DE102020208334A1 - Verfahren zur Regelung eines Abgasnachbehandlungssystems eines Abgasstromes einer Verbrennungskraftmaschine sowie Abgasnachbehandlungssystem - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft, ein Verfahren zur Regelung eines Abgasnachbehandlungssystems (1) eines Abgasstromes einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor (2), wobei das Abgasnachbehandlungssystem (1) zumindest zwei SCR-Einheiten (3, 4) umfasst, wobei in den Abgasstrom ein insbesondere harnstoffhaltiges Nachbehandlungsfluid eindosiert wird, welches in den SCR-Einheiten (3, 4) mit dem Abgasstrom reagiert, wobei eine eindosierte Menge an Nachbehandlungsfluid von einer Gesamtbeladungsmenge der SCR-Einheiten (3, 4) und einer Beladungsmenge einer zweiten SCR-Einheit (4) abhängig ist, wobei zwischen einer ersten SCR-Einheit (3) und der zweiten SCR-Einheit (4) eine NH3-Konzentration bestimmt wird.
Weiter betrifft die Erfindung Abgasnachbehandlungssystem (1) eines Abgasstromes einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor (2).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Abgasnachbehandlungssystems eines Abgasstromes einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das Abgasnachbehandlungssystem zumindest zwei SCR-Einheiten umfasst, wobei ein NH3-Füllstand der SCR-Einheiten bestimmt wird und wobei in den Abgasstrom ein insbesondere harnstoffhaltiges Nachbehandlungsfluid eindosiert wird, welches in den SCR-Einheiten mit dem Abgasstrom reagiert.
  • Weiter betrifft die Erfindung Abgasnachbehandlungssystem eines Abgasstromes einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das Abgasnachbehandlungssystem zumindest zwei SCR-Einheiten umfasst, mit zumindest einer Einspritzvorrichtung zur Eindosierung eines insbesondere harnstoffhaltiges Nachbehandlungsfluid in den Abgasstrom und einer Regelungseinheit zur Regelung einer Menge des eingespritzten Abgasnachbehandlungsfluides, wobei die Regelungseinheit mit der Einspritzvorrichtung verbunden ist.
  • Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Verfahren zur Regelung von SCR-Anlagen bekannt. Beispielsweise sind Verfahren bekannt, bei denen der gewünschte Wirkungsgrad des Gesamtsystems nur über den Beladungsgrad des ersten SCR-Katalysators geregelt wird. Hierbei sind meist mehrere Regelkreise notwendig, um die gesetzlichen Vorgaben, beispielsweise bezüglich der NOx-Emissionen oder des Reduktionsmittelschlupfs, erfüllen zu können. Diese Betrachtung zweier SCR-Einheiten als ein Gesamtsystem, wobei bei einem entsprechenden Verfahren immer nur eine mittlere Beladung geregelt wird, weist zudem eine recht hohe Fehlerquote auf, da die Beladung einer zweiten, stromabwärtigen SCR-Einheit nicht mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden kann.
  • Darüber hinaus reichen aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren oftmals nicht aus, um alle gesetzlichen Anforderungen zu erfüllen, insbesondere dann, wenn mehrere SCR-Einheiten unterschiedliche Beschichtungen aufweisen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mittels welchem die Beladungsmengen von SCR-Einheiten einfach und zuverlässig geregelt werden können.
  • Ferner ist es ein Ziel der Erfindung, ein Abgasnachbehandlungssystem zur Verfügung zu stellen, in welchem Beladungsmengen von SCR-Einheiten zuverlässig regelbar sind.
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe wird insbesondere dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren der eingangs genannten Art eine eindosierte Menge an Nachbehandlungsfluid von einer Gesamtbeladungsmenge der SCR-Einheiten und einer Beladungsmenge einer zweiten SCR-Einheit abhängig ist, wobei zwischen einer ersten SCR-Einheit und der zweiten SCR-Einheit eine NH3-Konzentration bestimmt wird.
  • Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist es insbesondere von Vorteil, dass zwischen den beiden SCR-Einheiten auch eine Ammoniakmenge bestimmt wird, wodurch neben der Gesamtbeladung auch eine Beladung der ersten und der zweiten SCR-Einheit bestimmt werden kann. Es ist dadurch möglich, eine Menge an Ammoniak (NH3), welches bis in die zweite SCR-Einheit gelangt und dort gespeichert werden kann, zu bestimmen. Insbesondere ist es durch diese NH3-Bestimmung möglich, zu erkennen, ob womöglich die erste SCR-Einheit viel mehr NH3 aufweist bzw. mehr beladen ist als die die zweite SCR-Einheit. Wird wie im Stand der Technik nur eine mittlere Beladung geregelt, kann auch nicht zwischen den beiden SCR-Einheiten unterschieden werden.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann also für die Ermittlung der Dosiermenge die Menge an NH3, die umgesetzt wird (d. h. mit NOx reagiert) und/oder die Menge an NH3, die durch Oxidation bzw. Schlupf „verschwindet“, verwendet wird. Dadurch kann auch die Dosierung des Betriebsstoffs eingestellt, gesteuert und/oder geregelt werden.
