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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren und ein Diagnosesystem zum Ermitteln einer Fehlerursache in einem Abgasreinigungssystem in einem Fahrzeug.
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Moderne Fahrzeuge umfassen Abgasreinigungssysteme (Emission Control System) mit zwei unabhängigen Systemen zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Systeme). Durch SCR-Systeme lassen sich Stickoxide effizient aus dem Abgas entfernen. Allerdings können unterschiedliche Komponenten dieses Abgasreinigungssystem von Fehlern betroffen sein. Fehlerhafte Komponenten können die Reduktionseffizienz des kombinierten SCR-Systems negativ beeinflussen. Zudem erfordert die Gesetzgebung eine Überwachung von Ereignissen, die bei der realen Nutzung das Fahrzeugs häufig auftreten.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Diagnoseverfahren für ein Abgasreinigungssystem mit zwei SCR-Systemen bereitzustellen, mit dem fehlerhafte Komponenten genau lokalisiert werden können.
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Diese Aufgabe wird durch Gegenstände nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird diese Aufgabe durch ein Diagnoseverfahren zum Ermitteln einer Fehlerursache in einem Abgasreinigungssystem mit einem ersten SCR-System und einem zweiten SCR-System gelöst; mit den Schritten eines Erfassens eines Fehlers im Abgasreinigungssystem; eines Erfassens einer Reduktionseffizienz des ersten und zweiten SCR-Systems; eines Änderns des Reduktionsverhältnisses zwischen dem ersten und dem zweiten SCR-System; eines Erfassens einer Reduktionseffizienz des ersten und zweiten SCR-Systems nach dem Ändern des Reduktionsverhältnisses; und eines Ermittelns einer Fehlerursache auf Basis der Reduktionseffizienz des ersten und zweiten SCR-Systems vor und nach dem Ändern des Reduktionsverhältnisses. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass sich je nach den bestimmten Reduktionseffizienzen der SCR-Systeme vor und nach dem Ändern des Reduktionsverhältnisses unterschiedliche Fehlerursachen ermitteln lassen und defekte Komponenten des Abgasreinigungssystems präzise lokalisiert werden können. Zudem kann eine mangelhafte Qualität des Harnstoffs erkannt werden und eine Fehlermeldung für das SCR-System ausgeben werden.
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In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform des Diagnoseverfahrens ist das erste SCR-System ein aktives SCR-System und das zweite SCR-System ein aktives oder passives SCR-System. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich Stickoxide effizient aus dem Abgasstrom entfernen lassen.
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In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Diagnoseverfahrens wird die Reduktionseffizienz des ersten und zweiten SCR-Systems vor und/oder nach dem Ändern des Reduktionsverhältnisses mittels eines NOx-Sensors oder mittels eines Vorhersagemodells erfasst. Das Vorhersagemodell ist geeignet, die NOx-Werte im Abgasstrom auf Basis von Daten zu berechnen, wie beispielsweise Motordaten. Durch die NOx-Sensoren wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich die NOx-Werte präzise und zuverlässig ermittelt lassen. Durch das Vorhersagemodell wird der technische Vorteil erreicht, dass sich die NOx-Werte ohne sensoriellen Aufwand ermitteln lassen.
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In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Diagnoseverfahrens wird das Reduktionsverhältnis durch Einspritzen einer höheren Dosierung an Harnstoff in das erste SCR-System oder zweite SCR-System geändert. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich das Reduktionsverhältnis auf einfache Weise verändern lässt.
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In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Diagnoseverfahrens wird durch einen NOx-Koordinator erfasst, ob das zweite SCR-System in Betrieb ist. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich Fehlmessungen vermeiden lassen.
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In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Diagnoseverfahrens wird eine niedrigere Reduktionseffizienz des ersten SCR-Systems durch eine höhere Reduktionseffizienz des zweiten SCR-Systems kompensiert. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich erhöhte NOx-Emissionen vermeiden lassen.
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In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Diagnoseverfahrens wird eine niedrigere Reduktionseffizienz des zweiten SCR-Systems durch eine höhere Reduktionseffizienz des ersten SCR-Systems kompensiert. Dadurch wird beispielsweise ebenfalls der technische Vorteil erreicht, dass sich erhöhte NOx-Emissionen vermeiden lassen.
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In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Diagnoseverfahrens wird das zweite SCR-System in Reaktion auf den Fehler aktiviert. Dadurch wird beispielsweise ebenfalls der technische Vorteil erreicht, dass das zweite SCR-System im Bedarfsfall zur Fehlerdiagnose eingeschaltet wird.
