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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung eines Stickoxidsensors, der in einem Katalysatorsystem zwischen zwei Katalysatoren angeordnet ist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt und in einem Rechengerät oder Steuergerät abläuft. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Programm auf einem Rechengerät ausgeführt wird.
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Stand der Technik
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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 (NH
3) benötigt, das dem Abgas zugemischt wird. Daher werden NH
3 bzw. NH
3-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. Die
DE 10 2004 031 624 A1 beschreibt beispielsweise wie eine solche Prozessführung für ein SCR-Katalysatorsystem auf Basis des Ammoniakfüllstandes aufgebaut werden kann. Die
FR 2 872 544 A1 beschreibt eine temperaturabhängige Sollfüllstandsvorgabe.
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Üblicherweise ist der SCR-Katalysator als ein einziges Bauteil ausgeführt. Allerdings ist auch ein SCR-Katalysatorsystem bekannt geworden, das einen ersten SCR-Katalysator und einen zweiten SCR-Katalysator umfasst, welcher stromabwärts des ersten SCR-Katalysators in einem Abgasstrang angeordnet ist. Eine Dosiervorrichtung zum Eindosieren einer Reduktionsmittellösung ist stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators im Abgasstrang angeordnet. Das SCR-Katalysatorsystem weist keine Vorrichtung zum Eindosieren einer Reduktionsmittellösung in den zweiten SCR-Katalysator auf. Mittels der mindestens einen Dosiervorrichtung wird eine so große Menge an Reduktionsmittellösung in den ersten SCR-Katalysator eindosiert, dass es im ersten SCR-Katalysator zu einem NH3-Schlupf kommt. Im zweiten SCR-Katalysator wird eine SCR-Reaktion durchgeführt, welche das Reduktionsmittel aus dem Reduktionsmittelschlupf des ersten SCR-Katalysators mit einem Stickstoffoxid zur Reaktion bringt. Der erste SCR-Katalysator wird somit wie eine Reduktionsmittelquelle betrieben.
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Schärfere Gesetze im Bereich der Diagnose emissionsrelevanter Bauteile fordern im Rahmen der On-Board-Diagnose (OBD) die Überwachung aller Abgasnachbehandlungskomponenten sowie der eingesetzten Sensorik auf die Einhaltung der OBD-Grenzwerte, die meist als Vielfaches des gesetzlich festgelegten Emissionsgrenzwertes angegeben werden. Ein fehlerhafter Stickoxidsensor soll ab dem Jahr 2013 beim Überschreiten des 1,5-fachen Stickoxidgrenzwertes (FTP75 Standard) detektiert werden. Außerdem muss seine Tauglichkeit zur Überwachung des SCR-Katalysators überwacht werden. Ist ein Fehler in einem Stickoxidsensor so stark ausgeprägt, dass ein gealterter SCR-Katalysator nicht mehr erkannt werden könnte, muss dieser detektiert und angezeigt werden. Diese Anforderung wird in US-Bestimmungen als „monitoring capability“ bezeichnet. Bisher steht allerdings noch keine Überwachungsfunktion für einen Stickoxidsensor zur Verfügung, der zwischen zwei SCR-Katalysatoren angeordnet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Überprüfung eines ersten Stickoxidsensors, der in einem Katalysatorsystem zwischen zwei Katalysatoren angeordnet ist. Es umfasst das Einstellen des Katalysatorsystems in einen Ausgangszustand, in dem ein Ammoniak-Speicherfüllstand des ersten Katalysators einen vorgegebenen ersten Füllstandsschwellenwert unterschreitet und ein Ammoniak-Speicherfüllstand des zweiten Katalysators, der stromabwärts des ersten Katalysators im Abgasstrang angeordnet ist einen vorgegebenen zweiten Füllstandsschwellenwert unterschreitet, das Dosieren eines Reduktionsmittels in den Abgasstrang stromaufwärts des ersten Katalysators, wobei kein Ammoniakschlupf aus dem ersten Katalysator erfolgt, und das Überprüfen des ersten Stickoxidsensors durch Abgleichen seines Signals mit dem Signal eines zweiten Stickoxidsensors der stromabwärts des zweiten Katalysators im Abgasstrang angeordnet ist. Das Abgleichen erfolgt insbesondere bezüglich der Absolutwerte der Signale oder bezüglich ihrer Dynamikempfindlichkeit.
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Die beiden Katalysatoren sind vorzugsweise unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem SCR-Katalysator, einem SCR on Filter (SCRoF) Katalysator, einem Sperrkatalysator, einem AMOX-Katalysator und einem Katalysator der eine Reaktion zwischen NH3 und NOx begünstigt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es im realen Fahrbetrieb Betriebsbereiche einer hier betroffenen Brennkraftmaschine bzw. eines zugrunde liegenden Katalysatorsystems gibt, bei denen eine Dosierung unterhalb des Maximalumsatzes möglich ist. Dies wird hauptsächlich bei hohen Temperaturen in Verbindung mit hoher Last der Fall sein. Es ist daher bevorzugt, dass das Überprüfen des ersten Stickoxidsensors während einer Partikelfilterregeneration, einer Adaption des Katalysatorsystems, einer aktiven Anforderung an das Katalysatorsystem, insbesondere einer aktiven SCR-OBD, oder einer Hochlastphase des Katalysatorsystems erfolgt. Weiterhin ist es bevorzugt, dass während des Überprüfens des ersten Stickoxidsensors die Temperatur der beiden Katalysatoren oberhalb von 250°C und unterhalb von 550°C liegt.
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Unter derartigen Bedingungen wird der Speicherfüllstand des Katalysators sehr gering sein, d. h. der Einfluss des Füllstandsreglers ist vernachlässigbar. Somit ist der Stickoxid-Umsatz hauptsächlich von der momentanen Zudosierung der Reduktionsmittels, der sogenannten „Online-Dosierung“, abhängig. Unter solchen Betriebsbedingungen kann eine Dosierung unterhalb des Umsatzmaximums durchgeführt werden. Es kann allerdings auch eine Vorkonditionierung des Katalysatorsystems durch eine unterstöchimetrische Dosierung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrang stromaufwärts des ersten Katalysators erfolgen. Ein Vorteil dieser Funktion im Vergleich zu anderen aktiven Diagnosefunktionen besteht darin, dass ihr Emissionseinfluss gering ist, weil über den ersten Katalysator weiterhin eine Stickoxidkonvertierung stattfindet.
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Aufgrund der Unterdosierung des Reduktionsmittels ist sichergestellt, dass selbst bei an der Obergrenze einer möglichen Zudosierung an Reduktionsmittel auftretenden Systemtoleranzen kein Ammoniak-Schlupf nach dem ersten Katalysator auftritt. Hierzu ist es bevorzugt, dass der erste Füllstandsschwellenwert einer geringen Befüllung des ersten Katalysators entspricht. Das Signal des Stickoxidsensors nach dem ersten Katalysator entspricht dadurch der tatsächlichen Stickoxidkonzentration. Des Weiteren kann bei einer längeren Unterdosierungsphase davon ausgegangen werden, dass im zweiten Katalysator kein Ammoniak mehr gespeichert ist. Der zweite Füllstandsschwellenwert liegt deshalb vorzugsweise bei Null. Somit kann davon ausgegangen werden, dass keine Stickoxidkonvertierung über den zweiten Katalysator stattfindet.
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Um ein möglichst signifikantes Signal des ersten Stickoxidsensors zu erhalten ist es bevorzugt, dass während des Überprüfens des ersten Stickoxidsensors eine dem Abgasstrang stromaufwärts des ersten Katalysators zugeführte Stickoxidrohemission einen vorgegebenen Rohemissionsschwellenwert überschreitet. Außerdem sollte vermieden werden, dass eine Vergiftung der Katalysatoren durch Kohlenwasserstoffemissionen vorliegt. Deshalb ist es bevorzugt, dass während des Überprüfens des ersten Stickoxidsensors eine dem Abgasstrang stromaufwärts des ersten Katalysators zugeführte Kohlenwasserstoffemission einen vorgegebenen Kohlenwasserstoffschwellenwert unterschreitet. Weiterhin ist es bevorzugt, dass während des Überprüfens des ersten Stickoxidsensors keine Änderung mindestens einer Randbedingung oder Betriebsbedingung des ersten Katalysators um mindestens einen vorgegebenen Prozentsatz innerhalb eines Zeitraums erfolgt, dessen Länge einen vorgegebenen Zeitschwellenwert unterschreitet, so dass keine schlagartigen Änderungen der Randbedingungen oder Betriebsbedingungen das Ergebnis der Überprüfung verfälschen können.
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Das erfindungsgemäße Computerprogramm kann alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführen, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät abläuft. Dies ermöglicht es, unterschiedliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Katalysatorsystem zu implementieren, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu kann das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchführen, wenn das Programm auf einem Rechengerät oder Steuergerät ausgeführt wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 zeigt ein SCR-Katalysatorsystem in dem ein Stickoxidsensor mittels eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung überprüft werden kann.
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2 zeigt die zeitliche Änderung der Signale von drei Stickoxidsensoren in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein bekanntes SCR-Katalysatorsystem, das zur Anordnung im Abgasstrang eines dieselbetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen ist. Die Richtung des Abgasstromes ist in 1 mit einem Pfeil markiert. Im Abgasstrang sind in Strömungsrichtung hintereinander drei Katalysatorgehäuse 1, 2, 3 angeordnet. Das erste Katalysatorgehäuse 1 an seinem Eingang einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) 11. Stromabwärts des DOC 11 ist im Gehäuse 1 ein Dosiermodul 12 angeordnet, welches eingerichtet ist, um Harnstoffwasserlösung in das Abgas einzudosieren. Stromabwärts dieser Eindosierungsstelle ist ein erster Katalysator 13 angeordnet, welcher aus einem Partikelfilter mit SCR-Beschichtung (SCRoF) besteht. Das zweite Katalysatorgehäuse enthält einen zweiten Katalysator 21, bei welchem es sich um einen SCR-Katalysator 21 handelt. Das dritte Katalysatorgehäuse enthält einen Clean-up-Katalysator 31 enthält. Stromaufwärts vor dem ersten Katalysatorgehäuse 1 ist ein erster Stickoxidsensor 41 angeordnet. Weitere Stickoxidsensoren 44 und 46 sind zwischen dem SCRoF-Katalysator 13 und dem SCR-Katalysator 21 sowie stromabwärts des Clean-up-Katalysators 31 angeordnet. Zwischen dem SCRoF-Katalysator 13 und dem SCR-Katalysator 21 ist weiterhin ein Ammoniaksensor 43 angeordnet. Zwischen dem DOC 11 und dem SCRoF-Katalysator 13, zwischen dem SCR-Katalysator 21 und dem Cleanup-Katalysator 31 sowie stromabwärts des Clean-up-Katalysators 31 sind drei Temperatursensoren 42, 45, 47 angeordnet. Ein Steuergerät 5 ist mit den Katalysatorgehäusen 1, 2, 3 und mit den Sensoren 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 verbunden (Verbindungen nicht gezeigt).
