DE102017110235A1 - Ermittlung der Ursache einer Effizienz-Abweichung bei der Stickoxid-Reduktion - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Ursache einer Effizienz-Abweichung (dEff) der Stickoxid-Reduktion in einem Abgasnachbehandlungssystem (10) gegenüber einem Soll-Wert (rEff*), insbesondere ob die Abweichung (dEff) auf einem Reduktionmittel-Mangel (cRed- -) oder einem Reduktionsmittel-Überschuss (cRed++) im SCR-Katalysator beruht. Ein momentaner Vorlauf-Stickoxid-Gehalt (cPre) in der Vorlauf-Passage (11) wird bestimmt und ein momentaner Nachlauf-Stickoxid-Gehalt (cPost) in der Nachlauf-Passage (13) wird durch einen Nachlauf-Stickoxidsensor (41) gemessen, der eine Kreuz-Sensitivität für Stickoxide (NOx) und das Reduktionsmittel (NH3) aufweist. Das Mess-Signal (cPost) des Nachlauf-Stickoxidsensors (41) wird erfasst und in einem Zeitabschnitt nach einem Injektionspuls (I+, I-) und vor einem etwaigen weiteren Injektionspuls (I2) mit mehreren separaten Teilantworten (R1-R13) bewertet; Eine Entscheidung (D1, D2) über die Ursache der Effizienz-Abweichung (dEff) wird auf Basis einer Gesamtbetrachtung der mehreren Teilantworten (R1-R13) und erfasster Richtungsänderungen der Teilantworten (R1-R13) getroffen.

Description

  • Die Offenbarung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor mit einem SCR-Katalysator und einem Reduktionsmittel-Injektor sowie ein Verfahren zur Ermittlung der Ursache einer Effizienzabweichung der Stickoxid-Reduktion im Abgasnachbehandlungssystem.
  • Es ist in der Praxis bekannt, Stickoxide im Abgas von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Magermotoren, durch Beigabe eines Reduktionsmittels zu Stickstoff und anderen unbedenklichen Reaktionsprodukten zu reduzieren. Hierzu wird das Reduktionsmittel dem Abgas beigegeben und in einem SCR-Katalysator gespeichert. Der SCR-Katalysator ist ein Katalysator für selektive katalytische Reduktion, in dem sich das beigegebene Reduktionsmittel an einer katalytischen Oberfläche durch Adsorption anlagert und dort mit Stickoxiden im Abgas reagiert.
  • Der Reduktionsmittel-Gehalt (eingespeicherte Menge) in dem SCR-Katalysator sollte in einem vorgegebenen Wertebereich liegen, damit die Reduktionsreaktion bei einer gewünschten Effizienz stattfindet. Wenn der Reduktionsmittel-Gehalt zu niedrig wird oder auf Null zurückgeht, können Sickoxide durch den SCR-Katalysator durchbrechen. Wenn der Reduktionsmittel-Gehalt zu hoch wird, kann das beigegebene und etwaig giftige Reduktionsmittel sich nicht mehr im SCR-Katalysator anlagern oder es desorbiert teilweise wieder. In beiden Fällen kann Reduktionsmittel aus dem SCR-Katalysator austreten und in die Außenatmosphäre gelangen oder es ist notwendig, zusätzliche Maßnahmen zur Beseitigung des überschüssigen Reduktionsmittels vorzusehen.
  • Die bisher bekannten Abgasnachbehandlungssysteme sind nicht optimal ausgebildet. Sie sind insbesondere anfällig gegen bestimmte Störungen, so dass die Effizienz der Stockoxid-Reduktion nicht über die gesamte Lebensdauer des Abgasnachbehandlungssystems und bei allen Betriebszuständen gewährleistet wird.
  • Es ist eine erste Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein verbessertes Abgasnachbehandlungssystem aufzuzeigen. Eine zweite Aufgabe der Offenbarung ist, ein verbessertes Verfahren zur Ermittlung der Ursache einer Effizienzabweichung der Stickoxid-Reduktion aufzuzeigen. Die beanspruchte Erfindung löst zumindest einer dieser Aufgaben durch die Merkmale des Hauptanspruchs.
  • Die vorliegende Offenbarung umfasst mehrere Haupt-Aspekte, die für sich allein oder in beliebiger Kombination nutzbar sind.
  • Ein erster Hauptaspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem. Das Abgasnachbehandlungssystem ist für einen Verbrennungsmotor vorgesehen und kann insbesondere mit dem Abgas des Verbrennungsmotors gespeist werden. Es umfasst zumindest einen SCR-Katalysator mit einer Vorlauf-Passage und einer Nachlauf-Passage. In dem Abgasnachbehandlungssystem wird ein (momentaner) Vorlauf-Stickoxid-Gehalt in Strömungsrichtung des Abgases vor dem SCR-Katalysator, d.h. in der Vorlauf-Passage, sowie ein (momentaner) Nachlauf-Stickoxid-Gehalt in Strömungsrichtung nach dem SCR-Katalysator, d.h. in der Nachlauf-Passage bestimmt. Mit anderen Worten ist die Vorlauf-Passage in Strömungsrichtung des Abgases vor dem SCR-Katalysator angeordnet und die Nachlauf-Passage ist in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem SCR-Katalysator angeordnet.
  • Stromaufwärts zu dem SCR-Katalysator ist ein Reduktionsmittel-Injektor angeordnet, der ein Reduktionsmittel bevorzugt in das Abgas beigibt bzw. einspritzt. Das Reduktionsmittel wird (zusammen mit dem Abgas) dem SCR-Katalysator zugeführt und in dem SCR-Katalysator gespeichert. Stickoxide im Abgas werden durch das gespeicherte Reduktionsmittel reduziert. Besonders bevorzugt ist ein Stickoxid-Sensor zur Erfassung des Vorlauf-Stickoxid-Gehalts stromaufwärts des SCR-Katalysators und weiterhin stromaufwärts des Reduktionsmittel-Injektors angeordnet.
  • Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst eine Steuereinheit, die mit dem Reduktionsmittel-Injektor verbunden ist und die momentane Beigabemenge des Reduktionsmittels steuert. Die Steuereinheit hat eine besondere Ausbildung und ermöglicht die Durchführung eines Lernvorgangs, um eine erfasste Abweichung der IST-Effizienz der Stickoxid-Reduktion von einem Sollwert zu erfassen und mehrfache geeignete Korrekturen vorzunehmen, um mehrere Störeinflüsse gemeinsam zu kompensieren. Damit ist eine deutlich verbesserte Anpassung der Steuerung ermöglicht, die insbesondere die Nachteile von bisher bekannten, eindimensionalen Anpassungen überwindet.
  • In dem Abgasnachbehandlungssystem gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst die Steuereinheit ein mehrgliedriges Simulationsmodell sowie eine Vorsteuerung. Die Steuereinheit ist zur Ausführung der nachfolgend beschriebenen Schritte ausgebildet.
  • Es wird ein Soll-Wert für die momentane Reduktionsmittel-Beigabemenge (Einspritzmenge) auf Basis eines Vorsteuerwertes und zusätzlich eines Speicherführungswertes festgelegt. Der Vorsteuerwert wird auf Basis des (momentanen) Vorlauf-Stickoxid-Gehalts bestimmt. Er repräsentiert diejenige Menge an Reduktionsmittel, die dem Abgas beizugeben ist, um die momentan erfasste Menge an Stickoxiden in dem Abgas zu reduzieren. Die Vorsteuerung arbeitet besonders schnell und kann in stationären Zuständen des Verbrennungsmotors bzw. des Abgasnachbehandlungssystems den wesentlichen Anteil der Steueraufgabe erfüllen, um die Effizienz der Sickoxid-Reduktion zu gewährleisten.
  • Der Speicherführungswert wird durch das mehrgliedrige Simulationsmodell in Abhängigkeit von einem geschätzten Reduktionsmittel-Gehalt in dem SCR-Katalysator so bestimmt, dass der geschätzte Reduktionsmittelgehalt einem Soll-Wert angenähert wird. Der Speicherführungswert gibt somit an, welche positive oder negative Menge an Reduktionsmittel gegenüber dem Vorsteuerwert beizugeben ist, um den Reduktionsmittel-Gehalt im SCR-Katalysator in einem solchen Wertebereich zu halten, dass die Stickoxid-Reduktion bei der erwünschten und bevorzugt maximalen Effizienz durchgeführt wird. Über den Speicherführungswert können somit Anpassungen vorgenommen werden, die die verschiedenen Störeinflüsse oder Unzulänglichkeiten der Vorsteuerung bei Zustandsänderungen im Abgasnachbehandlungssystem (transiente Systemzustände) kompensieren.
  • So ist es beispielsweise möglich, durch das Lernverfahren einerseits festzustellen, ob eine (ermittelte) Effizienzabweichung der Stickoxid-Reduktion auf einem Reduktionsmittel-Überschuss oder einem Reduktionsmittel-Mangel beruht, um durch erhöhte oder verminderte Beigabe von Reduktionsmittel den Reduktionsmittel-Gehalt im SCR-Katalysator an einen Soll-Wert anzunähern. Mit anderen Worten kann festgestellt werden, dass der tatsächliche Reduktionsmittel-Gehalt im SCR-Katalysator von einem geschätzten Reduktionsmittel-Gehalt abweicht. Daraufhin kann der geschätzte Reduktionsmittel-Gehalt auf den Wert angepasst werden, der durch das Lernverfahren ermittelt wurde, d.h. einen Wert, der einen Reduktionsmittel-Überschuss oder einen Reduktionsmittel-Mangel repräsentiert. Der geschätzte Reduktionsmittel-Gehalt repräsentiert dann wieder den tatsächlichen Zustand im SCR-Katalysator. Entsprechend der Abweichung zwischen dem (aktualisierten) geschätzten Wert des Reduktionsmittel-Gehalts wird ein Speicherführungswert erzeugt, der eine erhöhte oder verminderte Beigabe von Reduktionsmittel anweist, sodass im Weiteren der geschätzte Reduktionsmittel-Gehalt dem Soll-Wert angenähert wird.
  • In dem Abgasnachbehandlungssystem können verschiedene Störeinflüsse zeitweise oder dauerhaft auftreten, durch die die Effizienz der Stickoxid-Reduktion gemindert wird oder andere negative Ereignisse eintreten, wie beispielsweise eine Überfüllung des SCR-Katalysators (Reduktionsmittel-Überschuss) und ein dadurch bedingter Reduktionsmittel-Durchbruch oder eine Leerung des SCR-Katalysators (Reduktionsmittel-Mangel) und ein dadurch bedingter Stickoxid-Durchbruch. Durch das Lernverfahren können verschiedene Zustände erkannt werden und es kann eine Adaption im mehrgliedrigen Simulationsmodell vorgenommen werden, um die Störungen zu kompensieren. Diese Adaptionen erfolgen bevorzugt zusätzlich zu der vorbeschriebenen Annäherung des geschätzten Reduktionsmittel-Gehalts an den Soll-Wert. Wenn beispielsweise in mehreren Durchgängen des Lernverfahrens immer wieder festgestellt wird, dass ein Reduktionsmittel-Mangel vorliegt, kann dies darauf hindeuten, dass die tatsächliche Beigabemenge des Reduktionsmittel-Injektors bspw. durch Drift von der Steuervorgabe (Soll-Beigabemenge / Injektionskommando) abweicht, was durch eine Adaption des Simulationsmodells kompensiert werden kann.
  • Wird gleichzeitig festgestellt, dass trotz des Reduktionsmittel-Mangels nur eine geringe Effizienz-Abweichung vorliegt, kann dies auf einen Fehler bzw. eine Drift des Sensor-Signals hinweisen, das von einem Vorlauf-Stickoxidsensor ausgegeben wird.Mit anderen Worten kann aus dem Vergleich der Ergebnisse aus mehrerer Durchgängen des Lernverfahrens ermittelt werden, ob eine vorgenommene Kompensationshandlung (Anpassung im Simulationsmodell) ausreichend bzw. zielführend war. Wird eine unzureichende Verringerung der Effizienz-Abweichung oder gar eine Erhöhung der Effizienz-Abweichung festgestellt, kann eine andere Adaptionsstrategie gewählt werden.
  • Als Reduktionsmittel kann eine beliebige chemische Substanz eingesetzt werden, die dazu geeignet ist, Stickoxide in dem SCR-Katalysator zu reduzieren. Besonders bevorzugt kann es sich um eine wässrige Harnstofflösung (Urea-Lösung) handeln, die sich im Abgas zu Ammoniak zersetzt. Ammoniak (NH3) ist die eigentlich reduzierende Substanz und ein toxisches Gas, das gemäß den gesetzlichen Bestimmungen nur in bestimmten Konzentrationen in die Außenatmosphäre gelangen darf.
  • Wenn in dem Abgasnachbehandlungssystem ein Überschuss an Reduktionsmittel beigegeben wird, kann der Reduktionsmittel-Gehalt in dem SCR-Katalysator über einen vorgegebenen Soll-Wert hinaus und sogar über die momentane Speicherkapazität hinaus ansteigen, wobei der nicht mehr speicherbare Anteil des Reduktionsmittels oder ein nach und nach desorbierter Anteil des Reduktionsmittels durch den SCR-Katalysator hindurchtritt. Bei bisher bekannten Abgasnachbehandlungssystemen, bei denen es zu einem wesentlichen Reduktionsmittel-Durchbruch kommen kann, muss stromabwärts zu dem SCR-Katalysator eine weitere Filter- oder Katalyse-Einrichtung vorgesehen werden, um das überschüssige Reduktionsmittel aus dem Abgas zu entfernen Es kann sich dabei insbesondere um einen sogenannten Ammonia Slip Katalysator handeln.
  • Zu den Störeinflüssen, die zu einer unzureichenden oder überhöhten Beigabe von Reduktionsmittel führen können, gehören insbesondere die Folgenden:
    • - Abweichung der Ist-Beigabemenge an Reduktionsmittel von der Soll-Beigabemenge, beispielsweise durch Alterung oder Verschleiß des Reduktionsmittel-Injektors oder unzureichende Versorgung des Reduktionsmittel-Injektors;
    • - Abweichung der tatsächlich durch chemische Reaktion umgesetzten Menge an Reduktionsmittel in dem SCR-Katalysator von einer geschätzten umgesetzten Menge, beispielsweise aufgrund eines (noch nicht detektierten) Reduktionsmittel-Überschusses oder Reduktionsmittel-Mangels oder bei sich stark ändernden Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors (schwankende Abgastemperatur / schwankender Stickoxid-Gehalt / schwankende Abgas-Strömungsgeschwindigkeit usw.);
    • - Desorption von Reduktionsmittel aus dem SCR-Katalysator ohne chemische Umsetzung, beispielsweise durch hohe Strömungsgeschwindigkeit des Abgases, zu niedrige oder zu hohe Abgastemperatur, etc.;
    • - Abweichung der Ist-Konzentration des beizugebenden Reduktionsmittels von einer Soll-Konzentration;
    • - Abweichung des Versorgungs-Drucks, mit dem Reduktionsmittel zu dem Reduktionsmittel-Injektor gespeist wird, von einem Soll-Druck;
    • - Unzureichende Wirksamkeit von Maßnahmen zur Vor-Umsetzung des Reduktionsmittels, beispielsweise unzureichende Ozon-Beigabe zur erhöhten Umsetzung von Harnstoff in Ammoniak;
    • - Fehlerhafte Bestimmung von Eingangs-Parametern der Steuerung, insbesondere durch Kreuz-Sensitivität oder Drift an Sensoren, zeitliche Verzögerungen in der Messwert- oder Simulationswerterfassung, etc;
    • - Inhomogene Speicherung des Reduktionsmittels im SCR-Katalysator.
  • Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird eine Ausbildung des mehrgliedrigen Simulationsmodells in Kombination mit einem Lernverfahren vorgeschlagen, die dazu geeignet sind, mehrere der vorgenannten negativen Einflüsse zu kompensieren.
  • Das Simulationsmodell schätzt den momentanen Reduktionsmittel-Gehalt im SCR-Katalysator und berechnet bzw. schätzt die verschiedenen Einflüsse, die zu einer Erhöhung oder Verminderung des Reduktionsmittel-Gehalts im SCR-Katalysator führen. Dies sind insbesondere die Adsorption von Reduktionsmittel im SCR-Katalysator und die tatsächlich beigegebene Menge an Reduktionsmittel. Darüber hinaus können die Desorption von Reduktionsmittel (ohne chemische Reaktion) sowie die Umsetzung von Reduktionsmittel durch chemische Reaktion berechnet bzw. modelliert werden.
  • Das Simulationsmodell umfasst somit zumindest ein erstes Glied in Form eines Reduktionsmittel-Beigabemodells und ein zweites Glied in Form eines Reduktionsmittel-Speichermodells, auf deren Basis die Schätzung des Reduktionsmittel-Gehalts in dem SCR-Katalysator erfolgt.
  • Auf Basis des Vorlauf-Stickoxid-Gehalts und des Nachlauf-Stickoxid-Gehalts wird eine tatsächliche Effizienz der Stickoxid-Reduktion ermittelt. In dem Lernvorgang wird bei Feststellung einer Effizienz-Abweichung zwischen der tatsächlichen Effizienz und einer Soll-Effizienz der Stickoxid-Reduktion eine Korrekturwert-Anpassung in zumindest zwei Gliedern des Simulationsmodells durchgeführt, also beispielsweise durch Änderung von Korrekturwerten in Bezug auf die Schätzung der Reduktionmittel-Beigabe sowie die Schätzung der Reduktionsmittel-Speicherung. Ein Korrekturwert kann bspw. ein Verstärkungs-Faktor oder ein Offset-Wert sein oder ein Ersatz-Wert sein, auf den ein Größe des Simulationsmodells zu ändern ist. Durch die Verteilung der Korrekturwert-Anpassung auf mehrere Parameter kann in angepasster Weise auf verschiedene Störeinflüsse reagiert werden, so dass die Effizienz der Stickoxid-Reduktion über die gesamte Lebensdauer des AbgasnachbehandlungsSystems bzw. seiner Bestandteile innerhalb der zulässigen Grenzen bleibt.
  • Ein zweiter Haupt-Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Ursache einer Effizienz-Abweichung in der Stickoxid-Reduktion.
  • In der Praxis verwendete Stickoxid-Sensoren weisen eine Kreuz-Sensitivität für Stickoxide und nicht-reagiertes Reduktionsmittel bzw. für durch den SCR-Katalysator hindurchtretendes Reduktionsmittel auf. Mit anderen Worten zeigen sie einen positiven Messausschlag sowohl bei Kontaktierung mit Stickoxiden (NOx) als auch bspw. mit Ammoniak (NH3).
  • Aus US 2003/0046928 A1 sind eine Beschreibung der Kreuz-Sensitivität eines Stickoxid-Sensors und ein Verfahren bekannt, durch das eine Unterscheidung zwischen einem Stickoxid-basierten Messwert und einem Reduktionsmittelbasierten Messwert in einem Abgasnachbehandlungssystem mit SCR-Katalysator und Reduktionsmittel-Injektor ermöglicht werden soll. Das Abgasnachbehandlungssystem wird dort bei einem aggressiven Beigabe-Schema betrieben. Als die nominale Einspritzmenge an Reduktionsmittel wird die stöchiometrische Gleichgewichtsmenge beigegeben und der SCR-Katalysator wird ständig bei einem maximalen Reduktionsmittel-Gehalt betrieben. Durch den SCR-Katalysator durchbrechendes Reduktionsmittel im Abgas muss also ggfs. durch separate Vorrichtungen entfernt werden.
  • In einem stationären Zustand des Abgasnachbehandlungssystems gemäß US 2003/0046928 A1 wird nach einem vorgegebenen Schema ein überdosierter Reduktionsmittel-Puls (Injektionspuls mit Test-Einspritzmenge größer als nominale Einspritzmenge) beigegeben und es wird eine Reaktion des Stickoxid-Messwerts ausgewertet, der stromabwärts zu dem SCR-Katalysator erfasst wird. Wenn der Stickoxid-Messwert in Reaktion auf den überdosierten Injektionspuls ansteigt, wird darauf geschlossen, dass der Sensor auf Reduktionsmittel (Ammoniak / Urea) reagiert hat. Wenn hingegen der Stickoxid-Messwert in Reaktion auf den überdosierten Injektionspuls abfällt, wird darauf geschlossen, dass der Sensor auf Stickoxid (NOx) reagiert hat. Diese Form der Schlussfolgerung basiert auf einer vereinfachten Betrachtung der Vorgänge im SCR-Katalysator. Die Annahme kann wie folgt zusammengefasst werden: Wenn eine unzureichende Reduktionsmittelbeigabe vorliegt, würde das gesamte beigegebene Reduktionsmittel reagiert und Stickoxide würden durch den SCR hindurchbrechen, sodass nur Stickoxid zu dem Sensor gelangt. Wenn in einem solchen Fall ein überdosierter Reduktionsmittel-Puls beigegeben wird, sollte dies den vorherigen Mangel kompensieren, sodass weniger Stickoxid zum Sensor gelangt und der Messwert abfällt. Wenn andererseits eine überhöhte Reduktionsmittelbeigabe vorliegt, würde das gesamte Stickoxid reagiert, sodass nur unreagiertes Reduktionsmittel durch den SCR-Katalysator hindurchbricht und zu dem Sensor gelangt. Wenn dann ein überdosierter Reduktionsmittel-Puls beigegeben wird, sollte dies den Überschuss noch verstärken, sodass noch mehr Reduktionsmittel zu dem Sensor gelangt und der Messwert ansteigt.
  • Nach der Offenbarung in US 2003/0046928 A1 ist weiterhin vorgesehen, dass ein unterdosierter Reduktionsmittel-Puls (Injektionspuls mit Test-Einspritzmenge kleiner als nominale Einspritzmenge) beigegeben wird, wobei für jeden Puls festgestellt wird, ob der Stickoxid-Messwert stromabwärts zu dem SCR-Katalysator in Reaktion auf einen Puls ansteigt oder abfällt. Wenn die Pulsrichtung und die Änderungsrichtung des Sensorwerts dieselbe Richtung aufweisen, wird darauf geschlossen, dass der Sensor auf Reduktionsmittel (Ammoniak / Urea) reagiert. Sind die Pulsrichtung und die Änderungsrichtung des Sensorwerts einander entgegengesetzt, wird darauf geschlossen, dass der Sensor auf Stickoxid (NOx) reagiert hat. Für jeden Reduktionsmittel-Puls wird nach einer vorgegebenen Zeitregel genau eine Änderung des Sensorwerts infolge des Pulses erfasst. Tatsächlich sind die Vorgänge im SCR-Katalysator aber von sehr komplexer Art und die vereinfachte Annahme kann zu fehlerhaften Interpretationen führen.
  • Um ein verlässlicheres Ergebnis zu erhalten wird daher in US 2003/0046928 A1 vorgeschlagen, mehrere Pulse nacheinander auszuführen und die Ergebnisse der Pulse zu summieren bzw. zu integrieren. Dieses Verfahren hat jedoch Nachteile, aus denen es sich für Abgasnachbehandlungssysteme, die mit einem konservativen Beigabe-Schema betrieben werden, als unzuverlässig erwiesen hat bzw. zu unerwünschten Nebenwirkungen führt.
  • Bei einem konservativen Beigabe-Schema wird die Einspeicherung von Reduktionsmittel im SCR-Katalysator nicht maximiert, sondern gemäß einem vorgegebenen Soll-Wert für den Reduktionsmittel-Gehalt geführt. Aus diesem Grund haben Speicher-Effekte im SCR-Katalysator einen erhöhten Einfluss auf die Änderung des Nachlauf-Stickoxid-Gehalts. Ein Reduktionsmittel-Überschuss im SCR-Katalysator kann nicht mehr einfach festgestellt werden. Ferner kann in einer Vorsteuerung als nominale Einspritzmenge ein Wert vorgesehen werden, der derjenigen Menge an Reduktionsmittel entspricht, die gemäß dem momentanen Vorlauf-Stickoxid-Gehalt vermutlich bei der Stickoxid-Reduktion reagiert wird - diese Menge wird nachfolgend als geschätzte Reaktionsmenge bezeichnet.
  • Es soll möglichst vermieden werden, dass unreagiertes Reduktionsmittel durch den SCR-Katalysator hindurchbricht, damit keine zusätzliche Reinigung des Abgases durch separate Vorrichtungen zu erfolgen braucht. Also ist es mit einem gewissen Risiko behaftet bzw. unerwünscht, eine größere Zahl von überdosierten Reduktionsmittel-Pulsen nacheinander auszuführen. Denn es könnte der Fall eintreten, dass erst durch die überdosierten Pulse ein Reduktionsmittel-Durchbruch erzeugt bzw. provoziert würde.
  • Die Stickoxid-Reduktion erfolgt (auch bei einem korrekt eingestellten Reduktionsmittel-Gehalt im SCR-Katalysator) nicht zu 100%, sondern bei einer momentanen Maximal-Effizienz. Mit anderen Worten hat die Stickoxid-Reduktion einen Wirkungsgrad kleiner 1. Wenn als nominale Einspritzmenge die stöchiometrische Gleichgewichtsmenge festgelegt wird, dann kann schon infolge des Wirkungsgrads ein gewisser Anteil des beigegebenen Reduktionsmittels nicht reagiert werden. Mit anderen Worten wird quasi ein schleichendes Überfüllen des SCR-Katalysators erzwungen. Wenn der SCR-Katalysator bereits bei einem maximalen Reduktionsmittel-Gehalt betrieben wird, kann der nicht-reagierte Anteil der stöchiometrischen Gleichgewichtsmenge nicht gespeichert werden und führt somit zu einem unerwünschten Reduktionsmittel-Durchbruch. Die Beigabe mehrerer überdosierter Reduktionsmittel-Pulse zu Test- oder Lernzwecken würde diesen Reduktionsmittel-Durchbruch noch verstärken. Es ist also wünschenswert, mit nur einem oder wenigen Test-Impulsen ein verlässliches Ergebnis zu erzielen. Dies wird durch das hier offenbarte Verfahren mittels einer Mehrfach-Antwortanalyse erreicht, die weiter unten erläutert wird.
  • Die geschätzte Reaktionsmenge berücksichtigt den Wirkungsgrad des SCR-Katalysators und sieht bspw. als nominale Einspritzmenge das Produkt von stöchiometrischer Gleichgewichtsmenge und geschätzter Reduktions-Effizienz vor, also einen Wert, der geringer ist als bei einem aggressiven Beigabe-Schema. Mit anderen Worten wird bei dem konservativen Beigabe-Schema gemäß der vorliegenden Offenbarung durch die Vorsteuerung (nur maximal) so viel Reduktionsmittel beigegeben, wie nötig ist, um den durch eine Reduktions-Reaktion im SCR-Katalysator bedingten Abfall des Reduktionsmittel-Gehalts auszugleichen.
  • Der wesentliche Vorteil des konservativen Beigabe-Schemas liegt also in der Vermeidung einer (schleichenden) Überfüllung des SCR-Katalysators und eines hierdurch erzeugten Reduktionsmittel-Durchbruchs. Weitere Vorteile sind die Vereinfachung des Abgasnachbehandlungssystems sowie ein reduzierter Reduktionsmittelverbrauch.
  • Es hat sich gezeigt, dass durch ein konservatives Beigabe-Schema einige Abweichungen im messbaren Verhalten des Abgasnachbehandlungssystems auftreten, die noch nicht vollständig aufgeklärt sind. Insbesondere wurde erkannt, dass das in US 2003/0046928 A1 beschriebene Verfahren zu erheblichen fehlerhaften Erkennungen führen kann, weil es Speichereffekte im SCR-Katalysator und die unterschiedliche Kinetik (Umsetzungsgeschwindigkeit) von Adsorptions-, Desorptions- und Reaktionsvorgängen bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen des Abgasnachbehandlungssystems nicht berücksichtigt. Es gibt verschiedene Betriebsparameter, die auf die Kinetik der Adsorptions-, Desorptions- und Reaktionsvorgänge unterschiedliche und sogar gegenläufige Auswirkungen haben können. So wird bspw. durch fallende Temperaturen und sinkenden Volumenstrom die Adsorption von Reduktionsmittel im SCR-Katalysator verstärkt. Andererseits wird durch fallende Temperaturen aber auch die chemische Reaktion gehemmt.
  • Die Reaktion eines Sensors zur Erfassung des Nachlauf-Stickoxid-Gehalts auf einen Reduktionsmittel-Puls erfolgt bei einem konservativen Beigabe-Schema bei einer nicht vorhersagbaren Dynamik, sodass eine Unterscheidung zwischen einer positiven oder negativen Änderung des Nachlauf-Stickoxid-Gehalts nach Zeitregeln oder allein auf Basis einer Tiefpassfilterung zu Fehlinterpretationen führt.
  • Es wird vermutet, dass durch das konservative Beigabe-Schema die Adsorption und Desorption von Reduktionsmittel im SCR-Katalysator lokal unterschiedlich, d.h. räumlich inhomogen erfolgt. Einerseits scheinen im SCR-Katalysator in Strömungsrichtung des Abgases vorne gelegene Oberflächenbereiche schneller und direkter auf eine Änderung der Reduktionsmittel-Beigabe zu reagieren, als hinten gelegene Bereiche. Andererseits scheinen im Querschnitt des SCR-Katalysators je nach Strömungsgeschwindigkeit, Druck, Temperatur und Volumenstrom des Abgases manche Bereiche stärker und manche Bereiche schwächer an den Adsorptions-, Desorptions- und Reaktionsvorgängen beteiligt zu sein. Nach einem transienten Betrieb (Zustand mit sich ändernden Betriebsparametern) ist nicht vorhersagbar, wie stark eine inhomogene Speicherung von Reduktionsmittel im SCR-Katalysator ausgeprägt ist. Es scheint, dass es gleichzeitig in manchen Bereichen des SCR-Katalysators zu einem Reduktionsmittel-Überschuss (einem Überlaufen) und in anderen Bereichen zu einem Reduktionsmittel-Mangel (einem Leerlaufen) kommt, wobei sich beide Vorgänge überlagern.
  • Durch das Verfahren gemäß dem zweiten Haupt-Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, (unabhängig von einer zeitlichen Prädiktion) die Ursache für eine Effizienz-Abweichung der Stickoxid-Reduktion zu ermitteln. Das Verfahren wird bevorzugt in dem oben beschriebenen Abgasnachbehandlungssystem ausgeführt und umfasst die folgenden Schritte.
  • Ein momentaner Vorlauf-Stickoxid-Gehalt in der Vorlauf-Passage wird bestimmt. Die Bestimmung kann auf Basis einer Messung durch einen Vorlauf-Stickoxidsensor und/oder auf Basis einer modellbasierten Schätzung oder Berechnung des Vorlauf-Stickoxid-Gehalts erfolgen. Eine Messung des Vorlauf-Stickoxid-Gehalts wird wegen der oben erwähnten Kreuz-Sensitivität bevorzugt in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Reduktionsmittel-Injektor durchgeführt, sodass der Vorlauf-Stickoxidsensor nicht mit dem beigegebenen Reduktionsmittel in Kontakt kommen kann. Weiterhin wird ein momentaner Nachlauf-Stickoxid-Gehalt in der Nachlauf-Passage durch einen Nachlauf-Stickoxidsensor bestimmt, der eine Kreuz-Sensitivität für Stickoxide (NOx) und das beigegebene Reduktionsmittel (Ammoniak / Urea) aufweist.
  • Wenn ein stationärer Zustand des Abgasnachbehandlungssystems festgestellt wird, veranlasst die Steuereinheit den Reduktionsmittel-Injektor, einen positiven oder negativen Injektionspuls auszuführen, d.h. einen Injektionspuls mit einer Test-Beigabemenge, die deutlich über oder unter einer Nominal-Beigabemenge liegt, die gemäß dem momentanen Vorlauf-Stickoxid-Gehalt bestimmt wird. Die Nominal-Beigabemenge kann dabei nach einem aggressiven oder bevorzugt nach einem konservativen Beigabe-Schema festgelegt werden.
  • Das Mess-Signal des Nachlauf-Stickoxidsensors wird erfasst und in einem Zeitabschnitt nach dem Injektionspuls und vor einem etwaigen weiteren Injektionspuls mit mehreren separaten Teilantworten bewertet. Die Bewertung kann auf beliebige Weise erfolgen und wird weiter unten erläutert.
  • Eine Entscheidung über die Ursache der Effizienz-Abweichung wird auf Basis einer Gesamtbetrachtung der mehreren Teilantworten end etwaig erfasster Richtungsänderungen der Teilantworten getroffen.
  • Das offenbarte Verfahren hat verschiedene Vorteile. Durch die Bewertung des Mess-Signals mit Teilantworten kann die Analyse des Mess-Signals im Wesentlichen unabhängig von der Dynamik (Geschwindigkeit) der Reaktion erfolgen. Insbesondere kann das Zeitfenster für eine Interpretation der Antworten auf einen Puls im Wesentlichen unbestimmt sein. Somit ist dasselbe Messverfahren sowohl für schnelle, als auch für langsame Reaktionen anwendbar.
  • Bevorzugt wird eine Effizienz der Stickoxid-Reduktion auf Basis des Vorlauf-Stickoxid-Gehalts und des Nachlauf-Stickoxid-Gehalts berechnet. Die berechnete Effizienz wird mit einer geschätzten Effizienz bzw. einem Soll-Wert für die Effizienz verglichen, um eine Abweichung festzustellen. Die Ausführung eines Injektionspulses kann von der Bedingung abhängig sein, dass die berechnete Effizienz um ein unzulässiges Maß von dem Soll-Wert abweicht, bzw. dass eine Mindest-Abweichung vorliegt. Alternativ kann ein Injektionspuls ohne eine vorhergehende Ermittlung einer Effizienz-Abweichung ausgeführt werden.
  • Besonders bevorzugt können die mehreren Teilantworten mit Entscheidungsmustern verglichen werden. Dabei kann es einfache Entscheidungsmuster geben, die eine schnelle Erst-Interpretation über die Ursache einer Effizienzänderung zulassen. Diese Entscheidungsmuster können für solche Fälle aussagekräftig sein, in denen Speichereffekte nicht oder nur in geringem Ausmaß zu tragen kommen und eine im Wesentlichen schnelle Dynamik vorliegt. Darüber hinaus können komplexere Entscheidungsmuster definiert sein, die zwischen frühen Teilantworten und gegenläufigen späteren Teilantworten differenzieren können.
  • Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen angegeben.
  • Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft und schematisch dargestellt. Diese zeigen:
    • 1: eine schematische Darstellung des Abgasnachbehandlungssystems gemäß der vorliegenden Offenbarung;
    • 2: Ein erster Satz von Entscheidungsmustern zur Bestimmung der Ursache einer Effizienz-Abweichung der Stickoxid-Reduktion;
    • 3: Vorgänge in einem SCR-Katalysator unter Soll-Bedingungen bei konservativer Beigabe von Reduktionsmittel;
    • 4A u. 4B: Vorgänge in einem SCR-Katalysator unter Soll-Bedingungen auf einen positiven und einen negativen Injektionspuls;
    • 5 u. 6: Mögliche Vorgänge in einem SCR-Katalysator bei Reduktionsmittel-Mangel auf einen negativen Injektionspuls;
    • 7 u. 8: Mögliche Vorgänge in einem SCR-Katalysator bei Reduktionsmittel-Mangel auf einen positiven Injektionspuls;
    • 9 u. 10: Mögliche Vorgänge in einem SCR-Katalysator bei Reduktionsmittel-Überschuss auf einen negativen Injektionspuls;
    • 11 u. 12: Mögliche Vorgänge in einem SCR-Katalysator bei Reduktionsmittel-Mangel auf einen positiven Injektionspuls;
    • 13: Mögliche Vorgänge in einem SCR-Katalysator auf eine positiven Injektionspuls, wenn der Reduktionsmittel-Gehalt unterhalb eines Soll-Werts liegt;
    • 14: Ein zweiter Satz von Entscheidungsmustern zur Bestimmung der Ursache einer Effizienz-Abweichung der Stickoxid-Reduktion;
    • 15: Beispielhafte Analyse des Mess-Signals des Nachlauf-Stickoxid-Sensors nach einem positiven Injektionspuls
    • 16: Ein Beispiel für die Ausführung des Lernverfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung in mehreren Durchgängen.
  • Das Abgasnachbehandlungssystem (10) gemäß der vorliegenden Offenbarung ist in 1 skizziert. Im unteren Bereich ist ein Katalyse-Abschnitt (12) gezeigt, der mit einer Vorlauf-Passage (11) und einer Nachlauf-Passage (13) verbunden ist. Durch die Vorlauf-Passage (11) wird ein Abgas dem Katalyse-Abschnitt (12) zugeführt. Das Abgas enthält Stickoxide (NOx). Das aus dem Katalyse-Abschnitt (12) austretende und von Stickoxiden (NOx) weitgehend gereinigte Abgas wird über die Nachlauf-Passage (13) abgeführt.
  • In dem Katalyse-Abschnitt (12) ist zumindest ein SCR-Katalysator (16) angeordnet, der einen bekannten Aufbau haben kann. Mit dem SCR-Katalysator (16) kann ggf. ein Filter (17) verbunden sein, insbesondere ein Rußpartikelfilter. Alternativ oder zusätzlich kann ein separater Filter in dem Abgasnachbehandlungssystem (10) vorgesehen sein, insbesondere stromabwärts zu dem SCR-Katalysator (16).
  • In dem Beispiel von 1 ist stromaufwärts zu dem SCR-Katalysator (16) ein Diesel-Oxidations-Katalysator (14) als optionales Element vorgesehen. Ferner befindet sich stromaufwärts zu dem SCR-Katalysator (16) ein Reduktionsmittel-Injektor (15), der ebenfalls einen bekannten Aufbau haben kann. Der Reduktionsmittel-Injektor (15) ist in dem Beispiel von 1 in Strömungsrichtung des Abgases direkt vor dem SCR-Katalysator (16) angeordnet. Alternativ kann er an einer beliebigen anderen Stelle angeordnet sein, bspw. stromaufwärts zu einer Turbine oder/oder einem Abgasmischer (nicht dargestellt), durch die eine Durchmischung von Reduktionsmittel und Abgas verbessert wird.
  • Der Reduktionsmittel-Injektor (15) wird bevorzugt mit einem flüssigen Reduktionsmittel versorgt, das mit einem Förderdruck zugeführt ist. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung wird aus Gründen der vereinfachten Darstellung nicht unterschieden, ob das Reduktionsmittel als Vorprodukt eingespritzt wird (Urea / Harnstoff), das sich erst in die reduzierende Substanz (Ammoniak) umwandelt, oder ob es sich um ein Fertig-Präparat handelt. Die Reduktionsmittel-Beigabemenge meint diejenige Menge des Vorprodukts oder der reduzierenden Substanz, die gemäß der zugrunde liegenden chemischen Reaktion erforderlich ist, um eine bestimmte Menge an Stickoxiden (NOx) zu reduzieren. Im Fall von Ammoniak können die folgenden chemischen Gleichungen zur Bestimmung einer erforderlichen Beigabemenge genutzt werden: 4 NO + 4 NH3 + O2 → 4 N2 + 6 H2O, 2 NO2 + 4 NH3 + O2 → 3 N2 + 6 H2O.
  • Wenn bei der Ermittlung des Stickoxid-Gehalts (cPre, cPost) nicht zwischen den verschiedenen Oxid-Arten (NO, NO2, NO3...) unterschieden wird, kann die vereinfachte Summenformel genutzt werden: NO + NO2 + 2 NH3 → 2 N2 + 3 H2O.
  • Demzufolge bei vereinfachter Betrachtung kann von einem stöchiometrischen Verhältnis von 1 zu 1 zwischen Stickoxiden (NOx) und Ammoniak (NH3) ausgegangen werden. Das mutmaßliche Verhältnis von Stickstoff-Monoxid (NO), Stickstoff-Dioxid (NO2) und anderen Stickoxid-Verbindungen (NOx) kann ggfs. durch modellbasierte Rechnung oder auf Basis von Kennfeldern etc. in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors ermittelt werden, um noch genauer die stöchiometrische Gleichgewichtsmenge zu bestimmen, d.h. welche Menge an Reduktionsmittel gemäß den chemischen Gleichungen zur Umwandlung der detektierten Menge an Stickoxiden vorzusehen ist. Bei Verwendung eines anderen Reduktionsmittels sind entsprechend andere Formeln zu verwenden.
  • Der Reduktionsmittel-Injektor (15) ist mit der Steuereinheit (20) des Abgasnachbehandlungssystems (10) verbunden und wird über einen Injektor-Treiber (24) mit Energie beaufschlagt. Der Injektor-Treiber (24) kann an beliebiger Stelle angeordnet sein, bspw. als Bestandteil der Steuereinheit (20) (siehe 1) oder als Bestandteil des Reduktionsmittel-Injektors (15).
  • Durch den Injektor-Treiber (24) wird gemäß einem Sollwert (Qi*) für die Reduktionsmittel-Beigabe ein Injektions-Kommando (CQ) erzeugt, mit dem der Reduktionsmittel-Injektor (15) beaufschlagt wird. Das Injektions-Kommando (CQ) kann insbesondere ein Aktivierungsstrom für einen elektrischen Aktuator des Reduktionsmittel-Injektors (15) sein.
  • Die durch den Reduktionsmittel-Injektor (15) (tatsächlich) beigegebene Menge (Qi) an Reduktionsmittel wird dem SCR-Katalysator (16) zugeführt. In dem vergrößerten Ausschnitt von 1 sind einige Vorgänge skizziert, durch die der (tatsächliche) Reduktionsmittel-Gehalt (cRed) in dem SCR-Katalysator steigt oder fällt. Derjenige Anteil der beigegebenen Menge (Qi) an Reduktionsmittel, der an der katalytischen Wandung adsorbiert wird, ist mit (Qad) gekennzeichnet. Durch die (momentan) adsorbierte Menge (Qad) an Reduktionsmittel steigt der Reduktionsmittel-Gehalt bzw. die gespeicherte Menge an Reduktionsmittel (cRed).
  • Derjenige Anteil der gespeicherten Menge (cRed) des Reduktionsmittels, der durch chemische Reaktion mit Stickoxiden (NOx) umgesetzt wird, ist als Reaktionsmenge (Qr) gekennzeichnet. Die (momentan) reagierte Menge (Qr) an Reduktionsmittel senkt den Reduktionsmittel-Gehalt (cRed) im SCR-Katalysator. Es kann vereinfacht davon ausgegangen werden, dass ausschließlich an der katalytischen Wandung adsorbiertes Reduktionsmittel zu einer chemischen Umwandlung von Stickoxiden (NOx) beiträgt, d.h. es ist zunächst notwendig, dass ein Reduktionsmittel-Bestandteil an der Wandung adsorbiert wird, damit er nachfolgend an der Reduktions-Reaktion teilhaben kann. Eine direkte Umsetzung von Stickoxiden (NOx) durch das im Abgas vorhandene Reduktionsmittel tritt nicht oder bei vernachlässigbaren Umsetzungsraten auf.
  • Die desorbierte Menge (Qde) an Reduktionsmittel gibt an, wie viel Reduktionsmittel ohne chemische Umsetzung wieder von der katalytischen Wandung abgelöst wird. Sie kann weiterhin angeben, welcher überschüssige Anteil der tatsächlich beigegebenen Menge (Qi) an Reduktionsmittel ohne chemische Umsetzung den SCR-Katalysator verlässt, bspw. wenn eine Überfüllung des SCR-Katalysators eintritt und für diesen Anteil keine Adsorption an der katalytischen Wandung möglich ist.
  • Die Steuerung der Reduktionsmittel-Beigabe erfolgt in einer solchen Weise, dass einerseits der Reduktionsmittel-Gehalt (cRed) im SCR-Katalysator so hoch gehalten wird, dass die erwünschte Effizienz der Stickoxid-Reduktion erreicht wird, und dass andererseits möglichst keine Überfüllung und kein Leer-Zustand des SCR-Katalysators (16) eintreten. Der Soll-Wert (cRed*) für den Reduktionsmittel-Gehalt im SCR-Katalysator (16) repräsentiert eine solche Menge an gespeichertem Reduktionsmittel, dass die vorerwähnten Ziele erreicht werden. Der Soll-Wert (cRed*) wird an den momentanen Betriebszustand des Abgasnachbehandlungssystems angepasst, um bspw. der sich ändernden Speicherfähigkeit bei steigenden und fallenden Temperaturen sowie bei steigenden oder fallenden Volumenströmen Rechnung zu tragen.
  • Der Soll-Wert für die Reduktionsmittel-Beigabemenge (Qi*) kann in beliebiger Weise definiert sein, bspw. als Injektionsrate (Beigabemenge pro Zeitintervall). Die Reduktionsmittel-Beigaben (Qi) können kontinuierlich oder intermittierend auftreten, bspw. bei einem konstanten oder veränderlichen Injektions-Takt, wobei für jede Injektion oder gruppenweise unterschiedliche Einzel-Injektionsmengen vorgegeben werden, um im Mittelwert über einen oder mehrere Takte die vorgegebene Injektionsrate bzw. den Soll-Wert (Qi*) zu erreichen. Bei einer erhöhten Vorgabe des Soll-Werts (Qi*) können Injektionen mit erhöhter Beigabemenge ausgeführt werden und umgekehrt. Alternativ können jeweils einheitliche Einzel-Injektionsmengen vorgegeben sein, wobei durch die Vorgabe einer Injektions-Frequenz die Beigabemenge pro Zeitintervall veränderbar ist, um eine Anpassung an den Soll-Wert (Qi*) zu erreichen. Wiederum alternativ sind Mischungen aus einer Änderung der Einzel-Injektionsmenge und einer Änderung der Injektions-Frequenz möglich. Nachfolgend wird vereinfachend davon ausgegangen, dass ein Soll-Wert (Qi*) (pro Zeitintervall) für die Reduktionsmittel-Beigabe verändert wird, der bspw. in Abhängigkeit von Zustandsparametern des Abgasnachbehandlungssystems (10) in konkrete Injektions-Kommandos (CQ) für Einzel-Injektionen umgesetzt wird.
  • Während die Reduktionsmittel-Beigabe (Qi) eher intermittierend erfolgt, findet die chemische Reaktion eher kontinuierlich statt. Die Speicherung des Reduktionsmittels führt zu einem Puffer-Effekt, der einen Ausgleich zwischen der intermittierenden Reduktionsmittel-Beigabe und der kontinuierlichen Reduktionsmittel-Umsetzung ermöglicht.
  • Der Sollwert (Qi*) für die Reduktionsmittel-Beigabe wird durch eine Sollwert-Berechnung (23) bereitgestellt und zumindest auf Basis des Vorsteuerwerts (Qpre) und des Speicherführungswerts (Qstr) für die Reduktionsmittel-Beigabe berechnet. Die zugrundeliegende Berechnung kann von beliebiger Art sein. In einer einfachen Ausführung können der momentane Vorsteuerwert (Qpre) und der momentane Speicherführungswert (Qstr) addiert werden. Der Speicherführungswert (Qstr) kann einen positiven oder negativen Wert haben oder Null betragen. Alternativ oder zusätzlich können komplexere Berechnungen zugrunde liegen, die beispielsweise eine zeitweise Unterbindung der Reduktionsmittel-Beigabe mit nachfolgender Kompensation ermöglichen, d.h. eine zeitliche Verschiebung von Beigabemengen zwischen (benachbarten) Zeitintervallen. Eine zeitweise Unterbindung von Reduktionsmittel-Beigaben kann bspw. in solchen Zeitintervallen nötig sein, in denen sich der Betriebszustand des Verbrennungsmotors oder des Abgasnachbehandlungssystems sehr stark ändert.
  • Der Vorsteuerwert (Qpre) wird von der Vorsteuerung (22), d.h. im offenen Regelkreis, bereitgestellt und auf Basis des momentanen Vorlauf-Stickoxid-Gehalts (cPre) bestimmt. Der Vorlauf-Stickoxid-Gehalt (cPre) kann auf beliebige Weise ermittelt werden. In dem Beispiel von 1 ist ein Vorlauf-Stickoxid-Sensor (40) in der Vorlauf-Passage (11) vorgesehen, der den Vorlauf-Stickoxid-Gehalt (cPre) direkt erfasst. Alternativ oder zusätzlich kann ein Vorlauf-Stickoxid-Gehalt (cPre) als geschätzter Wert von einer anderen Steuerungskomponente bereitgestellt sein, insbesondere von einer Motor-Steuerung mit einem Verbrennungs-Modell, die den momentanen Stickoxid-Ausstoß aus einer Brennkammer des Verbrennungsmotors ermittelt. Bevorzugt können sowohl ein Messwert als auch ein geschätzter oder berechneter Wert des Vorlauf-Stickoxid-Gehalts (cPre) vorliegen, wobei diese Werte untereinander auf Konsistenz geprüft und ggf. adaptiert werden können. Wiederum alternativ oder zusätzlich kann über den Vorlauf-Stickoxidsensor eine Gesamtmenge an Stickoxiden (NOx) ermittelt werden, und über eine Schätzung oder Berechnung können die enthaltenen Stickoxide-Arten (NO, NO2, NO3 etc.) ermittelt werden. Im Folgenden wird vereinfacht davon ausgegangen, dass der Vorlauf-Stickoxid-Gehalt (cPre) sensorisch erfasst wird.
  • Nachfolgend wird das mehrgliedrige Simulationsmodell (21) genauer erläutert. In den Zeichnungen sind geschätzte bzw. berechnete Werte, die eine tatsächliche Größe in der Steuerung repräsentieren, jeweils durch einen Strich und Soll-Werte durch einen Stern gekennzeichnet. (Qi) bezeichnet die tatsächliche Beigabemenge an Reduktionsmittel, die in der Regel nicht direkt ermittelbar ist, während (Qi*) den Soll-Wert und (Qi') einen Schätz-Wert für die Beigabemenge angeben. (cRed) gibt den tatsächlichen Reduktionsmittel-Gehalt im SCR-Katalysator (16), der ebenfalls nicht direkt ermittelbar ist, während (cRed*) einen Soll-Wert und (cRed') einen geschätzten Wert des Reduktionsmittel-Gehalts angeben, usw.
  • Der Speicherführungswert (Qstr) wird bevorzugt als Abweichung des geschätzten Reduktionsmittels-Gehalts (cRed') von dem Sollwert (cRed*) berechnet. Der Sollwert (cRed*) kann auf beliebige Weise festgelegt sein. Gemäß einer einfachen Ausführung kann er als statischer Wert festgelegt sein und beispielsweise eine maximale Speicherkapazität des SCR-Katalysators (16) unter normalen Betriebsbedingungen angeben. Alternativ und bevorzugt kann der Sollwert (cRed*) dynamisch festgelegt sein, bspw. in Abhängigkeit von Zustandsparametern des Abgasnachbehandlungssystems (10) und/oder des Verbrennungsmotors. Die Festlegung kann insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur des SCR-Katalysators (16) und/oder der Temperatur des Abgases und/oder einem Alter des SCR-Katalysators (16) erfolgen. Weiterhin kann die Strömungsgeschwindigkeit bzw. der Volumenstrom des Abgases eine Anpassung des Soll-Werts (cRed*) bedingen.
  • Dabei kann der Soll-Wert (cRed*) für den Reduktionsmittel-Gehalt gemäß einem vorbestimmten Beigabe-Schema festgelegt werden.
  • Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden zumindest ein aggressives und ein konservatives Beigabe-Schema unterschieden, wobei die Festlegung des Soll-Werts (cRed*) für den Reduktionsmittel-Gehalt bevorzugt nach dem konservativen Beigabe-Schema erfolgt.
  • Ein konservatives Beigabe-Schema sieht vor, dass der Soll-Wert (cRed*) für den Reduktionsmittel-Gehalt im SCR-Katalysator (16) um ein erhebliches Maß geringer ist als die (momentane) maximale Speicherkapazität des SCR-Katalysators (16) für Reduktionsmittel. Ein konservatives Beigabe-Schema sieht beispielsweise den Sollwert (cRed*) in einem Bereich von 30% bis 80% der (momentanen) maximalen Speicherkapazität vor. Hierdurch wird einer unerwünschten Überfüllung des SCR-Katalysators (16) und einem dadurch bedingten Reduktionsmittel-Durchbruch vorgebeugt.
  • Bei einem aggressiven Beigabe-Schema würde der Soll-Wert (cRed*) in einem Bereich von größer 80% oder größer 90% der (momentanen) maximalen Speicherkapazität festgelegt, was ebenfalls möglich ist, aber ggfs. erfordert, dass stromabwärts zu dem SCR-Katalysator ein Ammonia slip Katalysator (nicht dargestellt) oder ein anderes Element zur Entfernung eines überschüssigen Reduktionsmittels im austretenden Abgas vorgesehen wird.
  • Die vorgenannten Wertebereiche sind rein exemplarisch angegeben und können sich in Abhängigkeit von der Größe und Wirksamkeit des SCR-Katalysators (16) ändern.
  • In dem mehrgliedrigen Simulationsmodell (21) gemäß 1 sind verschiedene Glieder enthalten, die in Abhängigkeit von den Zustandsparametern des Abgasnachbehandlungssystems (10) und insbesondere des SCR-Katalysators (16) schätzen bzw. berechnen, durch welche Einflüsse der momentane Reduktionsmittel-Gehalt (cRed) steigt oder fällt. Die Anzahl und Ausbildung der Glieder kann in Abhängigkeit von der Ausbildung des Abgasnachbehandlungssystems (10) und insbesondere des Katalyse-Abschnitts (12) abgewandelt sein.
  • In dem Beispiel von 1 umfasst das mehrgliedrige Simulationsmodell (21) ein erstes Glied (31) in Form eines Reduktionsmittel-Beigabemodells. Dieses ermittelt in Abhängigkeit von einer Betätigung (Qi*/CQ) des Reduktionsmittel-Injektors (15) eine geschätzte Menge (Qi') an beigegebenem Reduktionsmittel. Mit anderen Worten berechnet das Reduktionsmittel-Beigabemodell (31) einen Schätzwert (Qi') für die tatsächlich beigegebene Menge (Qi) an Reduktionsmittel. Die Betätigung des Reduktionsmittel-Injektors (15) kann durch eine beliebige Systemgröße gekennzeichnet sein, bevorzugt durch den Soll-Wert (Qi*) für die Reduktionsmittel-Beigabe oder durch das Injektions-Kommando (CQ).
  • Die geschätzte Menge (Qi') des beigegebenen Reduktionsmittels kann weiterhin von folgenden Parametern abhängen:
    • - Konzentration der reduzierenden Substanz oder eines Vorprodukts im Speise-Fluid des Reduktionsmittel-Injektors;
    • - Speise-Druck des Reduktionsmittel-Injektors;
  • 15 zeigt beispielhaft den Verlauf der maximalen Speicherkapazität (cMax), des Soll-Werts (cRed*) sowie des geschätzten Werts (cRed') für den Reduktionsmittel-Gehalt im Vergleich zum tatsächlichen Reduktionsmittel-Gehalt (cRed). Der tatsächliche Reduktionsmittel-Gehalt (cRed) ist nicht direkt messbar und somit der Steuerung nicht bekannt. Im abgebildeten Zeitbereich treten drei stationäre Zustände (S1, S2, S3) auf, zwischen denen jeweils instationäre bzw. transiente Zustände liegen. In jedem der drei stationären Zustände (S1, S2, S3) liegt ein anderer Betriebszustand des Abgasnachbehandlungssystems (10) vor, sodass unterschiedliche maximale Speicherkapazitäten (cMax) vorliegen. Dementsprechend ist für jeden der stationären Zustände (S1, S2, S3) ein anderer Soll-Wert (cRed*) für den Reduktionsmittel-Gehalt festgelegt.
  • Im ersten stationären Zustand erfolgen die Reduktionsmittel-Beigabe und die Speicherführung korrekt. Der geschätzte Wert (cRed') des Reduktionsmittel-Gehalts entspricht dem tatsächlichen Reduktionsmittel-Gehalt (cRed) und es liegt keine unzulässige Abweichung zwischen dem geschätzten Reduktionsmittel-Gehalt (cRed') und dem Soll-Wert (cRed*) vor. Dementsprechend ist zu erwarten, dass die Stickoxid-Reduktion bei der korrekten Effizienz erfolgt.
  • Im zweiten stationären Zustand (S2) liegt ein anderer Betriebszustand des Abgasnachbehandlungssystems (10) vor, weshalb eine höhere Speicherkapazität (cMax) des SCR-Katalysators (16) und ein entsprechend höherer Soll-Wert (cRed*) für den Reduktionsmittel-Gehalt vorliegen. Die Reduktionsmittel-Beigabe und die Speicherführung erfolgen ebenfalls korrekt.
  • Beim Übergang zum dritten stationären Zustand, d.h. in dem transienten Übergang, tritt eine Abweichung zwischen dem geschätzten Reduktionsmittel-Gehalt (cRed') und dem tatsächlichen Reduktionsmittel-Gehalt (cRed) auf. Der geschätzte Reduktionsmittel-Gehalt (cRed) liegt fälschlicher Weise auf dem Niveau des Soll-Werts (cRed*). Tatsächlich liegt aber ein Reduktionsmittel-Überschuss vor, der gemäß den Messwerten des Nachlauf-Stickoxid-Gehalts (cPost) zu einer Verminderung der Effizienz der Stickoxid-Reduktion führt. Es findet also ein Reduktionsmittel-Durchbruch statt.
  • Bei einer ersten Durchführung des unten Lernvorgangs wird der Reduktionsmittel-Überschuss erkannt. Als Grund für die Entstehung des Reduktionsmittel-Überschusses kommen verschiedene Phänomene in Betracht. Einerseits könnte der Reduktionsmittel-Injektor (15) eine tatsächliche Menge (Qi) an Reduktionsmittel beigegebenen haben, die größer war als die Soll-Menge (Qi*). Andererseits könnte im SCR-Katalysator tatsächlich mehr Reduktionsmittel adsorbiert oder weniger Reduktionsmittel reagiert worden sein, als im Simulationsmodell geschätzt wurde. D.h. die geschätzte Adsorptionsmenge (Qad) könnte im Zeitraum vor dem Lernvorgang kleiner gewesen sein als die tatsächliche Adsorptionsmenge (Qad') und die geschätzte Reaktionsmenge (Qr') könnte kleiner gewesen sein als die tatsächliche Reaktionsmenge (Qr).
  • Als Gegenmaßnahme wird einerseits der geschätzte Reduktionsmittel-Gehalt (cRed') auf den Wert (cMax) angepasst. Darüber hinaus können weitere Korrekturwertanpassungen in dem Simulationsmodell ausgeführt werden, die unten stehend erläutert werden.
  • Wenn der geschätzte Reduktionsmittel-Gehalt (cRed') auf den Wert (cMax) adaptiert wird, wird die unzulässige Abweichung gegenüber dem Soll-Wert (cRed*) für den Reduktionsmittel-Gehalt von der Steuerung erfasst. Dementsprechend wird ein negativer Speicherführungswert (Qstr) erzeugt, der zu geringeren Soll-Injektionsmengen (Qi*) führt und damit bewirkt, dass der geschätzte Reduktionsmittel-Gehalt (cRed') wieder dem Soll-Wert (cRed*) angenähert wird.
  • In dem Beispiel von 16 geht das Simulationsmodell nach der ersten Durchführung (L1) des Lernvorgangs davon aus, dass der geschätzte Reduktionsmittel-Gehalt (cRed') auf dem Soll-Wert (cRed*) bleibt. Tatsächlich tritt in dem gezeigten Beispiel aber erneut eine Abweichung auf, die zu einem Reduktionsmittel-Überschuss führt, d.h. der tatsächliche Reduktionsmittel-Gehalt (cRed) ist erneut über dem Soll-Wert (cRed*) und driftet gegen den Wert von (cMas). Der Grund hierfür könnte sein, dass die tatsächliche Beigabemenge (Qi) größer ist als der Soll-Wert (Qi*), was einerseits auf einen Mess-Fehler des Vorlauf-Stickoxid-Sensors (40) oder auf einen Fehler des Injektors (15) zurückführbar sein könnte.
  • Bei einer weiteren Durchführung (L2) des Lernvorgangs kann der erneute Reduktionsmittel-Überschuss erkannt werden, wobei der geschätzte Reduktionsmittel-Gehalt (cRed') wieder auf einen geeigneten Wert geändert wird, und es können weitere Adaptionen in dem Simulationsmodell vorgenommen werden, um die erfasste Drift des Reduktionsmittel-Gehalts (cRed) zu kompensieren. Geeignete Maßnahmen werden unten erläutert.
  • An oder in dem Reduktionsmittel-Beigabemodell (31) kann ein beliebiger Korrekturwert (W1) vorgesehen sein, der bei der Durchführung eines Lernvorgangs anpassbar ist. Im Beispiel von 1 ist vereinfachend angenommen, dass der Korrekturwert W1 ein multiplikativer Faktor ist, der den geschätzten Wert (Qi') der Beigabemenge gegenüber einer Basis-Berechnung erhöht oder verringert. Alternativ oder zusätzlich können andere Korrekturwerte vorgesehen sein, die bspw. eine oder mehr konkrete Anpassungen in Bezug auf die o.g. Einflussparameter vorsehen.
  • Das zweite Glied (32) des Simulationsmodells (21) ist ein Reduktionsmittel-Speichermodell (32). Dieses schätzt in Abhängigkeit von Zustandsparametern des Abgasnachbehandlungssystems (10), welche Menge (Qad') an Reduktionsmittel momentan in dem SCR-Katalysator (16) durch Adsorption gespeichert wird. Die geschätzte Menge (Qad') kann von folgenden Zustandsparametern abhängen:
    • - Momentaner (geschätzter) Reduktionsmittel-Gehalt (cRed') im SCR-Katalysator (16) - entspricht Besetzungs- bzw. Füllungsgrad der Katalysatorwandung;
    • - Momentane (geschätzte) Beigabemenge (Qi') an Reduktionsmittel - bezogen vom Reduktionsmittel-Beigabemodell (31);
    • - Temperatur des SCR-Katalysators (16);
    • - Temperatur des zugeführten Abgases;
    • - Konzentration der reduzierenden Substanz im zugeführten Abgas;
    • - Durchmischungsgrad von Reduktionsmittel und Abgas stromaufwärts zu SCR-Katalysator, beispielsweise abhängig von Anordnung des Reduktionsmittel-Injektors und Betrieb oder Last einer zwischen dem Reduktionsmittel-Injektor (15) und dem SCR-Katalysator (16) etwaig angeordneten Turbine;
    • - Strömungsgeschwindigkeit bzw. Volumenstrom des Abgases, bspw. bezogen von einem Strömungssensor (nicht dargestellt) oder von einer Motorsteuerung.
  • Im Beispiel von 1 ist vereinfachend angenommen, dass ein Korrekturwert (W2) an oder in dem Reduktionsmittel-Speichermodell (32) ein multiplikativer Faktor ist, der den Wert (Qad') gegenüber einer Basis-Berechnung erhöht oder verringert. Alternativ oder zusätzlich können andere Korrekturwerte vorgesehen sein, die bspw. eine oder mehr konkrete Anpassungen in Bezug auf die o.g. Einflussparameter vorsehen.
  • Das in 1 separat dargestellt Summationsglied (25), das den geschätzten Reduktionsmittel-Gehalt (cRed') berechnet, kann ebenfalls Bestandteil des Reduktionsmittel-Speichermodells (32) sein. Dementsprechend kann der Korrekturwert (W2) - alternativ oder zusätzlich zu den o.g. Möglichkeiten - ein multiplikativer Faktor, ein Offsetwert oder ein Ersatzwert für den geschätzten Reduktionsmittel-Gehalt (cRed') sein. Besonders bevorzugt handelt es sich um einen Offsetwert.
  • Das dritte Glied (33) des Simulationsmodells (21) ist in dem Beispiel von 1 ein Reaktions-Modell (33), das in Abhängigkeit von Zustandsparametern des Abgasnachbehandlungssystems (10) schätzt, welcher Anteil (Qr') des im SCR-Katalysator gespeicherten Reduktionsmittels durch chemische Reaktion entnommen bzw. umgewandelt wird. Die geschätzte Menge (Qr') des durch Reaktion umgewandelten Reduktionsmittels kann von folgenden Zustandsparametern abhängen:
    • - Momentaner (geschätzter) Reduktionsmittel-Gehalt (cRed') im SCR-Katalysator (16) - entspricht Besetzungs- bzw. Füllungsgrad der Katalysatorwandung;
    • - Temperatur des SCR-Katalysators (16);
    • - Temperatur des zugeführten Abgases;
    • - Konzentration der Stickoxide (NOx) im zugeführten Abgas;
    • - Strömungsgeschwindigkeit des Abgases.
  • Im Beispiel von 1 ist vereinfachend angenommen, dass ein Korrekturwert (W3) an oder in dem Reaktions-Modell (33) ein multiplikativer Faktor ist, der den geschätzten Wert (Qr') gegenüber einer Basis-Berechnung erhöht oder verringert. Alternativ oder zusätzlich können andere Korrekturwerte vorgesehen sein, die bspw. eine oder mehr konkrete Anpassungen in Bezug auf die o.g. Einflussparameter vorsehen. Insbesondere kann ein Korrekturwert (W3) ein multiplikativer Faktor und/oder ein Offset-Wert sein, der den Vorlauf-Stickoxid-Gehalt (cPre) gegenüber dem Messwert des Vorlauf-Stickoxidsensors (40) erhöht oder verringert. Eine Korrekturwertanpassung in Bezug auf den Messwert des Vorlauf-Sickoxidsensors (40) kann gleichzeitig eine Auswirkung auf die Vorsteuerung (22) und damit den Vorsteuerwert (Qpre) für die Reduktionsmittel-Beigabe haben. Somit kann eine Korrekturwertanpassung zusätzlich zu den Änderungen im mehrgliedrigen Simulationsmodell (21) einen Korrekturwert (W3) für die oder in der Vorsteuerung (22) ändern.
  • Das vierte Glied in dem Simulationsmodell (21) ist ein Desorptionsmodell (34), das in Abhängigkeit von Zustandsparametern des Abgasnachbehandlungssystems (10) berechnet, welcher Anteil (Qde') des im SCR-Katalysator gespeicherten Reduktionsmittels ohne chemische Umsetzung desorbiert wird. Die geschätzte Menge (Qde') des desorbierten Reduktionsmittels kann weiterhin einen Anteil der geschätzten beigegebenen Menge (Qi') umfassen, der nicht im SCR-Katalysator adsorbiert werden kann. Die geschätzte Menge (Qde') kann von folgenden Zustandsparametern abhängen:
    • - Momentaner (geschätzter) Reduktionsmittel-Gehalt (cRed') im SCR-Katalysator (16) - entspricht Besetzungs- bzw. Füllungsgrad der Katalysatorwandung;
    • - Momentane (geschätzte) Beigabemenge (Qi') an Reduktionsmittel - bezogen vom Reduktionsmittel-Beigabemodell (31);
    • - Temperatur des SCR-Katalysators (16);
    • - Temperatur des zugeführten Abgases;
    • - Strömungsgeschwindigkeit des Abgases.
  • Im Beispiel von 1 ist vereinfachend angenommen, dass ein Korrekturwert (W4) an oder in dem DesorptionsModell (33) ein multiplikativer Faktor ist, der den Wert (Qde') gegenüber einer Basis-Berechnung erhöht oder verringert. Alternativ oder zusätzlich können andere Korrekturwerte vorgesehen sein, die bspw. eine oder mehrere konkrete Anpassungen in Bezug auf die o.g. Einflussparameter vorsehen.