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In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Diagnoseverfahrens wird eine Abgasrückführung bei Vorliegen eines Fehlers im ersten SCR-System oder im zweiten SCR-System erhöht. Dadurch wird beispielsweise ebenfalls der technische Vorteil erreicht, dass sich Emissionen verringern lassen.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird diese Aufgabe durch ein Diagnosesystem zum Ermitteln einer Fehlerursache in einem Abgasreinigungssystem mit einem ersten SCR-System und einem zweiten SCR-System gelöst; mit einer Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Fehlers im Abgasreinigungssystem; einer Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Reduktionseffizienz des ersten und zweiten SCR-Systems; einer Änderungseinrichtung zum Ändern des Reduktionsverhältnisses zwischen dem ersten und dem zweiten SCR-System; einer Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Reduktionseffizienz des ersten und zweiten SCR-Systems nach dem Ändern des Reduktionsverhältnisses; und einer Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln einer Fehlerursache auf Basis der Reduktionseffizienz des ersten und zweiten SCR-Systems vor und nach dem Ändern des Reduktionsverhältnisses. Durch das Diagnosesystem werden die gleichen technischen Vorteile wie durch das Diagnoseverfahren nach dem ersten Aspekt gelöst.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines Abgasreinigungssystems mit zwei SCR-Systemen;
- 2 eine weitere schematische Ansicht eines Abgasreinigungssystems mit zwei SCR-Systemen;
- 3 ein Diagramm der Reduktionseffizienz in unterschiedlichen Betriebszuständen,
- 4 eine schematische eines Diagnosesystems; und
- 5 ein Blockdiagramm eines Diagnoseverfahrens.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Abgasreinigungssystems 100 mit zwei SCR-Systemen 101-1 und 101-2 zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR - Selective Catalytic Reduction). Bei der selektiven katalytischen Reduktion findet eine Reduktion von Stickoxiden im Abgas statt. Das Abgas des Verbrennungsmotors, wie beispielsweise ein Dieselmotor, passiert zunächst das erste SCR-System 101-1 und danach des zweite SCR-System 101-2. In jedem der beiden SCR-Systeme 101-1 und 101-2 wird das Abgas gereinigt.
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Zur Reduktion wird vor dem ersten aktiven SCR-System 101-1 mittels einer Einspritzdüse 103 eine wässrige Harnstofflösung in den Abgasstrang eingespritzt. Aus der Harnstoff-WasserLösung entstehen durch eine Hydrolysereaktion und Thermolyse Ammoniak (NH3) und Kohlendioxid (CO2). Das so erzeugte Ammoniak kann in einem speziellen SCR-Katalysator bei entsprechender Temperatur mit den Stickoxiden (NOx) im Abgas reagieren. Zudem kann das erste SCR-System 101-1 optional mit einem DPF-System (DPF -Dieselrußpartikelfilter) kombiniert sein.
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Das zweite SCR-System 101-2 ist ein passives SCR-System ohne Harnstoffeinspritzung, bei dem als Reduktionsmittel überschüssiges NH3 aus dem ersten SCR-System 101-1 verwendet wird. Das überschüssige NH3 wird auch als NH3-Schlupf bezeichnet. Zwischen dem ersten und dem zweiten SCR-System 101-1 und 101-2 kann optional eine Niederruck-Abgasrückführung 105 vorgesehen sein.
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Das zweite SCR-Systems 101-2 dient zur NOx-Umsetzung, wenn das erste SCR-System 101-1 nicht aktiv ist, wie beispielsweise bei einer DPF-Regeneration. Das zweite SCR-System 101-2 kann auch eine zusätzliche NOx-Umsetzung durchführen, wenn sich das erste SCR-System 101-1 im Hochlastbereich befindet. Daher sind die Möglichkeiten zum Überwachen des zweiten SCR-Systems 101-2 begrenzt und werden je nach Fahrbedingungen eher selten durchgeführt.
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Die Menge des eingespritzten Harnstoffs ist von der motorischen Stickoxidemission und damit von der momentanen Drehzahl und dem Drehmoment des Verbrennungsmotors abhängig. Zur Erzielung hoher NOx-Minderungsraten ist es wichtig, dass die Harnstofflösung im richtigen Verhältnis zur Stickoxidemission des Verbrennungsmotors dosiert wird.
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Weiter ist in dem Abgasstrang vor dem ersten SCR-System 101-1 ein erster NOx-Sensor (Stickoxidsensor) 105-1 angeordnet. Zwischen dem ersten SCR-System 101-1 und dem zweiten SCR-System ist ein zweiter NOx-Sensor 105-2 angeordnet und nach dem zweiten SCR-System ist ein dritter NOx-Sensor 105-3 angeordnet. Die NOx-Sensoren 105-1, 105-2 und 105-3 sind beispielsweise als Doppelkammersensoren ausgebildet, die den NOx-Gehalt über den Strom messen.
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Durch die NOx-Sensoren 105-1, 105-2 und 105-3 lässt sich die Menge der Stickoxide im Abgas ermitteln und überwachen (Monitoring). Im Allgemeinen lassen zur Ermittlung der Menge der Stickoxide auch mathematische Modelle verwenden, so dass auf die Verwendung von NOx-Sensoren 105-1, 105-2 und 105-3 verzichtet werden kann.
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Die Reduktionseffizienz des ersten SCR-Systems 101-1 lässt sich ermitteln, indem der Messwert des ersten NOx-Sensors 105-1 mit dem Messwert des zweiten NOx-Sensors 105-2 verglichen wird. Die Reduktioneffizienz des ersten SCR-Systems 101-1 kann beispielsweise anhand des Quotienten des Messwertes des ersten NOx-Sensors 105-1 und des zweiten Messwertes des zweiten NOx-Sensors 105-2 errechnet werden.
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Die Reduktionseffizienz des zweiten SCR-Systems 101-2 lässt sich ermitteln, indem der Messwert des zweiten NOx-Sensors 105-2 mit dem Messwert des dritten NOx-Sensors 105-3 verglichen wird. Die Reduktioneffizienz des zweiten SCR-Systems 101-2 kann beispielsweise anhand des Quotienten des Messwertes des zweiten NOx-Sensors 105-2 und des Messwertes des dritten NOx-Sensors 105-3 errechnet werden.
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Ein Diagnosesystem dient zur Überwachung und der Fehlermittlung des Abgasreinigungssystems 100. Die SCR-Systeme 101-1 und 101-2 können auf Basis der jeweiligen Reduktionseffizienz überwacht werden. Bei Vorliegen einer niedrigen Reduktionseffizienz kann zunächst allgemein auf das Vorliegen eines Fehlers geschlossen werden.
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2 zeigt eine weitere schematische Ansicht eines Abgasreinigungssystems 100 mit zwei SCR-Systemen 101-1 und 101-2. Das erste und das zweite SCR-System 101-1 und 101-2 sind ein aktives SCR-System mit jeweils einer unabhängigen Harnstoffeinspritzung. Die übrigen Bezugszeichen entsprechen denjenigen aus 1.
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3 zeigt ein Diagramm der Reduktionseffizienz in unterschiedlichen Betriebszuständen. Bei einem Kaltstart und teilweise in einem Normalbetrieb ist die Reduktionseffizienz in dem ersten SCR-System 101-1 höher als in dem zweiten SCR-System 101-2. Bei einer Regeneration des Rußpartikelfilters ist die Reduktionseffizienz in dem ersten SCR-System 101-1 niedriger als in dem zweiten SCR-System 101-2. Im Vollastbetrieb und teilweise im Normalbetrieb ist die Reduktionseffizienz in dem ersten SCR-System 101-1 etwas niedriger als in dem zweiten SCR-System 101-2.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagnosesystems 200. Die Erfassungseinrichtung 107 wertet die Messwerte von den jeweiligen NOx-Sensoren 105-1, 105-2 und 105-3 aus und bestimmt so, die Reduktionseffizienz der jeweiligen SCR-Systeme 101-1 und 101-2. Daneben dient die Erfassungseinrichtung 107 zum Erfassen eines allgemeinen Fehlers im Abgasreinigungssystem 100. Die Erfassungseinrichtung 107 ist beispielsweise durch einen Mikroprozessor mit einem Programm zum Verarbeiten der Messwerte oder eine entsprechende festverdrahtete Schaltung gebildet.
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Wird ein allgemeiner Fehler festgestellt, erfasst die Erfassungseinrichtung 107 zunächst die Reduktionseffizienz der jeweiligen SCR-Systeme 101-1 und 101-2. Anschließend ändert die Änderungseinrichtung 109, die beispielsweise durch eine Steuerschaltung gebildet ist, das Reduktionsverhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten SCR-System 101-1, 101-2 durch Erhöhen oder Verringern einer eingespritzten Menge an Harnstoff in eines der SCR-Systeme 101-1 oder 101-2.
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Danach erfasst die Erfassungseinrichtung 107 erneut die Reduktionseffizienz der jeweiligen SCR-Systeme 101-1 und 101-2. Eine Ermittlungseinrichtung 111, die ebenfalls durch ein Programm zum Verarbeiten der Messwerte oder eine entsprechende festverdrahtete Schaltung gebildet sein kann, dient zum Ermitteln einer Fehlerursache auf Basis der Reduktionseffizienz des ersten und zweiten SCR-Systems 101-1 und 101-2 vor und nach dem Ändern des Reduktionsverhältnisses.
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Je nach den festgestellten Reduktionseffizienzen vor und nach der Änderung lassen sich unterschiedliche Fehlerursachen in dem Abgasreinigungssystem 100 ermitteln.
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Beispielsweise kann mittels des Diagnosesystems 200 eine schlechte Reduktionseffizienz des ersten SCR-Systems 101-1 auf Basis der NOx-Sensoren 105-1 und 105-2 ermittelt werden. Mittels des Diagnosesystems kann eine schlechte Reduktionseffizienz des zweiten SCR-Systems 101-2 auf Basis der NOx-Sensoren 105-2 und 105-3 ermittelt werden. In diesen Fall handelt es sich zunächst um allgemeine Fehler, die eines der SCR-Systeme 101-1 oder 101-2 betreffen und deren Ursache nicht sofort bekannt ist.
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Dazu wird bei einer Erkennung eines Fehlers in der Reduktionseffizienz des zweiten SCR-Systems 101-2, das erste SCR-System 101-1 mit einer höheren Dosierung von Harnstoff betrieben. Dadurch ändert sich das Reduktionsverhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten SCR-System 101-1 und 101-2. Harnstoff, der in dem ersten SCR-System 101-1 nicht umgesetzt worden ist, kann dann von dem zweiten SCR-System 101-2 umgesetzt werden. Anschließend wird erneut die Reduktionseffizienz beider SCR-Systeme 101-1 und 101-2 bestimmt.
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Von einer schlechten Qualität der Harnstofflösung wären beide SCR-Systeme 101-1 und 101-2 gleichzeitig betroffen unabhängig davon, ob das zweite SCR-System 101-2 eine eigene Einspritzdüse 103 aufweist oder ein passives SCR-System ist. In diesem Fall würde auch nach einer Änderung des Reduktionsverhältnisses die Reduktionseffizienz beider SCR-Systeme 101-1 und 101-2 niedrig sein. Ist die Reduktionseffizienz nach der Änderung in beiden SCR-Systemen 101-1 und 101-2 immer noch niedrig, so liegt eine schlechte Harnstoffqualität vor.
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Handelt es sich um ein Abgasreinigungssystem 100 mit zwei aktiven SCR-Systemen 101-1 und 101-2 kann bei einem Fehler in der Reduktionseffizienz des zweiten SCR-Systems 101-2 danach unterschieden werden, ob es sich um einen Fehler der Einspritzdüse 103 für Harnstoff handelt oder um einen Fehler des SCR-Katalysators. Durch ein Erhöhen der Dosierung des eingespritzten Harnstoffs an dem ersten SCR-System 101-1 ist es möglich, Ammoniak (NH3) auf den SCR-Katalysator des zweiten SCR-Systems zu leiten. Bei einem intakten SCR-Katalysator im zweiten SCR-System 101-2 wird hierdurch die Reduktionseffizienz erhöht. Auf diese Weise kann durch Bestimmen der jeweiligen Reduktionseffizienzen die genaue Fehlerursache innerhalb des Abgasreinigungssystems 100 bestimmt werden.
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Falls die hintere Einspritzdüse 103 des zweiten SCR-Systems 101-2 einen Fehler aufweist, kann mit einer höheren Dosierung an Harnstoff des ersten SCR-Systems 101-1 die Reduktionseffizienz des zweiten SCR-Systems 101-2 gemessen werden. Falls der Fehler den SCR-Katalysator des zweiten SCR-System 101-2 betrifft, ist nach dem Ändern des Reduktionsverhältnisses zwischen dem ersten und dem zweiten SCR-System 101-1 und 101-2 kein Unterschied in der Reduktionseffizienz des zweiten SCR-Systems 101-2 messbar.
