DE102016209610A1

DE102016209610A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ausgleich von Ammoniakverlusten während des Betriebs eines SCR-Katalysators

Info

Publication number: DE102016209610A1
Application number: DE102016209610.9A
Authority: DE
Inventors: Wolgang Fuchs
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-06-01
Filing date: 2016-06-01
Publication date: 2017-12-07
Anticipated expiration: 2036-06-02
Also published as: DE102016209610B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Reglerstruktur, durch die abhängig von der aktuell im SCR-Kat eingespeicherten NH3 Menge, der aktuell zudosierten AdBlue- und somit NH3 Menge, dem Verhältnis von zudosierter zu benötigter NH3-Menge (Alpha), der SCR-Kat-Temperatur, dem Abgasmassenstrom, der NOx-Konzentration im Abgassystem und dem Alter der Abgasanlageeine eine korrigierte Gesamt-Ammoniak-Menge ermittelt und über die Motorsteuerung in das Abgassystem eindosiert. Dabei werden empirisch ermittelte Kennfelder verwendet.

Description

Ein SCR-Katalysator-System dient bei Dieselmotoren zur Reduktion von Stickoxiden (NOx) im Abgas. Das System besteht aus einem SCR-Kat (SCR = Selektive katalytische Reduktion, Kat = Katalysator), NOx-Sensoren, AdBlue-Dosiermodul und Temperatursensoren. AdBlue ist eine wässrige Harnstofflösung bestehend aus hochreinem Harnstoff und demineralisiertem Wasser. Mit dieser Lösung wird der Ausstoß von Stickoxiden (NOx) bei Dieselmotoren um bis zu 90 Prozent reduziert. Das eindosierte AdBlue wandelt sich nach der Eindosierung in die Abgasanlage unter anderem in Ammoniak (NH3) um, welches im SCR-Kat eingespeichert und zur Umsetzung der NOx verwendet wird. Über die NOx-Sensoren wird das NOx im Abgassystem gemessen. Daraus berechnet beispielsweise das Steuergerät für die Motorsteuerung die notwendige Menge an AdBlue, die in das Abgassystem eindosiert werden muss. Neben den Reaktionen zur Stickstoffreduktion laufen auch Nebenreaktionen ab, die messtechnisch nicht erfassbar sind. Abhängig von der eingespeicherten Ammoniakmenge im SCR-Katalysator, der aktuell zudosierten Ammoniakmenge, der Temperatur im SCR-Kat, dem Abgasmassenstrom und der Stickoxid-Konzentration erhöhen diese Nebenreaktionen den Ammoniakverbrauch.
Aktuell werden nicht alle relevanten Parameter in der Software- bzw. Reglerstruktur der zuständigen elektronischen Steuereinheit (z. B. Digitales Motorsteuergerät, im Folgenden auch kurz „Motorsteuerung“ genannt) bzw. im Motorsteuerungs-Verfahren zur Reduktion von Stickoxiden (NOx) im Abgas berücksichtigt.
Da nicht alle Einflussparameter entsprechend berücksichtig werden, kommt es in der Ammoniak-Speicherbilanzierung in der Motorsteuerung zu immer größer werdenden Abweichungen im Ammoniakfüllstand. Wird dieser Ammoniakspeicher zu gering, fällt der Wirkungsgrad in der Stickstoffreduzierung ab und die gesetzlichen Anforderungen können nicht mehr erfüllt werden (Stickoxide gelten als gesundheitsschädlich).
Wird der Ammoniakspeicher zu groß, wird der SCR-Katalysator überfüllt und das Ammoniak schlupft am Ende des Kats aus. Da die im System verbauten NOx-Sensoren nicht zwischen Stickoxiden und Ammoniak unterscheiden können, versagt die Regelung des Systems und es führt in weiterer Folge zu Fehlerspeichern, Leuchten der Motorkontrollleuchte und damit zu Werkstattaufenthalten. Weiterhin ist auch das Austreten von Ammoniak zu vermeiden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum sicheren Betrieb eines SCR-Katalysators zu verbessern.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Gegenstand.
Es wird erfindungsgemäß eine neue Softwarestruktur vorgeschlagen, in der möglichst alle relevanten Einflussparameter als Eingangsgrößen in verschiedene Kennfelder verwendet werden. Die in der neuen Softwarestruktur enthaltenen Kennfelder werden basierend auf den Ergebnissen aus Simulationen, Motor- Fahrzeugprüfstandsläufen und Fahrzeugerprobung bedatet.
Es kann mit entsprechender Softwarestruktur abhängig von der aktuell im SCR-Kat eingespeicherten NH3 Menge, der aktuell zudosierten AdBlue- und somit NH3 Menge, dem Verhältnis von zudosierter zu benötigter NH3-Menge (Alpha), der SCR-Kat-Temperatur, dem Abgasmassenstrom, der NOx-Konzentration im Abgassystem und dem Alter der Abgasanlageeine eine korrigierte Gesamt-Ammoniak-Menge ermittelt und über die Motorsteuerung in das Abgassystem eindosiert.
Zusätzlich oder alternativ kann die aktuell im SCR-Kat gespeicherte Ammoniak-Menge in einem ersten Funktionspfad und die aktuell zudosierte Ammoniak-Menge in einem zweiten Funktionspfad jeweils zumindest zusammen mit der SCR-Kat-Temperatur als Führungsgrößen einer Reglerstruktur verwendet werden, wobei im ersten Pfad mittels eines ersten Kennfeldes eine zumindest abhängig von der Temperatur und vorzugsweise auch vom Alter des SCR-Kats korrigierte gespeicherte Ammoniak-Menge und im zweiten Pfad mittels eines zweiten Kennfeldes eine zumindest abhängig von der Temperatur und vorzugsweise auch vom Alter des SCR-Kats korrigierte zudosierte Ammoniak-Menge ermittelt werden. Die korrigierte gespeicherte Ammoniak-Menge und die korrigierte zudosierte Ammoniak-Menge werden zur Bildung einer korrigierten Gesamt-Ammoniak-Menge addiert.
Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt
1 schematisch die für die erfindungsgemäße Vorrichtung wesentlichen Komponenten und
2 schematisch die für das erfindungsgemäße Verfahren wesentlichen Komponenten (Reglerstruktur bzw. Softwarestruktur).
In 1 ist ein Beispiel für ein SCR-Abgassystem dargestellt. Hierbei werden die Stickoxid-Sensoren (NOx1 und NOx2) verwendet, um in der Motorsteuerung SG (Motor-SG) die erforderliche AdBlue-Dosiermenge zu berechnen. Das eindosierte AdBlue wird durch die im Abgassystem vorhandene Temperatur über Hydrolyse und Thermolyse in verschiedene Gaskomponenten zersetzt. Das hierbei entstehende Ammoniak (NH3) wird im SCR-Katalysator (SCR-Kat) eingespeichert und zur Reduktion von Stickoxiden (NOx) verwendet und dabei verbraucht.
Software- bzw. Reglerstruktur zum Ausgleich von Ammoniakverlusten beim Betrieb eines SCR-Katalysators:
Neben der Reduktion von Stickoxiden finden noch verschiedene Nebenreaktionen (z.B. NH3-Oxidation) statt. Diese Nebenreaktionen hängen in großem Maße von folgenden Parametern ab:

• Der aktuell im SCR-Kat eingespeicherten NH3 Menge
• Der aktuell zudosierten AdBlue- und somit NH3 Menge
• Dem Verhältnis von zudosierter zu benötigter NH3-Menge (Alpha)
• SCR-Kat-Temperatur (Temperatursensor T_SCR)
• Dem Abgasmassenstrom
• Der NOx-Konzentration im Abgassystem
• Dem Alter der Abgasanlage

Abhängig von diesen Parametern, erhöht sich der Verbrauch von NH3 in den Nebenreaktionen.
Im SCR-System wird also NH3 für die Reduzierung von NOx und für die Nebenreaktionen verbraucht. In der Motorsteuerung SG wird die für die NOx-Reduzierung benötigte NH3 Menge, basierend auf den Messwerten der NOx-Sensoren, berechnet.
Die in den Nebenreaktionen verbrauchte NH3-Menge kann nicht basierend auf Messwerten bestimmt werden. Es ist firmenintern eine Softwarestruktur bekannt, mit welcher eine „Verlustmenge“ zur in der Motorsteuerung berechneten AdBlue-Dosiermenge addiert wird.
In dieser werden als Eingangsparameter die SCR-Kat-Temperatur (T_SCR) und der Abgasmassenstrom verwendet. Dabei gibt es eine Unterscheidung zwischen Ammoniak-Speicher auffüllen und abbauen. Zusätzlich gibt es Kennfelder für Neu- und Altzustand, zwischen welchen je nach Abgasanlagenalter interpoliert wird. Anschließend gibt es im Füllstandsaufbau-Betrieb noch eine Korrektur über gespeichertes NH3 im SCR-Kat.
Das Problem daran ist, dass nicht alle oben genannten Parameter berücksichtig werden, und die verwendeten Parameter nicht richtig eingebunden sind. Somit kann die „Verlustmenge“ an NH3 nicht richtig berechnet werden und es kommt zu immer größeren Abweichungen zwischen der in der Motorsteuerung berechneten gespeicherten NH3-Menge und der real im SCR-Kat gespeicherten NH3-Menge.
Hieraus können sich 2 Fehlerbilder ergeben:

