DE102011122413A1

DE102011122413A1 - Verfahren zum Betreiben eines Ammoniakspeichersystems eines SCR-Katalysators sowie ein entsprechendes Ammoniakspeichersystem

Info

Publication number: DE102011122413A1
Application number: DE102011122413A
Authority: DE
Inventors: Martina Gottschling; Stefan Wendenburg; Arne Brömer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2011-12-24
Filing date: 2011-12-24
Publication date: 2013-06-27
Anticipated expiration: 2031-12-25
Also published as: DE102011122413B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Ammoniakspeichersystems (32) eines nach dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) arbeitenden SCR-Katalysators (30), wobei das Ammoniakspeichersystem (32) zumindest einen, mit einer Heizeinrichtung (38) ausgestatteten Hauptspeicher (34) sowie einen, mit einer Heizeinrichtung (40) ausgestatteten, relativ kleinvolumigen Startspeicher (36) umfasst, und der Hauptspeicher (34) und der Startspeicher (36) jeweils ein NH3-Speichermaterial enthalten, das temperaturabhängig Ammoniak (NH3) reversibel zu binden vermag, wobei eine Ammoniakversorgung des SCR-Katalysators (30) wahlweise aus dem Startspeicher (36) oder aus mindestens einem der Hauptspeicher (36) erfolgt und eine Auffüllung des Startspeichers (36) mit Ammoniak aus dem mindestens einen Hauptspeicher (34) erfolgt. Es ist vorgesehen, dass ein Betrieb des zumindest einen Hauptspeichers (34) zur Auffüllung des Startspeichers (36) und/oder zur Ammoniakversorgung des SCR-Katalysators (30) in Abhängigkeit der Erfüllung zumindest eines Energiekriteriums (EK1, EK2) erfolgt, welches von einem absoluten energetischen Heizaufwand zur Beheizung des Hauptspeichers (34) und/oder von einer Energieeffizienz der Beheizung des Hauptspeichers (34) abhängt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Ammoniakspeichersystems eines nach dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) arbeitenden Katalysatorsystems. Die Erfindung betrifft ferner ein zur Ausführung des Verfahrens eingerichtetes Ammoniakspeichersystem für ein SCR-Katalysatorsystem.
Verbrennungsmotoren, die zeitweise oder überwiegend mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben werden, produzieren Stickoxide NO_x (hauptsächlich NO₂ und NO), die NO_x-reduzierende Maßnahmen erforderlich machen. Eine motorische Maßnahme, um die NO_x-Rohemission im Abgas zu reduzieren, stellt die Abgasrückführung dar, bei der ein Teil des Abgases des Verbrennungsmotors in die Verbrennungsluft rückgeführt wird, wodurch die Verbrennungstemperaturen gesenkt und somit die NO_x-Entstehung reduziert wird. Die Abgasrückführung ist jedoch nicht immer ausreichend, um gesetzliche NO_x-Grenzwerte einzuhalten, weswegen zusätzlich eine aktive Abgasnachbehandlung erforderlich ist, welche die NO_x-Endemission senkt. Eine bekannte NO_x-Abgasnachbehandlung sieht den Einsatz von NO_x-Speicherkatalysatoren vor, die im mageren Betrieb (bei λ > 1) Stickoxide in Form von Nitraten speichern und in kurzen Intervallen mit einer fetten Abgasatmosphäre (λ < 1) die gespeicherten Stickoxide desorbieren und in Gegenwart der im fetten Abgas vorhandenen Reduktionsmittel zu Stickstoff N₂ reduzieren.
Als weiterer Ansatz zur Konvertierung von Stickoxiden in Abgasen magerlauffähiger Verbrennungsmotoren ist der Einsatz von Katalysatorsystemen bekannt, die nach dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion (SCR für selective catalytic reduction) arbeiten. Diese Systeme umfassen zumindest einen SCR-Katalysator, der in Gegenwart eines dem Abgas kontinuierlich zugeführten Reduktionsmittels, üblicherweise Ammoniak NH₃, die Stickoxide des Abgases in Stickstoff und Wasser umwandelt. Dabei kann das Ammoniak aus einer wässrigen Ammoniaklösung dem Abgasstrom zudosiert werden oder aus einer Vorläuferverbindung, beispielsweise Harnstoff, im Wege der Thermolyse und Hydrolyse erhalten werden. Ein neuer vielversprechender Ansatz für die Ammoniakspeicherung im Fahrzeug stellen NH₃-Speichermaterialien dar, die Ammoniak in Abhängigkeit von der Temperatur reversibel binden. Insbesondere sind in diesem Zusammenhang Metallamminspeicher bekannt, beispielsweise MgCl₂, CaCl₂ und SrCl₂, die Ammoniak in Form einer Komplexverbindung speichern, um dann beispielsweise als MgCl₂(NH₃)_x, CaCl₂(NH₃)_x beziehungsweise SrCl₂(NH₃)_x vorzuliegen. Aus diesen Verbindungen kann durch Zufuhr von Wärme das Ammoniak wieder freigesetzt werden. Vorteil der Metallamminspeicher ist, dass diese Verbindungen eine große Menge Ammoniak in sehr geringen Volumina speichern können. So bindet beispielsweise ein Mol SrCl₂ acht Mol NH₃. Zudem lassen diese Verbindungen eine gut kontrollierbare Freisetzung des Ammoniaks zu und sind sehr sicher.
Um eine schnellere Startbereitschaft zu erzielen, ist bekannt, neben einem oder zwei Hauptspeichern einen vergleichsweise kleinvolumig dimensionierten Startspeicher vorzusehen, der üblicherweise eine elektrische Heizeinrichtung aufweist. Der Hauptspeicher kann entweder mit einer elektrischen Heizeinrichtung oder mit einer mit Motorkühlwasser versorgten Heizeinrichtung beheizt werden. Der aufgrund seines geringen Volumens schnell aufgeheizte und betriebsbereite Startspeicher übernimmt in der Aufwärmphase die NH₃-Versorgung des SCR-Katalysators. Seine Beheizung erfolgt solange, bis im Hauptspeicher der Betriebsdruck aufgebaut ist. Erst wenn auch der thermisch trägere Hauptspeicher seine Betriebstemperatur und seinen Betriebsdruck aufgebaut hat, wird die gesamte NH₃-Versorgung von diesem übernommen. Der Startspeicher wird dann mit NH₃ aus dem Hauptspeicher beladen und besitzt somit bei jedem Systemstart einen praktisch identischen NH₃-Füllstand.
DE 10 2009 060 285 A1 beschreibt ein SCR-System, bei dem ein NH₃-Füllstand eines Metallamminspeichers bestimmt wird, indem insbesondere während eines Beheizens des Speichers eine Zustandgröße bestimmt wird, welche charakteristisch für das Aufheizverhalten ist, und aus der Zustandsgröße die Wärmekapazität und in Abhängigkeit von dieser der Füllstand ermittelt wird. Die Erfindung macht sich den Umstand zunutze, dass die Wärmekapazität sich mit der NH₃-Beladung ändert.
DE 10 2006 061 370 A1 beschreibt ein ähnliches System, bei dem der Hauptspeicher ein NH₃-Speichermaterial mit relativ hohem NH₃-Dampfdruck aufweist, insbesondere SrCl₂, und ein kleinvolumiger Betriebspeicher vorgesehen ist, der ein NH₃-Speichermaterial mit vergleichsweise geringerem NH₃-Dampfdruck enthält, insbesondere MgCl₂. Durch die unterschiedlichen Dampfdrücke wird der Stofftransport vom SrCl₂-Speicher zum MgCl₂-Speicher unterstützt, so dass die Auffüllung des letzteren beschleunigt wird. Bei diesem System erfolgt die NH₃-Dosierung ausschließlich aus dem Betriebsspeicher, der seinerseits aus dem Hauptspeicher aufgefüllt wird. Während des Betriebs wird der kleinere Betriebsspeicher so beheizt, dass ein zur NH₃-Versorgung des Katalysators geeigneter NH₃-Dampfdruck vorliegt. Hingegen ist keine aktive Beheizung des Hauptspeichers vorgesehen; vielmehr soll die Auffüllung des Betriebsspeichers allein aufgrund des Dampfdruckunterschiedes passiv erfolgen.
Aus EP 1 977 817 A1 ist eine dem vorstehend beschriebenen System entsprechende Ausführung bekannt, bei der in Abhängigkeit von einem aktuellen Ammoniakbedarf eine erforderliche Heizleistung zur Beheizung des Hauptspeichers berechnet wird.
Aus DE 10 2009 060 285 A1 ist eine Strategie zum Beheizen eines Metallammin-Hauptspeichers bekannt, bei dem eine über eine Heizeinrichtung eingebrachte Wärmemenge so bemessen wird, dass sich ein vorbestimmter Solldruck im Speicher gemäß eines temperaturabhängigen Druckmodells einstellt. Auch hier werden nach einem Kaltstart sämtliche Speicher beheizt und die NH₃-Versorgung des SCR-Katalysators zunächst nur aus dem Startspeicher gedeckt. Sobald der Hauptspeicher einen ausreichenden Druck erreicht hat, wird die Versorgung aus diesem betrieben.
Im Stand der Technik erfolgt somit nach einem Systemstart die sofortige und gleichzeitige Beheizung von Start- und Hauptspeicher, wobei der Startspeicher solange beheizt und zur Reduktionsmitteldosierung betrieben wird, bis in dem Hauptspeicher der erforderliche Betriebsdruck aufgebaut ist. Ab diesem Zeitpunkt wird der vollständige Reduktionsmittelbedarf für den SCR-Katalysator aus dem Hauptspeicher gedeckt und zudem der Startspeicher mit Ammoniak aus dem Hauptspeicher gefüllt. Alternativ wird ausschließlich der Startspeicher zur Versorgung des SCR-Katalysators verwendet („Betriebsspeicher”) und der Hauptspeicher immer dann geheizt und in Betrieb gesetzt, wenn der Füllstand des Startspeichers einen kritischen Füllstand unterschreitet, um diesen wieder aufzufüllen.
Während der Startspeicher nicht wärmeisoliert ist, um seine zügige Abkühlung und somit seine Rücksättigung mit Ammoniak zu ermöglichen, ist der zumindest eine Hauptspeicher aus energetischen Gründen wärmeisoliert. Durch das Aufheizen der Speicher, insbesondere nach einem Kaltstart, steigt der Energiebedarf für den Betrieb des Metallamminsystems stark an. Dabei liegt der Energiebedarf des Hauptspeichers aufgrund seiner größeren Wärmekapazität deutlich über dem des Startspeichers.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, welches den Betrieb eines solchen Ammoniakspeichersystems eines SCR-Katalysators mit einer insgesamt verbesserten Energiebilanz ermöglicht. Insbesondere soll der für die Beheizung der Ammoniakspeicher erforderliche Energiebedarf gesenkt werden. Es soll ferner ein zur Ausführung des Verfahrens geeignetes SCR-Katalysatorsystem zur Verfügung gestellt werden.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren und ein SCR-Katalysatorsystem mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Ammoniakspeichersystem eines nach dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) arbeitenden SCR-Katalysators. Dabei weist das Ammoniakspeichersystem zumindest einen, mit einer Heizeinrichtung ausgestatteten (relativ großvolumigen) Hauptspeicher sowie einen, mit einer Heizeinrichtung ausgestatteten, relativ kleinvolumigen Startspeicher auf. Der zumindest eine Hauptspeicher und der Startspeicher enthalten jeweils ein NH₃-Speichermaterial, das temperaturabhängig Ammoniak (NH₃) reversibel zu binden vermag. Das System ist so ausgelegt, dass eine Ammoniakversorgung des SCR-Katalysators wahlweise aus dem Startspeicher oder aus mindestens einem der Hauptspeicher erfolgt. Ferner erfolgt eine Auffüllung des Startspeichers mit Ammoniak aus dem/den Hauptspeicher. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des Ammoniakspeichersystems sieht vor, dass ein Betrieb des zumindest einen Hauptspeichers zur Auffüllung des Startspeichers und/oder zur Ammoniakversorgung des SCR-Katalysators in Abhängigkeit der Erfüllung zumindest eines Energiekriteriums erfolgt, welches von einem absoluten energetischen Heizaufwand zur Beheizung des Hauptspeichers zur Darstellung seiner Betriebstemperatur beziehungsweise seines Betriebsdrucks abhängt und/oder von einer Energieeffizienz der Beheizung des Hauptspeichers (also eines relativen energetischen Heizaufwandes).
Während im Stand der Technik der Hauptspeicher sofort nach Systemstart beheizt wird, um diesen möglichst schnell auf Betriebstemperatur beziehungsweise Betriebsdruck zu bringen oder alternativ der Hauptspeicher immer dann beheizt wird, wenn der als Betriebsspeicher ausgelegte Startspeicher einen niedrigen Füllstand erreicht, erfolgt erfindungsgemäß der Betrieb und insbesondere die Beheizung des Hauptspeichers unter Berücksichtigung des (absoluten oder relativen) energetischen Aufwandes. insbesondere wird überprüft, wie hoch der absolute energetische Heizaufwand unter Berücksichtigung aktueller Zustandsfaktoren ist, und der Hauptspeicher wird dann in Betrieb genommen, wenn der Energieaufwand eine vorbestimmte Schwelle nicht übersteigt. Zusätzlich oder alternativ wird der relative energetische Heizaufwand in Betracht gezogen, der den absoluten Energieaufwand in Relation zu einem erwarteten Betrieb des Hauptspeichers berücksichtigt, beispielsweise in Relation zu einer geplanten oder zu erwartenden Betriebsdauer. Es wird somit die Verhältnismäßigkeit der Aufheizung des Hauptspeichers als zumindest eine Entscheidungsgrundlage für seinen Betrieb herangezogen. Grundsätzlich ermöglicht die Erfindung somit einen möglichst ausgedehnten Einsatz des Startspeichers auch über die Kaltstartphase hinaus, solange der energetische Aufwand des Hauptspeicherbetriebs als unverhältnismäßig gewertet wird.
Die erfindungsgemäße energetische Betrachtung kann während des laufenden Betriebs, bei einem Start des Systems nach einer Abstellphase und/oder nach einem Abstellen des Fahrzeugs (in diesem Fall zum Auffüllen des Startspeichers) durchgeführt werden.
Nach einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens umfasst das zumindest eine Energiekriterium eine aktuelle Temperatur und/oder einen aktuellen Druck zumindest eines Hauptspeichers. Dabei wird vorliegend mit dem Begriff „Druck” des Haupt- oder Startspeichers grundsätzlich der temperaturabhängige Ammoniakdruck in dem betreffenden Speicher verstanden. Wenn beispielsweise nach einem Systemstart nach einer relativ kurzen Abstellzeit des Fahrzeugs die aktuelle Temperatur des Hauptspeichers beziehungsweise sein aktueller Druck noch vergleichsweise hoch ist und somit der absolute energetische Heizaufwand vergleichsweise gering, wird in dieser Ausführung der Hauptspeicher unmittelbar nach Systemstart in Betrieb genommen, das heißt zur Erzielung seiner Betriebstemperatur und seines Betriebsdrucks beheizt. In analoger Weise kann statt der Überprüfung der Temperatur und/oder des Drucks des Hauptspeichers eine Dauer eines vorherigen Fahrzeugstillstandes überprüft werden. Wurde das Fahrzeug beispielsweise lediglich für eine kurze Dauer abgestellt, welche eine vorbestimmte Schwelle nicht übersteigt, kann von einer relativ hohen Temperatur beziehungsweise einem relativ hohen Druck ausgegangen werden, und der Hauptspeicher sofort beheizt und in Betrieb genommen werden. In jedem Fall wird somit eine vorhandene Restwärme des Hauptspeichers berücksichtigt und genutzt. Übersteigt die Restwärme (beziehungsweise der Restdruck) einen applizierten Schwellenwert, so wird der Hauptspeicher auf Betriebsbedingungen geheizt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das zumindest eine Energiekriterium eine Dauer- und/oder Fahrgeschwindigkeit einer geplanten Fahrstrecke, wobei die Fahrgeschwindigkeit eine mittlere Fahrgeschwindigkeit und/oder eine Höchstgeschwindigkeit der geplanten Fahrstrecke umfassen kann. In dieser Ausgestaltung der Erfindung kann insbesondere auf eine mittels eines Navigationsgeräts geplante Fahrstrecke zurückgegriffen werden. Wird auf diese Weise eine Dauer und/oder eine Fahrgeschwindigkeit. der geplanten Fahrstrecke ermittelt, welche einen entsprechenden Schwellenwert überschreitet, wird davon ausgegangen, dass ein langer und/oder intensiver Einsatz des Hauptspeichers zur Versorgung des SCR-Katalysators erforderlich werden wird, der den energetischen Aufwand zu seiner Beheizung rechtfertigt. In diesem Fall erfolgt eine Beheizung des Hauptspeichers, unabhängig davon, ob ein kritisches Füllstandsniveau des Startspeichers bereits erreicht ist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das zumindest eine Energiekriterium eine zu erwartende Dauer und/oder eine zu erwartende Fahrgeschwindigkeit einer automatisch erkannten, wiederkehrenden Fahrstrecke. In dieser Ausgestaltung kann ebenfalls auf die Positionserfassung durch ein Navigationssystem, insbesondere auf eine satellitengestützte Positionserfassung (GPS) zurückgegriffen werden. Erkennt das System beispielsweise eine häufig sich wiederholende Fahrstrecke, beispielsweise einen Weg zur Arbeitsstätte, die eine entsprechende Mindestdauer und/oder Mindestfahrgeschwindigkeit zu erwarten lässt, kann auch hier unabhängig von einem Füllstand des Startspeichers der Hauptspeicher in Betrieb genommen werden. Wird hingegen eine kurze Fahrstrecke erkannt, die absehbar vollständig aus dem Startspeicher betrieben werden kann, wird auf eine Beheizung des Hauptspeichers verzichtet.
Weitere Energiekriterien, die im Rahmen der Erfindung Einsatz finden können, umfassen beispielsweise den Ladezustand (SOC) eines Energiespeichers, der zum Betrieb einer elektrischen Heizeinrichtung des Hauptspeichers eingesetzt wird, eine aktuelle Temperatur und/oder einen aktuellen Druck des Startspeichers.
Zusätzlich zu dem erfindungsgemäßen Energiekriterium erfolgt der Betrieb des Hauptspeichers zur Auffüllung des Startspeichers und/oder zur Ammoniakversorgung des SCR-Katalysators vorzugsweise ferner in Abhängigkeit von einem NH₃-Füllstand des Startspeichers. In dieser Ausgestaltung ist insbesondere vorgesehen, den Hauptspeicher zu betreiben und zu beheizen, wenn eine vorbestimmte NH₃-Füllstandsschwelle des Startspeichers oder eine mit der Füllstandsschwelle korrespondierende Schwelle erreicht wird. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass der Hauptspeicher rechtzeitig in Betrieb genommen wird, wenn absehbar ist, dass der NH₃-Füllstand des Startspeichers die Ammoniakversorgung des SCR-Katalysators nicht bedienen kann. Insbesondere wird in dieser Ausgestaltung der Erfindung der Betrieb und insbesondere die Beheizung des Hauptspeichers erzwungen, wenn entweder ein niedriger NH₃-Füllstand des Startspeichers erreicht ist oder ein vertretbarer geringer Energieaufwand gemäß dem zumindest ein Energiekriterium festgestellt wird. Es werden somit das Energiekriterium und das Füllstandskriterium betrachtet.
Als eine mit der NH₃-Füllstandsschwelle korrespondierende Schwelle findet insbesondere eine Aufheizdauer des Startspeichers Verwendung.
In Weiterbildung der Erfindung werden zwei NH₃-Füllstandsschwellen für den Startspeicher vorgegeben, nämlich eine erste, höhere NH₃-Füllstandsschwelle und eine zweite niedrigere NH₃-Füllstandsschwelle, oder jeweils mit diesen korrespondierenden Schwellen (z. B. Zeitschwellen). In dieser Ausgestaltung ist vorgesehen, den Betrieb des Hauptspeichers durchzuführen, wenn die erste NH₃-Füllstandsschwelle erreicht ist und gleichzeitig zumindest eines der Energiekriterien erfüllt ist. Auf der anderen Seite wird bei Erreichen der zweiten NH₃-Füllstandsschwelle oder der mit dieser korrespondierenden Schwelle der Betrieb des Hauptspeichers unabhängig von den Energiekriterien durchgeführt. Auf diese Weise kann, wenn der Füllstand des Startspeichers niedrig aber noch nicht kritisch ist und gleichzeitig eine günstige Energiesituation vorliegt, die Situation zur Beheizung des Hauptspeichers genutzt werden. Hat hingegen der Füllstand des Startspeichers ein kritischeres Niveau erreicht, wird die Inbetriebnahme des Hauptspeichers energieunabhängig erzwungen.
In noch weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Betrieb des Hauptspeichers nach Erreichen der ersten, höheren NH₃-Füllstandsschwelle des Startspeichers beziehungsweise der mit dieser korrespondierenden Schwelle bei einem niedrigeren Betriebsdruck (Solldruck) oder einer niedrigeren Betriebstemperatur (Solltemperatur) erfolgt, als nach Erreichen der zweiten, niedrigeren NH₃-Füllstandsschwelle beziehungsweise der mit dieser korrespondierenden Schwelle. Beispielsweise kann die erste Schwelle mit einem Betriebsdruck von 2 bis 3 bar verknüpft werden und die zweite Schwelle mit einem höheren Druckniveau, vorzugweise oberhalb 3 bar. Diese Ausgestaltung ermöglich bei Erreichen der ersten Schwelle, bei der der Status „Aufheizung des Hauptspeichers empfohlen” erreicht ist, zunächst unter relativ milden und energiesparenden Bedingungen eine Rücksättigung des Startspeichers zu versuchen. Wird unter diesen Umständen keine ausreichende Auffüllung erlangt, beispielsweise weil die Temperatur des Startspeichers zu hoch ist oder die Rücksättigung aufgrund des Fahrbetriebs vorzeitig abgebrochen werden muss, wird mit Erreichen der zweiten Schwelle (Status „Aufheizung des Hauptspeichers zwingend erforderlich”) eine beschleunigte Rücksättigung erzwungen.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt eine Gewichtung der Energiekriterien und ihre Zuordnung zumindest zu einer ersten und einer zweiten Gruppe von Energiekriterien, wobei die erste Gruppe die Kriterien mit dem höheren Energiesparpotenzial umfasst. Ist in dieser Ausgestaltung wenigstens ein Energiekriterium der ersten Gruppe erfüllt, erfolgt der Betrieb des Hauptspeichers zur Auffüllung des Startspeichers und oder zur Ammoniakversorgung des SCR-Katalysators unabhängig von einem NH₃-Füllstand des Startspeichers. Die erste Gruppe von Energiekriterien umfasst beispielweise die aktuelle Temperatur und/oder den aktuellen Druck des Hauptspeichers und/oder die Dauer eines Fahrzeugstillstandes bei Wiederstart. Wenn beispielsweise nach nur kurzem Fahrzeugstillstand die Temperatur des Hauptspeichers bereits der Betriebstemperatur entspricht oder nahe derselben ist, erfolgt unmittelbar der Hauptspeicherbetrieb zur Versorgung des SCR-Systems unabhängig von dem Füllstand des Startspeichers.
Interessant ist ferner die Frage, ob und wie der Hauptspeicher nach Abstellen des Fahrzeugs zum Auffüllen des Startspeichers betrieben wird. Ist in einer solchen Situation der Hauptspeicher bereits auf Betriebstemperatur erwärmt und der Startspeicher hingegen kalt oder kälter als der Hauptspeicher, erfolgt eine passive Auffüllung (Rücksättigung) des Startspeichers auch nach Abstellen des Fahrzeugs, ohne dass der Hauptspeicher beheizt wird. Die Rücksättigung setzt sich solange fort, wie die Temperatur des Hauptspeichers größer ist als die Temperatur des Startspeichers beziehungsweise, der Ammoniakdruck des Hauptspeichers größer als der Ammoniakdruck des Startspeichers ist, sofern der Startspeicher nicht bereits vollständig gefüllt ist. Eine effiziente, schnelle Rücksättigung erfolgt allerdings erst bei einem Druck des Hauptspeichers, der wesentlich größer als der des Startspeichers ist. In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist nunmehr vorgesehen, dass nach Abstellen des Fahrzeugs die Beheizung des Hauptspeichers abgebrochen wird, wenn ein Mindestfüllstand des Startspeichers und/oder eine Höchsttemperatur des Startspeichers vorliegt. In dieser Ausgestaltung wird somit in Kauf genommen, dass der Startspeicher nicht vollständig aufgefüllt ist, wenn das Fahrzeug erneut gestartet wird. Erforderlich ist lediglich, dass die Teilbefüllung des Startspeichers ausreichend ist, um in einem späteren Kaltstartbetrieb eingesetzt zu werden. Falls der Wiederstart des Fahrzeugs nach nur kurzer Abstelldauer erfolgt, erfolgt gemäß den vorstehenden beschriebenen Energiekriterien eine sofortige Beheizung des Hauptspeichers, um so die vorhandene Restwärme beziehungsweise den noch vorhandenen erhöhten Ammoniakdruck für die Wiederbefüllung des Startspeichers und/oder für die Versorgung des SCR-Katalysators zu nutzen.
Erfolgt andererseits beispielsweise aufgrund eines zu geringen NH₃-Füllstandes des Startspeichers und/oder aufgrund einer zu hohen, eine Rücksättigung nicht zulassenden Temperatur des Startspeichers eine aktive Weiterbeheizung des Hauptspeichers nach Abstellen des Fahrzeugs, wird vorzugsweise die Dauer und Art der nachträglichen Beheizung des Hauptspeichers abhängig von einer Batteriekapazität, einem Batterieladezustand, dem NH₃-Füllstand des Startspeichers sowie der aktuellen Rücksättigungsgeschwindigkeit durchgeführt. In einer besonders bevorzugten Ausführung erfolgt die Beheizung des Hauptspeichers nach Abstellen des Fahrzeugs intervallartig, wobei sich Intervalle mit Einkopplung von Wärmeenergie und Intervalle ohne Beheizung abwechseln. Auf diese Weise kann über einen längeren Zeitraum ein für die Rücksättigung des Startspeichers erforderlicher Ammoniakdruck in dem Hauptspeicher aufrechterhalten werden. Diese gepulste Beheizung ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Ladezustand der Fahrzeugbatterie relativ niedrig ist. Vorzugsweise erfolgt die Beheizung des Hauptspeichers so, dass seine vor Abstellen des Fahrzeugs vorliegende Betriebstemperatur beziehungsweise sein Betriebsdruck gehalten werden.
Handelt es sich bei dem Fahrzeug um ein Hybridfahrzeug, das neben einem Verbrennungsmotor eine wahlweise motorisch oder generatorisch betreibbare elektrische Maschine nutzt, wird bevorzugt elektrische Energie, die aus kinetischer Energie wiedergewonnen wird, beispielsweise aus Rekuperationsprozessen, vollständig oder teilweise für die Beheizung des Hauptspeichers genutzt. Dies kann insbesondere direkt erfolgen, das heißt ohne Zwischenspeicherung in der Fahrzeugbatterie.
Im Falle von so genannten Plug-In-Hybridfahrzeugen, die mittels externer Stromversorgung elektrisch aufgeladen werden, erfolgt die Beheizung des Hauptspeichers vorzugsweise während der Dauer der Batterieladung. Auf diese Weise erfolgt die Rücksättigung des Startspeichers während des Fahrzeugstillstands. Diese Art der Auffüllung des Startspeichers ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Hauptspeicher aus dem vorhergehenden Fahrzeugbetrieb bereits teilweise oder vollständig erwärmt ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Ammoniakspeichersystem nach vorstehender Beschreibung, welches Steuermittel aufweist, die eingerichtet sind, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Die Steuermittel umfassen insbesondere ein zur Ausführung des Verfahrens geeignetes computerlesbares Programm, Mittel zur Erfassung der erforderlichen Parameter und/oder Kennlinien oder Kenfelder.
Das NH₃-Speichermaterial des Speichers wird vorzugsweise aus der Gruppe der NH₃-komplexierenden Metallsalze, insbesondere der Alkali- und Erdalkalimetallsalze und Übergangsmetallsalze gewählt, wobei diese Gruppe vorzugsweise MgCl₂(NH₃)_x, CaCl₂(NH₃)_x und SrCl₂(NH₃)_x umfasst. Hauptvorteil dieser auch als Metallammine bezeichneten Gruppe ist ihre hohe Ammoniakspeicherkapazität bei geringem Volumen und Gewicht. Es können jedoch ebenso NH₃-adsorbierende Feststoffe, wie säureaktivierte Aktivkohle oder Zeolithe eingesetzt werden, die im Gegensatz zu den Metallamminen NH₃ nicht chemisch absorbieren, sondern physikalisch adsorbieren. Entscheidend ist, dass die NH₃-Bindung reversibel ist.
Schließlich betrifft die Erfindung ein entsprechendes SCR-Katalysatorsystem umfassendes Fahrzeug.
Weitere vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Abgasanlage mit einem erfindungsgemäßen SCR-Katalysatorsystem nach einer Ausgestaltung der Erfindung,
2 ein Fließdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Ammoniakspeichersystems eines SCR-Katalysatorsystems aus 1 nach einer Ausgestaltung der Erfindung;
3 Verläufe der Aufheizdauer bis zum Erreichen eines Betriebsdrucks von 2,5 bar in Abhängigkeit von dem NH₃-Füllstand zwei unterschiedlicher Startspeicher; und
4 Verlauf der Aufheizdauer bis zum Erreichen eines Betriebsdrucks von 2,5 bar in Abhängigkeit des NH₃-Füllstands eines Startspeichers mit einer ersten und zweiten Füllstandsschwelle und korrespondierenden Zeitschwellen.
1 zeigt ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Kraftfahrzeug, von dem hier lediglich ein Verbrennungsmotor 12 mit einer daran angeschlossenen Abgasanlage 14 dargestellt ist. Bei dem Verbrennungsmotor 12 handelt es sich um einen zumindest zeitweise oder permanent mager laufenden Motor, beispielsweise einen Dieselmotor. Er verfügt im dargestellten Beispiel über eine Einspritzanlage 16, die Kraftstoff direkt in Zylinder 18 des Motors einspritzt. Die Erfindung ist grundsätzlich jedoch auch für vorgemischbildende Verbrennungsmotoren geeignet. Die Verbrennungsluft wird dem Verbrennungsmotor 12 über einen Ansaugkanal 20 zugeführt und ist über eine Drosseleinrichtung 22 steuerbar.
Ein Abgas des Verbrennungsmotors 12 wird in einen Abgaskanal 24 der Abgasanlage 14 eingeleitet, wo an einer motornahen Position ein erster Katalysator 26 angeordnet sein kann, beispielsweise ein Oxidations- oder 3-Wege-Katalysator.
Die Abgasanlage 14 umfasst ferner ein nach dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion arbeitendes SCR-Katalysatorsystem 28, das einen SCR-Katalysator 30, nämlich einen NO_x-Reduktionskatalysator, und ein Ammoniakspeichersystem 32 aufweist. Das Ammoniakspeichersystem 32 umfasst zumindest einen Hauptspeicher 34 sowie einen im Vergleich zum Hauptspeicher 34 kleinvolumigen Startspeicher 36. Die Speicher 34 und 36 umfassen jeweils ein nicht dargestelltes NH₃-Speichermaterial, das in der Lage ist, in Abhängigkeit von der Temperatur Ammoniak NH₃ reversibel chemisch oder physikalisch zu binden beziehungsweise zu desorbieren. Dies bedeutet, dass sich mit zunehmender Temperatur das thermodynamische Gleichgewicht von der gebundenen Form (der NH₃-angereicherten Form) zu der desorbierten Form (der NH₃-abgereicherten oder -freien Form) verschiebt, das heißt der NH₃-Dampfdruck steigt mit zunehmender Temperatur.
Der Zusammenhang zwischen dem Dampfdruck von Ammoniak p_NH3 und der Temperatur T lässt sich durch die thermodynamische Gleichung 1 beschreiben, worin ΔH_r die Reaktionsenthalpie der Desorption des verwendeten NH₃-Speichermaterials, ΔS_r die Reaktionsentropie der Desorption und R_m die universelle Gaskonstante (R_m = 8,314 J/mol·K) bedeuten.