  • Besonders von Vorteil ist es, wenn durch die Bestimmung einer NH3-Menge zwischen den SCR-Einheiten (also stromabwärts der ersten und stromaufwärts der zweiten SCR-Einheit) eine Ammoniakmenge zwischen den beiden SCR-Einheiten derart festgestellt wird, dass die Beladungsmenge der zweiten SCR-Einheit unabhängig von der ersten SCR-Einheit und/oder unabhängig von einer Gesamtbeladungsmenge bestimmt wird. Es wird also festgestellt, wieviel NH3 von der ersten in die zweite SCR-Einheit gelangt.
  • Sind mehrere SCR-Einheiten vorgesehen, so kann es günstig sein, wenn zwischen jeder SCR-Einheit eine NH3-Konzentration bzw. eine NH3-Menge bestimmt wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass nur einmal eine NH3-Menge bestimmt wird, wobei dies insbesondere stromaufwärts vor einer letzten (stromabwärtig im Abgastrakt angeordneten) SCR-Einheit erfolgt. Es kann auch vorgesehen sein, dass pro SCR-Einheit mehrmals eine NH3-Konzentration bestimmt wird, wofür pro SCR-Einheit mehrere insbesondere virtuelle Sensoren vorgesehen sind.
  • Im Rahmen der Erfindung ist die zweite SCR-Einheit insbesondere unmittelbar stromabwärts der ersten SCR-Einheit angeordnet. Bevorzugt weisen diese eine unterschiedliche Beschichtung auf, beispielsweise Eisen-Zeolith und Kupfer-Zeolith. Es kann allerdings auch vorgesehen sein, dass beide SCR-Einheiten eine einzige (gleiche) Beschichtung aufweisen, wodurch eine gemeinsame SCR-Einheit gebildet ist.
  • Zur Bestimmung einer NH3-Menge oder eines NH3-Konzentrationers zwischen den SCR-Einheiten ist zwischen den SCR-Einheiten insbesondere ein virtueller Sensor vorgesehen. D. h. eine NH3-Konzentration wird an dieser Stelle simuliert. Es kann allerdings auch vorgesehen sein, dass ein physischer Sensor zwischen den SCR-Einheiten angeordnet ist. Sind mehr als zwei SCR-Einheiten vorgesehen, sind NH3-Sensoren (virtuelle und/oder physische) wie oben beschrieben angeordnet. Im Rahmen der Erfindung werden die Bezeichnungen NH3-Menge und NH3-Konzentration gleichwertig verwendet.
  • Erfindungsgemäß ist es günstig, wenn im Regelbetrieb, insbesondere im bestimmungsgemäßen Betrieb, ein zur selektiven katalytischen Reduktion geeigneter Betriebsstoff, wie insbesondere ein harnstoffhaltiges Nachbehandlungsfluid, eine Harnstofflösung oder AdBlue®, vor den SCR-Einheiten eindosiert wird. Der Betriebsstoff kann ein Reduktionsmittel, wie insbesondere Ammoniak (NH3), enthalten oder in ein Reduktionsmittel, wie insbesondere NH3, umsetzbar sein. Bevorzugt wird als Betriebsstoff ein harnstoffhaltiges Gemisch, insbesondere eine Harnstoff-WasserLösung, wie beispielsweise AdBlue®, oder ein gasförmiges oder ein festes Reduktionsmittel verwendet, wobei der Betriebsstoff gegebenenfalls durch nachfolgend dargestellte Reaktionen in das Reduktionsmittel, insbesondere NH3, umgewandelt wird:
    • Thermolyse: ( NH 2 ) 2 CO → NH 3 + HNCO
      Figure DE102020208334A1_0001
    • Hydrolyse: HNCO + H 2 O → NH 3 + CO 2
      Figure DE102020208334A1_0002
  • In einem ersten Schritt kann bei der Thermolyse-Reaktion der Harnstoff (NH2)2CO in Ammoniak NH3 und Isocyansäure HNCO umgewandelt werden. In einem zweiten Schritt kann bei der Hydrolyse-Reaktion die Isocyansäure HNCO mit Wasser H2O in Ammoniak NH3 und Kohlendioxid CO2 umgewandelt werden.
