DE102018215627A1 - Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine und Abgasnachbehandlungsanlage - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine und Abgasnachbehandlungsanlage Download PDF

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Abstract

Es werden ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine, und eine entsprechende Abgasnachbehandlungsanlage beschrieben. Das Verfahren betrifft die Überprüfung eines SCR-Partikelfilter (3) der Abgasnachbehandlungsanlage auf Funktionsfähigkeit in Bezug auf dessen Filterwirkung und NO/NH-Konvertierung, indem eine definierte NO- und/oder NH-Konzentrationsänderung stromaufwärts des SCR-Partikelfilters (3) herbeigeführt und in einem unmittelbar auf die genannte Konzentrationsänderung folgenden festgelegten Zeitfenster (TW) die NO- und/oder NH-Konzentrationsänderung nach dem SCR-Partikelfilter (3) gemessen und darauf basierend ein Konzentrations-Vergleichswert (VgW) bereitgestellt wird. Anhand eines Vergleichs des Konzentrations-Vergleichswert (VgW) mit vorgegebenen Grenzwerten (GW) wird dann der SCR-Partikelfilter (3) als schadhaft diagnostiziert, wenn der Konzentrations-Vergleichswert (VgW) zumindest einen vorgegebenen Grenzwert (GW) überschritten hat. Die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsanlage ist eingerichtet zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens. Mit Hilfe des vorgenannten Verfahrens sowie der Abgasnachbehandlungsanlage kann eine Diagnose des SCR-Partikelfilters (3) mit hoher Zuverlässigkeit und Robustheit gegenüber Störeinflüssen als On-Board-Diagnose durchgeführt werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, die einen in einer Abgasleitung angeordneten kombinierten SCR-Partikelfilter und eine Einrichtung zum gezielten, definierten Verändern der NH3- und/oder NOx-Konzentration im Abgasmassenstrom stromaufwärts vor dem SCR-Partikelfilter aufweist.
  • Insbesondere Fahrzeuge mit Diesel-Brennkraftmaschinen (Dieselmotor), zunehmend jedoch auch Fahrzeuge mit Otto-Brennkraftmaschinen (Benzinmotor), weisen heutzutage einen Partikelfilter (DPF, PF) zur Vermeidung von Partikeln (Ruß, Feinstaub) in den Abgasemissionen sowie einen sogenannten SCR-Katalysator (Katalysator mit selektiver Reduktion) zur Verringerung des NOx-Anteiles in den Abgasemissionen auf. Dabei findet immer mehr ein kombinierter Filter-Katalysator, im Weiteren hier als SCR-Partikelfilter oder mit dem Kürzel SC-PF bezeichnet, Verwendung, bei dem es sich um einen Partikelfilter mit SCR-Funktion handelt, d.h. einen Partikelfilter, der eine zusätzliche Beschichtung aus einem NOx/NH3-Konvertierungsmaterial aufweist. Mit anderen Worten handelt es sich daher hierbei um einen Partikelfilter mit integrierter SCR-Funktion.
  • Bei einem SCR-Katalysator entsteht durch Zugabe einer wässrigen Harnstofflösung zum Abgas NH3 (Ammoniak), das mit dem NOx im Abgas zu elementarem Stickstoff (N2) und Wasser reagiert.
  • Der Gesetzgeber senkt die Emissionsgrenzwerte der Abgase von Fahrzeugen mit Brennkraftmaschinen (Verbrennungsmotoren) immer weiter ab und erlässt Vorschriften zur Überwachung deren vorschriftsmäßiger Funktion. Dies betrifft insbesondere auch die sogenannte OBD-Diagnose (On-Board-Diagnose, laufende, automatische Selbstdiagnose im bestimmungsgemäßen Betrieb des Fahrzeugs) bei derartigen Fahrzeugen. So müssen heutzutage auch die SCR-Partikelfilter einer solchen, häufigen und genauen OBD-Diagnose unterzogen werden.
  • Es ist bekannt, eine derartige Diagnose in Bezug auf die Partikel-Emissionen mit einem sogenannten PM-Sensor (Particulate Matter Sensor, Partikelsensor) durchzuführen. Wenn dabei die mit dem Partikelsensor gemessene PM-Emission nach dem Patikelfilter höher ist als ein Schwellenwert, wird der Partikelfilter als fehlerhaft diagnostiziert. Für eine derartige Diagnose wird jedoch ein relativ langer Zeitraum benötigt. Ferner ist die Diagnose auf die Partikel-Emission beschränkt und die Genauigkeit der Diagnose ist zudem nicht gut genug, um den Anforderungen von zukünftigen noch niedrigeren Emissionsschwellenwerten gerecht zu werden.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine entsprechende Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine zu schaffen, die eine besonders rasche und genaue Überwachung eines SCR-Partikelfilters in Bezug auf seine NOx/NH3-Konvertierung und die Partikelfilterung im Betrieb der Brennkraftmaschine ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren und einer Abgasnachbehandlungsanlage gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine vorgestellt, wobei die Abgasnachbehandlungsanlage eine Abgasleitung zur Führung eines Abgasmassenstroms und einen in der Abgasleitung angeordneten SCR-Partikelfilter aufweist und wobei eine Einrichtung zum gezielten, definierten Verändern der NH3- und/oder NOx-Konzentration im Abgasmassenstrom stromaufwärts vor dem SCR-Partikelfilter, und zumindest ein erster Konzentrationssensor, im Abgasmassenstrom stromabwärts nach dem SCR-Partikelfilter, angeordnet ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren weist dabei die im Folgenden dargestellten Schritte auf:
    • - Zunächst wird die Brennkraftmaschine auf eine Diagnosebetriebsart eingestellt, wobei bestimmte maßgebliche Diagnose-Betriebsparameter der Brennkraftmaschine auf Übereinstimmung mit Diagnose-Vorgabewerten verifiziert, eingestellt oder eingeregelt werden.
    • - Bei Vorliegen der Diagnosebetriebsart erfolgt eine gezielte, definierte Herbeiführung einer NH3-Konzentrationsänderung und/oder einer NOx-Konzentrationsänderung im Abgasmassenstrom stromaufwärts des SCR-Partikelfilters, in Bezug auf die in der Diagnosebetriebsart vorliegenden Werte der NH3-Konzentration und oder der NOx-Konzentration.
    • - Anschließend erfolgt das Messen der NH3- und/oder NOx-Konzentrationsänderung im Abgasmassenstrom nach dem SCR-Partikelfilter innerhalb eines, unmittelbar auf die vorgenannte NH3- und/oder NOx-Konzentrationsänderung vor dem SCR-Partikelfilter folgenden, festgelegten Zeitfensters, mittels des zumindest einen ersten Konzentrationssensors, der ein entsprechendes erstes Konzentrationsmesssignal abgibt, und das
    • - Bereitstellen eines korrelierenden Konzentrations-Vergleichswertes zumindest auf Basis des ersten Konzentrationsmesssignals.
    • - Anhand des jeweiligen Konzentrations-Vergleichswertes und vorgegebener Grenzwerte erfolgt eine Bewertung der innerhalb des festgelegten Zeitfensters gemessenen NH3- und/oder NOx-Konzentrationsänderung nach dem SCR-Partikelfilter.
    • - Schließlich erfolgt ein Diagnostizieren des SCR-Partikelfilters als schadhaft, wenn die Bewertung ergibt, dass der Konzentrations-Vergleichswert zumindest einen vorgegebenen Grenzwert überschritten hat.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine, die einen in einer Abgasleitung angeordneten SCR-Partikelfilter und zumindest eine Einrichtung zum gezielten, definierten Verändern der NH3- und/oder NOx-Konzentration im Abgasmassenstrom stromaufwärts vor dem SCR-Partikelfilter, und zumindest einen Konzentrationssensor, zum Messen der NH3- und/oder NOx-Konzentration im Abgasmassenstrom stromabwärts nach dem SCR-Partikelfilter aufweist.
  • Diese Abgasnachbehandlungsanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine elektronische Rechen- und Steuereinheit aufweist, die eingerichtet ist zum gezielten, definierten Verändern der NH3- und/oder NOx-Konzentration im Abgasmassenstrom stromaufwärts des SCR-Partikelfilter mittels der Einrichtung zum gezielten, definierten Verändern der NH3- und/oder NOx-Konzentration und zur Erfassung eines von dem zumindest einen Konzentrationssensor ausgegebenen ersten Konzentrationsmesssignals. Dabei ist die elektronische Rechen- und Steuereinheit weiterhin dazu eingerichtet, das Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine gemäß einem der vorausgehend und nachfolgend beschriebenen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen.
  • Es lässt sich somit zusammenfassen, dass die Grundidee der Erfindung darin besteht, einen NOx- und/oder NH3-Sensor nach einem SCR-Partikelfilter zu verwenden, um in Verbindung mit einer NH3-Konzentrationsänderung und/oder einer NOx-Konzentrationsänderung im Abgasmassenstrom stromaufwärts des SCR-Partikelfilters den SCR-Partikelfilter einer Funktionsüberprüfung, insbesondere einer Performancediagnose, zu unterziehen. Als SCR-Partikelfilter findet beispielsweise ein Wandstromfilter mit geeigneter SCR-Beschichtung Verwendung.
  • Funktionsbeeinflussende Beschädigungen von SCR-Partikelfiltern bestehen in der Regel aus Durchbrüchen bzw. Löchern im Substrat des Filters, deren Anzahl oder Querschnittsfläche den Grad der Beschädigung bestimmen und durch die ein entsprechender Teil des Abgases ungefiltert und unbehandelt durchtreten kann. Wenn der Gesamtquerschnitt der Durchbrüche oder offenen Löcher über einem Schwellenwert liegt, überschreitet die entsprechende Partikelemission einen Diagnoseschwellenwert (OBD-Schwellenwert).
  • Um diesen Zustand zu erfassen, wird vorzugsweise in einem stetigen bzw. stationären Betriebszustand, beispielsweise im Leerlauf, bei einer quasikonstanten SCR-Partikelfilter-Temperatur, bei dem das NOx-Konzentrationssignal und/oder das NH3-Konzentrationssignal nach dem SCR-Partikelfilter gering variiert, beispielsweise unter 1 ppm/sec, die Zugabemenge der Harnstofflösung und/oder die NOx-Rohemission vorzugsweise in einem Schritt erhöht, beispielsweise um 200 ppm NH3/NOx ausgehend von der zuvor gegebenen NH3-Zugabemenge bzw. NOx-Rohemission, und es wird der NOx- und/oder NH3-Signalverlauf beobachtet (Messung des entsprechenden Konzentrationsanstieges) . Liegt nunmehr der SCR-Partikelfilter innerhalb der Emissionsgrenze, ist davon auszugehen, dass der gesamte Querschnitt von Durchbrüchen im Filtersubstrat so gering ist, dass der zugegebene Harnstoff bzw. die erhöhte NOx-Konzenteration zunächst zum größten Teil im SCR-Partikelfilter gespeichert wird. Daher besitzt das nach dem Filter gemessene NOx- oder NH3-Signal während einer kurzen Zeitdauer von beispielsweise 3 sec in Abhängigkeit vom Luftmassenstrom nur einen geringen Anstieg. Danach ist das entsprechende Signal stabil und hat einen sehr viel geringeren Gradienten (weniger als 1 ppm/sec) als ein zu stark geschädigter SCR-Partikelfilter.
  • Wird jedoch der Schwellenwert überschritten, ist der gesamte Querschnitt von Durchbrüchen im Filtersubstrat so groß, dass der zugegebene Harnstoffbzw. die erhöhte NOx-Konzentration zu einem großen Anteil und nahezu ohne Verzögerung unbehandelt durch den SCR-Partikelfilter strömt, so dass die entsprechenden Sensoren nach dem SCR-Partikelfilter innerhalb des festgelegten, unmittelbar folgenden Zeitfensters einen unmittelbaren, erhöten NH3-/NOx-Konzentrationsanstieg registrieren, wonach das entsprechende Signal wieder einen stabileren Zustand mit niedrigerem Gradienten einnimmt.
  • Es hat sich erwiesen, dass das Verhältnis zwischen der NOx- und/oder NH3-Konzentrationsänderung nach dem SCR-Partikelfilter und der NOx- und/oder NH3-Konzentrationsänderung vor dem SCR-Partikelfilter direkt proportional zum Gesamtquerschnitt der Durchbrüche im Filtersubstrat des SCR-Partikelfilters ist. Wenn dieses Verhältnis über einem bestimmten Schwellenwert oder Grenzwert liegt, wird der Filter als schadhaft in Bezug auf die Partikelumwandlung eingestuft.
  • Eine entsprechende NOx-Konzentrationsänderung vor dem SCR-Partikelfilter kann beispielsweise durch Reduktion der Abgasrückführrate (EGR-Rate), insbesondere bei einer Hochdruckabgasrückführung, aber auch bei einer Niederdruckabgasrückführung, durchgeführt werden. Auch hier zeigt sich, dass die NOx-Konzentrationsänderung nach dem SCR-Partikelfilter in Relation zur NOx-Konzentrationsänderung vor dem SCR-Partikelfilter direkt proportional zum Gesamtquerschnitt der Durchbrüche im Filtersubstrat des SCR-Partikelfilters ist. Im Rahmen des Verfahrens wird auf Basis des, mittels des zumindest einen Konzentrationssensors bereitgestellten, Konzentrationsmesssignals ein Konzentrations-Vergleichswert ermittelt. In einfachster Ausprägung kann dieser Konzentrations-Vergleichswert zum Beispiel den Maximalausschlag des Konzentrationsmessignals innerhalb des festgelegten Zeitfensters darstellen. Der Konzentrations-Vergleichswert kann jedoch auch eine Verhältniszahl zwischen der NH3- und/oder NOx-Konzentrationsänderung vor und nach dem SCR-Partikelfilter sein. Ebenso kann der Konzentrations-Vergleichswert auf Basis mehrerer aufeinanderfolgender Konzentrationsänderungen ermittelt werden und es können auch die jeweiligen Gradienten der Konzentrationsänderungen herangezogen werden, wie im Weiteren noch erläutert werden soll. Dabei kann unter der Konzentrationsänderung sowohl eine Konzentrationserhöhung als auch eine Konzentrationsreduzierung oder beides aufeinanderfolgend verstanden werden.
  • Bei dem benannten Konzentrationssensor handelt es sich, je nachdem ob zur Durchführung des Verfahrens die NH3- oder NOx -Konzentration geändert wird, um einem NH3-Sensor oder einen NOx-Sensor. Während ein NH3-Sensor lediglich zur Messung der NH3-Konzentration geeignet ist, kann mit dem erwähnten NOx-Sensor hingegen sowohl die NH3- als auch die NOx -Konzentration also folglich auch eine Kombination aus NOx und NH3 gemessen werden. Es handelt sich in diesem Fall also um einen kombinierten NH3-/NOx -Konzentrationssensor. Je nach der gewünschten Messung können daher die hierfür geeigneten Sensoren vorgesehen werden.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, die einen in einer Abgasleitung angeordneten SCR-Partikelfilter und zumindest eine Einrichtung zum gezielten, definierten Verändern der NH3- und/oder NOx-Konzentration im Abgasmassenstrom stromaufwärts vor dem SCR-Partikelfilter, und zumindest einen ersten Konzentrationssensor, zum Messen der NH3- und/oder NOx-Konzentration im Abgasmassenstrom stromabwärts nach dem SCR-Partikelfilter aufweist. Dabei zeichnet sich diese Abgasnachbehandlungsanlage dadurch aus, dass sie eine elektronische Rechen- und Steuereinheit aufweist, die eingerichtet ist zum gezielten, definierten Verändern der NH3- und/oder NOx-Konzentration im Abgasmassenstrom stromaufwärts des SCR-Partikelfilters mittels der Einrichtung zum gezielten, definierten Verändern der NH3- und/oder NOx-Konzentration und zur Erfassung eines von dem zumindest einen ersten Konzentrationssensor ausgegebenen ersten Konzentrationsmesssignals. Die elektronische Rechen- und Steuereinheit ist erfindungsgemäß weiterhin dazu eingerichtet, das Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine, wie in dem vorausgehend und den nachfolgend beschriebenen Ausführungen dargestellt, auszuführen.
  • Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele und Weiterbildungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Ausführung einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsanlage;
    • 2 ein Blockdiagramm zur Darstellung des Verfahrensablaufs einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahens;
    • 3 eine qualitative Darstellung von Verlaufskurven der NOx/NH3-Konzentration vor und nach dem SCR-Partikelfilter bei intaktem und defektem SCR-Partikelfilter; und
    • 4 eine qualitative Darstellung von Verlaufskurven der NOx/NH3-Konzentration vor und nach dem SCR-Partikelfilter bei aufeinanderfolgenden NOx/NH3-Konzentrationsänderungen.
  • Funktions- und Benennungsgleiche Objekte sind in den Figuren durchgehend mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • 1 zeigt schematisch in einer vereinfachten Darstellung eine Ausführung einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine, beispielsweise eines Dieselmotors. Der von der Brennkraftmaschine (hier nicht dargestellt) kommende Abgasmassenstrom 10 wird in Pfeilrichtung durch eine Abgasleitung 1 geführt und passiert dabei einen SCR-Partikelfilter 3 (SC-PF), der beispielsweise als Wandstromfilter mit SCR-Beschichtung ausgebildet und in der Abgasleitung 1 angeordnet ist.
  • Zum gezielten, definierten Herbeiführen einer NH3-Konzentrationsänderung im Abgasmassenstrom 10 stromaufwärts vor dem SCR-Partikelfilter 3 ist an der Abgasleitung 1 stromaufwärts vor dem SCR-Partikelfilter 3 eine NH3-Zuführeinrichtung 7, für die Zuführung einer NH3-Lösung 7d in die Abgasleitung 1, angeordnet. Die NH3-Zuführeinrichtung 7 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Vorratsbehälter 7a, zur Bevorratung einer geeigneten wässrigen NH3-Lösung 7d auf, die auch als Harnstofflösung bezeichnet wird. Über eine Zuführleitung steht der Vorratsbehälter 7a mit einer Dosiereinrichtung 7b, beispielsweise einem Einspritzventil, in Verbindung, das wiederum an der Abgasleitung 1 angeordnet und dazu eingerichtet ist, definierte Mengen der NH3-Lösung in den Abgasmassenstrom 10 abzugeben. Durch die zugeführte NH3-Lösung entsteht NH3, das den im Abgas enthaltenen NOx-Anteil in Stickstoff und Wasser umwandelt. Der SCR-Partikelfilter erfüllt daher seine Funktion als Dieselpartikelfilter und bewirkt gleichzeitig eine Reduzierung des NOx-Anteiles im Abgas.
  • Weiterhin ist zum gezielten, definierten Herbeiführen einer NOx-Konzentrationsänderung im Abgasmassenstrom 10 stromaufwärts vor dem SCR-Partikelfilter 3, eine von der Abgasleitung 1 stromaufwärts vor dem SCR-Partikelfilter 3 abzweigende Abgasrückführungseinrichtung 2, ein sogenanntes Hochdruckabgasrückführungssystem, angeordnet, über das ein erster Teil-Abgasmassenstrom 10a des von der Brennkraftmaschine abgegebenen Abgasmassestroms 10 über eine erste Abgasrückführleitung 2a in den Ansaugbereich der Brennkraftmaschine zurückgeführt wird. Die Größe des zurückgeführten ersten Teil-Abgasmassenstroms 10a kann dabei über ein in der ersten Abgasrückführleitung 2a angeordnetes erstes Abgasrückführventil 2b eingestellt werden. In zweckmäßiger Weise ist die Abzweigung dieser Abgasrückführungseinrichtung 2 an der Abgasleitung 1 stromaufwärts der NH3-Zuführeinrichtung 7 angeordnet, da die zugeführte NH3-Lösung 7d vollständig dem SCR-Partikelfilter 3 zur NOx-Reduktion zugeführt werden soll.
  • In einer weiteren Ausbaustufe der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsanlage, wie in 1 dargestellt, ist zum gezielten, definierten Herbeiführen einer NOx-Konzentrationsänderung im Abgasmassenstrom 10 stromaufwärts vor dem SCR-Partikelfilter 3, eine von der Abgasleitung 1 stromabwärts nach dem SCR-Partikelfilter 3 abzweigende Abgasrückführungseinrichtung 8, ein sogenanntes Niederdruckabgasrückführungssystem, angeordnet, über das ein weiterer Teil-Abgasmassenstrom 10b des von der Brennkraftmaschine abgegebenen Abgasmassestroms 10 über eine weitere Abgasrückführleitung 8a in den Ansaugbereich der Brennkraftmaschine zurückgeführt wird. Die Größe des zurückgeführten weiteren Teil-Abgasmassenstroms 10b kann dabei über ein in der weiteren Abgasrückführleitung 8a angeordnetes, weiteres Abgasrückführventil 8b eingestellt werden.
  • Die Funktionsweise derartiger Abgasrückführungseinrichtungen zur Emissionsreduzierung, insbesondere zur Beeinflussung der NOx-Rohemissionen der Brennkraftmaschine, also der NOx-Konzentration im Abgas ist dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt und soll hier nicht weiter erläutert werden.
  • Obwohl die in der in 1 gezeigte maximale Ausbaustufe der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsanlage sowohl eine NH3-Zuführeinrichtung 7 als auch eine erste Abgasrückführungseinrichtung 2 als auch eine weitere Abgasrückführungseinrichtung 8 aufweist, so ist für eine erfindungsgemäße Ausführung der Abgasnachbehandlungsanlage auch bereits das Vorhandensein einer dieser Einrichtungen ausreichend. Ebenso können auch zwei oder alle drei dieser Einrichtungen im kombinierten Betrieb eingesetzt und quasi zu einer Einrichtung zum gezielten definierten Herbeiführen einer NH3-Konzentrationsänderung und/oder einer NOx-Konzentrationsänderung im Abgasmassenstrom 10 stromaufwärts des SCR-Partikelfilters 3 zusammengefasst werden.
  • Als für das erfindungsgemäße Verfahren unabdingbare Komponente, ist zumindest ein erster Konzentrationssensor 6, zum Messen der NH3- und/oder NOx-Konzentration im Abgasmassenstrom 10 stromabwärts, nach dem SCR-Partikelfilter 3, im Abgasmassenstrom 10 angeordnet. Dieser erste Konzentrationssensor 6 gibt ein entsprechendes erstes Konzentrationsmesssignal 110 ab, auf dessen Basis ein korrelierender Konzentrations-Vergleichswertes (VgW) bereitgestellt werden kann.
  • Ferner weist die hier gezeigte Ausführung der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsanlage, gemäß einer weiteren Ausbaustufe, einen, im Abgasmassenstrom 10 stromaufwärts, vor dem SCR-Partikelfilter 3, angeordneten zusätzlichen Konzentrationssensor 5 zum Messen der NH3- und/oder NOx-Konzentration vor dem SCR-Partikelfilter 3 auf. Dieser ist in zweckmäßiger Weise im Abgasmassenstrom 10 stromabwärts der NH3-Zuführeinrichtung 7 sowie der Abzweigung der ersten Abgasrückführungseinrichtung 2, unmittelbar vor dem SCR-Partikelfilter 3 angeordnet, so dass mit diesem zusätzlichen Konzentrationssensor 5 sowohl die NH3- als auch die NOx-Konzentrationsänderung vor dem SCR-Partikelfilter 3, also die gezielt herbeigeführte NH3- und/oder NOx -Konzentrationsänderung, erfasst werden kann. Auch dieser zusätzliche Konzentrationssensor 5 gibt ein entsprechendes zweites Konzentrationsmesssignal 100 ab, das zur Bereitstellung eines Konzentrations-Vergleichswertes (VgW) mit herangezogen werden kann.
  • Auf diese Weise kann zur Ausführung des Verfahrens ein tatsächlich gemessener Wert für die NH3-Konzentrationsänderung und/oder die NOx-Konzentrationsänderung im Abgasmassenstrom 10 stromaufwärts des SCR-Partikelfilters 3 zum Beispiel für die Bereitstellung eines Konzentrations-Vergleichswertes (VgW) herangezogen werden, was die Sicherheit der Diagnose des SCR-Partikelfilters erhöht. Andernfalls, wenn nur der stromabwärts des SCR-Partikelfilters 3 angeordnete Konzentrationssensor 6 zur Verfügung steht, wird beispielsweise der Vorgabewert für die gezielte, definierte Konzentrationsänderung als Istwert angenommen, wobei davon ausgegangen wird, dass die Einrichtung zum gezielten, definierten Verändern des jeweiligen Konzentrationswertes fehlerfrei funktioniert.
  • Weiterhin weist die in 1 dargestellte Ausführung der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsanlage eine elektronische Rechen- und Steuereinheit 15 (ECU) auf. Diese ist eingerichtet zum gezielten, definierten Verändern der NH3- und/oder NOx-Konzentration im Abgasmassenstrom 10 stromaufwärts des SCR-Partikelfilter 3, mittels zumindest einer der oben genannten Einrichtungen zum gezielten, definierten Verändern der NH3- und/oder NOx-Konzentration und zur Erfassung eines, von dem zumindest einen Konzentrationssensor 6 ausgegebenen ersten Konzentrationsmesssignals (110) und in weiterer Ausbaustufe eines zweiten Konzentrationsmesssignals. Dazu ist die elektronische Rechen- und Steuereinheit 15 über Signalleitungen 2c, 5c, 6c, 7c und 8c mit den Systemkomponenten erstes Abgasrückführventil 2b, zusätzlicher Konzentrationssensor 5, erster Konzentrationssensor 6, Dosiereinrichtung 7b sowie weiteres Abgasrückführventil 8b elektrisch verbunden um Steuersignale an die entsprechenden Systemkomponenten zu geben oder Signale, insbesondere Messsignale von den entsprechenden Systemkomponenten zu erhalten.
  • Die elektronische Rechen- und Steuereinheit 15 ist weiterhin dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine gemäß einer der erfindungsgemäßen Ausführungen auf Basis eines ersten Konzentrationsmesssignals des ersten Konzentrationssensors 6 oder auf Basis der beiden Konzentrationsmesssignale des ersten und des zusätzlichen Konzentrationssensors 6, 5 auszuführen. Dazu ist der Ablauf des Verfahrens, entsprechende Berechnungsalgorithmen, sowie die erforderlichen Vorgabewerte zur Ansteuerung der Abgasnachbehandlungsanlage sowie der Brennkraftmaschine, in Form von ausführbarem Programmcode in der elektronischen Steuereinheit 15 bzw. in zugeordneten elektronischen Speichereinheiten hinterlegt.
  • Eine Ausführung der Abgasnachbehandlungsanlage, wie zuvor beschrieben, zeichnet sich dadurch aus, dass die elektronische Rechen- und Steuereinheit 15 integraler Bestandteil einer zentralen Steuereinheit (CPU) 16 der Brennkraftmaschine ist, wobei das auszuführende Verfahren Teil eines On-Board-Diagnose-Systems zur Überwachung der abgasrelevanten Funktionseinheiten der Brennkraftmaschine im bestimmungsgemäßen Betrieb ist.
  • Eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine in einer der vorausgehend beschriebenen Ausführungen ist anhand des in 2 dargestellten vereinfachten Block-Ablaufprogramms in den wesentlichen Verfahrensschritten dargestellt.
  • Nach dem Start des Verfahrens wird in dem ersten, mit „D-BP_set“ gekennzeichneten Verfahrensschritt, die Brennkraftmaschine auf eine Diagnosebetriebsart eingestellt, wobei bestimmte maßgebliche Diagnose-Betriebsparameter (D-BP) der Brennkraftmaschine auf Übereinstimmung mit Diagnose-Vorgabewerten (D-BP_set) verifiziert, eingestellt oder eingeregelt werden.
  • In einer Ausführungsvariante des Verfahrens ist die Diagnosebetriebsart gekennzeichnet durch zumindest einen der folgenden Diagnose-Betriebsparameter:
    • - Die Motordrehzahl (RPM) der Brennkraftmaschine wird auf einen Wert zwischen 1100 und 1900 Umdrehungen/Minute eingeregelt.
    • - Die Betriebstemperatur (T-SC-PF) des SCR-Partikelfilters 3 wird auf einen Wert zwischen 250°C und 350°C eingeregelt.
    • - Eine Druckdifferenz des Abgasmassenstroms (ΔP_SCR-PF) über den SCR-Partikelfilter 3 zwischen 3 bar und 7 bar wird verifiziert.
    • - Weiterhin wird verifiziert, dass eine NH3-Speichermenge (SM_SC-PF) im SCR-Partikelfilter 3 über einem vordefinierten Schwellenwert liegt.
    • - Ergänzend kann die NH3-Zugabemenge auf einen, in Bezug auf die stromaufwärts des SCR-Partikelfilters im Abgas vorliegende NOx-Konzentration, stöchiometrischen Wert eingeregelt werden, das heißt, dass die NH3-Zugabemenge einer Menge entspricht, die zur vollständigen Umsetzung des NOx-Anteils im Abgas im SCR-Partikelfilter erforderlich ist. Die Vorgabe dieser Betriebsparameter gewährleistet einen stabilen Betrieb der Brennkraftmaschine, reduziert Störeinflüsse auf das Verfahren und erhöht somit die Sicherheit der Aussagekraft der Diagnose des SCR-Partikelfilters.
  • Die entsprechenden Diagnose-Vorgabewerte sind dazu in einem elektronischen Speicher der elektronischen Rechen- und Steuereinheit (ECU), der in 2 mit „E_Sp1“ gekennzeichnet ist, abgelegt und können zur Ausführung dieses Verfahrensschrittes auf einfache Weise ausgelesen und herangezogen werden.
  • Da die Einregelung, Einstellung und Verifizierung der Diagnose-Betriebsparameter eine gewisse Zeit in Anspruch nehmen kann wird in dem folgenden Verfahrensschritt, der mit „D-BP = D-BP_set“ gekennzeichnet ist überprüft, ob die aktuellen Diagnose-Betriebsparameter mit den Diagnose-Vorgabewerten übereinstimmen. Solange das nicht der Fall ist wird weiterhin versucht die Diagnose-Betriebsparameter (D-BP) an die Diagnose-Vorgabewerte (D-BP_set) anzugleichen. Liegen die gewünschten Diagnose-Betriebsparameter vor, so kann der nächste Verfahrensschritt folgen.
  • Im folgenden, mit „NOx/NH3“ gekennzeichneten Verfahrensschritt erfogt dann die gezielte, definierte Herbeiführung einer NH3-Konzentrationsänderung und/oder einer NOx-Konzentrationsänderung im Abgasmassenstrom 10 stromaufwärts des SCR-Partikelfilters 3. Dies erfolgt, je nach Ausführung der Abgasnachbehandlungsanlage, durch entsprechende einzelne oder kombinierte Ansteuerung einer oder mehrerer der Einrichtungen: NH3-Zuführeinrichtung 7, erste Abgasrückführungseinrichtung 2 und weitere Abgasrückführungseinrichtung 8; wie in 2 mit gestrichelten Linien dargestellt. So kann je nach Ausführung der Abgasnachbehandlungsanlage eine NH3-Konzentrationsänderung oder einer NOx-Konzentrationsänderung oder auch eine kombinierte bzw. überlagerte NOx/ NH3-Konzentrationsänderung herbeigeführt werden, mittels einer entsprechenden Ansteuerung der genannten Einrichtungen zum gezielten, definierten Herbeiführen der NH3- und/oder NOx -Konzentrationsänderung, durch die Elektronische Rechen- und Steuereinheit (ECU) 15.
  • So kann in einer Ausführung des Verfahrens die definierte NOx-Konzentrationsänderung vor dem SCR-Partikelfilter 3 in einer Erhöhung oder einer Reduzierung der NOx-Konzentration bestehen, die zum Beispiel durch eine definierte Reduzierung bzw. Erhöhung einer Abgasrückführungsrate erzielt wird, wobei hier unterstützend auch noch weitere Betriebsparameter der Brennkraftmaschine im Sinne einer Erhöhung der NOx-Konzentration im Abgas beeinflusst werden können. Dabei kann die Abgasrückführrate mittels der ersten Abgasrückführungseinrichtung 2 oder der weiteren Abgasrückführungseinrichtung 8 oder der beiden Abgasrückführungseinrichtungen 2, 8 in Kombination, eingestellt werden. Dies erfolgt zum Beispiel durch entsprechende Ansteuerung des ersten Abgasrückführventils 2b oder des zweiten Abgasrückführungsventils 8b oder einer kombinierten Ansteuerung des ersten und des zweiten Abgasrückführventils 2b, 8b mittels der elektronischen Rechen- und Steuereinheit (ECU) 15.
  • Weiterhin kann in einer Ausführung des Verfahrens die definierte NH3-Konzentrationsänderung vor dem SCR-Partikelfilter 3 in einer definierten Erhöhung oder Reduzierung der NH3-Konzentration bestehen, die durch eine definierte Erhöhung bzw. Reduzierung der Zugabemenge der NH3-Lösung 7d mittels der NH3-Zuführeinrichtung 7, eingestellt wird. Dies erfolgt insbesondere durch entsprechende Ansteuerung der Dosiereinrichtung 7b mittels der elektronischen Rechen- und Steuereinheit (ECU) 15.
  • Im weiteren Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun gemäß dem mit „NOX/NH3_Sig“ gekennzeichneten Verfahrensschritt, die NH3- und/oder NOX -Konzentrationsänderung im Abgasmassenstrom 10 nach dem SCR-Partikelfilter 3 innerhalb eines, unmittelbar auf die vorgenannte NH3- und/oder NOx-Konzentrationsänderung vor dem SCR-Partikelfilter 3 folgenden, festgelegten Zeitfensters (TW) gemessen. Dies erfolgt mittels des zumindest einen ersten Konzentrationssensors 6, der ein entsprechendes erstes Konzentrationsmesssignal 110 abgibt, das über die Signalleitung 6c der elektronischen Rechen- und Steuereinheit zur weiteren Verarbeitung zugeführt wird.
  • In einer Ausführung des Verfahrens wird im Rahmen des vorgenannten Verfahrensschrittes im gleichen Zeitfenster (TW) zusätzlich die NH3- und/oder NOx-Konzentrationsänderung stromaufwärts, vor dem SCR-Partikelfilter gemessen. Dazu wird mittels eines zusätzlichen Konzentrationssensors 5, der im Abgasmassenstrom 10 stromaufwärts vor dem SCR-Partikelfilter 3 angeordnet ist, ein zu der NH3- und/oder NOx-Konzentrationsänderung im Abgasmassenstrom 10 vor dem SCR-Partikelfilter 3 korrelierendes zweites Konzentrationsmesssignal 120 bereitgestellt und über eine Signalleitung 5c der elektronischen Rechen- und Steuereinheit ECU zugeführt. Dies ermöglicht nicht nur die relative Betrachtung der Konzentrationsänderung vor und nach dem SCR-Partikelfilter 3 und eine damit einhergehende Erhöhung der Diagnosesicherheit des Verfahrens, sondern auch die Möglichkeit der Beurteilung der Funktion der Abgasrückführungseinrichtungen 2, 8 und der NH3-Zufüreinrichtung 7.
  • Im Folgenden, mit „(NOX/NH3)VGW“ gekennzeichneten Verfahrensschritt erfolgt das Bereitstellen eines korrelierenden Konzentrations-Vergleichswertes (VgW) zumindest auf Basis des ersten Konzentrationsmesssignals (110). Als Konzentrations-Vergleichswert (VgW) kann beispielsweise in unterschiedlichen Ausführungen des Verfahrens ein jeweiliger, innerhalb des definierten Zeitfensters (TW) erreichter Maximalwert oder Minimalwert der Konzentrationsänderung und/oder ein innerhalb des definierten Zeitfensters (TW) ermittelter Gradient der Konzentrationsänderung herangezogen werden.
  • In einer weiteren Ausführung des Verfahrens kann, unter der Voraussetzung, dass zusätzlich die NH3- und/oder NOX-Konzentrationsänderung stromaufwärts vor dem SCR-Partikelfilter gemessen wird, der Konzentrations-Vergleichswert (VgW) auf den jeweiligen, innerhalb des definierten Zeitfensters ermittelten NH3- und/oder NOx-Konzentrationsänderungen nach und vor dem SCR-Partikelfilter 3 basieren. Dazu können beispielsweise in einer weiteren Ausführung des Verfahrens die, innerhalb des definierten Zeitfensters ermittelten, Werte der NH3- und/oder NOx-Konzentrationsänderungen zu einem bestimmten Zeitpunkt und/oder die Gradienten dieser Konzentrationsänderungen, jeweils vor und nach dem SCR-Partikelfilter 3 miteinander verglichen oder zueinander ins Verhältnis gesetzt werden. Dies ermöglicht die Bereitstellung eines besonders zuverlässigen Konzentrations-Vergleichswertes (VgW) und erhöht die Diagnosesicherheit des Verfahrens, da Fehldiagnosen aufgrund möglicherweise defekter Einrichtungen zur NH3- und/oder NOX-Konzentrationsänderung ausgeschlossen werden können.
  • In dem folgenden, mit „VgW - GW“ gekennzeichneten, Verfahrensschritt, erfolgt die Bewertung der innerhalb des festgelegten Zeitfensters TW gemessenen NH3- und/oder NOX-Konzentrationsänderung nach dem SCR-Partikelfilter (3) anhand des jeweiligen Konzentrations-Vergleichswertes (VgW) und vorgegebener Grenzwerte (GW) . Als Konzentrations-Vergleichswert kann dabei, je nach Ausführung des Verfahrens, wie oben bereits erwähnt, ein jeweiliger Maximalwert oder Minimalwert der Konzentrationsänderung und/oder ein ermittelter Gradient der Konzentrationsänderung oder auch Vergleichs- oder Verhältniswerte basierend auf den jeweils vor und nach dem SCR-Partikelfilter 3 gemessenen Werten oder Gradienten der Konzentrationsänderung, herangezogen werden. Dies ermöglicht eine breite Varianz bei der Gestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens und die Anpassung an die Bedürfnisse im jeweiligen Anwendungsfall. Gemäß dem zur Anwendung kommenden konzentrations-Vergleichswert sind dann entsprechend angepasste Grenzwerte vorzugeben. Diese können zum Beispiel vorausgehend empirisch oder mittels Modellrechnung ermittelt werden und werden beispielsweise in einem elektronischen Speicherbereich der elektronischen Rechen- und Steuerungseinheit abgelegt und zur Bewertung der Konzentrationsänderung von dort abgerufen. Ein solcher elektronischer Speicherbereich ist in 2, mit E_Sp2 gekennzeichnet und beinhaltet die entsprechenden Grenzwerte, die als „(NOX/NH3)_GW“ dargestellt sind.
  • Auf Basis der zuvor beschriebenen Bewertung der Konzentrationsänderung nach dem SCR-Partikelfilter 3 erfolgt dann in dem folgenden, mit „VGW≥GW“ gekennzeichneten, Verfahrensschritt Das Diagnostizieren des SCR-Partikelfilters 3 als schadhaft, „SCR-PF=nok“ wenn die Bewertung ergibt, dass der Konzentrations-Vergleichswert (VgW) zumindest einen vorgegebenen Grenzwert (GW) überschritten hat. Andernfalls wird der SCR-Partikelfilter als funktionstüchtig diagnostiziert „SCR-PF=ok“ wenn der Konzentrations-Vergleichswert keinen Grenzwert erreicht oder überschritten hat. Damit ist das erfindungsgemäße Verfahren abgeschlossen.
  • Um einen dauerhaft fehlerfreien Betrieb der Abgasnachbehandlungsanlage sicherzustellen kann das erfindungsgemäße Verfahren in bestimmten Zyklen im Betrieb wiederholt werden, wobei diese Zyklen basieren können auf einer bestimmten Betriebs-Zeitdauer, einer bestimmten Betriebsleistung oder auf im Betrieb ermittelten Bedarfswerten.
  • Eine weitere Ausführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der NH3- und/oder NOx-Konzentrationsänderung zunächst eine Konzentrationserhöhung und eine unmittelbar darauf folgende Konzentrationsreduzierung erfolgt. Dabei erfolgt, nach der Konzentrationserhöhung für eine bestimmte erste Zeitdauer, die Konzentrationsreduzierung auf einen derart gewählten Wert und für eine derart gewählte zweite Zeitdauer, sodass ein sich über die Dauer der Konzentrationserhöhung und der Konzentrationsreduzierung hinweg ergebender Mittelwert der NH3- und/oder NOx-Konzentration stromabwärts des SCR-Partikelfilters, dem vor der Konzentrationserhöhung vorherrschenden Wert der NH3- und/oder NOx-Konzentration entspricht. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass es über die Verfahrensdauer hinweg, im zeitlichen Mittel, zu keiner durch das Verfahren verursachten Erhöhung des Schadstoffausstoßes kommt.
  • Eine weitere Ausführung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass zum Messen der NH3- und/oder NOx-Konzentrationsänderung im Abgasmassenstrom 10 jeweils ein kombinierter Konzentrationssensor 6 eingesetzt wird, der die NH3- und/oder NOx-Konzentrationsänderung in einem kombinierten Konzentrationsmesssignal 110 zusammenfasst. Dies kann sowohl auf den ersten Konzentrationssensor 6, stromabwärts des SCR-Partikelfilters 3, als auch auf den zweiten Konzentrationssensor 5, stromaufwärts des SCR-Partikelfilters 3, zutreffen. Dies ermöglicht es in vorteilhafter Weise für die Durchführung des Verfahrens sowohl eine NH3-Konzentrationsänderung als auch eine NOx-Konzentrationsänderung als auch eine kombinierte NH3/NOx-Konzentrationsänderung vorzugeben und eröffnet so auch einen größeren Spielraum für das Maß der vorgegebenen Konzentrationsänderung.
  • In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens weist das jeweilige festgelegte Zeitfenster (TW) zum Messen der NH3- und/oder NOx -Konzentrationsänderung im Abgasmassenstrom 10 nach und/oder vor dem SCR-Partikelfilter 3 eine Dauer von kleiner gleich 5 Sekunden, insbesondere kleiner gleich 3 Sekunden auf. Die Länge dieses Zeitfensters gewährleistet, dass lediglich eine schnelle NH3- und/oder NOx-Konzentrationsänderung nach dem SCR-Partikelfilter 3, wie sie ausschließlich bei einem Defekt des SCR-Partikelfilters 3 auftritt, bei der Ermittlung des Konzentrations-Vergleichswertes und so bei der Diagnose des SCR-Partikelfilters Auswirkung zeigt.
  • 3 zeigt an einem Beispiel die Verläufe der NOX-/NH3-Konzentration über der Zeit, die mit Hilfe von kombinierten NOX-/NH3-Konzentrationssensoren stromaufwärts und stromabwärts des SCR-Partikelfilters aufgenommen wurden. Dabei zeigt die Verlaufskurve 100 die NOx-/NH3-Konzentration stromaufwärts des SCR-Partikelfilters, wobei ausgehend von einer in der Diagnosebetriebsart eingeregelten NOx-/NH3-Konzentration bei ca. 40 ppm zum Zeitpunkt T1 eine definierte Konzentrationsänderung um ca. 100ppm auf 140 ppm herbeigeführt wird. Die Verlaufskurve 110 zeigt die stromabwärts des SCR-Partikelfilters aufgenommene NOX-/NH3-Konzentration bei einem defekten SCR-Partikelfilter. Hier ist bereits in der Phase der Diagnosebetriebsart ein erhöhter Wert der NOX-/NH3-Konzentration bei ca. 15 ppm zu erkennen. Zum Zeitpunkt T1 beginnt die NOX-/NH3-Konzentration mit einem Gradient G1 innerhalb des Zeitfensters TW zu steigen und steigt bis auf eine Maximalkonzentration KM1 zu zum Zeitpunkt T2, am Ende des Zeitfensters TW.
  • Die Verlaufskurve 120 zeigt dagegen die stromabwärts des SCR-Partikelfilters aufgenommene NOX-/NH3-Konzentration bei einem intakten SCR-Partikelfilter. Hier liegt in der Phase der Diagnosebetriebsart ein minimaler Wert der NOX-/NH3-Konzentration vor. Zum Zeitpunkt T1 beginnt auch hier die NOX-/NH3-Konzentration innerhalb des Zeitfensters TW zu steigen, jedoch mit einem gegenüber der Verlaufskurve 110 wesentlich kleineren Gradienten G2. Dementsprechend wird bis zum Zeitpunkt T2, am Ende des Zeitfensters TW, auch nur eine wesentlich kleinere Maximalkonzentration KM2 erreicht.
  • Als Konzentrations-Vergleichswertes VgW kann, wie aus den vorgenannten Ausführungsbeispielen ersichtlich wird, die jeweilige bis zu einem bestimmten Zeitpunkt innerhalb des Zeitfensters TW oder zum Ende des Zeitfensters TW erreichte Maximalkonzentration MK1, MK2 oder auch der jeweilige Gradient G1, G2 des NOX-/NH3-Konzentrationsanstiegs innerhalb des Zeitfensters TW herangezogen werden. Weiterhin ist es möglich die stromabwärts des SCR-Partikelfilters ermittelten Konzentrationswerte und die stromaufwärts vorgegebenen oder ermittelten Konzentrationswerte in Kombination zu betrachten und daraus einen Vergleichswert zu ermitteln. Die NOX-/NH3-Konzentrationswerte stromaufwärts des SCR-Partikelfilters können dabei auf den Vorgabewerten beruhen, mit Hilfe von Modellbetrachtungen ermittelt oder mittels Konzentrationssensor (sofern vorhanden) gemessen werden.
  • Zur Ermittlung eines Konzentrations-Vergleichswertes VgW kann in einem Ausführungsbeispiel der innerhalb des Zeitfensters TW ermittelte Gradient des Konzentrationsanstieges stromabwärts des SCR-Partikelfilters durch den Sprungwert der Konzentrationsänderung stromaufwärts des SCR-Partikelfilters dividiert werden. Das Ergebnis wird als Konzentrations-Vergleichswertes VgW herangezogen. Liegt beispielsweise der Gradient des Konzentrationsanstieges stromabwärts des SCR-Partikelfilters bei 11,3 ppm/s und der Sprungwert der Konzentrationsänderung stromaufwärts des SCR-Partikelfilters beträgt 480ppm (wobei auf die Vorzeichen zu achten ist) so ergibt sich ein Konzentrations-Vergleichswert von: ( 11,3 ppm / s ) / 480 ppm = 0,024 / s .
    Figure DE102018215627A1_0001
  • Liegt nun ein Grenzwert GW von zum Beispiel 0,016 /s vor, so wäre dieser überschritten (VgW ≥ GW) und der SCR-Partikelfilter wäre als schadhaft zu bewerten (SCR-PF=nok). Diese Vorgehensweise erhöht die Robustheit des Verfahrens gegen Störeinflüsse.
  • Eine weitere Ausführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die NH3- und/oder NOx-Konzentrationsänderung eine Konzentrationserhöhung und eine unmittelbar darauf folgende Konzentrationsreduzierung aufweist und die Werte und oder die Gradienten der Konzentrationserhöhung und der Konzentrationsreduzierung jeweils nach und vor dem SCR-Partikelfilter 3 in Kombination miteinander zur Bewertung der gemessenen NH3- und/oder NOx-Konzentrationsänderung nach dem SCR-Partikelfilter 3 herangezogen werden.
  • So kann beispielsweise jeweils ein Verhältniswert des Gradienten des Konzentrationsanstieges stromabwärts und des Sprungwertes der Konzentrationsanhebung stromaufwärts des SCR-Partikelfilters sowie des Gradienten des darauf folgenden Konzentrationsabfalls stromabwärts und des zugehörigen Sprungwertes der Konzentrationsreduzierung stromaufwärts des SCR-Partikelfilters gebildet und deren Summe errechnet werden.
  • Dies ist qualitativ in 4 dargestellt. Gezeigt ist die Verlaufskurve 100 der NH3-/NOX-Konzentration stromaufwärts und die daraus resultierende Verlaufskurve 110 der NH3-/NOX-Konzentration stromabwärts des SCR-Partikelfilters. Die Verlaufskurve 100 zeigt eine gezielt und definiert herbeigeführte sprunghafte Konzentrationserhöhung +KSp1 um einen bestimmten Betrag, zum Zeitpunkt T1 und ein verharren der erhöhten NH3-/NOX-Konzentration über das Zeitfenster TW1 bis zum Zeitpunkt T2. Dann folgt eine ebenso gezielt und definiert herbeigeführte sprunghafte Konzentrationsreduzierung -KSp2 um den gleichen Betrag, also eine komplette Zurücknahme der Konzentrationserhöhung, zum Zeitpunkt T2. Der sich daraus ergebende Verlauf der NH3-/NOX-Konzentration stromabwärts des SCR-Partikelfilters verzeichnet einen auf den Zeitpunkt T1 folgenden Anstieg mit dem Gradient +G1a, innerhalb des unmittelbar auf die Konzentrationsänderung +KSp1 folgenden Zeitfensters TW1, bis zum Zeitpunkt T2 und ein darauf folgendes Abfallen der NH3-/NOX-Konzentration mit einem Gradient -G1b innerhalb des unmittelbar auf die Konzentrationsänderung -KSp2 folgenden Zeitfensters TW2 das bis zu Zeitpunkt T3 dauert. Nach dem oben genannten Schema kann der Konzentrations-Vergleichswert VgW nach folgender Beziehung ermittelt werden: ( + G1a / + KSp 1 ) + ( − G1b / − KSp 2 ) = VgW
    Figure DE102018215627A1_0002
  • Ergibt sich beispielsweise ein Gradient von +7,3 ppm/s stromabwärts bei einem Sprungwert der Konzentrationsanhebung von +480 ppm stromaufwärts des SCR-Partikelfilters und darauffolgend ein Gradient von -11,3 ppm/s stromabwärts bei einem Sprungwert der Konzentrationsreduzierung von -480 ppm/s so errechnet sich der Konzentrations-Vergleichswert zu: ( ( + 7,3 pm / s ) / + 480 ppm ) + ( ( − 11,3 ppm / s ) / − 480 ppm ) = 0,015 / s + 0,024 / s = 0,039 / s .
    Figure DE102018215627A1_0003
  • Liegt nun ein Grenzwert GW von zum Beispiel 0,026 /s vor, so wäre dieser überschritten (VgW ≥ GW) und der SCR-Partikelfilter wäre als schadhaft zu bewerten (SCR-PF=nok). Diese Vorgehensweise erhöht die Robustheit des Verfahrens gegen Störeinflüsse weiter.
  • In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird nach dem Diagnostizieren des SCR-Partikelfilter 3, die gezielte, definierte NH3- und/oder NOx-Konzentrationsänderung im Abgasmassenstrom 10 stromaufwärts des SCR-Partikelfilters 3 zurückgenommen, die Diagnose-Betriebsart beendet und die NH3- und/oder NOx-Konzentration wird wieder in Abhängigkeit vom aktuellen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors eingestellt oder geregelt.
  • Wie aus 2 ersichtlich ist können nun auf Basis und in Abhängigkeit des Diagnoseergebnisses unterschiedliche weitere Maßnahmen eingeleitet werden.
  • Ergibt die Diagnose, dass der SCR-Partikelfilter intakt ist und fehlerfrei funktioniert (SCR-PF = ok) so kann die Brennkraftmaschine nach Durchführung des Verfahrens, also nach der Diagnose der Funktionstüchtigkeit des SCR-Partikelfilters 3 wieder im normalen Arbeits-Betriebsmodus weiter betrieben werden, dies ist in dem mit „BP_Norm“ gekennzeichneten Verfahrensschritt dargestellt.
  • Ergibt die Diagnose jedoch, dass der SCR-Partikelfilter schadhaft ist (SCR-PF = nok) kann stattdessen ein Notbetrieb der Brennkraftmaschine eingeleitet werden, der beispielsweise ein Aufsuchen einer Werkstatt bei reduzierter Motorleistung noch ermöglicht. Gleichzeitig kann eine Fehlermeldung an den Fahrzeugführer ausgegeben werden mit der Aufforderung umgehend die nächste Werkstatt aufzusuchen bzw. die Reperatur zu veranlassen. Dies ist in 2 in dem mit „BP_Not“ gekennzeichneten Verfahrensschritt dargestellt.

Claims (17)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine, die eine Abgasleitung (1) zur Führung eines Abgasmassenstroms (10) und einen in der Abgasleitung (1) angeordneten SCR-Partikelfilter (3) aufweist, wobei eine Einrichtung zum gezielten, definierten Verändern der NH3- und/oder NOx-Konzentration im Abgasmassenstrom (10) stromaufwärts vor dem SCR-Partikelfilter (3), und zumindest ein erster Konzentrationssensor (6), im Abgasmassenstrom (10) stromabwärts nach dem SCR-Partikelfilter (3), angeordnet ist, mit den folgenden Schritten: - Einstellen der Brennkraftmaschine auf eine Diagnosebetriebsart, wobei bestimmte maßgebliche Diagnose-Betriebsparameter (D-BP) der Brennkraftmaschine auf Übereinstimmung mit Diagnose-Vorgabewerten (D-BP_set) verifiziert, eingestellt oder eingeregelt werden; bei Vorliegen der Diagnosebetriebsart, - gezielte, definierte Herbeiführung einer NH3-Konzentrationsänderung und/oder einer NOx-Konzentrationsänderung im Abgasmassenstrom (10) stromaufwärts des SCR-Partikelfilters (3) in Bezug auf die in der Diagnosebetriebsart vorliegenden Werte der NH3-Konzentration und/oder der NOX-Konzentration; - Messen der NH3- und/oder NOX -Konzentrationsänderung im Abgasmassenstrom (10) nach dem SCR-Partikelfilter (3) innerhalb eines, unmittelbar auf die vorgenannte NH3- und/oder NOX-Konzentrationsänderung vor dem SCR-Partikelfilter (3) folgenden, festgelegten Zeitfensters (TW), mittels des zumindest einen ersten Konzentrationssensors (6), der ein entsprechendes erstes Konzentrationsmesssignal (110) abgibt; und - Bereitstellen eines korrelierenden Konzentrations-Vergleichswertes (VgW) zumindest auf Basis des ersten Konzentrationsmesssignals (110); - Bewerten der innerhalb des festgelegten Zeitfensters (TW) gemessenen NH3- und/oder NOx-Konzentrationsänderung nach dem SCR-Partikelfilter (3) anhand des jeweiligen Konzentrations-Vergleichswertes (VgW) und vorgegebener Grenzwerte (GW); und - Diagnostizieren des SCR-Partikelfilters (3) als schadhaft, wenn die Bewertung ergibt, dass der Konzentrations-Vergleichswert (VgW) zumindest einen vorgegebenen Grenzwert (GW) überschritten hat.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei der die Einrichtung zum gezielten, definierten Herbeiführen der NH3- und/oder NOx -Konzentrationsänderung im Abgasmassenstrom (10) stromaufwärts vor dem SCR-Partikelfilter (3) eine NH3-Zuführeinrichtung (7) für die Zuführung einer NH3-Lösung (7d) in die Abgasleitung (1) und/oder eine von der Abgasleitung (1) stromaufwärts vor dem SCR-Partikelfilter (3) abzweigende erste Abgasrückführungseinrichtung (2) und/oder ein von der Abgasleitung (1) stromabwärts nach demSCR-Partikelfilter (3) abzweigende weitere Abgasrückführungseinrichtung (8) aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Diagnosebetriebsart gekennzeichnet ist durch zumindest einen der folgenden Diagnose-Betriebsparameter: - Motordrehzahl (RPM) der Brennkraftmaschine zwischen 1100 und 1900 Umdrehungen/Minute; - Betriebstemperatur (T-SC-PF) des SCR-Partikelfilters (3) zwischen 250°C und 350°C; - Druckdifferenz des Abgasmassenstroms (ΔP_SCR-PF) über den SCR-Partikelfilter (3) zwischen 3 bar und 7 bar; - NH3-Speichermenge (SM_SC-PF) im SCR-Partikelfilter (3) liegt über einem vordefinierten Schwellenwert; - NH3-Zugabemenge eingeregelt auf einen, in Bezug zur NOx-Konzentration im Abgas stromaufwärts des SCR-Partikelfilters, stöchiometrischen Wert.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die definierte NOx-Konzentrationsänderung vor dem SCR-Partikelfilter (3) in einer Erhöhung oder einer Reduzierung der NOx-Konzentration besteht, die durch eine definierte Reduzierung bzw. Erhöhung einer Abgasrückführungsrate der ersten Abgasrückführungseinrichtung (2) und/oder der weiteren Abgasrückführungseinrichtung (8) eingestellt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die definierte NH3-Konzentrationsänderung vor dem SCR-Partikelfilter (3) in einer definierten Erhöhung oder Reduzierung der NH3-Konzentration besteht, die durch eine definierte Erhöhung bzw. Reduzierung der Zugabemenge der NH3-Lösung (7d) mittels der NH3-Zuführeinrichtung (7) eingestellt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei beim Bewerten der innerhalb des festgelegten Zeitfensters (TW) gemessenen NOX-Konzentrationsänderung und/oder NH3-Konzentrationsänderung nach dem SCR-Partikelfilter (3), ein jeweiliger, innerhalb des definierten Zeitfensters (TW) erreichter Maximalwert oder Minimalwert der Konzentrationsänderung und/oder ein innerhalb des definierten Zeitfensters (TW) ermittelter Gradient der Konzentrationsänderung als Konzentrations-Vergleichswertes (VgW) herangezogen wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der NH3- und/oder NOx-Konzentrationsänderung eine Konzentrationserhöhung und eine unmittelbar darauf folgende Konzentrationsreduzierung erfolgt, wobei nach der Konzentrationserhöhung für eine bestimmte erste Zeitdauer die Konzentrationsreduzierung auf einen derart gewählten Wert und für eine derart gewählte zweite Zeitdauer erfolgt, sodass ein sich über die Dauer der Konzentrationserhöhung und der Konzentrationsreduzierung hinweg ergebender Mittelwert der NH3- und/oder NOx-Konzentration, dem vor der Konzentrationserhöhung vorherrschenden Wert der NH3- und/oder NOx-Konzentration entspricht.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zum Messen der NH3- und/oder NOx-Konzentrationsänderung im Abgasmassenstrom (10) jeweils ein kombinierter Konzentrationssensor (6) eingesetzt wird, der die NH3- und/oder NOx-Konzentrationsänderung in einem kombinierten Konzentrationsmesssignal (110) zusammenfasst.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige festgelegte Zeitfenster (TW) eine Dauer von kleiner gleich 5 Sekunden, insbesondere kleiner gleich 3 Sekunden aufweist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Diagnostizieren des SCR-Partikelfilter (3), die gezielte, definierte NH3- und/oder NOx-Konzentrationsänderung im Abgasmassenstrom (10) stromaufwärts des SCR-Partikelfilters (3) zurückgenommen wird und der Verbrennungsmotor in Abhängigkeit vom Diagnoseergebnis wieder in den normalen Arbeits-Betriebsmodus (BP_Norm) überführt und weiter betrieben wird oder auf einen Notbetrieb (BP_Not) beschränkt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Konzentrationssensor (5) (5), im Abgasmassenstrom (10) stromaufwärts vor dem SCR-Partikelfilter (3), angeordnet ist, mit dem ein zu der NH3- und/oder NOx-Konzentrationsänderung im Abgasmassenstrom (10) vor dem SCR-Partikelfilter (3) korrelierendes zweites Konzentrationsmesssignal (100) bereitgestellt wird, wobei der zur Bewertung der gemessenen NH3- und/oder NOx-Konzentrationsänderung nach dem SCR-Partikelfilter (3) herangezogene Konzentrations-Vergleichswert (VgW), den jeweiligen, innerhalb des definierten Zeitfensters (TW) ermittelten NH3- und/oder NOx-Konzentrationsänderungen nach und vor dem SCR-Partikelfilter (3) basiert.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die, innerhalb des definierten Zeitfensters ermittelten, Werte der NH3- und/oder NOx-Konzentrationsänderungen zu einem bestimmten Zeitpunkt und/oder die Gradienten dieser Konzentrationsänderungen, jeweils vor und nach dem SCR-Partikelfilter (3) miteinander verglichen oder zueinander ins Verhältnis gesetzt werden.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die NH3- und/oder NOx-Konzentrationsänderung eine Konzentrationserhöhung und eine unmittelbar darauf folgende Konzentrationsreduzierung aufweist und die Werte und oder die Gradienten der Konzentrationserhöhung und der Konzentrationsreduzierung jeweils nach und vor dem SCR-Partikelfilter (3) in Kombination miteinander zur Bewertung der gemessenen NH3- und/oder NOx-Konzentrationsänderung nach dem SCR-Partikelfilter (3) herangezogen werden.
  14. Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine, die einen in einer Abgasleitung (1) angeordneten SCR-Partikelfilter (3) und zumindest eine Einrichtung zum gezielten, definierten Verändern der NH3- und/oder NOx-Konzentration im Abgasmassenstrom (10) stromaufwärts vor dem SCR-Partikelfilter (3), und zumindest einen ersten Konzentrationssensor (6), zum Messen der NH3- und/oder NOx-Konzentration im Abgasmassenstrom (10) stromabwärts nach dem SCR-Partikelfilter (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungsanlage eine elektronische Rechen- und Steuereinheit (15) aufweist, die eingerichtet ist zum gezielten, definierten Verändern der NH3- und/oder NOx-Konzentration im Abgasmassenstrom (10) stromaufwärts des SCR-Partikelfilter (3) mittels zumindest einer der Einrichtungen zum gezielten, definierten Verändern der NH3- und/oder NOx-Konzentration und zur Erfassung eines von dem zumindest einen Konzentrationssensor (6) ausgegebenen ersten Konzentrationsmesssignals (110), wobei die elektronische Rechen- und Steuereinheit (15) weiterhin dazu eingerichtet ist, das Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen.
  15. Abgasnachbehandlungsanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen, im Abgasmassenstrom (10) vor dem SCR-Partikelfilter (3) angeordneten zusätzlichen Konzentrationssensor (5) zum Messen der NH3- und/oder NOx-Konzentration vor dem SCR-Partikelfilter (3) aufweist, wobei die elektronische Rechen- und Steuereinheit (15) dazu eingerichtet ist, das Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13 auszuführen.
  16. Abgasnachbehandlungsanlage nach Anspruch 14 oder 15, bei der die Einrichtung zum gezielten, definierten Verändern der NH3- und/oder NOx-Konzentration im Abgasmassenstrom (10) stromaufwärts vor dem SCR-Partikelfilter (3), eine NH3-Zuführeinrichtung (7) für die Zuführung einer NH3-Lösung (7d) in die Abgasleitung (1) und/oder eine von der Abgasleitung (1) stromaufwärts vor dem SCR-Partikelfilter (3) abzweigende erste Abgasrückführungseinrichtung (2) und/oder eine von der Abgasleitung (1) stromabwärts nach dem SCR-Partikelfilter (3) abzweigende weitere Abgasrückführungseinrichtung (8) aufweist.
  17. Abgasnachbehandlungsanlage nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Rechen- und Steuereinheit (15) integraler Bestandteil einer zentralen Steuereinheit (16) der Brennkraftmaschine ist und das auszuführende Verfahren Teil eines On-Board-Diagnose-Systems zur Überwachung der abgasrelevanten Funktionseinheiten der Brennkraftmaschine im bestimmungsgemäßen Betrieb ist.
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