DE102015221982A1

DE102015221982A1 - Verfahren zum Betreiben eines SCR-Katalysatorsystems einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102015221982A1
Application number: DE102015221982.8A
Authority: DE
Inventors: Alexander Franz; Andreas Fritsch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-11-09
Filing date: 2015-11-09
Publication date: 2017-05-24
Also published as: FR3043429B1; FR3043429A1; US20170130628A1; US10145286B2

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betreiben eines SCR-Katalysatorsystems einer Brennkraftmaschine umfasst das SCR-Katalysatorsystem wenigstens einen SCR-Katalysator (30) und wenigstens einen vorgeschalteten SCR-beschichteten Partikelfilter (20). Zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel für den SCR-Katalysator (30) und/oder für den SCR-beschichteten Partikelfilter (20) ist eine erste Einspritzposition stromaufwärts des SCR-beschichteten Partikelfilters (20) in Form einer ersten Dosiereinrichtung (40) und eine zweite Einspritzposition stromaufwärts des SCR-Katalysators (30) und stromabwärts des SCR-beschichteten Partikelfilters (20) in Form einer zweiten Dosiereinrichtung (50) vorgesehen. Die Einspritzpositionen für die Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel werden in Abhängigkeit von den Betriebszuständen des SCR-Katalysatorsystems gewählt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines SCR-Katalysatorsystems einer Brennkraftmaschine, wobei das SCR-Katalysatorsystem wenigstens einen SCR-Katalysator und wenigstens einen vorgeschalteten SCR-beschichteten Partikelfilter umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung ein SCR-Katalysatorsystem, das zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist, sowie ein Computerprogramm, ein maschinenlesbares Speichermedium und ein elektronisches Steuergerät, die zur Durchführung des Verfahrens vorgesehen sind.
Stand der Technik
Es sind Verfahren und Vorrichtungen zum Betreiben einer Brennkraftmaschine insbesondere bei Kraftfahrzeugen bekannt, in deren Abgasbereich ein SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduktion) angeordnet ist, der die im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxide (NOx) in Gegenwart eines Reduktionsmittels zu Stickstoff reduziert. Für den Ablauf der Reaktion kann insbesondere Ammoniak (NH₃) oder auch beispielsweise Ameisensäure als Reduktionsmittel eingesetzt werden. Das Reduktionsmittel oder eine Vorstufe davon wird dem Abgas, in Abgasrichtung gesehen, stromaufwärts des Katalysators zugemischt, indem beispielsweise NH₃-abspaltende Reagenzien, insbesondere eine Harnstoffwasserlösung, eingespritzt wird. Das im Abgasstrang freigesetzte Ammoniak kann bei entsprechender Temperatur mit den unerwünschten Stickoxiden des Verbrennungsvorgangs im Katalysator reagieren. Die benötige Menge an Harnstoffwasserlösung ist im Allgemeinen von dem Lastbetrieb des Verbrennungsmotors abhängig und wird in bedarfsgerechter Weise in den Abgasstrang eingespritzt.
Heute bekannte SCR-Katalysatoren speichern NH₃ an der Katalysatoroberfläche. Die NOx-Konversion im SCR-Katalysator ist umso erfolgreicher, umso größer das Reduktionsmittelangebot im Katalysator ist. Solange die Speicherfähigkeit des SCR-Katalysators für NH₃ noch nicht ausgeschöpft ist, wird zu viel dosiertes Reduktionsmittel gespeichert. Im Hinblick auf das gespeicherte NH₃ wird auch von NH₃-Füllstand gesprochen. Wenn weniger Reduktionsmittel zur Verfügung gestellt wird, als für die Konversion der aktuell im Abgas vorhandenen Stickoxide notwendig ist, wird das gespeicherte Reduktionsmittel für die Konversion der Stickoxide verbraucht und damit der NH₃-Füllstand verringert.
Heute bekannte Dosierstrategien für SCR-Systeme verfügen über eine sogenannte Füllstandsregelung, die einen Arbeitspunkt in Form eines Sollwerts für den NH₃-Füllstand in einem SCR-Katalysator einstellt, wobei beispielsweise eine temperaturabhängige Sollfüllstandsvorgabe die Basis bildet. Dieser Arbeitspunkt wird so gewählt, dass der NH₃-Füllstand hoch genug ist, um sowohl eine NOx-Konversionsrate als auch einen Puffer für kurzfristig auftretende NOx-Spitzen zu gewährleisten. Der Füllstand sollte aber andererseits auch so weit wie möglich von der maximalen Speicherfähigkeit entfernt sein, um einen NH₃-Schlupf aus dem System zu vermeiden.
Zur Erzielung höherer Umsatzraten bei der Stickoxidreduktion im Abgasstrang sind bereits Systeme bekannt, die zwei separate SCR-Katalysatoreinrichtungen umfassen. Die Versorgung der hintereinander geschalteten SCR-Katalysatoreinrichtungen erfolgt üblicherweise derart, dass, in Abgasrichtung gesehen, stromaufwärts der ersten SCR-Katalysatoreinrichtung eine Einspritzposition für das Reduktionsmittel vorgesehen ist. Ein Teil des hier zugeführten Reduktionsmittels wird nicht bei der Katalysereaktion in der ersten SCR-Katalysatoreinrichtung verbraucht und hier auch nicht gespeichert, so dass dieser Teil des zugeführten Reduktionsmittels die erste SCR-Katalysatoreinrichtung als sogenannter NH₃-Schlupf wieder verlässt. Über diesen NH₃-Schlupf wird die zweite SCR-Katalysatoreinrichtung mit Reduktionsmittel versorgt, so dass auch für die zweite SCR-Katalysatoreinrichtung ausreichend Reduktionsmittel zur Verfügung steht, wie es beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2011 085 952 A1 beschrieben ist. Solche System mit zwei SCR-Einrichtungen können zur Prozessführung auf herkömmliche Art und Weise mit einer gedoppelten Software gesteuert werden, wobei die Größen für die Prozessführung für jede SCR-Einrichtung aus an sich bekannten Katalysatormodellen entnommen werden können. Modellierungen von SCR-Katalysatoren sind in den Steuergeräten moderner Kraftfahrzeuge implementierbar und bilden sowohl den NOx-Umsatz des SCR-Katalysators als auch den NH₃-Schlupf ab. Um die verhältnismäßig aufwendige und störanfällige doppelte Modellierung zu verbessern, beschreibt die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2012 221 905 A1 ein Verfahren zum Betreiben eines SCR-Katalysatorsystems mit zwei SCR-Einrichtungen, bei dem in Abhängigkeit von einem gewünschten Gesamtwirkungsgrad die Dosierung des Reduktionsmittels stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators auf der Basis einer modellbasierten Vorsteuerung eingestellt wird.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2013 217 169 A1 beschreibt ein Verfahren und ein System zur Abgasnachbehandlung, wobei das System in Richtung des Abgasstromes einen Oxidationskatalysator, eine erste SCR-Katalysatoreinrichtung und eine zweite SCR-Katalysatoreinrichtung aufweist. Unmittelbar vor der ersten SCR-Katalysatoreinrichtung befindet sich ein Injektor zum Einbringen von Reduktionsmittel. Gegebenenfalls können auch noch ein oder mehrere weitere Injektoren entlang des Abgasstrangs vorgesehen sein, wobei sich ein weiterer Injektor beispielsweise zwischen der ersten SCR-Katalysatoreinrichtung und der zweiten SCR-Katalysatoreinrichtung befindet. Es wird ein Verfahren zum Betreiben dieses Abgasnachbehandlungssystems beschrieben, bei dem stoßweise ein Vielfaches der momentan benötigen Dosierung des Reduktionsmittels eingespritzt wird.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren geht von einem an sich bekannten SCR-Katalysatorsystem einer Brennkraftmaschine aus, wobei das SCR-Katalysatorsystem wenigstens einen SCR-Katalysator und wenigstens einen vorgeschalteten SCR-beschichteten Partikelfilter umfasst. Voraussetzung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines solchen SCR-Katalysatorsystems ist, dass zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel für den SCR-Katalysator und/oder für den SCR-beschichteten Partikelfilter eine erste Einspritzposition stromaufwärts des SCR-beschichteten Partikelfilters in Form einer ersten Dosiereinrichtung und eine zweite Einspritzposition stromaufwärts des SCR-Katalysators und stromabwärts des SCR-beschichteten Partikelfilters in Form einer zweiten Dosiereinrichtung vorgesehen sind. Kern der Erfindung ist, dass für die Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel die Einspritzpositionen, also eine Einspritzung über die erste Dosiereinrichtung und/oder über die zweite Dosiereinrichtung, in Abhängigkeit von den Betriebszuständen des SCR-Katalysatorsystems gewählt werden. Mit diesem Verfahren kann eine besonders vorteilhafte Prozessführung für ein solches SCR-Katalysatorsystem realisiert werden, die eine optimale Abgasnachbehandlung bei gleichzeitig minimalem Reduktionsmittelverbrauch ermöglicht. Prinzipiell ist das erfindungsgemäße Verfahren dabei nicht auf ein SCR-Katalysatorsystem mit einem SCR-Katalysator und einem vorgeschalteten SCR-beschichteten Partikelfilter beschränkt. Vielmehr kann das erfindungsgemäße Verfahren auch für andere SCR-Katalysatorsysteme eingesetzt werden. Beispielsweise kann das Verfahren für ein SCR-Katalysatorsystem eingesetzt werden, bei dem statt des SCR-beschichteten Partikelfilters ein klassischer Partikelfilter und zusätzlich ein stromaufwärts angeordneter üblicher SCR-Katalysator vorgesehen ist. Dieses System umfasst also einen klassischen Partikelfilter und sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts des Partikelfilters jeweils einen üblichen SCR-Katalysator. Im Sinne der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung ist hierbei der Partikelfilter zusammen mit dem stromaufwärts angeordneten SCR-Katalysator wie der vorgeschaltete SCR-beschichtete Partikelfilter zu verstehen und das Verfahren entsprechend anzupassen. Bei der nachfolgenden Beschreibung ist also der SCR-beschichtete Partikelfilter austauschbar mit einem klassischen Partikelfilter, dem ein SCR-Katalysator vorgeschaltet ist.
