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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines SCR-Katalysators. Weiterhin betrifft sie ein Computerprogramm, das alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Steuergerät oder Rechengerät abläuft. Schließlich betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist zur Durchführung des Verfahrens, wenn das Programm auf einem Steuergerät oder Rechengerät ausgeführt wird.
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Stand der Technik Um die immer strengeren Absatzgesetzgebungen (Euro6, Tier2Bin5 und weiterführende Emissionsvorschriften) zu erfüllen, ist es notwendig, Stickstoffoxide bzw. Stickoxide (NOx) im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Dieselmotoren, zu verringern. Hierzu ist bekannt, im Abgasbereich von Verbrennungskraftmaschinen einen SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction) anzuordnen, der im Abgas der Verbrennungskraftmaschine enthaltene Stickoxide in Gegenwart eines Reduktionsmittels zu Stickstoff reduziert. Hierdurch kann der Anteil von Stickoxiden im Abgas erheblich verringert werden. Bei Ablauf der Reduktion wird Ammoniak (NH3) benötigt, das dem Abgas zugemischt wird. Daher werden NH3 bzw. NH3-abspaltende Reagenzien in den Abgasstrang eindosiert. In der Regel wird hierfür eine wässrige Harnstofflösung (HWL = Harnstoffwasserlösung) verwendet, die vor dem SCR-Katalysator im Abgasstrang eingespritzt wird. Aus dieser Lösung bildet sich Ammoniak, das als Reduktionsmittel wirkt. Eine 32,5%ige wässrige Harnstofflösung ist unter dem Markennamen AdBlue® kommerziell erhältlich.
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SCR-Katalysatoren ändern im Laufe der Zeit ihre Eigenschaften. Das maximale Ammoniakspeichervermögen verringert sich und die NO
x-Umsatzfähigkeit kann schlechter werden. Weitere Eigenschaften, wie beispielsweise die Umsatzabhängigkeit vom NO
2/NOx-Verhältnis können sich ebenfalls ändern. Deshalb ist es bekannt, bei der Prozessführung eines SCR-Prozesses, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, den Alterungszustand in der Steuerung und Regelung explizit zu berücksichtigen. Der Alterungszustand selbst wird üblicherweise in Abhängigkeit der Kilometerleistung, der Betriebszeit und der thermischen Belastung modelliert. Des Weiteren ist eine Überwachungsstrategie bekannt, die die Ammoniakspeicherfähigkeit des SCR-Katalysators als Merkmal nutzt. Dies wird beispielsweise in der
DE 10 2007 040 439 A1 beschrieben. Die Ammoniakspeicherfähigkeit des SCR-Katalysators wird dabei als Merkmal für eine Alterung oder Schädigung des Katalysators verwendet. Bei dieser Strategie wird der SCR-Katalysator zunächst durch überstöchiometrische Reduktionsmitteldosierung (Überdosierung) bis zur maximal erreichbaren Ammoniakspeicherfähigkeit mit Ammoniak befüllt, um einen definierten Ausgangspunkt für die Diagnose zu erreichen. Das Erreichen der maximalen Speicherfähigkeit wird durch das Auftreten von Ammoniak stromabwärts des SCR-Katalysators erkannt, d. h. den sogenannten NH
3-Schlupf, der aufgrund der Querempfindlichkeit eines NO
