DE102020208335A1

DE102020208335A1 - Verfahren zur Funktionsüberprüfung eines Abgasnachbehandlungssystems einer Verbrennungskraftmaschine sowie Abgasnachbehandlungssystem

Info

Publication number: DE102020208335A1
Application number: DE102020208335.5A
Authority: DE
Inventors: Mario di de Monte; Klaus Hadl
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2019-07-05
Filing date: 2020-07-03
Publication date: 2021-01-07
Also published as: AT522752B1; AT522752A1

Abstract

Die Erfindung betrifft, ein Verfahren zur Funktionsüberprüfung eines Abgasnachbehandlungssystems (1) einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor (2), wobei das Abgasnachbehandlungssystem (1) ein SCR-System (17) mit 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 zwischen einer ersten SCR-Einheit (3) und der zweiten SCR-Einheit (4) eine NH3-Konzentration durch einen NH3-Sensor (6) bestimmt wird.Weiter betrifft die Erfindung Abgasnachbehandlungssystem (1) eines Abgasstromes einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsüberprüfung eines Abgasnachbehandlungssystems einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor, wobei das Abgasnachbehandlungssystem ein SCR-System mit zumindest zwei SCR-Einheiten umfasst, wobei in den Abgasstrom ein insbesondere harnstoffhaltiges Nachbehandlungsfluid eindosiert wird, welches in den SCR-Einheiten mit dem Abgasstrom reagiert.
Weiter betrifft die Erfindung ein Abgasnachbehandlungssystem eines Abgasstromes einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor, 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 Funktionsüberprüfung von Abgasnachbehandlungsanlagen bekannt. Beispielsweise sind Verfahren bekannt, bei denen ein SCR-Katalysator zuerst vollständig mit Ammoniak beladen und anschließend die SCR-Speicherkapazität des SCR-Katalysators durch eine vollständige Entleerung ermittelt wird. Hierbei wird über eine Massenbilanz berechnet, wie viel Ammoniak der SCR-Katalysator noch speichern konnte.
Überdies sind Verfahren bekannt, bei denen in einen vollständig entleerten SCR-Katalysator so lange Harnstoff eindosiert wird, bis ein Ammoniak-Schlupf nach dem SCR-Katalysator detektiert wird - also der SCR-Katalysator vollständig beladen ist. Dadurch kann über eine Massenbilanz ermittelt werden, wie viel Ammoniak noch im SCR-Katalysator speicherbar ist.
Darüber hinaus reichen aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren oftmals nicht aus, um alle gesetzlichen Anforderungen zu erfüllen, insbesondere dann, wenn 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 Funktionstüchtigkeit einer Abgasnachbehandlungsanlage schnell und zuverlässig überprüft werden kann.
Ferner ist es ein Ziel der Erfindung, ein Abgasnachbehandlungssystem zur Verfügung zu stellen, in welchem die Funktion von SCR-Einheiten zuverlässig überprüfbar ist.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird insbesondere dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren der eingangs genannten Art zwischen einer ersten SCR-Einheit und der zweiten SCR-Einheit eine NH₃-Konzentration durch einen NH₃-Sensor bestimmt wird.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist es insbesondere von Vorteil, dass zwischen den beiden SCR-Einheiten auch eine Ammoniakmenge bestimmt wird, wodurch ein NH₃-Schlupf stromabwärts der ersten SCR-Einheit gemessen und dadurch eine Speicherfähigkeit der ersten SCR-Einheit festgestellt werden kann. In weiterer Folge kann basierend auf der Speicherfähigkeit der SCR-Einheit eine Alterung und/oder Vergiftung derselben erkannt und anschließend entsprechend darauf reagiert werden. Hierzu kann beispielsweise eine Beladungsregelung entsprechend angepasst oder eine Entschwefelung durchgeführt werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, durch den NH₃-Sensor eine gealterte und/oder geschädigte SCR-Einheit, welche eine eingeschränkte Speicherfähigkeit aufweist, frühzeitig zu erkennen, sodass reversible Schäden rückgängig gemacht werden können, irreversible Schäden detektiert werden können und/oder eine SCR-Einheit als defekt definiert werden kann.
