DE102011017114B4

DE102011017114B4 - Verfahren zur Überwachung des Abgasnachbehandlungssystems einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102011017114B4
Application number: DE102011017114.2A
Authority: DE
Inventors: Olaf Friedrichs; Christian Lehmann; Patrick Stracke
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2011-04-14
Filing date: 2011-04-14
Publication date: 2023-12-07
Anticipated expiration: 2031-04-15
Also published as: DE102011017114A1

Abstract

Verfahren zur Überwachung des Abgasnachbehandlungssystems einer Verbrennungskraftmaschine (1) mit einem SCR-Katalysator (4) und einem Dosiersystem für eine Zufuhr eines Reduktionsmittels zu dem Abgas mit folgenden Schritten:a.) Bereitstellen einer Referenz-Startzeit (Z3), ab der eine Dosierung von Reduktionsmittel zu dem Abgas bei einem funktionstüchtigen Abgasnachbehandlungssystem erfolgen würde,b.) Starten eines Zeitzählers (ZZ), der über einen definierten Zeitraum läuft, in Abhängigkeit der Referenz-Startzeit (Z3) gemäß Schritt a.),c.) Bestimmen, ob das Abgasnachbehandlungssystem effektiv arbeitet oder nicht, in Abhängigkeit davon, ob die Dosierung von Reduktionsmittel zu dem Abgas vor oder nach Ablauf des Zeitzählers (ZZ) gestartet wird, wobei die Referenz-Startzeit (Z3) in Abhängigkeit von Betriebsgrößen der Verbrennungskraftmaschine (1) berechnet wird, wobei die Berechnung der Referenz-Startzeit (Z3) in Abhängigkeit von einer berechneten Temperatur des Abgases stromaufwärts des SCR-Katalysators (4) erfolgt, wobei die Berechnung der Referenz-Startzeit (Z3) für eine Dosierung von Reduktionsmittel zu dem Abgas in Abhängigkeit davon erfolgt, dass ein gefilterter Wert der Temperatur des Abgases über eine bestimmte Zeit einen gewissen Schwellenwert überschreitet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Abgasnachbehandlungssystems einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Zur Senkung des Anteils an Stickoxid im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine sind Abgasnachbehandlungssysteme vorbekannt, die einen SCR-Katalysator sowie ein Dosiersystem für ein flüssiges oder gasförmiges Reduktionsmittel umfassen. Insbesondere ist es vorbekannt, dem Abgas mittels eines solchen Dosiersystems einen bestimmten Anteil an Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) hinzuzufügen. Die HWL ist in einem Tank bevorratet und wird mittels eines Injektors dosiert. Die Aktivierung der Dosierung der HWL zum Abgas erfolgt bevorzugt in Abhängigkeit der Temperatur des Abgases stromaufwärts des SCR-Katalysators. Somit ist sichergestellt, dass eine thermolytische/hydrolytische Reaktion und somit eine Umwandlung der HWL in NH3 erfolgen kann. Außerdem ist so sichergestellt, dass eine gewisse Speicherung des NH3 im SCR-Katalysator erfolgen kann, die ebenfalls temperaturabhängig ist. Die Temperatur des Abgases stromaufwärts des SCR-Katalysators wird mittels eines Temperatursensors erfasst. Mit anderen Worten ist die Aktivierung der Dosierung der HWL zum Abgas von diesem Temperatursensor abhängig. Dieser Sensor kann ausfallen oder im Laufe der Zeit eine gewisse Drift erfahren, so dass die Dosierung der HWL zum Abgas gar nicht oder nicht korrekt aktiviert wird und eine effektive Senkung des Anteils an Stickoxid im Abgas nicht möglich ist.
Gemäß der DE 10 2011 003 106 A1 ist ein Verfahren zur Freigabe eines Systems Stand der Technik, welches einer Brennkraftmaschine zugeordnet ist und dessen Betriebsbereitschaft von einer Betriebstemperatur abhängig ist, wobei auf einen Fehler in der Freigabe des Systems geschlossen wird, wenn bei Ablauf einer vorgebbaren Zeitdauer ab Start der Brennkraftmaschine kein Betrieb des Systems erfassbar ist.
Gemäß der US 2011 10 030 350 A1 ist es Stand der Technik, die Reduktionsmittel-Dosierung eines SCR-Systems beim Hochlaufen des Systems aus dem Kaltzustand zu starten, sobald ein Temperatursensor stromauf des SCR-Katalysators eine Aktivierungsschwelle erreicht hat.