Bei dem Reduktionsmittel kann es sich in vorzugsweise um eine übliche wässrige Harnstofflösung handeln, beispielsweise um AdBlue^®. In entsprechender Weise können jedoch auch andere Reduktionsmittel eingesetzt werden, die für eine selektive Reduktion in den SCR-Katalysatoreinrichtungen geeignet sind. Bei den Dosiereinrichtungen kann es sich um übliche Dosierventile handeln.
Durch den Einsatz von zwei Einspritzpositionen für die Dosierung des Reduktionsmittels für die SCR-Katalysatoreinrichtungen kann ein solches SCR-Katalysatorsystem in optimierter Weise betrieben werden. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem Betriebszustand, in dem die Temperatur des SCR-beschichteten Partikelfilters oberhalb eines vorgebbaren Schwellenwertes liegt, eine Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel im Wesentlichen über die zweite Einspritzposition beziehungsweise die zweite Dosiereinrichtung vorgenommen. Mit dem Ausdruck „im Wesentlichen“ ist hierbei gemeint, dass die Einspritzung überwiegend, also in jedem Fall zu mehr als 50% oder auch bis zu 100%, über die zweite Dosiereinrichtung erfolgt, sofern die Dosiereinrichtungen unabhängig voneinander betrieben werden können. Wenn das System so ausgelegt ist, dass nur die eine oder die andere Dosiereinrichtung angesteuert werden kann, ist hiermit gemeint, dass bei diesem Aspekt des Verfahrens die Einspritzung ausschließlich über die zweite Dosiereinrichtung erfolgt. Dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt zugrunde, dass ab einer gewissen Temperatur des SCR-beschichteten Partikelfilters ein Teil des zudosierten NH₃ im SCR-beschichteten Partikelfilter oxidiert wird, ohne dass es für die Konversion der Stickoxide eingesetzt werden könnte. Daher ist es im Hinblick auf den Reduktionsmittelverbrauch sehr vorteilhaft, bei derartigen Zuständen auf die zweite Dosiereinrichtung umzuschalten.
Bei dem erwähnten Betriebszustand, bei dem die Temperatur des SCR-beschichteten Partikelfilters oberhalb eines vorgebbaren Schwellenwertes liegt, kann es sich insbesondere um einen Betriebszustand handeln, in dem eine Regenerierung des SCR-beschichteten Partikelfilters vorgenommen wird. Die Temperaturen während einer Regenerierung des SCR-beschichteten Partikelfilters können in dem Partikelfilter beispielsweise bis zu 1000 °C betragen, so dass im Partikelfilter keine Konversion von Stickoxiden stattfindet. Die NOx-Emissionen stromabwärts des SCR-beschichteten Partikelfilters sind daher während der Regeneration des Partikelfilters sehr hoch. Durch eine erfindungsgemäße Einspritzung von Reduktionsmittel stromabwärts des SCR-beschichteten Partikelfilters kann auch der nachgeschaltete SCR-Katalysator ausreichend mit Reduktionsmittel versorgt werden, so dass die Reduktion der Stickoxide im SCR-Katalysator in ausreichendem Maße stattfinden kann.
In bevorzugter Weise erfolgt bei einem Start der Brennkraftmaschine, insbesondere bei einem Kaltstart, eine Einspritzung von Reduktionsmittel im Wesentlichen, also vorwiegend, über die erste Dosiereinrichtung, wobei die Einspritzung von Reduktionsmittel auch ausschließlich über die erste Dosiereinrichtung erfolgen kann. Dem liegt zugrunde, dass der vordere Katalysator, also der SCR-beschichtete Partikelfilter, näher an der Brennkraftmaschine liegt und daher schneller seine Betriebstemperatur erreicht. Daher erfolgt die NOx-Konversion in einer Phase direkt nach dem Start der Brennkraftmaschine im Wesentlichen in dem ersten SCR-Katalysator beziehungsweise in dem SCR-beschichteten Partikelfilter, sodass es vorteilhaft ist, stromaufwärts des SCR-beschichteten Partikelfilters einzuspritzen.
Im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise die Einspritzung zumindest phasenweise bevorzugt über die zweite Dosiereinrichtung vorgenommen. Dem liegt zugrunde, dass sich der SCR-beschichtete Partikelfilter langsamer mit Ruß belädt, wenn im SCR-beschichteten Dieselpartikelfilter kein NOx-Umsatz stattfindet. Durch den sogenannten NO₂-Effekt im SCR-beschichteten Partikelfilter wird im Partikelfilter Ruß oxidiert, der Ruß wird also weggebrannt. Dieser NO₂-Effekt hängt ganz wesentlich von der NO₂-Konzentration im Partikelfilter ab. Wenn kein NOx-Umsatz im Partikelfilter stattfindet, ist die NO₂-Konzentration im Partikelfilter größer, so dass der Ruß abgebrannt werden kann. Vorzugsweise in Phasen des Normalbetriebes, in denen es die Abgaszusammensetzung erlaubt, ist es daher bevorzugt, dass nur stromabwärts des SCR-beschichteten Partikelfilters das Reduktionsmittel eingespritzt wird.
