DE102017213594B4 - Verfahren zum Ermitteln des Beladungszustands eines SCR-Katalysators und SCR-Katalysatorvorrichtung - Google Patents

Verfahren zum Ermitteln des Beladungszustands eines SCR-Katalysators und SCR-Katalysatorvorrichtung Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Ermitteln des Beladungszustands eines in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten SCR-Katalysators (110), wobei das Verfahren aufweist:- Erfassen der Wasserstoffkonzentration im Abgas der Brennkraftmaschine stromabwärts des SCR-Katalysators (110), und- Ermitteln des Beladungszustands des SCR-Katalysators (110) zumindest teilweise basierend auf der erfassten Wasserstoffkonzentration im Abgas der Brennkraftmaschine.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln des Beladungszustands eines SCR-Katalysators, insbesondere ein Verfahren zum Ermitteln des Ammoniak-Beladungszustands eines in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten SCR-Katalysators, sowie eine SCR-Katalysatorvorrichtung einer Brennkraftmaschine.
  • SCR-Katalysatoren werden dazu verwendet, die sich im Abgas befindlichen Stickoxide in ungiftige Stoffe umzuwandeln. Beispielsweise können die Stickoxide in elementaren Stickstoff und Wasser umgewandelt werden. Hierzu wird eine geeignete Flüssigkeit, wie beispielsweise ein Harnstoff (Urea) in das Abgas eingespritzt, das über eine Vor-Reaktion zu Ammoniak umgewandelt wird, welches dann das Reduktionsmittel für die Umwandlung der giftigen Stickoxide in ungiftige Stoffe dient. Der SCR-Katalysator ist dazu ausgebildet, das Reduktionsmittel, wie beispielsweise den Ammoniak, einzuspeichern, damit die Reduktion des Abgases erfolgen kann.
  • Ist jedoch die Beladungsmenge an Ammoniak innerhalb des SCR-Katalysators zu hoch, kann bei Lastwechsel eine ungewollt hohe Menge an Ammoniak aus dem SCR-Katalysator entweichen und an die Umgebung ausgestoßen werden, wodurch wiederum schädliche Abgase entstehen. Folglich ist es erwünscht, den Beladungszustand des SCR-Katalysators mit Ammoniak kontinuierlich zu erfassen und zu kennen. Ist die Beladung des SCR-Katalysators zur gering, kann zu einem Durchbruch der Stickoxide kommen. Folglich ist es wünschenswert, dass die Beladung des SCR-Katalysators mit Ammoniak in einem Bereich zwischen ungefähr 80 % und ungefähr 90 % liegt.
  • Es ist bekannt, den Beladungszustand beispielsweise mittels einem Stickoxid-Rohemissions-Modell abzuschätzen, wobei dieses Modell aufgrund von Alterungseffekten der Bauteile der Abgasnachbehandlungsvorrichtung unzureichend genau ist. Ebenfalls gibt es Ansätze, den Beladungszustand des SCR-Katalysators mittels Mikrowellentechnik zu bestimmen. Dies ist beispielsweise in der DE 103 58 495 A1 offenbart.
  • Die DE 10 2015 119 249 A1 betrifft ein Verfahren zur gezielten Generierung von NH3 während des Regenerationsvorgangs eines NOx-Speicherkatalysators.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Beladungszustand eines in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten SCR-Katalysators zuverlässig und möglichst genau zu ermitteln, sowie eine entsprechende SCR-Katalysatorvorrichtung bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 und der SCR-Katalysatorvorrichtung gemäß Anspruch 6 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen die Erkenntnis zugrunde, dass die Wasserstoffkonzentration im Abgas stromabwärts des SCR-Katalysators proportional zum Beladungszustand des SCR-Katalysators ist. Insbesondere steigt die Wasserstoffkonzentration stetig mit steigendem Beladungszustand des SCR-Katalysators an.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist folglich ein Verfahren zum Ermitteln des Beladungszustands eines in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten SCR-Katalysators vorgesehen, das ein Erfassen der Wasserstoffkonzentration im Abgas der Brennkraftmaschine stromabwärts des SCR-Katalysators und ein Ermitteln des Beladungszustands des SCR-Katalysators zumindest teilweise basierend auf der erfassten Wasserstoffkonzentration im Abgas der Brennkraftmaschine aufweist.