Gemäß dem Gesetzestext California Code of Regulations, § 1971.1. On-Board Diagnostic System Requirements - 2010 and Subsequent Model-Year Heavy-Duty Engines, https://govt.westlaw.com/calreos/Document/I3DF2824074D611ED90EEB837E3125243?viewType=FullText&listSource=Se arch&originationContext=Search+Result&transitionType=SearchItem&context-Data=(sc.Search)&navigationPath=Search%2fv1%2fresults%2fnavigation%2fi0ad720f10000016e147125649ee97fe6%3fppcid%3d2a976258e07f42cea1 e7df80c32af4cf%26Nav%3dREGULATION PUB-LICVIEW%26fragmentIdentifier%3d13DF2824074D61 1 ED90EEB837E3125243%26startlndex%3d21 %26transitionType%3dSearchltem%26contextData%3d%2528sc Default%2529%26originationContext%3dSearch%2520Result&list=REGULATION PUB-LICVIEW&rank=28&t querytext=CR(%22REGISTER+2019%22+%2b3+40)&bhcp=1, letzter Zugriff: 16. Februar 2023, ist unter „(6.2.2) Selective Catalytic Reduction (SCR) or Other Active/Intrusive Reductant Injection System Performance“ im Unterabschnitt (D), Unterpunkt (i) beschrieben, dass, wenn eine Brennkraftmaschine mit einer Steuerung/Regelung der Zufuhr von Reduktionsmittel ausgestattet ist, dann soll ein Diagnosesystem einen Fehler erkennen, wenn die Steuerung/Regelung nicht nach einer vom Hersteller spezifizierten Zeitspanne aktiviert wird.
Gemäß der WO 93/17 228 A1 ist im Zusammenhang mit dem Betrieb eines katalytischen Konverters der Einsatz von Temperaturmodellierungen Stand der Technik.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Abgasnachbehandlungssystem einer Verbrennungskraftmaschine derart zu überwachen, dass stets eine möglichst effektive Senkung des Anteils an Stickoxid im Abgas erfolgen kann und ein nicht effektiv arbeitendes Abgasnachbehandlungssystem angezeigt wird. Diese Aufgabe wird mittels eines Verfahrens zur Überwachung des Abgasnachbehandlungssystems einer Verbrennungskraftmaschine mit einem SCR-Katalysator und einem Dosiersystem für eine Zufuhr eines Reduktionsmittels zu dem Abgas mit folgenden Schritten gelöst:

a.) Bereitstellen einer Referenz-Startzeit, ab der eine Dosierung von Reduktionsmittel zu dem Abgas bei einem funktionstüchtigen Abgasnachbehandlungssystem erfolgen würde,
b.) Starten eines Zeitzählers, der über einen definierten Zeitraum läuft, in Abhängigkeit der Referenz-Startzeit gemäß Schritt a.),
c.) Bestimmen, ob das Abgasnachbehandlungssystem effektiv arbeitet oder nicht, in Abhängigkeit davon, ob die Dosierung von Reduktionsmittel zu dem Abgas vor oder nach Ablauf des Zeitzählers gestartet wird, wobei die Referenz-Startzeit in Abhängigkeit von Betriebsgrößen der Verbrennungskraftmaschine berechnet wird, wobei die Berechnung der Referenz-Startzeit in Abhängigkeit von einer berechneten Temperatur des Abgases stromaufwärts des SCR-Katalysators erfolgt, wobei die Berechnung der Referenz-Startzeit für eine Dosierung von Reduktionsmittel zu dem Abgas in Abhängigkeit davon erfolgt, dass ein gefilterter Wert der Temperatur des Abgases über eine bestimmte Zeit einen gewissen Schwellenwert überschreitet.