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Zur Überprüfung des Stickoxidsensors 44 zwischen dem SCRoF-Katalysator 13 und dem SCR-Katalysator 21 wird in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens das SCR-Katalysatorsystems in einen Ausgangszustand eingestellt, in dem der Ammoniak-Speicherfüllstand des SCRoF-Katalysators 13 einen vorgegebenen niedrigen Füllstandsschwellenwert unterschreitet und der Ammoniak-Speicherfüllstand des SCR-Katalysators 21 Null beträgt. Eine Dosierung von Harnstoffwasserlösung mittels des Dosiermoduls 12 erfolgt in einer Menge, bei der kein Ammoniakschlupf aus dem ersten Katalysator 13 erfolgt. Hierzu kann beispielsweise in einen Dosiermodus umgeschaltet werden, bei dem mit einem festen HWL-Verhältnis dosiert wird. Der Stickoxidsensors 44 zwischen dem SCRoF-Katalysator 13 und dem SCR-Katalysator 21 wird durch Abgleichen seines Signals mit dem Signal des Stickoxidsensors 46, der stromabwärts des Clean-up-Katalysators 31 angeordnet ist, überprüft.
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Die Signalverläufe NOx der drei Stickoxidsensoren 41, 44, 46 sind in 2 dargestellt, wobei der Signalverlauf eines defekten Sensors 44 zwischen dem SCRoF-Katalysator 13 und dem SCR-Katalysator 21 mit NOx (44a) bezeichnet ist und der Signalverlauf eines intakten Sensors 44 mit NOx (44b) bezeichnet ist. In einem Zeitraum t1 erfolgt eine Dosierung von Harnstoffwasserlösung mittels des Dosiermoduls 12 gemäß einer herkömmlichen Dosierstrategie. Im Zeitraum t2 erfolgt eine Unterdosierung der Harnstoffwasserlösung. Nachdem eine Entleerung des SCR-Katalysators 21 stattgefunden hat, was sich durch einen Anstieg des Signals NOx(46) des Stickoxidsensors 46 stromabwärts des SCR-Katalysators 21 zeigt, erfolgt in einem Zeitraum t3 bei fortgesetzter Unterdosierung eine Überprüfung des Stickoxidsensors 44. Das Signal NOx (44b) des intakten Sensors 44 folgt dem Signal NOx (46) des Stickoxidsensors 46 stromabwärts des SCR-Katalysators 21. Dieses Signal ist plausibel, da der entleerte SCR-Katalysator 21 zwischen diesen beiden Sensoren 44, 46 keinen Beitrag zur NOx-Reduktion liefert. Der Signalverlauf NOx (44a) des defekten Sensors 44 weicht von jenem des Stickoxidsensors 46 stromabwärts des SCR-Katalysators 21 ab. Auch wenn die Absolutwerte der beiden Signale NOx (44a) und NOx(46) in einem einzelnen Punkt P1 im Wesentlichen übereinstimmen, zeigt die Beobachtung der Signalverläufe über den gesamten Zeitraum t3 die Signalabweichung, beispielsweise im Punkt P2.
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Neben dem Einsatz als On-Board-Diagnose, die gesetzlich gefordert ist und Fehler die eine Emissionsüberschreitung zur Folge haben während der Fahrt anzeigen müssen, kann das erfindungsgemäße Verfahren in einer Ausführungsform auch als nützliche Hilfe zur Fehlerfindung in einer Werkstatt genutzt werden. Ein in einem Fehlerspeicher des Steuergeräts 5 eingetragener Fehler kann dabei das sogenannte Pin Pointing, d. h. das Anzeigen des Fehlers im System, zu erleichtern. Dies gilt insbesondere dann, wenn das erfindungsgemäße Verfahren nur passiv, also ohne aktiven Eingriff in die Dosierstrategie, aber nur außerhalb der, in der OBD-Gesetzgebung geforderten Fahrzyklen, nämlich FTP- und Carb Unified-Zyklus, abläuft. Ein Vorteil eines guten Pin Pointings besteht darin, dass intakte Bauteile nicht fälschlicherweise ausgetauscht werden und dem Endkunden nicht erneut ein Fehler angezeigt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004031624 A1 [0002]
- FR 2872544 A1 [0002]