Bei der Ansteuerung der Dosiereinrichtungen im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind prinzipiell zwei Fälle zu unterscheiden, die von der konkreten Ausgestaltung des jeweiligen SCR-Katalysatorsystems abhängig sind. Im ersten Fall können die beiden Dosiereinrichtungen nicht gleichzeitig betätigt werden, weil sie z.B. über eine gemeinsame Pumpe versorgt werden. In diesem Fall kann also entweder nur die erste Dosiereinrichtung oder nur die zweite Dosiereinrichtung angesteuert werden. Im zweiten Fall können die beiden Dosiereinrichtungen unabhängig voneinander betrieben werden, so dass entweder die eine oder die andere Dosiereinrichtung oder beide Dosiereinrichtungen gleichzeitig, gegebenenfalls im unterschiedlichen Verhältnis, angesteuert werden. Der erste Fall ist besonders preisgünstig umsetzbar, weil im Vergleich mit herkömmlichen Systemen, die nur eine Dosiereinrichtung für die Versorgung der zwei SCR-Katalysatoreinrichtungen vorsehen, hier nur eine zusätzliche Dosiereinrichtung, also ein zusätzliches Dosierventil oder ein zusätzlicher Injektor, mit einer Leitung, beispielsweise mittels eines T-Stücks, eingebaut werden muss. Bei der Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dann von einem Steuerungsprogramm vorgegeben, über welche der beiden Dosiereinrichtungen eingespritzt wird. Wenn beide Dosiereinrichtungen gleichzeitig angesteuert werden können, muss keine Umschaltung zwischen den einzelnen Dosiereinrichtungen erfolgen und eine Steuerung für die verschiedenen Dosierzustände kann parallel ausgeführt werden.
Im Folgenden wird zunächst näher auf den Fall eingegangen, bei dem die beiden Dosiereinrichtungen nicht gleichzeitig betätigt werden können. Es muss also zwischen den beiden Dosiereinrichtungen umgeschaltet werden. Prinzipiell sind also zwei Zustände möglich. Im Zustand "Dosierventil 1" erfolgt die Zudosierung über die erste Dosiereinrichtung. Im Zustand "Dosierventil 2" erfolgt die Zudosierung über die zweite Dosiereinrichtung. In einer geeigneten Steuerungssoftware für das erfindungsgemäße Verfahren kann ein entsprechender Zustandsautomat mit diesen zwei Zuständen hinterlegt sein. Vorzugsweise ist zu Beginn eines Fahrzyklus, also nach dem Start der Brennkraftmaschine, der Zustand "Dosierventil 1" aktiv. Eine Umschaltung auf den Zustand "Dosierventil 2" kann erfolgen, wenn sichergestellt ist, dass die zweite Dosiereinrichtung nicht fehlerhaft ist und wenn zusätzlich wenigstens eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist:

– eine Regeneration des SCR-beschichteten Partikelfilters findet statt und die Temperatur im SCR-beschichteten Partikelfilter liegt oberhalb einer vorgebbaren Schwelle T1 und die Temperatur im SCR-Katalysator liegt oberhalb einer vorgebbaren Schwelle T2;
– die Temperatur im SCR-beschichteten Partikelfilter liegt oberhalb einer vorgebbaren Schwelle T3 und die Temperatur im SCR-Katalysator liegt oberhalb einer vorgebbaren Schwelle T4, insbesondere im Normalbetrieb;
– die NH₃-Beladung des SCR-Katalysators liegt unterhalb einer vorgebbaren Schwelle mNH3_1 und die Differenz der NH₃-Beladung des SCR-beschichteten Partikelfilters vom Sollwert liegt betragsmäßig unterhalb einer vorgebbaren Schwelle dmNH3_1 und die Temperatur im SCR-Katalysator liegt oberhalb einer vorgebaren Schwelle T5 und der NOx-Massenstrom liegt unterhalb einer Schwelle dmNOx_1;
– die erste Dosiereinrichtung wird als fehlerhaft erkannt.

Die genannten Schwellen T1 bis T5 lassen sich folgendermaßen definieren:
T1 stellt eine Sicherheitsabfrage für den SCR-beschichteten Partikelfilter dar und beschreibt eine Temperatur, bei der Ammoniak anfängt zu oxidieren. Abhängig von den jeweiligen Gegebenheiten des Systems kann T1 beispielsweise unterhalb von circa 350 °C liegen.
T2 stellt eine Sicherheitsabfrage für den SCR-Katalysator dar und beschreibt eine Temperatur, unterhalb derer Harnstoff nicht ablagerungsfrei ist und nicht vollständig zu Ammoniak zerfällt. Abhängig von den jeweiligen Gegebenheiten des Systems kann T1 beispielsweise bei circa 180 °C liegen.
T3 beschreibt eine Temperaturschwelle für den SCR-beschichteten Partikelfilter im Normalbetrieb, bei deren Überschreiten NH₃ anfängt zu oxidieren. Vorzugsweise ist T3 kleiner oder gleich T1. Abhängig von den jeweiligen Gegebenheiten des Systems kann T3 beispielsweise bei circa 350 °C liegen.