Erfindungsgemäß vorteilhaft wird einfach geprüft, ob der reale Start der Dosierung von Reduktionsmittel zu dem Abgas in einen definierten Zeitraum nach dem theoretischen Start einer Dosierung von Reduktionsmittel zu dem Abgas für ein funktionstüchtiges Abgasnachbehandlungssystem fällt, um herauszufinden, ob der Sensor ordnungsgemäß arbeitet, der stromaufwärts des SCR-Kats angeordnet ist und der dazu dient, beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine den Start der Dosierung von Reduktionsmittel zu steuern. Liegt der reale Start der Dosierung von Reduktionsmittel zu dem Abgas innerhalb dieses Zeitraums, ist das System in Ordnung bzw. liegt der Start ausserhalb, ist das System nicht in Ordnung. In einer besonders vorteilhaften Ausführung ist es dabei vorgesehen, dass eine Berechnung der Referenz-Startzeit vorgenommen wird, ab der eine Dosierung von Reduktionsmittel zu dem Abgas bei einem funktionstüchtigen Abgasnachbehandlungssystem erfolgen würde. Diese Berechnung kann in Abhängigkeit beliebiger Betriebsgrößen der Verbrennungskraftmaschine erfolgen, die unabhängig von Sensoren bereitgestellt werden, die die Temperatur des Abgases unmittelbar betreffen. Denkbar ist es beispielsweise, den theoretischen Start einer Dosierung von Reduktionsmittel zu dem Abgas für ein funktionstüchtiges Abgasnachbehandlungssystem in Abhängigkeit von einem Massenstrom durch das Abgassystem und einem Wert des Verbrennungsluftverhältnisses zu errechnen. Erfindungsgemäß vorteilhaft können bei der Berechnung des theoretischen Starts einer Dosierung von Reduktionsmittel zu dem Abgas für ein funktionstüchtiges Abgasnachbehandlungssystem bestimmte Randbedingungen berücksichtigt werden, z. B. ob das Dosiersystem überhaupt schon bereit ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel sowie den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen, hierbei zeigen:

1: eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasnachbehandlungssystem,
2: ein Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Wie in 1 dargestellt, umfasst eine allgemein bekannte Verbrennungskraftmaschine 1, die z. B. gemäß dem Dieselprinzip arbeitet, ein Abgasnachbehandlungssystem. Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst wiederum einen Oxidationskatalysator 2, einen Partikelfilter 3, einen SCR-Katalysator 4 sowie ein Dosiersystem für ein Reduktionsmittel mit einem Vorratsbehälter 5 und einem Dosierventil 6. Ein Oxidationskatalysator 2 kann auch entfallen. Weiterhin ist stromauf des SCR-Katalysators 4 ein Sensor 7 angeordnet, der in der Lage ist, ein Signal hinsichtlich der Temperatur des Abgases zu messen. Wie allgemein bekannt, sind sämtliche Sensoren und Aktoren mit einem Steuergerät verbunden, was hier nicht gesondert dargestellt ist. Während des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine 1 wird dem Abgas Reduktionsmittel, insbesondere HWL, mittels des Dosierventils 6 hinzugefügt, so dass, wenn das Abgas ein ausreichendes Temperaturniveau aufweist, eine thermolytische/hydrolytische Reaktion und somit eine Umwandlung der HWL in NH3 erfolgt. Bei einem ebenfalls ausreichenden Temperaturniveau des SCR-Katalysators 4 erfolgt in diesem eine gewisse Speicherung und potentielle Umsetzung des NH3. Die Aktivierung der Zufuhr des Reduktionsmittels, sei es flüssig oder gasförmig, erfolgt in Abhängigkeit des Signals des Sensors 7. Wie allgemein bekannt, erfolgt im SCR-Katalysator 4 in Verbindung mit dem NH3 eine Reduktion der Stickoxide (NO/NO2) im Abgas zu Stickstoff und Wasser (N2/H2O). Um nun eine möglichst effektive Senkung der Stickoxide im Abgas zu erreichen, ist es erforderlich, möglichst frühzeitig mit der Zufuhr des Reduktionsmittels zu dem Abgas zu beginnen. Angenommen, der Sensor 7 ist beschädigt oder weist eine Drift auf, ist eine korrekte Aktivierung bzw. Zufuhr des Reduktionsmittels nicht sichergestellt. Erfindungsgemäß ist es daher vorgesehen, eine Überwachung der zeitlichen Abläufe bzw. des Zeitrahmens im Zusammenhang mit der Aktivierung und/oder Durchführung der Dosierung von Reduktionsmittel zu dem Abgas vorzunehmen. Insbesondere ist es von Bedeutung, zu überwachen, ob nach einem Start der Verbrennungskraftmaschine 