  • Das Reduktionsmittel, insbesondere NH3, ist gegebenenfalls zumindest temporär in zumindest einer SCR-Einheit speicherbar und/oder gespeichert. Gegebenenfalls lagert sich der Ammoniak an den aktiven Zentren der SCR-Einheit an. Das zumindest temporär gespeicherte Reduktionsmittel, insbesondere der Ammoniak NH3, kann anschließend Stickoxide NOx, wie insbesondere Stickstoffmonoxid NO und Stickstoffdioxid NO2, reduzieren.
  • Unter einem Nachbehandlungsfluid wird im Rahmen der Erfindung ein flüssiges oder gasförmiges oder festes Fluid verstanden. Als gasförmiges Fluid wird beispielsweise Amminex verwendet. Das Nachbehandlungsfluid kann auch teilweise flüssig und/oder teilweise gasförmig und/oder teilweises fest sein. Insbesondere ist dieser harnstoffhaltig. Besonders bevorzugt wir immer eine vorgegebene Menge an Ammoniak eindosiert.
  • Die Dosierung des Betriebsstoffs kann über eine Dosiereinrichtung, wie insbesondere über einen Injektor oder über eine Einspritzdüse, erfolgen.
  • Unter einer SCR-Einheit kann im Rahmen der vorliegenden Offenbarung insbesondere ein sDPF-Katalysator, ein SCR-Katalysator und/oder ein ASC-Katalysator verstanden werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die zweite SCR-Einheit einen SCR-Katalysator und einen ASC-Katalysator umfasst, und/oder dass die zweite SCR-Einheit aus einem SCR-Katalysator und einem ASC-Katalysator gebildet ist. Es kann vorgesehen sein, dass beide SCR-Einheiten und gegebenenfalls auch der ASC ein SCR-System bilden.
  • Ferner kann die SCR-Einheit und/oder können die SCR-Einheiten die Vorrichtung zur Eindosierung des Betriebsstoffs und gegebenenfalls auch den Betriebsstoff und/oder das Betriebsstoffbehältnis als solchen/solches umfassen. Das SCR-System kann gegebenenfalls auch einen NH3-Sensor umfassen.
  • Die Verbrennungskraftmaschine ist im Rahmen der Erfindung insbesondere eine Diesel-Verbrennungskraftmaschine, wenngleich auch eine Otto-Verbrennungskraftmaschine vorgesehen sein kann.
  • Es kann vorgesehen sein, dass eine gewünschte, insbesondere vorab definierte, Gesamtbeladungsmenge der ersten und der zweiten SCR-Einheit vorgegeben wird. Unter Gesamtbeladungsmenge kann im Rahmen der vorliegenden Offenbarung die Kombination der Beladungsmenge der bzw. aller SCR-Einheiten verstanden werden. Das heißt, dass gegebenenfalls die modellierte Beladungsmenge der ersten SCR-Einheit und der zweiten SCR-Einheit gemeinsam, insbesondere als eine modellierte Gesamtbeladungsmenge, betrachtet werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die modellierte Beladungsmenge der ersten SCR-Einheit und der zweiten SCR-Einheit addiert werden, um die modellierte Gesamtbeladungsmenge ermitteln zu können.
  • Zur Einstellung der Dosierung des Betriebsstoffs kann die gewünschte Gesamtbeladungsmenge mit der modellierten Gesamtbeladungsmenge verglichen werden, wodurch Abweichungen ermittelt werden können.
  • Damit die gewünschte Gesamtbeladungsmenge erreicht werden kann, kann die Dosierung des Betriebsstoffs anhand der modellierten Gesamtbeladungsmenge eingestellt werden. Das heißt, dass gegebenenfalls basierend auf der ermittelten Abweichung zwischen der gewünschten modellierten Gesamtbeladungsmenge und der modellierten Gesamtbeladungsmenge der SCR-Einheiten die Betriebsstoff-Dosierung geregelt und/oder gesteuert wird.
  • Darüber hinaus ist es günstig, wenn zusätzlich eine gewünschte, insbesondere vorab definierte, Beladungsmenge der zweiten SCR-Einheit vorgegeben wird. Damit die gewünschte Beladungsmenge der zweiten SCR-Einheit erreicht werden kann, kann die Dosierung des Betriebsstoffs zur Erreichung der gewünschten Beladungsmenge der zweiten SCR-Einheit anhand der modellierten Beladungsmenge der zweiten SCR-Einheit eingestellt werden. Das heißt, dass gegebenenfalls die Dosierung des Betriebsstoffs anhand der Abweichung zwischen der gewünschten Beladungsmenge der zweiten SCR-Einheit und der modellierten Beladungsmenge der zweiten SCR-Einheit geregelt und/oder gesteuert wird. Insbesondere werden beide SCR-Einheiten modelliert und die Gesamtbeladungsmenge und die Beladung der zweiten SCR-Einheit werden geregelt und/oder eingestellt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass nur die Beladung der zweiten SCR-Einheit geregelt und/oder eingestellt wird.
