DE102014019483A1

DE102014019483A1 - Verfahren zum Ermitteln von Ammoniak-Schlupf einer Katalysatoreinrichtung einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102014019483A1
Application number: DE102014019483.3A
Authority: DE
Inventors: Bernd Christner; Alexander Kaiser; Wolfgang Zinser; Frank Hofmann
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-12-23
Filing date: 2014-12-23
Publication date: 2015-06-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Ammoniak-Schlupf einer in einem Abgastrakt (18) einer Verbrennungskraftmaschine (10) angeordneten und von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) durchströmbaren SCR-Katalysatoreinrichtung (30), bei welchem mittels wenigstens eines stromab der SCR-Katalysatoreinrichtung (30) angeordneten Stickoxidsensors (42) ein Stickoxid-Gehalt im Abgas erfasst und ein den erfassten Stickoxid-Gehalt charakterisierendes Signal bereitgestellt wird, welches zum Ermitteln des Ammoniak-Schlupfes genutzt wird mit den Schritten: – Ermitteln wenigstens eines mit einer Varianz einer Vielzahl von unmittelbar hintereinander erfassten und den Ammoniak-Gehalt charakterisierenden Signalwerten des Signals korrelierenden Prüfwerts; – Vergleichen des Prüfwerts mit einem vorgebbaren Schwellenwert; und – Ermitteln des Ammoniak-Schlupfes in Abhängigkeit von dem Vergleich.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Ammoniak-Schlupf einer Katalysatoreinrichtung einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Zur Minderung von Stickoxid-Emissionen (NO_x-Emissionen) einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, eines Kraftwagens wird üblicherweise eine sogenannte SCR-Katalysatoreinrichtung eingesetzt, welche in einem Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Eine solche SCR-Katalysatoreinrichtung nutzt das Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion (SCR), um Abgas der Verbrennungskraftmaschine zu entsticken. Dies bedeutet, dass der Abgastrakt und die SCR-Katalysatoreinrichtung von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbar sind, wobei im Abgas üblicherweise Stickoxide enthalten sind. Mittels der SCR-Katalysatoreinrichtung wird das Abgas gereinigt, wobei zumindest ein Teil der Stickoxide aus dem Abgas entfernt werden.
Hierzu wird dem Abgas ein Reduktionsmittel, insbesondere ein flüssiges Reduktionsmittel, zugemischt. Bei dem Reduktionsmittel handelt es sich beispielsweise um eine Harnstofflösung, insbesondere um eine wässrige Harnstofflösung, welche auch als HWL bezeichnet wird. Bei ausreichender Abgastemperatur zerfällt in der Harnstofflösung enthaltener Harnstoff in Anwesenheit von Wasser zu Isocyansäure und anschließend zu Ammoniak (NH3). Der Ammoniak reduziert mit Hilfe eines SCR-Katalysators der SCR-Katalysatoreinrichtung die im Abgas enthaltenen Stickoxide, sofern katalytisch wirksame Komponenten der SCR-Katalysatoreinrichtung durch eine ausreichende Temperatur chemisch aktiviert wurden. Die Aufbereitungsgeschwindigkeit des Reduktionsmittels zu NH3 infolge von Thermo- und Hydrolyse hängt im Wesentlichen von der Abgastemperatur und dem Massenstrom des Abgases ab.
Unter gewissen Voraussetzungen kann es zu einem sogenannten Ammoniak-Schlupf kommen, welcher auch als NH3-Schlupf bezeichnet wird. Hierbei wird nur ein Teil des im Reduktionsmittel enthaltenen und stromauf der SCR-Katalysatoreinrichtung in das Abgas eingeleiteten Ammoniaks mittels der SCR-Katalysatoreinrichtung umgesetzt. Ziel ist es, den Ammoniak-Schlupf zu vermeiden beziehungsweise so gering wie möglich zu halten.