1 bis zum Beginn der Dosierung von Reduktionsmittel zum Abgas ein bestimmter Zeitrahmen eingehalten wird. Wie in 2 dargestellt, kann das erfindungsgemäße Verfahren zeitlich wie folgt ablaufen. Zu einem ersten Zeitpunkt Z1 wird die Verbrennungskraftmaschine 1 sowie das erfindungsgemäße Verfahren gestartet. Zu einem weiteren Zeitpunkt Z2 erfolgt eine Abfrage, ob bestimmte Vorbedingungen erfüllt sind. Eine erste Vorbedingung kann es sein, dass das Dosiersystem für das Reduktionsmittel bereit ist, d. h. dass z. B. ein ausreichender Druck des Reduktionsmittels aufgebaut ist und/oder der Vorratsbehälter 5 ausreichend gefüllt ist. Es sei angenommen, dass diese erste Vorbedingung erfüllt ist und das Dosiersystem für das Reduktionsmittel bereit ist, wie in 2 mittels der gestrichelten Linie gezeigt. Eine zweite Vorbedingung, deren Erfüllung z. B. ab dem Zeitpunkt Z2 zyklisch geprüft wird, kann es sein, dass während des aktuellen Betriebszyklusses der Verbrennungskraftmaschine 1 eine ausreichende Temperatur des Abgases stromaufwärts des SCR-Katalysators 4 vorliegt oder dass ein bestimmtes Niveau einer kumulierten Wärmemenge, die das Abgasnachbehandlungssystem passiert hat, erreicht ist. Erfindungsgemäß kann es alternativ die zweite Vorbedingung sein, dass eine ausreichende Temperatur des Abgases stromaufwärts des SCR-Katalysators 4 vorliegt und ein bestimmtes Niveau einer kumulierten Wärmemenge, die das Abgasnachbehandlungssystem passiert hat, erreicht ist. Angenommen, die zweite Vorbedingung bezieht sich allein darauf, dass eine ausreichende Temperatur des Abgases stromaufwärts des SCR-Katalysators 4 vorliegt. Ob eine ausreichende Temperatur erreicht wurde, kann z. B. auf Basis eines Modellwertes für die Temperatur des Abgases stromaufwärts des SCR-Katalysators 4 geprüft werden. Der Modellwert für die Temperatur des Abgases kann in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Verbrennungskraftmaschine 1 berechnet werden, so wie dem Fachmann aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Angenommen, die zweite Vorbedingung ist erfüllt und es herrscht eine ausreichende Temperatur des Abgases stromaufwärts des SCR-Katalysators 4 bzw. wurde erreicht, dann wird z. B. in Abhängigkeit der vorhergehend modellierten Temperatur des Abgases stromaufwärts des SCR-Katalysators 4 eine Referenz-Startzeit einer Dosierung von Reduktionsmittel zu dem Abgas Z3, für ein funktionstüchtiges Abgasnachbehandlungssystem berechnet bzw. bereitgestellt. Ein funktionstüchtiges Abgasnachbehandlungssystem im Sinne der vorliegenden Erfindung kann beliebig definiert werden, insbesondere handelt es sich aber dann um ein funktionstüchtiges Abgasnachbehandlungssystem, wenn es nicht gealtert ist, d. h. im Wesentlichen unbenutzt ist und in einem bestimmten Rahmen eine optimale Konvertierung von Schadstoffen aufweist. Die Referenz-Startzeit für eine Dosierung von Reduktionsmittel zu dem Abgas Z3 für ein funktionstüchtiges Abgasnachbehandlungssystem kann erfindungsgemäß auch als Startzeitpunkt, ggf. +/- einer bestimmten Toleranz, aufgefasst werden, bei dem bei einem voll funktionstüchtigen Abgasnachbehandlungssystem eine Zufuhr von Reduktionsmittel zu dem Abgas ausgelöst wird, so dass möglichst effektiv die Stickoxide im Abgas reduziert werden können. Die Berechnung der Referenz-Startzeit für eine Dosierung von Reduktionsmittel zu dem Abgas Z3 für ein funktionstüchtiges Abgasnachbehandlungssystem in Abhängigkeit der vorhergehend modellierten Temperatur des Abgases stromauf des SCR-Katalysators 4 kann in Abhängigkeit davon erfolgen, dass der gefilterte Wert der modellierten Temperatur des Abgases stromauf des SCR-Katalysators 4 über eine bestimmte Zeit einen gewissen Schwellenwert überschreitet. Zweckmäßigerweise kann im weiteren Verlauf natürlich auch geprüft werden, ob der gefilterte Wert der modellierten Temperatur des Abgases stromauf des SCR-Katalysators 4 den gewissen Schwellenwert auch nicht wieder unterschreitet, sollte dem so sein, kann zweckmäßigerweise ein Reset des Verfahrens erfolgen, so dass eben nur dann das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird, wenn eine ausreichende Temperatur des Abgases stromauf