DE102018115572A1

DE102018115572A1 - Verfahren und Steuerung zum Bestimmen eines Zustands S eines selektiven Katalysators

Info

Publication number: DE102018115572A1
Application number: DE102018115572.7A
Authority: DE
Inventors: Arun Muthukaruppan; Waldemar Kansy
Original assignee: FEV Europe GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2017-07-05
Filing date: 2018-06-28
Publication date: 2018-08-16
Also published as: DE102017115038A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuerung zum Bestimmen eines Zustands S eines selektiven Katalysators.Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte: a) Bestimmen eines NOx-Wertes NOdurch Messen von Stickoxiden stromabwärts des Katalysators; b) Bestimmen eines Ammoniakwertes NHdurch Berechnen oder Messen von Ammoniak stromabwärts des Katalysators; c) Berechnen eines Korrekturwerts k, der den Ammoniakwert NHberücksichtigt; d) Berechnen einer Konversionseffizienz ηdes Katalysators und Bestimmen einer korrigierten Konversionseffizienz ηdurch Korrektur der Konversionseffizienz ηmit dem Korrekturwert k; e) Vergleich der korrigierten Konversionseffizienz ηmit einem Konversionsschwellenwert η.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuerung zum Bestimmen eines Zustands S eines selektiven Katalysators.
Die US20150226102A1 offenbart ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem selektiven Katalysator (SCR), einem ersten NOx-Sensor stromaufwärts des Katalysators und einem zweiten NOx-Sensors stromabwärts des Katalysators. Durch Messen von Stickstoffwerten mittels der NOx-Sensoren wird die Konversionseffizienz des Katalysators bestimmt. Die DE102012211705A1 offenbart ein Verfahren zur Überprüfung eines NH₃-querempfindlichen Stickoxidsensors, der in einem Katalysatorsystem zwischen zwei Katalysatoren angeordnet ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen eines Zustands S eines selektiven Katalysators umfasst die Schritte: a) Bestimmen eines NOx-Wertes NO_x,meas durch Messen von Stickoxiden stromabwärts des Katalysators; b) Bestimmen eines Ammoniakwertes NH₃ durch Berechnen oder Messen von Ammoniak stromabwärts des Katalysators; c) Berechnen eines Korrekturwerts k, der den Ammoniakwert NH₃ berücksichtigt; d) Berechnen einer Konversionseffizienz η_mod des Katalysators und Bestimmen einer korrigierten Konversionseffizienz η_app durch Korrektur der Konversionseffizienz η_mod mit dem Korrekturwert k; e) Vergleich der korrigierten Konversionseffizienz η_app mit einem Konversionsschwellenwert η_thres.
Die Konversionseffizienz gibt an, wieviel Stickoxid durch den Katalysator durch Reaktion mit Ammoniak umgewandelt werden kann. Unter dem Begriff „Katalysator“ soll im Rahmen der Erfindung auch Katalysatorensysteme zu verstehen sein, beispielsweise Systeme, die mehrere Katalysatoren umfassen.
Das Verfahren ist insbesondere vorteilhaft, falls zum Messen des NOx-Wertes ein Sensor eingesetzt wird, der kreuzempfindlich für Ammoniak ist. In diesem Falle wird ein Ammoniak-Schlupf durch den Katalysator von dem stromabwärts angeordneten NOx-Sensor als zusätzliches Stickoxid detektiert, was zu einer fehlerhaften Bestimmung der tatsächlichen Konversionseffizienz des Katalysators und zu einem zu frühzeitigen, unerwünschten Abschalten einer On-Board-Diagnose (OBD), insbesondere einer Katalysator-Diagnose, führen kann. Erfindungsgemäß fließt der Ammoniakwert stromabwärts des Katalysators, der entweder über eine Modell berechnet oder mittels eines Sensors gemessen werden kann, in einen Korrekturwert für eine berechnete Konversionseffizienz η_mod ein. In der berechneten Konversionseffizienz η_mod ist vorzugsweise ein Ammoniak-Schlupf nicht berücksichtigt. Damit kann die korrigierte Konversionseffizienz η_appbesser den tatsächlichen Verhältnissen entsprechen. Als Ergebnis des Vergleichs der so gebildeten korrigierten Konversionseffizienz η_appmit einem Konversionsschwellenwert η_thres lassen sich geeignete Maßnahmen einleiten.
Besonders bevorzugt ist, durch den Vergleich das Einschalten, Beibehalten oder Ausschalten einer Katalysator-OBD-Diagnose zu steuern. So kann der Konversionsschwellenwert η_thres bestimmen, ab welcher Konversionseffizienz der SCR als möglicherweise fehlerhaft oder nicht funktionsfähig gelten soll. Dementsprechend wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Diagnose eingeschaltet oder bleibt aktiv, wenn die korrigierte Konversionseffizienz η_appoberhalb des Schwellenwertes liegt, und/oder die Diagnose ausgeschaltet, wenn die die korrigierte Konversionseffizienz η_appauf oder unterhalb des Schwellenwertes liegt. Die Berücksichtigung des Ammoniakwertes ermöglicht es, dass die Diagnose zumindest bis zu einer gewissen Höhe des Ammoniakschlupfes aktiv bleibt oder eingeschaltet wird. Ein möglicher Vorteil ist, dadurch die durch den Gesetzgeber vorgegebenen Bedingungen für die Diagnosehäufigkeit leichter zu erfüllen.
Eine Verbesserung des Verfahrens lässt sich dadurch erreichen, dass der Korrekturwert k den Wert NOx,meas, insbesondere das Verhältnis $\frac{N H_{3}}{N O x, m e a s},$
die Ammoniak-Querempfindlichkeit χ eines stromabwärts liegenden Nox-Sensors und/oder einen Offset-Wert berücksichtigt.
Die erfindungsgemäße Steuerung für ein Abgasnachbehandlungssystem umfasst einen selektiven Katalysator und einen NOx-Sensor, der in Abgasflussrichtung stromabwärts des Katalysators angeordnet ist, wobei die Steuerung eingerichtet ist für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Erfindung ist besonders vorteilhaft für Katalysatoren, in denen eine gleichmäßige Verteilung des Ammoniaks nicht gewährleistet werden kann, und in denen eine Modellierung des Ammoniakschlupfes aufwendig oder nicht ausreichend genau ist.
Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt

1 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Abgasnachbehandlungsanlage mit einer erfindungsmäßig eingerichteten Steuerung, und
2 ein Diagramm, das in Abhängigkeit eines Ammoniakschlupfs den Zustand S der Katalysator-Diagnose darstellt.

Die 1 zeigt einen Ausschnitt einer Abgasnachbehandlungsanlage. Die Abgasnachbehandlungsanlage umfasst einen selektiven Katalysator 2 (SCR-Katalysator), einen ersten NOx-Sensor 4, der stromaufwärts des Katalysators 2 angeordnet ist, und einen zweiten NOx-Sensor 3, der stromabwärts des Katalysators 2 angeordnet ist. Zumindest der zweite NOx-Sensor ist querempfindlich für Ammoniak. Für die Steuerung der Abgasnachbehandlungsanlage ist eine Steuerung 1 vorgesehen. Die Steuerung 1 ist mir den Sensoren 3, 4 zum Auslesen der Messwerte verbunden. Die Abgasnachbehandlungsanlage umfasst eine hier nicht dargestellte Dosieranlage für die Dosierung von Ammoniak. Die Dosieranlage ist stromaufwärts des Katalysators 2 angeordnet. Die Abgasnachbehandlungsanlage umfasst eine OBD, zu der eine Diagnose des Katalysators 2 gehört. Die OBD kann zumindest teilweise in der Steuerung 1 integriert sein.
Die Steuerung 1 ist eingerichtet, um in Abhängigkeit eines Zustands S des Katalysators 2 die Katalysator-Diagnose einzuschalten oder aktiv zu halten, oder die Katalysator-Diagnose auszuschalten. Der Zustand S entspricht der korrigierten Effizienz des Katalysators 2. Das von der Steuerung 1 durchgeführte Verfahren wird im Folgenden beschrieben.
Gemäß dem Verfahren zum Bestimmen des Zustands S des selektiven Katalysators wird in einem ersten Schritt ein NOx-Wert NO_x,meas durch Messen von Stickoxiden stromabwärts des Katalysators, hier mit dem zweiten NOx-Sensor 3, bestimmt. In einem zweiten Schritt wird ein Ammoniakwert NH₃ durch Berechnen von Ammoniak stromabwärts des Katalysators bestimmt. Dies kann über ein geeignetes Ammoniak-Katalysatormodell erfolgen. Alternativ ist es möglich, den Ammoniakwert durch einen geeigneten Sensor stromabwärts des Katalysators 2 zu messen. In einem dritten Schritt wird ein Korrekturwert k berechnet, der den Ammoniakwert NH₃ berücksichtigt. In einem vierten Schritt wird eine Konversionseffizienz η_mod des Katalysators berechnet, hier mittels eines Modells, und eine korrigierte Konversionseffizienz η_app durch Korrektur der Konversionseffizienz η_mod mit dem Korrekturwert k bestimmt. In der berechneten Konversionseffizienz η_mod ist der Ammoniakschlupf nicht berücksichtigt. Anschließend wird die korrigierte Konversionseffizienz η_appmit einem Konversionsschwellenwert η_thres verglichen. Der Konversionsschwellenwert η_thres bestimmt, ab welcher Konversionseffizienz der SCR als möglicherweise fehlerhaft oder nicht funktionsfähig gelten muss und die Katalysator-Diagnose nicht mehr durchgeführt werden darf.
Falls der Vergleich ergibt, dass die korrigierte Konversionseffizienz η_appüber dem Konversionsschwellenwert η_thres liegt, wird die Katalysator-Diagnose, falls bereits aktiv, beibehalten. Falls diese deaktiviert sein sollte, wird diese eingeschaltet.
Falls der Vergleich ergibt, dass die korrigierte Konversionseffizienz η_appunter dem Konversionsschwellenwert η_thres liegt, wird die Katalysator-Diagnose ausgeschaltet.
Ein geeigneter Korrekturwert k kann über die Gleichung $k = 1 - \frac{N H_{3}}{N O x, m e a s}$
berechnet werden. Die korrigierte Konversionseffizienz η_app wird über η_app = k * η_mod bestimmt.
2 zeigt ein Diagramm, dass in Abhängigkeit eines tatsächlichen Ammoniakschlupfes 11 und eines tatsächlichen NOx-Wertes 10 stromabwärts des Katalysators 2 den Zustand S der Katalysator-Diagnose darstellt. Im Zustand S = 0 ist die Diagnose ausgeschaltet, im Zustand S = 1 ist die Diagnose eingeschaltet. Ist der Ammoniakschlupf erhöht, bleibt gemäß einem konventionellen Verfahren ohne Korrekturwert k die Diagnose ausgeschaltet (Sconv = 0). Das erfindungsgemäße Verfahren schaltet indes die Diagnose an (Sinv = 1) wenn das Verhältnis von Ammoniakschlupf 11 zu dem NOx-Wert 10 stromabwärts des Katalysators 2 sinkt, so dass die Konversionseffizienz η_app des Katalysators oberhalb des Schwellenwertes η_thres ist. Steigt das Verhältnis von Ammoniakschlupf 11 zu dem NOx-Wert 10 stromabwärts des Katalysators 2, so dass die Konversionseffizienz η_app auf oder unterhalb des Schwellenwertes η_thres liegt, dann schaltet das erfindungsgemäße Verfahren die Diagnose aus (Sinv=0 ). Ist der Ammoniakschlupf 11 niedriger, schaltet das konventionelle Verfahren die Diagnose an (Sconv = 1). Das erfindungsgemäße Verfahren schaltet die Diagnose an (Sinv = 1), wenn das Verhältnis von Ammoniakschlupf zu dem NOx-Wert stromabwärts des Katalysators sinkt, so dass die Konversionseffizienz η_app des Katalysators oberhalb des Schwellenwertes η_thres liegt. Erfindungsgemäß verbleibt die Katalysator-Diagnose länger aktiv. Dies ist beispielsweise vorteilhaft für das Erreichen einer gesetzlich vorgegebenen IUMPR-Quote.
Ein alternativer Korrekturwert k kann über die Gleichung $k = χ \frac{N H_{3}}{N O x, m e a s}$
bestimmt werden, wobei χ die Ammoniak-Querempfindlichkeit des stromabwärts liegenden NOx-Sensors 3 berücksichtigt. Die korrigierte Konversionseffizienz η_app wird über η_app = η_mod - k bestimmt.
In einer weiteren Alternative kann der Korrekturwert k ein Offset η_off enthalten. Für obiges Beispiel ergibt sich damit $k = χ \frac{N H_{3}}{N O x, m e a s} + η_{o f f} .$
Mit einem Offset-Wert lassen sich beispielsweise vorteilhafterweise Toleranzen der beteiligten Sensoren, insbesondere des zweiten NOx-Sensors 4 berücksichtigen.
Der Katalysator 2 ist hier als einzelner Katalysator dargestellt. Das Ausführungsbeispiel lässt sich alternativ auf Katalysatorsysteme, beispielsweise Systeme mit zwei SCR-Katalysatoren, anwenden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20150226102 A1 [0002]
DE 102012211705 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Zustands S eines selektiven Katalysators, umfassend die Schritte: a) Bestimmen eines NOx-Wertes NO_x,meas durch Messen von Stickoxiden stromabwärts des Katalysators; b) Bestimmen eines Ammoniakwertes NH₃ durch Berechnen oder Messen von Ammoniak stromabwärts des Katalysators; c) Berechnen eines Korrekturwerts k, der den Ammoniakwert NH₃ berücksichtigt; d) Berechnen einer Konversionseffizienz η_mod des Katalysators und Bestimmen einer korrigierten Konversionseffizienz η_appdurch Korrektur der Konversionseffizienz η_mod mit dem Korrekturwert k; e) Vergleich der korrigierten Konversionseffizienz η_appmit einem Konversionsschwellenwert η_thres.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend den Schritt: f) Falls der Vergleich ergibt, dass die korrigierte Konversionseffizienz η_appüber dem Konversionsschwellenwert η_thres liegt, Einschalten oder Beibehalten einer Katalysator-Diagnose.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: g) Falls der Vergleich ergibt, dass die korrigierte Konversionseffizienz η_appunter dem Konversionsschwellenwert η_thres liegt, Ausschalten einer Katalysator-Diagnose.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Korrekturwert k das Verhältnis $\frac{N H_{3}}{N O x, m e a s}$
berücksichtigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Korrekturwert eine Ammoniak-Querempfindlichkeit χ eines stromabwärts liegenden Nox-Sensors berücksichtigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Korrekturwert k einen Offsetwert berücksichtigt.
Steuerung (1) für ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem selektiven Katalysator (2) und einen NOx-Sensor (3), der in Abgasflussrichtung stromabwärts des Katalysators (2) angeordnet ist, wobei die Steuerung (1) eingerichtet ist für die Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Schritte.