DE102011055166A1 - Verfahren zur Ermittlung des in einer katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung erzeugten NO2-Anteils - Google Patents

Verfahren zur Ermittlung des in einer katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung erzeugten NO2-Anteils Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Ermittlung der NO2-Konzentration hinter einer katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 in einem Abgasnachbehandlungssystems einer Brennkraftmaschine 1 mittels eines NO2-Bildungsmodells, welches Betriebskenngrößen des Abgasnachbehandlungssystems und eine Alterungskenngröße der katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 berücksichtigt, wobei zur Bestimmung der Alterungskenngröße das HC/CO-Umsetzungsverhalten der katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 ermittelt wird und hieraus auf das NO2-Umsetzungsverhalten geschlossen wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der NO2-Konzentration hinter einer katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung in einem Abgasnachbehandlungssystems einer Brennkraftmaschine.
  • Vor dem Hintergrund gesetzlicher Vorschriften zur Reduzierung von Schadstoffimmissionen von Kraftfahrzeugen ist es im Rahmen einer On-Board-Diagnose (OBD) erforderlich, die Güte einer der Brennkraftmaschine nachgeschalteten Abgasnachbehandlungseinrichtungen zu überwachen. Hierbei werden in der Regel die Hauptfunktionen der einzelnen Abgasnachbehandlungseinrichtungen überwacht und Fehler diagnostiziert.
  • So wird beispielsweise die Alterung eines Oxidationskatalysators überwacht, um sicherzugehen, dass der Oxidationskatalysator seine Hauptfunktion, nämlich die Konvertierung von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxiden, ausreichend erfüllt. Oxidationskatalysatoren weisen in Abhängigkeit vom Alterungsgrad eine bestimmte Light-Off-Temperatur als Katalysator-Anspringtemperatur auf, bei der ein bestimmter vorgegebener Anteil der im Abgas vorhandenen Schadstoffe vom Oxidationskatalysator konvertiert werden. Üblicherweise beträgt der vorgegebene Anteil 50%. Bestehende On-Board-Diagnose-Systeme sind heutzutage in der Lage, die Light-Off-Temperatur im Fahrbetrieb zu ermitteln. Es wird beispielhaft auf die Druckschrift DE 10 2004 004 244 A1 verwiesen, die ein Verfahren zur Ermittlung der Light-Off-Temperatur beschriebt.
  • Der Alterungsgrad eines Oxidationskatalysators kann auch auf anderem Wege ermittelt beziehungsweise angenähert ermittelt werden. So offenbart DE 10 2008 004 222 A1 ein Verfahren zur Bestimmung eines Alterungsfaktors eines Oxidationskatalysators, bei dem ein Temperaturmodell herangezogen wird. Dem Temperaturmodell liegt die Kenntnis zu Grunde, dass die Alterungsgeschwindigkeit eines Oxidationskatalysators mit steigender Temperatur zunimmt. Demnach wird die Alterungsgeschwindigkeit bestimmt und durch Integration aufsummiert, woraus ein Alterungsgrad des Oxidationskatalysators bestimmt wird.
  • Zukünftig soll es neben der Überwachung und Diagnose der Hauptfunktionen von Abgasnachbehandlungseinrichtungen auch eine Überwachung der Abgasnachbehandlungseinrichtungen hinsichtlich der Produktion und Generierung von weiteren Schadstoffbestandteilen geben. So soll unter anderem die NO2-Generierung in einem Oxidationskatalysator überwacht werden. In der DE 10 2008 004 222 A1 wird die NO2-Konzentration hinter einem Oxidationskatalysator bereits dadurch bestimmt, dass das Temperaturmodell wie vorangehend beschrieben herangezogen wird, um anhand des Alterungsgrades des Oxidationskatalysators auf die Konvertierungsrate von NO zu NO2 abschätzen zu können. Hierfür ist jedoch die Bestimmung des Alterungsgrades des Oxidationskatalysators anhand des aufwendigen Temperaturmodells erforderlich.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die hinter einer katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung vorhandene NO2-Konzentration im Abgas auf einfacher Weise zu ermitteln.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Ermittlung der NO2-Konzentration hinter einer katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung in einem Abgasnachbehandlungssystems einer Brennkraftmaschine mittels eines NO2-Bildungsmodells, welches Betriebskenngrößen des Abgasnachbehandlungssystems und eine Alterungskenngröße der katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung berücksichtigt, wobei zur Bestimmung der Alterungskenngröße das HC/CO-Umsetzungsverhalten der katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung ermittelt wird und hieraus auf das NO2-Umsetzungsverhalten geschlossen wird, gelöst.