des SCR-Katalysators 4 vorliegt. Ist die Referenz-Startzeit für eine Dosierung von Reduktionsmittel zu dem Abgas Z3 für ein funktionstüchtiges Abgasnachbehandlungssystem berechnet, schreitet das erfindungsgemäße Verfahren insofern weiter, dass zur Referenz-Startzeit Z3 ein Zeitzähler ZZ gestartet wird. In 2 sind das Starten und die Phase der Aktivität des Zeitzählers ZZ ebenfalls mittels einer gestrichelten Linie dargestellt. Der Zeitzähler ZZ wird nach einer definierten Zeit gestoppt. Erfindungsgemäß wird nun geprüft, ob vor oder mit Ablauf des Zeitzählers ZZ die Dosierung von Reduktionsmittel zu dem Abgas gestartet wurde, d. h. ob das Abgasnachbehandlungssystem effektiv arbeitet. Die Laufzeit des Zeitzählers kann insbesondere anhand eines Fahrzyklusses so ausgelegt sein, dass dann, wenn der reale Start der Dosierung von Reduktionsmittel zu dem Abgas ausserhalb der Laufzeit liegt, ein bestimmter Grenzwert an Abgas, der während des Fahrzyklusses ausgestossen wird, überschritten wird. Gemäß 2 stimmt der reale Start der Dosierung von Reduktionsmittel zu dem Abgas genau mit dem Zeitpunkt Z4 überein, bei dem der Zeitzähler ZZ gestoppt wird, d. h. dieses Abgasnachbehandlungssystem arbeitet gerade noch effektiv. Anders gesagt hat z. B. die Drift des Sensors 7 nun eine Maß erreicht, bei dem die Dosierung des Reduktionsmittels zu dem Abgas gerade noch so gestartet wird, dass der jeweilige Grenzwert an Abgas bei Durchfahren des zu Grunde liegenden Fahrzyklusses gerade noch erreicht wird. Wurde die Dosierung von Reduktionsmittel zu dem Abgas nicht vor oder mit Ablauf des Zeitzählers ZZ gestartet, wird ein nicht effektiv arbeitendes Abgasnachbehandlungssystem angezeigt oder es wird ein übergeordneter Zähler inkrementiert.

Claims

Verfahren zur Überwachung des Abgasnachbehandlungssystems einer Verbrennungskraftmaschine (1) mit einem SCR-Katalysator (4) und einem Dosiersystem für eine Zufuhr eines Reduktionsmittels zu dem Abgas mit folgenden Schritten: a.) Bereitstellen einer Referenz-Startzeit (Z3), ab der eine Dosierung von Reduktionsmittel zu dem Abgas bei einem funktionstüchtigen Abgasnachbehandlungssystem erfolgen würde, b.) Starten eines Zeitzählers (ZZ), der über einen definierten Zeitraum läuft, in Abhängigkeit der Referenz-Startzeit (Z3) gemäß Schritt a.), c.) Bestimmen, ob das Abgasnachbehandlungssystem effektiv arbeitet oder nicht, in Abhängigkeit davon, ob die Dosierung von Reduktionsmittel zu dem Abgas vor oder nach Ablauf des Zeitzählers (ZZ) gestartet wird, wobei die Referenz-Startzeit (Z3) in Abhängigkeit von Betriebsgrößen der Verbrennungskraftmaschine (1) berechnet wird, wobei die Berechnung der Referenz-Startzeit (Z3) in Abhängigkeit von einer berechneten Temperatur des Abgases stromaufwärts des SCR-Katalysators (4) erfolgt, wobei die Berechnung der Referenz-Startzeit (Z3) für eine Dosierung von Reduktionsmittel zu dem Abgas in Abhängigkeit davon erfolgt, dass ein gefilterter Wert der Temperatur des Abgases über eine bestimmte Zeit einen gewissen Schwellenwert überschreitet.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass geprüft wird, ob der gefilterte Wert der Temperatur des Abgases den Schwellenwert auch nicht wieder unterschreitet, wobei, wenn der gefilterte Wert der Temperatur des Abgases den Schwellenwert unterschreitet, ein Rücksetzen des Verfahrens erfolgt, so dass nur dann das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird, wenn eine ausreichende Temperatur des Abgases vorliegt.
Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsgrößen der Verbrennungskraftmaschine (1) unabhängig von Sensoren bereitgestellt werden, die die Temperatur des Abgases unmittelbar betreffen.
Verfahren nach Patentanspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Referenz-Startzeit (Z3) in Abhängigkeit einer kumulierten Wärmemenge erfolgt, die das Abgasnachbehandlungssystem passiert hat.
Verfahren nach Patentanspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Referenz-Startzeit (Z3) in Abhängigkeit von der Temperatur des Abgases stromaufwärts des SCR-Katalysators (4) erfolgt und in Abhängigkeit einer kumulierten Wärmemenge erfolgt, die das Abgasnachbehandlungssystem passiert hat.