Der US 2011/0005202 A1 ist ein Verfahren zum Ermitteln von Ammoniak-Schlupf einer in einem Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten und von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren SCR-Katalysatoreinrichtung als bekannt zu entnehmen. Bei dem Verfahren wird mittels wenigstens eines stromab der SCR-Katalysatoreinrichtung angeordneten Stickoxidsensors ein Stickoxid-Gehalt im Abgas erfasst und ein den erfassten Stickoxid-Gehalt charakterisierendes Signal bereitgestellt. Das Signal wird zum Ermitteln des Ammoniak-Schlupfes genutzt. Mit anderen Worten wird der Ammoniak-Schlupf (NH3-Schlupf) in Abhängigkeit von dem Signal ermittelt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem sich Ammoniak-Schlupf einer Katalysatoreinrichtung einer Verbrennungskraftmaschine auf besonders präzise und einfache Weise ermitteln lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich der NH3-Schlupf (Ammoniak-Schlupf) auf besonders präzise und einfache Weise ermitteln lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass wenigstens ein mit einer Varianz einer Vielzahl von unmittelbar hintereinander erfassten und den Ammoniak-Gehalt jeweils charakterisierenden Signalwerten des Signals korrelierender Prüfwert ermittelt wird. Der Prüfwert wird mit einem vorgebbaren Schwellenwert verglichen. Ferner wird der Ammoniak-Schlupf in Abhängigkeit von dem Vergleich ermittelt. Hierdurch ist es möglich, auf besonders präzise und einfache Weise zu ermitteln, ob es tatsächlich zu einem Ammoniak-Schlupf der SCR-Katalysatoreinrichtung kommt oder nicht, sodass dann und insbesondere nur dann entsprechende Maßnahmen zum Verhindern oder Beenden von Ammoniak-Schlupf aktiviert werden können, wenn mittels des Verfahrens ermittelt wurde, dass Ammoniak-Schlupf auch tatsächlich auftritt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens, mit einer SCR-Katalysatoreinrichtung, deren etwaiger Ammoniak-Schlupf mittels eines Verfahrens ermittelt wird;
2 ein Schaubild mit einem Verlauf von Signalwerten zur Veranschaulichung des Verfahrens;
3 ein weiteres Schaubild mit Verläufen von Signalwerten zur Veranschaulichung des Verfahrens;
4 ein weiteres Schaubild mit Verläufen von Signalwerten zur Veranschaulichung des Verfahrens; und
5 ein weiteres Schaubild mit Verläufen von Signalwerten zur Veranschaulichung des Verfahrens.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens. Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist mit einem flüssigen Kraftstoff betreibbar und vorliegend als Dieselmotor ausgebildet. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst ein Zylindergehäuse 12, welches beispielsweise als Zylinderkurbelgehäuse ausgebildet ist und vorliegend vier Brennräume in Form von Zylindern 16 aufweist. Die Zylinder 16 sind in Längsrichtung der Verbrennungskraftmaschine 10 hintereinander und in Reihe angeordnet, sodass die Verbrennungskraftmaschine 10 vorliegend als Reihenmotor und insbesondere als Vier-Zylinder-Reihenmotor ausgebildet ist. Während ihres Betriebs, insbesondere gefeuerten Betriebs, saugt die Verbrennungskraftmaschine 10 über ihren in 1 nicht dargestellten Ansaugtrakt Luft an, welche in die Zylinder 16 einströmt. Ferner wird Kraftstoff in Form von Dieselkraftstoff mittels entsprechender Injektoren in die Zylinder 16 direkt eingespritzt, sodass im jeweiligen Zylinder 16 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch entsteht. Infolge von Selbstzündung verbrennt das jeweilige Kraftstoff-Luft-Gemisch, woraus Abgas entsteht. Das Abgas kann aus den Zylindern 16 aus- und in einen Abgastrakt 18 der Verbrennungskraftmaschine 10 einströmen. Dies bedeutet, dass der Abgastrakt 18 von Abgas durchströmbar ist, dessen Strömungsrichtung in 1 durch einen Richtungspfeil 20 veranschaulicht ist. Ferner veranschaulicht ein Richtungspfeil 22 die Vorwärtsfahrtrichtung des Kraftwagens.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst einen Abgasturbolader, welcher eine im Abgastrakt 18 angeordnete Turbine 24 aufweist. Die Turbine 24 umfasst ein im Abgastrakt 18 angeordnetes Turbinenrad 26, welches von dem Abgas antreibbar ist.
Der Abgasturbolader umfasst einen in 1 nicht dargestellten und im Ansaugtrakt angeordneten Verdichter, welcher ein Verdichterrad zum Verdichten der den Ansaugtrakt durchströmenden Luft umfasst. Das Turbinenrad 26 ist mit einer in 1 nicht dargestellten Welle des Abgasturboladers drehfest gekoppelt, wobei auch das Verdichterrad mit der Welle drehfest gekoppelt ist. Dadurch ist das Verdichterrad von dem Turbinenrad 26 antreibbar, sodass im Abgas enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt werden kann.
Stromab des Turbinenrads 26 ist im Abgastrakt 18 ein Oxidationskatalysator 28 angeordnet, welcher vorliegend als Diesel-Oxidationskatalysator (DOC) ausgebildet ist. Bezogen auf die Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgastrakt 18 ist stromab des Oxidationskatalysators 28 eine SCR-Katalysatoreinrichtung 30 angeordnet, welche zum Entsticken des Abgases dient. Die SCR-Katalysatoreinrichtung 30 ist von dem Abgas durchströmbar. Unter dem Entsticken des Abgases ist zu verstehen, dass zumindest ein Teil von in dem Abgas enthaltenen Stickoxid-Emissionen (NO_x-Emissionen) mittels der SCR-Katalysatoreinrichtung 30 aus dem Abgas entfernt wird. Hierzu umfasst die SCR-Katalysatoreinrichtung einen Dieselpartikelfilter 32 mit einer SCR-Beschichtung (SCR – selektive katalytische Reduktion). Der Dieselpartikelfilter 32 wird auch als sDPF bezeichnet, da er nicht nur als Partikelfilter verwendet wird, sondern auch zum Bewirken der selektiven katalytischen Reduktion dient. Ferner umfasst die SCR-Katalysatoreinrichtung 30 einen SCR-Katalysator 34, welcher vorliegend in Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgastrakt 18 stromab des Dieselpartikelfilters 32 angeordnet ist.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst ferner einen Temperatursensor 36, mittels welchem eine Temperatur des Abgases erfasst und wenigstens ein die erfasste Temperatur charakterisierendes Temperatursignal bereitgestellt wird. Aus 1 ist erkennbar, dass der Temperatursensor 36 stromauf der SCR-Katalysatoreinrichtung 30 und insbesondere stromauf des Dieselpartikelfilters 32 angeordnet ist. Darüber hinaus ist eine Recheneinrichtung in Form eines Motorsteuergeräts 38 vorgesehen, mittels welchem die Verbrennungskraftmaschine 10 geregelt wird. Der Temperatursensor 36 ist elektrisch mit dem Motorsteuergerät 38 verbunden, sodass das Temperatursignal an das Motorsteuergerät 38 übermittelt und von diesem empfangen wird.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst einen ersten Sensor 40 in Form eines ersten NO_x-Sensors, welcher in Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgastrakt 18 vor, das heißt stromauf der SCR-Katalysatoreinrichtung 30 angeordnet ist. Aus 1 ist erkennbar, dass der erste Sensor 40 vorliegend stromauf des Oxidationskatalysators 28 angeordnet ist. Der erste Sensor 40 wird zur Bestimmung der Stickoxid-Rohemission (NO_x-Rohemission) verwendet. Mit anderen Worten wird mittels des stromauf der SCR-Katalysatoreinrichtung 30 angeordneten Sensors 40, welcher auch als Stickoxidsensor bezeichnet wird, ein Stickoxid-Gehalt im Abgas erfasst. Der erste Sensor 40 stellt ein den erfassten Stickoxid-Gehalt charakterisierendes erstes Signal bereit, wobei der erste Sensor 40 mit dem Motorsteuergerät 38 verbunden ist. Das erste Signal wird vom ersten Sensor 40 an das Motorsteuergerät 38 übertragen und von diesem empfangen.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst darüber hinaus einen zweiten Sensor 42 in Form eines zweiten NO_x-Sensors, welcher auch als NO_x-Sensor bezeichnet wird und zur Bestimmung der Stickoxid-Reinemission (NO_x-Reinemission) der Verbrennungskraftmaschine 10 verwendet wird. Mit anderen Worten wird mittels des stromab der SCR-Katalysatoreinrichtung 30 angeordneten zweiten Sensors 42 ein zweiter Stickoxid-Gehalt im Abgas erfasst und ein den erfassten zweiten Stickoxid-Gehalt charakterisierendes zweites Signal bereitgestellt. Der zweite Sensor 42 ist ebenfalls mit dem Motorsteuergerät 38 verbunden, sodass das zweite Signal von dem zweiten Sensor 42 an das Motorsteuergerät 38 übertragen und von diesem empfangen wird. Aus 1 ist erkennbar, dass der zweite Sensor 42 dabei stromab der SCR-Katalysatoreinrichtung 30 angeordnet ist.
Darüber hinaus umfasst die Verbrennungskraftmaschine 10 eine Dosiereinrichtung 44 zum Einbringen eines Reduktionsmittels in Form eines wässrigen Reduktionsmittels in den Abgastrakt 18, sodass das Reduktionsmittel mittels der Dosiereinrichtung 44 dem den Abgastrakt 18 durchströmenden Abgas zugemischt werden kann. Die Dosiereinrichtung 44 umfasst ein Dosierventil 46, mittels welchem das Reduktionsmittel in den Abgastrakt 18 eindosiert wird. Aus 1 ist erkennbar, dass das Dosierventil 46 stromab des Oxidationskatalysators 28 und stromauf der SCR-Katalysatoreinrichtung 30 angeordnet ist, wobei das Dosierventil 46 vorliegend stromauf des Temperatursensors 36 angeordnet ist.
Das Dosierventil 46 ist mit einem Tank 48 verbunden, in welchem das Reduktionsmittel gespeichert wird. Bei dem Reduktionsmittel handelt es sich vorliegend um eine Harnstofflösung, insbesondere eine wässrige Harnstofflösung (HWL), mittels welcher das Abgas entstickt wird. Die Dosiereinrichtung 44 kann wenigstens eine in 1 nicht dargestellte Pumpe umfassen, mittels welcher das Reduktionsmittel vom Tank 48 zum Dosierventil 46 gefördert wird.
Mittels eines Modells, das heißt mittels eines Rechenmodells berechnet das Motorsteuergerät 38 weitere Größen wie beispielsweise den Massenstrom des Abgases, sowie Abgas- und Bauteiltemperaturen, wobei es sich um modellierte Abgas- und Bauteiltemperaturen handelt. Diese Abgas- und Bauteiltemperaturen werden somit nicht mittels eines Sensors erfasst, sondern anhand des Modells mittels des Motorsteuergeräts 38 berechnet. Als weitere Größen berechnet das Motorsteuergerät 38 anhand des Modells beispielsweise die Stickoxid-Emission stromab der SCR-Katalysatoreinrichtung 30 sowie die Beladung der SCR-Katalysatoreinrichtung 30, insbesondere des SCR-Katalysators 34, mit Ammoniak (NH3) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC).
Im Folgenden wird anhand von 1 bis 5 ein Verfahren zum Ermitteln von Ammoniak-Schlupf (NH3-Schlupf) der im Abgastrakt 18 angeordneten SCR-Katalysatoreinrichtung 30 veranschaulicht. Im Rahmen des Verfahrens wird wenigstens ein mit einer Varianz einer Vielzahl von unmittelbar hintereinander erfassten und den zweiten Stickoxid-Gehalt charakterisierenden Signalwerten des zweiten Signals korrelierender Prüfwert ermittelt. Der Prüfwert wird mit einem vorgebbaren Schwellenwert verglichen, wobei der Ammoniak-Schlupf in Abhängig von dem Vergleich des Prüfwerts mit dem vorgebbaren Schwellenwert ermittelt wird.
Die SCR-Katalysatoreinrichtung 30 sowie die Sensoren 40 und 42 sind Bestandteil eines sogenannten SCR-Systems, das zum Entsticken des Abgases genutzt wird. Wird ein solches SCR-System für lange Zeit mit maximalem Wirkungsgrad betrieben, so besteht aufgrund unterschiedlicher Systemtoleranzen wie beispielsweise hinsichtlich der Sensorgenauigkeit, eines Dosierventildrifts, der Katalysatorbeschichtung, Modellungenauigkeiten etc. die Gefahr, dass NH3-Schlupf entsteht. Dabei ist es Ziel, den Ammoniak-Schlupf so gering wie möglich zu halten.
Die verwendeten Sensoren 40 und 42 haben die Eigenschaft, dass sie gegenüber Ammoniak (NH3) querempfindlich sind. Diese Querempfindlichkeit führt dazu, dass sich NH3-Schlupf in einer Erhöhung des beispielsweise vom zweiten Sensor 42 gemessenen beziehungsweise bereitgestellten zweiten Signals auswirkt. Für einen Anstieg des zweiten Signals kann beispielsweise entweder die Stickoxid-Emission oder Ammoniak-Emission die Ursache sein. Dieses Verhalten des jeweiligen Sensors 40 beziehungsweise 42 kann zu Fehldiagnosen und sogenanntem False-MIL führen. Die Kenntnis darüber, ob das Signal beziehungsweise dessen Anstieg durch NO_x oder NH3 erzeugt wird, ist von großer Bedeutung für die Betriebsstrategie des SCR-Systems.
Grundlage des im Folgenden beschriebenen Verfahrens ist, dass der zweite beziehungsweise hintere Sensor 42 beziehungsweise das zweite Signal im dynamischen Verlauf qualitativ dem Verlauf der Rohemission, das heißt dem Verlauf des ersten Signals folgt. Berechnet man beispielsweise den mittleren Wirkungsgrad und verrechnet damit das Rohemissionssignal (erstes Signal), so erhält man nahezu das gleiche Signal wie das des zweiten Sensors 42, wenn Ammoniak-Schlupf nicht auftritt. Tritt jedoch Ammoniak-Schlupf auf, so verläuft das zweite Signal entkoppelt zu dem ersten Signal des vorderen beziehungsweise ersten Sensors 40. Berechnet man nun wieder den Wirkungsgrad und korrigiert das erste Signal damit, dann weichen die beiden Signale deutlich voneinander ab. Berechnet man von beiden Signalen beispielsweise die Standardabweichung und setzt sie ins Verhältnis, so ist das Verhältnis beim Auftreten von NH3-Schlupf klein, das heißt wesentlich kleiner als 1. Tritt jedoch beispielsweise NO_x-Schlupf auf, so ist das Verhältnis zumindest im Wesentlichen 1. Dieses Unterscheidungsmerkmal wird genutzt, um Ammoniak-Schlupf zu erkennen.
Zur Realisierung des Verfahrens kommt beispielsweise ein Algorithmus zur Erkennung von Ammoniak-Schlupf zum Einsatz. Wird Ammoniak-Schlupf sicher erkannt, so kann die Robustheit des Gesamtsystems gesteigert werden. Diagnosen können dabei vorübergehend gesperrt werden, um Fehldiagnosen (False-MIL) zu vermeiden. Langzeit-Korrekturfunktionen können häufige Schlupfereignisse zum Reduzieren der Dosiermenge nutzen. Der Algorithmus stützt sich dabei nur auf die von den beiden Sensoren 40 und 42 bereitgestellten Signale, welche auch als NO_x-Sensorsignale bezeichnet werden.
Vorteil des Verfahrens ist, dass es besonders robust ist, insbesondere im Vergleich zu anderen Verfahren wie beispielsweise der Kreuzkorrelation. Im Rahmen des Verfahrens kann eine gleitende Mittelwertbildung zum Einsatz kommen, wodurch eine nur gering Abhängigkeit von der jeweiligen Signalform geschaffen werden kann. Ferner kann es sich bei dem Verfahren um ein passives Verfahren handeln, sodass es in einem besonders weiten Betriebsbereich angewendet werden kann. Hierbei ist keine Modulation oder aktive Anregung notwendig. Ferner kann das Verfahren bezüglich Rechenzeit und Speicher besonders ressourcenschonend durchgeführt werden. Mit anderen Worten basiert das Verfahren darauf, Schwankungen des jeweiligen Signals auszuwerten und dadurch zu unterscheiden, ob NH3- oder NO_x-Schlupf auftritt. Dadurch können Fehldiagnosen vermieden werden. Ferner kann das Risiko von NH3-Schlupf besonders gering gehalten werden.
Das Verfahren kann beispielsweise zum Einsatz kommen, um NH3-Schlupf zu Adaptionszwecken zu erkennen. Insbesondere ist es möglich, um zwischen NH3-Schlupf und NO_x-Schlupf im zweiten Signal unterscheiden zu können, um auf aktive Plausibilisierungsmaßnahmen verzichten zu können. Ferner kann das Verfahren zum Einsatz kommen, um den SCR-Katalysator 34 „leerzufahren”. Hierbei weist das Motorsteuergerät 38 eine Funktion auf, welche zyklisch oder auf Anforderung den Ammoniak-Füllstand des SCR-Katalysators 34 abbaut, damit ein Füllstandsmodell und ein physikalischer Füllstand des SCR-Katalysators 34 zurückgesetzt, das heißt resetiert werden. Das Verfahren kommt hierbei zum Einsatz, um einen Stickoxid-Durchbruch sicher von NH3-Schlupf differenzieren zu können und somit einen nur minimalen negativen NO_x-Emissionseinfluss durch die Funktion zu bekommen. Ferner ist es möglich, den SCR-Katalysator 34 zu vermessen, um die NH3-Speicherkapazität zu ermitteln. Dazu muss durch eine Überdosierung gezielt Ammoniak-Schlupf erzeugt werden. Die Ausmessung wird beendet, sobald Ammoniak-Schlupf detektiert wird.
Darüber hinaus ist eine Stickoxid-Offset-Diagnose des hinteren zweiten Sensors 42 durchführbar. Ein solches Offset des zweiten Sensors 42 wirkt sich gleich aus wie das Messen beziehungsweise Erfassen von Ammoniak-Schlupf. In Bereichen, in denen Ammoniak-Schlupf ausgeschlossen werden kann, ist es möglich, die Offset-Diagnose durchzuführen. Alternativ oder zusätzlich lässt sich eine Ammoniak-Schlupfregelung realisieren, um bei SCR-Katalysatoren mit geringer Speicherkapazität maximalen Stickoxid-Umsatz zu erzielen. Hierbei kommt beispielsweise eine Regelung zum Beispiel auf 10 ppm (parts per million) Ammoniak-Schlupf zum Einsatz. Außerdem lässt sich ein Beladungsbeobachter für die Ammoniak-Beladung des SCR-Katalysators 34 realisieren. Ferner ist es möglich, eine DOC- und/oder NSK-Diagnose zu realisieren (NSK – NO_x-Speicherkatalysator). Voraussetzung hierfür ist, dass sich der Sensor 40, welcher als NO_x-Rohemissionssensor verwendet wird, vor, das heißt stromauf des Oxidationskatalysators 28 (DOC) beziehungsweise des NO_x-Speicherkatalysators (NSK) befindet. Der verwendete DOC sowie Stickoxid-Speicherkatalysatoren an sich besitzen die Fähigkeit, Stickoxide (NO_x) vorübergehend einzuspeichern. Dieses Einspeicherverhalten kann im transienten fahrbetrieb durch das Verfahren erkannt werden. Es sollte möglich sein, bei geringen SCR-Wirkungsgraden eine Diagnose von DOC/NSK durchzuführen.
Insgesamt ist es möglich, mittels des Verfahrens die SCR-Katalysatoreinrichtung 30 in Bezug auf Ammoniak-Schlupf zu überwachen. Eine zuverlässige Überwachung der SCR-Katalysatoreinrichtung 30 mittels des nachgeschalteten Sensors 42 mit Querempfindlichkeit gegenüber Ammoniak ist üblicherweise problematisch, da aufgrund der Querempfindlichkeit das zweite Signal nicht einfach zu interpretieren ist. Das heißt, dass es häufig unklar ist, ob das zweite Signal durch Stickoxide oder Ammoniak im Abgas verursacht beziehungsweise beeinträchtigt wird. Der erste Fall deutet auf eine zu geringe Dosierung von Reduktionsmittel hin, der zweite Fall auf eine zu hohe Dosierung.