• Der SCR-Kat ist zu leer: Der SCR-Kat-Wirkungsgrad in der Stickoxidreduzierung nimmt ab und die Emissionen können ansteigen; d.h. das Fahrzeug erkennt zu schlechten Wirkungsgrad und schaltet die Motorkontrollleuchte an; d.h. das Fahrzeug muss in die Werkstatt.
• Der SCR-Kat ist zu voll: Der SCR-Kat-Wirkungsgrad ist vorerst in Ordnung. Allerdungs steigt die gespeicherte NH3 Menge im SCR-Kat so lange, bis dieser überfüllt ist, und NH3 aus dem Kat entweicht. Da die NOx-Sensoren nicht zwischen Stickoxiden und NH3 unterscheiden können, steigt der Messwert des hinteren NOx-Sensors an und es kommt zum selben Fehlerbild wie bei Fall eines zu leeren SCR-Katalysators; d.h. das Fahrzeug erkennt zu schlechten Wirkungsgrad und schaltet die Motorkontrollleuchte an; d.h. das Fahrzeug muss in die Werkstatt.

Die Softwarestruktur ist daher erfindungsgemäß weitergebildet worden. Eine genauere Beschreibung folgt anhand des in 2 dargestellten Ausführungsbeispiels:
Um die in den Nebenreaktionen verbrauchte NH3-Menge besser kompensieren, und somit die erwähnten Fälle verhindern zu können, wird eine Softwarestruktur vorgeschlagen, in der nun alle genannten Eingangsparameter enthalten sind. Die im System vorhandene NH3-Menge bzw. die zudosierte NH3-Menge werden nun zusammen mit der SCR-Kat-Temperatur als Führungsgrößen verwendet. Da nun das in Nebenreaktionen verbrauchte NH3 als Führungsgröße verwendet wird, kann dessen Mehrverbrauch deutlich besser abgebildet und kompensiert werden.
Die in dieser Struktur ermittelte NH3-Menge wird über die Motorsteuerung zusätzlich in das Abgassystem eindosiert.
Sie setzt sich aus 3 Hauptpfaden zusammen:
Im ersten Pfad werden als Eingangsparameter die aktuell im SCR-Kat gespeicherte NH3-Menge und die SCR-Kat-Temperatur verwendet. Diese beiden Parameter ergeben aus dem ersten Kennfeld einen NH3-Massenstrom m1 [mg/s] basierend auf dem NH3-Füllstand.
Der zweite Pfad ermittelt aus der aktuell zudosierten NH3-Menge und der SCR-Kat-Temperatur einen Faktor f1 welcher aussagt, wieviel der zudosierten Menge direkt verloren geht. Multipliziert man die aktuell zudosierte NH3 Menge mit diesem Faktor f1, ergibt sich die NH3-Menge m2, die diesen direkten Verlust deckt. Um den Einfluss des Verhältnisses von zudosierter zu benötigter NH3-Menge (Alpha) abbilden zu können, kann vorzugsweise ein zusätzlicher Korrekturfaktor f2 (Alpha Dosierung => Faktorkennlinie) verwendet werden, wodurch sich eine korrigierte die NH3-Menge m2´ergibt.
Im Pfad 1 sowie im Pfad 2 werden vorzugsweise je ein Kennfeld für Neu- und Altzustand verwendet, um die entsprechenden Eigenschaften über SCR-Kat-Alterung richtig abbilden zu können. Je nach aktuellem SCR-Kat-Alter wird nun zwischen den Kennfeldern interpoliert. (in den Kennfeldern enthalten, hier nicht näher dargestellt)
Diese beiden Hauptpfade werden anschließend addiert. Da die NH3-Verlustmenge auch von der im Abgassystem vorhandenen NOx-Konzentration sowie vom Abgasmassenstrom beeinflusst wird, bilden diese beiden Parameter die Eingangsgrößen in den dritten Pfad der neuen Struktur. Hier wird in einem Kennfeld ein den Parametern entsprechender Faktor ermittelt.
Die Summe der ersten beiden Hauptpfade wird am Ende noch mit dem Korrekturfaktor aus dem 3. Pfad multipliziert und es ergibt sich die NH3-Menge, die zum Ausgleich der NH3-Verluste im SCR-Katalysator notwendig ist.
Die Bedatung der 3 Kennfelder bzw. der einen Kennlinie wird in Simulationen, Motorprüfstands- und Fahrzeugprüfstands-Messungen sowie Fahrzeugerprobungen ermittelt.
Die beschriebene Struktur kann für alle SCR-Kat Systeme verwendet werden (z.B. bei Unterbodenanwendung, motornaher SCR-Anwendung usw.).
Durch die Berücksichtigung der genannten Parameter können die Nebenreaktionen berücksichtig, und somit der erhöhte Ammoniakverbrauch kompensiert werden. Die Genauigkeit der Ammoniakbilanzierung in der Motorsteuerung wird dadurch deutlich gesteigert und die genannten Risiken deutlich reduziert.

