DE102019206873A1

DE102019206873A1 - Überwachung des Zustands eines Katalysators zur Stickoxidminderung durch Vergleich des Stickoxid-Sensorsignals mit einem modellierten Wert

Info

Publication number: DE102019206873A1
Application number: DE102019206873.1A
Authority: DE
Inventors: Arthur Bastoreala; Tobias Pfister
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-05-13
Filing date: 2019-05-13
Publication date: 2020-11-19
Also published as: CN111927607A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen des Zustands eines Katalysators (12, 13) zur Stickoxidminderung, umfassend Berechnen (31) mindestens eines modellierten Abgasmesswerts für einen vorgegebenen Zustand eines Modellkatalysators; Erfassen (30) mindestens eines entsprechenden gemessenen Abgasmesswerts hinter dem ersten Katalysator (12, 13); und Bestimmen, ob der Katalysator (12, 13) intakt oder defekt ist, auf Grundlage des mindestens eines modellierten Abgasmesswerts und des mindestens einen gemessenen Abgasmesswerts.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Zustands eines Katalysators zur Stickoxidminderung sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
Stand der Technik
Zur Reduktion von Stickoxiden (NO_x) im Abgas können im Fahrzeugbereich unter anderem SCR-Katalysatoren verwendet werden (Selective Catalytic Reduction). Als Stickoxide werden dabei Stickstoffmonoxid, NO, und Stickstoffdioxid, NO₂, zusammengefasst. Das Grundprinzip des SCR-Katalysators besteht darin, dass Stickoxidmoleküle auf der Katalysatoroberfläche bei Vorhandensein von Ammoniak (NH₃) als Reduktionsmittel zu elementarem Stickstoff reduziert werden. Das Reduktionsmittel wird üblicherweise in Form einer NH₃-abspaltenden Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) zur Verfügung gestellt, welche durch eine gesteuerte Dosiereinrichtung stromaufwärts vor dem SCR-Katalysator bereitgestellt wird.
Die Verwendung von SCR-Katalysatoren setzt derzeit auch die Verwendung mindestens eines Stickoxid-Sensors voraus. Häufig werden jedoch zwei Stickoxid-Sensoren, einer vor und einer hinter dem SCR-Katalysator, verwendet. Die Gesetzgebung für die Fahrzeugdiagnostik (OBD, OnBoard-Diagnostics) fordert in vielen Märkten eine sehr genaue Überwachung des Systems und insbesondere des SCR-Katalysators. Wenn der Katalysator altert und damit nicht mehr ausreichend Stickoxide umsetzen kann, muss vor der Überschreitung der geforderten Grenzwerte zuverlässig eine entsprechende Warnleuchte aktiviert werden und der Katalysator ersetzt werden.
Die Alterung und/oder Beschädigung eines SCR-Katalysators kann durch Auswertung der Stickoxide mittels geeigneter Sensoren vor und hinter dem Katalysator überwacht werden. In passiven Diagnoseverfahren werden dazu üblicherweise die Stickoxid-Konzentrationen, -Massenströme oder -Umsatzraten in Phasen gemessen, in denen eine ausreichende Unterscheidung zwischen einem intakten und einem defekten SCR-Katalysator möglich ist. Die Bedingungen für die Diagnose werden dabei üblicherweise so gewählt, dass ein intakter SCR-Katalysator einen hohen Stickoxid-Umsatz aufweist und der zu erkennende defekte Katalysator (Grenzteil) einen möglichst geringen. Der noch intakte SCR-Katalysator bzw. sein Zustand wird bei einer solchen Erkennung auch als WPA (worst performing acceptable)-Katalysator bezeichnet, während der defekte Zustand als BPU (best performing unacceptable) bezeichnet wird. Je größer der Unterschied zwischen diesen Zuständen unter den herrschenden Bedingungen ist, desto robuster ist das zugrundeliegende Diagnoseverfahren.
Da herkömmliche Stickoxid-Sensoren querempfindlich gegenüber Ammoniak sind, also ein Summensignal von NO_x und NH₃ anzeigen, kann sogenannter Ammoniakschlupf hinter dem SCR-Katalysator zu einer scheinbar geringeren Effizienz führen, da auch Ammoniak zu einem erhöhten Sensorsignal führt, das als Erhöhung der Stickoxide fehlinterpretiert werden kann. Dadurch kann einerseits ein BPU-Katalysator leichter erkannt werden, da er schlechter erscheint, als er ist; andererseits erscheint auch ein WPA-Bauteil fälschlicherweise schlechter, so dass eine Unterscheidung der Zustände erschwert wird. Üblicherweise haben diese Verfahren daher das Ziel, die Bedingungen so zu wählen, dass kein Ammoniakschlupf auftritt.
Reicht die Genauigkeit eines solchen passiven Verfahrens nicht aus, so kann ein aktives Verfahren angewendet werden, das mithilfe von aktiven Eingriffen in die Dosiermenge der Harnstofflösung die Ammoniakspeicherfähigkeit des SCR-Katalysators bestimmt. Diese korreliert sehr gut mit einer thermischen oder chemischen Schädigung des SCR-Katalysators.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Überwachen eines Zustands eines Katalysators sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung bedient sich dabei der Maßnahme, einen hinter (stromabwärts) dem Katalysator erfassten Messwert mit einem modellierten Abgasmesswert für einen vorgegebenen Zustand eines Modellkatalysators, oder jeweils davon abgeleitete bzw. gefilterte Werte, beispielsweise Integrale oder Summen, zu vergleichen und auf Grundlage des Vergleichs zu bestimmen, ob der Katalysator intakt oder defekt ist.
Durch die Verwendung eines Modells als Vergleich können alle Betriebsbedingungen physikalisch abgebildet und damit bei der Diagnose berücksichtigt werden. Eine solche direkte Bestimmung der Katalysatoralterung anstelle der bisherigen Bestimmung der Effizienz und Ableitung des Katalysatoralters daraus ermöglicht es, besser zwischen einer Katalysatorschädigung und Beschädigungen oder Fehler anderer Bauteile zu differenzieren.
Der mindestens eine gemessene Abgasmesswert und der mindestens eine modellierte Abgasmesswert können dabei jeweils insbesondere ein Stickoxid-Messwert, ein Ammoniak-Messwert oder ein kombinierter Stickoxid-Ammoniak-Messwert sein und können beispielsweise jeweils eine Konzentration oder einen Massenstrom eines Abgasbestandteils (wie die genannten Stickoxide oder Ammoniak) angeben. Dafür sind gegenüber einem herkömmlichen Abgasstrang keine baulichen Veränderungen notwendig und es können die üblichen Sensoren verwendet werden. Insbesondere kann der gemessene Abgaswert mittels eines Stickoxid-Sensors erfasst werden, der eine Querempfindlichkeit auf Ammoniak aufweist. Die Querempfindlichkeit wird hier auf vorteilhafte Weise in das Diagnoseverfahren eingebunden, indem beide Alterungsmechanismen eines Katalysators - geringere Speicherfähigkeit für Ammoniak und schlechtere Umsetzung von Stickoxiden in einer Größe berücksichtigt werden.
Dadurch können aktive Eingriffe in die Dosierung mit Auswirkungen auf Effizienz und Emissionen vermieden werden. Darüber hinaus können intakte Katalysatoren genauer von defekten Katalysatoren unterschieden werden, so dass die Robustheit und Trennschärfe der Diagnose verbessert wird.
Vorzugsweise umfasst das das Bestimmen, ob der Katalysator intakt oder defekt ist, auf Grundlage des mindestens eines modellierten Abgasmesswerts und des mindestens einen gemessenen Abgasmesswerts das Bilden eines Differenzwerts aus dem mindestens einen gemessenen Abgasmesswert und dem mindestens einen modellierten Abgasmesswert, das Bilden eines integrierten Werts aus dem Integral mehrerer Differenzwerte über einen vorbestimmten Zeitraum; das Vergleichen des integrierten Werts mit einem Schwellwert; und das Bestimmen, ob der Katalysator intakt oder defekt ist, auf Grundlage des Vergleichens. Es versteht sich, dass das Bilden eines integrierten Werts in der Praxis als Summenbildung implementiert werden wird. Bei dieser Ausführungsform kann anhand des Vorzeichens des integrierten Werts sehr leicht darauf geschlossen werden, ob der Katalysator besser oder schlechter als das Modell arbeitet. Ebenso ist möglich, zuerst die Modellwerte und die Messwerte separat aufzuintegrieren und anschließend die Differenz zu bilden.
Gemäß einer Ausführungsform kann außerdem jeder Differenzwert vor der Bildung des Integrals mit einem Gewichtungsfaktor multipliziert werden, wobei der Gewichtungsfaktor auf Basis vorgegebener Betriebsbedingungen des Katalysators bestimmt wird. Auf diese Weise können Phasen mit hoher Genauigkeit der Modellierung und/oder Messung verstärkt in die Diagnose einfließen, während der Einfluss von ungenau bestimmbaren oder modellierbaren Werten begrenzt werden kann.
Solche Betriebsbedingungen zur Bestimmung des Gewichtungsfaktors können beispielsweise eines oder mehrere der folgenden umfassen: ein Toleranzverhalten des Ammoniakfüllstands des Katalysators, eine Temperatur des Katalysators, einen Temperaturgradienten des Katalysators, eine Freigabebedingung eines verwendeten Sensors, einen Abgasmassenstrom, einen Stickoxidmassenstrom.
Darüber hinaus kann gemäß einer Ausführungsform weiter eine Freigabebedingung geprüft werden, bevor ein Differenzwert für die Bildung des Integrals verwendet wird, und der zugehörige Differenzwert für die Bildung des Integrals nur dann verwendet werden, falls die Freigabebedingung erfüllt ist. Damit wird nicht zwingend die ganze Diagnose verworfen und dennoch sichergestellt, dass Werte ohne ausreichende Aussagekraft nicht in die Auswertung einfließen. So wird die Auswertehäufigkeit und Trennschärfe weiter verbessert. Freigabebedingungen können beispielsweise einen maximalen modellierten Ammoniakschlupf hinter dem Katalysator und/oder einen maximalen Temperaturgradienten im Katalysator umfassen, da z.B. eine Ausspeicherung von Ammoniak bei hohen Temperaturen zu einer Verfälschung der Auswertung führen könnte, oder ein hoher Temperaturgradient durch veränderte Reaktionsabläufe zu einer schwierigen Modellierung führen könnte.
Die Berechnung des mindestens einen modellierten Abgasmesswerts kann beispielsweise auf Grundlage eines Reaktionskinetikmodells oder eines datenbasierten Modells (d.h. Kennfeldmodell) erfolgen. Es können auch bekannte Modelle aus der Literatur entnommen werden, z.B. „Unsteady analysis of NO Reduction over Selective Catalyst Reduction - De-NOxMonolith Catalysts“, E Tronconi, A. Cavanna, P. Forzatti, Ind. Eng. Chem. Res 1998, 37, 2341-2349. Diese Modelle sind in modernen Kfz-Steuergeräten implementierbar und bilden sowohl den NO_x-Umsatz eines SCR-Katalysators als auch den NH₃-Schlupf ab.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt schematisch ein beispielhaftes Katalysator-System, das für Ausführungsformen der Erfindung geeignet ist;
2 skizziert das Prinzip einer Katalysatordiagnose gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
3 zeigt ein beispielhaftes Diagramm von integrierten Differenzwerten für einen intakten (WPA) und einen defekten (BPU) Katalysator gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
4 zeigt beispielhafte Verfahrensschritte von erfindungsgemäßen Ausführungsformen.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein beispielhaftes System, in dem Ausführungsformen der Erfindung zur Anwendung kommen können. Dabei sind in einem Abgasstrang ein oder mehrere Katalysatorelemente vorgesehen, in die ein Abgasstrom 10 aus einer Brennkraftmaschine zur Abgasbehandlung eingeleitet wird. In der Figur ist zunächst ein Dieseloxidationskatalysator (DOC) 11 gezeigt, an den sich stromabwärts zwei SCR-Katalysator-Elemente 12 und 13 anschließen, die beispielsweise auch ein Partikelfilterelement mit SCR-Beschichtung (SCRF) 12 umfassen können. Vor jedem SCR-Katalysator-Element 12, 13 ist je ein Dosiermodul 14 und 15 zur dosierten Einbringung einer Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) in das System angeordnet. Jedes Dosiermodul 14, 15 wird von einer Steuereinheit 19 gesteuert, wobei bevorzugt alle Module von derselben Einheit angesteuert werden, z.B. einem Motorsteuergerät. Außerdem sind mehrere Sensoren 16, 17 und 18 angebracht, die Abgaswerte an unterschiedlichen Stellen des Systems messen können.
Insbesondere kann vor und/oder hinter jedem Katalysatorelement 11, 12, 13 ein Stickoxid-Sensor und/oder ein Ammoniak-Sensor angebracht sein, der im Abgasstrom die Konzentrationen und/oder Umsatzrate und/oder Massenströme der jeweiligen Bestandteile misst. Dabei kann es sich um einen NO_x-Sensor handeln, der querempfindlich auch auf Ammoniak (NH₃) ist, oder es kann sich um einen Multigas-Sensor handeln, der Werte für NO_x und NH₃ einzeln ausgeben kann. Ebenso können auch mehrere einzelne Sensoren für NO_x und NH₃ an den jeweiligen Stellen 16, 17, 18 im Abgasstrom angeordnet sein. Die Messwerte aller Sensoren werden an eine Steuerungseinheit 19 zur Verarbeitung weitergeleitet. Es können natürlich auch weitere, hier nicht gezeigte Sensoren genutzt werden, wie etwa Temperatursensoren an verschiedenen Orten des Systems, Lambdasonden, Luftmassenmesser und andere.
Um in einem solchen oder ähnlichen System nun den Zustand eines SCR-Katalysators 12, 13 zu erkennen, also eine Diagnose bezüglich einer Schädigung bzw. Alterung des Katalysators zu ermöglichen, werden gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gemessene Abgaswerte mit modellierten Abgaswerten verglichen und über einen bestimmten Zeitraum integriert.
Dabei kann ein theoretisches Katalysatormodell verwendet werden, das den Katalysator bzw. die erwarteten Werte für Stickoxide und Ammoniak im Abgasstrom nach dem Katalysator in einem bestimmten vorgegebenen Zustand modelliert, beispielsweise in einem noch intakten WPA-Zustand (worst performing acceptable) des Katalysators. Das Modell kann beispielsweise ein Reaktionskinetikmodell oder datenbasiertes Modell sein, das grundsätzlich im Fach bekannt ist. Als relevante Größen für die Modellierung und Messung können die Konzentrationen der Abgaskomponenten, also insbesondere die Konzentrationen von NH₃ und NO_x genutzt werden, alternativ auch der Massenstrom dieser Größen. Ebenso ist es möglich, ein kennfeldbasiertes Modell für die Modellierung der Abgaswerte zu nutzen.
2 skizziert das Prinzip einer Katalysatordiagnose für einen Katalysator gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Aus einem geeigneten Modell 31 des SCR-Katalysators werden die modellierte NO_x-Konzentration $c_{N H_{X}}^{m o d} (t)$
sowie die modellierte NH₃-Konzentration $c_{N H_{3}}^{m o d} (t)$
hinter dem relevanten Katalysator berechnet. Dazu fließt in das Modell 31 als Eingangsgröße eine Ammoniak-Konzentration vor dem Katalysator, $c_{N H_{3}}^{D o s} (t),$
die auf Grundlage der Ansteuerung des jeweiligen Dosiermoduls bestimmt werden kann, sowie eine Stickoxid-Konzentration vor dem Katalysator $c_{N O_{X}}^{U S} (t),$
die entweder durch einen entsprechenden Sensor vor dem Katalysator gemessen oder auf Grundlage eines Modells aus dem Betriebszustand des Motors bestimmt werden kann, ein.
Das berechnete Summensignal 32 $c_{N O_{X} + N H_{3}}^{m o d} (t) = c_{N O_{X}}^{m o d} (t) + c_{N H_{3}}^{m o d} (t)$
dieser beiden modellierten Größen kann dann mit dem an einem NO_x-Sensor gemessenen Signal hinter dem Katalysator 30 verglichen werden.
Bei dem gemessenen Sensorsignal handelt es sich in dieser Ausführungsform um einen Wert eines NO_x-Sensors, der auf NH₃ querempfindlich ist und stromabwärts hinter dem Katalysator 30 angeordnet ist, bei dem also beide Bestandteile ein Signal verursachen. Das gemessene Signal zeigt also tatsächlich einen kombinierten Wert für die jeweiligen Konzentrationen von NO_x und NH₃ an dieser Stelle an, welcher im wesentlichen der Summe aus den hinter dem Katalysator 30 vorhandenen Konzentrationen entspricht, $c_{N O_{X} + N H_{3}}^{m e s s} (t) = c_{N O_{X}}^{m e s s} (t) + c_{N H_{3}}^{m e s s} (t) .$
Zum Vergleich des gemessenen Werts mit dem modellierten Wert kann dann eine Differenz 34 der beiden Summenwerte gebildet werden. $Δ c_{N O_{X} + N H_{3}} (t) = c_{N O_{X} + N H_{3}}^{m e s s} (t) - c_{N O_{X} + N H_{3}}^{m o d} (t)$
d.h. der modellierte Summenwert 32 für den Katalysatorausgang wird von dem gemessenen Summensignal für NO_x und NH₃ hinter dem Katalysator abgezogen.
Die so erhaltene Differenz Δc_NO
x _+NH
3 (t) wird über einen vorgegebenen Auswertungszeitraum z.B. durch einen Integrator 36 integriert, und das erhaltene Integral wird mit einem Schwellwert verglichen. Dieser Vergleich wird anschließend von dem Diagnosesystem 38, z.B. der OBD-Diagnose-Software, ausgewertet.
Falls als Modell 31 ein WPA-Katalysator verwendet wird, dann gilt im Fall eines gemessenen noch intakten Katalysators, also eines WPA-Katalysators $c_{N O_{X} + N H_{3}}^{m e s s} \approx c_{N O_{X} + N H_{3}}^{m o d}$
d.h. die Differenz von Modellwert und Messwert bleibt schwankend rund um den Nullwert und damit auch das resultierende Integral nahe 0. Bei einem gealterten oder geschädigten Katalysator (BPU) dagegen gilt $c_{N O_{X} + N H_{3}}^{m e s s} > c_{N O_{X} + N H_{3}}^{m o d},$
d.h. das gemessene Signal ist höher als der modellierte Wert, also steigt das Integral über einen Schwellwert. Damit kann festgelegt werden, dass der Katalysator 30 als defekt im Sinne der OBD-Diagnose 38 eingestuft wird, sobald beim Vergleich des integrierten Werts mit dem Schwellwert dieser überschritten wird, und als noch intakt eingestuft wird, solange sich das erhaltene Integral unter dem Schwellwert befindet.
Die bei einem defekten Katalysator erhöhte Differenz zwischen gemessenem und modelliertem Wert (und damit auch das Integral oberhalb des Schwellwerts) kann im wesentlichen auf Grundlage zweier Effekte interpretiert werden: etwa zur Hälfte handelt es sich um Ammoniak (NH₃), das in einem defekten Katalysator im Vergleich zu einem WPA-Katalysator nicht mehr ausreichend eingespeichert werden kann; die andere Hälfte stammt von Stickoxiden NO_x, die von einem defekten Katalysator nicht mehr genügend umgesetzt werden können und daher auch nach dem Katalysator erhöht auftreten. Damit werden beide wesentlichen Alterungseffekte, nämlich die reduzierte Speicherfähigkeit für NH₃ und der geringere NO_x-Umsatz, in einer einzigen überwachten Größe zur Diagnose des Katalysators berücksichtigt.
Anstelle eines WPA-Katalysators kann für die Modellierung 31 der Abgaswerte $c_{N H_{3}}^{m o d} (t) u n d c_{N O_{X}}^{m o d} (t)$
hinter dem Katalysator auch ein sogenannter mittellagiger Katalysator zwischen dem WPA- und dem BPU-Zustand betrachtet werden. In diesem Fall wird der Integrator 36 im Fall eines gemessenen BPU-Katalysators in positive Richtung laufen und im WPA-Fall in die negative Richtung.
3 zeigt eine beispielhafte statistische Auswertung von einer Vielzahl von Integralwerten, d.h. integrierten Differenzwerten für Diagnosemessungen an einem BPU- und ein WPA-Bauteil und Modellierung eines solchen mittellagigen Katalysators, wobei die Integralwerte gegen die Zeit t[s] aufgetragen sind. Dabei handelt es sich bei den oberen Punkten im Diagramm (größer als 0) um die Integralwerte im Fall eines defekten Katalysators (BPU), während die unteren Werte (kleiner als 0) die Integralwerte im Fall eines intakten (WPA) Katalysators anzeigen.
Als Auswertungszeitpunkt bzw. Länge einer einzelnen Überwachungsphase für die Diagnose kann ein standardisierter Zeitraum genutzt werden, beispielsweise auf Basis eines NO_x-Integrals, so dass die Diagnose jeweils nach einer erreichten NO_x-Menge von z.B. 2 Gramm ausgewertet wird.
Die Genauigkeit einer solchen Diagnose ist stark abhängig von der Genauigkeit der verwendeten Modellierung des Katalysators. Um dies in die Diagnose einfließen zu lassen, können Gewichtungsfaktoren auf die Differenzwerte aus gemessenem und modelliertem Wert angewendet werden, die in Abhängigkeit von Betriebsgrößen variiert werden können. Die Gewichtungsfaktoren werden für jeden Durchgang bzw. für jeden Differenzwert einzeln bestimmt und mit diesem multipliziert. Dadurch können Phasen mit einer hohen erwarteten Modellgenauigkeit stärker berücksichtigt werden, während Phasen mit geringerer erwarteter Genauigkeit nur bedingt oder gar nicht in die Diagnose einfließen.
Als Bedingungen für diese Gewichtungen können beispielsweise allgemeine Betriebsbedingungen, wie die Freigabe der NO_x-Sensoren und der Dosiermodule der Harnstoff-Wasser-Lösung verwendet werden. Darüber hinaus können optional aber auch beispielsweise die Katalysatortemperatur, der Abgasmassenstrom und der NO_x-Massenstrom vor dem Katalysator einzeln oder kombiniert zur Einschränkung genutzt werden.
Für alle solche Bedingungen ist es im Extremfall möglich, den Integrator vorübergehend zu deaktivieren und so die Diagnose „einzufrieren“, also gewisse Phasen mit ungenauer Modellierung gar nicht in die Diagnose einfließen zu lassen und den Diagnoseabschnitt anschließend wieder fortzusetzen.
Ebenso ist es sinnvoll und möglich, den Temperaturgradienten des Katalysators für die Gewichtung zu betrachten. Bei hohen Temperaturgradienten kommt es im SCR-Katalysator zu einer Konkurrenz zwischen der NO_x-Reaktion und der NH₃-Desorption, was die Modellierung erschwert. Um dies zu berücksichtigen, kann der aktuelle Temperaturgradient mit einem Schwellwert verglichen werden. Wird diese Schwelle für eine bestimmte Zeit überschritten, kann der Integrator auf einen zuvor gespeicherten Wert zurückgesetzt werden, der z.B. dem Wert beim ersten Überschreiten der Schwelle für den Temperaturgradienten entspricht. Auf diese Weise werden ungenaue Phasen nicht berücksichtigt, ohne bei jedem kurzfristigen Anstieg des Temperaturgradienten die Diagnose vollständig zu sperren.
Auch für andere der genannten Freigabebedingungen kann grundsätzlich auf ähnliche Weise eine entsprechende Unterbrechung der Diagnose vorgenommen werden, bei der der Integrator entweder nach der Unterbrechung weiter läuft oder auf einen vorbestimmten früheren Wert zurückgesetzt wird.
Eine weitere Einschränkung für die Diagnostizierbarkeit des Katalysators liegt vor, wenn aufgrund eines Temperaturanstiegs NH₃ aus dem Katalysator ausgespeichert wird. Dieser Vorgang kann dazu führen, dass der Ammoniakschlupf im Fall eines intakten Katalysators (WPA) größer ist als im Fall eines defekten Katalysators (BPU), in dem bereits weniger NH₃ gespeichert ist. Damit wäre der gemessene kombinierte Sensorwert hinter dem Katalysator bei einem intakten Katalysator womöglich größer als bei einem defekten Katalysator. Gemäß der beschriebenen Diagnosemethode würde das Integral also ansteigen und das gemessene Signal fälschlicherweise als Anzeichen für eine reduzierte Speicherfähigkeit betrachtet werden, so dass es womöglich zur (falschen) Diagnose eines defekten Katalysators führt. Um dies zu verhindern, kann Ammoniakschlupf des Katalysators für ein Modell eines WPA-Katalysators unter Berücksichtigung der Temperatur modelliert werden. Falls der modellierte NH₃-Schlupf über einem Schwellwert liegt, kann entsprechend wieder die Diagnose bzw. die Integration der Differenzwerte vorübergehend gestoppt werden. Alternativ kann ein modelliertes NH₃-Signal für einen WPA-Zustand mit einem modellierten NH₃-Signal für einen BPU-Zustand verglichen werden. Falls der modellierte WPA-Wert über dem modellierten BPU-Wert liegt, ist eine Freigabe der Diagnose auf dieser Grundlage nicht sinnvoll und kann wieder entsprechend eingefroren (unter Nutzung gespeicherter Werte vor dem Temperaturanstieg) oder verworfen werden.
Weiter kann die Diagnose bzw. die Genauigkeit der genutzten Modellierung auch von der Genauigkeit des modellierten NH₃-Füllstands des Katalysators abhängig sein. Falls zu erwarten ist, dass in einer Situation der modellierte NH₃-Füllstand nicht mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden kann, kann daher die Diagnose in diesen Fällen wieder entsprechend gedrosselt oder gestoppt werden. Dazu können beispielsweise zwei verschiedene zusätzliche Katalysatormodelle modelliert werden, wobei das erste zusätzliche Modell das Toleranzverhalten des Füllstands zugrunde legt, das zu einem maximalen NH₃-Füllstand führt, während das zweite zusätzliche Modell das Toleranzverhalten zugrunde legt, das zu einem minimalen NH₃-Füllstand führt. Aus der absoluten oder relativen Differenz dieser beiden Modellwerte kann ein Vertrauensfaktor bestimmt werden, der einem aktuellen Toleranzverhalten in Bezug auf den NH₃-Füllstand entspricht. Die Differenz der modellierten und gemessenen Abgaswerte kann dann mit diesem Vertrauensfaktor multipliziert werden, um eine Drosselung bzw. weitere Gewichtung des Diagnoseverfahrens in Bezug auf die Genauigkeit des NH₃-Füllstands zu erreichen.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm von Verfahrensschritten beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung. Dabei müssen nicht alle gezeigten Schritte in einem erfindungsgemäßen Verfahren genutzt werden, und ebenso können weitere Schritte oder Eingriffe stattfinden, die hier nicht abgebildet sind.
Nach dem Start eines Diagnoseabschnitts (Schritt 100) wird in Schritt 102 geprüft, ob die Freigabebedingungen für die Diagnose erfüllt sind, also ob wie vorstehend beschrieben beispielsweise die Freigabebedingungen für die Sensoren vorliegen, oder ob der Temperaturgradient wie beschrieben unter einer gewissen Schwelle liegt. Falls dies aktuell nicht der Fall ist, wird die Diagnose erst fortgeführt bzw. ausgeführt, wenn eine erneute Prüfung dieser Freigabebedingungen erfolgreich ist.
In Schritt 104 wird anschließend ein Vertrauensfaktor für die aktuelle Wertedifferenz berechnet. Ebenso können in diesem Schritt weitere Gewichtungsfaktoren bestimmt werden, die auf den entsprechenden Differenzwert angewandt werden, um den zugrundliegenden Einfluss z.B. zu drosseln. Dabei können auch bestimmte Bedingungen sowohl zur Prüfung der Freigabe als auch zur Gewichtung eingesetzt werden, oder es kann sich um verschiedene Bedingungen und Einflüsse handeln.
In Schritt 106 werden der Integrator, der die Differenzwerte aus Modell und Messwerten integriert, sowie das verwendete Katalysatormodell auf Grundlage der vorherigen Schritte aktualisiert.
In Schritt 108 wird geprüft, ob der vorgegebene Überwachungszeitraum beendet ist. Falls nicht, wird der Diagnosevorgang fortgeführt, indem die Schleife erneut von vorne (Schritt 100) durchlaufen wird und erneut die Bedingungen und Gewichtungswerte entsprechend überprüft werden und auf die zu integrierenden Differenzwerte angewandt werden, und mit diesen Werten der Integrator erneut aktualisiert wird (Schritt 106).
Falls in Schritt 108 festgestellt wird, dass der Überwachungszeitraum beendet ist, also z.B. ein vorgegebener Zeitraum abgelaufen ist oder ein vorgegebenes Kriterium zur Bestimmung eines Überwachungszeitraums erfüllt ist, wird die Überwachungsphase beendet und nun in Schritt 110 der erhaltene Integratorwert mit einem Schwellwert verglichen. Falls der Integratorwert einen bestimmten vorgegebenen Schwellwert überschreitet, kann geschlossen werden, dass der diagnostizierte Katalysator defekt ist (Schritt 112); falls der Schwellwert nicht überschritten wird, wird davon ausgegangen, dass der Katalysator intakt ist (Schritt 114). Die Lage dieses Schwellwerts ist abhängig von der verwendeten Modellierung.
Anschließend kann eine erneute Überwachungsphase eingeleitet werden, die entsprechend einen neuen Integratorwert zum Vergleich mit dem Schwellwert bereitstellt.
Es ist auch möglich, zuerst eine Vielzahl solcher Integratorwerte auszuwerten, bevor auf einen intakten oder defekten Katalysator geschlossen wird und das Diagnosesystem (z.B. OBD) eine entsprechende Warnung veranlasst; dazu kann z.B. eine Mindestanzahl an Ergebnissen festgelegt sein, die unmittelbar nacheinander oder auch unzusammenhängend oberhalb des Schwellwerts liegen müssen. Wie in 3 bereits zu sehen war, können die exakten Integralwerte sich für einen bestimmten Katalysatorzustand zwar wertemäßig unterscheiden, werden aber üblicherweise in einem engen Bereich und oberhalb bzw. unterhalb der definierten Schwellwerte liegen, so dass eine klare und robuste Trennbarkeit der WPA- und BPU-Zustände ermöglicht wird.
Es versteht sich, dass die beschriebenen Faktoren und Bedingungen zur Drosselung bzw. Gewichtung oder zum Stoppen, Verwerfen oder Einfrieren der Diagnose einzeln oder miteinander kombiniert verwendet werden können. Dabei kann die Reihenfolge der Überprüfungen bestimmter Bedingungen wie hier beschrieben sein oder auch anders ablaufen; ebenso können bestimmte Schritte je nach Ausführungsform ausgelassen werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, anstelle eines auf NH₃ querempfindlichen NO_x-Sensors beispielsweise einen sogenannten Multigas-Sensor zu verwenden, der in der Lage ist, separate Signale für NO_x und NH₃ auszugeben. Ebenso ist es denkbar, Sensoren ohne oder mit vernachlässigbarer Querempfindlichkeit mit den Verfahren gemäß der vorstehenden Ausführungsformen zu nutzen, die also im wesentlichen die Massenströme oder Konzentrationen der Abgaskomponenten einzeln ausgeben können. In diesen Fällen können die Verfahrensschritte der Erfindung auch separat auf die jeweiligen Einzelsignale für NO_x und/oder NH₃ angewendet werden, also die Modellierung der Werte, die Differenzbildung aus Messwert und Modellwert, sowie die anschließende Integration der erhaltenen Differenzwerte und die Überprüfung der Schwellwerte für diese Integralwerte.
Ebenso ist es möglich, mit den beschriebenen Verfahren nur einen einzelnen Katalysator zu überwachen, oder auch ein System aus mehreren Katalysatoren hintereinander, wie etwa in 1 gezeigt. Dabei kann in einem System mehrerer Katalysatoren die Differenz und Summenbildung nach jedem Katalysator separat stattfinden oder es kann ein kombiniertes Modell aus allen betrachteten Katalysatoren genutzt werden, so dass als Messwert nur die Abgasmesswerte an einem Sensor nach dem letzten der betrachteten Katalysatoren genutzt werden. Prinzipiell kann die Erfindung in allen Abgassystemen mit SCR-Katalysator und Dosiereinheit verwendet werden.
Die beschriebenen Verfahrensschritte und Berechnungen werden bevorzugt in einer oder mehreren Steuereinheiten ausgeführt. Dabei kann es sich beispielsweise für alle Schritte, Sensordaten und Regelungsvorgänge um dieselbe Steuereinheit handeln, bevorzugt um ein Motorsteuergerät.
Die Schritte können in entsprechenden Steuereinheiten wie etwa Prozessoren oder Mikrocontrollern elektronisch oder bevorzugt auf Softwarebasis implementiert werden, so dass es auf einfache Weise möglich ist, eine Steuereinheit mit dem erfindungsgemäßen Diagnosesystem auszustatten, solange entsprechende Schnittstellen zu Sensoren vorhanden sind. Dabei können auch Softwaremodule auf einer Steuereinheit mit weiteren entsprechenden Hardwareelementen wie etwa Mikrocontrollern und FPGAs kombiniert sein, um bestimmte Anteile der erfindungsgemäßen Ausführungsformen auszuführen. Ebenso ist eine Verbindung mehrerer Steuereinheiten möglich.

Claims

Verfahren zum Überwachen des Zustands eines Katalysators (12, 13) zur Stickoxidminderung, umfassend Berechnen (31) mindestens eines modellierten Abgasmesswerts für einen vorgegebenen Zustand eines Modellkatalysators; Erfassen (30) mindestens eines entsprechenden gemessenen Abgasmesswerts hinter dem Katalysator (12, 13); und Bestimmen, ob der Katalysator (12, 13) intakt oder defekt ist, auf Grundlage des mindestens eines modellierten Abgasmesswerts und des mindestens einen gemessenen Abgasmesswerts, wobei das Bestimmen wenigstens einen Integrationsschritt, wenigstens einen Differenzbildungsschritt und wenigstens einen Vergleichsschritt umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine gemessene Abgasmesswert und der mindestens eine modellierte Abgasmesswert eines der folgenden ist: ein Stickoxid-Messwert, ein Ammoniak-Messwert, oder ein kombinierter Stickoxid-Ammoniak-Messwert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mindestens eine gemessene Abgasmesswert und der mindestens eine modellierte Abgasmesswert jeweils eine Konzentration oder einen Massenstrom eines Abgasbestandteils angeben.
Verfahren nach einem der vorgegebenen Ansprüche, wobei der gemessene Abgaswert mittels eines Stickoxid-Sensors (17, 18) erfasst wird, der eine Querempfindlichkeit auf Ammoniak aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen, ob der Katalysator (12, 13) intakt oder defekt ist, auf Grundlage des mindestens eines modellierten Abgasmesswerts und des mindestens einen gemessenen Abgasmesswerts, umfasst: Bilden (34) eines Differenzwerts (Δc) aus dem mindestens einen gemessenen Abgasmesswert und dem mindestens einen modellierten Abgasmesswert, Bilden (36) eines integrierten Werts aus dem Integral mehrerer Differenzwerte (Δc) über einen vorbestimmten Zeitraum; Vergleichen (110) des integrierten Werts mit einem Schwellwert; und Bestimmen, ob der Katalysator (12, 13) intakt oder defekt ist, auf Grundlage des Vergleichens.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei jeder Differenzwert (Δc) vor der Bildung des Integrals mit einem Gewichtungsfaktor multipliziert wird, wobei der Gewichtungsfaktor auf Basis vorgegebener Betriebsbedingungen des Katalysators bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die vorgegebenen Betriebsbedingungen zur Bestimmung des Gewichtungsfaktors mindestens eines der folgenden umfassen: ein Toleranzverhalten des Ammoniakfüllstands des Katalysators, eine Temperatur des Katalysators, einen Temperaturgradienten des Katalysators, eine Freigabebedingung eines verwendeten Sensors, einen Abgasmassenstrom, einen Stickoxidmassenstrom.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, weiter umfassend: Prüfen (102) einer Freigabebedingung, bevor ein Differenzwert für die Bildung des Integrals verwendet wird, und Verwenden des zugehörigen Differenzwerts für die Bildung des Integrals nur, falls die Freigabebedingung erfüllt ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Freigabebedingung einen maximalen modellierten Ammoniakschlupf hinter dem Katalysator und/oder einen maximalen Temperaturgradienten im Katalysator umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen, ob der Katalysator (12, 13) intakt oder defekt ist, auf Grundlage des mindestens eines modellierten Abgasmesswerts und des mindestens einen gemessenen Abgasmesswerts, umfasst: Bilden jeweils eines integrierten Abgasmesswerts aus dem Integral mehrerer Abgasmesswerte über einen vorbestimmten Zeitraum; Bilden jeweils eines integrierten modellierten Abgasmesswerts aus dem Integral mehrerer modellierter Abgasmesswerte über den vorbestimmten Zeitraum; Bilden eines Differenzwerts aus dem integrierten Abgasmesswert und dem integrierten modellierten Abgasmesswert; Vergleichen des Differenzwerts mit einem Schwellwert; Bestimmen, ob der Katalysator (12, 13) intakt oder defekt ist, auf Grundlage des Vergleichens.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Berechnung des mindestens einen modellierten Abgasmesswerts auf Grundlage eines Reaktionskinetikmodells oder eines datenbasierten Modells erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Modellkatalysator ein WPA-Katalysator oder ein mittellagiger Katalysator zwischen einem WPA-Katalysator und einem BPU-Katalysator.
Recheneinheit (19), die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 14.