Zur Lösung dieses Problems wird das zweite Signal des zweiten Sensors 42 in Bezug auf seine Dynamik beziehungsweise Schwankungen oder Streubreite bewertet. Insbesondere erfolgt eine Bewertung der Dynamik beziehungsweise Schwankungen beziehungsweise Streubreite des zweiten Signals des zweiten Sensors 42 in Bezug auf eine Dynamik beziehungsweise Schwankung oder Streubreite des ersten Signals des ersten Sensors 40.
Das Verfahren beruht dabei auf der Erkenntnis, dass eine ansonsten vorhandene Korrelation der beiden Signale des ersten Sensors 40 und des zweiten Sensors 42 im Falle von Ammoniak-Schlupf verloren geht. Insbesondere wurde festgestellt, dass bei Auftreten von Ammoniak-Schlupf das zweite Signal des zweiten Sensors 42 eine verringerte Dynamik, Schwankung oder Streubreite aufweist.
Die Vorgehensweise im Rahmen des Verfahrens besteht darin, dass ein mit der Varianz einer Vielzahl von unmittelbar hintereinander erfassten Signalwerten des zweiten Signals des zweiten Sensors 42 korrelierender Prüfwert ermittelt wird. Speziell wird dieser Prüfwert ermittelt, indem die Varianz auf eine Varianz eines Schätzwerts für das zweite Signal, insbesondere wenigstens einen Signalwert des zweiten Signals und vorzugsweise für eine Mehrzahl von Signalwerten des zweiten Signals des zweiten Sensors 42 bezogen wird. Dabei kann eine Glättung für einen bei der Ermittlung der Varianzen jeweils herangezogenen Mittelwert erfolgen. Dabei korreliert der Schätzwert für den Signalwert des zweiten Signals beziehungsweise des zweiten Sensors 42 mit einem insbesondere gleitenden Mittelwert für einen aus Signalwerten des ersten Signals des ersten Sensors 40 und des zweiten Signals des zweiten Sensors 42 ermittelten rechnerischen Stickoxid-Umsatz (NO_x-Umsatz) der SCR-Katalysatoreinrichtung 30.
Weicht der Prüfwert um mehr als ein vorgebbares Maß von einem vorgebbaren Grenzwert ab beziehungsweise unterschreitet der Prüfwert den Grenzwert um ein vorgebbares Maß, so wird angenommen, dass der hintere zweite Sensor 42 Ammoniak beziehungsweise Ammoniak-Schlupf misst. Im anderen Fall wird angenommen, dass der zweite Sensor 42 Stickoxide misst. Speziell wird folgende Vorgehensweise vorgeschlagen: Zu direkt aufeinanderfolgenden, vorzugsweise äquidistanten Zeitpunkten t_i mit einer Frequenz von beispielsweise etwa 10 Hertz erfolgen:

– eine Abtastung von Signalwerten S1(t_i) und S2(t_i) des ersten Signals und des zweiten Signals. Die abgetasteten Signalwerte werden in einen Speicher (beispielsweise des Motorsteuergeräts 38) geschrieben, was auch für die im Folgenden genannten errechneten Werte gilt;
– eine fortlaufende Berechnung von Werten eines gleitenden Mittelwerts Øη für den Stickoxid-Umsatz beziehungsweise Wirkungsgrad der SCR-Katalysatoreinrichtung 30 aus dem Wertekollektiv von jeweils n (n circa 100) abgespeicherten Werten S1(t_i) und S2(t_i), welche beginnend vom jeweiligen aktuellen Zeitpunkt t₀ in n zurückliegenden, direkt aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t_i ermittelt wurden. Der gleitende Mittelwert kann als arithmetischer Mittelwert gemäß: Øη(ti) = 1 / n + 1Σ –n / i = 01 – S2(ti) / S1(ti) (1) ermittelt werden. Besonders bevorzugt ist die Ermittlung eines gleitenden Mittelwerts Øη für den Stickoxid-Umsatz mittels einer sogenannten exponentiellen Glättung gemäß: Øη(ti) = α·η(ti) + (1 – α)·Øη(ti – 1) (2) Dabei ist α ein vorgebbarer Glättungsfaktor mit 0 < α < 1. Typischerweise liegt α in der Größenordnung von 0,01 entsprechend einer Mittelungszeit von 10 Sekunden. Die Methode der exponentiellen Glättung zur Ermittlung eines gleitenden Mittelwerts hat den Vorteil eines geringeren Speicheraufwands für zur Mittelung herangezogener Werte, da jeder Wert für den gleitenden Mittelwert Øη(t_i) sich aus dem Vorgängerwert Øη(t_i-1) berechnet. (Bis auf den ältesten Wert des Wertkollektivs zur Ermittlung von Øη(t_i-1), welcher durch den neusten Wert ersetzt wird, sind die Werte, aus denen sich Øη(t_i) ermittelt, mit den Werten zur Ermittlung von Øη(t_i-1) identisch). Somit steht zu jedem aktuellen Zeitpunkt t₀ ein neu ermittelter, aktueller Wert Øη(t₀) für den gleichen Mittelwert zur Verfügung. Dabei ist klar, dass im Falle von Ammoniak-Schlupf der (gleitende) Mittelwert nur einen scheinbaren Stickoxid-Umsatz angibt, da ausgangsseitig der SCR-Katalysatoreinrichtung 30 nicht etwa unumgesetztes NO_x, sondern vielmehr Ammoniak vom zweiten Sensor 42 erfasst wird;
– eine fortlaufende Berechnung von Schätzwerten S2_est(t_i) für Signalwerte des zweiten Sensors 42 beziehungsweise dessen zweiten Signals aus den zum jeweiligen aktuellen Zeitpunkt t₀ vorliegenden Werten für Øη und S1(t_i) gemäß: S2_est(ti) = (1 – Øη(t_i)·S1(t_i) (3)
– eine fortlaufende Berechnung von gleitenden Mittelwerten ØS2 und ØS2_est für das erfasste Sensorsignal S2 des zweiten Sensors 42 und dessen Schätzwert S2_est gemäß (3). Dabei kann die Berechnung des jeweiligen gleitenden Mittelwerts entsprechend der oben genannten Vorgehensweise für den Stickoxid-Umsatz η erfolgen;
– eine fortlaufende Ermittlung der Varianzen Var(S2) und Var(S2_est) des Sensorsignals 2 des zweiten Sensors 42 und dessen Schätzwert S2_est(t_i) aus den Abweichungen der Sensorsignale S2 (t₁) und dessen Schätzwert S2_est(t_i) von den jeweils zugeordneten gleitenden Mittelwerten ØS2 und ØS2_est. Die Varianzen sind bekanntlich Mittelwerte beziehungsweise Erwartungswerte. Es ist vorgesehen, auch für die Varianzen Var(S2) und Var(S2_est) eine Glättung, insbesondere eine exponentielle Glättung, vorzunehmen;
– eine fortlaufende Ermittlung von Prüfwerten RMS gemäß: RMS = Var(S2)/Var(S2_est) (4) Dabei werden vorzugsweise bevorzugt die insbesondere durch exponentielle Glättung gebildeten geglätteten Werte der Varianzen Var(S2) und Var(S2_est) eingesetzt.

Die Varianzen Var(S2) und Var(S2_est) sind jeweils Maß für eine Streuung des Sensorsignals S2(t_i) des zweiten Signals des zweiten Sensors 42 und dessen Schätzwert S2_est(t_i). Liegt deren Verhältnis, das heißt der Prüfwert RMS (für eine vorgebbare Zeitspanne) um ein vorgebbares Maß unterhalb eines Grenzwerts von vorzugsweise 1,0, wird das Signal S2 des zweiten Sensors 42 als auf Ammoniak beruhend angesehen. Andernfalls wird es als auf NO_x beruhend angesehen. Im ersten Fall kann ein Kontrollsignal (NH3-slip-flag) generiert werden. Liegt nämlich RMS deutlich unterhalb von 1,0, so bedeutet dies, dass der Signalwert S2 des zweiten Sensors 42 deutlich weniger stark streut, das heißt wesentlich träger ist als der Signalwert S1 des ersten Sensors 40. Dies ist nach neuen Erkenntnissen ein deutliches Signal für Ammoniak-Schlupf.
In 2 bis 5 sind beispielhaft zeitliche Verläufe von Signalwerten und berechneten Werten dargestellt. 2 zeigt einen Verlauf 50 eines mittels des Sensors 42 gemessenen Konzentrationswerts während eines Tests mit vorgebbaren Testbedingungen.
3 zeigt einen Verlauf 52, welcher den parallel erfassten Stickoxid-Gehalt im Abgas stromab der SCR-Katalysatoreinrichtung 30 darstellt, wobei es sich um einen Messwert eines separaten Stickoxid-Sensors ohne Querempfindlichkeit gegenüber Ammoniak handelt. Ferner zeigt 3 einen Verlauf 52, welcher einen parallel erfassten Ammoniak-Gehalt im Abgas stromab der SCR-Katalysatoreinrichtung 30 darstellt, wobei es sich um einen Messwert eines separaten Ammoniak-Sensors handelt.
Auf der jeweiligen Abszisse des Schaubilds ist die Zeit in Sekunden aufgetragen. Im Bereich zwischen etwa 1.200 Sekunden und etwa 2.500 Sekunden erfolgte eine Überdosierung von Dosiermittel mittels der Dosiereinrichtung 44, wodurch die SCR-Katalysatoreinrichtung 30 mit einem Reduktionsmittelüberschuss beaufschlagt wurde. Als Folge hiervon tritt Ammoniak-Schlupf auf. Ab circa 2.400 Sekunden wurde die Reduktionsmitteldosierung verringert, weshalb der Stickoxid-Gehalt stromab der SCR-Katalysatoreinrichtung 30 zunimmt. Aus den Verläufen 52 und 54 geht hervor, dass der hintere zweite Sensor 42 sowohl NO_x als auch NH3 erfasst. Die vom hinteren zweiten Sensor 42 gemessene Konzentration entspricht etwa der Summe der tatsächlich vorhandenen Konzentrationen von NO_x und NH3.
4 zeigt einen Verlauf 56, welcher die Varianz Var(S2) für den Signalwert S2 des zweiten Sensors 42 darstellt. Ferner zeigt 4 einen Verlauf 58, welcher die Varianz Var(S2_est) für den Schätzwert S2_est gemäß obiger Formel (2) darstellt. Es ist erkennbar, dass die Varianzen Var(S2) und Var(S2_est) bei Abwesenheit von Ammoniak-Schlupf etwa annähernd gleichlaufend sind, bei Anwesenheit von Ammoniak-Schlupf jedoch auseinanderfallen und nicht korrelieren.
5 zeigt einen Verlauf 60, welcher der zeitliche Verlauf des Varianzverhältnisses Var(S2)/Var(S2_est) darstellt, wobei das genannte Varianzverhältnis der Prüfwert RMS ist. Bei Auftreten von Ammoniak-Schlupf ist der Prüfwert RMS vergleichsweise niedrig. Insbesondere liegt er dann meist unterhalb von 1,0. Tritt wenig oder kein Ammoniak-Schlupf auf und der hintere zweite Sensor 42 liefert als Messwert wenigstens annähernd die tatsächliche Stickoxid-Konzentration im Abgas, so ist der Prüfwert RMS hingegen größer. Insbesondere liegt er nahe bei 1,0 oder darüber. Ferner zeigt 5 einen Verlauf 62, welcher das entsprechende Kontrollsignal NH3-slip-flag darstellt, welches erzeugt beziehungsweise ausgegeben werden kann, wenn der Prüfwert RMS um ein vorgebbares Maß unterhalb des Grenzwerts von vorliegend etwa 1,0 liegt, wodurch das tatsächliche Vorhandensein von Ammoniak-Schlupf erfasst wird.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschine
12: Zylindergehäuse
16: Zylinder
18: Abgastrakt
20: Richtungspfeil
22: Richtungspfeil
24: Turbine
26: Turbinenrad
28: Oxidationskatalysator
30: SCR-Katalysatoreinrichtung
32: Dieselpartikelfilter mit SCR-Beschichtung
34: SCR-Katalysator
36: Temperatursensor
38: Motorsteuergerät
40: erster Sensor
42: zweiter Sensor
44: Dosiereinrichtung
46: Dosierventil
58: Tank
50: Verlauf
52: Verlauf
54: Verlauf
56: Verlauf
58: Verlauf
60: Verlauf
62: Verlauf

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2011/0005202 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Ermitteln von Ammoniak-Schlupf einer in einem Abgastrakt (18) einer Verbrennungskraftmaschine (10) angeordneten und von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) durchströmbaren SCR-Katalysatoreinrichtung (30), bei welchem mittels wenigstens eines stromab der SCR-Katalysatoreinrichtung (30) angeordneten Stickoxidsensors (42) ein Stickoxid-Gehalt im Abgas erfasst und ein den erfassten Stickoxid-Gehalt charakterisierendes Signal bereitgestellt wird, welches zum Ermitteln des Ammoniak-Schlupfes genutzt wird, gekennzeichnet durch die Schritte: – Ermitteln wenigstens eines mit einer Varianz einer Vielzahl von unmittelbar hintereinander erfassten und den Ammoniak-Gehalt charakterisierenden Signalwerten des Signals korrelierenden Prüfwerts; – Vergleichen des Prüfwerts mit einem vorgebbaren Schwellenwert; und – Ermitteln des Ammoniak-Schlupfes in Abhängigkeit von dem Vergleich.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Vorhanden-Sein von Ammoniak-Schlupf rückgeschlossen wird, wenn eine Abweichung des Prüfwert von dem Schwellenwert ein vorgebbares Maß überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfwert ermittelt wird, indem die Varianz auf eine Varianz eines Schätzwerts für das Signal, insbesondere für die jeweiligen Signalwerte, des Sensors bezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der jeweiligen Varianzen wenigstens ein jeweiliger Mittelwert herangezogen wird, welcher geglättet wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels wenigstens eines stromauf der SCR-Katalysatoreinrichtung (30) angeordneten weiteren Stickoxidsensors (40) ein weiterer Stickoxid-Gehalt im Abgas erfasst und ein den erfassten weiteren Stickoxid-Gehalt charakterisierendes weiteres Signal bereitgestellt wird, wobei der Schätzwert mit einem, insbesondere gleitenden, Mittelwert für einen aus Signalwerten des ersten Signals und Signalwerten des weiteren Signals ermittelten rechnerischen Stickoxid-Umsatz der SCR-Katalysatoreinrichtung korreliert.
Verbrennungskraftmaschine (10) für einen Kraftwagen, welche zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.