Über die NH₃-Messung zwischen den beiden SCR-Einheiten ist auch auf eine Beladung einer zweiten SCR-Einheit stromabwärts der ersten SCR-Einheit rückschließbar. Somit ist in weitere Folge auch eine Funktionstüchtigkeit der zweiten SCR-Einheit feststellbar. Dies erfolgt bevorzugt über den NH₃-Sensor in Kombination mit zumindest einem NOx-Sensor.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann also für die Diagnose eines Zustandes einer SCR-Einheit die Menge an NH₃, die umgesetzt (d. h. mit NOx reagiert), eingespeichert und oxidiert, sowie die Menge welche als Schlupf gemessen wird, festgestellt werden Dadurch kann auch die Dosierung des Betriebsstoffs eingestellt, gesteuert und/oder geregelt werden.
Sind mehrere SCR-Einheiten vorgesehen, so kann es günstig sein, wenn zwischen jeder SCR-Einheit eine NH₃-Konzentration bzw. eine NH₃-Menge durch einen NH₃-Sensor 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.
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.
Zur Bestimmung einer NH₃-Menge oder eines NH₃-Konzentrationers zwischen den SCR-Einheiten ist zwischen den SCR-Einheiten ein physischer Sensor vorgesehen. D. h. eine NH₃-Konzentration wird an dieser Stelle real gemessen; der NH₃-Sensor liefert einen realen Messwert. Sind mehr als zwei SCR-Einheiten vorgesehen, sind NH₃-Sensoren wie oben beschrieben angeordnet.
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®, verwendet, wobei der Betriebsstoff gegebenenfalls durch nachfolgend dargestellte Reaktionen in das Reduktionsmittel, insbesondere NH₃, umgewandelt wird:

Thermolyse: ${({NH}_{2})}_{2} CO \to {NH}_{3} + HNCO$
Hydrolyse: $HNCO + H_{2} O \to {NH}_{3} + {CO}_{2}$

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-Anlage an. Das zumindest temporär gespeicherte Reduktionsmittel, insbesondere der Ammoniak NH₃, kann anschließend Stickoxide NOx, wie insbesondere Stickstoffmonoxid NO und Stickstoffdioxid NO₂, reduzieren.
Die Dosierung des Betriebsstoffs kann über eine Dosiereinrichtung, wie insbesondere über einen Injektor oder über eine Einspritzdüse, erfolgen.
Im Rahmen der Erfindung ist unter einem Nachbehandlungsfluid ein Betriebsstoff zu verstehen, welcher ein Reduktionsmittel enthält oder in ein Reduktionsmittel umsetzbar ist. Das Reduktionsmittel wird zumindest temporär in den SCR-Einheiten gespeichert.
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.
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.
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.
Die Verbrennungskraftmaschine ist im Rahmen der Erfindung insbesondere eine Diesel-Verbrennungskraftmaschine, wenngleich auch eine Otto-Verbrennungskraftmaschine vorgesehen sein kann.
Eine Alterung und/oder Schädigung der ersten SCR-Einheit kann aufgrund des Vergleichs von modellierten NH3-Werten und real gemessenen NH3-Werten im normalen Betrieb passiv festgestellt werden.
Günstig ist es, wenn das SCR-System als funktionstüchtig definiert wird, wenn während des gesamten Verlaufs der Eindosierung einer vorbestimmten Diagnosemenge an Nachbehandlungsfluid kein Reduktionsmittelschlupf durch den NH₃-Sensor nach der ersten SCR-Einheit detektiert wird, womit im Wesentlichen das gesamte Nachbehandlungsfluid zumindest temporär in der ersten SCR-Einheit gespeichert wird, und dass das SCR-System als eingeschränkt funktionstüchtig oder nicht funktionstüchtig definiert wird, wenn während des Verlaufs der Eindosierung der vorbestimmten Diagnosemenge an Nachbehandlungsfluid ein Reduktionsmittelschlupf durch den NH₃-Sensor nach der ersten SCR-Einheit detektiert wird, bevor die gesamte vordefinierte Diagnosemenge an Nachbehandlungsfluid eindosiert ist, womit eine herabgesetzte Nachbehandlungsfluid-Speicherkapazität der ersten SCR-Einheit detektiert wird. Die vorbestimmte Diagnosemenge an Betriebsstoff, welche eindosiert wird, definiert dabei die Menge an eingebrachtem Reduktionsmittel, da der Betriebsstoff in das Reduktionsmittel umwandelbar ist und/oder der Betriebsstoff das Reduktionsmittel enthält. Wird das SCR-System als eingeschränkt funktionstüchtig oder nicht funktionstüchtig definiert, heißt das, dass die eingebrachte Menge an Reduktionsmittel, insbesondere NH₃, von der ersten SCR-Einheit nicht gespeichert werden kann. Gegebenenfalls kann die herabgesetzte Reduktionsmittel-Speicherfähigkeit, insbesondere die NH₃-Speicherfähigkeit, der SCR-Einheit durch Alterung der SCR-Einheit und/oder durch einen Defekt der SCR-Einheit verringert sein.
Wird das SCR-System als eingeschränkt funktionstüchtig oder nicht funktionstüchtig definiert, ist es zweckmäßig, wenn das Abgasnachbehandlungssystem entschwefelt wird. Dadurch können - nachdem eine reduzierte Speicherfähigkeit der SCR-Einheit(en) erkannt wurde - reversible Schädigungen geheilt werden.
Darüber hinaus ist es durch die NH₃-Messung stromabwärts der ersten SCR-Einheit und stromaufwärts der zweiten SCR-Einheit möglich, zwischen einer normalen, gattungsmäßigen Alterung der SCR-Einheiten und einer Vergiftung der SCR-Einheiten und zwischen einer defekten SCR-Einheit zu unterscheiden. Aus dem Stand der Technik sind keine Verfahren bekannt, durch welche ein Auftreten eines NH₃-Schlupfes zeitlich derart früh erkannt werden kann. Ein besonders wichtiger Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens ist bei der Funktionsüberprüfung eines Abgasnachbehandlungssystems mit zwei oder mehr SCR-Einheiten, wobei zumindest zwei davon eine unterschiedliche Beschichtung aufweisen.
Die vorbestimmte Menge an Nachbehandlungsfluid entspricht in der Regel einer Menge an Reduktionsmittel, welches in der SCR-Einheit noch speicherbar sein muss, damit mit der SCR-Einheit, dem SCR-System und/oder der Abgasnachbehandlungsanlage ein Grenzwert, insbesondere ein gesetzlicher Grenzwert einer Schadstoffemission, insbesondere einer NOx-Emission, erfüllbar ist. Das kann heißen, dass, wenn die vorbestimmte Menge an Reduktionsmittel nicht mehr in der SCR-Einheit gespeichert werden kann, der SCR-Katalysator nicht in der Lage ist, die für die gesetzlich festgelegten Grenzwerte erforderliche Stickoxid-Umsatzrate zu erfüllen.
Unter einem Reduktionsmittelschlupf ist insbesondere ein NH₃-Schlupf zu verstehen. Der Reduktionsmittelschlupf wird zumindest durch den NH₃-Sensor detektiert. Es kann auch vorgesehen sein, dass der NH₃-Schlupf zusätzlich durch einen erhöhten Messwert des NOx-Sensors detektiert wird, da die Konzentration von NH₃ Einfluss auf einen NOx-Sensor haben kann.
Bei der Definition des SCR-Systems als funktionstüchtig oder nicht oder nur eingeschränkt funktionstüchtig, kann optional vorab ein Diagnosemodus aktiviert werden. Dabei wird in der sogenannten Entleerungsphase die Zufuhr von Nachbehandlungsfluid verringert oder gestoppt, sodass dem SCR-System kein oder nur sehr wenig neues Reduktionsmittel zugeführt wird. Die Entleerung der ersten und/oder zweiten SCR-Einheit kann darauf basieren, dass das noch in den SCR-Einheiten enthaltene Reduktionsmittel durch die Reduktion von Stickoxiden (NOx) verbraucht wird, das heißt, dass weniger Reduktionsmittel eingebracht wird, als verbraucht wird. Es kann vorgesehen sein, dass immer die Menge an Reduktionsmittel eingebracht wird, welche für die ausreichende Kühlung der Dosiervorrichtung benötigt wird. Es kann vorgesehen sein, dass das noch in den SCR-Einheiten enthaltene Reduktionsmittel durch einen Entleerungsmodus, wie insbesondere einer Temperaturerhöhung des SCR-Katalysators, erfolgt. Nach der Entleerung der ersten und/oder zweiten SCR-Einheiten können diese temperiert, insbesondere aufgeheizt werden, um das SCR-System auf eine vorbestimmte Temperatur zu bringen. Es kann vorgesehen sein, dass das SCR-System während der Entleerung auf eine vorab definierte Temperatur gebracht wird, wodurch die Emissionen gering gehalten werden können. Dieser Temperierungsschritt kann entfallen, wenn die Temperatur des SCR-Systems bereits in einem vorbestimmten Temperaturfenster liegt. Anschließend wird in der sogenannten Beladungsphase wieder Nachbehandlungsfluid eindosiert. Das im Nachbehandlungsfluid enthaltene oder aus dem Betriebsstoff gebildete Reduktionsmittel wird gegebenenfalls von den SCR-Einheiten zumindest temporär aufgenommen und/oder zumindest temporär gespeichert. Die ermittelte Funktionstüchtigkeit der Abgasnachbehandlungsanlage kann dann als Statusinformation ausgegeben und/oder gespeichert werden. Anschließend kann der Diagnosemodus gegebenenfalls beendet werden.
Vorteilhaft ist es, wenn die Eindosierung des Nachbehandlungsfluides gestoppt wird, bevor die vorbestimmte Diagnosemenge an Nachbehandlungsfluid eindosiert ist, wenn ein Reduktionsmittelschlupf nach der ersten SCR-Einheit detektiert wird, wodurch die Reduktionsmittelemissionen minimiert werden. Da die Eindosierung des Nachbehandlungsfluides und dadurch auch die Einbringung von Reduktionsmittel gestoppt wird, sobald ein Reduktionsmittelschlupf nach der ersten SCR-Einheit detektiert wird, können Emissionen, insbesondere Reduktionsmittelemissionen, im Wesentlichen verhindert oder verringert werden. Das heißt, dass gegebenenfalls nicht die gesamte vorbestimmte Diagnosemenge an Betriebsstoff während des Verfahrens eindosiert wird bzw. werden muss.
Das SCR-System kann als nicht funktionstüchtig beurteilt werden, falls ein NH₃-Schlupf, nach der ersten SCR-Einheit detektiert wird, bevor die vorbestimmte Diagnosemenge an Betriebsstoff eindosiert ist. Dadurch kann festgestellt werden, dass die Reduktionsmittel-Speicherkapazität der SCR-Einheit verringert ist und mit solch einer SCR-Einheit gegebenenfalls ein Grenzwert, insbesondere ein gesetzlicher Grenzwert einer Schadstoffemission, nicht mehr eingehalten werden kann.
Es ist günstig, wenn die vorbestimmte Diagnosemenge an Nachbehandlungsfluid für den Diagnosemodus derart bemessen ist, dass bei einer funktionstüchtigen SCR-Einheit das durch die Diagnosemenge an Nachbehandlungsfluid eingebrachte Reduktionsmittel zumindest temporär in der SCR-Einheit gespeichert werden kann, womit bei funktionstüchtiger SCR-Einheit planmäßig keine Reduktionsmittelemissionen auftreten. Sobald die vorbestimmte Menge an Nachbehandlungsfluid eindosiert ist, kann die Nachbehandlungsfluidzufuhr optional gestoppt oder stark reduziert werden, wodurch auch kein oder nur sehr wenig Reduktionsmittel mehr eingebracht wird. Falls während der Eindosierung der vorbestimmten Diagnosemenge an Nachbehandlungsfluid kein NH₃-Schlupf, stromabwärts der ersten und stromaufwärts der zweiten SCR-Einheit detektiert wird, kann das SCR-System als funktionstüchtig beurteilt werden. Das heißt, dass dadurch die im Wesentlichen gesamte Reduktionsmittelmenge, welche durch die eingebrachte Menge an Betriebsstoff definiert ist, zumindest temporär in den SCR-Einheiten gespeichert wurde. Es kann also sein, dass es nicht notwendig ist, so viel Betriebsstoff bzw. Reduktionsmittel vor (stromaufwärts) den SCR-Einheiten einzubringen, dass bei der Funktionsüberprüfung zwingend ein Reduktionsmittelschlupf nach der ersten SCR-Einheit auftritt. Dadurch können einerseits Emissionen verringert bzw. verhindert werden, da bei einem funktionstüchtigen SCR-System planmäßig keine Reduktionsmittelemissionen auftreten. Andererseits kann dadurch schnell die Funktionstüchtigkeit des SCR-Systems festgestellt werden, da im Unterschied zu herkömmlichen Verfahren weniger Betriebsstoff eindosiert werden muss und somit auch die Dosierdauer und die Dauer der Funktionsüberprüfung kürzer ist als bei herkömmlichen Verfahren.
Vorteilhaft ist es, sofern ein Entleeren des SCR-Systems durchgeführt wird, wenn das Entleeren des SCR-Systems durch Stoppen oder Verringern der Nachbehandlungsfluidzufuhr so lange erfolgt, bis ein Parameter detektiert wird, der Aufschluss darüber gibt, dass kein Nachbehandlungsfluid mehr im SCR-System gespeichert ist, wobei dieser Parameter durch den NH₃-Sensor detektiert wird. Sobald ein Parameter detektiert wird, welcher anzeigt, dass kein Reduktionsmittel mehr im SCR-System gespeichert bzw. vorhanden ist, kann die Entleerung der SCR-Einheit(en) als abgeschlossen angesehen werden und die Entleerungsphase kann beendet werden. Insbesondere werden als Parameter die Messwerte des NH₃-Sensors und gegebenenfalls auch der NOx-Sensoren herangezogen, welche gegebenenfalls vor und nach dem SCR-System angeordnet sind. Beispielsweise kann davon ausgegangen werden, dass im Wesentlichen kein Reduktionsmittel mehr in der SCR-Einheit gespeichert ist, wenn die Konzentration von Stickoxiden vor dem SCR-System im Wesentlichen der Konzentration von Stickoxiden nach dem SCR-System entspricht. In einem solchen Fall können durch das Fehlen von Reduktionsmittel keine Stickoxide mehr durch die SCR-Einheiten reduziert werden. Daraus kann geschlossen werden, dass die SCR-Einheiten entleert wurde.
Es ist von Vorteil, 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.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die vorbestimmte Diagnosemenge an Nachbehandlungsfluid durch das kinetische Modell bestimmt oder berechnet wird und insbesondere einer Menge an Reduktionsmittel entspricht, die gemäß der Modellberechnung zur Gänze zumindest temporär in den SCR-Einheiten speicherbar ist, wenn dieser funktionstüchtig ist. Wird das SCR-System als nur eingeschränkt funktionsfähig definiert, wird das kinetische Modell vorteilhafterweise angepasst und/oder adaptiert.
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.
Mit dem kinetischen Modell kann eine Nachbehandlungsfluidmenge bestimmt werden, welche in einer funktionstüchtigen SCR-Einheit speicherbar sein müsste. Mit dem kinetischen Modell kann es überdies möglich sein, anhand der vorausgesagten und/oder berechneten Reduktionsmittel-Speicherkapazität eine Grenz-Reduktionsmittel-Speicherkapazität, die sogenannte Grenz-Beladung, der SCR-Einheit zu bestimmen, welche mindestens erreicht werden muss, damit der die SCR-Einheiten als funktionstüchtig definiert werden kann. Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Betriebsstoffmenge durch die Grenz-Reduktionsmittel-Speicherkapazität der SCR-Einheit bestimmt ist.
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-Konzetration, 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.
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 NH₃-Sensor der Abgasnachbehandlungsanlage aufgenommen werden. Als realer Sensor wird im Rahmen der Erfindung ein physischer Sensor 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 weitere Werte zusätzlich oder alternativ auch modelliert sind, beispielsweise der NOx-Wert stromabwärts und/oder stromaufwärts des Motors sowie mehrere Temperaturwerte. 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 modeliierten Wert zusammengesetzt sein.
Das weitere Ziel wird erreicht, wenn bei einem Abgasnachbehandlungssystem der eingangs genannten Art zwischen den SCR-Einheiten ein NH₃-Sensor zur Bestimmung einer NH₃-Konzentration zwischen den SCR-Einheiten angeordnet ist, um einen Reduktionsmittelschlupf stromabwärts einer ersten SCR-Einheit festzustellen.
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 NH₃-Sensor angeordnet ist.
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.
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.
Der NH₃-Sensor ist ein realer, physischer Sensor, welcher eine NH₃-Konzentrations stromabwärts der ersten SCR-Einheit und stromaufwärts der zweiten SCR-Einheit bestimmt bzw. diese dem kinetischen Modell vorgibt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn basierend auf der Funktionsüberprüfung ein Faktor für die Verschlechterung des SCR-Systems berechnet wird, wobei durch den Faktor die Eindosierung von Nachbehandlungsfluid adaptiert wird. Hierfür kann entweder die Eindosierung direkt oder aktiv durch den Faktor beeinflusst werden. Es kann auch die die Regelung und oder das kinetische Modell durch den berechneten Faktor angepasst werden, wobei die Anpassung laufend erfolgen kann. Der Faktor für die Verschlechterung des SCR-Systems kann aktiv oder passiv berechnet werden. Vorteilhaft ist es, dass anschließend an die Funktionsüberprüfung auch auf eine Funktion der SCR-Einheiten reagiert werden kann. Es kann entweder ein Faktor für die Verschlechterung des gesamten SCR-Systems und/oder jeweils ein Faktor für jede SCR-Einheit berechnet werden. Günstig ist es, wenn jeweils ein Faktor berechnet wird, sodass jede SCR-Einheit überprüft werden kann und auf einen Zustand entsprechend individuell reagiert werden kann.
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, mehrere NOx-Sensoren, einen Drucksensor 16, 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 dabei ein SCR-System 17.
Im bestimmungsgemäßen Betrieb wird ein Betriebsstoff, wie insbesondere AdBlue®, vor der ersten SCR-Einheit 3 über die Einspritzvorrichtung 9 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 Überprüfung einer Funktion des Abgasnachbehandlungssystems 1, insbesondere der SCR-Einheiten 3, 4, wird die Menge an NH₃, die umgesetzt wird (mit NOx reagiert) bzw. die Menge an NH₃, die durch Oxidation bzw. Schlupf „verschwindet“ ermittelt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.“ [0038]

Claims

Verfahren zur Funktionsüberprüfung eines Abgasnachbehandlungssystems (1) einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor (2), wobei das Abgasnachbehandlungssystem (1) ein SCR-System (17) mit 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 zwischen einer ersten SCR-Einheit (3) und der zweiten SCR-Einheit (4) eine NH₃-Konzentration durch einen NH₃-Sensor (6) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das SCR-System (17) als funktionstüchtig definiert wird, wenn während des gesamten Verlaufs der Eindosierung einer vorbestimmten Diagnosemenge an Nachbehandlungsfluid kein Reduktionsmittelschlupf durch den NH₃-Sensor (6) nach der ersten SCR-Einheit (3) detektiert wird, womit im Wesentlichen das gesamte Nachbehandlungsfluid zumindest temporär in der ersten SCR-Einheit (3) gespeichert wird, und dass das SCR-System (17) als eingeschränkt funktionstüchtig oder nicht funktionstüchtig definiert wird, wenn während des Verlaufs der Eindosierung der vorbestimmten Diagnosemenge an Nachbehandlungsfluid ein Reduktionsmittelschlupf durch den NH₃-Sensor (6) nach der ersten SCR-Einheit (3) detektiert wird, bevor die gesamte vordefinierte Diagnosemenge an Nachbehandlungsfluid eindosiert ist, womit eine herabgesetzte Nachbehandlungsfluid-Speicherkapazität der ersten SCR-Einheit (3) detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindosierung des Nachbehandlungsfluides gestoppt wird, bevor die vorbestimmte Diagnosemenge an Nachbehandlungsfluid eindosiert ist, wenn ein Reduktionsmittelschlupf nach der ersten SCR-Einheit (3) detektiert wird, wodurch planmäßig keine Reduktionsmittelemission auftreten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindosierung des Nachbehandlungsfluides gestoppt wird, wenn die vorbestimmte Diagnosemenge an Nachbehandlungsfluid eindosiert ist und kein Reduktionsmittelschlupf nach der ersten SCR-Einheit (3) detektiert wird, wodurch planmäßig keine Reduktionsmittelemission auftreten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Diagnosemenge an Nachbehandlungsfluid für den Diagnosemodus derart bemessen ist, dass bei einer funktionstüchtigen SCR-Einheit (3, 4) das durch die Diagnosemenge an Nachbehandlungsfluid eingebrachte Reduktionsmittel zumindest temporär in der SCR-Einheit (3, 4) gespeichert werden kann, womit bei funktionstüchtiger SCR-Einheit (3, 4) planmäßig keine Reduktionsmittelemissionen auftreten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Entleeren des SCR-Systems (17) durch Stoppen oder Verringern der Nachbehandlungsfluidzufuhr so lange erfolgt, bis ein Parameter detektiert wird, der Aufschluss darüber gibt, dass kein Nachbehandlungsfluid mehr im SCR-System (17) gespeichert ist, wobei dieser Parameter durch den NH₃-Sensor (6) detektiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 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.
Verfahren nach Anspruch 7, 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 NH₃-Sensor (6) der Abgasnachbehandlungsanlage (1) aufgenommen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass basierend auf der Funktionsüberprüfung ein Faktor für die Verschlechterung des SCR-Systems (17) berechnet wird, wobei durch den Faktor die Eindosierung von Nachbehandlungsfluid adaptiert wird.
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 NH₃-Sensor (6) zur Bestimmung einer NH₃-Konzentration zwischen den SCR-Einheiten (3, 4) angeordnet ist, um einen Reduktionsmittelschlupf stromabwärts einer ersten SCR-Einheit (3) festzustellen.