  • Die für das Verfahren maßgeblichen Reaktionen können in einem mathematischen und/oder physikalischen Modell berechnet werden. Beispielsweise ist ein solches kinetisches Modell in „Hollauf, Bernd: Model-Based Closed-Loop Control of SCR Based DeNOx Systems. Master's thesis, University of Applied Science Technikum Kärnten, 2009.“offenbart. Bevorzugt ist vorgesehen, dass durch die kinetischen Modelle die maßgeblichen Reaktionen mathematisch-physikalisch abgebildet werden. Die Reaktionen können somit auf physikalischen Gegebenheiten beruhen, wodurch Schätzungen und/oder Unsicherheiten verringert werden können und wodurch die Genauigkeit der modellierten Werte erhöht werden kann. Beispielsweise können mit den kinetischen Modellen auch die Oxidation des Reduktionsmittels, insbesondere die Oxidation von NH3, abgebildet werden. Bei herkömmlichen Verfahren ohne kinetische Modelle kann die Oxidation von Reduktionsmittel, falls diese überhaupt berücksichtigt wird, meist nur abgeschätzt werden, was mit großen Unsicherheiten einhergeht bzw. ungenau ist.
  • Es ist zweckmäßig, wenn die für das Verfahren maßgeblichen Reaktionen der ersten SCR-Einheit zusätzlich zum realen Betrieb in einem ersten kinetischen Modell berechnet werden, wobei das erste kinetische Modell insbesondere einer mathematischen Abbildung des physikalischen Modells der ersten SCR-Einheit entspricht, wobei die für das Verfahren maßgeblichen Reaktionen der zweiten SCR-Einheit zusätzlich zum realen Betrieb in einem zweiten kinetischen Modell berechnet werden, wobei das zweite kinetische Modell insbesondere einer mathematischen Abbildung des physikalischen Modells der zweiten SCR-Einheit entspricht, und wobei eine gewünschte Gesamtbeladungsmenge der ersten SCR-Einheit und der zweiten SCR-Einheit und eine gewünschte Beladungsmenge der zweiten SCR-Einheit vorgegeben werden. Durch die kinetischen Modelle können die Beladungsmengen der SCR-Einheiten modelliert und/oder berechnet werden. Dadurch kann die, insbesondere modellierte, Beladungsmenge jeder einzelnen SCR-Einheit zu jedem Zeitpunkt insbesondere unabhängig von jeder anderen SCR-Einheit berechnet und/oder ermittelt werden.
  • Dabei wird bevorzugt die Dosierung des Betriebsstoffes zur Erreichung der zweiten gewünschten Beladungsmenge anhand der modellierten Beladungsmenge der zweiten SCR-Einheit eingestellt und die Dosierung des Betriebsstoffes zur Erreichung der gewünschten Gesamtbeladungsmenge anhand der modellierten Beladungsmenge der ersten und der zweiten SCR-Einheit eingestellt.
  • Es werden also die erste SCR-Einheit und die zweite SCR-Einheit über die NH3-Bestimmung modelliert. Dadurch kann der modellierte Reduktionsmittelschlupf zu jedem Zeitpunkt berechnet und/oder ermittelt werden, wobei dieser als Regelparameter dienen kann. Aufgrund dessen, dass der modellierte Reduktionsmittelschlupf als Regelparameter dient, kann ein Durchbruch des Reduktionsmittels durch die zweite SCR-Anlage verhindert werden.
  • Hierbei kann, um die Zeit zwischen dem Beginn der Dosierung und dem Aufbau der Beladung der zweiten SCR-Einheit zu verringern, eine sogenannte Kaskadenregelung verwendet werden. Die Kaskadenregelung verwendet zwei kaskadierte Regler. Der erste (äußere) Regler wird dazu verwendet, die Beladung der zweiten SCR-Einheit zu regeln. Dazu wird ein Beladungssollwert vorgegeben, mit welchem ein Beladungsistwert verglichen wird. Als Stellgröße gibt dieser Regler eine gewünschte NH3-Menge stromaufwärts der zweiten SCR-Komponente aus, das heißt in Strömungsrichtung zwischen der ersten SCR-Komponente und der zweiten SCR-Komponente. Dies entspricht einem gewünschten NH3-Schlupf der ersten SCR-Komponente. Dieser gewünschte NH3-Schlupf der ersten SCR-Komponente dient als Sollwert für den zweiten (inneren) Regler. Der zweite Regler vergleicht dann den gewünschten NH3-Schlupf mit dem tatsächlichen NH3-Schlupf und gibt als Stellgröße eine NH3-Dosierung (vor der ersten SCR Komponente) aus.
  • Der modellierte Reduktionsmittelschlupf der ersten SCR-Anlage wird insbesondere nur in Kombination mit der Kaskadenregelung verwendet.
  • Vorteilhaft ist es, wenn als Eingangsgrößen für die Berechnung der maßgeblichen Reaktionen in den kinetischen Modellen ein Abgasmassenstrom, eine Abgastemperatur, eine NOx-Konzentration nach der Verbrennungskraftmaschine und/oder eine NOx-Konzentration nach der Abgasnachbehandlungsanlage, insbesondere nach einem Ammoniak-Slip-Katalysator, eine NO2-Konzentration, eine NH3-Konzentration und eine Außentemperatur verwendet werden. Dadurch können in den kinetischen Modellen der Abgasmassenstrom, die Abgastemperatur, die NOx-Konzentration nach der Verbrennungskraftmaschine und/oder die NOx-Konzentration nach der Abgasnachbehandlungsanlage und eine NH3-Konzentration berücksichtigt werden. Insbesondere dient der zeitliche Verlauf der Messwerte als Eingangsgröße für die kinetischen Modelle. Die NO2/NOx-Änderungen werden bevorzugt über die gesamte Abgasnachbehandlungsanlage modelliert.
  • Vorteilhaft ist es, wenn die Eingangsgrößen für die Berechnung der maßgeblichen Reaktionen in den kinetischen Modellen reale und/oder simulierte Messwerte sind, wobei die Werte von mindestens einem realen und/oder virtuellen Sensor der Abgasnachbehandlungsanlage aufgenommen werden. Als realer Sensor wird im Rahmen der Erfindung ein physischer Sensor verstanden; als virtueller Sensor werden ein oder mehrere simulierte Werte verstanden. Dadurch können Werte, insbesondere reale Messwerte, bevorzugt über die Zeit aufgenommenen Werte, in die Berechnung der kinetischen Modelle eingehen bzw. berücksichtigt werden. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass einige oder alle Werte zusätzlich oder alternativ auch modelliert sind, beispielsweise der NOx-Wert stromabwärts des Motors und insbesondere der NH3-Wert. Das heißt, Werte können entweder ausschließlich reale Messwerte oder ausschließlich modellierte Werte oder eine Kombination aus realen und modellierten Werten sein. Dabei kann auch ein einziger Wert aus gemessenem Wert und modellierten Wert zusammengesetzt sein.
  • Zweckmäßig ist es, wenn das insbesondere harnstoffhaltige Nachbehandlungsfluid über zumindest eine Einspritzvorrichtung in den Abgasstrom eindosiert wird, wobei die Einspritzvorrichtung stromaufwärts der SCR-Einheiten angeordnet ist. Es kann weiter günstig sein, wenn in der Abgasnachbehandlungsanlage eine weitere Einspritzvorrichtung, stromaufwärts der ersten Einspritzvorrichtung, vorgesehen ist.
  • Es ist von Vorteil, wenn die Einspritzvorrichtung über eine Regelungseinheit gesteuert wird, wobei über die Regelungseinheit eine einzudosierende Menge an Nachbehandlungsfluid derart vorgegeben wird, dass eine gewünschte Gesamtbeladungsmenge und die Beladungsmenge der zweiten SCR-Einheit erreicht wird. Grundsätzlich kann auch vorgesehen sein, dass über die Regeleinrichtung eine gewünschte Beladungsmenge der ersten SCR-Einheit erreicht wird.
  • Erfindungsgemäß kann das Abgasnachbehandlungssystem stromaufwärts der SCR-Einheiten eine weitere closed coupled SCR-Einheit aufweisen, wobei auch eine Beladung dieser Einheit durch einen NH3-Wert geregelt wird.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist eine intelligente Regelstrategie des Abgasnachbehandlungssystems geschaffen: Sofern ausreichend NH3-Beladung in der zweiten SCR-Einheit sichergestellt ist und sich die Katalysatortemperatur der zweiten SCR-Einheit in einem vorab definierten Bereich befindet, kann eine Eindosierung von Reduktionsmittel in einer motornahen, closed coupled SCR-Einheit so weit wie möglich reduziert werden. Dadurch wird sichergestellt, dass genügend NO2 vor einem sich zwischen der closed coupled SCR-Einheit und den SCR-Einheiten befindlichen Partikelfilters (insbesondere DPF) vorhanden ist, um den passiven (NO2-basierten) Rußabbrand sicherzustellen. Als weitere Regelgröße wird hierbei die Rußbeladung des Partikelfilters verwendet. Ist kein Rußkuchen im Partikelfilter vorhanden, wird - auch wenn die oben angesprochenen Freigabebedingung erfüllt ist - die Dosierung closed coupled SCR-Einheit nicht reduziert um den passiven Rußabbrand im Partikelfilter zu verhindern (nahezu kein NO2 vor dem Partikelfilter mehr verfügbar) und somit einen Rußabbrand aufzubauen. Die intelligente Regelungsstrategie berücksichtigt also die Temperaturen aller im Abgasnachbehandlungssystem angeordneten Katalysatoren ebenso wie die Partikelfilter-Rußbeladung und der NH3-Beladungszustand der Katalysatoren.
  • Das weitere Ziel wird erreicht, wenn bei einem Abgasnachbehandlungssystem der eingangs genannten Art zwischen den SCR-Einheiten ein insbesondere virtueller NH3-Sensor zur Bestimmung einer NH3-Konzentration zwischen den SCR-Einheiten angeordnet ist, wobei eine eindosierte Menge an Nachbehandlungsfluid von einer Gesamtbeladungsmenge der SCR-Einheiten und einer Beladungsmenge einer zweiten SCR-Einheit abhängig ist.
  • Damit bringt ein erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden sind. Die erfindungsgemäßen Vorteile lassen sich insbesondere dadurch erzielen, dass zwischen den SCR-Einheiten ein insbesondere virtueller NH3-Sensor angeordnet ist. Unter einem virtuellen NH3-Sensor wird im Rahmen der Erfindung eine Simulation eines Sensors zwischen den SCR-Einheiten verstanden, welcher simulierte NH3-Simulationen (über Simulationen berechnete Messwerte) für weitere Schritte liefert. Auch wenn erfindungsgemäß ein virtueller Sensor bevorzugt wird, kann auch ein physischer Sensor vorgesehen sein, welche reale Messwerte liefert.
  • Es ist günstig, wenn die erste SCR-Einheit und die zweite SCR-Einheit unterschiedliche Beschichtungen aufweisen, wobei diese insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Besonders bevorzugt bilden diese also eine gemeinsame Einrichtung, wobei beide Einheiten unterschiedliche beschichtet sind. Zu Beschichtung kann beispielsweise eine erste Seite der SCR-Einrichtung (erste SCR-Einheit) in eine erste Lösung und eine zweite Seite der SCR-Einrichtung (zweite SCR-Einheit) in eine zweite Lösung eingetaucht werden. Besonders bevorzugt ist im gemeinsamen Gehäuse der beiden SCR-Einheiten stromabwärts der zweiten SCR-Einheit auch noch ein ASC angeordnet. Es kann auch vorgesehen sein, dass die SCR-Einrichtung neben den SCR-Einheiten auch noch einen ASC umfasst.
  • Vorteilhaft ist es, wenn der NH3-Sensor ein realer oder ein virtueller Sensor ist. Der Sensor bestimmt jedenfalls eine NH3-Konzentrations stromabwärts der ersten SCR-Einheit und stromaufwärts der zweiten NH3-Konzentration bzw. gibt diese dem kinetischen Modell vor.
  • Erfindungsgemäß kann das Abgasnachbehandlungssystem stromaufwärts der SCR-Einheiten eine weitere closed coupled SCR-Einheit aufweisen. Stromabwärts davon kann ein insbesondere virtueller weiterer NH3-Sensor vorgesehen sein. Dabei kann entsprechend wie weiter oben beschrieben der NH3-Wert in einem kinetischen Modell dieser closed coupled SCR-Einheit verwendet werden, um einen Füllstand der closed coupled SCR-Einheit zu regeln. Das kinetische Modell der closed coupled SCR-Einheit kann mit den kinetischen Modellen der SCR-Einheiten kombiniert werden, um eine Gesamtmenge an Nachbehandlungsfluid, welches über zwei Einspritzvorrichtungen eindosiert wird, zu regeln. Hierfür sind stromaufwärts der SCR-Einheiten und stromaufwärts der closed coupled SCR-Einheit jeweils eine Einspritzvorrichtung angeordnet. Die SCR-Einheiten und die closed coupled SCR-Einheit können auch unabhängig voneinander geregelt werden.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Wirkungen sind nachfolgenden Ausführungsbeispiel beschrieben. Dabei zeigt
    • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 1. Das Abgasnachbehandlungssystem 1, welches an eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor 2 ausgebildet ist, anschließt, umfasst einen ersten optionalen Dieseloxidationskatalysator 8, eine erste SCR-Einheit 3, eine zweite SCR-Einheit 4, einen NH3-Sensor 6, eine Einspritzvorrichtung 5, eine weitere Einspritzvorrichtung 9, eine SCR-ASC-Einrichtung 10, einen zweiten Dieseloxidationskatalysator 12, mehrere Temperatursensoren 13, einen Drucksensor 16, mehrere NOx-Sensoren, einen ASC 15 und ein Gehäuse 7 für die SCR-Einheiten 3, 4 und den ASC 15. Die SCR-Einheiten 3, 4 und der ASC 15 bilden ein SCR-System 17. Die Katalysatoren 8,10,13 sowie die Einspritzvorrichtung 9 sind als optional anzusehen. Die Erfindung umfasst somit auch für ein klassisches DOC-DPF-SCR-ASC (11, 12, 3, 4, 7) System.
  • Im bestimmungsgemäßen Betrieb wird ein Betriebsstoff, wie insbesondere AdBlue®, vor der ersten SCR-Einheit 3 über die Einspritzvorrichtung 5 eindosiert. Der Betriebsstoff enthält ein Reduktionsmittel oder ist in ein Reduktionsmittel umsetzbar. Gemäß dieser Ausführungsform ist das Reduktionsmittel Ammoniak (NH3). Das Reduktionsmittel wird zumindest temporär in zumindest einer SCR-Einheiten 3, 4 gespeichert.
  • Für die Ermittlung der Dosiermenge wird die Menge an NH3, die umgesetzt wird (mit NOx reagiert) bzw. die Menge an NH3, die durch Oxidation bzw. Schlupf „verschwindet“ verwendet.
  • Die SCR-ASC-Einrichtung 10 umfasst einen closed coupled SCR und stromabwärts davon vorteilhafterweise einen closed coupled ASC. Erfindungsgemäß kann stromabwärts davon ein weiterer NH3-Sensor 6 angeordnet sein. Dieser wird dazu verwendet einem kinetischen Modell des closed coupled SCR oder der SCR-ASC-Einrichtung 10 einen NH3 als Eingangswert zu liefern. Wie weiter oben zum erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wird dadurch, dass ein Füllstand des closed coupled SCR oder der SCR-ASC-Einrichtung 10 geregelt.
  • Weiter kann vorgesehen sein, dass alle kinetischen Modelle kombiniert werden, um eine gesamte Eindosierung von Nachbehandlungsfluid in das gesamte Abgasnachbehandlungssystem 1, sprich über die Einspritzvorrichtung 5 und die weitere Einspritzvorrichtung 9. Eine über beide Einspritzvorrichtungen 5, 9 eindosierte Menge an Nachbehandlungsfluid ist also von einer Gesamtbeladungsmenge der SCR-Einheiten 3, 4 und einer Beladungsmenge einer zweiten SCR-Einheit 4 sowie einer Beladungsmenge der SCR-ASC-Einrichtung 10 abhängig, wobei zwischen einer ersten SCR-Einheit 3 und der zweiten SCR-Einheit 4 eine NH3-Konzentration und stromabwärts der SCR-ASC-Einrichtung 10 eine NH3-Konzentration bestimmt wird.
  • Das in der Fig. dargestellte Abgasnachbehandlungssystem 1 umfasst also unter anderem eine SCR-ASC-Einrichtung 10 und dem SCR-System 17. Die SCR-ASC-Einrichtung 10 und das SCR-System 17 umfassen jeweils stromaufwärts davon einzelne Einspritzeinrichtungen 5, 9 und können unabhängig voneinander geregelt werden. Es kann ein übergeordneter Dosierkoordinator vorgesehen sein, welcher abhängig von unterschiedlichen Einflussgrößen wie beispielsweise einzelnen Temperaturverläufen, DeNOx-Wirkungsgraden und aktuellen DPF-Rußbeladungen die jeweilige Dosierstrategie vorgibt.
  • In dem Abgasnachbehandlungssystem 1wird das stromabwärtsliegende SCR-System 17 in zwei SCR-Einheiten 3, 4 mit einem dazwischenliegenden virtuellen oder realen NH3-Sensor 6 unterteilt. Diese Unterteilung in zwei oder mehrere Einheiten und die damit verbundene Regelstrategie kann natürlich auch auf andere Elemente mit SCR Beschichtung wie SCR-ASC-Einrichtung 10 werden.
  • 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 Nicht-Patentliteratur
    • Hollauf, Bernd: Model-Based Closed-Loop Control of SCR Based DeNOx Systems. Master's thesis, University of Applied Science Technikum Kärnten, 2009 [0026]

Claims (9)

  1. Verfahren zur Regelung eines Abgasnachbehandlungssystems (1) eines Abgasstromes einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor (2), wobei das Abgasnachbehandlungssystem (1) zumindest zwei SCR-Einheiten (3, 4) umfasst, wobei in den Abgasstrom ein insbesondere harnstoffhaltiges Nachbehandlungsfluid eindosiert wird, welches in den SCR-Einheiten (3, 4) mit dem Abgasstrom reagiert, dadurch gekennzeichnet, dass eine eindosierte Menge an Nachbehandlungsfluid von einer Gesamtbeladungsmenge der SCR-Einheiten (3, 4) und einer Beladungsmenge einer zweiten SCR-Einheit (4) abhängig ist, wobei zwischen einer ersten SCR-Einheit (3) und der zweiten SCR-Einheit (4) eine NH3-Konzentration bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die für das Verfahren maßgeblichen Reaktionen der ersten SCR-Einheit (3) zusätzlich zum realen Betrieb in einem ersten kinetischen Modell berechnet werden, wobei das erste kinetische Modell insbesondere einer mathematischen Abbildung des physikalischen Modells der ersten SCR-Einheit (3) entspricht, wobei die für das Verfahren maßgeblichen Reaktionen der zweiten SCR-Einheit (4) zusätzlich zum realen Betrieb in einem zweiten kinetischen Modell berechnet werden, wobei das zweite kinetische Modell insbesondere einer mathematischen Abbildung des physikalischen Modells der zweiten SCR-Einheit (4) entspricht, und wobei eine gewünschte Gesamtbeladungsmenge der ersten SCR-Einheit (3) und der zweiten SCR-Einheit (4) und eine gewünschte Beladungsmenge der zweiten SCR-Einheit (4) vorgegeben werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Eingangsgrößen für die Berechnung der maßgeblichen Reaktionen in den kinetischen Modellen ein Abgasmassenstrom, eine Abgastemperatur, eine NOx-Konzentration nach der Verbrennungskraftmaschine und/oder eine NOx-Konzentration nach der Abgasnachbehandlungsanlage (1), insbesondere nach einem Ammoniak-Slip-Katalysator (15), eine NO2-Konzentration, eine NH3-Konzentration und eine Außentemperatur verwendet werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsgrößen für die Berechnung der maßgeblichen Reaktionen in den kinetischen Modellen reale und/oder simulierte Messwerte sind, wobei die Werte von mindestens einem realen und/oder virtuellen Sensor (6, 13, 14) der Abgasnachbehandlungsanlage (1) aufgenommen werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das insbesondere harnstoffhaltige Nachbehandlungsfluid über zumindest eine Einspritzvorrichtung (5) in den Abgasstrom eindosiert wird, wobei die Einspritzvorrichtung (5) stromaufwärts der SCR-Einheiten (3, 4) angeordnet ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenn die Einspritzvorrichtung (5) über eine Regelungseinheit gesteuert wird, wobei über die Regelungseinheit eine einzudosierende Menge an Nachbehandlungsfluid derart vorgegeben wird, dass eine gewünschte Gesamtbeladungsmenge und die Beladungsmenge der zweiten SCR-Einheit (4) erreicht wird.
  7. Abgasnachbehandlungssystem (1) eines Abgasstromes einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor (2), wobei das Abgasnachbehandlungssystem (1) zumindest zwei SCR-Einheiten (3, 4) umfasst, mit zumindest einer Einspritzvorrichtung (5) zur Eindosierung eines insbesondere harnstoffhaltiges Nachbehandlungsfluid in den Abgasstrom und einer Regelungseinheit zur Regelung einer Menge des eingespritzten Abgasnachbehandlungsfluides, wobei die Regelungseinheit mit der Einspritzvorrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den SCR-Einheiten (3, 4) ein insbesondere virtueller NH3-Sensor (6) zur Bestimmung einer NH3-Konzentration zwischen den SCR-Einheiten (3, 4) angeordnet ist, wobei eine eindosierte Menge an Nachbehandlungsfluid von einer Gesamtbeladungsmenge der SCR-Einheiten (3, 4) und einer Beladungsmenge einer zweiten SCR-Einheit (4) abhängig ist.
  8. Abgasnachbehandlungssystem (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste SCR-Einheit (3) und die zweite SCR-Einheit (4) unterschiedliche Beschichtungen aufweisen, wobei diese insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse (7) angeordnet sind.
  9. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der NH3-Sensor (6) ein realer oder ein virtueller Sensor ist.
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