DE102014205434A1

DE102014205434A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Detektion eines Ammoniak-Schlupfes in einem Abgasnachbehandlungssystem

Info

Publication number: DE102014205434A1
Application number: DE102014205434.6A
Authority: DE
Inventors: Martin Seidl; Matthias Burger; Torsten Handler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-03-24
Filing date: 2014-03-24
Publication date: 2015-09-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion eines Ammoniak-Schlupfes in einem Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine, welches einen SCR-Katalysator aufweist und bei dem zur Stickoxidreduktion eine Ammoniak-abspaltende Reduktionsmittellösung in Strömungsrichtung des Abgases vor dem SCR-Katalysator dem Abgasstrom mittels einer Dosiereinheit zudosiert wird, wobei eine Querempfindlichkeit gegenüber Stickoxiden und Ammoniak von mindestens einem als NOx-Sensor ausgebildeten Abgassensor, welcher in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem SCR-Katalysator im Abgaskanal angeordnet ist, genutzt wird, um einen Ammoniak-Durchbruch zu detektieren. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zur Plausibilisierung des Ammoniak-Schlupfes ein Differenzsignal gebildet wird, indem von dem Ausgangssignal des Abgassensors hinter dem SCR-Katalysator als Maß für die Summe einer Stickoxid- und einer Ammoniak-Konzentration ein Wert für die NOx-Konzentration vor dem SCR-Katalysator abgezogen wird, und der zeitliche Verlauf des Differenzsignals oder der Verlauf daraus abgeleiteter Größen ausgewertet und mit applizierbaren Grenzwerten verglichen wird. Im Unterschied zu gängigen Verfahren kann damit eine raschere Plausibilisierung eines Ammoniak-Schlupfes bei z.B. einem Fehler in der Dosiereinheit erzielt werden, was hinsichtlich einer schnelleren Einleitung von Gegenmaßnahmen vorteilhaft ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion eines Ammoniak-Schlupfes in einem Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine, welches einen SCR-Katalysator aufweist und bei dem zur Stickoxidreduktion eine Ammoniak-abspaltende Reduktionsmittellösung in Strömungsrichtung des Abgases vor dem SCR-Katalysator dem Abgasstrom mittels einer Dosiereinheit zudosiert wird, wobei eine Querempfindlichkeit gegenüber Stickoxiden und Ammoniak von mindestens einem als NO_x-Sensor ausgebildeten Abgassensor, welcher in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem SCR-Katalysator im Abgaskanal angeordnet ist, genutzt wird, um einen Ammoniak-Durchbruch zu detektieren.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung, insbesondere eine Diagnoseeinheit, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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 OBD-Grenzwerte, die meist als ein Vielfaches des Emissionsgrenzwertes angegeben werden.
Im Zusammenhang mit gesetzlichen Vorgaben bezüglich der Stickoxidemission von Kraftfahrzeugen ist eine entsprechende Abgasnachbehandlung erforderlich. Die selektive katalytische Reduktion (SCR) kann zur Verringerung der NO_x-Emission (Entstickung) von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Dieselmotoren, mit zeitlich überwiegend magerem, d.h. sauerstoffreichem Abgas eingesetzt werden. Hierbei wird dem Abgas eine definierte Menge eines selektiv wirkenden Reduktionsmittels zugegeben. Dies kann beispielsweise in Form von Ammoniak (NH₃) sein, welches direkt gasförmig zu dosiert wird, oder auch aus einer Vorläufersubstanz in Form von Harnstoff oder aus einer Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) gewonnen wird. Derartige HWL-SCR-Systeme sind erstmalig im Nutzfahrzeugsegment eingesetzt worden.
In der DE 10139142 A1 ist ein Abgasreinigungssystem einer Brennkraftmaschine beschrieben, bei dem zur Verringerung der NO_x-Emission ein SCR-Katalysator eingesetzt ist, der die im Abgas enthaltenen Stickoxide mit dem Reagenzmittel Ammoniak zu Stickstoff reduziert. Das Ammoniak wird in einem stromaufwärts vor dem SCR-Katalysator angeordneten Hydrolyse-Katalysator aus der Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) gewonnen. Der Hydrolyse-Katalysator setzt den in der HWL enthaltenen Harnstoff in Ammoniak und Kohlendioxid um. In einem zweiten Schritt reduziert das Ammoniak die Stickoxide zu Stickstoff, wobei als Nebenprodukt Wasser erzeugt wird. Der genaue Ablauf ist in der Fachliteratur hinreichend beschrieben worden (vgl. WEISSWELLER in CIT (72), Seite 441–449, 2000). Die HWL wird in einem Reagenzmitteltank bereitgestellt.
Für eine optimale Funktion des SCR-Katalysators ist ein gewisses Verhältnis von NO und NO₂ zu NH₃ im Abgas notwendig. Für die Bereitstellung der geeigneten NH₃-Konzentration ist ein Dosiersystem notwendig. Bei Fehlfunktionen dieses Dosiersystems kann es zu einem unerwünschten Ammoniak-Schlupf kommen. Ammoniak kann neben seinem unangenehmen Geruch in bereits niedrigen Konzentrationen führen und muss daher möglichst vermieden werden.
Um die gesetzlichen Vorschriften bezüglich der NO_x-Emission und der OBD-Anforderungen erfüllen zu können, ist in allen Fahrzeugen mit einem SCR-System ein NO_x-Sensor nach dem SCR-Katalysator zwingend erforderlich. Alle derzeit am Markt verfügbaren amperometrischen NO_x-Sensoren zeigen prinzipbedingt auch eine gewisse Querempfindlichkeit gegenüber Ammoniak. Derartige Sensoren sind üblicherweise als Doppelkammersensoren bekannt. Das Stickoxid-Sauerstoffgemisch passiert bei diesem Sensor zwei Kammern. Da der Sauerstoff die Stickoxidmessung beeinflusst, muss dieser entfernt werden. Dies übernimmt eine elektrische Spannung in der ersten Kammer. Sie zerlegt die O₂-Moleküle in Ionen. Diese durchdringen den aus ZrO₂ bestehenden Festelektrolyten. In der zweiten Kammer wird das zurückbleibende Stickoxid in Stickstoff und Sauerstoff gespalten. Dabei fließt ein Strom, der proportional zur Konzentration des Stickoxids im Abgas ist. Ablagerungen bzw. Verschmutzungen können bei diesen Sensoren die Dynamik der Diffusion stark beeinflussen, so dass das resultierende Sensor-Signal fehlerhaft sein kann.
Die Schrift DE 10 2009 012 092 A1 beschreibt ein Verfahren zur Anwendung in Verbindung mit einer Abgasnachbehandlungsanlage zur Dosierung eines ammoniakabspaltenden Reduktionsmittels in den Abgasstrom einer in einem Fahrzeug verbauten mit Luftüberschuss betriebenen Brennkraftmaschine, wobei ein Steuergerät in Abhängigkeit von einem gespeicherten Modell die Reduktionsmittelmenge zumisst und während des Betriebs der Brennkraftmaschine die Dosiermenge in bestimmten Betriebsphasen definiert variiert und die Veränderung des Messwertes wenigstens eines stromab des SCR-Katalysators angeordneten NO_x-Sensors mit einem Erwartungswert, den das Steuergerät aus der Größe der Variation ermittelt, vergleicht. Aus dem Grad der Übereinstimmung zwischen dem Erwartungswert und dem mittels des NO_x-Sensors ermittelten Istwert wird auf das Vorhandensein von NO_x und/oder NH₃ geschlossen. Das Variieren der Dosiermenge wird so lange fortgeführt, bis entweder die NO_x-Sollkonzentration oder der daraus ermittelte NO_x-Sollumsatz erreicht sind oder durch Abweichung des Istwerts vom Erwartungswert auf das Vorhandensein von NH₃ geschlossen wird oder der Istwert und damit die Summe aus NO_x und NH₃ ein Minimum oder einen vorgebbaren Wert erreicht.
In der DE 10 2005 050 709 A1 wird ein Verfahren zum optimierten Betrieb eines Abgasnachbehandlungssystems einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen. Das Abgasnachbehandlungssystem weist dabei einen SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, eine Reduktionsmittelzugabevorrichtung stromauf des SCR-Katalysators, einen stromab des SCR-Katalysators angeordneten, gegenüber Stickoxiden und Ammoniak empfindlichen Abgassensor und eine Steuervorrichtung zur Regelung der Reduktionsmittelzugabevorrichtung, basierend auf einem Ammoniakfüllstandsmodell des SCR-Katalysators, derart, dass der Ammoniakfüllstand des SCR-Katalysators auf einen vorgebbaren Sollfüllstand eingeregelt wird, auf. Das Betriebsverfahren enthält die Schritte des Erfassens eines Ausgangssignals des Abgassensors stromab des SCR-Katalysators während eines Schubbetriebs der Brennkraftmaschine und, falls das erfasste Ausgangssignal einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, des Anpassens des aktuellen modellierten Ammoniakfüllstands des SCR-Katalysators an einen vorbestimmten Grenzfüllstand.
Wie in der DE 10 2009 012 092 A1 wird auch in der DE 10 2005 050 709 A1 vor dem Einleiten von stickoxidreduzierenden Maßnahmen eine Plausibilisierung durchgeführt, ob es sich bei dem Sensorsignal des Abgassensors um Stickoxide oder um Ammoniak handelt. Dazu wird die Stickoxidkonzentration stromabwärts des SCR-Katalysators während eines Schubbetriebs der Brennkraftmaschine, d.h. während einer Phase, in der keine Kraftstoffeinspritzung stattfindet, ausgewertet. Zeigt die gemessene Stickoxidkonzentration im Schubbetrieb Werte größer Null, so handelt es sich eindeutig um einen Ammoniak-Schlupf.
In der WO 2007 028 677 A1 ist beispielhaft ein weiteres Verfahren beschrieben, das ein möglichst optimales Abgas-Reinigungsergebnis bei einem minimalen Reagenzmittelschlupf ermöglichen soll.
Nachteilig bei all diesen zuvor beschriebenen Verfahren ist die zuvor bereits erwähnte Querempfindlichkeit des Stickoxid-Sensors und die damit verbundene Problematik, einen NH₃-Schlupf schnell und eindeutig zu erkennen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Diagnose eines NH₃-Schlupfes möglichst rasch zu plausibilisieren, daraus ggf. auf einen NH₃-Schlupf zu schließen und entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 11 gelöst.
Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass zur Plausibilisierung des Ammoniak-Schlupfes ein Differenzsignal gebildet wird, indem von dem Ausgangssignal des Abgassensors hinter dem SCR-Katalysator als Maß für die Summe einer Stickoxid- und einer Ammoniak-Konzentration ein Wert für die NO_x-Konzentration vor dem SCR-Katalysator abgezogen wird, und der zeitliche Verlauf des Differenzsignals oder der Verlauf daraus abgeleiteter Größen ausgewertet und mit applizierbaren Grenzwerten verglichen wird. Vorteilhaft ist hierbei, dass dieses Verfahren ohne zusätzliche Hardware auskommt und daher sehr einfach in z.B. ein bestehendes Motorsteuersystem implementiert werden kann. Zudem zeichnet sich das Verfahren durch eine hohe Diagnosegüte aus, so dass ein Ammoniak-Schlupf sicher detektiert werden kann. Da dieses Verfahren auf eine Korrektursignalermittlung verzichtet, reagiert es bei entsprechender Ausgestaltung schneller als die gängigen Verfahren zum Regeln der Reagenzmitteldosierung. Das vorgeschlagene Verfahren ist hierbei unabhängig vom Plausibilisieren der Hardware des Reagenzmittel-Dosiersystems.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die NO_x-Konzentration vor dem SCR-Katalysator aus einem Modell berechnet oder mit einem als NO_x-Sensor ausgebildeten Abgassensor, welcher in Strömungsrichtung des Abgases vor dem SCR-Katalysator angeordnet ist, bestimmt wird. Hiermit lässt sich eine hohe Diagnosegüte erzielen, da Störeinflüsse, die sich bereits vor dem SCR-Katalysator mit einem erhöhten NO_x-Gehalt bemerkbar machen, erkannt und bei der Diagnose entsprechend berücksichtigt werden. Damit können Fehler vermieden werden.
In einer Verfahrensvariante ist vorgesehen, einen zu erwartenden Umsetzungswirkungsgrad für den SCR-Katalysator bei der Differenzbildung als Korrekturwert zu berücksichtigen. Dadurch können einerseits Störeinflüsse durch einen möglicherweise betriebspunktabhängigen Wirkungsgrad des SCR-Katalysators bei der Plausibilisierung eines Ammoniak-Schlupfes mit berücksichtigt werden, so dass Fehlinterpretationen deutlich reduziert werden können. Andererseits kann damit die Genauigkeit des Verfahrens gesteigert werden.
In einer bevorzugten Verfahrensvariante wird ein zeitlicher Gradient aus dem Differenzsignal gebildet und mit einem applizierbaren differenziellen Grenzwert verglichen, wobei bei Überschreitung dieses differenziellen Grenzwertes ein Ammoniak-Schlupf detektiert wird. Man nutzt hierbei die Tatsache aus, dass ein NO_x-Konzentrationsanstieg im Abgas nicht all zu steil verläuft, d.h. der Gradient bestimmte Grenzen nicht überschreitet. Würde dagegen ein steiler Signalanstieg verzeichnet, d.h. der Gradient des Differenzsignals nimmt stark zu, muss man von einem NH₃-Durchbruch ausgehen. Der Grenzwert ist hierbei allerdings für jede Fahrzeugklasse spezifisch zu applizieren.
Eine ebenfalls vorteilhafte Verfahrensvariante sieht vor, dass das Differenzsignal mit einem applizierbaren absoluten Grenzwert verglichen wird, wobei bei Überschreitung dieses absoluten Grenzwertes ein Ammoniak-Schlupf detektiert wird. Hierbei wird ausgenutzt, dass der NO_x-Gehalt im Abgas für einen geregelten Bereich innerhalb z.B. des Messbereichs für den Abgassensor liegt, wobei der NO_x-Anteil üblicherweise deutlich enger begrenzt ist. Steigt das Differenzsignal über einen derartigen absoluten Grenzwert, ist daher sicher von einem Ammoniak-Schlupf auszugehen. Die zu definierende Grenze der Differenz ist abhängig von einem plausiblen NO_x-Anteil im Abgas, vom vertretbaren NH3-Schlupf und vom Messbereich der Abgassensoren.
Ein weiteres vorteilhaftes Verfahren sieht vor, dass ein zeitlicher Integralwert aus dem Differenzsignal gebildet und mit einem applizierbaren integralen Grenzwert verglichen wird, wobei bei Überschreitung dieses integralen Grenzwertes ein Ammoniak-Schlupf detektiert wird. Hierbei können kurzfristig höhere NH₃-Konzentrationen, welche im Abgas weniger schädlich sind, mittels dieser Integralbildung toleriert werden. Der zu definierende Grenzwert des Integrals ist abhängig vom plausiblen NO_x-Anteil im Abgas und vom vertretbaren NH₃-Schlupf.
Werden die zuvor genannten Verfahrensvarianten miteinander kombiniert, kann die Genauigkeit der Diagnose erhöht werden. So können Sondereffekte, die sich ggf. störend bei einer der Auswertevarianten auswirken können, mittels der jeweils anderen Verfahrensvariante überprüft und ggf. das Ergebnis korrigiert werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die o.g. Grenzwerte zumindest zeitlich begrenzt abhängig von Betriebszuständen der Brennkraftmaschine appliziert werden. Insbesondere während Betriebsphasen, z.B. während der Regenerationsphase eines Partikelfilters, bei denen aufgrund von besonderen Einstellungen ein höherer NO_x-Gehalt und/ oder ein NH₃-Gehalt üblich ist und sich auch nicht vermeiden lässt, können Fehlermeldungen hinsichtlich eines NH₃-Schlupfes vermieden werden.
Aufgrund der raschen Detektion eines Ammoniak-Schlupfes sieht das Verfahren vor, dass bei einem detektierten Ammoniak-Schlupf Maßnahmen zur Begrenzung des Ammoniak-Schlupfes umgehend eingeleitet werden können, bevor eine Geruchsbelästigung oder gar eine massive Ammoniak-Freisetzung auftreten kann.
Dabei ist vorgesehen, dass die Maßnahmen einen mehrstufigen Prozess umfassen, der teilweise oder vollständig durchlaufen wird, abhängig davon, welchen Umfang der detektierte Ammoniak-Schlupf aufweist. Dieser mehrstufige Prozess kann in der ersten Stufe zunächst eine Unterbindung der Reagenzmittel-Zudosierung umfassen. Wird weiterhin noch ein Ammoniak-Schlupf detektiert, kann in der zweiten Stufe die Abgastemperatur generell herab gesenkt werden, was z.B. mit einer Leistungsbegrenzung des Motors realisiert werden kann. Reicht diese Maßnahme ebenfalls nicht aus, den Ammoniak-Schlupf zu unterbinden, kann in der dritten Stufe beispielsweise die Anzahl der Neustarts begrenzt und eine Aufforderung zu einem Werkstattbesuch angezeigt werden, solange der Fehler weiter auftritt.
Im Rahmen der On-Board-Diagnose kann es in einer weiteren Verfahrensvariante vorteilhaft sein, dass zusätzlich zur Ammoniak-Schlupfdiagnose eine Überprüfung der Sensorsignale der Abgassensoren durchgeführt wird, wobei zu Diagnosezwecken zumindest zeitweise bestimmte Zustände für die Dosiereinheit vorgegeben werden. Damit kann beispielsweise die Funktionsfähigkeit der Abgassensoren überprüft werden. Weiterhin lassen sich auch bestimmte Funktionen der Dosiereinheit überprüfen.
Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zur Detektion eines Ammoniak-Schlupfes eine Diagnoseeinheit vorgesehen ist, in der die Funktionalität des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie seiner Varianten implementiert ist. Die Implementierung kann dabei zumindest teilweise Software-basiert vorgesehen sein, wobei die Diagnoseeinheit als separate Einheit oder als integraler Bestandteil einer übergeordneten Motorsteuerung ausgebildet sein kann. Zur Plausibilisierung eines Ammoniak-Schlupfes weist die Diagnoseeinheit Einrichtungen, insbesondere mindestens eine Subtrahier-Einheit zur Differenzbildung, Berechnungseinheiten zur Berechnung von zeitlichen Gradienten und/ oder Integralen, Überprüfungseinheiten sowie Komparatoren zum Vergleichen der Signale mit applizierbaren Grenzwerten auf. Weiterhin können Speichereinheiten sowie Kennfeldspeicher in der Diagnoseeinheit implementiert sein, mit denen verschiedene Grenzwerte gespeichert oder mittels bestimmter Motorparameter betriebsphasenabhängige Grenzwerte für die Plausibilisierung des Ammoniak-Schlupfes bereitgestellt werden können. Zudem können auch Logikeinheiten implementiert sein, mit denen, z.B. bei einer Kombination von unterschiedlichen Auswertestrategien, die Ergebnisse bewertet werden können.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
1 beispielhaft ein technisches Umfeld für die Erfindung,
2 in einem Verlaufsdiagramm den Signalverlauf eines Abgassensors sowie den Verlauf der Stickoxid- und Ammoniak-Konzentration in Abhängigkeit einer Dosiermenge für ein Reduktionsmittel und
3 in einem Funktionsdiagramm schematisch das Detektionsverfahren für einen Ammoniak-Schlupf.
1 zeigt beispielhaft ein technisches Umfeld, in welchem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann. Dabei beschränkt sich die Darstellung auf die für die Erklärung der Erfindung notwendigen Komponenten.
In der 1 ist beispielhaft eine als Dieselmotor ausgebildete Brennkraftmaschine 1, bestehend aus einem Motorblock 10 und einem Abgaskanal 30, in dem ein Abgasstrom 20 geführt ist, dargestellt. Der Abgaskanal 30 weist eine Abgasreinigungsanlage auf, welche im gezeigten Beispiel als katalytisch beschichtete Komponente in Strömungsrichtung des Abgases angeordnet zunächst einen Diesel-Oxidationskatalysator 40 (DOC) und einen Dieselpartikelfilter 50 (DPF) aufweist. Daran schließt sich ein SCR-Katalysator 80 an, vor dem zur Reduktion von Stickoxiden im Abgasstrom mittels einer Dosiereinheit 110 ein Reduktionsmittel eingebracht werden kann.
Zur Überwachung der Stickoxidkonzentration im Abgas ist in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem SCR-Katalysator 80 ein als Stickoxid-Sensor ausgebildeter Abgassensor 90 in den Abgaskanal 30 eingelassen. Als Stickoxid-Sensoren dienen z.B. amperometrische Doppelkammersensoren, wie sie eingangs beschrieben wurden. Solche Sensoren werden üblicherweise auf 100% NO kalibriert und weisen dann entsprechend eine Querempfindlichkeit gegenüber NO₂ und NH₃ auf. Ggf. kann ein weiterer als Stickoxid-Sensor ausgebildeter Abgassensor 90 auch vor dem SCR-Katalysator 80 vorgesehen sein.
Die Abgassensoren 90 sind mit einer Diagnoseeinheit 101 verbunden, in der die Signale ausgewertet werden. Die Diagnoseeinheit 101 weist dazu entsprechende Vergleichseinrichtungen (Subtrahier-Einheiten, Komparatoren und dgl.) auf und kann, wie dies in der 1 gezeigt ist, integraler Bestandteil einer übergeordneten Motorsteuerung 100 sein. Die Funktionalität der Diagnoseeinheit 101 kann soft- und/ oder hardware-basiert in der Motorsteuerung 100 implementiert sein.
Weiterhin dargestellt ist ein Drucksensor 60, der als Differenzdruck-Sensor ausgebildet sein kann und zur Überwachung der Rußbeladung des Dieselpartikelfilters 50 (DPF) dient. Zudem kann ein Temperatursensor 70 im Abgaskanal 30 vorgesehen sein. Die Signale dieser Sensoren können ebenfalls der Diagnoseeinheit 101 zugeführt werden.
In 2 ist in einem Verlaufsdiagramm 200 ein typischer Sensorsignalverlauf 203 des als Stickoxid-Sensors ausgebildeten Abgassensors 90 in Abhängigkeit einer Dosiermenge 202 der Dosiereinheit 110 (Abszisse) dargestellt, wobei als eine erste Ordinate eine Sensorsignalhöhe 201 aufgetragen ist. Weiterhin sind in diesem Verlaufsdiagramm 200 der Verlauf einer Stickoxid- und einer Ammoniak-Konzentration 204, 205 dargestellt, wobei in einer zweiten Ordinate entsprechende Konzentrationswerte 206 angegeben sind.
Mit steigendem NH₃-Anteil, was mit einer steigenden Dosiermenge 202 von Reduktionsmittel korreliert, wird der Stickoxid-Anteil reduziert, so dass die Sensorsignalhöhe 201 des Abgassensors 90 sinkt. Steht nicht mehr genug NO_x für die Reaktion zur Verfügung, kommt es bei weiterer Zugabe von Reduktionsmittel zu einem NH₃-Schlupf, was mit einem Anstieg der Ammoniak-Konzentration 205 einhergeht. Ein Anstieg der Ammoniak-Konzentration 205 führt dazu, dass die Sensorsignalhöhe 201 wieder ansteigt. In bestimmten Betriebszuständen kann dabei NO_x ausgeschlossen werden und damit von einem NH₃-Schlupf ausgegangen werden.
Das Detektionsverfahren für einen NH₃-Schlupf geht von unterschiedlichen Plausibilisierungsansätzen aus, die im Folgenden beschrieben werden.
Die Überwachungsfunktion ist abhängig von dem NO_x-Sensor nach dem SCR-Katalysator 80 sowie von einer bekannten NO_x-Konzentration vor dem SCR-Katalysator 80. Abhängig vom Betriebspunkt wird geprüft, ob es sich bei dem Messwert vom NO_x-Sensor eher um NO_x oder um NH₃ handelt. Abhängig von applizierbaren Grenzwerten und möglichen Ausschlussbedingungen kann eine entsprechende Reaktion der Dosiereinheit 110 eingeleitet werden.
Das erfindungsgemäße Detektionsverfahren für einen NH₃-Schlupf basiert auf einer Differenz-Ermittlung zwischen dem Signal des Abgassensors 90 hinter dem SCR-Katalysator 80 und einem berechneten Maß für den NO_x-Strom im Abgasstrom 20 der Brennkraftmaschine 1. Durch die Querempfindlichkeit spiegelt das Sensorsignal des als NO_x-Sensor ausgebildeten Abgassensors 90 die Summe aus Reagenzmittelschlupf, hier Ammoniak, und NO_x-Strom bzw. Ammoniak-Konzentration 205 wieder. Dabei wird das von der NO_x-Strom-Ermittlung berechnete Maß für den NO_x-Strom in einer Differenzermittlung vom Abgassensor-Signal subtrahiert. Eine auftretende Differenz kann bedeuten, dass entweder ein Reagenzmittelschlupf oder ein hoher NO_x-Strom aufgetreten ist. Falls verfügbar, kann mit einem zusätzlichen Abgassensor 90, der ebenfalls als NO_x-Sensor ausgebildet ist und sich in Strömungsrichtung des Abgases vor dem SCR-Katalysator 80 befindet, direkt die Differenz zwischen dem NO_x-Strom vor und nach dem SCR-Katalysator 80 bestimmt und ausgewertet werden. Dabei kann weiterhin vorgesehen sein, den zu erwartenden Wirkungsgrad des SCR-Katalysators 80 mit zu berücksichtigen.
3 zeigt schematisch in einem Funktionsdiagramm 300 unterschiedliche Verfahrensvarianten des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ein NO_x-Konzentrationswert vor Katalysator 302 wird mittels einer Subtrahier-Einheit 303 von einem gemessenen NO_x-Konzentrationswert nach Katalysator 301 abgezogen, wobei der NO_x-Konzentrationswert vor Katalysator 302 modellhaft oder mittels eines weiteren als NO_x-Sensor ausgebildeten Abgassensors 90 vor dem Katalysator bestimmt wird.
In einer ersten Überprüfungseinheit 304 wird in einer Verfahrensvariante überprüft, ob ein Ansteigen der Differenz trotz einer Korrektur innerhalb eines definierten Zeitfensters höher ist als ein applizierbarer differenzieller Grenzwert bzw. diesen erreicht. Da der NO_x-Anteil im Abgas nur mit einem begrenzten Gradienten ansteigt, der NH₃-Anteil aber schneller ansteigen kann, ist ein Überschreiten dieses differenziellen Grenzwertes ein Indiz für einen NH₃-Schlupf. Für die Bewertung des Gradienten, mit dem die Differenz ansteigt, muss das Systemverhalten spezifisch für die Fahrzeugklassen appliziert werden.
In einer zweiten Überprüfungseinheit 305 kann überprüft werden, ob die Differenz trotz einer Korrektur einen absoluten Grenzwert erreicht bzw. überschreitet. Dieser Auswertevariante liegt die Tatsache zu Grunde, dass der NO_x-Anteil im Abgas sich innerhalb eines geregelten Bereichs mindestens im Messbereich des Abgassensors 90 bewegen sollte. Idealerweise ist der Anteil deutlich enger begrenzt. Die zu definierende Grenze der Differenz ist abhängig vom plausiblen NO_x-Anteil im Abgas, vom vertretbaren NH₃-Schlupf und vom Messbereich der Abgassensoren 90.
In einer dritten Überprüfungseinheit 306 kann überprüft werden, ob ein zeitliches Integral der Differenz trotz einer Korrektur einen applizierbaren integralen Grenzwert erreicht bzw. übersteigt. Diese Auswertestrategie basiert auf der Tatsache, dass kurzfristig höhere NH₃-Konzentrationen im Abgas auftreten können. Mit einem zeitlichen Integral wird diesem Sachverhalt Rechnung getragen. Der zu definierende Grenzwert des Integrals ist dabei abhängig von einem plausiblen NO_x-Anteil im Abgas und vom vertretbaren NH₃-Schlupf.
Prinzipiell ist jede der zuvor genannten Auswertestrategien, basierend auf einem Differenzwert, für sich geeignet einen NH₃-Schlupf zu detektieren. Erfindungsgemäß ist aber auch eine Kombination von zwei dieser Auswertestrategien oder eine Kombination der drei Auswertestrategien als Detektionsverfahren für einen NH₃-Schlupf geeignet.
Zusätzlich kann eine Adaption der o.g. Grenzwerte von Betriebszuständen, wie z.B. während einer Partikelfilterregeneration, vorgesehen sein. Während einer Partikelfilterregeneration ist kurzfristig, bedingt durch einen hohen Temperaturgradienten, ein NH₃-Schlupf oft unvermeidlich. Um Fehldiagnosen auszuschließen, kann daher eine zeitlich begrenzte Erhöhung der Grenzwerte sinnvoll sein.
Weiterhin sind gemäß der Erfindung bei Detektion eines NH₃-Schlupfes Maßnahmen vorgesehen, den NH₃-Schlupf zu begrenzen. Einerseits kann die Zufuhr einer weiteren Reagenzmittel-Dosierung unterbunden werden. Dies kann beispielsweise durch ein Rücksaugen und Ausschalten des Dosiersystems erfolgen. Zudem kann eine generelle Absenkung der Abgastemperatur helfen, die Umsetzung des ein- und ausgelagerten Reagenzmittels und damit den NH₃-Schlupf zu verringern. Dies kann beispielsweise durch eine Leistungsbegrenzung des Motors realisiert werden. Als letzte Maßnahme kann, falls o.g. Maßnahmen nicht greifen und der Fehler weiter auftritt, die Anzahl der Neustarts begrenzt und/ oder mittels einer Anzeige (z.B. mittels der Motorkontrollleuchte) zu einem Werkstattbesuch aufgefordert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann bei diesem Verfahren ein Plausibilisieren der Sensorwerte auf zu Diagnosezwecke eingeleiteter Zustände der Dosiereinheit 110 integriert sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10139142 A1 [0005]
DE 102009012092 A1 [0008, 0010]
DE 102005050709 A1 [0009, 0010]
WO 2007028677 A1 [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

WEISSWELLER in CIT (72), Seite 441–449, 2000 [0005]

Claims

Verfahren zur Detektion eines Ammoniak-Schlupfes in einem Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine (1), welches einen SCR-Katalysator (80) aufweist und bei dem zur Stickoxidreduktion eine Ammoniak-abspaltende Reduktionsmittellösung in Strömungsrichtung des Abgases vor dem SCR-Katalysator (80) dem Abgasstrom (20) mittels einer Dosiereinheit (110) zudosiert wird, wobei eine Querempfindlichkeit gegenüber Stickoxiden und Ammoniak von mindestens einem als NO_x-Sensor ausgebildeten Abgassensor (90), welcher in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem SCR-Katalysator (80) im Abgaskanal (30) angeordnet ist, genutzt wird, um einen Ammoniak-Durchbruch zu detektieren, dadurch gekennzeichnet, dass zur Plausibilisierung eines Ammoniak-Schlupfes ein Differenzsignal gebildet wird, indem von dem Ausgangssignal des Abgassensors (90) hinter dem SCR-Katalysator (80) als Maß für die Summe einer Stickoxid- und einer Ammoniak-Konzentration (204, 205) ein Wert für die NO_x-Konzentration vor dem SCR-Katalysator (80) abgezogen wird, und der zeitliche Verlauf des Differenzsignals oder der Verlauf daraus abgeleiteter Größen ausgewertet und mit applizierbaren Grenzwerten verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die NO_x-Konzentration vor dem SCR-Katalysator (80) aus einem Modell berechnet oder mit einem als NO_x-Sensor ausgebildeten Abgassensor (90), welcher in Strömungsrichtung des Abgases vor dem SCR-Katalysator (80) angeordnet ist, bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zu erwartender Umsetzungswirkungsgrad für den SCR-Katalysator (80) bei der Differenzbildung als Korrekturwert berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitlicher Gradient aus dem Differenzsignal gebildet und mit einem applizierbaren differenziellen Grenzwert verglichen wird, wobei bei Überschreitung dieses differenziellen Grenzwertes ein Ammoniak-Schlupf detektiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Differenzsignal mit einem applizierbaren absoluten Grenzwert verglichen wird, wobei bei Überschreitung dieses absoluten Grenzwertes ein Ammoniak-Schlupf detektiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitlicher Integralwert aus dem Differenzsignal gebildet und mit einem applizierbaren integralen Grenzwert verglichen wird, wobei bei Überschreitung dieses integralen Grenzwertes ein Ammoniak-Schlupf detektiert wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteverfahren gemäß den Ansprüchen 4 bis 6 kombiniert angewendet werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzwerte zumindest zeitlich begrenzt abhängig von Betriebszuständen der Brennkraftmaschine (1) appliziert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem detektierten Ammoniak-Schlupf Maßnahmen zur Begrenzung des Ammoniak-Schlupfes eingeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßnahmen einen mehrstufigen Prozess umfassen, der teilweise oder vollständig durchlaufen wird, abhängig davon, welchen Umfang der detektierte Ammoniak-Schlupf aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Ammoniak-Schlupfdiagnose eine Überprüfung der Sensorsignale der Abgassensoren (90) durchgeführt wird, wobei zu Diagnosezwecken zumindest zeitweise bestimmte Zustände für die Dosiereinheit (110) vorgegeben werden.
Vorrichtung, insbesondere eine Diagnoseeinheit (101), zur Detektion eines Ammoniak-Schlupfes in einem Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine (1), welches einen SCR-Katalysator (80) aufweist und bei dem zur Stickoxidreduktion eine Ammoniak-abspaltende Reduktionsmittellösung in Strömungsrichtung des Abgases vor dem SCR-Katalysator (80) dem Abgasstrom (20) mittels einer Dosiereinheit (110) zudosierbar ist, wobei eine Querempfindlichkeit gegenüber Stickoxiden und Ammoniak von mindestens einem als NO_x-Sensor ausgebildeten Abgassensor (90), welcher in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem SCR-Katalysator (80) im Abgaskanal (30) angeordnet ist, nutzbar ist, um einen Ammoniak-Durchbruch zu detektieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnoseeinheit (101) zur Plausibilisierung eines Ammoniak-Schlupfes Einrichtungen, insbesondere mindestens eine Subtrahier-Einheit (303), Berechnungseinheiten zur Berechnung von zeitlichen Gradienten und/ oder Integralen, Überprüfungseinheiten (304, 305, 306) sowie Komparatoren, zur Durchführung des Detektionsverfahrens gemäß den Verfahrensansprüchen 1 bis 11 aufweist.