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Eine Überwachungseinrichtung, die eine Reduktionseffizienz beider SCR-Systeme 101-1 und 101-2 vor und nach einer Änderung erfasst, ist also in der Lage, festzustellen, dass kein Fehler im Abgasreinigungssystem 100 als solchem vorliegt, sondern eine schlechte Qualität der Harnstofflösung gegeben ist oder bestimmte Komponenten von dem Fehler betroffen sind.
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Ein NOx-Koordinator 113 kann erfassen, ob das zweite SCR-System 101-2 in Betrieb ist und aktiviert dieses bei Vorliegen einer allgemeinen Fehlermeldung. Daneben kann der NOx-Koordinator 113 eine niedrigere Reduktionseffizienz des ersten SCR-Systems 101-1 durch eine höhere Reduktionseffizienz des zweiten SCR-Systems 101-2 kompensieren oder umgekehrt.
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Daneben ist der NOx-Koordinator 113 in der Lage, wenn eine Möglichkeit der Überwachung wegfällt, das erste SCR-System 101-1 und das AGR-System 105 des Verbrennungsmotors derart zu beeinflussen, dass die Überwachungsmöglichkeit erhalten bleibt.
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Der NOx-Koordinator 113 kann auch derart eingesetzt werden, dass dieser zu bestimmten Zeitpunkten das erste SCR-System 101-1 und das AGR-System 105 des Verbrennungsmotors steuert, um zusätzliche Überwachungsmöglichkeiten zu realisieren.
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5 zeigt ein Blockdiagramm eines Diagnoseverfahrens zum Ermitteln einer Fehlerursache in dem Abgasreinigungssystem. Das Diagnoseverfahren umfasst den Schritt S101 eines Erfassens eines Fehlers im Abgasreinigungssystem 100. In Schritt S102 wird eine Reduktionseffizienz des ersten und zweiten SCR-Systems 101-1, 101-2 in Reaktion auf den erfassten Fehler erfasst. In Schritt S103 wird das Reduktionsverhältnisses zwischen dem ersten und dem zweiten SCR-System 101-1, 101-2 geändert. Anschließend wird in Schritt S104 eine Reduktionseffizienz des ersten und zweiten SCR-Systems 101-1, 101-2 nach dem Ändern des Reduktionsverhältnisses erfasst. In Schritt S105 wird eine Fehlerursache auf Basis der Reduktionseffizienz des ersten und zweiten SCR-Systems vor und nach dem Ändern des Reduktionsverhältnisses bestimmt.
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Das Diagnoseverfahren beruht darauf, die Reduktionseffizienz der beiden SCR-Systeme 101-1 und 101-2 getrennt zu überwachen und anhand der Reduktionseffizienz unterschiedliche Fehlerursachen zu bestimmen, die beispielsweise die Qualität des Harnstoffs oder einzelne technische Komponenten der SCR-Systeme 101-1 und 101-2 betreffen.
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Dadurch wird ein umfassendes Diagnose-Konzept für ein Abgasreinigungssystem 100 mit zwei SCR-Systemen 101-1 und 101-2 geschaffen. Unterschiedliche Fehlereffekte oder ein Einfluss der Qualität des Harnstoffs auf die beiden SCR-Systeme 101-1 und 101-2 kann zum Ermitteln einer Fehlerursache verwendet werden.
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Die Basis des Konzeptes ist durch zwei Überwachungen der Reduktionseffizienz der beiden SCR-Systeme 101-1 und 101-2 gebildet. Eine Überwachung der Reduktionseffizienz des zweiten SCR-Systems 101-2 kann aber nur durchgeführt werden, wenn dieses im Einsatz ist. Zu diesem Zweck kann das Abgasreinigungssystem 100 einen NOx-Koordinator umfassen, der in der Lage ist, zu beurteilen, ob die Möglichkeit zum Überwachen des zweiten SCR-Systems 101-2 existiert und diese Überwachung zu priorisieren. Durch den NOx-Koordinator kann die Häufigkeit der Überwachung erhöht werden.
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Wenn eines der beiden SCR-Systeme 101-1 oder 101-2 durch einen Fehler beeinträchtigt ist und die Fehlerursache bekannt ist, gibt es die Möglichkeit, diesen Fehler teilweise durch das jeweils andere SCR-System zu kompensieren. Dadurch wird eine NOx-Emission durch den Fehler reduziert oder begrenzt.
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Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.
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Alle Verfahrensschritte können durch Vorrichtungen implementiert werden, die zum Ausführen des jeweiligen Verfahrensschrittes geeignet sind. Alle Funktionen, die von gegenständlichen Merkmalen ausgeführt werden, können ein Verfahrensschritt eines Verfahrens sein.
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Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt.