DE102017222582A1 - Verfahren zur Korrektur eines modellierten Ammoniakmassenstroms und eines modellierten Stickoxidmassenstroms sowie zur Regelung eines SCR-Katalysatorsystems - Google Patents

Verfahren zur Korrektur eines modellierten Ammoniakmassenstroms und eines modellierten Stickoxidmassenstroms sowie zur Regelung eines SCR-Katalysatorsystems Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur (78, 79) eines modellierten Ammoniakmassenstroms (qmod) und eines modellierten Stickoxidmassenstroms (qmod) zwischen zwei hintereinander in einem Abgasstrang angeordneten SCR-Katalysatoren in einem SCR-Katalysatorsystem, welches nur eine Reduktionsmitteldosiereinheit stromaufwärts der beiden SCR-Katalysatoren aufweist. Ein erster Summenwert wird (S) durch Addition (74) des modellierten Ammoniakmassenstroms (qmod) und des modellierten Stickoxidmassenstroms (qmod) gebildet. Ein zweiter Summenwert (S) wird aus dem Signal (qmess) eines zwischen den beiden SCR-Katalysatoren angeordneten Sensors mit einer Empfindlichkeit gegenüber Ammoniak und Stickoxiden ermittelt. Zur Korrektur (78, 79) wird ein Verhältnis (V) der beiden Summenwerte (S, S2) gebildet. In einem Verfahren zur Regelung (80) des SCR-Katalysatorsystems (20) werden der modellierte Ammoniakmassenstrom (qmod) und der modellierter Stickoxidmassenstrom (qmod) zwischen den beiden SCR-Katalysatoren mittels des Korrekturverfahrens korrigiert.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur eines modellierten Stickoxidmassenstroms und eines modellierten Ammoniakmassenstroms zwischen zwei hintereinander in einem Abgasstrang angeordneten SCR-Katalysatoren. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Regelung eines SCR-Katalysatorsystems. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt mindestens eines der Verfahren ausführt, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um mindestens eines der Verfahren auszuführen.
  • Stand der Technik
  • Ein aussichtsreiches Verfahren für die Minderung von Stickoxiden in sauerstoffreichen Abgasen stellt die selektive katalytische Reduktion (Selective Catalytic Reduction; SCR) mittels Ammoniak bzw. ammoniakabspaltenden Reagenzien dar. Der Wirkungsgrad eines SCR-Katalysators hängt von dessen Temperatur, von der Raumgeschwindigkeit des Abgases und ganz entscheidend vom Füllstand des an seiner Oberfläche adsorbierten Ammoniaks ab. Indem zur Reduktion von Stickoxiden neben dem direkt zudosierten Ammoniak auch adsorbiertes Ammoniak zur Verfügung steht, erhöht sich der Wirkungsgrad des SCR-Katalysators gegenüber einem entleerten Katalysator. Das Speicherverhalten ist abhängig von der jeweiligen Betriebstemperatur des Katalysators. Je geringer die Temperatur ist, umso größer ist das Speichervermögen.
  • Hat ein SCR-Katalysator seinen Speicher vollständig gefüllt, so kann es bei Lastsprüngen eines Verbrennungsmotors, dessen Abgase mittels des SCR-Katalysators reduziert werden, selbst dann zu Ammoniakschlupf kommen, wenn kein Ammoniak bzw. keine ammoniakabspaltenden Reagenzien mehr in den Abgasstrang dosiert werden. Sollen möglichst hohe Stickoxidumsätze erzielt werden, so ist es allerdings unumgänglich, das SCR-System bei einem hohen Ammoniakfüllstand zu betreiben. Steigt dann aufgrund eines Lastsprungs des Verbrennungsmotors die Temperatur des vollständig befüllten SCR-Katalysators an, so sinkt dessen Ammoniakspeichervermögen, was zu Ammoniakschlupf führt.
  • Dieser Effekt ist dadurch besonders ausgeprägt, dass SCR-Katalysatoren nah am Verbrennungsmotor verbaut werden, damit der SCR-Katalysator nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors schnell seine Betriebstemperatur erreicht. Ein zweiter SCR-Katalysator stromabwärts des ersten SCR-Katalysators kann daher im Abgasstrang vorgesehen werden, um Ammoniak aus Ammoniakschlupf des ersten Katalysators zu absorbieren und anschließend umzusetzen. Aus Kostengründen wird meist nur ein Dosierventil stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators verbaut, um eine ammoniakabspaltende Reduktionsmittellösung in den Abgasstrang einzudosieren. Eine Ammoniakbefüllung des zweiten SCR-Katalysators erfolgt somit nur durch Ammoniakschlupf des ersten SCR-Katalysators.
  • Richtlinien zur Onboard-Diagnose (OBD) fordern, dass beide SCR-Katalysatoren überwacht werden müssen. Hierzu ist in der Regel stromabwärts beider SCR-Katalysatoren jeweils ein Stickoxidsensor vorhanden.
  • Neue SCR-Katalysatormodelle sind in der Lage beide SCR-Katalysatoren zu bilanzieren und Ammoniak- und Stickoxidschlupf zwischen den beiden SCR-Katalysatoren mehr oder weniger genau zu berechnen. Aus der DE 10 2016 201 602 A1 ist ein Verfahren bekannt, mit dem es möglich ist, den Ammoniakschlupf zwischen den SCR-Katalysatoren auf Basis der Auswertung der Stickoxidsensoren vor und nach dem zweiten bzw. stromabwärtigen SCR-Katalysator zu ermitteln. Der Stickoxidmassenstrom zwischen den beiden SCR-Katalysatoren wird durch das Modell des ersten bzw. stromaufwärtigen SCR-Katalysators berechnet. Selbst kleinste Modellfehler führen nach wenigen Betriebsstunden zu einer großen Abweichung zwischen geschätztem und tatsächlichem Ammoniakfüllstand im zweiten SCR-Katalysator führen. Bei einer Unterschätzung des Stickoxidmassenstroms zwischen den beiden SCR-Katalysatoren läuft der physikalische Ammoniakfüllstand im zweiten SCR-Katalysator leer. Der Stickoxidumsatz jenes SCR-Katalysators verringert sich bei zu kleinem physikalischem Ammoniakfüllstand und kann dann zu einer Überschreitung von gesetzlichen Grenzwerten führen. Schnelle Adaptionsverfahren können zwar den Stickoxidsollwert stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators wieder korrigieren, dennoch ist es schwierig die Ursache des Fehlers zu beseitigen, da für die Adaptionsverfahren nicht bekannt ist, im Bereich welches der SCR-Katalysatoren die Fehlerursachen zu suchen sind.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das Verfahren dient zur Korrektur eines modellierten Ammoniakmassenstroms und eines modellierten Stickoxidmassenstroms zwischen zwei SCR-Katalysatoren. Die beiden SCR-Katalysatoren sind hintereinander in einem Abgasstrang angeordnet und bilden ein SCR-Katalysatorsystem. Dieses weist nur eine Reduktionsmitteldosiereinheit stromaufwärts der beiden SCR-Katalysatoren auf. Durch Addition des modellierten Ammoniakmassenstroms und des modellierten Stickoxidmassenstroms wird ein erster Summenwert gebildet. Ein zweiter Summenwert wird aus dem Signal eines zwischen den beiden SCR-Katalysatoren angeordneten Sensors ermittelt. Dieser Sensor weist eine Empfindlichkeit gegenüber Ammoniak und Stickoxiden auf und kann ein herkömmlicher Stickoxidsensor sein. Zur Korrektur wird ein Verhältnis der beiden Summenwerte gebildet.
  • Diesem Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einer sehr genauen Modellierung des Ammoniakmassenstroms und des Stickoxidmassenstroms im Modell des ersten SCR-Katalysators die Summe der modellierten Massenströme dem Summensignal des Sensors entsprechen sollte. Je größer eine Abweichung zwischen den beiden Summenwerten ist, desto größer ist der Fehler der Modellierung der korrigiert werden muss.
  • Es ist bevorzugt, dass zur Bildung des ersten Summenwertes der modellierte Ammoniakmassenstrom oder der modellierte Stickoxidmassenstrom zunächst in ppm (parts per million) bereitgestellt und dann in Stickoxidäquivalente, insbesondere in Milligramm pro Sekunde (mg/s) umgewandelt werden. Die Stickoxidäquivalente werden dann addiert. Dadurch kann eine Gewichtung durch den Abgasmassenstrom erhalten werden.
  • Sowohl die modellierten Massenströme als auch die gemessene Summe der Massenströme werden vorzugsweise gefiltert, da die Korrektur auf der Kenntnis aller früheren Beobachtungen beruht. Hierzu werden die Massenströme in einer Ausführungsform des Verfahrens aufintegriert und bei Erreichen einer applikativen Schwelle mit einem Faktor der größer als 0 und kleiner als 1 ist multipliziert. In einer alternativen Ausführungsform wir ein Kalman-Filter verwendet.
  • Die Korrektur erfolgt vorzugsweise, indem der modellierte Ammoniakmassenstrom und der modellierte Stickoxidmassenstrom jeweils mit einem Korrekturfaktor multipliziert werden, welcher aus dem Verhältnis ermittelt wird. So kann in einfacher Weise ein einziger Korrekturfaktor auf beiden modellierten Massenströmen angewandt werden.
  • Hierbei ist es besonders bevorzugt, dass der Korrekturfaktor ermittelt wird, indem das Verhältnis durch eine Kennlinie geformt und/oder limitiert wird. Dies ermöglicht es, berechnete oder empirisch ermittelte Daten in die Ermittlung des Korrekturfaktors einfließen zu lassen.
  • In dem Verfahren zur Regelung des SCR-Katalysatorsystems werden der modellierte Ammoniakmassenstrom und der modellierte Stickoxidmassenstrom zwischen den beiden SCR-Katalysatoren mittels des Verfahrens zur Korrektur der Massenströme korrigiert.
  • Befindet sich stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators ein Stickoxidsensor, der in dieser Regelung eingesetzt wird, so sollte der Sollwert für die Regelung nicht mehr auf Basis eines modellierten Stickoxidmassenstroms stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators ermittelt werden. Stattdessen ist es bevorzugt, dass ein mittels dieses Stickoxidsensors gemessener Wert auf einen Sollwert geregelt wird, der aus einem stromaufwärts der SCR-Katalysatoren angeordneten Stickoxidsensor und einem Gesamtwirkungsgrad des SCR-Katalysatorsystems berechnet wird. Der Gesamtwirkungsgrad setzt sich aus den Einzelwirkungsgraden der beiden SCR-Katalysatoren zusammen. Die Einzelwirkungsgrade ergeben sich aus der Aktivierungsenergie der SCR-Reaktion, der Temperatur des jeweiligen SCR-Katalysators, einem normierten Flächenfaktor des jeweiligen SCR-Katalysators, einem Frequenzfaktor der SCR-Reaktion, einem Sollfühlstand des jeweiligen SCR-Katalysators, seiner maximalen Ammoniakspeicherfähigkeit und seiner Verweilzeit.
  • Wenn zwischen den SCR-Katalysatoren ein Ammoniaksensor angeordnet ist, so ist es bevorzugt, dass ein mittels des Ammoniaksensors gemessener Wert bei der Modellierung des Stickoxidmassenstroms in der Regelung berücksichtigt wird. Dadurch lässt sich die Genauigkeit des modellierten Stickoxidmassenstroms zwischen den beiden SCR-Katalysatoren weiter verbessern. Gegebenenfalls kann dieser Stickoxidmassenstrom dann sogar einfach aus der Differenz des Signals des zwischen den beiden SCR-Katalysatoren angeordneten Stickoxidsensors und dem Signal des Ammoniaksensors ermittelt werden.
  • Das Computerprogramm ist eingerichtet jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder auf einem elektronischen Steuergerät abläuft. Es ermöglicht die Implementierung unterschiedlicher Ausführungsformen des Verfahrens in einem elektronischen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert. Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät wird ein elektronisches Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist um einen modellierten Ammoniakmassenstrom und einen modellierten Stickoxidmassenstrom mittels des Verfahrens zu korrigieren und/oder das SCR-Katalysatorsystem mittels des Verfahrens zu regeln.
  • Figurenliste
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung mehr erläutert.
    • 1 zeigt schematisch ein SCR-Katalysatorsystem, das mittels eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung geregelt werden kann.
    • 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung
  • Ein Verbrennungsmotor 10 weist in seinem Abgasstrang 11 ein SCR-Katalysatorsystem 20 auf, welches in 1 dargestellt ist. Dieses verfügt über eine Reduktionsmitteldosiereinheit 50, mit welcher eine Harnstoffwasserlösung in den Abgasstrang 11 eingespritzt werden kann. Aus dieser wird bei den hohen Temperaturen des Abgases Ammoniak freigesetzt. Stromabwärts der Reduktionsmitteldosiereinheit 50 sind ein erster SCR-Katalysator 21 und ein zweiter SCR-Katalysator 22 angeordnet. Das Katalysatormaterial des ersten SCR-Katalysators ist auf einem Partikelfilter angeordnet (SCR on filter; SCRF). Ein erster NOx-Sensor 31 ist stromaufwärts der Reduktionsmitteldosiereinheit 50 im Abgasstrang 11 angeordnet. Ein zweiter NOx-Sensor 32 ist zwischen den beiden SCR-Katalysatoren 21, 22 angeordnet. Ein dritter NOx-Sensor ist stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators 22 angeordnet. Zwischen dem zweiten NOx-Sensor 32 und dem zweiten SCR-Katalysator 22 ist weiterhin ein Ammoniaksensor 40 angeordnet. Alle NOx-Sensoren 31, 32, 33 und der Ammoniaksensor 40 geben ihre Signale an ein elektronisches Steuergerät 50 weiter. Da die NOx-Sensoren 31, 32, 33 querempfindlich auf Ammoniak reagieren, handelt es sich bei ihren Signalen um Summensignale für Stickoxide und Ammoniak. Der erste NOx-Sensor ist allerdings stromaufwärts der Reduktionsmitteldosiereinheit 21 angeordnet, so dass er zuverlässig die Stickoxidmenge im Abgas misst. Wenn das SCR-Katalysatorsystem 20 so betrieben wird, dass kein Ammoniakschlupf am zweiten SCR-Katalysator 22 erfolgen soll, so kann davon ausgegangen werden, dass das Signal des dritten NOx-Sensors ausschließlich auf Stickoxiden basiert. Da ein Ammoniakschlupf am ersten SCR-Katalysator 21 vorgesehen ist, um den zweiten SCR-Katalysator 22 mit Ammoniak zu versorgen, liefert der zweite NOx-Sensor 32 allerdings ein Summensignal aus Ammoniak und Stickoxiden. Die Reduktionsmitteldosiereinheit 50 meldet die in den Abgasstrang 11 eindosierte Ammoniakmenge ebenfalls an das Steuergerät 60 weiter.
  • In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, das schematisch in 2 dargestellt ist, wird durch ein Modell des ersten SCR-Katalysators 21 ein modellierter Ammoniakmassenstrom qNH3 mod zwischen den beiden SCR-Katalysatoren 21, 22 in ppm bereitgestellt 70. Dieser modellierte Ammoniakmassenstrom qNH3 mod wird in Stickoxidäquivalente qNH3 äq in mg/s umgerechnet 71. Weiterhin stellt das Modell des ersten SCR-Katalysators 71 einen modellierten Stickoxidmassenstrom qNOX mod zwischen den beiden SCR-Katalysatoren 21, 22 bereit 72. Dieser wird ebenfalls in Stickoxidäquivalente qNOX äq umgerechnet 73. Die beiden in Stickoxidäquivalente umgewandelten Massenströme qNH3 äq, qNOX äq werden addiert 74 um einen ersten Summenwert S1 zu erhalten. Der zweite NOx-Sensor 32 führt eine Messung 75 eines Summensignals qNH3/NOXmess des Ammoniakmassenstroms und des Stickoxidmassenstroms zwischen den beiden SCR-Katalysatoren 21, 22 durch. Dieses Summensignal qNH3/NOXmess wird als zweiter Summenwert S2 verwendet. Die beiden Summenwerte S1 , S2 werden durcheinander dividiert 76, um so ihr Verhältnis V zu erhalten. Dieses wird durch eine Kennlinie 77 geformt und limitiert. Auf diese Weise wird ein Korrekturfaktor f erhalten. Durch Multiplikation 78 des modellierten Ammoniakmassenstroms qNH3mod mit dem Korrekturfaktor f wird ein korrigierter Ammoniakmassenstrom qNH3kor erhalten. Durch Multiplikation 79 des modellierten Stickoxidmassenstroms qNOXmod mit dem Korrekturfaktor f wird ein korrigiert Stickoxidmassenstrom qNOXkor erhalten. Die korrigierten Massenströme qNH3kor, qNOXkor werden im elektronischen Steuergerät 60 einer Regelung 80 des SCR-Katalysatorsystems 20 zugeführt.