  • Vorzugsweise wird hierzu eine Nachschlagetabelle bereitgestellt, die eine Verknüpfung zwischen einer Wasserstoffkonzentration des stromabwärtigen Abgases und einem Beladungszustand des SCR-Katalysators herstellt. Dabei basiert das Ermitteln des Beladungszustands des SCR-Katalysators zumindest teilweise aus der bereitgestellten Nachschlagetabelle.
  • Beispielsweise kann die Nachschlagetabelle vorab in einer Steuerung des SCR-Katalysators gespeichert sein und kann nach dem Erfassen des entsprechenden Wasserstoffkonzentrationswerts im stromabwärtigen Abgas mit dem entsprechenden Beladungszustand des SCR-Katalysators verknüpft werden.
  • Zusätzlich oder alternativ kann es bevorzugt sein, dass eine mathematische Abbildung bereitgestellt wird, die der erfassten Wasserstoffkonzentration einen Beladungszustand des SCR-Katalysators zuordnet. Das Ermitteln des Beladungszustands des SCR-Katalysators basiert dann wiederum zumindest teilweise auf der bereitgestellten mathematischen Abbildung.
  • Beispielsweise beschreibt die mathematische Abbildung eine mathematische Funktion, die neben der erfassten Wasserstoffkonzentration weitere Parameter des Abgases berücksichtigt, wie zum Beispiel die Temperatur des Abgases, die Stickoxidkonzentration des Abgases und/oder die Ammoniakkonzentration des Abgases. Aus der mathematischen Abbildung kann somit ein entsprechender Beladungszustand des SCR-Katalysators ermittelt werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Bestimmen, dass der Beladungszustand des SCR-Katalysators einen vorbestimmten Beladungsschwellenwert überschreitet, und ein Unterbrechen einer Harnstoffeinspritzung vorgesehen, wenn bestimmt worden ist, dass der Beladungszustand des SCR-Katalysators den vorbestimmten Beladungsschwellenwert überschreitet.
  • Dadurch kann rechtzeitig ein sogenannter Durchbruch des SCR-Katalysators mit Ammoniak verhindert werden, so dass der Ausstoß von giftigem Abgas zumindest teilweise weiter reduziert oder sogar vermieden werden kann.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine SCR-Katalysatorvorrichtung einer Brennkraftmaschine vorgesehen, die einen SCR-Katalysator, der dazu ausgebildet ist, das Abgas der Brennkraftmaschine zumindest teilweise nachzubehandeln, und zumindest eine stromabwärts des SCR-Katalysators angeordnete Sensorvorrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, ein eine Wasserstoffkonzentration im Abgas der Brennkraftmaschine anzeigendes Sensorsignal auszugeben.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen SCR-Katalysatorvorrichtung weist diese ferner eine Steuereinheit auf, die dazu ausgebildet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Ermitteln des Beladungszustands des SCR-Katalysators auszuführen.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen SCR-Katalysatorvorrichtung ist die Sensorvorrichtung ein Mischpotentialsensor, der zumindest teilweise auf Wasserstoff empfindlich ist. Beispielsweise ist die Sensorvorrichtung ein Ammoniaksensor, der primär auf Ammoniak empfindlich ist, aber zumindest teilweise auf Wasserstoff querempfindlich ist. In einer solchen Ausgestaltung kann davon ausgegangen werden, dass in einem Beladungszustand des SCR-Katalysators, der geringer ist als die maximale Beladung des SCR-Katalysators, das Sensorsignal des stromabwärts des SCR-Katalysators angeordneten Ammoniaksensors im Wesentlichen die Wasserstoffkonzentration anzeigt, da in einem solchen Beladungszustand des SCR-Katalysators im Wesentlichen kein Ammoniak im Abgas vorhanden ist.
  • Weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der vorliegenden Lehre und Betrachten der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen:
    • 1 eine erfindungsgemäße SCR-Katalysatorvorrichtung einer Brennkraftmaschine zeigt, und
    • 2 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln des Beladungszustands eines SCR-Katalysators darstellt.
  • Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beschreibt der Begriff „Beladungszustand“ den Grad der Beladung eines SCR-Katalysators mit Ammoniak. Insbesondere ist damit die relative prozentuale Beladung des SCR-Katalysators im Hin-blick auf seine maximale Speicherkapazität von Ammoniak gemeint, wobei der SCR-Katalysator ab einem Beladungszustand von 100 % keinen Ammoniak mehr aufnehmen kann und ab diesem Zeitpunkt dann „durchbricht“, d. h. dass erneut in den SCR-Katalysator eindringender Ammoniak durch den SCR-Katalysator durchströmt, ohne sich darin einzulagern, und den SCR-Katalysator wieder verlässt und in die Umgebung freigegeben wird.
  • Die 1 stellt eine beispielhafte SCR-Katalysatorvorrichtung 100 dar, die in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) eingesetzt werden kann, um Stickoxide im Abgas in ungiftige Stoffe umzuwandeln. Die SCR-Katalysatorvorrichtung weist einen SCR-Katalysator 110 auf, dem eine stromaufwärts dazu angeordnete Harnstoffeinspritzvorrichtung 112 zugeordnet ist, die dazu ausgebildet ist, einen Harnstoff in das Abgas stromaufwärts des SCR-Katalysators 110 einzuspritzen, welches dann vor und/oder in dem SCR-Katalysators 110 in Ammoniak (NH3) umgewandelt wird, das als Reduktionsmittel für die Stickoxide im Abgas dient.
  • Für den Fachmann ist selbsterklärend, dass weitere Einheiten bzw. Vorrichtungen im Abgasstrang vorhanden sein können, wie beispielsweise ein stromaufwärts des SCR-Katalysators 110 angeordneter Oxidationskatalysator, eine zwischen der Harnstoffeinspritzvorrichtung 112 und dem SCR-Katalysator 110 angeordnete Harnstoffzersetzungsanordnung sowie eine stromabwärts des SCR-Katalysators 110 angeordnete Ammoniakvernichtungsanordnung.
  • Stromabwärts des SCR-Katalysators 110 ist eine Sensorvorrichtung 120 angeordnet, die dazu ausgebildet ist, die Wasserstoffkonzentration im Abgas stromabwärts des SCR-Katalysators 110 zu erfassen. Die auf Wasserstoff empfindliche Sensorvorrichtung 120 ist beispielsweise ein Mischpotentialsensor mit einer Mischpotential- und/oder einer Referenzelektrode. Beispielsweise ist die Sensorvorrichtung 120 ein Ammoniaksensor, der auf Wasserstoff querempfindlich ist und in einem Beladungszustand des SCR-Katalysators 110 unterhalb seiner Maximalbeladung im Wesentlichen keinen Ammoniak erfährt.
  • Der SCR-Katalysatorvorrichtung 100 ist ferner eine Steuereinheit 130 zugeordnet, die mit der Ammoniakeinspritzvorrichtung 112 und der Sensorvorrichtung 120 in Kommunikationsverbindung steht und dazu ausgebildet ist, die jeweiligen Vorrichtungen zu steuern bzw. von diesen jeweiligen Vorrichtungen Signale zu erfassen. So ist die Steuereinheit 130 dazu ausgebildet, das von der Sensorvorrichtung 120 gesendete Sensorsignal, das eine Wasserstoffkonzentration im Abgas stromabwärts des SCR-Katalysators 110 anzeigt, zu empfangen und dieser erfassten Wasserstoffkonzentration einen entsprechenden Beladungszustand des SCR-Katalysators 110 zuzuordnen. Diese Zuordnung erfolgt beispielsweise über eine in der Steuereinheit 130 bereitgestellte Nachschlagetabelle, die jeder Wasserstoffkonzentration einen entsprechenden Beladungszustand zuordnet.
  • Wenn der aus der Wasserstoffkonzentration ermittelte Beladungszustand des SCR-Katalysators 110 einen vorbestimmten Schwellenwert, wie beispielsweise 90 %, überschreitet, kann die Steuereinheit 130 dazu ausgebildet sein, die Harnstoffeinspritzvorrichtung 112 derart zu steuern, dass diese eine Einspritzung von Harnstoff in das Abgas stromaufwärts des SCR-Katalysators 110 reduziert oder unterbricht. Dadurch kann rechtzeitig ein Ammoniakdurchbruch des SCR-Katalysators 110 erkannt und vermieden werden [bitte bestätigen oder klarstellen] .
  • Unter Verweis auf die 2 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung anhand eines Flussdiagramms dargestellt.
  • Das Verfahren beginnt beim Schritt 200 und führt am Schritt 210 die Erfassung der Wasserstoffkonzentration im Abgas stromabwärts des SCR-Katalysators 110 aus, beispielsweise mittels der Sensorvorrichtung 120 (siehe 1).
  • In einem darauffolgenden Schritt 220 wird der am Schritt 210 erfassten Wasserstoffkonzentration ein entsprechender Beladungszustand des SCR-Katalysators 110 zugeordnet, bevor das Verfahren beim Schritt 230 endet.
  • Somit kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens und mit Hilfe der erfindungsgemäßen SCR-Katalysatorvorrichtung 100 der Beladungszustand eines SCR-Katalysators 110 kontinuierlich erfasst werden und frühzeitig einem Durchbruch des SCR-Katalysators 110 entgegengewirkt werden.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Ermitteln des Beladungszustands eines in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten SCR-Katalysators (110), wobei das Verfahren aufweist: - Erfassen der Wasserstoffkonzentration im Abgas der Brennkraftmaschine stromabwärts des SCR-Katalysators (110), und - Ermitteln des Beladungszustands des SCR-Katalysators (110) zumindest teilweise basierend auf der erfassten Wasserstoffkonzentration im Abgas der Brennkraftmaschine.
  2. Verfahren nach Anspruch 2, ferner mit: - Bereitstellen einer Nachschlagetabelle, die eine Verknüpfung zwischen einer Wasserstoffkonzentration des stromabwärtigen Abgases und einem Beladungszustand des SCR-Katalysators (110) angibt, und - Ermitteln des Beladungszustands des SCR-Katalysators (110) zumindest teilweise basierend auf der bereitgestellten Nachschlagetabelle.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit: - Bereitstellen einer mathematischen Abbildung, die der erfassten Wasserstoffkonzentration einen Beladungszustand des SCR-Katalysators (110) zuordnet, und - Ermitteln des Beladungszustands des SCR-Katalysators (110) zumindest teilweise basierend auf der bereitgestellten mathematischen Abbildung.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die mathematische Abbildung ferner zumindest einen weiteren Parameter des Abgases berücksichtigt, der die Temperatur des Abgases, die Stickoxidkonzentration des Abgases und/oder die Ammoniakkonzentration des Abgases aufweist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit: - Bestimmen, dass der Beladungszustand des SCR-Katalysators (110) einen vorbestimmten Beladungs-schwellenwert überschreitet, und - Unterbrechen einer Harnstoffeinspritzung, wenn bestimmt worden ist, dass der Beladungszustand des SCR-Katalysators (110) den vorbestimmten Beladungsschwellenwert überschreit.
  6. SCR-Katalysatorvorrichtung (100) einer Brennkraftmaschine, mit: - einem SCR-Katalysator (110), der dazu ausgebildet ist, das Abgas der Brennkraftmaschine zumindest teilweise nachzubehandeln, und - zumindest eine stromabwärts des SCR-Katalysators angeordnete Sensorvorrichtung (120), die dazu ausgebildet ist, ein eine Wasserstoffkonzentration im Abgas der Brennkraftmaschine anzeigendes Sensorsignal auszugeben.
  7. SCR-Katalysatorvorrichtung (100) nach Anspruch 6, wobei die Sensorvorrichtung (120) ein Mischpotentialsensor ist, der zumindest auf Wasserstoff empfindlich ist.
  8. SCR-Katalysatorvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 6 und 7, ferner mit einer Steuereinheit (130), die dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zum Ermitteln des Beladungszustands des SCR-Katalysators (110) auszuführen.
DE102017213594.8A 2017-08-04 2017-08-04 Verfahren zum Ermitteln des Beladungszustands eines SCR-Katalysators und SCR-Katalysatorvorrichtung Active DE102017213594B4 (de)

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