendet werden, die abhängig sind von einem oder mehreren Betriebsparametern des SCR-Katalysators, z. B. Temperatur oder Abgasmassenstrom, für mindestens eine lineare Sensorkennlinie, die den Bereich des normalen Betriebs abbildet und mindestens eine lineare Sensorkennlinie, die den Bereich des Durchbruchs oder NH₃-Schlupfes abbildet, jeweils ein Erwartungswert für die Umsatzrate ermittelt. Dieser Erwartungswert wird mit der aus einem von einem stromab zum SCR-Katalysator angeordneten NO_x-Sensor ermittelten Messwert ermittelten realen Umsatzrate verglichen. Für jede der Kennlinien wird jeweils eine Stellgröße für die Anpassung der realen Umsatzrate an den Erwartungswert berechnet, und es wird diejenige Kennlinie ausgewählt, für die die kleinste Stellgröße berechnet wurde. Handelt es sich dabei um eine Kennlinie, die den Bereich des Durchbruchs oder NH₃-Schlupfes abbildet, zeigt dies einen Durchbruch oder NH₃-Schlupf an und diese Information kann an die Steuerung der Dosierung des Reduktionsmittels zurückgemeldet werden.
Das vorgestellte Verfahren lässt sich sowohl in Abgasbehandlungsanlagen ohne einen zusätzlichen Sperrkatalysator zur Oxidation von NH₃ nach dem SCR-Katalysator einsetzen als auch in Systemen, die einen solchen Sperrkatalysator aufweisen.
Neben der Erkennung eines NH₃-Schlupfes kann zusätzlich die maximal erreichbare Umsatzrate in dem betrachteten Betriebspunkt des SCR-Katalysators bestimmt werden. Die bestimmte maximale Umsatzrate des SCR-Katalysators kann zusätzlich zur Überwachung des SCR-Katalysators dienen, bspw. zur Verfolgung der Katalysatoralterung.
Weiterhin wird eine Anordnung vorgestellt, die sich zur Durchführung des Verfahrens eignet. Die Anordnung umfasst mindestens ein Übertragungsglied, mindestens eine Speichereinheit, in der Sensorkennlinien abgelegt sind, mindestens einen Regler und eine Auswertelogik. Als Übertragungsglied kann ein dynamisches Modell verwendet werden, das beispielsweise ein PT₁-Glied, ein PT₁-Glied mit Totzeit (Tt) oder ein PT₂-Glied umfasst. Als Regler kann beispielsweise ein PI-Regler eingesetzt werden, ein adaptiver Regler, oder ein adaptiver PI-Regler.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
1 zeigt eine abstrakte Darstellung des dynamischen Verhaltens des SCR-Katalysators;
2 zeigt Beispiele von Sensor-Kennlinien für verschiedene maximale Umsatzraten;
3 zeigt ein Beispiel eines in Teilmodelle zerlegten Gesamtmodells des dynamischen Verhaltens des SCR-Katalysators;
4 zeigt schematisch ein Beispiel einer im beschriebenen Verfahren eingesetzte Beobachterstruktur,
5 zeigt schematisch eine Ausführungsform des beschriebenen Verfahrens.
In den Figuren verwendete Kurzbezeichnungen:

alpha:: Dosierrate alpha;
eta:: Umsatzrate eta;
a:: G(s) mit PT₁ mit Tt;
b:: Sensor-Kennlinie mit Querempfindlichkeit;
c:: adaptiver PI-Regler,
d:: Parameter abhängig von der Katalysatortemperatur,
e:: Kennlinie Normalbetrieb;
f:: Kennlinie Durchdruchbetrieb, maximaler Umsatz = 1,0;
g:: Kennlinie Durchdruchbetrieb, maximaler Umsatz = 0,9;
h:: Kennlinie Durchdruchbetrieb, maximaler Umsatz = 0,8;
G:: Gesamtmodell: Normalbetrieb ohne Durchbruch und Durchbruch mit verschiedenen maximalen Umsatzraten;
N: Systemmodell ohne Durchbruch;
D1.0: Systemmodell Durchbruch, maximaler Umsatz = 1,0;
D0.9: Systemmodell Durchbruch, maximaler Umsatz = 0,9;
D0.8: Systemmodell Durchbruch, maximaler Umsatz = 0,8;
M: Modell des dynamischen Verhaltens PT₁ + Totzeit;
KL: jeweilige Kennlinie;
B: Beobachter: PI-Regler,
ID: Ist-Dosierrate;
IU: Ist-Umsatzrate;
S: Stellgröße Beobachter;
SCR: realer SCR-Katalysator,
B1: Beobachter normaler Betrieb;
B2: Beobachter Durchbruch, maximaler Umsatz = 1,0;
B3: Beobachter Durchbruch, maximaler Umsatz = 0,9;
B4: Beobachter Durchbruch, maximaler Umsatz = 0,8;
A: Auswertelogik.