x-Sensors für Ammoniak indirekt in Form eines vermeintlichen Einbruchs der Stickoxidkonvertierungsrate messbar ist. Anschließend wird die Reduktionsmitteldosierung gegenüber der Normaldosierung vermindert (Unterdosierung) oder komplett ausgeschaltet, sodass die gespeicherte Ammoniakmasse durch Stickoxidreduktion allmählich wieder abgebaut wird (Entleertest). Durch die Ermittlung des SCR-Wirkungsgrades oder anderen von der Stickoxidkonvertierungsrate abhängigen Werte während des Entleertests kann die nutzbare Ammoniakspeicherfähigkeit eines SCR-Katalysators indirekt ermittelt werden, da bei geringerer gespeicherter Ammoniakmasse eine geringere Stickoxidmasse an der Katalysatoroberfläche konvertiert werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines SCR-Katalysators umfasst das Ermitteln eines Korrekturwertes, welcher den Alterungszustand eines SCR-Katalysators darstellt und das Eindosieren einer Reduktionsmittellösung in den SCR-Katalysator, wobei die Dosiermengen in Abhängigkeit von dem Korrekturwert bestimmt wird. Der Korrekturwert stellt einen kontinuierlichen Wert dar, welcher einen Alterungszustand des SCR-Katalysators repräsentiert. Dadurch ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren die Eindosierung einer Reduktionsmittellösung in SCR-Katalysator an dessen Alterungszustand anzupassen. Dies stellt eine Verbesserung gegenüber den bekannten Diagnoseverfahren dar, welche nur zwischen einem funktionierenden und einem nicht erwartungsgemäß funktionierenden SCR-Katalysator unterscheiden, um dann gegebenenfalls einen Fehlereintrag in einem On-Board-Diagnosesystem (OBD) erzeugen zu können. Insbesondere ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, die Systemrobustheit zu erhöhen, indem das SCR-Katalysatorsystem den Alterungszustand des SCR-Katalysators immer wieder einlernt. Somit wird das SCR-Katalysatorsystem immer optimal betrieben, auch dann, wenn ein SCR-Katalysator ausgetauscht wurde oder EEPROM-Werte im Katalysatorsteuergerät verloren gegangen sind. Stickoxidemissionen und Ammoniakschlupf werden auf diese Weise soweit wie möglich vermieden.
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Der Korrekturwert kann erfindungsgemäß auf verschiedene Weisen ermittelt werden. Eine Alternative besteht darin, abzuwarten, bis eine aktive SCR-Katalysatordiagnose durchgeführt wird. Der Korrekturwert wird dann nach Abschluss der aktiven Diagnose des SCR-Katalysators ermittelt, wobei der Korrekturwert aus bei der aktiven Diagnose bestimmten Parametern des SCR-Katalysators ermittelt wird. Als Parameter können beispielsweise der maximale Reduktionsmittelfüllstand des SCR-Katalysators bei Schlupfbeginn oder der Umsatz in der Entleerungsphase herangezogen werden und in einen Alterungsfaktor als Korrekturwert umgewandelt werden. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass der maximale Reduktionsmittelfüllstand über eine Kennlinie in einen Alterungsfaktor umgewandelt wird. Alternativ können einer Korrelation des Korrekturwerts gegen mindestens zwei Parameter Kennfelder entsprechender Dimensionen eingesetzt werden. Es ist aber erfindungsgemäß auch möglich, dass der maximal mögliche SCR-Katalysatorfüllstand als einziger Parameter verwendet wird, da die Alterung des SCR-Katalysators hauptsächlich den Füllstand betrifft.
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Alternativ bestehen erfindungsgemäß mehrere Möglichkeiten, den Korrekturwert passiv ohne wesentlichen Eingriff in die Dosiermenge des Reduktionsmittels zu ermitteln, sodass eine Emissionsverschlechterung bzw. ein erhöhter Reduktionsmittelverbrauch aufgrund der aktiven Diagnose vermieden wird. So ist es erfindungsgemäß möglich, dass während des normalen Betriebes des SCR-Katalysators Diagnosebetriebszustände des SCR-Katalysators ermittelt werden, welche im Wesentlichen Betriebszuständen während einer aktiven Diagnose des SCR-Katalysators entsprechen (OBD-ähnliche Betriebszustände). Der Korrekturwert wird dann aus Parametern des SCR-Katalysators ermittelt, die in diesen Diagnosebetriebszuständen ermittelt werden. Diagnosebetriebszustände treten insbesondere dann auf, wenn ein Wechsel aus einer Phase unterstöchiometrischer Reduktionsmitteldosierung, insbesondere bei einem Reduktionsmittelfüllstand des SCR-Katalysators von weniger als 10% des maximal möglichen Reduktionsmittelfüllstandes, beispielsweise bei einer SCR-Adaption, der Regeneration eines katalytisch beschichteten Dieselrußpartikelfilters (DPF-Regeneration) oder bei einem niedrigen erforderlichen Zielwirkungsgrad oder einer Phase thermischen Reduktionsmittelfüllstandsabbaus des SCR-Katalysators in eine Phase eines höheren Reduktionsmittelzielfüllstandes gewechselt wird, insbesondere in eine Phase hohen Reduktionsmittelzielfüllstandes, so dass sich eine lange Wiederbefüllungsphase des SCR-Katalysators ausprägt. Unter einem hohen Reduktionsmittelzielfüllstand wird erfindungsgemäß ein Zielfüllstand verstanden, der mindestens 50% des maximal möglichen Reduktionsmittelfüllstandes des SCR-Katalysators beträgt. In diesem Fall muss der SCR-Katalysator erneut mit Ammoniak befüllt werden. Es kommt zu einem ähnlichen Systemverhalten wie bei einer aktiven Diagnose. Die Ermittlung des Korrekturwertes kann dann in derselben Weise erfolgen wie bei der Ermittlung des Korrekturwertes aus den Parametern einer aktiven SCR-Katalysatordiagnose.
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Weiterhin ist es erfindungsgemäß möglich, zur Bestimmung des Korrekturwerts den Betrieb des SCR-Katalysators in zwei Phasen aufzuteilen. In einer ersten Phase des Betriebs des SCR-Katalysators wird ein Modell für einen NOx-Gehalt eines Abgases an einem Messpunkt, welcher sich in einem Abgassystem stromabwärts des SCR-Katalysators befindet, mit dem Signal eines NOx-Sensors an diesem Punkt abgeglichen. In der ersten Phase sollte erfindungsgemäß insbesondere eine hohe Sicherheit bezüglich des Reduktionsmittelfüllstandes des SCR-Katalysators bestehen und der SCR-Katalysator sollte aus einem relativ niedrigen Füllstand heraus wieder befüllt werden. Der Eintritt in die erste Phase kann beispielsweise erfolgen nachdem die Temperatur im SCR-Katalysator mindestens 350°C betrug und damit der Reduktionsmittelspeicher beispielsweise zu weniger als 20 % des maximal möglichen Füllstandes mit Reduktionsmittel befüllt war, nach einer DPF-Regeneration oder nach einer Phase unterstöchiometrischer Dosierung. In dieser Phase können auch weitere Größen abgefragt werden, die für den NOx-Umsatz des SCR-Katalysators relevant sind, um zu prüfen, ob das Modell die tatsächlichen Gegebenheiten abbildet. Solche weiteren relevanten Parameter sind beispielsweise der Abgasmassenstrom oder -volumenstrom, die Abgasraumgeschwindigkeit, die Temperatur des SCR-Katalysators, die HC-Beladung des SCR-Katalysators, die Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators oder sein Status (beispielsweise, ob aktive Verfahren wie beispielsweise eine Adaption oder eine aktive Diagnose durchgeführt werden). Optional werden einzelne dieser Größen auch auf ihre Stationärität und ihre Steigung hin geprüft. Die erste Phase kann dann genutzt werden, um eine Systemunsicherheit zu identifizieren und zu adaptieren. In der zweiten Phase des Betriebs des SCR-Katalysators, in welcher ein Ammoniakschlupf des SCR-Katalysators erfolgt, wird ein Ammoniakschlupfwert berechnet, indem die Summe aus einem modellierten Ammoniakgehalt und einem modellierten Stickoxidgehalt des Abgases an dem Messpunkt gebildet wird und von dieser Summe der von dem Stickoxidsensor gemessene scheinbare Stickoxidgehalt, d. h. die Summe aus NOx-Gehalt und Reduktionsmittelgehalt, des Abgases subtrahiert wird. Insbesondere wenn mindestens über ein im Steuergerät des SCR-Katalysatorsystems hinterlegbaren Zeitraum lang Schlupfbedingungen anlagen, kann aufgrund des Ammoniakschlupfwertes eine Entscheidung darüber gefällt werden, ob das SCR-Katalysatorsystem stärker oder schwächer als angenommen gealtert ist. Der Korrekturwert wird dann erfindungsgemäß durch zeitliche Integration des Ammoniakschlupfwertes ermittelt. Ist das Integral negativ, so kommt es zu einem stärkeren Schlupf als erwartet, d. h. der SCR-Katalysator ist stärker gealtert als erwartet. Liegen die Stickoxidemissionen niedriger als erwartet, so ist die Fläche zwischen Modell und Messung positiv und der Katalysator ist nicht so stark gealtert wie erwartet. Abhängig von dem ermittelten Integral kann dann der Korrekturwert ermittelt werden.