  • Das Steuerungskonzept gemäß der vorliegenden Offenbarung sieht vor, dass durch den Vorsteuerwert (Qpre) ein erheblicher Anteil der Soll-Menge (Qi*) des beizugebenden Reduktionsmittels in Abhängigkeit von dem momentanen Vorlauf-Stickoxid-Gehalt (cPre) festgelegt wird. Dies kann bei einer sehr geringen Zeitverzögerung erfolgen. Mit anderen Worten wird stets (fast) so viel Reduktionsmittel gemäß dem Vorsteuerwert (Qpre) beigegeben, dass der Verlust an Reduktionsmittel in dem SCR-Katalysator (16) infolge der chemischen Umwandlung kompensiert wird. Somit erfolgt durch die Vorsteuerung (22) eine Grundanpassung der Reduktionsmittel-Beigabe an den momentanen Bedarf.
  • Durch die Vorgabe des Speicherführungswerts (Qstr), der in Abhängigkeit von einer Simulation über die Vorgänge in dem SCR-Katalysator (16) festgelegt ist, die zu einer Erhöhung oder Verringerung des momentanen Reduktionsmittel-Gehalts (cRed) führen, kann besonders bei instationären Zuständen des Verbrennungsmotors bzw. des Abgasnachbehandlungssystems (10) eine kompensierende bzw. noch feinere Steuerung der Reduktionsmittel-Beigabe erfolgen. Die zu Grunde liegenden Berechnungen und Schätzungen können infolge der zeitlichen Puffer-Wirkung des SCR-Katalysators (16) mit einer größeren Zeitverzögerung erfolgen.
  • Nachfolgend wird beispielhaft die Durchführung eines Lernvorgangs erläutert.
  • Ein Komparator (26) vergleicht den momentanen Vorlauf-Stickoxid-Gehalt (cPre) (geschätzt und/oder gemessen) und den momentanen Nachlauf-Stickoxid-Gehalt (cPost) (gemessen) und berechnet daraus eine momentane Effizienz der Stickoxid-Reduktion. Der Komparator (26) vergleicht die momentane Effizienz mit einem Sollwert (rEff*) und berechnet daraus eine Effizienz-Abweichung (dEff).
  • Eine Effizienz-Abweichung tritt insbesondere dann auf, wenn der SCR-Katalysator (16) eine verminderte Wirksamkeit aufweist, überfüllt wird oder leer läuft. Eine verminderte Wirksamkeit kann bspw. auf einer Alterung des SCR-Katalysators (16) beruhen, durch die der Wirkungsgrad herabgesetzt wird. Ein Überfüllen oder Leerlaufen des SCR-Katalysators kann bspw. auf einer temporären oder dauerhaften Abweichung der tatsächlichen Beigabemenge (Qi) von dem Soll-Wert (Qi*), oder auf einer unzureichenden Adsorption (Qad) beruhen.
  • Die Effizienz-Abweichung (dEff) wird durch eine Korrekturwert-Anpassung (27) genutzt, um in zumindest zwei der Glieder (31, 32, 33, 34) des Simulationsmodells (21) eine Korrektur vorzunehmen, insbesondere durch Änderung an den Korrekturwerten (W1, W2, W3, W4). Zusätzlich kann eine Korrektur des geschätzten Reduktionsmittel-Gehalts (cRed') erfolgen.
  • Besonders bevorzugt wird die Effizienz-Abweichung (dEff) gemäß einem Gewichtungsschlüssel (SW) auf zwei oder mehr Korrekturwerte (W1-W4) in den mindestens zwei Gliedern (31-34) des Simulationsmodells (21) verteilt, insbesondere durch Aufteilung des Abweichungswerts (dEff) in zwei oder mehr prozentuale Anteile.
  • In bzw. für die Korrekturwert-Anpassung (27) sind bevorzugt zwei oder mehr alternative Gewichtungsschlüssel (SW) vordefiniert, aus denen ein geeigneter Gewichtungsschlüssel (SW) ausgewählt wird. Die Auswahl kann auf Basis beliebiger Kriterien erfolgen, beispielsweise auf Basis des Erfolgs eines vorherigen Lernvorgangs. Alternativ oder zusätzlich kann die Auswahl auf Basis weiterer Zustandsparameter des Abgasnachbehandlungssystems (10) erfolgen, beispielsweise einer festgestellten Inkonsistenz zwischen einem modellbasiert ermittelten Wert und einem gemessenen Wert für den Vorlauf-Stickoxid-Gehalt (cPre). Ein Korrekturwert (W1 - w4) kann alternativ oder zusätzlich zu den o.g. Möglichkeiten eine Verstärkung für einen Messwert oder einen berechneten Wert vorsehen, der dem Simulationsmodell (21) zugeführt wird. Dazu gehören insbesondere ein Messwert von einem Vorlauf-Stickoxid-Sensor, einem Nachlauf-Stickoxid-Sensor, einem Abgas-Temperatursensor und einem Katalysator-Temperatursensor.
  • Besonders bevorzugt wird durch einen Gewichtungsschlüssel (SW) gleichzeitig eine Adaption zumindest eines Korrekturwerts (W1) in oder an dem Reduktionsmittel-Beigabemodell (31) und zusätzlich eines Korrekturwerts (W2) in oder an dem Reduktionsmittel-Speichermodell (32) vorgenommen.
  • In dem Beispiel von 16 wird bei der ersten Durchführung (L1) des Lernvorgangs der Korrekturwert (W2) angepasst, bspw. indem ein Offsetwert den geschätzten Reduktionsmittel-Gehalt (cRed') aktualisiert. Mit anderen Worten wird ein Gewichtungsschlüssel angewendet, der 100% Anpassung für den Korrekturwert (W2) vorsieht.
  • Die Darstellung in 16 ist rein exemplarisch gewählt, um mögliche Verläufe der berechneten Größen (cRed*, cRed') im Simulationsmodell gegenüber den tatsächlichen Änderungen der physikalischen Größen zu verdeutlichen und darauf aufbauend ein Beispiel für die mehrfache Durchführung eines Lernvorgangs zu erläutern. Die lokalen Schwankungen des tatsächlichen Reduktionsmittel-Gehalts (cRed) haben rein erläuternden Charakter und geben nicht das Timing oder die Anzahl von Einzel-Injektionen wider.
  • Im zweiten Durchgang (L2) des Lernverfahrens wird festgestellt, dass die reine Anpassung des geschätzten Reduktionsmittel-Gehalts (cRed') nicht ausreichend war. Mit einem unerwartet kurzen Zeitverzug wird eine erneute Effizienz-Abweichung ermittelt. Die Effizienz-Abweichung kann nun einerseits zu einer erneuten Anpassung des Korrekturwerts (W2) verwendet werden, um den geschätzten Reduktionsmittel-Gehalt (cRed') durch einen Offset-Wert zu aktualisieren. Hierfür kann eine Gewichtung von bspw. 50% der Effizienz-Abweichung vorgesehen sein. Die anderen 50% der Effizienz-Abweichung können für eine Änderung des Korrekturwerts (W1) genutzt werden, um die geschätzte Beigabemenge (Qi') gegenüber dem Basiswert zu erhöhen. Hierdurch wird kompensiert, dass der Injektor (15) vielleicht gegenüber dem Soll-Wert (Qi*) eine zu große tatsächliche Menge (Qi) beigibt.
  • Nach der Anpassung des geschätzten Reduktionsmitte-Gehalts (cRed') wird erneut eine Abweichung gegenüber dem Soll-Wert (cRed*) erfasst. Also wird ein negativer Speicherführungswert (Qstr) erzeugt, durch den eine Absenkung des Reduktionsmittel-Gehalts (cPre, cPre') erreicht wird.
  • Nach der zweiten Durchführung (L2) wird zunächst davon ausgegangen, dass der geschätzte Reduktionsmittel-Gehalt (cRed') dem Soll-Wert (cRed*) entspricht. Tatsächlich tritt aber allmählich ein Reduktionsmittel-Mangel auf, der - nun mit einem etwas größerem Zeitverzug von L2 zu L3 - zu einer erneuten Effizienz-Abweichung der Stickoxid-Reduktion führt.
  • In einem erneuten Lerndurchgang (L3) wird der Reduktionsmittel-Mangel festgestellt und es werden neuerliche Anpassungen im Simulationsmodell ausgeführt. Im vorliegenden Beispiel werden erneut die Korrekturwerte (W1, W2) geändert. Diesmal allerdings mit einem anderen Gewichtungsschlüssel von bspw. 75% Gewichtung für die Anpassung des Korrekturwerts (W2) bzw. des geschätzten Reduktionsmittel-Gehalts (cRed') und 25% für den Korrekturwert (W1) bszw. die geschätzte Beigabemenge (Qi').
  • Nach dem dritten Durchgang (L3) des Lernverfahrens kehrt das System wieder in den gewünschten Zustand zurück, sodass keine unzulässigen Effizienz-Abweichungen der Stickoxid-Reduktion festgestellt werden.
  • Bei der mehrfachen Ausführung des Lernverfahrens können Ergebnisse aus einer vorherigen Durchführung (Adaption war schnell erfolgreich / langsam erfolgreich / nicht erfolgreich) genutzt werden, um die Anpassungen in der aktuellen Durchführung festzulegen. Mit anderen Worten kann die Auswahl eines Gewichtungsschlüssels (SW) in Abhängigkeit von einem Zeitverzug zwischen zwei Durchführungen (L1, L2) des Lernvorgangs bzw. zwischen zwei ermittelten Effizienz-Abweichungen der Stickoxid-Reduktion getroffen werden. Sie kann zusätzlich davon abhängen, ob zwischen zwei Durchführungen (L1, L2, L3) des Lernvorgangs dieselbe oder unterschiedliche Ursachen der Effizienz-Abweichung (Reduktionsmittel-Überschuss oder Reduktionsmittel-Mangel) festgestellt wurden.
  • Die Durchführung eines Lernvorgangs kann zu beliebigen Zeitpunkten erfolgen. Gemäß einer bevorzugten Variante wird ein Lernvorgang nur dann ausgeführt, wenn eine bestimmte Vorbedingung für die Durchführung einer Korrekturwert-Anpassung vorliegt. Eine solche Vorbedingung kann insbesondere sein, dass ein stationärer Zustand des Abgasnachbehandlungssystems (10) und/oder des Verbrennungsmotors vorliegt. Die Parameter für die Feststellung des Vorliegens eines stationären Zustands können von der Art und Ausbildung des Verbrennungsmotors bzw. des Abgasnachbehandlungssystems (10) abhängen. Bevorzugt können vorgegebene absolute Wertebereiche und Zeitintervalle als Maßstab für die nachfolgend genannten Parameter definiert sein, die jeweils einzeln oder in einer beliebigen Kombination zur Definition eines stationären Zustands nutzbar sind:
    • - Sensorisch erfasster Vorlauf-Stickoxid-Gehalt (cPre);
    • - Temperatur des Abgases, insbesondere in der Vorlauf-Passage;
    • - Drehzahl des Verbrennungsmotors;
    • - Strömungsgeschwindigkeit des Abgases;
    • - Massenstrom des Abgases;
    • - Effizienz der Stickoxid-Reduktion;
    • - Geschätzte Beigabemenge (Qi') an Reduktionsmittel;
    • - Druck im Ansaugkrümmer;
  • Die Korrekturwert-Anpassung (27) bzw. die Auswahl eines Gewichtungsschlüssels (SW) kann weiter alternativ oder zusätzlich in Abhängigkeit von der Ursache einer festgestellten Effizienz-Abweichung (dEff) erfolgen. Die Ursache der Effizienz-Abweichung (dEff) kann auf beliebige Weise ermittelt werden. Sie kann zumindest feststellen, ob ein Reduktionsmittel-Mangel oder ein Reduktionsmittel-Überschuss vorliegt, d.h. ob der SCR-Katalysator überfüllt oder leergelaufen ist. Ein Reduktionsmittel-Mangel kann beispielsweise dadurch ermittelt werden, dass ein Stickoxid-Durchbruch festgestellt wird. Ein Reduktionsmittel-Überschuss kann ermittelt werden, wenn ein Reduktionsmittel-Durchbruch festgestellt wird. Dies wird nachfolgend anhand verschiedener Beispiele erläutert. Darüber hinaus können jedoch weitere Ursachen einer festgestellten Effizienz-Abweichung (dEff) vorliegen, die auf andere Weise feststellbar sind. Bspw. kann eine Verminderung des Wirkungsgrads des SCR-Katalysators (16) festgestellt werden, wenn über mehrere Durchgänge des Lernvorgangs hinweg mit einer Anpassung der Korrekturwerte (W1, W2) bzw. des geschätzten Reduktionsmittel-Gehalts (cRed') und der geschätzten Beigabemenge (Qi') zwar hohe Zeitverzüge zwischen dem Erkennen eines Reduktionsmittel-Überschusses oder eines Reduktionsmittel-Mangels erfasst werden, aber dennoch große Effizienz-Abweichung der Stickoxid-Reduktion (dEff) gegenüber dem Soll-Wert (rEff*) vorliegen. Ein weiterer Hinweis auf eine Verminderung des Wirkungsgrads des SCR-Katalysators (16) kann sein, dass in einem Verfahren zu Ermittlung der Ursache einer Effizienz-Abweichung festgestellt wird, dass trotz der Vorgabe eines konservativen Beigabe-Schemas eine Reaktion des Mess-Signals des Nachlauf-Stickoxid-Sensors (41) festgestellt wird, die zu einem aggressiven Beigabe-Schema passen würde, bspw. weil ein Trend zur schleichenden Überfüllung des SCR-Katalysators (16) ermittelt wird.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des Verfahrens zur Ermittlung der Ursache einer Effizienz-Abweichung (dEFF) der Stickoxid-Reduktion gemäß dem zweiten Hauptaspekt der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf 2 bis 15 erläutert. Zunächst werden mit Bezugnahme auf 3, 4A und 4B Vorgänge in einem SCR-Katalysator unter Soll-Bedingungen erläutert.
  • 3 zeigt eine vereinfachte Phasendarstellung der Vorgänge im SCR-Katalysator, wenn die Stickoxid-Reduktion und die Reduktionsmittel-Beigabe unter Soll-Bedingungen arbeiten. Ausgehend von diesem Zustand werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die 4 bis 13 abweichende Zustände und deren Auswirkungen auf den Messwert (cPost) des Nachlauf-Stickoxidsensors (41) beschrieben. Die Figuren verwenden dabei eine einheitliche Darstellung, die Phasendiagramme und Reaktionsdiagramme umfasst. Ein Phasendiagramm ist stets durch die jeweilige Phasenzahl (P0, P1, P2, P3) gekennzeichnet, durch die die Reihenfolge der Phasen (aber nicht deren Dauer) festgelegt ist. Die Phasendiagramme und Reaktionsdiagramme umfassen Summendarstellungen für Vorgänge, die in einem nicht bekannten Zeitbezug nach und nach stattfinden. In den Figuren sind die Vorgänge als eine fortschreitende Abfolge dargestellt und auf Phasen und nachfolgende Reaktionen verteilt, um das Verständnis zu vereinfachen. Auch wenn die Darstellung der Diagramme in den 3 bis 13 hintereinander angeordnet sind, bedeutet dies nicht, dass die Vorgänge auch in der Realität in dieser Ordnung stattfinden.
  • Auf der linken Seite von 3 ist eine Ausgangs-Phase (P0) gezeigt, in der durch einen Vorlauf-Stickoxidsensor (40) ein Vorlauf-Stickoxid-Gehalt (cPre) erfasst wird. In dem SCR-Katalysator (16) ist eine bestimmte Menge an Reduktionsmittel als momentaner Reduktionsmittel-Gehalt (cRed) enthalten. Ferner wird durch den Injektor (15) in jeder Phase (P0, P1) eine tatsächliche Menge an Reduktionsmittel (Qi) beigegeben und durch den Nachlauf-Stickoxidsensor (41) wird in jeder Phase (P0, P1) ein momentaner Nachlauf-Stickoxid-Gehalt (cPost) als ein Messwert ermittelt. Der Nachlauf-Stickoxidsensor weist eine Kreuzsensitivität für unreagierte Stickoxide sowie unreagiertes Reduktionsmittel auf. Aus Gründen der vereinfachten Darstellung wird nachfolgend nicht zwischen dem tatsächlichen Nachlauf-Stickoxid-Gehalt und dem vom Nachlauf-Stickoxidsensor (41) ermittelten Wert unterschieden. Aus dem Messwert (cPost) allein ist für die Steuerung ohnehin nicht erkennbar, ob der Nachlauf-Stickoxidsensor (41) nur auf Stickoxide, nur auf unreagiertes Reduktionsmittel oder auf beides reagiert hat.
  • In den 3 bis 13 sind Kästchen und Kreise in unterschiedlichen Anzahlen gezeigt, um die verschiedenen Mengeneinheiten an Stickoxiden und Reduktionsmittel zu illustrieren, die in dem SCR-Katalysator in der jeweiligen Phase an einer bestimmten Stelle vorliegen sowie die Änderung dieser Mengen infolge der jeweiligen Maßnahmen. Eine Mengeneinheit an Stickoxiden ist jeweils durch ein quadratisches Kästchen dargestellt. Eine Mengeneinheit an Reduktionsmittel ist jeweils durch einen Kreis dargestellt. Die Anzahl der Mengeneinheiten dient zur Verdeutlichung der ungefähren Mengenänderungen, die eintreten können. In der Praxis können abweichende Mengen und Proportionen auftreten.
  • In dem mittleren Diagramm von 3 sind Reaktionen gezeigt, die bedingt durch die Maßnahmen in der Phase (P0) eintreten. In der Realität finden die Reaktionen nach und nach und bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten bzw. Dynamiken statt. Das Reaktionsdiagramm zeigt eine Zusammenfassung der Reaktionen als Summendarstellung.
  • In der rechten Darstellung ist ein Zustand in einer folgenden Phase (P1) gezeigt. Der gezeigte Zustand folgt einerseits aus der Reaktion im SCR-Katalysator auf die Maßnahmen in der Phase (P0). Andererseits erfolgt in der Phase eine erneute momentane Messung des Vorlauf-Stickoxid-Gehalts (cPre) sowie eine erneute Beigabemenge (Qi) an Reduktionsmittel, die im Wesentlichen unabhängig von den Vorgängen in der Phase (P0) sind. Die in dem Reaktionsdiagramm gezeigten Vorgänge der Adsorption, Reaktion (chemischen Umsetzung) und Desorption sowie die dadurch bedingte Änderung des Reduktionsmittel-Gehalts (cRed) im SCR-Katalysator finden bei einer nicht vorhersagbaren Dynamik statt. Somit können die Reaktionen auf die Maßnahmen in der Ausgangs-Phase (P0) bereits zu Beginn der Phase (P1) abgeschlossen sein. Es ist aber ebenso möglich, dass ein Teil der gezeigten Vorgänge erst nach der Phase (P1) stattfinden wird (zur Vereinfachung nicht dargestellt). Die dargestellten Vorgänge zeigen somit lediglich qualitative Abläufe, ohne einen konkreten zeitlichen Bezug festzulegen. Sie helfen dennoch, die Vorgänge im SCR-Katalysator zu verstehen, auf deren Basis die Ermittlung der Ursache einer Effizienz-Abweichung stattfinden kann.
  • Der (tatsächliche) Reduktionsmittel-Gehalt (cRed) liegt unter Soll-Bedingungen gemäß Phase (P0) in 3 auf dem Soll-Wert (cRed*). Die tatsächliche Beigabemenge (Qi) entspricht dem Soll-Wert (Qi*), d.h. der nominalen Beigabemenge (Qn). Es wird vorliegend angenommen, dass die nominale Beigabemenge (Qn) gemäß dem konservativen Beigabeschema der geschätzten Reaktionsmenge (Qr') entspricht. Ferner wird angenommen, dass infolge eines korrekt arbeitenden Simulationsmodells die geschätzte Reaktionsmenge (Qr') der tatsächlichen Reaktionsmenge (Qr) entspricht.
  • Das Reaktionsdiagramm von 3 umfasst im oberen Bereich eine Darstellung der zugeführten Menge an Stickoxiden, d.h. diejenige Menge, die in der vorhergehenden Phase (P0) durch den Vorlauf-Stickoxidsensor erfasst worden ist. Darunter ist die zugeführte Menge an Reduktionsmittel (Qi) als Block dargestellt, d.h. diejenige Menge, die in der vorhergehenden Phase (P0) durch den Injektor (15) beigegeben worden ist. Im unteren Bereich des Reaktionsdiagramms ist die gespeicherte Menge an Reduktionsmittel im SCR-Katalysator dargestellt. Schwarz gefüllte Kästchen im Reaktionsdiagramm kennzeichnen reagierte Stickoxide (NR), d.h. die Menge an Stickoxiden, die durch chemische Reaktion mit dem Reduktionsmittel reduziert wird. Schwarz gefüllte Kreise kennzeichnen die tatsächlich durch Reaktion umgewandelte Menge an Reduktionsmittel (Qr). Ungefüllte Kästchen im Reaktionsdiagramm kennzeichnen die nicht reagierten Stickoxide, die entsprechend in der folgenden Phase (P1) zu einem Stickoxid-Durchbruch führen.
  • In dem Beispiel von 3 wird die Menge (Qi) an Reduktionsmittel, die in der Phase (P0) beigegeben wird, in dem mittleren Reaktionsdiagramm vollständig an der katalytischen Wandung adsorbiert. Somit ist die tatsächliche Adsorptionsmenge (Qad) gleich der tatsächlichen beigegebenen Menge (Qi). Ferner wird im Übergang von der Phase (P0) zur Phase (P1) genau so viel Reduktionsmittel (Qad) adsorbiert, wie in der Summenbetrachtung durch Reaktion (Qr) aus dem SCR-Katalysator entnommen wird. Aus diesem Grund ist der Reduktionsmittel-Gehalt (cRed) in den Phasen (P0) und (P1) gleich.
  • Die Effizienz der Stickoxid-Reduktion beträgt in dem Beispiel zur vereinfachten Darstellung 80%, d.h. von den in der Phase (P0) zugeführten zehn Mengeneinheiten an Stickoxid werden acht Mengeneinheiten reagiert (NR) und zwei Mengeneinheit (NS) werden in der Phase (P1) als Nachlauf-Stickoxid-Gehalt (cPost) erfasst.
  • Im Weiteren wird rein exemplarisch davon ausgegangen, dass der Wirkungsgrad von 80% der Soll-Wirkungsgrad des SCR-Katalysators ist und in den gezeigten Darstellungen jeweils den Soll-Wert (rEff*) für die Stickoxid-Reduktion angibt. In der Praxis können andere Werte vorkommen.
  • Wie aus der Darstellung in 3 hervorgeht, kann bei Fortbestehen eines stationären Zustands mit im Wesentlichen kontinuierlicher Zuführung von zehn Mengeneinheiten an Stickoxiden und Beigabe von acht Mengeneinheiten an Reduktionsmittel immer wieder dasselbe stabile Ergebnis erreicht werden.
  • 4A und 4B zeigen mögliche Reaktionen auf einen positiven und einen negativen Injektionspuls, wenn dieser an einem SCR-Katalysator (16) unter Soll-Bedingungen ausgeführt wird. Es wird weiterhin angenommen, dass der Reduktionsmittel-Gehalt (cRed) in der Phase (P0) dem Soll-Wert (cRed*) entspricht. Ferner wird angenommen, dass nach dem konservativen Beigabe-Schema die nominale Einspritzmenge (Qn) grundsätzlich der geschätzten Reaktionsmenge (Qr') entspricht, die wiederum unter der Annahme des Vorliegens von Soll-Bedingungen mit der tatsächlichen Reaktionsmenge (Qr) übereinstimmt.
  • In dem Beispiel von 4A wird ein positiver Injektionspuls (I+) zu Testzwecken ausgeführt. Bei dem positiven Injektionspuls (I+) ist die Einspritzmenge (Qi) in der Phase (P0) um ein erhebliches Maß (dQ) größer als die nominale Einspritzmenge (Qn). Zur vereinfachten Darstellung wird vorliegend keine Unterscheidung zwischen geschätzten und tatsächlichen Werten der Beigabemenge getroffen.
  • Wie in dem nachfolgenden Reaktionsdiagramm dargestellt, werden die zugeführten zehn Mengeneinheiten an Stickoxiden zum gleichen Anteil reagiert (NR) wie in der Darstellung nach 3, obwohl mehr Reduktionsmittel im SCR-Katalysator vorliegt, als im Zustand nach 3. Der Grund dafür ist, dass die Reduktions-Reaktion im SCR-Katalysator in erster Linie von der gespeicherten Menge an Reduktionsmittel (cRed) abhängt und nur mittelbar durch die beigegebene Menge (Qi) beeinflusst wird. Dementsprechend bleiben bei dem Beispiel von 4A in der Phase (P1) ebenfalls zwei nicht reagierte Mengeneinheiten (NS) an Stickoxid als Nachlauf-Stickoxid-Gehalt (cPost) übrig. Da der Reduktionsmittel-Gehalt (cRed) den Soll-Wert (cRed*) entspricht und damit geringer ist als die maximale Speicherkapazität (cMax), kann der Überschuss (dQ) an beigegebenem Reduktionsmittel (hier sechs Mengeneinheiten) vollständig im SCR-Katalysator (16) adsorbiert werden (Qad=Qi). Im Ergebnis führt der positive Injektionspuls (I+) in der Phase (P1) nicht zu einer erkennbaren Änderung der Effizienz der Stickoxid-Reduktion. Der Messwert (cPost) des Nachlauf-Stickoxidsensors (41) bleibt also im Wesentlichen unverändert. Dies verdeutlicht die Pufferwirkung, die durch den Speichereffekt im SCR-Katalysator bewirkt wird.
  • 4B zeigt analog einen negativen Injektionspuls (I-), der unter denselben Ausgangsbedingungen ausgeführt wird. Hier ist also in der Phase (P0) die beigegebene Menge (Qi) an Reduktionsmittel um ein bestimmtes Maß (dQ) geringer als die nominale Beigabemenge (Qn). Wie an dem Reaktionsdiagramm ersichtlich ist, kann auch hier die beigegebene Menge (Qi) an Reduktionsmittel vollständig adsorbiert werden (Qad=Qi) und die Reduktions-Reaktion erfolgt bei der erwarteten (maximalen) Effizienz, sodass sich der Messwert (cPost) des Nachlauf-Stickoxidsensors (41) nicht ändert.
  • Aus den Darstellungen von 3, 4A und 4B lässt sich eine erste Entscheidungsregel ableiten, die wie folgt zusammengefasst werden kann: Wenn auf einen positiven oder negativen Injektionspuls (I+,I-) in einem stationären Zustand keine wesentliche Änderung des Nachlauf-Stickoxid-Gehalts (cPost) feststellbar ist, indiziert dies, dass der tatsächliche Reduktionsmittel-Gehalt (cRed) nicht unzulässig von dem Soll-Wert (cRed*) abweicht. Wenn dennoch eine Effizienz-Abweichung (dEff) der Stickoxid-Reduktion festgestellt wird, könnten hierfür andere Ursachen als ein Reduktionsmittel-Überschuss oder ein Reduktionsmittel-Mangel in Frage kommen, insbesondere eine Sensor-Drift des Vorlauf-Stickoxid-Sensors oder des Nachlauf-Stickoxid-Sensors oder eine generelle Minderung des Wirkungsgrads des SCR-Katalysators. Diese Erkenntnis lässt sich für sich allein oder in Kombination mit den Ergebnissen anderer Durchgänge des Prüfverfahrens nutzen, um eine geeignete Änderung am Simulationsmodell vorzunehmen.
  • Wie oben bereits dargelegt wurde, sind die Kinetik der Vorgänge im SCR-Katalysator und die daraus folgende Dynamik der Änderung des Messwerts (cPost) des Nachlauf-Stickoxidsensors (41) nicht hinreichend konstant oder vorhersagbar. Aus diesem Grund ist es in der Regel nicht möglich, eine klare Trennung zwischen den Phasen (P0, P1) und den dazwischen erfolgenden Reaktionen zu treffen. So ist es beispielsweise möglich, dass die Adsorption (Qad) des beigegebenen Reduktionsmittels sehr schnell erfolgt. In diesem Fall kommt es zu einer prompten und leicht erfassbaren Änderung des Messwerts (cPost) des Nachlauf-Stickoxidsensors (41). In einem solchen Fall können die aus dem Stand der Technik bekannten Interpretationen angewendet werden, die in 2 als einfache Entscheidungsregeln (42) dargestellt sind. Diese können wie folgt zusammengefasst werden:
  • Wenn auf einen positiven Injektionspuls (I+) eine (eindeutige) negative Änderung des Messwerts (cPost) des Nachlauf-Stickoxidsensors (41) folgt, kann auf einen Reduktionsmittel-Mangel (cRed--) geschlossen werden. Ist hingegen eine (eindeutige) positive Änderung des Messwerts (cPost) feststellbar, kann auf einen Reduktionsmittel-Überschuss (cRed++) geschlossen werden.
  • Bei einem negativen Injektionspuls (I-) ist die Interpretation genau umgekehrt. Wird eine (eindeutige) negative Messwertänderung festgestellt, kann auf einen Reduktionsmittel-Überschuss (cRed++) geschlossen werden, während eine (eindeutige) positive Messwertänderung auf einen Reduktionsmittel-Mangel (cRed--) schließen lässt.
  • Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 5 bis 12 weitere Vorgänge im SCR-Katalysator erläutert, die bei einem Reduktionsmittel-Mangel oder einem Reduktionsmittel-Überschuss auftreten können, jedoch nicht den einfachen Entscheidungsregeln nach 2 bzw. dem Stand der Technik genügen.
  • Die 5 bis 8 gehen jeweils in der Phase (P0) von einem Reduktionsmittel-Mangel (cRed--) aus und zeigen mögliche Reaktionen auf einen negativen Reaktionspuls (I-) und einen positiven Reaktionspuls (I+) mit nachfolgender Beigabe von Reaktionsmittel (Qi) nach einem konservativen Beigabe-Schema (Qn=Qr) (5 und 7) sowie nach einem aggressiven Beigabe-Schema (Qn=Qs) (6 und 8).
  • Gezeigt sind jeweils in Analogie zu den Darstellungen von 3, 4A und 4B eine Ausgangssituation in der Ausgangs-Phase (P0) mit nachfolgendem Reaktionsdiagramm und anschließendem Zustand in der Phase (P1). Darüber hinaus sind Folgeänderungen in jeweils einem weiteren Reaktionsdiagramm und einer weiteren Phase (P2), (P3) mit den jeweiligen Auswirkungen auf den Messwert (cPost) des Nachlauf-Stickoxidsensors (41) dargestellt.
  • Links unten in den Figuren ist jeweils zur besseren Übersicht dargestellt, ob ein positiver oder negativer Injektionspuls (I+, I-) vorliegt. Weiterhin sind in dem unteren Balkendiagramm die absoluten Messwerte (cPost) des Nachlauf-Stickoxidsensors (41) in den Phasen (P0) bis (P3) gezeigt. In dem darüber liegenden Balkendiagramm sind die relativen Änderungen (dC) des Messwerts (cPost) gegenüber dem Vor-Puls Wert (cAvg) gezeigt. Der Vor-Puls Wert ist hier jeweils der Messwert (cPost) des Nachlauf-Stickoxidsensors (41) in der Phase (P0).
  • 5 zeigt eine Ausgangssituation in der Phase (P0) mit Reduktionsmittel-Mangel (cRed--). Es wird ein negativer Injektionspuls (I-) ausgeführt. Im Reaktionsdiagramm zwischen den Phasen (P0) und (P1) kann wegen der unzureichenden Menge an gespeichertem Reduktionsmittel nur eine geringe Menge an Stickoxiden (NR) reagiert werden. Ein erheblicher Anteil (NS) der Stickoxide wird nicht reagiert und tritt aus dem SCR-Katalysator aus. Es ist entsprechend ein deutlich erhöhter Messwert (cPost) in der Phase (P1) erfassbar.
  • In der Phase (P1) wird wieder die nominale Beigabemenge (Qn) an Reduktionsmittel durch den Injektor (15) eingespritzt. Der Reduktionsmittel-Gehalt (cRed) ist infolge der geringen Beigabemenge (Qi = Qn-dQ) in der Phase (P0) noch weiter gesunken, d.h. der Reduktionsmittel-Mangel hat sich noch verstärkt. Dementsprechend wird in der nachfolgenden Phase (P2) ein noch höherer Messwert (cPost) des Nachlauf-Stickoxidsensors festgestellt. Allerdings führt die in der Phase (P1) wieder erhöhte Beigabemenge (Qi = Qn = Qr) an Reduktionsmittel auch zu einer relativen Erholung des Reduktionsmittel-Gehalts (cRed) im SCR-Katalysator. Dementsprechend wird bis zur nachfolgenden Phase (P3) bereits eine höhere Menge an Stickoxiden (NR) reagiert, und der Messwert (cPost) des Nachlauf-Stickoxidsensors (41) fällt in der Phase (P3) wieder ab, allerdings auf einen Wert, der höher als unter Soll-Bedingungen gemäß 2 zu erwarten ist. Auch der Reduktionsmittel-Gehalt (cRed) kann sich von der Phase (P2) zur Phase (P3) noch etwas erholt haben.
  • 6 zeigt zu 5 analoge Vorgänge unter der Annahme eines aggressiven Beigabe-Schemas, d.h., dass die nominale Beigabemenge hier der stöchiometrischen Gleichgewichtsmenge (Qn = Qs) entspricht.
  • Ein Vergleich der 5 und 6 zeigt, dass die Ergebnisse im Wesentlichen identisch zur 5 sind. Es kann lediglich eine etwas schnellere Erholung des Reduktionsmittel-Gehatls (cRed) im SCR-Katalysator stattfinden, die sich allerdings in dem gezeigten Beispiel nicht in einer Änderung der Messwerte (cPost) des Nachlauf-Stickoxidsensors (41) niederschlägt.