T4 beschreibt eine Temperaturschwelle für den SCR-Katalysator im Normalbetrieb, unterhalb derer Harnstoff nicht ablagerungsfrei ist und nicht vollständig zu Ammoniak zerfällt. Vorzugsweise entspricht T4 dem Wert für T2. Abhängig von den jeweiligen Gegebenheiten des Systems kann T4 beispielsweise bei circa 180 °C liegen.
T5 bezeichnet eine optimale Temperatur für den SCR-Katalysator, bei der hohe Umsatzraten erzielt werden können. Die konkreten optimalen Temperaturen hängen von den jeweiligen Ausgestaltungen des Katalysators vor allem im Hinblick auf die Katalysatorbeschichtung und die Volumina ab. Eine beispielhafte optimale Temperatur kann z.B. im Bereich von circa 225 °C liegen.
Ein Zurückschalten auf die erste Dosiereinrichtung kann vorzugsweise dann erfolgen, wenn die erste Dosiereinrichtung nicht fehlerhaft ist und wenn wenigstens eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist:

– es findet keine Regeneration des SCR-beschichteten Partikelfilters statt und die Temperatur im SCR-Katalysator liegt unterhalb einer vorgebbaren Schwelle T6 und die Temperatur im SCR-beschichteten Partikelfilter liegt zwischen den vorgebbaren Schwellen T7 und T8;
– die Differenz der NH₃-Beladung des SCR-beschichteten Partikelfilters vom Sollwert liegt betragsmäßig oberhalb einer vorgebbaren Schwelle dmNH3_2 und die Temperatur im SCR-beschichteten Partikelfilter liegt zwischen den vorgebbaren Schwellen T9 und T10;
– die zweite Dosiereinrichtung wird als fehlerhaft erkannt.

Die genannten Schwellen T6 bis T10 lassen sich folgendermaßen definieren:
T6 bezeichnet die Temperatur des SCR-Katalysators, ab der Umsatzeinbußen zu erwarten sind, da der SCR-Katalysator insbesondere im Vergleich zu dem SCR-beschichteten Partikelfilter zu kalt ist. Abhängig von den Gegebenheiten des Systems kann diese Temperatur beispielsweise bei circa 250 °C liegen.
T7 und T8 bezeichnen die Temperaturgrenzen des SCR-beschichteten Partikelfilters, innerhalb derer eine guter NOx-Umsatz zu erwarten ist, ohne das zu viel Ammoniak oxidiert wird. Abhängig von den Gegebenheiten des Systems kann T7 beispielsweise bei circa 180 °C und T8 beispielsweise bei circa 350 °C liegen.
T9 und T10 bezeichnen die Temperaturgrenzen des SCR-beschichteten Partikelfilters, innerhalb derer eine guter NOx-Umsatz zu erwarten ist, ohne das zu viel Ammoniak oxidiert wird. Die Werte T9 und T10 können von T7 und T8 leicht abweichen, um das Hystereseverhalten beim Umschalten zwischen den Zuständen "Dosierventil 1" und "Dosierventil 2" zu optimieren und um ein Toggeln zu vermeiden. Abhängig von den Gegebenheiten des Systems kann T9 beispielsweise bei circa 180 °C und T10 beispielsweise bei circa 325 °C liegen.
Die genannten Schwellwerte für die Temperaturen, die NH₃-Beladung und die Massenströme werden vorzugsweise in Abhängigkeit von Betriebskenngrößen und/oder Zuständen und Gegebenheiten des SCR-Katalysators und/oder des SCR-beschichteten Partikelfilters eingestellt und damit an die konkrete Ausgestaltung des jeweiligen Systems angepasst.
Die Schwellen dmNH3_1 und dmNH3_2 können insbesondere als Kennlinien in Abhängigkeit von der jeweiligen Katalysatortemperatur ausgeführt werden. Vorzugsweise ist die Schwelle mNH3_1 zumindest vom Alter des Katalysators abhängig. In besonders vorteilhafter Weise können die verschiedenen Schwellwerte bei Bedarf abhängig von der Abgas-Temperatur, den NOx- und Abgasmassenströmen, dem NO₂-Verhältnis, dem Alterungszustand, der Veraschung und der Ruß- oder HC-Beladung der Katalysatoreinrichtungen ausgeführt werden. Dies kann beispielsweise durch ein- oder mehrdimensionale Kennfelder erfolgen.
Ein besonderer Vorteil des Verfahrens ist, dass bei dem SCR-Katalysatorsystems mit zwei Dosiereinrichtungen bei einem Ausfall von einer der Dosiereinrichtungen die andere Dosiereinrichtung die Einspritzung des Reduktionsmittels gegebenenfalls vollständig übernehmen kann, so dass die Abgasnachbehandlung in den SCR-Katalysatoren abgesichert ist.
Vorzugsweise werden die genannten Umschaltbedingungen zeitlich entprellt.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann nach einem Umschalten zwischen den Dosiereinrichtungen ein weiterer Umschaltvorgang für eine vorgebbare Zeitdauer t1 gesperrt werden. Die vorgebbare Zeitdauer kann beispielsweise in einem Bereich von einigen Sekunden liegen, beispielsweise zwischen 5–20 s, beispielsweise 10 s. Dies hat den Vorteil, dass durch die zeitliche Sperrung dem hydraulischen System ein Einschwingen ermöglicht wird.
Wenn die Einspritzung des Reduktionsmittels über die erste Dosiereinrichtung erfolgt, erfolgt eine Steuerung des Systems vorzugsweise anhand einer modellbasierten Vorsteuerung. Hierbei reagiert insbesondere der Sollfüllstand des SCR-beschichteten Partikelfilters auf die NH₃-Beladung des SCR-Katalysators, vergleichbar mit dem aus der DE 10 2012 221 905 A1 bekannten Verfahren. Dies kann auch dann erfolgen, wenn die Einspritzung nur vorwiegend und nicht vollständig über die erste Dosiereinrichtung erfolgt. Wenn die Einspritzung vollständig oder zumindest zum überwiegenden Teil über die zweite Dosiereinrichtung erfolgt, können die Steuerungsfunktionen in einer Steuerungssoftware gedoppelt werden, insbesondere im Hinblick auf die Vorsteuerung und den Füllstandsregler. In diesem Fall kann die Einspritzung wie bei einem herkömmlichen SCR-System mit Sollfüllstand und Füllstandsregler geregelt werden.
Bei einer Ausgestaltung des SCR-Katalysatorsystem, bei dem die beiden Dosiereinrichtungen unabhängig voneinander angesteuert werden können und also auch gleichzeitig angesteuert werden können, entfällt eine Umschaltung zwischen den beiden Dosiereinrichtungen. Bei einer solchen Ausgestaltung des Katalysatorsystems können die Steuerungen für beide Zustände, also für eine Einspritzung über die erste Dosiereinrichtung und für eine Einspritzung über die zweite Dosiereinrichtung, parallel ausgeführt werden.
Die Erfindung umfasst weiterhin ein SCR-Katalysatorsystem für eine Brennkraftmaschine, wobei das SCR-Katalysatorsystem wenigstens einen SCR-Katalysator und wenigstens einen vorgeschalteten SCR-beschichteten Partikelfilter umfasst. Zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel für den SCR-Katalysator und/oder für den SCR-beschichteten Partikelfilter ist eine erste Dosiereinrichtung stromaufwärts des SCR-beschichteten Partikelfilters und eine zweite Dosiereinrichtung stromaufwärts des SCR-Katalysators und stromabwärts des SCR-beschichteten Partikelfilters, also zwischen dem SCR-beschichteten Partikelfilter und dem SCR-Katalysator, vorgesehen. Erfindungsgemäß ist dieses SCR-Katalysatorsystem zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens eingerichtet.
Dem SCR-beschichteten Partikelfilter kann ein Oxidationskatalysator vorgeschaltet sein. Weiterhin kann dem SCR-Katalysator ein Clean-up-Katalysator nachgeschaltet sein. Die beiden Dosiereinrichtungen können entweder unabhängig voneinander betätigbar sein oder die Dosiereinrichtungen sind nicht gleichzeitig betätigbar, weil sie beispielsweise von einer gemeinsamen Pumpe mit Reduktionsmittel versorgt werden. Bezüglich weiterer Merkmale des SCR-Katalysatorsystems wird auf die obige Beschreibung verwiesen.
Die Erfindung umfasst weiterhin ein Computerprogramm, das zur Durchführung der Schritte des beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Weiterhin umfasst die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein derartiges Computerprogramm gespeichert ist, sowie ein elektronisches Steuergerät, das zur Durchführung der Schritte des beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist. Die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Computerprogramm beziehungsweise als maschinenlesbares Speichermedium oder als elektronisches Steuergerät hat den besonderen Vorteil, dass das erfindungsgemäße Verfahrens damit auch beispielsweise bei bestehenden Kraftfahrzeugen eingesetzt werden kann, die über ein SCR-Katalysatorsystem mit zwei SCR-Katalysatoreinrichtungen und zwei Dosiereinrichtungen für das erforderliche Reduktionsmittel verfügen. Damit können auch bestehende Kraftfahrzeuge für das erfindungsgemäße Verfahren eingerichtet werden und so die Vorteile dieses Verfahrens nutzen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
In der Zeichnung zeigt die Figur in schematischer Weise die Anordnung von Katalysatoreinrichtungen in einem SCR-Katalysatorsystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Die 1 zeigt in schematischer Weise einen beispielhaften Aufbau eines Katalysatorsystems, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Dargestellt ist der Abgasstrang einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine, der in Pfeilrichtung von dem Abgas durchströmt wird. Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) 10, daran schließt sich ein SCR-beschichteter Partikelfilter (SCRF) 20 an. Weiter stromabwärts befindet sich ein SCR-Katalysator (SCR) 30, dem ein weiterer, hier nicht dargestellter, Clean-up-Katalysator (CuC) nachgeschaltet sein kann. Zwischen dem Dieseloxidationskatalysator 10 und dem SCR-beschichteten Partikelfilter 20 befindet sich eine erste Dosiereinrichtung 40 für eine flüssige Reduktionsmittellösung. Diese Dosiereinrichtung 40 befindet sich also stromaufwärts des SCRF 20. Stromabwärts des SCRF 20 und gleichzeitig stromaufwärts des SCR 30 befindet sich eine zweite Dosiereinrichtung 50 für flüssige Reduktionsmittellösung. Bei den Dosiereinrichtungen 40 und 50 kann es sich um übliche Dosierventile oder Injektoren handeln. Über die Dosiereinrichtungen 40 und 50 wird als flüssige Reduktionsmittellösung beispielsweise eine wässrige Harnstoffwasserlösung (z.B. AdBlue^®) oder ein vergleichbares Reduktionsmedium eingebracht. Nicht näher dargestellt sind verschiedene Sensoren, insbesondere für NOx, NH₃ und die Temperaturen, deren Signale für die Steuerung der Abgasnachbehandlung herangezogen werden können. Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nicht auf eine derartige Anordnung beschränkt. Prinzipiell kann die Erfindung auch bei anderen Abgasnachbehandlungssystemen eingesetzt werden, sofern wenigstens zwei SCR-Katalysatoreinrichtungen (beispielsweise SCRF 20 und SCR 30) und zwei Dosiereinrichtungen für das erforderliche Reduktionsmittel vorgesehen sind, wobei eine erste Dosiereinrichtung stromaufwärts der ersten SCR-Katalysatoreinrichtung (beispielsweise SCRF 20) und eine zweite Dosiereinrichtung zwischen der ersten SCR-Katalysatoreinrichtung (beispielsweise SCRF 20) und der zweiten SCR-Katalysator (beispielsweise SCR 30) angeordnet sind. Das System kann so ausgestaltet sein, dass die beiden Dosiereinrichtungen 40 und 50 unabhängig voneinander betrieben werden können oder, in einer preisgünstiger umsetzbaren Lösung, nicht gleichzeitig betätigt werden können und beispielsweise über eine gemeinsame Pumpe versorgt werden.
Für den erfindungsgemäßen Betrieb eines solchen SCR-Katalysatorsystems kann in einer Steuerungssoftware beispielsweise ein Zustandsautomat mit zwei Zuständen hinterlegt sein. Im Zustand "Dosierventil 1" erfolgt die Reduktionsmitteldosierung über die erste Dosiereinrichtung 40 und im Zustand "Dosierventil 2" erfolgt die Reduktionsmitteldosierung über die zweite Dosiereinrichtung 50. Zu Beginn eines Fahrzyklus ist der Zustand "Dosierventil 1" aktiv. Eine Umschaltung auf "Dosierventil 2" erfolgt, wenn die Dosiereinrichtung 50 nicht fehlerhaft ist und wenn zusätzlich eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist:

– Eine Partikelfilterregeneration im SCRF 20 findet statt und die Temperatur im SCRF 20 liegt über einer Schwelle T1 und die Temperatur im SCR 30 liegt über einer Schwelle T2.
– Die Temperatur im SCRF 20 liegt über einer Schwelle T3 und die Temperatur im SCR 30 liegt über einer Schwelle T4.
– Die NH₃-Beladung des SCR 30 liegt unter einer Schwelle mNH3_1 und die Abweichung der Beladung des SCRF 20 von einem Sollwert liegt betragsmäßig unter einer Schwelle dmNH3_1. Zudem liegt die Temperatur im SCR 30 über einer Schwelle T5 und der NOx-Massenstrom liegt unter einer Schwelle dmNOx_1.
– Die Dosiereinrichtung 40 wird als fehlerhaft erkannt.

Ein Zurückschalten auf "Dosierventil 2" erfolgt, wenn die Dosiereinrichtung 40 nicht fehlerhaft ist und zusätzliche eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist:

– Es findet keine Partikelfilterregeneration im SCRF 20 statt und die Temperatur im SCR 30 liegt unterhalb einer Schwelle T6 und die Temperatur im SCRF 20 liegt zwischen den Schwellen T7 und T8.
– Die Differenz der NH₃-Beladung des SCRF 20 von einer Soll-Beladung ist betragsmäßig größer als dmNH3_2 und die Temperatur im SCRF 20 liegt zwischen den Schwellen T9 und T10.

Vorzugsweise sind alle diese Umschaltbedingungen zeitlich entprellt. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn nach einem Umschaltvorgang weitere Schaltwünsche für eine vorgebbare Zeit t1 gesperrt werden, um dem hydraulischen System ein Einschwingen zu ermöglichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011085952 A1 [0005]
DE 102012221905 A1 [0005, 0029]
DE 102013217169 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines SCR-Katalysatorsystems einer Brennkraftmaschine, wobei das SCR-Katalysatorsystem wenigstens einen SCR-Katalysator (30) und wenigstens einen vorgeschalteten SCR-beschichteten Partikelfilter (20) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel für den SCR-Katalysator (30) und/oder für den SCR-beschichteten Partikelfilter (20) eine erste Einspritzposition stromaufwärts des SCR-beschichteten Partikelfilters (20) in Form einer ersten Dosiereinrichtung (40) und eine zweite Einspritzposition stromaufwärts des SCR-Katalysators (30) und stromabwärts des SCR-beschichteten Partikelfilters (20) in Form einer zweiten Dosiereinrichtung (50) vorgesehen sind, wobei die Einspritzpositionen für die Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel in Abhängigkeit von den Betriebszuständen des SCR-Katalysatorsystems gewählt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das SCR-Katalysatorsystem statt des SCR-beschichteten Partikelfilters (20) einen Partikelfilter mit einem stromaufwärts davon angeordneten SCR-Katalysator umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Betriebszustand, in dem die Temperatur des SCR-beschichteten Partikelfilters (20) oberhalb eines vorgebbaren Schwellenwertes liegt, eine Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel im Wesentlichen über die zweite Dosiereinrichtung (50) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Betriebszustand, in dem eine Regenerierung des SCR-beschichteten Partikelfilters (20) vorgenommen wird, eine Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel im Wesentlichen über die zweite Dosiereinrichtung (50) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Start der Brennkraftmaschine, insbesondere bei einem Kaltstart, eine Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel im Wesentlichen über die erste Dosiereinrichtung (40) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Normalbetrieb eine Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel zumindest phasenweise bevorzugt über die zweite Dosiereinrichtung (50) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Start der Brennkraftmaschine eine Einspritzung über die erste Dosiereinrichtung (40) erfolgt und eine Umschaltung auf die zweite Dosiereinrichtung (50) erfolgt, wenn die zweite Dosiereinrichtung (50) nicht fehlerhaft ist und wenn wenigstens eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist: – eine Regeneration des SCR-beschichteten Partikelfilters (20) findet statt und die Temperatur im SCR-beschichteten Partikelfilter (20) liegt oberhalb einer vorgebbaren Schwelle T1 und die Temperatur im SCR-Katalysator (30) liegt oberhalb einer vorgebbaren Schwelle T2; – die Temperatur im SCR-beschichteten Partikelfilter (20) liegt oberhalb einer vorgebbaren Schwelle T3 und die Temperatur im SCR-Katalysator (30) liegt oberhalb einer vorgebbaren Schwelle T4; – die NH₃-Beladung des SCR-Katalysators (30) liegt unterhalb einer vorgebbaren Schwelle mNH3_1 und die Differenz der NH₃-Beladung des SCR-beschichteten Partikelfilters (20) vom Sollwert liegt betragsmäßig unterhalb einer vorgebbaren Schwelle dmNH3_1 und die Temperatur im SCR-Katalysator (30) liegt oberhalb einer vorgebaren Schwelle T5 und der NOx-Massenstrom liegt unterhalb einer Schwelle dmNOx_1; – die erste Dosiereinrichtung (40) wird als fehlerhaft erkannt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zurückschalten auf die erste Dosiereinrichtung (40) erfolgt, wenn die erste Dosiereinrichtung (40) nicht fehlerhaft ist und wenn wenigstens eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist: – es findet keine Regeneration des SCR-beschichteten Partikelfilters (20) statt und die Temperatur im SCR-Katalysator (30) liegt unterhalb einer vorgebbaren Schwelle T6 und die Temperatur im SCR-beschichteten Partikelfilter (20) liegt zwischen den vorgebbaren Schwellen T7 und T8; – die Differenz der NH₃-Beladung des SCR-beschichteten Partikelfilters (20) vom Sollwert liegt betragsmäßig oberhalb einer vorgebbaren Schwelle dmNH3_2 und die Temperatur im SCR-beschichteten Partikelfilter (20) liegt zwischen den vorgebbaren Schwellen T9 und T10; – die zweite Dosiereinrichtung (50) wird als fehlerhaft erkannt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Umschalten zwischen den Dosiereinrichtungen (40, 50) ein weiterer Umschaltvorgang für eine vorgebbare Zeitdauer t1 gesperrt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Einspritzung über die erste Dosiereinrichtung (40) das SCR-Katalysatorsystem mit einer modellbasierten Vorsteuerung gesteuert wird.
SCR-Katalysatorsystem für eine Brennkraftmaschine, wobei das SCR-Katalysatorsystem wenigstens einen SCR-Katalysator (30) und wenigstens einen vorgeschalteten SCR-beschichteten Partikelfilter (20) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel für den SCR-Katalysator (30) und/oder für den SCR-beschichteten Partikelfilter (20) eine erste Dosiereinrichtung (40) stromaufwärts des SCR-beschichteten Partikelfilters (20) und eine zweite Dosiereinrichtung (50) stromaufwärts des SCR-Katalysators (30) und stromabwärts des SCR-beschichteten Partikelfilters (20), vorgesehen sind, wobei das SCR-Katalysatorsystem zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 eingerichtet ist.
SCR-Katalysatorsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das SCR-Katalysatorsystem statt des SCR-beschichteten Partikelfilters (20) einen Partikelfilter mit einem stromaufwärts davon angeordneten SCR-Katalysator umfasst.
Computerprogramm, das eingerichtet ist, die Schritte eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 13 gespeichert ist.
Elektronisches Steuergerät, das eingerichtet ist, die Schritte eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen.