DE102019104329A1 - Abgasnachbehandlungssystem mit Überwachung eines Katalysators - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem mit Überwachung eines Katalysators und ein Herstellungsverfahren.Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem, umfassend einen Katalysator (1) und eine Temperatursonde (2), wobei die Temperatursonde (2) im Katalysator (1) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem mit Überwachung eines Katalysators und ein Herstellungsverfahren.
  • Aus der US9879587B2 ist ein Verfahren zur Diagnose eines Oxidationskatalysators für ein Abgasnachbehandlungssystem bekannt, indem die Temperaturdifferenz über den Oxidationskatalysator beobachtet wird.
  • Das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem umfasst einen Katalysator und eine Temperatursonde. Die Temperatursonde ist im Katalysator angeordnet.
  • Gesetzliche Richtlinien erfordern zunehmend eine aktive Überwachung von Katalysatoren im Rahmen von On-Board Diagnosen (OBD). Für Fahrzeugkatalysatoren wie Dieseloxidationskatalysatoren (DOC) oder Drei-Wege-Katalysatoren ist dafür die Bestimmung der Light-Off-Temperatur des Katalysators wichtig. Unter der Light-Off-Temperatur wird die Oberflächentemperatur des Katalysators bei einem Light-Off-Ereignis verstanden, bei dem 50% der Emissionen von Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffen (HC) umgesetzt werden. Die Bestimmung der Light-Off-Temperatur stellt aber eine Herausforderung dar. Grundsätzlich kann die Light-Off-Temperatur eines Katalysators anhand einer großen Exothermen erkannt werden, die beim effizienten Umsatz von HC und CO erzeugt wird. Ein konventioneller Temperatursensor stromab des Katalysators kann diese Exotherme nicht verlässlich erkennen, da die Exotherme von der thermischen Masse des Katalysators aufgenommen wird. Auch die Oberflächentemperatur des Katalysators bei Light-Off, die ein wichtiges Indiz für die Verschlechterung des Katalysators repräsentiert, ist schwierig zu ermitteln. Aktuell verwendete, thermische Katalysatormodelle zur Bestimmung der Light-Off-Temperatur sind von einem häufig eher trägen Messsignal einer Temperatursonde stromauf des Katalysators abhängig. Durch die Anbringung der Temperatursonde im Katalysator ermöglicht die Erfindung eine aktive Überwachung des Katalysators durch eine direkte Bestimmung der Light-Off-Temperatur. Die direkte Bestimmung der Light-Off-Temperatur hat den Vorteil, sensitiver hinsichtlich eines Verschlechterungsgrads eines Katalysators zu sein als herkömmliche Maßnahmen wie zum Beispiel die Bestimmung der HC und CO Umsatzrate bei höherer Katalysatortemperatur. Bei dem Katalysator handelt es sich vorzugsweise um einen Dieseloxidationskatalysator oder einen Drei-Wege-Katalysator.
  • Vorzugsweise ist die Temperatursonde in einem axialen Bereich des Katalysators angeordnet, in dem Konvertierungsraten von Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffen maximal sind. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass keine oder nur eine geringe Korrektur der gemessenen Oberflächentemperatur des Katalysators erforderlich ist. Der axiale Bereich des Katalysators umfasst ±10 cm von der Stelle maximaler Konvertierungsraten, bevorzugt ±1 cm und besonders bevorzugt ±5 mm.
  • In einer vorteilhaften Ausführung umfasst das Abgasnachbehandlungssystem ein Steuergerät. Das Steuergerät ist ausgebildet, die folgenden Schritte durchzuführen:
    • - Erfassen der von der Temperatursonde gemessenen Oberflächentemperatur des Katalysators,
    • - Berechnen einer Temperaturdifferenz aus der gemessenen Oberflächentemperatur und einer gespeicherten Oberflächentemperatur,
    • - Vergleich der Temperaturdifferenz mit einem Temperaturdifferenzschwellwert.
  • Durch das Steuergerät und die Ausführung der Schritte wird ermöglicht, dass anhand des Vergleichs der Temperaturdifferenz mit dem Temperaturdifferenzschwellwert ein Light-Off Ereignis erkannt werden kann. Der zumindest eine für den Vergleich verwendete Schwellwert für die Temperaturdifferenz kann in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen des Katalysators tabellarisch im Steuergerät hinterlegt sein oder über ein Modell bestimmt werden. Der Schwellwert für die Temperaturdifferenz dient als Indikator, um die Exotherme infolge der Konvertierung von HC und CO zu erkennen. Wenn die Temperaturdifferenz zwischen der gemessenen Oberflächentemperatur und der gespeicherten Oberflächentemperatur größer als der Temperaturdifferenzschwellwert ist, liegt ein Light-Off Ereignis vor. Die gespeicherte Oberflächentemperatur ist eine, beispielsweise im Steuergerät, hinterlegte Oberflächentemperatur des Katalysators. Bevorzugt ist es eine gespeicherte, zuvor gemessene Oberflächentemperatur des Katalysators. Bevorzugt liegt die vorhergehende Messung maximal 10 Sekunden zurück, besonders bevorzugt maximal 3 Sekunden.
  • Bevorzugt ist das Steuergerät ausgebildet, in einem zusätzlichen Schritt einen Vergleich der gespeicherten Oberflächentemperatur mit einem Temperaturschwellwert durchzuführen. Dadurch wird eine Diagnose des Katalysators ermöglicht. Wenn die gespeicherte Oberflächentemperatur größer als der Temperaturschwellwert ist, ergibt die Diagnose beispielsweise eine Verschlechterung des Katalysators. Bevorzugt wird die gemessene Oberflächentemperatur im Steuergerät hinterlegt, so dass sie bei einer folgenden, erneuten Durchführung der Schritte verwendet werden kann. Die Schritte werden bevorzugt kontinuierlich durchgeführt. Die Genauigkeit des Verfahrens steigt, je häufiger das Verfahren angewendet wird.
  • Bei der Diagnose wird weiterhin berücksichtigt, ob die gespeicherte Oberflächentemperatur innerhalb eines Zeitfensters wiederholt oder dauerhaft größer als der Temperaturschwellwert ist und/oder um welchen Betrag die gespeicherte Oberflächentemperatur den Temperaturschwellwert übersteigt. Als Zeitfenster werden dabei 3 Sekunden, 10 Sekunden und 60 Sekunden betrachtet. Wenn die gespeicherte Oberflächentemperatur den Temperaturschwellwert innerhalb von 60 Sekunden wiederholt oder dauerhaft um mehr als 10 K übersteigt, innerhalb von 10 Sekunden wiederholt oder dauerhaft um mehr als 40 K übersteigt oder innerhalb von 3 Sekunden um mehr als 100 K übersteigt ergibt die Diagnose, dass der Katalysator in einem verschlechterten Zustand ist.
  • Vorzugsweise ist das Steuergerät (3) ausgebildet, die folgenden, zusätzlichen Schritte durchzuführen:
    • - Berechnen einer erwarteten Oberflächentemperatur des Katalysators mit einem Modell zur Bestimmung der Oberflächentemperatur des Katalysators,
    • - Korrektur der gemessenen Oberflächentemperatur anhand der erwarteten Oberflächentemperatur.
  • Hierbei wird die korrigierte Oberflächentemperatur bei dem Berechnen der Temperaturdifferenz und beim Speichern anstelle der gemessenen Oberflächentemperatur verwendet. Durch die Berechnung der erwarteten Oberflächentemperatur und die Korrektur der gemessenen Oberflächentemperatur wird eine genaue Bestimmung eines Light-Off Ereignisses ermöglicht, auch wenn die Positionierung des Temperatursensors im Katalysator nicht exakt in dem axialen Bereich der maximalen Konvertierungsraten von CO und HC liegt. Die Korrektur der gemessenen Oberflächentemperatur ist insbesondere vorteilhaft, wenn sich infolge der Alterung des Katalysators die Position, an der HC und CO bevorzugt umgesetzt werden, über die Lebensdauer des Katalysators verändert.
  • Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für ein Abgasnachbehandlungssystem sieht vor, den axialen Bereich maximaler Konvertierungsraten von CO und HC anhand einer Berechnung der Oberflächentemperatur des Katalysators zu bestimmen. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass der Temperatursensor für einen möglichst großen Zeitraum der Lebensdauer des Katalysators die Oberflächentemperatur des Katalysators direkt an der Position maximalen Umsatzes messen kann, so dass keine oder nur möglichst geringe Korrekturen der gemessenen Temperatur des Katalysators erforderlich sind.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
    • 1 ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem,
    • 2 Verfahrensschritte, die von einem Steuergerät eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem ausgeführt werden.
  • 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem. Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst einen Katalysator 1, hier einen Dieseloxidationskatalysator (DOC), und eine Temperatursonde 2. Die Temperatursonde 2 ist im Dieseloxidationskatalysator 1 angeordnet. Durch die Positionierung der Temperatursonde 2 im Dieseloxidationskatalysator 1 kann die Oberflächentemperatur des DOC 1 direkt gemessen werden. Dies ermöglicht eine sehr genaue Bestimmung der Light-Off-Temperatur des DOC 1.
  • Die Temperatursonde 2 ist in einem axialen Bereich des Dieseloxidationskatalysators 1 angeordnet, in dem Konvertierungsraten von Kohlenstoffmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffen (HC) maximal sind. In diesem Bereich ist aufgrund der Konvertierung von CO und HC die Exotherme maximal. Zum Erkennen der Light-Off-Temperatur ist dieser Bereich daher bevorzugt für die Positionierung des Temperatursensors 2 geeignet.
  • Das in 1 dargestellte Abgasnachbehandlungssystem umfasst ein Steuergerät 3. Das Steuergerät 3 ist ausgebildet, die folgenden, in 2 dargestellten Schritte durchzuführen:
    • - Erfassen S1 der von der Temperatursonde 2 gemessenen Oberflächentemperatur des DOC 1,
    • - Berechnen einer Temperaturdifferenz S2 aus der gemessenen Oberflächentemperatur und einer gespeicherten Oberflächentemperatur Tsp ,
    • - Vergleich der Temperaturdifferenz S3 mit einem Temperaturdifferenzschwellwert ΔTs ,
    • - Detektieren eines Light-Off Ereignisses S4 anhand des Vergleiches der Temperaturdifferenz S3,
    • - Vergleich der gespeicherten Oberflächentemperatur S5, Tsp mit einem Temperaturschwellwert, wenn ein Light-Off Ereignis detektiert wird S4,
    • - Diagnose S6 des DOC 1 anhand des Vergleichs der gespeicherten Oberflächentemperatur S5, Tsp mit dem Temperaturschwellwert und
    • - Speichern S7 der gemessenen Oberflächentemperatur.
  • Das Verfahren ermöglicht die Diagnose des DOC 1 anhand der gemessenen Oberflächentemperatur und der Schwellwerte für die Temperaturdifferenz ΔTs sowie die Oberflächentemperatur. Wird eine Temperaturdifferenz erkannt, die größer ist als der Temperaturdifferenzschwellwert ΔTs , wird ein Light-Off Ereignis detektiert S4. Anhand des Vergleichs der gespeicherten Oberflächentemperatur S5, Tsp mit dem Temperaturschwellwert wird die Diagnose S6 des DOC 1 ermöglicht. Die Schwellwerte können hierbei betriebspunktabhängig als Tabelle oder Modell im Steuergerät 3 hinterlegt sein. Im letzten Schritt S7 des Verfahrens wird die gemessene Oberflächentemperatur im Steuergerät 3 gespeichert, so dass sie bei einer folgenden Durchführung des Verfahrens als gespeicherte Oberflächentemperatur Tsp zur Verfügung steht. Das Speichern S7 der gemessenen Oberflächentemperatur erfolgt auch dann, wenn nach dem Erfassen S1 noch kein gespeicherter Wert im Steuergerät 3 hinterlegt ist und wenn kein Light-Off Ereignis detektiert S4 wird. Nach dem Speichern S7 beginnt das Steuergerät mit dem Erfassen S1 der gemessenen Oberflächentemperatur.
  • In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät ausgebildet, die folgenden, zusätzlichen Schritte durchzuführen:
    • - Berechnen einer erwarteten Oberflächentemperatur S12 des DOC 1 mit einem Modell zur Bestimmung der Oberflächentemperatur des DOC 1,
    • - Korrektur S13 der gemessenen Oberflächentemperatur anhand der erwarteten Oberflächentemperatur.
  • Hierbei wird die korrigierte Oberflächentemperatur Tkor bei dem Berechnen der Temperaturdifferenz S2 und beim Speichern S7 anstelle der gemessenen Oberflächentemperatur verwendet. Die modellbasierte Korrektur S13 der gemessenen Oberflächentemperatur ermöglicht eine Bestimmung der Oberflächentemperatur des DOC 1 auch dann, wenn die Positionierung der Temperatursonde 2 im DOC 1 nicht in dem axialen Bereich der maximalen Exothermen liegt. Dies tritt auf, wenn sich der axiale Bereich der maximalen Exothermen infolge von Alterungseffekten des DOC 1 verschiebt.
  • Das zum Berechnen S2 der erwarteten Oberflächentemperatur des DOC 1 verwendete Modell basiert auf einem Kalman-Filter. Der Kalman-Filter ist ein mathematisches Verfahren zur Reduktion von Fehlern in realen Messwerten und in Schätzungen nicht messbarer Systemgrößen. Für die Modellierung der erwarteten Oberflächentemperatur des DOC 1 können aber auch andere geeignete mathematische Verfahren verwendet werden.
  • In diesem Ausführungsbeispiel des Abgasnachbehandlungssystems wird ein weiteres Modell verwendet. Das zusätzliche Modell, das bevorzugt ebenfalls auf einem Kalman-Filter basiert, bestimmt die Temperatur stromauf des Dieseloxidationskatalysators 1 und kann von dem Steuergerät 3 ausgeführt werden. Die mittels des weiteren Kalman-Filter Modells bestimmte Temperatur stromauf des Dieseloxidationskatalysators 1 wird als Eingangsgröße für das Modell zur Bestimmung der Oberflächentemperatur des Dieseloxidationskatalysators 1 verwendet. Die Verwendung der bestimmten Temperatur stromauf des DOC 1 ermöglicht eine höhere Genauigkeit des Modells zur Berechnung der Oberflächentemperatur des DOC 1.
  • In einem Herstellungsverfahren (nicht gezeigt) für das Abgasnachbehandlungssystem wird der axiale Bereich maximaler Konvertierungsraten von CO und HC anhand einer Berechnung der Oberflächentemperatur des Dieseloxidationskatalysators 1 bestimmt. Dieser bestimmte, axiale Bereich wird für die Positionierung des Temperatursensors 2 verwendet. Es können auch mehrere Berechnungen der Oberflächentemperatur mit unterschiedlichen Anfangs- und/oder Randbedingungen durchgeführt werden, so dass beispielsweise Alterungseffekte des DOC 1 und deren Auswirkungen auf den axialen Bereich maximalen Umsatzes berücksichtigt werden können. Indem die Positionierung des Temperatursensors 2 für einen möglichst großen Zeitraum der Lebensdauer des DOC 1 eine direkte Bestimmung der Oberflächentemperatur des DOC 1 ermöglicht, wird die Messgenauigkeit erhöht und der Korrekturbedarf minimiert.
  • Das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem kann Teil eines Fahrzeugs oder einer stationären Maschine sein, die zumindest einen Verbrennungsmotor aufweist, um das bei der Verbrennung gebildete Abgas von Emissionen zu reinigen. Alternativ zu dem DOC kann als Katalysator 1 ein Drei-Wege-Katalysator verwendet werden. Neben den hier aufgeführten Komponenten kann das Abgasnachbehandlungssystem weitere Komponenten umfassen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 9879587 B2 [0002]

Claims (10)

  1. Abgasnachbehandlungssystem, umfassend einen Katalysator (1) und eine Temperatursonde (2), wobei die Temperatursonde (2) im Katalysator (1) angeordnet ist.
  2. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Temperatursonde (2) in einem axialen Bereich des Katalysators (1) angeordnet ist, in dem Konvertierungsraten von Kohlenstoffmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffen (HC) maximal sind.
  3. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1 oder 2, umfassend ein Steuergerät (3), wobei das Steuergerät (3) ausgebildet ist, die folgenden Schritte durchzuführen: - Erfassen (S1) der von der Temperatursonde (2) gemessenen Oberflächentemperatur des Katalysators (1), - Berechnen einer Temperaturdifferenz (S2) aus der gemessenen Oberflächentemperatur und einer gespeicherten Oberflächentemperatur (Tsp), - Vergleich der Temperaturdifferenz (S3) mit einem Temperaturdifferenzschwellwert (ΔTs).
  4. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 3, wobei das Steuergerät (3) ausgebildet ist, einen Vergleich der gespeicherten Oberflächentemperatur (S5, Tsp) mit einem Temperaturschwellwert durchzuführen.
  5. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 3, wobei das Steuergerät (3) ausgebildet ist, die folgenden, zusätzlichen Schritte durchzuführen: - Berechnen einer erwarteten Oberflächentemperatur (S12) des Katalysators (1) mit einem Modell zur Bestimmung der Oberflächentemperatur des Katalysators (1), - Korrektur (S13) der gemessenen Oberflächentemperatur anhand der erwarteten Oberflächentemperatur, wobei die korrigierte Oberflächentemperatur (Tkor) bei dem Berechnen der Temperaturdifferenz (S2) anstelle der gemessenen Oberflächentemperatur verwendet wird.
  6. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 5, wobei das Modell auf einem Kalman-Filter basiert.
  7. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 5 oder 6, wobei ein weiteres Modell verwendet wird, um eine Temperatur stromauf des Katalysators (1) zu bestimmen.
  8. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 7, wobei das Steuergerät (3) ausgebildet ist, auch das weitere Modell auszuführen.
  9. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 7 oder 8, wobei die bestimmte Temperatur stromauf des Katalysators (1) als Eingangsgröße für das Modell zur Bestimmung der Oberflächentemperatur des Katalysators (1) verwendet wird.
  10. Herstellungsverfahren für ein Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei der axiale Bereich maximaler Konvertierungsraten von CO und HC anhand einer Berechnung der Oberflächentemperatur des Katalysators (1) bestimmt wird.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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