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Mit Verbrennungsmotoren betriebene Pkw oder Lkw sind zu einem festen Bestandteil der modernen Gesellschaft geworden. Die Automobilindustrie hat es sich zur Aufgabe gemacht Fahrzeuge zu entwickeln die sich durch niedrige Schadstoffemissionen auszeichnen und gleichzeitig kostengünstig herstellbar sind. Insbesondere sind derzeit Stickoxidminderungstechnologien im Entwicklungsfokus.
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Zur Reduktion der Stickoxidkonzentration (NOx) im Abgas werden deshalb neue Methoden zur Abgasreinigung entwickelt. Eine Methode ist die Verwendung eines Ammoniak-SCR-Systems. Dieses System ist insbesondere zur Senkung des NOx-Ausstoßes sowohl bei LKWs als auch bei PKWs vorteilhaft.
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In einer Ausführungsform des SCR-Systems wird eine Harnstoffwasserlösung als Reduktionsmittel in die Abgasanlage des Fahrzeugs eingespritzt. Dieses flüssige Reduktionsmittel wird in der Abgasanlage verdampft und letztendlich in gasförmigen Ammoniak (NH3) umgewandelt. Mit Hilfe dieses Ammoniaks werden im Ammoniak-SCR-Katalysator die schädlichen Stickoxide NOx zu Stickstoff N2 und Wasser H20 umgewandelt. Damit die Ammoniak-SCR-Reaktion stattfinden kann, muss zunächst Ammoniak im SCR-Katalysator adsorbiert, also eingelagert, werden. Der NOx Umsatz kann, insbesondere bei niedrigen Katalysatortemperaturen, stark von der Menge an eingespeichertem Ammoniak abhängen.
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Die
US 9 435 244 B1 betrifft ein System und ein Verfahren zur Einspritzsteuerung von Harnstoff in eine selektive katalytische Reduktionsvorrichtung.
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Die
DE 10 2015 001 231 A1 betrifft eine mikrowellenbasierte Vorrichtung zur getrennten Zustandserkennung der einzelnen Funktionen eines kombinierten Abgasnachbehandlungssystems und/oder einer Auflösung durch eine asymmetrische Anordnung des Abgasnachbehandlungssystems.
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Aus der
EP 3 073 082 A1 sind Systeme und Verfahren zum Überwachen des Zustands eines selektiv katalytischen Reduktionskatalysators bekannt.
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Die
US 2008/0022658 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen eines Harnstoffeinspritzsystems in ein Abgasnachbehandlungssystem.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, die NOx-Emissionen eines Fahrzeugs zu senken.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.
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Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Katalysatormesssystem zur On-Board-Diagnose und zur Alterungsbestimmung eines SCR-Katalysators für ein Fahrzeug. Das Katalysatormesssystem weist folgende Bestandteile auf: ein Steuergerät, zum Steuern des Katalysatormesssystems und zur Messdatenauswertung, ein SCR-Katalysator zur Reinigung der Abgase eines Fahrzeugs, eine Hochfrequenz-Messanordnung zur Bestimmung der Ammoniakbeladung eines SCR-Katalysators, eine NOx-Sensoranordnung, zur Erfassung der NOx-Konzentration nach dem SCR-Katalysator und ein Ammoniak-Dosiersystem zum Einspritzen von Ammoniak in die Abgasanlage des Fahrzeugs. Das Steuergerät ist ausgeführt, das Ammoniak-Dosiersystem anzuleiten, gezielt Ammoniak mit unterschiedlichen Dosierraten in die Abgasanlage einzuspritzen. Das Steuergerät ist weiter ausgeführt, die gemessenen Daten der NOx-Sensoranordnung und der Hochfrequenz-Messanordnung auszuwerten und daraus eine kommende, also beispielsweise die als nächstes zu verwendende Ammoniak-Dosierrate zu berechnen. Das Ammoniak-Dosiersystem stellt die größtmögliche Dosierrate an Ammoniak ein, welche noch nicht zu einer Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators führt. Dabei ist die größtmögliche Dosierrate dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas eine minimale NOx-Konzentration nach dem SCR-Katalysator aufweist, ohne dass sich Ammoniak im SCR-Katalysator ablagert. Unter Berücksichtigung der größtmöglichen Dosierrate wird dann der Alterungszustand des SCR-Katalysators bestimmt.
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Das Katalysatormesssystem sollte vorzugsweise zu Beginn des Messvorgangs einen Ammoniak freien SCR-Katalysator aufweisen, der sich in einem definierten, stabilen Betriebspunkt befindet. Ein definierter, stabiler Betriebspunkt kann bei konstanter Temperatur, bei konstantem Abgasvolumenstrom und/oder bei gleichbleibender AGR-Rate (Abgasrückführungsrate) vorhanden sein. Die Ammoniak-Dosierung des Ammoniak-Dosiersystem kann hierfür ausgeschaltet werden. Das Katalysatormesssystem kann ohne Ammoniak-Dosierung betrieben werden, bis die Hochfrequenz-Messanordnung einen konstanten Wert für die Ammoniakbeladung erfasst. Die Hochfrequenz-Messanordnung kann beispielsweise über kleine Koppelelemente, z.B. Antennen, elektromagnetische Wellen in den Abgasstrang einkoppeln und die Reflexion oder die Transmission der ausgesendeten elektromagnetischen Wellen messen. Die elektromagnetischen Wellen korrelieren mit dem Beladungszustand des SCR-Katalysators. Das metallische Katalysatorgehäuse stellt hierbei einen elektrischen Hohlraumresonator dar.
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Als Sensoren können in einem Ausführungsbeispiel ein oder zwei einfache Antennen dienen, beispielsweise koaxiale Stiftkoppler oder Loop-Koppler, die in das Katalysatorgehäuse eingebracht werden. Die di-/elektrischen Eigenschaften des SCR-Katalysators werden durch seinen keramischen Wabenkörper inkl. der Beschichtung und des Speichermaterials bestimmt und können durch die Hochfrequenz-Messanordnung gemessen werden.
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Bei Abgaskatalysatoren kann die Änderung des Resonanzverhaltens, beispielsweise die aus den Reflexionskoeffizienten erhaltene Resonanzfrequenz, als Signalmerkmal genutzt werden. Alternativ kann die Transmission als Signalmerkmal verwendet werden, welches jedoch zwei Antennen erfordert.
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Werden durch eine Antenne hochfrequente elektromagnetische Wellen in einen Hohlraumresonator eingekoppelt, bilden sich in diesem mehrere stehende Wellen aus, die als Moden bezeichnet werden. Jede Mode weist ein eigenes Schwingungsbild bei der jeweiligen Resonanzfrequenz auf. Diese ausgeprägten Resonanzstellen ändern ihre Frequenz und Dämpfung in Abhängigkeit des Beladungszustandes des SCR-Katalysators. Somit kann es möglich sein, mit Hilfe dieser Hochfrequenz-Messanordnung die Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators direkt zu messen.
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Für die On-Board-Diagnose und die Alterungserkennung kann Ammoniak in gezielten Dosierraten, welche variiert werden, in die Abgasanlage des Fahrzeugs eingespritzt werden. Unter „Dosierrate“ ist hierbei sowohl die eigentliche Zugaberate als auch die Dauer der Zugabe zu verstehen, sodass die Dosierrate einer zugegebenen Menge an Ammoniak entspricht. Die Reaktion des SCR-Systems auf die gezielten Dosierraten wird mittels der Hochfrequenz-Messanordnung und der NOx-Sensoranordnung gemessen.
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Die NOx-Sensoranordnung kann die NOx-Konzentration im Abgas nach dem SCR-Katalysator messen. Hierbei wird der Effekt des eingespritzten Ammoniaks sofort durch die NOx-Reduktion im Abgas sichtbar. Die Hochfrequenz-Messanordnung kann die Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators messen. Beide Messparameter der Hochfrequenz-Messanordnung, die Resonanzfrequenz und die dielektrischen Verluste, zeigen eine direkte Korrelation zu dem eingelagerten Ammoniak im SCR-Katalysator. Sobald durch eine eingespritzte Dosierrate eine Einlagerung von Ammoniak im SCR-Katalysator stattfindet, kann davon ausgegangen werden, dass die eingespritzte Ammoniak-Dosierrate zu hoch war und nicht das gesamte eingespritzte Ammoniak für die NOx-Konvertierung genutzt wurde.
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Ziel ist es durch einen iterativen Prozess die größtmögliche Dosierrate, ohne Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators, zu bestimmen und diese abhängig von dem Alterungszustand des SCR-Katalysators anzupassen. Z.B. wenn durch die erste Dosierrate eine Reduktion der NOx-Konzentration, jedoch noch keine Einlagerung im SCR-Katalysator ersichtlich ist, kann durch das Steuergerät die zweite Dosierrate mit einer höheren Ammoniak-Menge erfolgen. Ist durch die zweite Dosierrate wiederum eine Verringerung der NOx-Konzentration ersichtlich, jedoch auch ein Anstieg an eingelagertem Ammoniak im SCR-Katalysator, kann somit davon ausgegangen werden, dass die Ammoniak-Menge der zweiten Dosierrate zu hoch erfolgte. Alternativ zu Ammoniak kann eine Ammoniak erzeugende Substanz wie z.B. Urea oder eine Harnstoffwasserlösung (HWL) in die Abgasanlage des Fahrzeuges eingespritzt bzw. dosiert werden. Beide Alternativen können in Verbindung mit einem SCR-Katalysator zur Minderung von NOx-Emissionen in den Abgasen eines Fahrzeuges verwendet werden.
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Aus den gewonnen Daten kann das Steuergerät die kommende Dosierrate berechnen, welche eine Ammoniak-Menge zwischen der ersten und der zweiten Dosierrate aufweist. Der Prozess kann so lange wiederholt werden, bis die größtmögliche Dosierrate gefunden wurde, ohne dass Ammoniak im SCR-Katalysator abgelagert wird.
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Die größtmögliche Dosierrate zeichnet sich dadurch aus, dass die NOx-Konzentration nach dem SCR-Katalysator minimal wird und noch kein oder nur minimal Ammoniak in den SCR-Katalysator eingelagert wird. Die größtmögliche Dosierrate wird auch als stöchiometrischer Punkt bezeichnet, an welchem das Komplette Ammoniak mit dem NOx reagiert, sodass eine minimale NOx-Konzentration im Abgas nach dem SCR-Katalysator auftritt. Ist der Katalysator gealtert, so nimmt dessen katalytische Wirkung und Speicherfähigkeit ab. Umgekehrt ist die Speicherfähigkeit also ein Maß für die NOx-Konvertierungsrate. Durch den gealterten SCR-Katalysator verändert sich die größtmögliche Dosierrate. Somit kann aufgrund der geänderten größtmöglichen Dosierrate auch auf den Alterungszustand des SCR-Katalysators geschlossen werden. Die Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators ist aus den beiden Messparametern der Hochfrequenz-Messanordnung ersichtlich. Das System kann ausgeführt sein, die Alterungserkennung in bestimmten, bspw. regelmäßigen Abständen durchzuführen, sodass der Alterungszustand des Katalysators überwacht werden kann. Für das Katalysatormesssystem kann ein NOx-Sensor zur Alterungserkennung vorgesehen sein, um die minimale NOx-Konzentration nach dem SCR-Katalysator festzustellen. Die vollständige Entleerung sowie die Reaktion des SCR-Katalysators auf die gezielten Dosierraten können in den vorzugsweisen konstanten Betriebspunkten eigenständig durch das Katalysatormesssystem ermittelt werden. Alternativ kann die Alterungsbestimmung durch das Katalysatormesssystem auch im transienten Betrieb des SCR-Katalysators erfolgen, also während der Fahrt des Fahrzeuges.
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Solche Hochfrequenz-Messsysteme eignen sich prinzipiell auch für die Bestimmung der Sauerstoffbeladung von Dreiwegekatalysatoren, Lean NOx Traps (LNT), Dieseloxidationskatalysatoren (DOC) oder für die Rußbeladungsmessung von Partikelfiltern. Somit kann das vorhergehend und nachfolgend beschriebene System auch bei diesen Katalysatoren / Partikelfiltern Anwendung finden.
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Das Ammoniak-Dosiersystem kann aus einer Einspritzdüse, zum einspritzen des Ammoniaks in die Abgasanlage, einem Vorratstank für den Ammoniak, einer Pumpe, einer Heizung für den Vorratstank und den Leitungen bestehen. Ferner kann das Ammoniak-Dosiersystem auch weitere Komponenten aufweisen.
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Der SCR-Katalysator kann zu Beginn der Alterungsmessung komplett von Ammoniak befreit werden, sodass kein Ammoniak mehr in dem SCR-Katalysator eingelagert ist. Sobald der SCR-Katalysator vom Ammoniak befreit ist, kann das Ammoniak-Dosiersystem gezielte Ammoniak-Dosierraten in die Abgasanlage einspritzen, sodass die Reaktion des SCR-Katalysators auf die gezielten Dosierraten gemessen werden kann. Als Messwerte werden die NOx-Konzentration nach dem SCR-Katalysator und die Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators herangezogen. Die NOx-Konzentration kann durch die NOx-Sensoranordnung ermittelt werden und die Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators durch die Hochfrequenz-Messanordnung.
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Die größtmögliche Dosierrate, welche durch das Ammoniak-Dosiersystem eingespritzt werden soll, kann durch zwei wesentliche Punkte beschrieben werden. Der erste Punkt ist die minimale NOx-Konzentration im Abgasstrang und der zweite Punkt ist, dass keine oder nur eine minimale Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators erfolgt. Somit kann eine größtmögliche Reduktion von NOx in den Abgasen sichergestellt werden und gleichzeitig eine Überdosierung an Ammoniak verhindert werden. Somit kann der Ammoniak-Verbrauch minimiert werden und der Kunde muss den Ammoniak nicht so oft nachfüllen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Steuergerät ausgeführt, die gemessenen Daten der NOx-Sensoranordnung und der Hochfrequenz-Messanordnung der vorhergehenden und der aktuellen Dosierrate zu vergleichen.
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Das Steuergerät kann die aktuelle Dosierrate und die Reaktion des SCR-Systems hierauf mit den vorhergehenden Dosierraten und den darauffolgenden Reaktionen des Systems vergleichen. Das Ammoniak-Dosiersystem spritzt eine erste Dosierrate ein, die Reaktion des SCR-System auf die eingespritzte Menge an Ammoniak kann durch die NOx-Sensoranordnung und die Hochfrequenz-Messanordnung aufgenommen werden. Für die Berechnung der kommenden Dosierrate können die bisherigen Dosierraten und die jeweils aufgetretenen Reaktionen des SCR-System berücksichtigt werden. Z.B. erfolgte durch die erste Dosierrate keine Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators, durch die zweite Dosierrate jedoch schon, kann die dritte Dosierrate eine Ammoniakmenge zwischen den beiden vorhergehenden Dosierraten aufweisen.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass das Steuergerät ausgeführt ist, die größtmögliche Dosierrate in einem iterativen Verfahren zu bestimmen.
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Mit anderen Worten, das Steuergerät des Katalysatormesssystems kann die Dosierraten an Ammoniak nach jeder erfolgten Einspritzung anpassen, so lange bis ein hinreichend genaues Ergebnis sichergestellt werden kann. Dies geschieht in einem iterativen Verfahren. Es kann vorgesehen sein, dass mindestens eine Dosierrate keine Ammoniakbeladung im SCR-Katalysator hervorruft und mindestens eine Dosierrate eine Ammoniakbeladung im SCR-Katalysator hervorruft. Die kommende Dosierrate weist eine Ammoniakmenge auf, welche zwischen den beiden vorherigen Dosierraten liegt. Der Prozess wird so lange wiederholt, bis die größtmögliche Dosierrate gefunden wurde, welche noch keine Ammoniakbeladung im SCR-Katalysator hervorruft.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Hochfrequenz-Messanordnung zur Bestimmung der Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators die Resonanzfrequenz des SCR-Katalysators misst. Die Resonanzfrequenz des SCR-Katalysators ändert sich abhängig von der Menge an eingelagertem Ammoniak im SCR-Katalysator. Kann kein Ammoniak mehr durch den SCR-Katalysator aufgenommen werden, bleibt die Resonanzfrequenz konstant. Die Resonanzfrequenz ist ebenfalls konstant, wenn der SCR-Katalysator leer ist. Sobald Ammoniak in dem SCR-Katalysator eingelagert wird, beginnt sich die Resonanzfrequenz zu ändern.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Hochfrequenz-Messanordnung die dielektrischen Verluste des SCR-Katalysators misst.
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Die Hochfrequenz-Messanordnung kann zur Bestimmung der Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators auch die dielektrischen Verluste des SCR-Katalysators messen. Die dielektrischen Verluste des SCR-Katalysators ändern sich abhängig von der Menge an eingelagertem Ammoniak im SCR-Katalysator. Sobald Ammoniak in dem SCR-Katalysator eingelagert wird, beginnen sich die dielektrischen Verluste zu ändern.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das Steuergerät ausgeführt ist, den Alterungszustand des SCR-Katalysators aus der gemessenen NOx-Konzentration und/oder der gemessenen Ammoniakbeladung zu bestimmen.
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Mit anderen Worten, das Steuergerät des Katalysatormesssystems kann die gemessene Reaktion auf die unterschiedlichen Dosierraten und die resultierende größtmögliche Dosierraten mit einem typischen Verhalten für einen SCR-Katalysator vergleichen. Durch die größtmögliche Dosierrate und die Messwerte der NOx-Konzentration und der Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators kann auf den Alterungszustand des SCR-Katalysators geschlossen werden. Je älter der SCR-Katalysator ist, desto geringer ist dessen Reaktionsfreudigkeit, somit sinkt die größtmögliche Dosierrate, welche keine Ammoniakbeladung im SCR-Katalysator hervorruft.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem SCR-Katalysator und einem oben und im Folgenden beschriebenen Katalysatormesssystem zur Bestimmung einer größtmöglichen Dosierrate an Ammoniak, welche zu einer größtmöglichen Reduzierung der NOx-Konzentration im Abgas führt, ohne dass Ammoniak im SCR-Katalysator abgelagert wird.
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Ein Fahrzeug kann mit dem Katalysatormesssystem ausgerüstet sein, um den NOx-Ausstoß des Fahrzeugs zu senken. Damit eine einwandfreie Funktionsweise des SCR-Katalysators sichergestellt werden kann, wird das Katalysatormesssystem verbaut. Das Katalysatormesssystem kann den Alterungszustand des SCR-Katalysators bestimmen und die eingelagerte Menge an Ammoniak im SCR-Katalysator messen. Basierend auf den einzelnen Dosierraten kann des Katalysatormesssystem seine Regelung anpassen, sodass eine größtmögliche Reduktion an NOx-Emissionen sichergestellt werden kann, ohne das eine Ammoniak-Überdosierung stattfindet. Das Fahrzeug kann ein Benzin-, Diesel-, Bio-Fuels, synthetische Kraftstoffe oder Gasfahrzeug sein. Auch kann die Erfindung in Hybridfahrzeugen mit einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Fahrzeug mit einem SCR-Katalysator und einem Katalysatormesssystem zur Bestimmung einer größtmöglichen Dosierrate an Ammoniak ausgeführt, welche zu einer größtmöglichen Reduzierung der NOx-Konzentration im Abgas führt, sodass nur minimal Ammoniak im SCR-Katalysator abgelagert wird.
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Bei dem Fahrzeug handelt es sich beispielsweise um ein Kraftfahrzeug, wie Auto, Bus oder Lastkraftwagen, oder aber auch um ein Schienenfahrzeug, ein Schiff, ein Luftfahrzeug, wie ein Helikopter oder ein Flugzeug.
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Ein weiterer Aspekt dieser Erfindung betrifft ein Verfahren zur On-Board-Diagnose und zur Bestimmung des Alterungszustandes eines SCR-Katalysators, folgende Schritte aufweisend:
- - Ermitteln der NOx-Konzentration bei dosierter Ammoniak Einspritzung eines SCR-Katalysators als Referenz.
- - Initialisieren der Messung, indem der SCR-Katalysator in einem konstanten Betriebspunkt ohne Ammoniak-Einspritzung betrieben wird, sodass kein oder nur wenig Ammoniak im SCR-Katalysator eingelagert ist.
- - Einspritzen von Ammoniak in die Abgasanlage gemäß einer definierten Dosierrate.
- - Messen der NOx-Konzentration nach dem SCR-Katalysator und der Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators.
- - Ermitteln der größtmöglichen Ammoniak Dosierrate, bei welcher die NOx-Konzentration nach dem SCR-Katalysator minimal wird, ohne dass eine oder nur eine minimale Ammoniakbeladung in dem SCR-Katalysator auftritt.
- - Bestimmen des Alterungszustands des SCR-Katalysators unter Berücksichtigung der größtmöglichen Dosierrate.
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Das Verfahren zur On-Board-Diagnose und zur Bestimmung des Alterungszustandes eines SCR-Katalysators weist mehrere Schritte auf. Zu Beginn des Verfahrens können die Referenzparameter für einen späteren Vergleich generiert werden. Hierfür können sowohl das Verhalten eines SCR-Katalysators im Neuzustand oder die letzte gültige Messung herangezogen werden. Anschließend kann mit der eigentlichen Messung begonnen werden, hierzu kann vorzugsweise ein konstanter Betriebspunkt des SCR-Katalysators angefahren werden. In diesem konstanten Betriebspunkt sollte die Temperatur, der Volumenstrom und die AGR-Rate konstant gehalten werden. Des Weiteren wird in dieser Phase kein Ammoniak durch das Ammoniak-Dosiersystem in die Abgasanlage eingespritzt, sodass der eingelagerte Ammoniak im SCR-Katalysator mit dem NOx aus den Abgasen reagiert. Der SCR-Katalysator ist somit frei von Ammoniak. Es können hierfür auch verschiedene Betriebspunkte hinterlegt sein, die für das Verfahren herangezogen werden. Dabei wird das Signal der NOx-Sensoranordnung benötigt, damit die NOx-Emissionen für den jeweiligen Betriebspunkt gemessen werden können. Da der Katalysator komplett entleert wird, genügt hierfür auch eine NOx-Sensoranordnung nach dem SCR-Katalysator. Mit Hilfe der Hochfrequenz-Messanordnung, die ein direktes Maß der Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators ist, ist es möglich die größtmögliche Ammoniak Dosierrate zu finden, bei der das komplette Ammoniak reagiert, aber noch kein Ammoniak im SCR-Katalysator eingelagert wird, d.h. den stöchiometrischen Dosierpunkt zu finden. Die Kenntnis über den stöchiometrischen Dosierpunkt ist insofern relevant, da er ein direktes Maß für die Aktivität des Katalysators ist. Bei Alterung nimmt letztere ab, wodurch schon bei niedrigeren Dosierraten Ammoniak im SCR-Katalysator eingelagert wird. Mögliche Gründe für diese Alterung sind beispielsweise Sinterungseffekte in der Beschichtung oder Vergiftungen der katalytischen Zentren. Im Anschluss spritzt das Ammoniak-Dosiersystem in definierten Dosierraten Ammoniak in die Abgasanlage ein. Die Reaktion des SCR-Systems auf die eingespritzte Dosierrate wird von der NOx-Sensoranordnung und der Hochfrequenz-Messanordnung erfasst. Basierend auf den Messwerten berechnet das Steuergerät die kommende Dosierrate. Das Verfahren sieht vor die größtmögliche Dosierrate, welche zu keiner oder nur zu einer minimalen Einlagerung von Ammoniak im SCR-Katalysator führt, zu finden. Hierfür werden mehrere verschiedene Dosierraten in das SCR-System eingebracht und jeweils die Reaktion des SCR-Systems auf die jeweiligen Dosierraten erfasst. Durch die mehreren Dosierraten kann in einem iterativen Prozess die größtmögliche Dosierrate gefunden werden, welche noch zu keiner Einlagerung von Ammoniak in dem SCR-Katalysator führt. Auf Grundlage der ermittelten größtmöglichen Dosierrate kann auf den Alterungszustand des SCR-Katalysators geschlossen werden. Mit zunehmen Alter verringert sich die Reaktivität und somit nimmt die größtmögliche Dosierrate ohne Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators über die Zeit ab. Das vorhergehend und nachfolgend beschriebene Verfahren kann auch im transienten Betrieb des SCR-Katalysators angewandt werden.
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Mit dem Verfahren ist es möglich die katalytische Aktivität der Beschichtung zu bestimmen und über der Lebenszeit des Katalysators seine Alterung zu detektieren. Die Resonanzfrequenz und die dielektrischen Verluste korrelieren direkt mit der Ammoniakbeladung auf der Katalysatoroberfläche. Wird dieses Verfahren in regelmäßigen Abständen angewandt, so kann über die größtmögliche Dosierrate die Alterung der katalytischen Aktivität über der Lebenszeit des SCR-Katalysators bestimmt werden. Damit kann beispielsweise die Betriebsstrategie angepasst und der optimale Betrieb des Katalysators sichergestellt werden. Ebenso könnte auch eine thermische Regenerierung des SCR-Katalysators initiiert werden, um ggf. reversible Vergiftungseffekte zu beseitigen. Vermutete Voraussetzung ist ein funktionsfähiges, störungsfreies Ammoniak-Dosiersystem. Es können für unterschiedliche Betriebspunkte die stöchiometrischen Dosierraten bestimmt werden, wodurch es möglich ist die Dosierstrategie an den SCR-Katalysator anzupassen und den SCR-Katalysator immer in seinem optimalen Betriebsfenster zu betreiben. So kann beispielsweise eine Optimierung auf eine minimale Speichermenge bei maximalem Umsatz möglich sein.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Programmelement, das, wenn es von einem Steuergerät eines Katalysatormesssystems ausgeführt wird, das Katalysatormesssystem anleitet, das im Kontext der vorliegenden Erfindung beschriebene Verfahren durchzuführen.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein computerlesbares Medium, auf dem ein Computerprogramm gespeichert ist, das, wenn es von einem Steuergerät eines Katalysatormesssystems ausgeführt wird, das Katalysatormesssystem anleitet, das im Kontext der vorliegenden Erfindung beschriebene Verfahren durchzuführen.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und Figuren.