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Insbesondere bei SCR-Katalysatoren, die ihr Verhalten bezüglich des Ammoniakschlupfes und bezüglich des Stickoxidumsatzes stark ändern, ist es bevorzugt, dass in der zweiten Phase anstelle eines Ammoniakschlupfwertes ein erster Prüfwert und ein zweiter Prüfwert berechnet werden. Der erste Prüfwert wird berechnet, indem die Summe aus einem ersten modellierten Ammoniakgehalt und einem ersten modellierten Stickoxidgehalt des Abgases an dem Messpunkt gebildet wird und der zweite Prüfwert wird berechnet, indem die Summe aus einem zweiten modellierten Ammoniakgehalt und dem zweiten modellierten Stickoxidgehalt des Abgases an dem Messpunkt gebildet wird. Der erste modellierte Ammoniakgehalt entspricht dabei der Emission eines älteren SCR-Katalysators und der zweite modellierte Ammoniakgehalt entspricht der Emission eines neueren SCR-Katalysators. Der Korrekturwert wird dann ermittelt, indem von dem NOx-Sensor der scheinbare NOx-Gehalt des Abgases, d. h. die Summe aus NOx-Gehalt und Reduktionsmittelgehalt, gemessen wird und jeweils die Differenz zwischen dem gemessenen scheinbaren NOx-Gehalt und jedem der beiden Prüfwerte berechnet wird. Dadurch kann bestimmt werden, welchem der beiden Modelle der Verlauf des gemessenen Stickoxidwertes am meisten ähnelt. Alternativ kann auch das Quadrat der Differenz als Kriterium zur Ermittlung des Korrekturwertes herangezogen werden.
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Es ist bevorzugt, dass der Korrekturwert bei mehrmaligem Durchlaufen der ersten Phase und der zweiten Phase inkrementell ermittelt wird. Mit jedem erfolgreichen Durchlaufen der ersten Phase und der zweiten Phase kann somit eine schrittweise Anpassung des Korrekturwerts erfolgen. Der Korrekturwert konvergiert somit langsam und robust gegen einen Wert, der dem wahren Alterungszustand des SCR-Katalysators entspricht. Werden die erste Phase und die Phase nicht hintereinander oder nicht lange genug erkannt, so erfolgt erfindungsgemäß vorzugsweise kein Inkrement, das heißt, der bisherige Korrekturwert wird beibehalten. Der Absolutwert des so ermittelten Korrekturwertes wird vorzugsweise in Abhängigkeit des Kilometerstandes des modellierten Alters des SCR-Katalysators und der Betriebszeit begrenzt. Ebenso wird erfindungsgemäß bevorzugt, das maximale Inkrement begrenzt. Weiterhin ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass als weitere Parameter zur Ermittlung des Korrekturwertes eine erwartete Streuung bei der Bestimmung des Ammoniakschlupfwertes bzw. bei der Bestimmung der beiden Prüfwerte herangezogen wird, um die Schrittweite des Inkrements zu beeinflussen. Diese Streuung kann beispielsweise über ein Temperaturband oder über ein Massenstromband oder ein NOx-Rohemissionsband in der ersten Phase und in der zweiten Phase charakterisiert werden.
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Weiterhin ist es erfindungsgemäß möglich, den Korrekturwert aus der NOx-Umsatz-Effizienz des SCR-Katalysators zu ermitteln. Der scheinbare NOx-Umsatzeffizienzeinbruch durch den Ammoniakschlupf kann dabei beispielsweise durch Auswertung von Gradienten erkannt werden.
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Das erfindungsgemäße Computerprogramm kann alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführen, wenn es auf einem Steuergerät oder Rechengerät abläuft. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren in ein bestehendes SCR-Katalysatorsystem implementiert werden, ohne dazu bauliche Veränderungen an dem System vornehmen zu müssen. Hierzu ermöglicht das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Programm auf einem Steuergerät oder Rechengerät ausgeführt wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 zeigt die modellierte Summe aus Stickoxid und Ammoniakkonzentration im Abgas, welches einen SCR-Katalysator verlässt für SCR-Katalysatoren in drei verschiedenen Alterungszuständen sowie die dazugehörigen Reduktionsmittelbefüllungsgrade der drei SCR-Katalysatoren.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt beispielhaft den NH3-Befüllvorgang eines SCR-Katalysators. Dargestellt ist der erwartete modellierte Verlauf M0 sowie der Verlauf M1, wenn der SCR-Katalysator stärker gealtert ist als erwartet und der Verlauf M2, wenn der Katalysator nicht so stark gealtert ist wie erwartet. In einer ersten Phase P1 des SCR-Katalysatorbetriebs, in der eine Befüllung des Katalysators mit Ammoniak stattfindet, sinken die gemessenen NOx-Emissionen in allen drei Fällen. Hat der SCR-Katalysator eine bestimmte NH3-Befüllung erreicht, kommt es in einer zweiten Phase P2 zu einem Ammoniakschlupf, sodass die Stickoxidumsatzeffizienz η, die im unteren Diagramm der 1, dargestellt ist, scheinbar sinkt, weil ein NOx-Sensor, welcher stromabwärts des SCR-Katalysators angeordnet ist, die Summe aus NOx und NH3 misst. Bei einem stärker gealterten SCR-Katalysator gemäß dem Modell M1 erfolgt dieser Ammoniakdruchbruch früher und in stärkerem Maße.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in der ersten Phase P1 des Betriebs des SCR-Katalysators ein Modell für den NOx-Gehalt des Abgases an einem Messpunkt, an welchem sich im Abgassystem stromabwärts des SCR-Katalysators ein NOx-Sensor befindet, mit dem Signal des NOx-Sensors abgeglichen. Diese Abgleichung des Modells ist in der Phase P1 möglich, weil hier noch kein Ammoniakschlupf vorliegt. In der zweiten Phase P2 des Betriebs des SCR-Katalysators, in welcher ein Ammoniakschlupf erfolgt, wird dann die Summe aus NOx und NH3-Konzentration gemäß dem Modell M1 als erster Prüfwert verwendet und die Summe gemäß dem Modell M2 wird als zweiter Prüfwert verwendet. Der von dem NOx-Sensor gemessene Signalwert, welcher die Summe aus Stickoxiden und Ammoniak abbildet, wird dann mit den beiden modellierten Prüfwerten verglichen. Je nachdem, welchem Prüfwert der gemessene Wert am meisten ähnelt, das heißt, je nachdem, welcher Betrag einer Differenz zwischen dem Prüfwert und dem gemessenen Wert am geringsten ist, wird dann ein Korrekturwert inkrementell an den entsprechenden Alterungszustand des SCR-Katalysators angepasst. Durch mehrmalige Wiederholung der beiden Phasen P1 und P2 konvergiert der Korrekturwert schließlich gegen einen Wert, welcher den Alterungszustand des SCR-Katalysators abbildet. Beim Eindosieren einer Reduktionsmittellösung in den SCR-Katalysator wird die Dosiermenge dann in Abhängigkeit von dem Korrekturwert bestimmt. Auf diese Weise werden Stickoxidemissionen und Ammoniakschlupf beim Betrieb des SCR-Katalysators so weit wie möglich vermieden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007040439 A1 [0003]