  • 7 zeigt Vorgänge in Reaktion auf einen positiven Injektionspuls (I+) unter der Annahme eines konservativen Beigabe-Schemas (Qn = Qr). Die Ausgangssituation in der Phase (P0) entspricht den Darstellungen in 5 und 6.
  • In der Phase (P0) wird zwar eine erhöhte Menge an Reduktionsmittel (Qi = Qn + dQ) beigegeben. Diese führt jedoch wegen der zeitverzögerten Adsorption noch nicht zu einer Verbesserung der Stickoxid-Reduktion. Dementsprechend ist in der Phase (P1) zunächst ein erhöhter Messwert (cPost) des Nachlauf-Stickoxidsensors (41) festzustellen. Allerdings führt die erhöhte Beigabemenge (Qi = Qn + dQ) im weiteren Verlauf zu einer deutlich schnelleren Erholung des Reduktionsmittel-Gehalts (cRed) im SCR-Katalysator. Dementsprechend kann im Übergang zur Phase (P2) bereits ein erheblich größerer Anteil (NR) der Stickoxide umgewandelt werden, sodass in der Phase (P2) der Messwert (cPost) des Nachlauf-Stickoxidsensors (41) erheblich sinkt. Es ist jedoch weiterhin ein Reduktionsmittel-Mangel vorhanden, sodass in der Phase (P3) noch immer der im Wesentlichen selbe Messwert (cPost) vorliegt.
  • 8 zeigt das zu 7 analoge Szenario unter der Annahme einer aggressiven Reduktionsmittel-Beigabe (Qn = Qs). Hier findet eine noch schnellere und etwas stärkere Erholung des Reduktionsmittel-Gehalts (cRed) statt, sodass in der Phase (P3) im Vergleich zu 7 ein noch geringerer Messwert (cPost) des Nachlauf-Stickoxidsensors (41) erreicht wird. Ansonsten sind die Vorgänge im Wesentlichen identisch.
  • 9 zeigt in der Phase (P0) eine Ausgangssituation mit Reduktionsmittel-Überschuss (cRed++). Es wird ein negativer Injektionspuls (I-, Qi = Qn - dQ) ausgeführt, woraufhin nachfolgend eine nominale Menge (Qn = Qr') nach dem konservativen Beigabe-Schema beigegeben wird.
  • Da der SCR-Katalysator in der Phase (P0) gut gefüllt ist, kann die Reduktion von Stickoxiden im ersten Reaktionsdiagramm bei der maximalen Effizienz erfolgen. Somit werden in Analogie zu den Vorgängen in 2 acht Mengeneinheiten Stickoxid (NR) reagiert, wobei auch die Reaktionsmenge (Qr) des gespeicherten Reduktionsmittels acht Mengeneinheiten beträgt. Allerdings stehen nur die zwei gemäß dem negativen Induktionspuls beigegebenen Mengeneinheiten an Reduktionsmittel zur Adsorption bereit. Somit wird mehr Reduktionsmittel im Übergang von Phase (P0) zur Phase (P1) im SCR-Katalyator abgebaut, als durch Adsorption wieder aufgenommen wird. Hierdurch wird der Reduktionsmittel-Überschuss reduziert. In der Phase (P1) beträgt der Messwert (cPost) des Nachlauf-Stickoxidsensors (41) zwei Mengeneinheiten. In der vorhergehenden Phase (P0) hatte er noch vier Mengeneinheiten getragen, weil dort infolge des Reduktionsmittel-Überschusses auch ein Reduktionsmittel-Durchbruch erfasst worden ist.
  • Im Übergang zu den weiteren Phasen (P2, P3) wird infolge der konservativen Reduktionsmittel-Beigabe im Wesentlichen der Reduktionsmittel-Gehalt (cRed) auf einem konstanten Niveau gehalten, der geringer ist als in der Ausgangs-Phase (P0). Der Messwert (cPost) verbleibt somit auf dem niedrigen Niveau.
  • In dem Beispiel von 10 findet ausgehend von einem Reduktionsmittel-Überschuss (cRed++) ein negativer Injektionspuls (I-) statt, wobei allerdings ein aggressives Beigabe-Schema (Qn=Qs) angewendet wird.
  • Durch den negativen Injektionspuls (I-) wird zunächst in der Phase (P1) in Analogie zum vorherigen Beispiel der Reduktionsmittel-Überschuss abgebaut, weil die Reaktionsmenge (Qr) größer ist als die beigegebene und damit absorbierbare Menge (Qad=Qi). Der Reduktionsmittel-Gehalt (cRed) verbleibt jedoch auf einem erhöhten Niveau, weshalb durch die weitere aggressive Beigabe bis zur Phase (P3) erneut ein solcher Reduktionsmittel-Überschuss entsteht, dass eine Mengeneinheit (Qde) der in Phase (P2) beigegebenen Menge (Qi) nicht mehr adsorbiert werden kann und in der Phase (P3) als Reduktionsmittel-Durchbruch den Messwert (cPost) wieder erhöht. Somit liegt ein tendenziell höherer Messwert (cPost) des Nachlauf-Stickoxidsensors (41) vor, als im Beispiel von 9. 11 zeigt erneut ein Beispiel ausgehend von einem Reduktionsmittel-Überschuss in der Phase (P0). Hier wird ein positiver Injektionspuls (I+) bei einem konservativen Beigabe-Schema (Qn=Qr') ausgeführt.
  • Aufgrund der Überfüllung des SCR-Katalysators kann ein erheblicher Teil (Qde > 0) der in der Phase (P0) beigegebenen Menge (Qi) nicht adsorbiert (Qad < Qi) werden und verlässt in einem Reduktionsmittel-Durchbruch den SCR-Katalysator. Dementsprechend kommt es in der Phase (P1) zu einem Anstieg des Messwerts (cPost). Durch die nachfolgende konservative Beigabe (Qi=Qn) wird auch in den folgenden Phasen (P2, 3) ein Reduktionsmittel-Durchbruch auftreten, der entweder auf einer unvollständigen Adsorption (der beigegebenen Menge (Qad<Qi) oder auf einem erneuten Ablösen bzw. Desorbieren einer bereits eingespeicherten Mengeneinheit des Reduktionsmittels beruht. Dementsprechend wird auch in den Phasen (P2, P3) ein erhöhter Messwert (cPost) festgestellt.
  • 12 zeigt ebenfalls einen Reduktionsmittel-Überschuss (cRed++) im Ausgangs-Zustand (P0) und einen positiven Injektionspuls (I+). In den folgenden Phasen (P1-P3) wird allerdings ein aggressives Beigabe-Schema (Qn=Qs) angewendet. Die Folge ist qualitativ ähnlich zu dem vorherigen Beispiel von 11. Allerdings wird im Beispiel von 12 in den Phasen (P2, P3) ein noch stärker erhöhter Messwert (cPost) festgestellt, der auf der relativ höheren Beigabemenge (Qs > Qr) basiert. Denn der in der Phase (P1) bereits deutlich überfüllte SCR-Katalysator kann die leicht überdimensionierte Beigabemenge (Qi=Qs) nicht mehr aufnehmen, sodass die Desorptionsmenge (Qde) noch weiter steigt.
  • 13 zeigt einen Sonderfall der möglichen Vorgänge im SCR-Katalysator, der bei Anwendung eines konservativen Beigabe-Schemas festgestellt wurde. In der Phase (P0) liegt ein Ausgangszustand vor, bei dem der Reduktionsmittel-Gehalt (cRed) im SCR-Katalysator zwar deutlich über dem als gestrichelte Linie dargestellten Soll-Wert (cRed*) liegt. Allerdings ist der SCR-Katalysator noch nicht überfüllt. Dieser Zustand kann als mäßiger Reduktionsmittel-Überschuss aufgefasst werden.
  • Bei der Verwendung eines konservativen Schemas für die Festlegung des Soll-Werts (cRed*) für den Reduktionsmittel-Gehalt (cRed) im SCR-Katalysator kann ein Zustand eintreten, in dem der Soll-Wert für die Effizienz der Stickoxid-Reduktion (rEff*) unter dem maximalen Wirkungsgrad liegt. In der Phase (P0) wird ein positiver Injektionspuls (I+) ausgeführt. Erstaunlicherweise findet gemäß dem Reaktionsdiagramm im Übergang von Phase (P0) zur Phase (P1) schon sehr früh eine erhöhte Reduktion von Stickoxiden statt, deren Ursache bisher ungeklärt ist (etwaig lokaler Reduktionsmittel-Mangel und schnelle Adsorption, die Umwandlungs-Effizienz erhöht). Im Vergleich zu dem Beispiel von 11 und 12 erhöht sich also die Anzahl (NR) der reagierten Mengeneinheiten an Stickoxid. Dementsprechend werden durch den Nachlauf-Stickoxidsensor (41) in der Phase (P1) weniger Stickoxide festgestellt als in der Phase (P0), sodass der Messwert (cPost) sinkt. Ferner wird etwaig ein Teil der in der Phase (P0) beigegebenen Menge (Qi) nicht adsorbiert (Qad < Qi), sondern bewirkt einen Reduktionsmittel-Durchbruch (Qde) (lokaler Reduktionsmittel-Überschuss), der zu einer Erhöhung des Messwerts (cPost) führt. In den Phasen (P1, P2) wird gemäß dem konservativen Beigabe-Schema die nominale Beigabemenge (Qn=Qr') eingespritzt, die ebenfalls wegen dem andauernden Reduktionsmittel-Überschusses zu einem Reduktionsmittel-Durchbruch führen kann, der in den Phasen (P2, P3) zu einer Erhöhung des Messwerts (cPost) führt.
  • Die dargestellte Änderung (dC) des Messwerts (cPost) in 13 kann noch ausgeprägter sein. Infolge der nicht vorhersehbaren Kinetik der Vorgänge kann es vorkommen, dass ausgehend von dem Zustand in der Phase (P0) bei der Ausführung des positiven Injektionspulses (I+) zunächst ein sehr markanter Abfall des Messergebnisses (cPost) stattfindet, während nachfolgend ein noch höherer Reduktionsmittel-Durchbruch stattfindet. Dies könnte etwaig auf eine nur zeitweise Einspeicherung der in der Phase (P0) zu viel eingespritzten Mengenanteile an Reduktionsmittel zurückzuführen sein, zunächst eine übermäßige Adsorption stattfindet, die nachfolgend durch eine schleichende Desorption ausgeglichen wird.
  • Ein Vergleich der möglichen Änderungen (dC) des Messwerts (cPost) in den 5 bis 13, die tatsächlich bei einem Reduktionsmittel-Mangel oder einem Reduktionsmittel-Überschuss bzw. mäßigen Reduktionsmittel-Überschuss auftreten können, mit den Entscheidungsregeln aus 2 verdeutlich das oben genannte Risiko von Fehlinterpretationen. Eine erste Reaktion des Mess-Signals (cPost) kann (bspw. infolge von Speichereffekten im SCR-Katalysator) zu einer Interpretation führen, die dem tatsächlichen Zustand entgegengesetzt ist.
  • 14 zeigt die relativen Änderungen des Messwerts (cPost) für die in den 5 bis 13 dargestellten Fälle als mögliche Reaktionen auf einen negativen Injektionspuls (I-) sowie einen positiven Injektionspuls (I+) unter Anwendung eines konservativen Beigabe-Schemas (Qn=Qr') oder eines aggressiven Beigabe-Schemas (Qn=Qs).
  • Zusätzlich sind Teilantworten als sukzessive Erhöhungen des Messwertes (cPost) dargestellt, die nachfolgend im Detail erläutert werden.
  • 15 zeigt beispielhafte Verläufe eines Vorlauf-Stickoxidgehalts (cPre), einer Beigabemenge (Qi), eines Messwerts (cPost) des Nachlauf-Stickoxidsensors (41) sowie eine Antwort-Charakteristik (R).
  • In dem Beispiel von 15 liegt ein stationärer Zustand vor. Der Vorlauf-Stickoxidgehalt (cPre) liegt während des stationären Zustands innerhalb eines Toleranzbandes (T). Wenn der Vorlauf-Stickoxid-Gehalt (cPre) das Toleranzband (T) verlassen würde, könnte dies als Ende des stationären Zustands erfasst werden.
  • Wie an dem Verlauf der Beigabemenge (Qi) zu erkennen ist, wird ein positiver Injektionspuls (I+) als erster Injektionspuls (I1) ausgeführt. Der positive Injektionspuls (I+) kann durch eine einzige erhöhte Beigabe oder durch eine zusammenhängende Gruppe von Injektionen mit erhöhter Injektionsrate ausgeführt werden. Ein Vor-Puls Wert (cAvg) des Nachlauf-Stickoxidgehalts (cPost) wird erfasst, der einen Messwert des Nachlauf-Stickoxidsensors (41) vor oder zu Beginn der Ausführung des ersten Injektionspulses (I1) wiedergibt. Bevorzugt kann der Vor-Puls Wert (cAvg) ein Mittelwert sein, der in einem Zeitfenster vor der Ausführung des Injektionspulses (I1) erfasst wird. Dieses Zeitfenster ist in 15 als Mittelwertbildungszone (Zavg) markiert.
  • Das Mess-Signal (cPost) des Nachlauf-Stickoxidsensors (41) wird in einem (in der Dauer unbestimmten) Zeitabschnitt nach dem Injektionspuls oder ab dem Beginn des Injektionspulses (I+) und vor einem etwaigen weiteren Injektionspuls (I2) mit mehreren separaten Teilantworten (R1-R13) bewertet. Die Teilantworten können nach einem beliebigen Bewertungsschema gesetzt werden, um eine sukzessive relative Änderung des Messwerts (cPost) zu erfassen. Gemäß einer bevorzugten Ausführung wird eine erste Teilantwort (R1) gesetzt, wenn das Mess-Signal (cPost) gegenüber dem Vor-Puls Wert (cAvg) um ein bestimmtes Maß ansteigt oder abfällt. Jeweils eine weitere Teilantwort (R2-R13) wird gesetzt, wenn das Mess-Signal (cPost) gegenüber dem Wert des Mess-Signals (cPost) zum Ende der vorherigen Teilantwort (R1) um ein bestimmtes Maß, insbesondere dasselbe Maß, ansteigt oder abfällt.
  • In dem Beispiel von 15 werden bei jeder sukzessiven fallenden Änderung des Mess-Signals (cPost) eine negative Teilantwort (R1-R5) und bei jeder sukzessiven positiven Änderung des Mess-Signals (cPost) eine positive Teilantwort (R6-R13) gesetzt.
  • Nach demselben Bewertungsschema sind in den 5 bis 13 repräsentative Verläufe der Teilantworten für die dargestellten Vorgänge im SCR-Katalysator dargestellt. Die repräsentativen Verläufe der Teilantworten sind auch in den Entscheidungsmustern in 2 und 14 gezeigt.
  • Aus der Bewertung des Mess-Singals (cPost) mit Teilantworten kann eine leicht analysierbare qualitative Änderung des Mess-Signals (cPost) abgeleitet werden, die weitgehend unabhängig von der Dynamik der Änderung ist. Aus der Reihenfolge, der Verteilung und ggf. dem Verhältnis von negativen und positiven Teilantworten ist ein Muster erkennbar, das zur Ermittlung der Ursache der Effizienz-Abweichung auswertbar ist.
  • Bevorzugt werden die mehreren Teilantworten (R1-R13) mit Entscheidungsmustern (42) verglichen (vgl. 2 und 14), die repräsentative Verläufe von Teilantworten und/oder Änderungen (dC) des Mess-Signals (cPost) einer Ursache (Reduktionsmittel-Überschuss (cRed++), Reduktionsmittel-Mangel (cRed--) zuordnen. Aus dem Mustervergleich können auch bei Ausführung lediglich eines einzigen Injektionspulses (I1) oder weniger Injektionspulse (I1, I2) Interpretationen über die Ursache einer Effizienz-Abweichung über das Vorliegen eines Reduktionsmittel-Überschusses oder eines Reduktionsmittel-Mangels getroffen werden. Die Ergebnisse des Mustervergleichs sind in der Regel genauer und verlässlicher als diejenigen Ergebnisse, die mit bisher bekannten Analyseverfahren erzielt werden. Bspw. kann erfasstes Muster einem aggressiven Beigabe-Schema entsprechen, obwohl von der Steuerung ein konservatives Beigabe-Schema vorgesehen war. Dies kann darauf hindeuten, dass die Festlegung der nominalen Beigabemenge (Qn) fehlerhaft erfolgt, d.h. bei einem Wert, der über der Reaktionsmenge (Qr) liegt. Zur Kompensation kann eine Korrekturwertanpassung in der Vorsteuerung vorgenommen werden, ggfs. gepaart mit einer Änderung des geschätzten Reduktionsmittelgehalts (cRed') durch einen Offset-Wert.