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Die Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu. Sind in der nachfolgenden Beschreibung in verschiedenen Figuren die gleichen Bezugszeichen angegeben, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Katalysatormesssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Motors mit einer Abgasanlage und dem Katalysatormesssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 3 zeigt ein Diagramm in welchem der zeitliche Verlauf der NOx-Konzentration, der Ammoniakeinspritzung und der Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators dargestellt ist.
- 4 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur On-Board-Diagnose und zur Alterungsbestimmung eines SCR-Katalysators gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 5 zeigt exemplarisch ein Fahrzeug mit einem verbauten Katalysatormesssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eins Katalysatormesssystems 100. Um eine bestmögliche Umwandlung des NOx zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, die gespeicherte Ammoniakmenge im SCR-Katalysator 110 zu bestimmen. Die Ammoniakbeladung kann mit Hilfe von Modellen berechnet werden, die auf Signalen verschiedenster Sensoren und Aktoren der Abgasanlage basieren. Weiterhin gehen Motorbetriebszustandsdaten als Eingangsgröße in die Modelle ein. Da die Genauigkeit der Modelle begrenzt ist und sich die Parameter auch mit der Zeit ändern, kann eine Ammoniak-Schlupf-Strategie angewendet werden. Die hierbei entstehenden Probleme sind vor allem die Ungenauigkeit des Modelles, da eine Fehlerkette der einzelnen Bestandteile existiert, z.B. in der Motorsteuerung, der Temperaturmessung, der Sensorungenauigkeiten und der Bestimmung der verschiedenen Aktorpositionen.
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Um den oben beschriebenen Problemen der indirekten Messung und der Modelle zu begegnen, kann zur Bestimmung der Ammoniakbeladung eines SCR-Katalysators 110 eine direkte Messung des Beladungszustandes mit Hilfe von einer Hochfrequenz-Messanordnung 130 (HF-Messsystem), das auch als Mikrowellenverfahren bezeichnet wird, erfolgen.
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Das Katalysatormesssystem 100 weist einen SCR-Katalysator 110, ein Steuergerät 120, eine Hochfrequenz-Messanordnung 130, eine NOx-Sensoranordnung 150 und ein Ammoniak-Dosiersystem 140 auf. Der SCR-Katalysator 110 dient der Reinigung des Abgases eines Fahrzeugs von schädlichen NOx-Emissionen. Zur Reinigung des Abgases von NOx-Emissionen wird zusätzlich Ammoniak benötigt, dieser wird in flüssiger Form in die Abgasanlage des Fahrzeugs durch das Ammoniak-Dosiersystem 140 eingespritzt. Der eingespritzte Ammoniak verdampft und wandelt im SCR-Katalysator 110 das NOx in Stickstoff und Wasser um. Das Steuergerät 120 dient der Steuerung der Einspritzung des Ammoniaks durch das Ammoniak-Dosiersystem 140 und zudem überwacht das Steuergerät 120 den Alterungszustand des SCR-Katalysators 110. Das Steuergerät 110 kann auch teilweise oder komplett einen Bestandteil einer anderen Steuereinheit darstellen, wie z.B. der ECU. Für die gezielte Steuerung und die Alterungsbestimmung des SCR-Katalysators benötigt das Steuergerät 120 die aktuelle Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators 110 und die NOx-Konzentration im Abgas, dies wird durch die Hochfrequenz-Messanordnung 130 und durch die NOx-Sensoranordnung 150 sichergestellt. Die Hochfrequenz-Messanordnung 130 ist in der Lage die Resonanzfrequenz und die dielektrischen Verluste des SCR-Katalysators zu messen. Beide gemessenen Parameter verändern sich abhängig von der eingelagerten Ammoniak Menge im SCR-Katalysator. Die NOx-Sensoranordnung 150 ist in der Lage die verbleibende NOx-konzentration im Abgas zu messen. Das Steuergerät 120 kann aus den gemessenen Parametern in einem iterativen Verfahren die größtmögliche Dosierrate an Ammoniak bestimmen, bei welcher noch kein Ammoniak in dem SCR-Katalysator 110 eingelagert wird. Aus der ermittelten größtmöglichen Dosierraten kann das Steuergerät 120 auf den Alterungszustand des SCR-Katalysators 110 schließen. Mit zunehmender Alterung nimmt die größtmögliche Dosierrate, bei welcher kein Ammoniak in dem SCR-Katalysator 110 eingelagert wird, ab.
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2 zeigt das Katalysatormesssystem 100 aus 1 eingebaut in einer Abgasanlage 220 eines Fahrzeugs, wobei das Katalysatormesssystem 100 in dem Ausführungsbeispiel aus 2 eine Antenne zur Beladungsmessung des SCR-Katalysators 110 aufweist. Der Verbrennungsmotor 210 erzeugt bei der Verbrennung von Kraftstoff Energie und Abgase/Partikel. Als Bestandteil der Abgase treten unter anderem auch Stickoxide (NOx) auf. Die Abgase werden durch die Abgasanlage 220 in die Umwelt entlassen. Damit nicht alle schädlichen Abgase in die Umwelt gelangen, werden in der Abgasanlage 220 Abgasreinigungssysteme, wie z.B. ein SCR-Katalysator 110, eingebaut. Des Weiteren wird in die Abgasanlage 220 das Katalysatormesssystem 100 verbaut, um die Alterung des SCR-Katalysators 110 zu überwachen und die Regelung des SCR-Katalysators 110 zu optimieren.
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3 zeigt ein Diagramm im welchen die NOx-Konzentration im Abgas nach dem SCR-Katalysator, die Menge des eingespritzten Ammoniaks in den jeweiligen Dosierraten, die Resonanzfrequenz des SCR-Katalysators und die dielektrischen Verluste des SCR-Katalysators über der Zeit aufgetragen sind. Die beiden Dosierraten 1 und 2 unterscheiden sich in ihrer jeweiligen Menge an eingespritzten Ammoniak. Korrespondierend zur der Menge an gespeicherten Ammoniak im SCR-Katalysator verhalten sich die Resonanzfrequenz und die dielektrischen Verluste. 3 zeigt zwei unterschiedliche Dosierraten, wobei gilt: Rate 1 < Rate 2. Bei Rate 1 beträgt der NOx-Umsatz ca. 75%, es wird aber sichtlich noch kein Ammoniak im SCR-Katalysator abgelagert wird. Bei Verwendung der Dosierrate 2 kommt zu einer erkennbaren Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators, wodurch ersichtlich ist, dass diese Dosierung überstöchiometrisch ist. Ebenso verläuft der NOx-Umsatz auf einen konstant hohen Wert. Werden noch weitere Dosierraten zwischen Rate 1 und Rate 2 angefahren, so kann mit diesem Verfahren eine exakt stöchiometrische Dosierrate eingestellt werden, also die größtmögliche Dosierrate ohne Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators. Des Weiteren ist dem Diagramm zu entnehmen, dass wenn die Ammoniak-Einspritzung gestoppt wird, sich der im SCR-Katalysator eingelagerte Ammoniak abbaut und verbraucht wird.
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4 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Bestimmung des Alterungszustandes eines SCR-Katalysators. In Schritt 401 erfolgt die Ermittlung der Referenzparameter für einen späteren Vergleich. Hierfür wird die Reaktion des SCR-System auf eine definierte Ammoniak-Dosierrate gemessen. Die Initialisierung der Messung erfolgt in Schritt 402. Hier wird der SCR-Katalysator in einem konstanten Betriebspunkt ohne Ammoniak-Einspritzung betrieben, sodass idealerweise kein Ammoniak mehr oder nur in geringer Menge in dem SCR-Katalysator eingelagert ist. Einspritzung von Ammoniak in definierten Dosierraten erfolgt in Schritt 403. In Schritt 404 erfolgt die Messung der NOx-Konzentration nach dem SCR-Katalysator und die Messung der Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators. Die Bestimmung der größtmöglichen Dosierrate, bei welcher noch kein Ammoniak in dem SCR-Katalysator abgelagert wird, erfolgt in Schritt 405. Zuletzt wird in Schritt 406, unter Berücksichtigung der größtmöglichen Dosierrate, der Alterungszustand des SCR-Katalysators bestimmt.
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5 zeigt ein Fahrzeug 500 mit einem Katalysatormesssystem 100. Das Katalysatormesssystem 100 dient der On-Board-Diagnose und der Bestimmung des Alterungszustands des SCR-Katalysators.