  • Das Verfahren greift somit auf das HC/CO-Umsetzungsverhalten der katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung zurück, welches bereits durch bestehende On-Board-Diagnose-Systeme festgestellt werden kann, wie beispielsweise durch Feststellung der Light-Off-Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung. Es ist kein separates Berechnungsmodell für die Bestimmung des Alterungsgrades der katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung erforderlich.
  • Zur Ermittlung des HC-Umsetzungsverhalten der katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung kann z.B. eine Nacheinspritzung der Brennkraftmaschine vorgenommen werden, woraufhin das Temperaturanwortverhalten der katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung bestimmt wird.
  • Hierbei kann die Nacheinspritzung vorgenommen werden, wenn die Temperatur der katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung in etwa der Light-Off-Temperatur im Neuzustand der katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung entspricht.
  • Das HC/CO-Umsetzungsverhalten der katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung wird zum NO2-Umsetzungsverhalten korreliert wird, um die Alterungskenngröße zu bestimmen.
  • Hierbei ist das NO2-Umsetzungsverhalten vorzugsweise in zumindest einem Katalysatorkennfeld hinterlegt. Für neuwertige und gealterte katalytische Abgasnachbehandlungseinrichtungen können unterschiedliche Katalysatorkennfelder vorgesehen sein.
  • Als Betriebskenngrößen des Abgasnachbehandlungssystems werden insbesondere die Temperatur, der Massestrom, die Raumgeschwindigkeit und/oder die HC/CO-Emission vor der katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung bestimmt.
  • Das Verfahren lässt sich insbesondere bei der Ermittlung der NO2-Konzentration hinter einem Diesel-Oxidationskatalysator (DOC) einsetzen.
  • Die Bestimmung des erzeugten NO2-Anteils an einer Gesamtmenge an Stickoxiden, insbesondere das Verhältnis von NO2 zu NOX hinter der katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung kann auch dann von Bedeutung sein, wenn nach der katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung, zum Beispiel einem DOC oder einem DOC mit nachgeschaltetem Dieselpartikelfilter, ein Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Katalysator) eingesetzt wird. Die Umsetzungseffektivität eines SCR-Katalysators ist im erheblichen Maße von NO2/NOX-Verhältnis vor dem SCR-Katalysator abhängig. Dies sollte möglichst 50 % betragen. Daher ist die Bestimmung des NO2/NOX-Verhältnisses hinter der katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung von besonderer Bedeutung.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Hierin zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Abgasstrangs eines Kraftfahrzeuges,
  • 2 den schematischen Verlauf der HC-Konzentration innerhalb eines DOC über die Länge,
  • 3 den schematischen Verlauf der NO2- Konzentration innerhalb des DOC über die Länge und
  • 4 Messergebnisse für zwei verschiedene Oxidationskatalysatoren hinsichtlich des maximalen NO2/NOX-Verhältnisses in Abhängigkeit der Licht-Off-Temperatur.
  • 1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Lufteinlass 2, in dem Luft in Richtung des Pfeils 3 der Brennkraftmaschine 1 zugeführt wird. Ferner wir der Brennkraftmaschine 1 Kraftstoff zugeführt (schematisch dargestellt durch Pfeil 4). Über eine Abgasleitung 5 wird das Abgas aus der Brennkraftmaschine 1 einer katalytischen beziehungsweise oxidierenden Abgasnachbehandlungseinrichtung 6, hier beispielsweise ein DOC, zugeführt. Nach Durchströmen des DOC 6 wird über eine weitere Abgasleitung 7 das Abgas zur weiteren Abgasnachbehandlungseinrichtung, wie zum Beispiel einem Dieselpartikelfilter oder ein SCR-Katalysator, zugeführt.
  • 2 zeigt schematisch den Verlauf der Konzentration an Kohlenwasserstoffen (HC) innerhalb des Oxidationskatalysators über dessen Länge. Der Verlauf der HC-Konzentration ist einmal für einen neuwertigen Oxidationskatalysator (durchgezogene Linie) und einmal für einen gealterten Oxidationskatalysator (gestrichelte Linie) dargestellt. Bei einem neuwertigen Oxidationskatalysator findet im Anfangsbereich desselben, das heißt in einem Bereich kurz hinter dem Einlass zum Oxidationskatalysator, eine hohe Konvertierung von Kohlenwasserstoffen statt, so dass die Konzentration an Kohlenwasserstoffen über einen kurzen Bereich stark abnimmt. Bei einem gealterten Oxidationskatalysator nimmt die Kurve nicht so stark ab. Hier wird aufgrund der abnehmenden Effektivität der katalytischen Beschichtung des Oxidationskatalysators die Oxidation von Kohlenwasserstoffen über einen längeren Bereich gestreckt.
  • 3 zeigt die NO2-Konzentration innerhalb eines Oxidationskatalysators über dessen Länge einmal für einen neuwertigen Oxidationskatalysator (durchgezogenen Linie) und einmal für einen gealterten Oxidationskatalysator (gestrichelte Linie). Hier ist zu erkennen, dass die NO2-Konzentration im Anfangsbereich des Oxidationskatalysators deutlich abnimmt, da der NO2-Anteil im Abgas als Oxidationsmittel zur Oxidierung von Kohlenwasserstoffen dient. Sobald, bezogen auf die Länge des Oxidationskatalysators, die Konzentration an Kohlenwasserstoffen abgenommen hat, beginnt der Oxidationskatalysator NO zu NO2 zu oxidieren, so dass NO2 generiert wird und die NO2-Konzentration im DOC zum Ende desselben zunimmt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn es sich um einen mager betriebenen Motor, wie einem Dieselmotor, handelt, bei dem ein Sauerstoffüberschuss im Abgas vorhanden ist.
  • Bei einem gealterten Oxidationskatalysator werden die Kohlenwasserstoffe über eine größere Länge des Oxidationskatalysators umgesetzt, so dass auch der NO2-Anteil im Abgas über eine größere Länge des Oxidationskatalysators als Oxidationsmittel dient. Die Produktion von NO2 findet daher erst weiter stromab innerhalb des Oxidationskatalysators statt, so dass am Auslass des Oxidationskatalysators im gealterten Zustand eine geringere NO2-Konzentration vorherrscht als bei einem neuwertigen Oxidationskatalysator. Der Alterungszustand des Oxidationskatalysators kann maßgeblich durch die Light-Off-Temperatur angegeben werden, welche ein Grad für die Konvertierung von Kohlenwasserstoffen ist, beziehungsweise welche angibt, bei welcher Temperatur mindestens 50 % der Kohlenwasserstoffe umgesetzt werden. Hieraus lässt sich dann auch auf die NO2-Produktion innerhalb des Oxidationskatalysators schließen.
  • 4 zeigt Messwerte für das NO2/NOX-Verhältnis über der T50 Light-Off-Temperatur. T50 Light-Off-Temperatur ist die Temperatur, bei der 50 % der Kohlenwasserstoffe (HC) im Oxidationskatalysator umgesetzt werden. Man erkennt, dass mit zunehmender Light-Off-Temperatur das NO2/NOX-Verhältnis abnimmt, also weniger NO2 im Oxidationskatalysator generiert wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennkraftmaschine
    2
    Lufteinlass
    3
    Lufteinlassrichtung
    4
    Kraftstoffzufuhr
    5
    Abgasleitung
    6
    katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung
    7
    Abgasleitung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102004004244 A1 [0003]
    • DE 102008004222 A1 [0004, 0005]

Claims (9)

  1. Verfahren zur Ermittlung der NO2-Konzentration hinter einer katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) in einem Abgasnachbehandlungssystems einer Brennkraftmaschine (1) mittels eines NO2-Bildungsmodells, welches Betriebskenngrößen des Abgasnachbehandlungssystems und eine Alterungskenngröße der katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) berücksichtigt, wobei zur Bestimmung der Alterungskenngröße das HC/CO-Umsetzungsverhalten der katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) ermittelt wird und hieraus auf das NO2-Umsetzungsverhalten geschlossen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des HC-Umsetzungsverhalten der katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) eine Nacheinspritzung der Brennkraftmaschine (1) vorgenommen wird und das Temperaturanwortverhalten der katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nacheinspritzung vorgenommen wird, wenn die Temperatur der katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) in etwa der Light-Off-Temperatur im Neuzustand der katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) entspricht.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des HC-Umsetzungsverhaltens der katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) die Light-Off-Temperatur bestimmt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das HC/CO-Umsetzungsverhalten der katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) zum NO2-Umsetzungsverhalten korreliert wird, um die Alterungskenngröße zu bestimmen.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das NO2-Umsetzungsverhalten in zumindest einem Katalysatorkennfeld hinterlegt ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für neuwertige und gealterte katalytische Abgasnachbehandlungseinrichtungen (6) unterschiedliche Katalysatorkennfelder vorgesehen sind.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebskenngrößen des Abgasnachbehandlungssystems Temperatur, Massestrom, Raumgeschwindigkeit und/oder HC/CO-Emission vor der katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) bestimmt werden.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) ein Diesel-Oxidationskatalysator (DOC) ist.
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