Um die Speicher 34, 36 des Ammoniakspeichersystems 32 auf ihre erforderlichen Betriebsdrücke zu bringen, sind diese jeweils mit einer Heizeinrichtung 38 beziehungsweise 40 ausgestattet. Dabei kann es sich jeweils um elektrische Heizeinrichtungen handeln, die im Stand der Technik an sich bekannt sind, und beispielsweise eine im jeweiligen Innenraum der Speicher 34, 36 angeordnete Heizspirale umfassen können oder außen angeordnet sind. Alternativ kann der Hauptspeicher 34 auch mit einer mit einem flüssigen Medium betriebenen Heizeinrichtung ausgestattet sein, beispielsweise einer mit einem Kühlwasser des Verbrennungsmotors 12 betriebenen Heizeinrichtung, sofern diese mit einer elektrischen Zusatzheizung ausgestattet ist. Die Zusatzheizung kann in Form einer inneren und/oder äußeren Beheizung des Hautspeichers 34 ausgebildet sein oder als elektrische Beheizung des Kühlwassers dienen. Erforderlich ist, dass die Heizeinrichtungen 38 und 40 steuerbar sind.
Der Hauptspeicher 34 ist aus energetischen Gründen wärmeisoliert (nicht dargestellt). Da andererseits der Startspeicher 36 durch den Hauptspeicher 34 mit Ammoniak befüllt wird und für diesen Zweck abgekühlt sein muss oder zumindest eine geringere Temperatur als der Hauptspeicher 34 aufweisen muss, weist der Startspeicher 36 vorzugsweise keine Wärmeisolierung auf.
Bei dem NH₃-Speichermaterial der Speicher 34, 36 handelt es sich vorzugsweise um ein NH₃-komplexierendes Metallsalz, das auch als Metallammin bezeichnet wird. Beispielsweise kommen hier die Verbindungen MgCl₂(NH₃)_x, CaCl₂(NH₃)_x und SrCl₂(NH₃)_x in Frage, welche das gebundene NH₃ zum Teil stufenweise freisetzen. Beispielsweise setzt der Strontiumchloridamminkomplex, der pro Mol SrCl₂ bis zu acht Mol NH₃ speichern kann, sieben Mol NH₃ bei Erreichen einer Temperatur von etwa 60–80°C und das achte Mal NH₃ bei etwa 150°C frei. Haupt- und Startspeicher 34, 36 können das gleiche NH₃-Speichermaterial oder unterschiedliche enthalten.
Der Hauptspeicher 34 und der Speicher 36 stehen jeweils mit einer Gaszufuhrleitung 42 in Verbindung, die stromauf des SCR-Katalysators 30 in den Abgaskanal 24 müdet. Dabei ist an einer Verbindungsstelle des Leitungssystems ein schaltbares Ventil 44 angeordnet, das entweder den Hauptspeicher 34 oder den Speicher 36 mit der Gaszufuhrleitung 42 verbindet. Das Ventil 44 kann beispielsweise als ein 3/2-Wege-Ventil ausgestaltet sein. Daneben kann eine weitere Ventilstellung vorgesehen sein, welche die beiden Speicher 34 und 36 miteinander verbindet, aber von der Leitung 42 trennt. In Abweichung zu der vorliegenden Darstellung können statt des Ventils 44 auch andere steuerbare Einrichtungen zur wahlweisen Verbindung der Speicher 34, 36 mit dem Abgaskanal 24 und/oder miteinander vorgesehen sein. Stromab des Ventils 44 ist eine steuerbare Drosseleinrichtung 46 zur variablen Einstellung des NH₃-Stroms angeordnet, das etwa als ein Drosselventil (Massflow-Regler) oder als steuerbares Gasdosierventil ausgestaltet sein kann.
Im Hauptspeicher 34 ist zudem ein Temperatursensor 48 zur Erfassung einer Speichertemperatur T_HU angeordnet. Außerdem ist ein Drucksensor 50 im Hauptspeicher 34 vorgesehen, welcher den Speicherdruck P_{NH3_}HU misst. Für die Ausführung des Verfahrens müssen nicht zwingend beide Sensoren vorhanden sein. Zusätzlich können entsprechende Sensoren auch im Leitungssystem 42 und/oder im Speicher 36 angeordnet sein (nicht dargestellt).
Die Signale der Sensoren 48 und 50 finden Eingang in eine Steuereinrichtung 52 zur Steuerung des Betriebs des Ammoniakspeichersystems 32. Die Steuereinrichtung 52 steuert in Abhängigkeit dieser und anderer Signale die Heizleistungen der elektrischen Heizeinrichtungen 38 und 40, die Stellung des Schaltventils 44 sowie die Stellung der Drosseleinrichtung 46.
Die Steuereinrichtung 52 ist im dargestellten Beispiel in ein Motorsteuergerät 54 integriert, kann jedoch auch als eigenständiges Gerät installiert sein. Das Motorsteuergerät 54 dient im Wesentlichen der Steuerung des Verbrennungsmotors 12 und steuert insbesondere in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt die Öffnung der Drosseleinrichtung 22 sowie die Einspritzanlage 16. Zu diesem Zweck werden verschiedene Signale an das Motorsteuergerät 54 übermittelt, beispielsweise eine Motordrehzahl durch einen Drehzahlsensor, eine angeforderte Motorlast durch einen Pedalwertgeber, eine Motortemperatur durch einen Kühlwassertemperatursensor usw.. Darüber hinaus können verschiedene nicht dargestellte Gas- und Temperatursensoren im Abgaskanal 24 angeordnet sein, deren Signale ebenfalls Eingang in das Motorsteuergerät 54 oder die Steuereinrichtung 52 finden.
Das in 1 dargestellte Ammoniakspeichersystem 32 zeigt – bei Betrieb des Systems gemäß Stand der Technik – folgende Funktionsweise. Bei Inbetriebnahme des Systems nach einem Kaltstart liegt üblicherweise nicht der erforderliche Betriebsdruck vor, um eine ausreichende Ammoniakzufuhr stromauf des SCR-Katalysators 30 zu gewährleisten. Zu diesem Zweck erfolgt herkömmlich gleichzeitig eine Beheizung beider Speicher 34 und 36 jeweils über ihre Heizeinrichtung 38 beziehungsweise 40. Aufgrund seines geringen Volumens hat der Startspeicher 36 bereits nach kurzer Heizdauer seine erforderliche Temperatur und damit den Betriebsdruck erreicht. Sobald dies der Fall ist, wird das Ventil 44 in eine Stellung geschaltet, die nur den Startspeicher 36 mit der Gaszufuhrleitung 42 verbindet. In dieser Phase wird somit der gesamte Ammoniakbedarf des SCR-Katalysators 30 aus dem Startspeicher 36 gespeist, wobei der NH₃-Massenstrom über das Drosselventil 46 gesteuert wird. Der NH₃-Bedarf des SCR-Katalysators 30 wird vorzugsweise betriebspunktabhängig ermittelt, so dass die Zufuhr über eine geeignete Ansteuerung des Ventils 46 beziehungsweise Massflow-Reglers bedarfsgerecht erfolgt. Sobald auch der Hauptspeicher 34 seinen Betriebsdruck erreicht hat, erfolgt gemäß Stand der Technik eine Umschaltung der Ammoniakversorgung über das Ventil 44, so dass der Hauptspeicher 34 mit der Gaszufuhrleitung 42 verbunden ist. Ab diesem Zeitpunkt wird die gesamte Ammoniakversorgung aus dem Hauptspeicher 34 gedeckt. Zudem erfolgt eine Auffüllung des Startspeichers 36 mit Ammoniak aus dem Hauptspeicher 34, sobald der Startspeicher 36 ausreichend abgekühlt ist. Dabei kann entweder die Verbindung zwischen Haupt- und Startspeicher 34, 36 unmittelbar nach der Versorgungsumstellung auf den Hauptspeicher 34 erfolgen oder zu einem späteren Zeitpunkt, etwa nach Abschalten des Systems.
Demgegenüber wird erfindungsgemäß eine andere Strategie zum Betreiben des Ammoniakspeichersystems 32 der 1 betrieben, die insbesondere eine energetische Betrachtung einbezieht, bei der die Verhältnismäßigkeit der Aufheizung des Hauptspeichers 34 berücksichtigt wird. Neben der Berücksichtigung von geeigneten Energiekriterien erfolgt dabei vorzugsweise auch eine Berücksichtigung des Füllstandes des Startspeichers 36. Ein im Rahmen der Erfindung bevorzugtes Beispiel für eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand des Fließdiagramms der 2 näher erläutert.
Das Verfahren in 2 geht dabei von einer Situation aus, in der die aktuelle Ammoniakversorgung des SCR-Katalysators 30 aus dem Startspeicher 36 erfolgt, dieser also bereits auf Betriebstemperatur geheizt ist.
Das Verfahren beginnt in Schritt 100, wo verschiedene Zustandsparameter des Ammoniakspeichersystems 32 und/oder des Verbrennungsmotors 12, welche zur Überprüfung der Energiekriterien dienen, eingelesen oder ermittelt werden. Beispielhaft wird hier die Temperatur T_HU des Hauptspeichers 34 mittels des Temperatursensors 48 eingelesen. Die Hauptspeichertemperatur T_HU dient im weiteren Verfahren der Überprüfung eines Energiekriteriums einer ersten Gruppe von Energiekriterien EK1. Weiterhin wird ein Ladezustand SOC (state of charge) einer Fahrzeugbatterie, welche der elektrischen Versorgung der Heizeinrichtung 38 dient, ermittelt. Der Ladezustand SOC dient im nachfolgenden Verfahren der Überprüfung eines Energiekriteriums einer zweiten Gruppe von Kriterien EK2.
In einem weiteren Verfahrensschritt 102 erfolgt die Ermittlung des aktuellen NH₃-Füllstandes FS_SU_n des Startspeichers 36. Da der Füllstand des Startspeichers direkt nur schwer zu ermitteln ist, erfolgt vorzugsweise die Bestimmung des Füllstandes FS_SU_n über die Ermittlung der zum Aufheizen des Startspeichers 36 erforderliche Zeit. Dieses Prinzip soll anhand der 3 und 4 erläutert werden.
3 zeigt die Aufheizdauer des Startspeichers 36 für zwei unterschiedliche Speicherausführungen in Abhängigkeit von deren NH₃-Füllstand. Die Aufheizdauer ergibt sich aus der Zeit, die für den Aufbau eines ausreichenden Betriebsdrucks (hier 2,5 bar), der für die Dosierung erforderlich ist, benötigt wird. Aus 3 ist ersichtlich, dass im vollständig gefüllten Zustand der Startspeicher eine geringere Aufheizdauer benötigt, als in teilbefüllten Zuständen. Abhängig von der Art der Beheizung der Kartusche des Speichers und der Wärmeleitung verlängert sich die Aufheizdauer mit abnehmendem Füllstand stetig (oberer Plot) oder erreicht ein Plateau, ehe sich die Aufheizdauer signifikant erhöht (unterer Plot). Sofern für einen gegebenen Startspeicher die entsprechende Kennlinie gemäß 3 bekannt ist, ergibt sich somit die Möglichkeit, den NH₃-Füllstand aus der Aufheizdauer bis zum Erreichen des Betriebsdrucks (beziehungsweise der korrespondierenden Betriebstemperatur) zu ermitteln.
Die Messung der Aufheizdauer des Startspeichers erfolgt nach einem Kaltstart des Systems. Sofern der Startspeicher 36 jedoch noch nicht vollständig abgekühlt ist, beispielsweise nach einem schnellen Wiederstart, oder lange betrieben wird, ist es nicht möglich, sicher von der Aufheizdauer auf den NH₃-Füllstand zu schließen. Daher wird vorliegend vorzugsweise der aktuelle NH₃-Füllstand (FS_SU_n) des Startspeichers 36 zusätzlich über ein Rechenmodell gemäß Gleichung 2 ermittelt. Dabei wird ausgehend von dem bekannten Füllstand vor dem ersten Betrieb des Fahrzeugs beziehungsweise von dem letzten bekannten Füllstand (FS_SU_n-1) des Startspeichers 36 die in das Abgassystem dosierte NH₃-Menge (NH3_dos) subtrahiert. Wurde zudem der Startspeicher 36 aus dem Hauptspeicher 34 rückbefüllt, muss die rückgesättigte NH₃-Menge (NH3_rück) positiv in der Bilanz berücksichtigt werden. Die rückgesättigte NH₃-Menge NH_{3_}rück kann in Abhängigkeit von der Temperatur des Startspeichers, des Systemdrucks des Ammoniakspeichersystems 32 sowie der Rücksättigungsdauer und dem aktuellen NH₃-Füllstand abgeschätzt werden. FS_SU = FS_SU_n-1 – NH3_dos + NH3_rück (2)
Sofern eine Situation vorliegt, in dem der Startspeicher 36 vollständig gefüllt und auf Umgebungstemperatur abgekühlt ist, kann die bei einem anschließenden Aufheizvorgang des Startspeichers ermittelte (sehr geringe) Aufheizdauer für eine zwischenzeitliche Neukalibrierung des Rechenmodells genutzt werden. Auf diese Weise wird die Genauigkeit des Rechenmodells erhöht und Ungenauigkeiten hinsichtlich der Abschätzung der Rücksättigung des Startspeichers sowie der dosierten NH₃-Menge über die Laufzeit nivelliert.
In der in dem Fließdiagramm der 2 dargestellten Ausführungsvariante des Verfahrens werden zwei Füllstandsschwellen für den Ammoniakfüllstand des Startspeichers 36 eingesetzt, die anhand von 4 an einer exemplarischen Kennlinie verdeutlicht werden. Hier liegt eine erste Füllstandsschwelle FS1 bei einem NH₃-Füllstand von beispielsweise 35% (bezogen auf den maximalen NH₃-Füllstand von 100%) sowie eine zweite Füllstandsschwelle FS2 bei beispielsweise 25%. In 4 sind ferner die mit den Füllstandsschwellen FS1 und FS2 korrespondierenden Zeitschwellen eingezeichnet. Die Füllstandsschwellen FS1 und FS2 beziehungsweise die korrespondierenden Zeitschwellen werden besonders vorteilhaft auch als eine Funktion der Umgebungstemperatur appliziert.
Nachdem auf die zuvor beschriebene Weise anhand einer Kennlinie gemäß 4 der aktuelle Füllstand FS_SU_n des Startspeichers 36 in Schritt 102 bestimmt oder eingelesen wurde, geht das Verfahren zu Schritt 104 über, in dem eine Abfrage durchgeführt wird, ob der aktuelle NH₃-Füllstand FS_SU_n des Startspeichers 36 kleiner ist als die erste Füllstandsschwelle FS1. (Alternativ wird abgefragt, ob die Aufheizdauer des Startspeichers auf seinen Betriebsdruck größer ist als die Zeitschwelle 1 (siehe 4).) Ergibt die Abfrage in Schritt 104, dass der aktuelle NH₃-Füllstand des Startspeichers größer ist als die erste Füllstandsschwelle FS1, somit eine ausreichende NH₃-Füllung des Startspeichers vorliegt, geht das Verfahren zu der Abfrage in Schritt 110 über.
In Schritt 110 wird das erste Energiekriterium EK1 überprüft. Insbesondere wird in Schritt 110 abgefragt, ob die Temperatur des Hauptspeichers T_HU größer ist als eine applizierte Temperaturschwelle T_S. Dabei wird die Temperaturschwelle T_S so vorgegeben, dass sie um eine vorbestimmte Temperaturdifferenz unterhalb der Betriebstemperatur des Hauptspeichers 34 liegt. Ist die Abfrage in Schritt 110 positiv, das heißt der Hauptspeicher 34 hat eine Temperatur nahe seiner Betriebstemperatur, geht das Verfahren zu Schritt 114 über, in dem auf einen regulären Betrieb des Hauptspeichers 34 umgestellt wird. Zu diesem Zweck wird der Hauptspeicher 34 auf einen vorbestimmten Betriebsdruck von beispielsweise > 3 bar geheizt, um ihn auf Betriebsbedingungen zu bringen.
Wird die Abfrage in Schritt 110 hingegen verneint, das heißt es ist weder das Energiekriterium aus Schritt 110 noch das Füllstandskriterium aus Schritt 104 erfüllt, erfolgt die Ammoniakdosierung weiterhin aus dem Startspeicher 36 und das Verfahren geht zu seinem Anfang in Schritt 100 zurück, um die aktuellen Zustandsparameter erneut einzulesen und zu überprüfen.
Wird die Abfrage in Schritt 104 bejaht, das heißt der aktuelle Füllstand FS_SU_n des Startspeichers 36 ist kleiner als oder gleich der ersten Füllstandsschwelle FS1, wird in einem weiteren Abfrageschritt 106 überprüft, ob der aktuelle NH₃-Füllstand des Startspeichers auch unterhalb der zweiten Füllstandsschwelle FS2 (siehe 4) liegt. Wird die Abfrage in Schritt 106 bejaht, das heißt der Füllstand des Startspeichers liegt bereits unterhalb der kritischen Schwelle FS2 von beispielsweise 25%, geht das Verfahren zu Schritt 114 über, wo der Hauptspeicher 34 möglichst schnell auf einen Betriebsdruck von > 3 bar beheizt wird, um die NH₃-Versorgung des SCR-Katalysators 30 zu übernehmen und möglichst bald den Startspeicher 36 zu befüllen.
Wird die Abfrage in Schritt 106 hingegen verneint, das heißt der aktuelle Füllstand FS_SU_n liegt zwischen den beiden Füllstandsschwellen FS1 und FS2, geht das Verfahren zu Schritt 108 über, in welchem ein Energiekriterium EK2 der zweiten Gruppe überprüft wird. Insbesondere wird hier der aktuelle Ladezustand SOC der Fahrzeugbatterie mit einer applizierten Ladeschwelle SOC_S verglichen. Wird hier ein ausreichender SOC oberhalb der Schwelle SOC_S ermittelt, geht das Verfahren zu Schritt 112 über, in dem der Hauptspeicher 34 auf einen Systemdruck beheizt wird, der beispielsweise zwischen 2 und 3 bar vorgegeben wird. Stellt sich im weiteren Verfahren heraus, dass dieser relativ niedrige Betriebsdruck nicht ausreichen sollte, um eine Rückbefüllung des Startspeichers 36 zu erzielen, wird in anschließenden Verfahrenszyklen ein weiter abnehmender Füllstand FS_SU detektiert, so dass schließlich der Füllstand auch unterhalb der zweiten Füllstandsschwelle FS2 fallen wird, um sodann den Betrieb des Hauptspeichers 34 bei einem Betriebsdruck von > 3 bar umzustellen (Schritt 114). Reicht auf der anderen Seite der Betriebsdruck in Schritt 112 aus, um die Ammoniakversorgung des Systems sowie die Rückbefüllung des Startspeichers zu sichern, wird im weiteren Verlauf des Verfahrens der Füllstand des Startspeichers oberhalb der ersten Füllstandsschwelle FS1 angehoben, so dass wieder auf einen Betrieb durch den Startspeicher umgeschaltet werden kann, sofern das Energiekriterium in Schritt 110 nicht erfüllt wird.
Wird die Abfrage in Schritt 108 verneint, das heißt der aktuelle Ladezustand liegt unterhalb der Ladeschwelle SOC_S, so wird auf eine Beheizung des Hauptspeichers 34 verzichtet und die Ammoniakversorgung des Systems weiterhin aus dem Startspeicher 36 betrieben.
Nach dem in 2 gezeigten Verfahrensablauf erfolgt somit ein Betrieb und eine Beheizung des Hauptspeichers 34 dann, wenn die kritische Füllstandsschwelle FS2 des Startspeichers erreicht ist oder ein Energiekriterium der ersten Gruppe EK1 erfüllt ist. Zudem erfolgt ein Betrieb und eine Beheizung des Hauptspeichers 34, wenn das Füllstandsniveau des Startspeichers 36 zwischen den beiden Füllstandsschwellen FS1 und FS2 liegt und gleichzeitig ein Energiekriterium der zweiten Gruppe EK2 erfüllt ist.
Die erfindungsgemäße Strategie gewährleistet die Ausnutzung von Betriebssituationen für den Betrieb des Hauptspeichers 34, wenn seine Beheizung in einem vertretbaren Verhältnis mit dem Einsatzbedarf des Hauptspeichers ist, oder wenn der Füllstand des Startspeichers dieses zwingend erfordert. Insgesamt lässt sich somit ein gegenüber dem Stand der Technik ausgedehnterer Betrieb des Startspeichers 36 realisieren und der Energiebedarf für die Beheizung des Hauptspeichers 34 senken.
Restreichweite
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Bestimmung der Restreichweite eines mit einem SCR-Katalysatorsystem ausgestatteten Fahrzeugs. Es besteht nämlich für Fahrzeuge mit einer SCR-Abgasnachbehandlung die gesetzliche Forderung, eine Restreichweite insbesondere von 2.400 km zu detektieren und dem Fahrer anzuzeigen. Dazu muss der NH₃-Füllstand des Ammoniakspeichersystems 32 genau bestimmt werden. Um die gesetzliche Vorgabe sicher einzuhalten und Ungenauigkeiten in der Prognose zu berücksichtigen, insbesondere Ungenauigkeit in der Füllstandsbestimmung sowie in der Annahme des NH₃-Verbrauchs, erfolgt üblicherweise eine konservative, pessimistische Prognose der Restreichweite. Auf diese Weise wird ein Fahrer üblicherweise häufiger als erforderlich aufgefordert, das Betriebsmittel nachzufüllen, das heißt den oder die Hauptspeicher 34 auszutauschen. Um die Genauigkeit der Prognose der Restreichweite zu verbessern, wird das Ammoniakspeichersystem 32 so ausgelegt, dass ein zusätzlicher Ammoniakspeicher vorgehalten wird, dessen NH₃-Speicherkapazität für die gesetzlich bestimmte Restreichweite, beispielsweise 2.400 km, ausgelegt ist. Dieser nachfolgend als Reservespeicher bezeichnete Speicher wird erst dann beheizt und in Betrieb genommen, nachdem alle anderen Hauptspeicher 34 vollständig geleert sind. Zugleich wird der Fahrer des Fahrzeugs über das Erreichen der Restreichweite informiert. Über die Realisierung der Restreichweite über einen separaten Reservespeicher sind Ungenauigkeiten bei der Ermittlung der Füllstände der übrigen Hauptspeicher 34 nicht relevant.
Der reale NH₃-Verbrauch ist maßgeblich abhängig vom individuellen Fahrprofil und Verhalten des Fahrers, insbesondere von Geschwindigkeit, Beschleunigungen etc.. Zur weiteren Verbesserung der Reichweitenprognose kann über ein zeitliches Intervall, insbesondere über ein Wartungsintervall, in welchem ein oder mehrere der übrigen Hauptspeicher 34 gewechselt wird oder werden, der tatsächliche durchschnittliche NH₃-Verbrauch des Fahrers ermittelt werden. Anhand dieses Individualverbrauchs kann die NH₃-Menge, die für eine Restreichweite von 2.400 km voraussichtlich tatsächlich erforderlich ist, relativ genau ermittelt werden. Wenn somit bei einem Fahrer mit einem vergleichsweise niedrigen NH₃-Verbrauch der Reservespeicher gerade angebrochen wird, kann hier die Mitteilung der erreichten Restreichweite von 2.400 km noch entsprechend der vorherigen Ermittlung hinausgezögert werden. Auf diese Weise werden verbrauchsarme Fahrer nicht unnötig früh zu einem Austausch der Kartuschen aufgefordert.
Ein entsprechender Verfahrensablauf stellt sich wie folgt dar. Das Ammoniakspeichersystem 32 umfasst hier mindestens zwei Hauptkartuschen 34, von denen eine als Reservekartusche so ausgelegt ist, dass diese die Restreichweite von 2.400 km sicher bedienen kann. Die reguläre Ammoniakversorgung des SCR-Katalysatorsystems 28 erfolgt aus den übrigen Hauptspeichern 34. Diese werden einzeln und nacheinander für die Sicherstellung der NH₃-Dosierung genutzt. Werden zwischenzeitlich geleerte Hauptkartuschen 34 in einem Wartungsintervall gewechselt, erfolgt eine Kalkulation des tatsächlichen NH₃-Verbrauchs und der damit korrelierenden Reichweite. Zum Zeitpunkt des Beginns der NH₃-Dosierung aus der Reservekartusche wird aus der bisher verbrauchten NH₃-Menge und der damit zurückgelegten Fahrstrecke ein tatsächlicher durchschnittlicher NH₃-Verbrauch des Fahrzeugs ermittelt. Da der NH₃-Inhalt der Reservekartusche bekannt ist, kann die individuelle Restreichweite für den Reservespeicher bestimmt werden. Diese Restreichweitenbestimmung wird entsprechend dem aktuellen durchschnittlichen NH₃-Verbrauch während des Betriebs des letzten Hauptspeichers 34 mittels Korrekturfaktoren entsprechend angepasst. Ist der individuelle durchschnittliche NH₃-Verbrauch während des Betriebs des letzten Hauptspeichers 34 größer als der NH₃-Verbrauch für die vorangegangenen Hauptspeicher 34, so wird die Restreichweite entsprechend schneller reduziert. Umgekehrt wird die Restreichweite langsamer reduziert, wenn der durchschnittliche individuelle NH₃-Verbrauch des letzten Hauptspeichers größer war als der vorangegangene. Mit diesem Verfahren kann die erforderliche Signalisierung einer Restreichweite von beispielsweise 2.400 km präzisiert bestimmt werden, als allein durch Rechenmodelle über das gesamte Wartungsintervall. Fehlinformationen des Fahrers zum Wechsel der Hauptkartuschen werden damit minimiert.
Bezugszeichenliste

10: Fahrzeug
12: Verbrennungsmotor
14: Abgasanlage
16: Einspritzanlage
18: Zylinder
20: Ansaugkanal
22: Drosseleinrichtung
24: Abgaskanal
26: erster Katalysator
28: SCR-Katalysatorsystem
30: SCR-Katalysator
32: Ammoniakspeichersystem
34: Hauptspeicher
36: Speicher (Startspeicher/Betriebsspeicher)
38: Heizeinrichtung
40: Heizeinrichtung
42: Gaszufuhrleitung
44: Ventil
46: Dosiereinrichtung (Drosselventil/Massflow-Regler)
48: Temperatursensor
50: Drucksensor
52: Steuereinrichtung
54: Motorsteuergerät

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009060285 A1 [0005, 0008]
DE 102006061370 A1 [0006]
EP 1977817 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Ammoniakspeichersystems (32) eines nach dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) arbeitenden SCR-Katalysators (30), wobei das Ammoniakspeichersystem (32) zumindest einen, mit einer Heizeinrichtung (38) ausgestatteten Hauptspeicher (34) sowie einen, mit einer Heizeinrichtung (40) ausgestatteten, relativ kleinvolumigen Startspeicher (36) umfasst, und der Hauptspeicher (34) und der Startspeicher (36) jeweils ein NH₃-Speichermaterial enthalten, das temperaturabhängig Ammoniak (NH₃) reversibel zu binden vermag, wobei eine Ammoniakversorgung des SCR-Katalysators (30) wahlweise aus dem Startspeicher (36) oder aus mindestens einem der Hauptspeicher (36) erfolgt und eine Auffüllung des Startspeichers (36) mit Ammoniak aus dem mindestens einen Hauptspeicher (34) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betrieb des zumindest einen Hauptspeichers (34) zur Auffüllung des Startspeichers (36) und/oder zur Ammoniakversorgung des SCR-Katalysators (30) in Abhängigkeit der Erfüllung zumindest eines Energiekriteriums (EK1, EK2) erfolgt, welches von einem absoluten energetischen Heizaufwand zur Beheizung des Hauptspeichers (34) und/oder von einer Energieeffizienz der Beheizung des Hauptspeichers (34) abhängt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Energiekriterium (EK1, EK2) eine aktuelle Temperatur und/oder einen aktuellen Druck zumindest eines Hauptspeichers (34) und/oder eine Dauer eines Fahrzeugstillstandes umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Energiekriterium (EK1, EK2) eine Dauer und/oder eine Fahrgeschwindigkeit einer geplanten Fahrstrecke und/oder eine zu erwartende Dauer und/oder eine zu erwartende Fahrgeschwindigkeit einer erkannten wiederkehrenden Fahrstrecke umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb des Hauptspeichers (34) zur Auffüllung des Startspeichers (36) und/oder zur Ammoniakversorgung des SCR-Katalysators (30) ferner in Abhängigkeit von einem NH₃-Füllstand des Startspeichers (36) erfolgt, insbesondere wenn eine vorbestimmte NH₃-Füllstandsschwelle des Startspeichers (36) oder eine mit dieser korrespondierende Schwelle erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste, höhere NH₃-Füllstandsschwelle (FS1) und eine zweite, niedrigere NH₃-Füllstandsschwelle (FS2) oder jeweils mit diesen korrespondierenden Schwellen vorbestimmt werden und bei Erreichen der ersten NH₃-Füllstandsschwelle (FS1) oder der mit dieser korrespondierenden Schwelle ein Betrieb des Hauptspeichers (34) durchgeführt wird, wenn zumindest eines der Energiekriterien (EK1, EK2) erfüllt ist, und bei Erreichen der zweiten NH₃-Füllstandsschwelle (FS2) oder der mit dieser korrespondierenden Schwelle ein Betrieb des Hauptspeichers (34) unabhängig von dem zumindest einen Energiekriterien (EK1, EK2) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb des Hauptspeichers (34) nach Erreichen der ersten, höheren NH₃-Füllstandsschwelle (FS1) oder der mit dieser korrespondierenden Schwelle bei einem niedrigeren Betriebsdruck oder einer niedrigeren Betriebstemperatur erfolgt als nach Erreichen der zweiten, niedrigeren NH₃-Füllstandsschwelle (FS2) oder der mit dieser korrespondierenden Schwelle.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erfüllung zumindest eines Energiekriteriums (EK1) einer ersten Gruppe von Energiekriterien ein Betrieb des Hauptspeichers (34) zur Auffüllung des Startspeichers (36) und/oder zur Ammoniakversorgung des SCR-Katalysators (30) unabhängig von einem NH₃-Füllstand des Startspeichers (36) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Abstellen eines das Ammoniakspeichersystem (32) und den SCR-Katalysator (30) aufweisenden Fahrzeugs eine Beheizung des Hauptspeichers (34) abgebrochen wird, wenn ein Mindestfüllstand des Startspeichers (36) und/oder eine Höchsttemperatur des Startspeichers (36) vorliegt.
Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Abstellen eines das Ammoniakspeichersystem (32) und den SCR-Katalysator (30) aufweisenden Fahrzeugs eine Beheizung des Hauptspeichers (34) fortgeführt wird, wenn ein Mindestfüllstand des Startspeichers (26) nicht vorliegt, wobei das Beheizen derart durchgeführt wird, dass ein vor dem Abstellen aufgebauter Betriebsdruck und/oder eine aufgebaute Betriebstemperatur gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung nach einem Abstellen des Fahrzeugs in Intervallen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das NH₃-Speichermaterial des Speichers (34) aus der Gruppe der NH₃-komplexierenden Metallsalze, insbesondere der Alkali- und Erdalkalimetallsalze, vorzugsweise umfassend MgCl₂(NH₃)_x, CaCl₂(NH₃)_x und SrCl₂(NH₃)_x; und NH₃-adsorbierenden Feststoffen, insbesondere Aktivkohle und Zeolithen, gewählt ist.
Ammoniakspeichersystem (32) für ein nach dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) arbeitenden SCR-Katalysator (30), das zumindest einen, mit einer Heizeinrichtung (38) ausgestatteten Hauptspeicher (34) sowie einen, mit einer Heizeinrichtung (40) ausgestatteten, relativ kleinvolumigen Startspeicher (36) umfasst, und der Hauptspeicher (34) und der Startspeicher (36) jeweils ein NH₃-Speichermaterial enthalten, das temperaturabhängig Ammoniak (NH₃) reversibel zu binden vermag, gekennzeichnet, durch eine Steuermittel (52), die eingerichtet sind, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen.