DE102011087082B4

DE102011087082B4 - Verfahren zum Betreiben eines SCRF-Katalysatorsystems

Info

Publication number: DE102011087082B4
Application number: DE102011087082.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Fritsch; Matthias Burger; Bruno Zeyer; Hartmut Lueders
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2022-12-22
Anticipated expiration: 2031-11-26
Also published as: DE102011087082A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines SCR-Katalysatorsystems in einem Abgasstrang, welches einen SCRF-Katalysator (2) umfasst, wobei- aus einem Volumen Vades SCRF-Katalysators (2), in welches Asche (3) eingelagert ist, ein Faktor f berechnet wird, und- bei Anforderung einer Reduktionsmitteldosierung durch den SCRF-Katalysator (2) die einzudosierende Reduktionsmittelmenge durch den Faktor f modifiziert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines SCRF-Katalysatorsystems. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät abläuft. Schließlich betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist zur, Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Programm auf einem Rechengerät oder Steuergerät ausgeführt wird.
Stand der Technik
Um die immer strengeren Absatzgesetzgebungen (Euro6, Tier2Bin5 und weiterführende Emissionsvorschriften) zu erfüllen, ist es notwendig, Stickstoffoxide bzw. Stickoxide (NO_x) 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. Um in einem SCR-Katalysatorsystem hohe Umsatzraten der zu reduzierenden Stickoxide zu erzielen, muss der SCR-Katalysator so betrieben werden, dass er ständig bis zu einem gewissen Niveau mit dem Reduktionsmittel Ammoniak befüllt ist.
Zum kostengünstigen und wirkungsgradoptimalen Einsatz von SCR-Katalysatorsystemen werden sogenannte SCRF-Systeme verwendet (SCR on filter). Dabei handelt es sich um einen Partikelfilter auf dessen Oberfläche eine SCR-Beschichtung aufgebracht ist. In der DE 10 323 607 A1 ist der Aufbau eines solchen Systems beschrieben. Derartige Systeme werden bisher im Wesentlichen genauso betrieben wie herkömmliche SCR-Katalysatorsysteme. Aufgrund der Partikelfilterfunktion des SCRF-Katalysators lagert sich in diesem allerdings im Verlauf der Zeit Asche ein, welche einen Teil der Katalysatoroberfläche bedeckt. Ein Teil des einlassseitigen Volumens des SCRF-Katalysators trägt daher weniger zur Stickoxidreduktion bei oder geht für die SCR-Reaktion sogar ganz verloren, da es nicht oder kaum mehr von Abgas durchströmt wird. Somit steht die in diesem Bereich aufgebrachte SCR-Beschichtung der SCR-Reaktion nicht mehr oder nur zu einem geringen Teil zur Verfügung. Wenn der SCRF-Katalysator eine Reduktionsmittelmenge anfordert, deren Eindosierung zu einer nahezu vollständigen Befüllung des SCRF-Katalysators führen würde, kann es bei einem bereits teilweise veraschten SCRF-Katalysator zum Ammoniakschlupf kommen, da die Katalysatoroberfläche nicht mehr ausreicht, um das eindosierte Ammoniak zu binden. Weiterhin sinkt durch die Veraschung die Stickoxidumsatzrate des SCRF-Katalysators, was in herkömmlichen Prozessführungen nicht berücksichtigt wird.
In der WO 2011/ 128 026 A1 wird ein Dieselpartikelfilter vorgestellt, das ein keramisches -Wandflußfiltersubstrat und zwei Beschichtungen umfasst. Die erste, in den Anströmkanälen aufgebrachte Beschichtung aus hochschmelzendem Material ist so beschaffen, daß sie die die Anströmkanäle und Abströmkanäle verbindenden Poren in der Wand anströmseitig für Rußpartikel verschließt, ohne dabei den Durchtritt der gasförmigen Abgasbestandteile zu verhindern. Die zweite Beschichtung ist in die Wand zwischen Anströmkanälen und Abströmkanälen eingebracht und so beschaffen, dass sie die selektive Reduktion von Stickoxiden mit einem Reduktionsmittel wirksam katalysieren kann. Das resultierende Bauteil ist ein SCR-katalytisch aktives Partikelfilter und zeigt hervorragende Staudruckeigenschaften bei hoher Filtrationseffizienz und guten Regenerationseigenschaften. Desweiteren zeigt das Bauteil eine gute Alterungsstabilität der NOx-Konvertierungsaktivität.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines SCRF-Katalysatorsystems ermöglicht den Betrieb eines SCR-Katalysatorsystems in einem Abgasstrang, welches einen SCRF-Katalysator umfasst. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird aus dem Volumen V_a des SCRF-Katalysators, in welchem Asche eingelagert ist, ein Faktor f berechnet und bei Anforderung einer Reduktionsmitteldosierung im SCRF-Katalysator wird die einzudosierende Reduktionsmittelmenge durch den Faktor f modifiziert.
Es ist für herkömmliche Partikelfilter in Abgasnachbehandlungssystemen bekannt, die Aschebeladung zu ermitteln. Asche besteht aus Stoffen die bei der Regeneration des Filters nicht verbrennen und somit den Filter nach und nach füllen. Die US 2007 0144 152 A1 beschreibt beispielsweise wie auf Basis des Ölverbrauchs einer Verbrennungskraftmaschine die Aschemenge im Partikelfilter in einem Abgasnachbehandlungssystem der Verbrennungskraftmaschine ermittelt werden kann. Es sind auch Methoden bekannt die die Aschemenge auf Basis des Kraftstoffverbrauchs, der Betriebsstunden, der Gesamtkilometerleistung oder ähnlicher Parameter der Verbrennungskraftmaschine schätzen. Weiterhin ist es möglich, auf Basis des Differenzdrucks bei leerem Filter nach einer effektiven Regeneration des Partikelfilters die Aschemasse zu erkennen oder die geschätzte Aschemasse zu korrigieren. Diese Verfahren, die für herkömmliche Partikelfilter bekannt sind, werden auch auf SCRF-Partikelfilter angewandt. Das Aschevolumen wird im Steuergerät von Verbrennungskraftmaschinen mit Abgasnachbehandlungssystemen hinterlegt und kann zur Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren aus diesen ausgelesen werden.
Der Faktor f wird bevorzugt als Volumenverringerung des katalytisch aktiven Volumens des SCRF-Katalysators ausgedrückt. Er berechnet sich in diesem Fall nach Formel 1: $f = 1 - \frac{V_{a}}{V_{ges}}$
V_ges ist das Gasvolumen das von dem unveraschten SCRF-Katalysator aufgenommen werden kann. Dieses Volumen V_ges, welches der SCR-Reaktion im unveraschten SCRF-Katalysator zur Verfügung steht, wird im Folgenden als Gesamtvolumen bezeichnet. Um abzubilden, dass die Asche nicht vollständig dicht hinten im Filter gepackt liegt und somit nur eine teilweise Verblockung der katalytisch aktiven Katalysatoroberfläche besteht, ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass der Faktor f über einen applizierbaren Korrekturwert multiplikativ und/oder additiv korrigiert wird.
Die maximale Ammoniakspeicherfähigkeit des SCRF-Katalysators nimmt proportional zum Faktor f ab. Daher ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass bei einer Berechnung der einzudosierenden Reduktionsmittelmenge eine bekannte maximale Ammoniakspeicherfähigkeit m(NH₃) des SCRF-Katalysators durch eine modifizierte maximale Ammoniakspeicherfähigkeit m(NH₃)_mod des SCRF-Katalysators gemäß der Formel 2 ersetzt wird: $m {({NH}_{3})}_{mod} = f \cdot m ({NH}_{3})$
Der Ammoniak-Sollfüllstand s(NH₃) des SCRF-Katalysators kann gemäß Formel 3 in der gleichen Weise als Wert m(NH₃)_mod modifiziert werden wie die maximale Ammoniakspeicherfähigkeit des SCRF-Katalysators: $s {({NH}_{3})}_{mod} = f \cdot s ({NH}_{3})$
Um es zu ermöglichen, das veraschte System etwas näher an der Ammoniakschlupfgrenze zu betreiben, ist es hierbei erfindungsgemäß bevorzugt, den Faktor f nochmals über eine Korrekturkennlinie zu korrigieren.
Zur Abbildung des Effekts der SCRF-Katalysatorveraschung auf den Stickoxidumsatz des SCRF-Katalysators ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass bei einer Berechnung der einzudosierenden Reduktionsmittelmenge eine Raumgeschwindigkeit v durch den SCRF-Katalysator strömenden Abgases gemäß der Formel 4 berechnet wird: $v = \frac{\dot{V}}{f \cdot V_{ges}}$
V ist hierbei ein Abgasvolumenstrom der durch den SCRF-Katalysator strömt. Die Verweilzeit der den SCRF-Katalysator durchströmenden Stickoxid- und Ammoniakmoleküle wird bei Veraschung des SCRF-Katalysators durch die Verringerung des durchströmten Volumens kleiner. Damit einher geht eine Verringerung der SCR-Reaktionswahrscheinlichkeit. Je nachdem, wie die NO_x-Umsatzeffizienz in einem Steuergerät abgelegt ist, kann dieser Ascheeinfluss erfindungsgemäß auf unterschiedliche Weise berücksichtigt werden.
Ist eine Stickoxidumsatzmodellierung im Steuergerät als Gleichungssystem in Abhängigkeit von Raumgeschwindigkeit des Abgases, SCR-Reaktionsgeschwindigkeit und NO_x-Eingangskonzentration formuliert, so ist keine weitere Berechnung erforderlich. In diesem Fall kann zur Berechnung der einzudosierenden Reduktionsmittelmenge eine Modellierung des NO_x-Umsatzes des SCRF-Katalysators über eine Differenzialgleichung aus der Raumgeschwindigkeit v erfolgen.
Eine weit verbreitete Modellierung von SCR-Katalysatoren besteht darin, ein Basiskennfeld in Abhängigkeit eines Abgasmassenstroms und der Abgastemperatur zu implementieren, das multiplikativ um Einflüsse von NO₂/NO_x-Verhältnis, NH₃-Beladung, HC-Beladung, etc. korrigiert wird. Diese Korrekturen sind ihrerseits wieder Kennfelder in Abhängigkeit der jeweiligen Größe und des Abgasmassenstroms und/oder der Abgastemperatur. Es ist erfindungsgemäß möglich, zur Berechnung der einzudosierenden Reduktionsmittelmenge eine Modellierung des NO_x-Umsatzes des SCRF-Katalysators über ein Abgasmassenstromkennfeld durchzuführen, wobei der Abgasmassenstrom als Eingangswert durch die Raumgeschwindigkeit v gemäß Formel 4 ersetzt wird. Alternativ ist es auch möglich, ohne Berechnung der Raumgeschwindigkeit v die einzudosierende Reduktionsmittelmenge zu berechnen, indem eine Modellierung des NO_x-Umsatzes des SCRF-Katalysators durch ein Abgasmassenstromkennfeld erfolgt, wobei ein Abgasmassenstrom als Eingangswert mit dem Kehrwert des Faktors f multipliziert wird.
Erfolgt die Stickoxidumsatzmodellierung ortsdiskret, beispielsweise in mehreren Scheiben, so können erfindungsgemäß entsprechend der prozentualen Volumenabnahme des katalytisch aktiven Volumens des SCRF-Katalysators, welche durch den Faktor f ausgedrückt wird, auch Scheiben aus der Modellierung entfernt werden, wenn die Aschebeladung zunimmt. Dabei ist zu beachten, dass die thermische Trägheit des SCRF-Katalysatorsystems nicht mit zunehmender Aschebeladung abnimmt. Aus der Temperaturmodellierung wird folglich keine Scheibe entfernt und die modellierte Temperatur wird dem Stickoxidumsatz am entsprechenden Ort zugeordnet.
Das erfindungsgemäße Computerprogramm kann alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführen, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät abläuft. Dies ermöglicht es, das Verfahren in ein vorhandenes SCRF-Katalysatorsystem zu implementieren, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu kann das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einen maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchführen, wenn das Programm auf einen Rechengerät oder Steuergerät ausgeführt wird.
Figurenliste
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt ein SCRF-Katalysatorsystem, welches mit einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung betrieben werden kann.

Ausführungsbeispiel der Erfindung
1 zeigt ein SCR-Katalysatorsystem, welches einen SCRF-Katalysator umfasst. Stromabwärts einer Verbrennungskraftmaschine 1 ist in einem Abgasstrang ein SCRF-Katalysator 2 angeordnet. Ein Teil des einlassseitigen Volumens des SCRF-Katalysators 2 ist durch Asche 3 befüllt. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des SCRF-Katalysatorsystems gemäß 1 wird aus einem Volumen V_a des SCRF-Katalysators 2 in welchem Asche 3 eingelagert ist und dem Gesamtvolumen V_ges des SCRF-Katalysators 2 ein Faktor f gemäß Formel 1 berechnet. Bei Anforderung einer Reduktionsmitteldosierung durch den SCRF-Katalysator 2 wird die einzudosierende Reduktionsmittelmenge durch den Faktor f modifiziert. Dies geschieht insbesondere dadurch, dass bei einer Berechnung der einzudosierenden Reduktionsmittelmenge eine Modellierung des NO_x-Umsatzes des SCRF-Katalysators aus der Raumgeschwindigkeit des Abgases erfolgt, welches den SCRF-Katalysator durchströmt und welche nach Formel 4 berechnet werden kann. Hierdurch werden gesetzliche Vorschriften eingehalten, die Modellierungsqualität in einem Steuergerät 4 des SCRF-Katalysators 2 steigt, der Stickoxidumsatz wird optimiert, Ammoniakschlupf wird vermieden, das Risiko von unbegründeten Fehlereinträgen in einer On-Board-Diagnose (OBD) wird vermieden, und das SCRF-System kann kostenoptimal aufgebaut werden.
Wenn die Aschemenge im SCRF-Katalysator 2 so groß wird, dass ein Einhalten der gesetzlichen Emissionsstandards nicht mehr möglich ist, so kann ein Betreiber der Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise der Fahrer eines Kraftfahrzeugs, über eine Lampe 5 über diesen Zustand informiert werden und es kann, falls gesetzlich gefordert, ein sogenanntes Inducement-Szenario entsprechend den gesetzlichen Vorgaben gestartet werden, das heißt eine Einschränkung des maximalen Drehmoments der Verbrennungskraftmaschine 1 oder eine Stilllegung der Verbrennungskraftmaschine 1. Die Ansteuerung der Warnlampe kann zeitentprellt erfolgen und es ist eine Rücksetzung über einen Werkstatttester möglich.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines SCR-Katalysatorsystems in einem Abgasstrang, welches einen SCRF-Katalysator (2) umfasst, wobei - aus einem Volumen V_a des SCRF-Katalysators (2), in welches Asche (3) eingelagert ist, ein Faktor f berechnet wird, und - bei Anforderung einer Reduktionsmitteldosierung durch den SCRF-Katalysator (2) die einzudosierende Reduktionsmittelmenge durch den Faktor f modifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor f gemäß der folgenden Formel berechnet wird: $f = 1 - \frac{V_{a}}{V_{ges}}$
wobei V_ges das Gesamtvolumen des SCRF-Katalysators (2) ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor f durch einen Korrekturwert multiplikativ und oder additiv korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Berechnung der einzudosierenden Reduktionsmittelmenge eine bekannte maximale Ammoniakspeicherfähigkeit m(NH₃) des SCRF-Katalysators (2) durch eine modifizierte maximale Ammoniakspeicherfähigkeit m(NH₃)_mod des SCRF-Katalysators (2) gemäß der folgenden Formel ersetzt wird: $m {({NH}_{3})}_{mod} = f \cdot m ({NH}_{3})$
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Berechnung der einzudosierenden Reduktionsmittelmenge eine Raumgeschwindigkeit v durch den SCRF-Katalysator (2) strömenden Abgases gemäß der folgenden Formel berechnet wird: $v = \frac{\dot{V}}{f \cdot V_{ges}}$
wobei V ein Abgasvolumenstrom ist, der durch den SCRF-Katalysator (2) strömt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der einzudosierenden Reduktionsmittelmenge eine Modellierung des NO_x-Umsatzes des SCRF-Katalysators (2) über eine Differenzialgleichung aus der Raumgeschwindigkeit v erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der einzudosierenden Reduktionsmittelmenge eine Modellierung des NO_x-Umsatzes des SCRF-Katalysators (2) über ein Abgasmassenstromkennfeld erfolgt, wobei der Abgasmassenstrom als Eingangswert durch die Raumgeschwindigkeit v ersetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der einzudosierenden Reduktionsmittelmenge eine Modellierung des NO_x-Umsatzes des SCRF-Katalysators (2) über ein Abgasmassenstromkennfeld erfolgt, wobei der Abgasmassenstrom als Eingangswert mit dem Kehrwert des Faktors f multipliziert wird.
Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät (4) abläuft.
Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wenn das Programm auf einem Rechengerät oder Steuergerät (4) ausgeführt wird.