Claims

Verfahren zum Ausgleich von Ammoniakverlusten während des Betriebs eines SCR-Katalysators, bei dem die aktuell im SCR-Kat gespeicherte Ammoniak-Menge (NH3-Füllstand) in einem ersten Funktionspfad und die aktuell zudosierte Ammoniak-Menge (Akt. Zudos. NH3) in einem zweiten Funktionspfad jeweils zumindest zusammen mit der SCR-Kat-Temperatur (SCR-Temp.) als Führungsgrößen einer Reglerstruktur verwendet werden, wobei im ersten Pfad mittels eines ersten Kennfeldes (Kennfeld Masse) eine zumindest abhängig von der Temperatur (SCR-Temp.) des SCR-Kats korrigierte gespeicherte Ammoniak-Menge (m1) und im zweiten Pfad mittels eines zweiten Kennfeldes (Faktor-Kennfeld) eine zumindest abhängig von der Temperatur (SCR-Temp.) des SCR-Kats korrigierte zudosierte Ammoniak-Menge (m2; m2´) ermittelt werden und wobei die korrigierte gespeicherte Ammoniak-Menge (m1) und die korrigierte zudosierte Ammoniak-Menge (m2; m2´) zur Bildung einer korrigierten Gesamt-Ammoniak-Menge (m3) addiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Pfad eine mittels eines Verhältnisfaktors (f2) zusätzlich korrigierte zudosierte Ammoniak-Menge (m2´) ermittelt wird, wobei der Verhältnisfaktor (f2) durch ein weiteres Kennfeld (Faktor-Kennlinie) abhängig vom Verhältnis der zudosierten zur benötigten Ammoniak-Menge (Alpha Dosierung) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der korrigierten gespeicherten Ammoniak-Menge (m1) und der korrigierten zudosierten Ammoniak-Menge (m2; m2´) mittels eines Summenkorrekturfaktors (f3) über einen dritten Funktionspfad abhängig von der im Abgassystem vorhandenen NOx-Konzentration (ppm NOx) und vom Abgasmassenstrom (dmEG) zu einer noch weiterführend korrigierten Gesamt-Ammoniak-Menge (m3) berichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die korrigierte Gesamt-Ammoniak-Menge (m3) über die Motorsteuerung (SG) in das Abgassystem eindosiert wird.
Verfahren zum Ausgleich von Ammoniakverlusten während des Betriebs eines SCR-Katalysators, bei dem abhängig von der aktuell im SCR-Kat eingespeicherten NH3 Menge, der aktuell zudosierten AdBlue- und somit NH3 Menge, dem Verhältnis von zudosierter zu benötigter NH3-Menge (Alpha), der SCR-Kat-Temperatur, dem Abgasmassenstrom, der NOx-Konzentration im Abgassystem und dem Alter der Abgasanlageeine eine korrigierte Gesamt-Ammoniak-Menge (m3) ermittelt und über die Motorsteuerung (SG) in das Abgassystem eindosiert wird.
Vorrichtung für ein Kraftfahrzeug zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche, die zumindest ein elektronisches Steuergerät (Motor-SG) umfasst, das eine entsprechend programmierte Reglerstruktur enthält.