1 zeigt eine abstrakte Darstellung des dynamischen Verhaltens des SCR-Katalysators, wobei das Übertragungsglied 1 in diesem Fall als PT1-Glied mit Totzeit (Tt) ausgeführt ist, adaptiv mit Parametern in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur. Eingangsgröße ist die Dosierrate alpha, Ausgangsgröße die Umsatzrate eta. Das Sensorverhalten ist als Kennlinie mit Knickpunkt bei maximalem Umsatz dargestellt, wobei die Querempfindlichkeit des Sensor, auf NH3 sich in der negativen Steigung der Kennlinie im Durchbruchbereich widerspiegelt. Die Parameter können durch Sprungversuche um den Soll-Umsatz oder aus Modellrechnungen bestimmt werden. Die Sensorkennlinie ist in einer Speichereinheit 2 abgelegt. Die Steuerung der Dosierrate erfolgt über einen Regler 3, im dargestellten Fall ist dies ein adaptiver PI-Regler.
2 zeigt Sensor-Kennlinien für verschiedene maximale Umsatzraten. Die Kennlinien setzen sich jeweils aus zwei Teilgeraden zusammen, einer Teilgerade mit positiver Steigung für den Normalbetrieb und einer Teilgerade mit negativer Steigung für den Durchbruchsbereich. Der Umschaltpunkt zwischen Normalbetrieb und Durchbruchbereich, erkennbar als Maximum der Kennlinie, hängt ab von der jeweiligen maximalen Umsatzrate des Katalysators. In 2 dargestellt sind Kennlinien für maximale Umsatzraten von 0,8, 0,9 und 1,0.
Für das beschriebene Verfahren werden alle möglichen Varianten von Normalbetrieb und Durchbruchbereich mit verschiedenen maximalen Umsatzraten zu einem Gesamtmodell zusammengefasst. Das Gesamtmodell wird in entsprechende lineare Teilmodelle, die sich jeweils aus dem Zeitverhalten (PT₁, PT₁ und Totzeit, oder PT₂) und einer linearen Kennlinie zusammensetzen, aufgespalten und die Teilmodelle werden auf regelungstechnisch lineare Modelle transformiert. Für jedes Teilmodell wird eine zugehörige Beobachterstruktur entworfen und basierend auf der entsprechenden Modellrechnung wird eine rechnerische Dosiermenge bestimmt, die zur genauen Übereinstimmung von Modell und Realität führt. Um stationäre Genauigkeit erreichen zu können, wird ein PI-Beobachter verwendet. Die erhaltenen Beobachter-Stellgrößen für die verschiedenen linearen Teilmodelle werden verglichen. Das Modell mit der geringsten Beobachter-Stellgröße passt am besten zum realen Verhalten des Systems. Dieses Modell wird ausgewählt und gibt Aufschluss darüber, ob ein Durchbruch vorliegt und welches die maximale Umsatzrate des realen Systems ist. Bei der Auswahl ist zu berücksichtigen, dass jeweils das Modell, dessen maximale Umsatzrate der aktuellen Ist-Umsatzrate entspricht, ausgeschlossen wird, da eine Unterscheidung zwischen Normalbetrieb und Durchbruch-Betrieb mit der aktuellen Ist-Umsatzrate nicht möglich ist.
In 3 ist ein Beispiel für ein in lineare Teilmodelle transformiertes Gesamtmodell dargestellt. Es umfasst ein Teilmodell für den Normalbetrieb und drei Teilmodelle für den Durchbruch, jeweils mit verschiedenen maximalen Umsatzraten, dargestellt jeweils mit Übertragungsglied 1 und in der Speichereinheit 2 abgelegter Sensorkennlinie. Die Ausgangsgleichungen für die Teilmodelle im Durchbruchbereich ist eine Gerade, die nicht durch den Ursprung verläuft. Die Steigung der Geraden ergibt sich aus der Querempfindlichkeit des NOx-Sensors auf NH3 und ihr y-Achsenabschnitt aus ihrer Steigung und dem maximalen Umsatz.
4 zeigt eine im beschriebenen Verfahren eingesetzte Beobachterstruktur 5, umfassend Übertragungsglied 1, Speichereinheit 2 mit Sensorkennlinie und Regler 3. Das betrachtete Teilmodell wird mit dem realen Umsatz abgeglichen, wobei der Beobachter 5 der Regelung auf den realen Umsatz mit einem PI-Regler für stationäre Genauigkeit entspricht und der Stelleingriff des Beobachters 5 die Übereinstimmung zwischen dem realen Umsatz und dem im Teilmoden berechneten Umsatz herstellt.
5 zeigt schematisch eine Ausführungsform des beschriebenen Verfahrens. Die in den verwendeten Teilmodellen berechneten Stellgrößen der Beobachter 5 werden durch eine Auswertelogik 4 verglichen. Das Teilmodell mit der kleinsten Beobachter-Stellgröße ist dasjenige, das die beste Übereinstimmung mit dem realen System zeigt. Dieses Teilmodell wird ausgewählt und dadurch wird ermittelt, ob ein Durchbruch vorliegt und welche maximale Umsatzrate der SCR-Katalysator aufweist.
Das beschriebene System erlaubt es, einen Durchbruch des SCR-Katalysators bzw. NH3-Schlupf zu erkennen und die maximale Umsatzrate des SCR-Katalysators zu ermitteln, ohne dass eine künstliche Anregung des Systems erforderlich ist. Es genügen die durch den Betrieb des Systems mit Regler automatisch erfolgenden Anregungen. Das Verfahren erfordert nur geringen Rechenaufwand, da nur einfache lineare Modelle und PI-Regler berechnet werden müssen und keine komplexen Modellrechnungen erforderlich sind.

Claims

Verfahren zur Überwachung eines in einer Abgasnachbehandlungsanlage betriebenen SCR-Katalysators, bei dem a. aus der Dosierrate eines vor dem SCR-Katalysator dem Abgasstrom zugegebenen Reduktionsmittels anhand eines Modells des dynamischen Verhaltens des SCR-Katalysators für mindestens eine lineare Sensorkennlinie, die den Bereich des normalen Betriebs abbildet und mindestens eine lineare Sensorkennlinie, die den Bereich des Durchbruchs oder NH₃-Schlupfes abbildet, jeweils ein Erwartungswert für die Umsatzrate ermittelt wird; b. dieser Erwartungswert mit der aus einem von einem stromab zum SCR-Katalysator angeordneten NO_x-Sensor ermittelten Messwert ermittelten realen Umsatzrate verglichen wird; c. für jede Kennlinie jeweils eine Stellgröße für die Anpassung der realen Umsatzrate an den Erwartungswert berechnet wird; d. diejenige Kennlinie ausgewählt wird, für die die kleinste Stellgröße berechnet wurde.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Überwachung die dynamische Erkennung eines Katalysatordurchbruchs umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Überwachung die Ermittlung der maximalen Umsatzrate des Katalysators erfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem mehrere verschiedene Kennlinien den Bereich des Durchbruchs abbilden.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die verschiedenen Kennlinien verschiedenen maximalen Umsatzraten entsprechen.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die im Modell des dynamischen Verhaltens des SCR-Katalysators verwendeten Parameter abhängig sind von einem oder mehreren Betriebsparameter(n) des SCR-Katalysators.
Anordnung, die zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist, umfassend mindestens ein Übertragungsglied (1), mindestens eine Speichereinheit (2), in der Sensorkennlinien abgelegt sind, mindestens einen Regler (3) und eine Auswertelogik (4).
Anordnung gemäß Anspruch 7, bei der das mindestens eine Übertragungsglied (1) ein dynamisches Modell umfasst.
Anordnung gemäß Anspruch 7 oder 8, in der der mindestens eine Regler (3) einen PI-Regler umfasst.
Anordnung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, in der der mindestens eine Regler (3) einen adaptiven Regler umfasst.