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Mit Verbrennungsmotoren betriebene Pkw oder Lkw sind zu einem festen Bestandteil der modernen Gesellschaft geworden. Die Automobilindustrie hat sich zum Ziel 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 gasförmiges 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 eingelagertem Ammoniak abhängen.
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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 Alterungsbestimmung eines SCR-Katalysators für ein Fahrzeug. Das Katalysatormesssystem weist folgende Bestandteile auf, ein Steuergerät, zum Steuern des Katalysatormesssystems und zur Auswertung der Messdaten, einen SCR-Katalysator, zur Abgasreinigung eines Fahrzeugs, gegebenenfalls eine Hochfrequenz-Messanordnung, zur Bestimmung der Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators, eine Sensoranordnung, zur Erfassung des Ammoniak-Schlupfs bzw. eines beginnenden Ammoniak-Durchbruchs nach dem SCR-Katalysator bzw. durch den SCR-Katalysator hindurch, und ein Ammoniak-Dosiersystem, zum Einspritzen von Ammoniak in eine Abgasanlage des Fahrzeugs. Das Steuergerät ist ausgeführt, das Ammoniak-Dosiersystem anzuleiten gezielt Ammoniak in die Abgasanlage einzuspritzen, beispielsweise mit einer konstanten Einspritzrate. Des Weiteren ist das Steuergerät ausgeführt, die gemessenen Daten auszuwerten und mit einem vordefinierten Schwellwert zu vergleichen, um den Alterungszustand des SCR-Katalysators zu bestimmen.
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Als Ammoniak-Schlupf wird vorhandener Ammoniak nach dem SCR-Katalysator bezeichnet. Dieser Ammoniak wurde dem System zugeführt ohne dass der Ammoniak für die katalytische Reaktion mit NOx verwendet wurde oder dass der Ammoniak in den SCR-Katalysator eingelagert wurde. Der Ammoniak geht somit dem System verloren. Der Zeitpunkt ab welchem der Ammoniak-Schlupf auftritt wird als Ammoniak-Durchbruch bezeichnet.
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Das Katalysatormesssystem sollte vorzugsweise zu Beginn des Messvorgangs einen Ammoniak freien SCR-Katalysator aufweisen und 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-Dosiersystems 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 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 Alterungserkennung mit minimalem Ammoniak-Schlupf kann Ammoniak und/oder Urea in einer gezielten Dosierung in die Abgasanlage des Fahrzeugs eingespritzt bzw. dosiert werden. Alternativ zu Ammoniak kann die Verwendung von Urea vorgesehen sein. Das Urea kann von dem Ammoniak-Dosiersystem in die Abgasanlage des Fahrzeuges eingespritzt werden und dient der Reduktion der NOx-Emissionen in den Abgasen des Fahrzeuges. Das Steuergerät kann das Ammoniak-Dosiersystem direkt oder indirekt anleiten die Dosierung des Ammoniaks und/oder Urea vorzunehmen. Die Reaktion des SCR-Systems auf die gezielte Dosierung wird mittels der Hochfrequenz-Messanordnung und der Sensoranordnung gemessen. Insbesondere wird der Ammoniak-Durchbruch durch die Sensoranordnung detektiert.
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Die Sensoranordnung kann die Ammoniak-Konzentration im Abgas nach dem SCR-Katalysator erfassen. Sobald Ammoniak-Schlupf durch eine Überdosierung von Ammoniak entsteht kann dieses durch die Sensoranordnung erkannt werden. Der Beginn des auftretenden Ammoniak-Schlupfs wird auch als Ammoniak-Durchbruch bezeichnet. Die Sensoranordnung kann vorzugsweise aus einem NOx-Sensor oder aus einem Ammoniak-Sensor bestehen. NOx-Sensoren reagieren im Allgemeinen auch auf Ammoniak, weisen also eine Ammoniak-Querempfindlichkeit auf. Somit ist eine Ammoniak-Schlupf Detektion mit einem NOx-Sensor möglich und folglich auch die Detektion des Ammoniak-Durchbruchs.
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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 der eingelagerten Menge an Ammoniak im SCR-Katalysator. Sobald durch die Sensoranordnung der Ammoniak-Durchbruch detektiert wird, kann der Beladungszustand des SCR-Katalysators durch die Hochfrequenz-Messanordnung erfasst werden. Durch den Vergleich der Beladungszustände des SCR-Katalysators bei Ammoniak-Durchbruch, kann der Alterungszustand des SCR-Katalysators bestimmt werden. 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 maximale Menge an einzulagernden Ammoniak in dem SCR-Katalysator, somit kann durch den Vergleich des Beladungszustandes des SCR-Katalysators bei auftretenden Ammoniak-Durchbruch auf dessen Alterungszustand geschlossen werden. Die Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators ist aus den beiden Messparametern der Hochfrequenz-Messanordnung ersichtlich.
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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- oder ein Ammoniak-Sensor vorgesehen sein, um den Ammoniak-Durchbruch nach dem SCR-Katalysator festzustellen. Die vollständige Entleerung sowie die Reaktion des SCR-Katalysators auf die gezielte Dosierung können in den konstanten Betriebspunkten eigenständig durch das Katalysatormesssystem ermittelt werden.
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Solche Hochfrequenz-Messsysteme eignen sich prinzipiell auch für die Bestimmung der Sauerstoffbeladung von Dreiwegekatalysatoren 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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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Ammoniak-Dosiersystem nur bis zur Detektion des Ammoniak-Durchbruchs Ammoniak in die Abgasanlage des Fahrzeugs einspritzt. Eine erneute Ammoniak-Einspritzung wird erst wieder gestartet, wenn kein Ammoniak-Schlupf messbar ist.
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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 gezielt Ammoniak in die Abgasanlage einspritzen und überdosieren, sodass sich Ammoniak im SCR-Katalysator ablagert. Das Ammoniak-Dosiersystem kann so lange Ammoniak einspritzen, bis die Sensoranordnung den Ammoniak-Durchbruch detektiert. Der Beladungszustand des SCR-Katalysators wird bei auftretendem Ammoniak-Durchbruch gemessen. Somit kann die Alterung des Katalysators mit minimalen Ammoniak-Schlupf festgestellt werden.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Sensoranordnung einen NOx-Sensor, zur Messung des Ammoniak-Schlupfs, aufweist.
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Die Sensoranordnung kann zu Bestimmung des Ammoniak-Schlupfs einen NOx-Sensor verwenden. Im Allgemeinen weisen NOx-Sensoren eine Ammoniak-Querempfindlichkeit auf, somit kann durch einen NOx-Sensor auch Ammoniak detektiert werden, d.h. ein NOx-Sensor schlägt auch bei Ammoniak an. Somit ist durch den NOx-Sensor die Detektion des Ammoniak-Durchbruchs möglich.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der vordefinierte Schwellwert der Beladungszustand des SCR-Katalysators im Neuzustand bei auftretendem Ammoniak-Schlupf ist.
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Den Alterungszustand des SCR-Katalysators kann das Katalysatormesssystem berechnen indem die gemessenen Parameter mit dem vordefiniertem Schwellwert verglichen werden. Abhängig von dem Vergleich können Rückschlüsse auf den Alterungszustand des SCR-Katalysators gezogen werden. Als ein möglicher Schwellwert kann der Beladungszustand des SCR-Katalysators im Neuzustand bei auftretendem Ammoniak-Durchbruch dienen. Um den Beladungszustand für den SCR-Katalysator zu ermitteln kann das Hochfrequenz-Messsystem zwei Messgrößen heranziehen, zum einen die Resonanzfrequenz des SCR-Katalysators und zum anderen die dielektrischen Verluste des SCR-Katalysators. Beide Messgrößen ändern sich abhängig von dem jeweiligen Beladungszustand des SCR-Katalysators. Somit kann der Alterungszustand des SCR-Katalysators in Bezug auf den Neuzustand ermittelt werden, bzw. eine prozentuale Alterung angegeben werden. Eine Alternative kann die Resonanzfrequenz der letzten gültigen Messung des Katalysatormesssystems sein. Somit kann die Alterung des SCR-Katalysators Schritt für Schritt nachvollzogen werden.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der vordefinierte Schwellwert ein statistischer Mittelwert des Katalysator-Typs ist.
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Als Schwellwert für den Vergleich kann auch ein statistischer Mittelwert des SCR-Katalysator-Typs dienen. Durch Erfahrungswerte kann das Alterungsverhalten eines SCR-Katalysators bekannt sein. Des Weiteren kann bekannt sein, wie sich die Messwerte eines SCR-Katalysators mit zunehmender Alterung verändern.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass das Steuergerät ausgeführt ist, durch den Vergleich von gemessenem Beladungszustand bei Ammoniak-Durchbruch und dem Schwellwert des Beladungszustandes bei Ammoniak-Durchbruch den Alterungszustand des SCR-Katalysators zu bestimmen.
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Mit anderen Worten, das Steuergerät des Katalysatormesssystems kann die gemessene Resonanzfrequenz bei Ammoniak-Durchbruch mit der gespeicherten Resonanzfrequenz bei Ammoniak-Durchbruch vergleichen und aus diesem Vergleich Rückschlüsse auf den Alterungszustand des SCR-Katalysators ziehen. Je älter der SCR-Katalysator ist, desto höher ist die Resonanzfrequenz im Grundzustand des SCR-Katalysators bzw. desto geringer ist der Betrag der Resonanzverschiebung bei auftretendem Ammoniak-Durchbruch, hervorgerufen durch die geringere Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators. Der Vergleich zur Alterungsbestimmung kann sich auch auf die dielektrischen Verluste des SCR-Katalysators stützen.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Sensoranordnung einen Ammoniak-Sensor, zur Messung des Ammoniak-Schlupfs, aufweist.
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Die Sensoranordnung kann zu Bestimmung des Ammoniak-Schlupfs einen Ammoniak-Sensor verwenden. Der Ammoniak-Sensor kann den Ammoniakgehalt im Abgas nach dem SCR-Katalysator detektieren. Sobald der Ammoniak-Sensor Ammoniak nach dem SCR-Katalysator detektiert, liegt ein Ammoniak-Durchbruch vor, d.h. der eingespritzte Ammoniak wird weder für die katalytische Reaktion benötigt noch im SCR-Katalysator eingelagert. Weiterhin wird hier der Beladungszustand des SCR-Katalysators bei auftretenden Ammoniak-Durchbruch gemessen und mit dem Referenzwert verglichen. Aus dem Vergleich kann der Alterungszustand des SCR-Katalysators bestimmt werden.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Steuergerät ausgeführt ist, eine optimale NOx-Konvertierung mit minimalem Ammoniak-Schlupf durchzuführen.
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Die Strategie des minimalen Ammoniak-Schlupfs wie oben und im Folgenden beschrieben kann nicht nur auf die Alterungsbestimmung des SCR-Katalysators angewandt werden, sondern auch dazu genutzt werden, den SCR-Katalysator im Betrieb zu regeln. In diesem Fall kann zu Beginn eine definierte Dosis an Ammoniak eingespritzt werden, die eingespritzte Menge kann so lange erhöht werden bis die Sensoranordnung einen Ammoniak-Durchbruch detektiert. Bei Detektion eines Ammoniak-Durchbruchs wird die Dosis an eingespritztem Ammoniak reduziert. Dieses kann als kontinuierlicher Prozess gefahren werden, sodass die richtige Dosis an Ammoniak eingespritzt wird, um eine optimale NOx-Konvertierung zu gewährleisten. In diesem Fall wird der Ammoniak-Schlupf auf ein Minimum reduziert und der SCR-Katalysator kann effizient betrieben werden, d.h. der Kunde muss nicht so oft Ammoniak nachfüllen.
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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 der Alterung eines SCR-Katalysators.
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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. Des Weiteren kann die Sensoranordnung den Ammoniak-Durchbruch detektieren. Wird ein Ammoniak-Durchbruch detektiert, erfolgt ein Vergleich des Beladungszustandes des SCR-Katalysators mit dem Referenzwert. Durch den Vergleich kann der Alterungszustand des SCR-Katalysators bestimmt werden. Ferner kann gegebenenfalls die Regelung des Ammoniak-Dosiersystems angepasst werden. Das Fahrzeug kann ein Benzin-, Diesel- oder Erdgasfahrzeug sein. Auch kann die Erfindung in Hybridfahrzeugen mit einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden.
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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 Bestimmung des Alterungszustandes eines SCR-Katalysators, folgende Schritte aufweisend:
- – Ermitteln des Ammoniak Beladungszustandes bei Ammoniak-Durchbruch eines SCR-Katalysators im Neuzustand.
- – Initialisieren der Messung, indem der SCR-Katalysator in einem konstanten Betriebspunkt gefahren wird, sodass kein Ammoniak im SCR-Katalysator eingelagert ist.
- – Einspritzen von Ammoniak bis der Ammoniak-Durchbruch nach dem SCR-Katalysator erkennbar ist.
- – Detektieren des Ammoniak-Durchbruchs.
- – Vergleichen der gemessenen Daten mit den ursprünglich ermittelten Daten oder einem statistischen Mittelwert.
- – Bestimmen des Alterungszustands des SCR-Katalysators, basierend auf dem Vergleich der Messdaten mit den ursprünglich ermittelten Daten.
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Das Verfahren 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. Zur Alterungsbestimmung wird der Beladungszustand bei auftretendem Ammoniak-Durchbruch des SCR-Katalysators vorzugsweise im Neuzustand als Referenzparameter herangezogen. Anschließend kann mit der eigentlichen Messung begonnen werden, hierzu kann ein konstanter Betriebspunkt des SCR-Katalysators angefahren werden. In diesem konstanten Betriebspunkt sollte die Temperatur, der Volumenstrom und die AGR-Rate (Abgasrückführungsrate) 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. Im Anschluss spritzt das Ammoniak-Dosiersystem solange Ammoniak in die Abgasanlage ein bis der Ammoniak-Durchbruch eintritt, d.h. es wird Ammoniak in die Abgasanlage eingespritzt, welcher nicht mit dem NOx aus dem Abgas reagiert und auch nicht in den SCR-Katalysator eingelagert wird. Der Ammoniak geht somit dem System verloren. Die eingespritzte Menge an Ammoniak muss in diesem Fall natürlich größer sein als der Verbrauch des Ammoniaks durch die Umwandlung von NOx in N2 und H2O. Das beschriebene Verfahren ist nicht auf den stationären Betrieb beschränkt, sondern kann auch im transienten Betrieb des SCR-Katalysators angewandt werden. Die Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators wird durch die Hochfrequenz-Messanordnung über die komplette Zeitdauer der Ammoniakeinspritzung gemessen. Die gemessenen Parameter können anschließend mit den Referenzparametern verglichen werden. Die Referenzparameter können beispielsweise die Werte eines SCR-Katalysators im Neuzustand oder ein statistischer Mittelwert des SCR-Katalysatortyps sein. Aus dem Vergleich können Rückschlüsse über den Alterungszustand des SCR-Katalysators gezogen werden. Ein SCR-Katalysator kann mit zunehmender Alterung weniger Ammoniak aufnehmen, zudem erreicht der SCR-Katalysator die aufnehmbare Menge an Ammoniak auch schneller. Somit tritt der Ammoniak-Durchbruch früher auf bzw. nach einer geringen Menge an eingespritzten Ammoniak. Für den Vergleich können sowohl die absolute Höhe der Messparameter als auch der zeitliche Verlauf bis zur Erreichung des Ammoniak-Durchbruchs herangezogen werden. Somit kann die Alterungsbestimmung des SCR-Katalysators mit minimalen Ammoniak-Schlupf erfolgen.
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Das Verfahren ermöglicht die Bestimmung des Alterungszustandes des SCR-Katalysators, insbesondere bezüglich seiner Ammoniak-Speicherfähigkeit, die maßgeblich Einfluss auf dessen Konvertierungsrate und somit auf dessen Funktionsweise hat. Durch Kenntnis der Speicherfähigkeit des SCR-Katalysators bei auftretendem Ammoniak-Durchbruch kann im transienten Betrieb des SCR-Katalysators auf eine ideale Speichermenge geregelt werden. Dadurch werden hohe Konvertierungsraten sichergestellt, sowie unnötige Ammoniak-Durchbrüche vermieden. Damit kann die Gesamtfunktion eines SCR-Systems grundsätzlich verbessert werden und mit minimalem Ammoniak-Schlupf gefahren werden. Der Ammoniakverbrauch wird somit auf das erforderliche Minimum reduziert.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Messung im transienten Betrieb des SCR-Katalysators durchgeführt wird.
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Neben einem definierten Betriebspunkt kann die Messung auch im transienten Betrieb des SCR-Katalysators durchgeführt werden. Somit können fortlaufend Messwerte erhoben werden und es muss nicht extra ein definierter Betriebspunkt angefahren werden.
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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.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Katalysatormesssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Motors mit einer Abgasanlage und dem Katalysatormesssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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3 zeigt ein Diagramm in welchem der zeitliche Verlauf der Ammoniakeinspritzung und der Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators dargestellt ist.
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4 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Alterungsbestimmung eines SCR-Katalysators gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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5 zeigt 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-Messanordnungen 130 (HF-Messsystem), das 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 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 im Abgas 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. Für die gezielte Steuerung und die Alterungsbestimmung des SCR-Katalysators benötigt das Steuergerät 120 die Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators 110 und den aktuellen Ammoniak-Schlupf bzw. die Information wann der Ammoniak-Durchbruch auftritt, diese Daten werden durch die Hochfrequenz-Messanordnung 130 und durch die Sensoranordnung 150 erhoben. Die Hochfrequenz-Messanordnung 130 ist in der Lage die Resonanzfrequenz und die dielektrischen Verluste des SCR-Katalysators zu messen, welche ein direktes Maß für den Beladungszustand des SCR-Katalysators darstellen. Die Sensoranordnung 150 ist in der Lage den Ammoniak-Schlupf zu messen und den Ammoniak-Durchbruch zu detektieren. Hierfür kann entweder ein NOx-Sensor oder ein Ammoniak-Sensor vorgesehen sein. Beide gemessenen Parameter der Hochfrequenz-Messanordnung 130 verändern sich abhängig von der Menge des eingelagerten Ammoniaks im SCR-Katalysator 110. Die Sensoranordnung 150 misst den Ammoniak-Schlupf nach dem SCR-Katalysator 110. Das Steuergerät 120 kann die gemessenen Parameter mit den Referenzparametern vergleichen. Die Referenzparameter können sich auf den Neuzustand des SCR-Katalysators 110 beziehen, auf die letzte gültige Messung durch das Katalysatormesssystem 100 oder auf einen statistischen Mittelwert des SCR-Katalysator-Typs. Durch den Vergleich kann auf den Alterungszustand des SCR-Katalysators 110 geschlossen werden. Mit zunehmender Alterung nimmt die maximal gespeicherte Menge an Ammoniak im SCR-Katalysator 110 ab und der Ammoniak-Durchbruch tritt früher auf.
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2 zeigt das Katalysatormesssystem 100 aus 1 eingebaut in einer Abgasanlage 220 eines Fahrzeugs. Der Verbrennungsmotor 210 erzeugt bei der Verbrennung von Kraftstoff Energie und Abgase. 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 in welchem die NOx-Konzentration im Abgas nach dem SCR-Katalysator, die dosierte Menge an Ammoniak vor dem SCR-Katalysator, der eingelagerte Ammoniak auf der SCR-Katalysatoroberfläche in Gramm pro Liter Katalysatorvolumen, die Resonanzfrequenz des SCR-Katalysators und die dielektrischen Verluste des SCR-Katalysators über der Zeit dargestellt sind. Das Verhalten eines neuwertigen SCR-Katalysators ist mit einer durchgezogenen, das Verhalten eines gealterten SCR-Katalysators mit einer gestrichelten Linie dargestellt. Der NOx-Sensor nach dem SCR-Katalysator zeigt durch seine Ammoniak-Querempfindlichkeit an wann der Ammoniak-Durchbruch auftritt. Für die Alterungserkennung wird mit dem Ammoniak-Dosiersystem gezielt Ammoniak dosiert und überdosiert bis der Ammoniak-Durchbruch am NOx-Sensor nach dem SCR-Katalysator, aufgrund dessen bekannter Querempfindlichkeit zu Ammoniak, detektiert werden kann. Bei auftretendem Ammoniak-Durchbruch ist die für einen realen Betrieb maximal angestrebte Beladung des SCR-Katalysators erreicht. Durch die Ammoniak-Dosierung wird der nicht verbrauchte Ammoniak in dem SCR-Katalysator eingelagert, bis dieser einen gewissen Füllstand aufweist. Sobald ein gewisser Füllstand erreicht ist, tritt Ammoniak-Schlupf auf, d.h. teilweise wird der Ammoniak nicht verbraucht und auch nicht in den SCR-Katalysator eingelagert, sondern geht über den Auspuff des Fahrzeugs verloren. Sobald Ammoniak-Schlupf auftritt befindet sich der SCR-Katalysator außerhalb seines optimalen Betriebsfensters. Der Ammoniak-Schlupf kann durch die Sensoranordnung festgestellt werden, sobald die NOx-Konzentration im NOx-Sensor von dem niedrigen Niveau wieder beginnt anzusteigen. Ein gealterter SCR-Katalysator kann weniger Ammoniak einlagern. Somit tritt auch der Ammoniak-Durchbruch früher auf, d.h. die Kurve des NOx- bzw. des Ammoniak-Sensors beginnt früher an zu steigen. Sobald der Ammoniak-Durchbruch detektiert wird, wird die Menge des eingelagerten Ammoniaks im SCR-Katalysator für die Alterungsbestimmung herangezogen. Bei einem gealterten SCR-Katalysator tritt der Ammoniak-Durchbruch bereits bei einer niedrigeren eingelagerten Menge an Ammoniak auf. Beide Messgrößen der Hochfrequenz-Messanordnung zeigen eine direkte Korrelation zur eingelagerten Ammoniakmenge. Somit kann bei mit einem NOx-Sensor gemessenen Ammoniak-Durchbruch über die Hochfrequenzparameter auf die maximale zulässige Beladung des SCR-Katalysators geschlossen werden. Sobald ein erster Ammoniak-Durchbruch detektiert wird, kann die Ammoniak-Dosierung beendet werden. Durch seine verringerte Speicherfähigkeit tritt bei gealtertem SCR-Katalysator der Ammoniak-Durchbruch deutlich früher auf. Ebenso erkennbar in beiden Hochfrequenzparametern. Als Maß für die Alterungsbestimmungen können die Messdaten der Hochfrequenz-Messanordnung bei auftretendem Ammoniak-Durchbruch herangezogen werden. Die maximale Einspeichermenge ohne Durchbruch verringert sich mit zunehmendem Alter bzw. abnehmender Aktivität, zumeist ist dies sogar ein lineares Verhalten. Wird die Alterungsbestimmung in regelmäßigen Abständen durchgeführt, kann die Alterung des Katalysators überwacht werden. Ebenso kann so das optimale Betriebsfenster des Katalysators angepasst werden, sodass dieser immer optimal arbeiten kann. Die Sensoranordnung dient dazu den Zeitpunkt des Ammoniak-Durchbruchs zu ermitteln.
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4 zeigt ein mögliches Flussdiagramm für ein Verfahren zur Bestimmung des Alterungszustandes eines SCR-Katalysators. In Schritt 401 erfolgt die Ermittlung der Referenzparameter für einen späteren Vergleich. Die Initialisierung der Messung erfolgt in Schritt 402. Hier wird der SCR-Katalysator in einem konstanten Betriebspunkt ohne Ammoniak-Einspritzung betrieben, sodass kein Ammoniak mehr in dem SCR-Katalysator eingelagert ist. Eine konstante Einspritzung von Ammoniak bis zum Ammoniak-Durchbruch erfolgt in Schritt 403. In Schritt 404 erfolgt die Messung der Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators bei auftretenden Ammoniak-Durchbruch. Der Vergleich der gemessenen Parameter und der Referenzparameter erfolgen in Schritt 405. Zuletzt wird in Schritt 406 aus dem Vergleich der gemessenen Parameter der Alterungszustand des SCR-Katalysators bestimmt.
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5 zeigt ein Fahrzeug 500 mit einem möglichen Underfloor-Katalysatormesssystem 100. Das Katalysatormesssystem 100 kann den Alterungszustand des SCR-Katalysators erfassen.