  • In der Regelung wird der mittels des dritten Stickoxidsensor 33 gemessene Wert des Stickoxidmassenstroms stromabwärts der beiden SCR-Katalysatoren 21, 22 auf einen Sollwert geregelt. Dieser Sollwert wird aus einem den Verbrennungsmotor 10 verlassenden Stickoxidmassenstrom, der mittels des ersten Stickoxidsensors 31 gemessen wird und einem Gesamtwirkungsgrad des SCR-Katalysatorsystems 20 berechnet. Der Gesamtwirkungsgrad setzt sich aus den Einzelwirkungsgraden der beiden SCR-Katalysatoren 21, 22 zusammen. In der Regelung 80 kann ein Stickoxidmassenstrom zwischen den beiden SCR-Katalysatoren 21, 22 durch Subtraktion des Sensorsignals des Ammoniaksensors 40 vom Sensorsignal des zweiten Stickoxidsensors 32 ermittelt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016201602 A1 [0006]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Korrektur (78, 79) eines modellierten Ammoniakmassenstroms (qNH3mod) und eines modellierten Stickoxidmassenstroms (qNOxmod) zwischen zwei hintereinander in einem Abgasstrang (11) angeordneten SCR-Katalysatoren (21, 22) in einem SCR-Katalysatorsystem (20), welches nur eine Reduktionsmitteldosiereinheit (40) stromaufwärts der beiden SCR-Katalysatoren (21, 22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Summenwert (S1) durch Addition (74) des modellierten Ammoniakmassenstroms (qNH3mod) und des modellierten Stickoxidmassenstroms (qNOxmod) gebildet wird, ein zweiter Summenwert (S2) aus dem Signal (qNH3/NOxmess) eines zwischen den beiden SCR-Katalysatoren (21, 22) angeordneten Sensors (32) mit einer Empfindlichkeit gegenüber Ammoniak und Stickoxiden ermittelt wird und zur Korrektur (78, 79) ein Verhältnis (V) der beiden Summenwerte (S1, S2) gebildet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des ersten Summenwerts (S1) der modellierte Ammoniakmassenstrom (qNH3mod) und der modellierte Stickoxidmassenstrom (qNOxmod) in NOx-Äquivalente (qNH3äq, qNOxäq) umgewandelt werden und diese addiert werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur (78, 79) erfolgt, indem der modellierte Ammoniakmassenstrom (qNH3mod) und der modellierte Stickoxidmassenstrom (qNOxmod) jeweils mit einem Korrekturfaktor (f) multipliziert werden, welcher aus dem Verhältnis (V) ermittelt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturfaktor (f) ermittelt wird, indem das Verhältnis (V) durch eine Kennlinie geformt und/oder limitiert wird (77).
  5. Verfahren zur Regelung (80) eines SCR-Katalysatorsystems (20) mit zwei hintereinander in einem Abgasstrang (11) angeordneten SCR-Katalysatoren (21, 22), dadurch gekennzeichnet, dass ein modellierter Ammoniakmassenstrom (qNH3mod) und ein modellierter Stickoxidmassenstrom (qNOxmod) zwischen den beiden SCR-Katalysatoren (21, 22) mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 korrigiert werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein mittels eines stromabwärts der SCR-Katalysatoren (21, 22) angeordneten Stickoxidsensors (33) gemessener Wert auf einen Sollwert geregelt wird, der aus einem von einem stromaufwärts der SCR-Katalysatoren (21, 22) angeordneten Stickoxidsensor (31) und einem Gesamtwirkungsgrad des SCR-Katalysatorsystems (20) berechnet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass beim Modellieren des Stickoxidmassenstroms ein mittels eines zwischen den SCR-Katalysatoren (21, 22) angeordneten Ammoniaksensors (40) gemessener Wert berücksichtigt wird.
  8. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
  9. Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 8 gespeichert ist.
  10. Elektronisches Steuergerät (60), welches eingerichtet ist, um mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 einen modellierten Ammoniakmassenstrom (qNH3mod) und einen modellierten Stickoxidmassenstrom (qNOxmod) zu korrigieren und/oder mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 7 ein SCR-Katalysatorsystem (20) zu regeln.
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