  • Der Analysezeitraum für die Bewertung des Mess-Signals (cPost) nach bzw. ab Beginn eines Injektionspulses (I1) braucht nicht festgelegt und insbesondere nicht nach Zeitregeln in Phasen unterteilt zu werden. Es ist vielmehr möglich, eine Bewertung so lange auszuführen, bis entweder der stationäre Zustand endet, ein Mustervergleich wegen zu großer Abweichungen endgültig unmöglich wird, oder ein erneuter Injektionspuls (I2) ausgeführt wird. Der Bewertungszeitraum kann also variabel sein und beispielsweise bis zu 15s (Sekunden) oder 30s oder noch länger sein. Somit können selbst besonders träge Adsorptions- und Desorptionsvorgänge und damit besonders starke Speichereffekte des SCR-Katalysators mit ausgewertet werden.
  • Andererseits ist es möglich, bereits auf Basis einer oder mehrerer früherer Teilantworten (R1-R5) eine Vorabentscheidung (D1) über die Ursache zu treffen. Dies kann insbesondere dann erfolgen, wenn zunächst eine der einfachen Entscheidungsregeln gemäß 2 eine hohe Übereinstimmung zur Antwortcharakteristik (R) aufweist. Wenn der stationäre Zustand früh endet, kann die Vorabentscheidung als finale Entscheidung übernommen werden, was für eine erhebliche Anzahl der auftretenden Fälle eine korrekte Entscheidung sein kann.
  • Wenn der stationäre hingegen Zustand fortbesteht und weitere Teilantworten (R6-R13) nicht mehr mit dem Entscheidungsmuster übereinstimmen, das der Vorabentscheidung (D1) zugrunde lag, kann eine abweichende finale Entscheidung (D2) getroffen werden, wenn im Weiteren eine Übereinstimmung zu einem der anderen Entscheidungsmuster (42) erfasst wird. Dies ist beispielhaft in 15 dargestellt. In dem dortigen Beispiel weisen die ersten fünf Teilantworten (R1-R5) eine Übereinstimmung mit einem Entscheidungsmuster aus 2 auf. Ab der Teilantwort (R6) geht die Übereinstimmung verloren. Etwa ab der Teilantwort (R9/R10) wird eine neue Übereinstimmung mit einem Entscheidungsmuster aus 14 ermittelt, das zu den in 13 beschriebenen Vorgängen gehört. Dementsprechend wird die finale Entscheidung (D2) getroffen, dass die festgestellte Ursache in dem vorliegenden Beispiel ein moderater Reduktionsmittel-Überschuss (cRed>cRed*) ist.
  • Ein Entscheidungsmuster (42) kann also vorsehen, dass eine oder mehrere frühe Teilantworten (R1-R5) in einer ersten Richtung und eine oder mehrere späte Teilantworten (R6-R13) in der Gegenrichtung vorliegen. Gegebenenfalls können Verhältnisangaben für die jeweilige Anzahl der Teilantworten in der ersten Richtung und in der Gegenrichtung vorgesehen sein.
  • Darüber hinaus kann ein Entscheidungsmuster vorsehen, dass das Mess-Signal (cPost) im Bereich der mindestens einen späten Teilantwort (R6-R13), die in der Gegenrichtung zu den ein oder mehreren Teilantworten (R1-R5 vorliegt, um einen Grenzwert (K) von dem Vor-Puls Wert (cAvg) abweichen muss, wobei die Abweichung in der Richtung der späten Teilantwort vorliegen muss. Mit anderen Worten kann in manchen Fällen bei einem frühen Abfallen des Mess-Werts (cPost), das zu einer Übereinstimmung mit einem ersten Entscheidungsmuster führt, eine Abkehr zu einem anderen Entscheidungsmuster nur dann erfolgen, wenn im weiteren Verlauf ein so starkes Ansteigen des Messwerts (cPost) erfolgt, dass der Messwert (cPost) um einen festlegbaren Grenzwert (K) über das Niveau des Vor-Puls Werts (cAvg) hinaus ansteigt - und umgekehrt.
  • Gegebenenfalls können ein oder mehrere folgende Injektionspulse (I2, I3) ausgeführt werden, bevorzugt innerhalb desselben stationären Zustands, wobei die Test-Beigabemenge (Qi) bzw. die Richtung des folgenden Injektionspulses (I2= I- oder I2 = I+) sowie gegebenenfalls die Dauer des folgenden Injektionspulses (I2) in Abhängigkeit von dem Ergebnis des vorhergehenden Injektionspulses (I1) festgelegt werden. So kann bspw. kann nach einer ersten positiven Erkennung einer Ursache eine gezielte Gegenprobe oder eine gezielte Bestätigungsprobe ausgeführt werden. Infolge der zielgerichteten Vorgabe kann die Anzahl der insgesamt notwendigen Injektionspulse deutlich verringert werden, sodass das Risiko der Erzeugung eines Reduktionsmittel-Durchbruches durch das Testverfahren minimiert wird. Abwandlungen der Erfindung sind in verschiedener Weise möglich. Insbesondere können alle zu den Ausführungsbeispielen beschriebenen, gezeigten, beanspruchten oder in sonstiger Weise offenbarten Merkmale in beliebiger Weise miteinander kombiniert, gegeneinander ersetzt oder weggelassen werden.
  • Der Verbrennungsmotor kann bevorzugt ein Dieselmotor mit Direkteinspritzung sein.
  • Die Festlegung des Vorsteuerwerts (Qpre) kann auf beliebige Weise erfolgen. Sie kann bevorzugt in Abhängigkeit von einem Beigabe-Schema angepasst sein, insbesondere nach einem konservativen Beigabe-Schema. Dann wird der Vorsteuerwert (Qpre) so gewählt, dass er niedriger ist als die stöchiometrische Gleichgewichtsmenge. Mit anderen Worten wird bei einem konservativen Beigabe-Schema etwas weniger Reduktionsmittel auf Basis des Vorsteuerwerts (Qpre) beigegeben, als für die vollständige Reduktion der Stickoxidmenge erforderlich wäre, die gemäß dem Vorlauf-Stickoxid-Gehalt (cPre) momentan dem SCR-Katalysator (15) zugeführt wird. Bei einem konservativen Beigabe-Schema kann der Vorsteuerwert (Qpre) noch unter der geschätzten Reaktionsmenge (Qr') festgelegt sein.
  • Alternativ kann der Vorsteuerwert (Qpre) gemäß einem ausgeglichenen Beigabe-Schema 95% bis 100% der stöchiometrischen Gleichgewichtsmenge entsprechen, die gemäß dem momentanen Vorlauf-Stickoxid-Gehalt (cPre) ermittelt ist. Bei einem aggressiven Beigabe-Schema kann der Vorsteuerwert (Qpre) bei oder über der stöchiometrischen Gleichgewichtsmenge liegen, was ebenfalls erfordern kann, dass ein Ammonia slip Katalysator oder eine ähnliche Komponente stromabwärts zu dem SCR-Katalysator (16) angeordnet wird.
  • Das Beigabe-Schema kann in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors und/oder des Abgasnachbehandlungssystems angepasst sein. Beispielsweise kann bei Feststellung eines stationären Zustands ein konservatives Beigabe-Schema gewählt werden. Wenn ein instationärer Zustand in Richtung einer steigenden Last oder in Richtung erhöhter Verbrennungstemperaturen festgestellt wird, kann hingegen temporär ein ausgeglichenes oder aggressives Beigabe-Schema vorgesehen werden.
  • Bezugszeichenliste
  • 10 Abgasnachbehandlungssystem Exhaust gas after treatment system
    11 Vorlauf-Passage Upstream passage
    12 Katalyse-Abschnitt Catalytic section
    13 Nachlauf-Passage Downstream passage
    14 Diesel OxidationsKatalysator Diesel oxidation catalyst
    15 Reduktionsmittel-Injektor Reductant injector
    16 SCR-Katalysator SCR Catalyst
    17 Filter Filter
    18 Vorlauf-NOx-Sensor Upstream NOx Sensor
    19 Nachlauf-NOx-Sensor Downstream NOx Sensor
    20 Steuereinheit Control Unit
    21 Mehrgliedriges Simulationsmodell Multi-segment simulation model
    22 Vorsteuerung Pre control
    23 Sollwert-Berechnung Target value calculation
    24 Injektor-Treiber Injector Driver
    25 Summationsglied Summation segment
    26 Komparator Comparator
    27 Gewichtungsglied / Korrekturwert-Anpassung Weighting segment / correction value adaption
    28 Bedingungsprüfung Condition check
    31 Reduktionsmittel-Beigabemodell Reductant addition model
    32 Reduktionsmittel-Speichermodell Reductant storage model
    33 Reaktions-Modell Reaction model
    34 Desorptions-Modell Desorption model
    40 Vorlauf-Stickoxidsensor Upstream nitrogen oxide sensor
    41 Nachlauf-Stickoxidsensor Downstream nitrogen oxide sensor
    42 Entscheidungsmuster Decision pattern
    cAvg Vor-Puls Wert / Vor-Puls Mittelwert Pre-pulse value / pre-pulse average value
    cPre Vorlauf-Stickoxid-Gehalt Upstream nitrogen oxide content
    cPost Nachlauf-Stickoxid-Gehalt Downstream nitrogen oxide content
    cRed Tatsächlicher Reduktionsmittel-Gehalt Actual reductant content
    cRed' Geschätzter Reduktionsmittel-Gehalt Estimated reductant content
    cRed* Sollwert für Reduktionsmittel-Gehalt Target value for reductant content
    dEff Effizienz-Abweichung der Stickoxid-Reduktion Efficiency deviation of Nitrogen oxide reduction
    rEff* Soll-Wert für Stickoxid-Reduktion Target-value for nitrogen oxide reduction
    Cond Vorbedingung für Lernvorgang / Korrekturwert-Anpassung Precondition for learning cycle / correction value adaption
    CQ Injektions-Kommando Injection command
    D1 Vorabentscheidung Preliminary decision
    D2 Finale Entscheidung Final decision
    I+ Positiver Injektionspuls Positive injection pulse
    I- Negativer Injektionspuls Negative injection pulse
    K Grenzwert (gegenüber cAvg) Threshold (wrt cAvg)
    NOx Stickoxide Nitrogen oxides
    NR Reagierte Stickoxide Reacted nitrogen oxides
    NS Nicht reagierte Stickoxide / Stickoxid-Durchbruch Non-reacted nitrogen oxides / Nitrogen oxide break through
    P0-P4 Phasen Phases
    Qad Tatsächliche Adsorptionsmenge Actual adsorbed quantity
    Qad' Schätzwert für Adsorptionsmenge Estimated value for adsorbed quantity
    Qde Tatsächliche Desorptionsmenge Actual desorbed quantity
    Qde' Geschätzte Desorptionsmenge Estimated desorbed quantity
    Qi Tatsächliche Reduktionsmittel-Beigabemenge Actual Reductant addition quantity
    Qi* Sollwert für Reduktionsmittel-Beigabemenge Target value for reductant addition quantity
    Qi' Schätzwert für Reduktionsmittel-Beigabemenge Estimation value for reductant addition quantity
    Qpre Vorsteuerwert für Reduktionsmittel-Beigabe pre control value for reductant addition
    Qr Tatsächlich durch Reaktion umgewandelte Menge an Reduktionsmittel / Reaktionsmenge Actual quantity of reductant converted by chemical reaction / reaction quantity
    Qr' Schätzwert für Reaktionsmenge Estimated value for reacted quantity
    Qs Stöchiometrische Gleichgewichtsmenge Stoichiometric balance quantity
    Qstr Speicherführungswert für Reduktionsmittel-Beigabe Storage guidance value for reductant addition
    R Antwort-Charakteristik Response characteristic
    R1-R13 separierte Teilantworten auf Injektionspuls Separated section responses to injection pulse
    S1 Erster stationärer Zustand First steady state
    S2 Zweiter stationärer Zustand Second steady state
    S3 Dritter stationärer Zustand Third steady state
    SW Gewichtungsschlüssel Weighting ratio
    T Toleranzband Tolerance band
    W1 Erster Korrekturwert First correction value
    W2 Zweiter Korrekturwert Second correction value
    W3 Dritter Korrekturwert Third correction value
    W4 Vierter Korrekturwert Forth correction value
    Zavg Mittelwertbildungszone Averaging zone
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2003/0046928 A1 [0025, 0026, 0027, 0028, 0034]

Claims (8)

  1. Verfahren zur Ermittlung der Ursache einer Effizienz-Abweichung (dEff) der Stickoxid-Reduktion in einem Abgasnachbehandlungssystem (10) gegenüber einem Soll-Wert (rEff*), insbesondere ob die Abweichung (dEff) auf einem Reduktionmittel-Mangel (cRed--) oder einem Reduktionsmittel-Überschuss (cRed++) im SCR-Katalysator beruht, wobei - das Abgasnachbehandlungssystem (10) für einen Verbrennungsmotor vorgesehen ist und einen SCR-Katalysator (16) mit einer Vorlauf-Passage (11) und einer Nachlauf-Passage (13) umfasst, und wobei - ein Reduktionsmittel-Injektor (15) stromaufwärts zu dem SCR-Katalysator (16) angeordnet ist, um das Reduktionsmittel einzuspritzen, das in dem SCR-Katalysator (16) Stickoxide (NOx) reduziert, und wobei - das Abgasnachbehandlungssystem (10) eine Steuereinheit (20) umfasst, die mit dem Reduktionsmittel-Injektor (15) verbunden ist und die momentane Beigabemenge (Qi) des Reduktionsmittels steuert, und wobei - ein momentaner Vorlauf-Stickoxid-Gehalt (cPre) in der Vorlauf-Passage (11) bestimmt wird und ein momentaner Nachlauf-Stickoxid-Gehalt (cPost) in der Nachlauf-Passage (13) durch einen Nachlauf-Stickoxidsensor (41) gemessen wird, der eine Kreuz-Sensitivität für Stickoxide (NOx) und das Reduktionsmittel (NH3) aufweist, und wobei - die Steuereinheit (20) den Reduktionsmittel-Injektor (15) während eines stationären Zustands des Abgasnachbehandlungssystems (10) veranlasst, einen Injektionspuls (I+, I-) mit einer Test-Beigabemenge (Qi) auszuführen, die deutlich über (Qi = Qn+dQ) oder deutlich unter (Qi = Qn-dQ) einer Nominal-Beigabemenge (Qn) liegt, die gemäß dem momentanen Vorlauf-Stickoxid-Gehalt (cPre) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - das Mess-Signal (cPost) des Nachlauf-Stickoxidsensors (41) erfasst und in einem Zeitabschnitt nach dem Injektionspuls (I+, I-) und vor einem etwaigen weiteren Injektionspuls (I2) mit mehreren separaten Teilantworten (R1-R13) bewertet wird; und dass - eine Entscheidung (D1, D2) über die Ursache der Effizienz-Abweichung (dEff) auf Basis einer Gesamtbetrachtung der mehreren Teilantworten (R1-R13) und erfasster Richtungsänderungen der Teilantworten (R1-R13) getroffen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine erste Teilantwort (R1) gesetzt wird, wenn das Mess-Signal (cPost) gegenüber einem Vor-Puls Wert (cAvg) um ein bestimmtes Maß ansteigt oder abfällt, und jeweils eine weitere Teilantwort (R2-R13) gesetzt wird, wenn das Mess-Signal (cPost) gegenüber dem Wert des Mess-Signals (cPost) zum Ende der vorherigen Teilantwort (R1) um ein bestimmtes Maß ansteigt oder abfällt.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren Teilantworten mit Entscheidungsmustern (42) verglichen werden, die repräsentative Verläufe von Teilantworten und ggfs. relative Änderungen (dC) des Mess-Signals (cPost) einer Ursache (cRed++, cRed--) zuordnen.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf Basis einer frühen Teilantwort (R1) oder mehrerer früher Teilantworten (R1 - R5) eine Vorabentscheidung (D1) über die Ursache getroffen wird, wenn eine Übereinstimmung mit einem ersten Entscheidungsmuster (42) vorliegt und der stationäre Zustand des Abgasnachbehandlungssystems (10) endet.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei eine Vorabentscheidung (D2) revidiert wird, wenn der stationäre Zustand des Abgasnachbehandlungssystems (10) fortbesteht und weitere Teilantworten (R6 - R13) nicht mehr mit dem ersten Entscheidungsmuster (42) übereinstimmen, und wobei eine finale Entscheidung (D2) getroffen wird, wenn eine Übereinstimmung zu einem anderen Entscheidungsmuster (42) erfasst wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Entscheidungsmuster (42) vorsieht, dass eine oder mehrere frühe Teilantworten (R1- R5) in einer ersten Richtung und ein oder mehrere spätere Teilantworten (R6-R13) in der Gegenrichtung vorliegen.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei ein Entscheidungsmuster (42) zusätzlich vorsieht, dass das Mess-Signal (cPost) im Bereich der mindestens einen späten Teilantwort (R6-R13) um einen Grenzwert (K) von dem Vor-Puls Wert (cAvg) abweicht, wobei die Abweichung in der Richtung der späten Teilantwort vorliegen muss.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erster Injektionspuls (I1) und mindestens ein folgender Injektionspuls (I2, I3) ausgeführt werden, und wobei die Test-Beigabemenge (Qi) und ggfs. die Pulsdauer eines folgenden Injektionspulses (I2, I3) in Abhängigkeit von dem Ergebnis des vorhergehenden Injektionspulses (I1, I2) festgelegt werden.
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