DE102020209159A1 - Verfahren zum Ermitteln eines Fehlers eines Abgasstrangs eines Wasserstoffverbrennungsmotor und Abgasstrang für einen Wasserstoffverbrennungsmotor - Google Patents

Verfahren zum Ermitteln eines Fehlers eines Abgasstrangs eines Wasserstoffverbrennungsmotor und Abgasstrang für einen Wasserstoffverbrennungsmotor Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Fehlers eines Abgasstrangs (100) eines Wasserstoffverbrennungsmotors (10). Der Abgasstrang (100) weist eine Abgasleitung (102), eine in der Abgasleitung (102) angeordnete Katalysatorvorrichtung (110), eine in der Abgasleitung (102) stromabwärts der Katalysatorvorrichtung (110) angeordnete Sensorvorrichtung (120), die dazu ausgebildet ist, ein die Stickoxidmenge im Abgas anzeigendes Stickoxidsignal und ein die Wasserstoffmenge im Abgas anzeigendes Wasserstoffsignal zu erzeugen, und eine stromaufwärts der Katalysatorvorrichtung (110) angeordnete Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung (130) auf, die dazu ausgebildet ist, Wasserstoffgas einzuspritzen. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ein Ermitteln einer Stickoxidmenge stromabwärts der Katalysatorvorrichtung (110) mittels des von der Sensorvorrichtung (120) erzeugten Stickoxidsignals, ein Ermitteln einer Wasserstoffmenge stromabwärts der Katalysatorvorrichtung (110) mittels des von der Sensorvorrichtung (120) erzeugten Wasserstoffsignals und ein Ermitteln eines Fehlers des Abgasstrangs (100) zumindest teilweise basierend auf der ermittelten Stickoxidmenge und/oder auf der ermittelten Wasserstoffmenge.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Fehlers eines Abgasstrangs, insbesondere von Komponenten des Abgasstrangs, eines Wasserstoffverbrennungsmotor und einen Abgasstrang für einen Wasserstoffverbrennungsmotor.
  • Wasserstoffverbrennungsmotoren werden im Zuge der immer strengeren Emissionsvorschriften, insbesondere im Hinblick auf die Kohlenstoffoxidemission wichtiger. Bei einem Wasserstoffverbrennungsmotor kann es jedoch aufgrund der hohen Temperaturen und dem in der Luft vorrätigen Stickstoff auch zu Stickoxiden im Abgas kommen, die mit Hilfe einer Katalysatorvorrichtung, wie beispielsweise einer auf dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion basierenden Katalysatorvorrichtung, in Kombination mit Wasserstoffgas nachbehandelt werden können, um die Stickoxidemission weitestgehend zu reduzieren. Von fossilen Verbrennungskraftmotoren ist es bekannt, eine Katalysatorvorrichtung, wie beispielsweise eine auf dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion basierende Katalysatorvorrichtung, auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur zu erwärmen, damit eine effiziente Umsetzung der Stickoxide realisiert werden kann. Hierfür ist es beispielsweise bekannt, ein konventionelles Katalysatorsubstrat mit einer elektrisch beheizbaren Scheiben zu vereinen, die das Katalysatorsubstrat auf die vorbestimmte Temperatur erwärmen kann.
  • Ferner ist aus der DE 10 2007 021 827 A1 ein Abgasreinigungssystem für einen Wasserstoffmotor bekannt. Das darin offenbarte Abgasreinigungssystem umfasst einen Wasserstoffspeichertank zum Speichern von Wasserstoff unter Hochdruck, einen Wasserstoffmotor zum Verbrennen von Wasserstoff, der aus dem Wasserstoffspeichertank zugeführt wird, und einen Katalysator. Das Abgasreinigungssystem ist in der Lage, während des Betriebs des Wasserstoffmotors Wasserstoffgas in das Abgasrohr einzuleiten. Ferner weist das System einen stromaufwärtsseitigen Abgassensor, der in dem Abgasrohr stromaufwärts des Katalysators zum Detektieren des Abgaselements angeordnet ist, und eine auslassseitige Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung auf, die stromaufwärts des stromaufwärtsseitigen Abgassensors zum Einspritzen von Wasserstoffgas in das Abgasrohr ausgebildet ist.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt zumindest teilweise die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ermitteln eines Fehlers eines Abgasstrang, insbesondere der Komponenten eines Abgasstrangs, eines Wasserstoffverbrennungsmotors und einen Abgasstrang für einen Wasserstoffverbrennungsmotor bereitzustellen, mit dem die ordnungsgemäße Funktionalität des Abgasstrangs kontinuierlich überwacht werden kann.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Ermitteln eines Fehlers eines Abgasstrangs eines Wasserstoffverbrennungsmotors mit den Merkmalen gemäß unabhängigem Anspruch 1 und mit einem Abgasstrang für einen Wasserstoffverbrennungsmotor mit den Merkmalen gemäß unabhängigem Anspruch 10 gelöst. Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen der Gedanke zugrunde, einen Abgasstrang eines Wasserstoffverbrennungsmotors mit einer Katalysatorvorrichtung, insbesondere SCR-Katalysatorvorrichtung, auszustatten und stromabwärts der Katalysatorvorrichtung eine Sensorvorrichtung anzuordnen, die dazu ausgebildet ist, sowohl die Stickoxidmenge als auch die Wasserstoffmenge im Abgas stromabwärts der Katalysatorvorrichtung zu erfassen und anhand der Signale dieser Sensorvorrichtung einen Fehler des Abgasstrangs, insbesondere der Komponenten des Abgasstrangs, zu ermitteln. Dabei macht sich die vorliegende Erfindung zu Nutze, dass die Signale der Sensorvorrichtung, die die Stickoxidmenge bzw. Stickoxidkonzentration und Wasserstoffmenge bzw. Wasserstoffkonzentration im Abgas stromabwärts der Katalysatorvorrichtung anzeigen können, ob gewisse Komponenten des Abgasstrangs ihre Funktion noch ordnungsgemäß erfüllen oder ob Fehler derselben vorliegen. Wenn beispielsweise die Stickoxidkonzentration stromabwärts der Katalysatorvorrichtung einen vorbestimmten Stickoxidschwellenwert überschreitet, kann davon ausgegangen werden, dass die Katalysatorvorrichtung nicht mehr ordnungsgemäß arbeitet oder derselben eine ausreichende Wasserstoffgasmenge als Reduktionsmittel fehlt.
  • Folglich ist gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Ermitteln eines Fehlers eines Abgasstrangs eines Wasserstoffverbrennungsmotors offenbart, der dazu ausgebildet ist, mit Wasserstoffgas als Kraftstoff betrieben zu werden. Das Wasserstoffgas wird dabei in zumindest einen Verbrennungsraum mit Luft verbrannt. Der Abgasstrang umfasst eine Abgasleitung zum Leiten des aus dem zumindest einen Verbrennungsraum ausströmenden Abgases, eine in der Abgasleitung stromabwärts des zumindest einen Verbrennungsraums angeordnete Katalysatorvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, das Abgas zumindest teilweise nachzubehandeln, eine in der Abgasleitung stromabwärts der Katalysatorvorrichtung angeordnete Sensorvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, ein die Stickoxidmenge im Abgas anzeigendes Stickoxidsignal und ein die Wasserstoffmenge im Abgas anzeigendes Wasserstoffsignal zu erzeugen, und eine stromaufwärts der Katalysatorvorrichtung angeordnete Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, Wasserstoffgas einzuspritzen. Das erfindungsgemäße Verfahren weist ein Ermitteln einer Stickoxidmenge stromabwärts der Katalysatorvorrichtung mittels des von der Sensorvorrichtung erzeugten Stickoxidsignals, ein Ermitteln einer Wasserstoffmenge stromabwärts der Katalysatorvorrichtung mittels des von der Sensorvorrichtung erzeugten Wasserstoffsignals und ein Ermitteln eines Fehlers des Abgasstrangs zumindest teilweise basierend auf der ermittelten Stickoxidmenge und/oder auf der ermittelten Wasserstoffmenge auf.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Fehler des Abgasstrangs ermittelt, wenn die ermittelte Stickoxidmenge größer ist als ein vorbestimmter oberer Stickoxidwert und/oder die ermittelte Wasserstoffmenge größer ist als ein vorbestimmter oberer Wasserstoffschwellenwert. Insbesondere kann beim Überschreiten von einem der beiden genannten Schwellenwerte davon ausgegangen werden, dass zumindest eine Komponente des Abgasstrangs nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert und somit ein Fehler des Abgasstrangs ermittelt werden kann.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der Abgasstrang ferner eine in der Abgasleitung stromaufwärts der Katalysatorvorrichtung angeordnete weitere Sensorvorrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, ein die Stickoxidmenge im Abgas anzeigendes Stickoxidsignal zu erzeugen. Dabei umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Ermitteln einer Stickoxidmenge stromaufwärts der Katalysatorvorrichtung mittels des von der weiteren Sensorvorrichtung erzeugten Stickoxidsignals, ein Ermitteln eines Wirkungsgrads der Katalysatorvorrichtung basierend auf der ermittelten Stickoxidmenge stromabwärts der Katalysatorvorrichtung und der ermittelten Stickoxidmenge stromaufwärts der Katalysatorvorrichtung und ein Ermitteln eines Fehlers der Katalysatorvorrichtung, wenn der ermittelte Wirkungsgrad der Katalysatorvorrichtung kleiner ist als ein vorbestimmter Wirkungsgradschwellenwert. Unterschreitet der ermittelte Wirkungsgrad der Katalysatorvorrichtung den vorbestimmten Wirkungsgradschwellenwert, kann davon ausgegangen werden, dass die Katalysatorvorrichtung nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert und somit ein Fehler vorliegt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Unterbrechen der Wasserstoffgaseinspritzung während einer Schubabschaltungsphase des Wasserstoffverbrennungsmotors und ein Ermitteln eines Fehlers der Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung und/oder der Sensorvorrichtung auf, wenn die ermittelte Stickoxidmenge kleiner ist als ein vorbestimmter unterer Stickoxidschwellenwert und die ermittelte Wasserstoffmenge größer ist als der vorbestimmte obere Wasserstoffschwellenwert.
  • Dabei wird sich zu Nutze gemacht, dass bei unterbrochener Wasserstoffgaseinspritzung bzw. deaktivierter Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung ein Fehler derselben und/oder der Sensorvorrichtung vorliegt, da die Wasserstoffmenge stromabwärts der Katalysatorvorrichtung anderenfalls unterhalb des vorbestimmten oberen Wasserstoffschwellenwerts liegen müsste und/oder die Stickoxidmenge größer wäre als der vorbestimmte untere Stickoxidschwellenwert, da bei unterbrochener Wasserstoffgaseinspritzung dasselbe als Reduktionsmittel in der Katalysatorvorrichtung fehlen würde und somit die Umsetzung der Stickoxide in der Katalysatorvorrichtung nicht ordnungsgemäß erfolgen würde. In einem solchen Fall kann folglich davon ausgegangen werden, dass ein Fehler der Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung, wie beispielsweise eine Leckage, und/oder der Sensorvorrichtung, wie beispielsweise eine fehlerhafte Messung der Wasserstoffgasmenge, vorliegt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eines solchen bevorzugten Verfahrens ist ferner ein Betreiben des Wasserstoffmotors vor und während einer Schubabschaltungsphase und ein Ermitteln eines Fehlers der Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung vorgesehen, wenn die ermittelte Wasserstoffmenge größer ist als ein vorbestimmter Wasserstoffschwellenwert. Insbesondere kann sich dabei zu Nutze gemacht werden, dass beim Betreiben des Wasserstoffmotors in der Schubabschaltungsphase die Wasserstoffgaseinspritzungen sowohl in den Brennraum als auch in den Abgasstrang unterbrochen sind und an sich davon ausgegangen werden kann, dass stromabwärts der Katalysatorvorrichtung die Stickoxidmenge und die Wasserstoffmenge nahezu gegen null gehen würde. Ist dies jedoch der Fall, kann dies auf einen Fehler der Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung hindeuten, wie beispielsweise eine Leckage von Wasserstoffgas aus derselben und somit ein unbeabsichtigtes Ausströmen von Wasserstoffgas ermittelt werden.
  • Ferner ist es vorteilhaft, wenn in einer solchen bevorzugten Ausgestaltung ein Betreiben des Wasserstoffmotors vor und während einer Schubabschaltungsphase und ein Ermitteln eines Fehlers der Sensorvorrichtung vorgesehen ist, wenn die ermittelte Wasserstoffmenge im Wesentlichen konstant bleibt. Wenn nämlich die ermittelte Wasserstoffmenge vor und während einer Schubabschaltungsphase des Wasserstoffverbrennungsmotors vor und während unterbrochener Wasserstoffgaseinspritzung stromabwärts der Katalysatorvorrichtung im Wesentlichen konstant bleibt, kann dies auf eine fehlerhafte Wasserstoffgasmessung mittels der Sensorvorrichtung zurückgeführt werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Ausgeben einer Warnung an den Betreiber des Wasserstoffmotors, wenn ein Fehler des Abgasstrangs ermittelt wurde.
  • Ferner kann es bevorzugt sein, wenn das erfindungsgemäße Verfahren ein Abschalten des Wasserstoffverbrennungsmotors aufweist, wenn die ermittelte Wasserstoffmenge stromabwärts der Katalysatorvorrichtung einen vorbestimmten kritischen Wasserstoffschwellenwert überschreitet, der größer ist als der vorbestimmte obere Wasserstoffschwellenwert. Beispielsweise beträgt der kritische Wasserstoffschwellenwert ungefähr 3 % (entspricht 30.000 ppm). Dabei kann verhindert werden, dass sich die Wasserstoffkonzentration stromabwärts der Katalysatorvorrichtung zu stark erhöht und zu einem erhöhten Explosionsrisiko führt.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Abgasstrang für einen Wasserstoffverbrennungsmotor vorgesehen, der dazu ausgebildet ist, mit Wasserstoffgas als Kraftstoff betrieben zu werden. Das Wasserstoffgas wird dabei in zumindest einem Verbrennungsraum mit Luft verbrannt. Der erfindungsgemäße Abgasstrang umfasst eine Abgasleitung zum Leiten des aus dem zumindest einen Verbrennungsraum ausströmenden Abgases, eine in der Abgasleitung stromabwärts des zumindest einen Verbrennungsraums angeordnete Katalysatorvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, das Abgas zumindest teilweise nachzubehandeln, eine in der Abgasleitung stromabwärts der Katalysatorvorrichtung angeordnete Sensorvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, ein die Stickoxidmenge im Abgas anzeigendes Stickoxidsignal und ein die Wasserstoffmenge im Abgas anzeigendes Wasserstoffsignal zu erzeugen, eine stromaufwärts der Katalysatorvorrichtung angeordnete Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, Wasserstoffgas einzuspritzen, und eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Ermitteln eines Fehlers des Abgasstrangs auszuführen. Insbesondere befindet sich in der Steuereinheit ein Computerprogramm, das die Steuereinheit dazu anleitet, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.
  • Weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der vorliegenden Lehre und Betrachten der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen:
    • 1 eine schematische Ansicht eines beispielhaften Wasserstoffverbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Abgasstrang zeigt,
    • 2 ein Diagramm zeigt, das den Zusammenhang der im Abgas des Wasserstoffverbrennungsmotors der 1 befindlichen Stickoxidmenge und Wasserstoffmenge im Falle eines fehlerfreien Abgasstrangs darstellt,
    • 3 ein Diagramm zeigt, das den Zusammenhang der im Abgas des Wasserstoffverbrennungsmotors der 1 befindlichen Stickoxidmenge und Wasserstoffmenge im Falle einer fehlerhaften Katalysatorvorrichtung darstellt,
    • 4 ein Diagramm zeigt, das den Zusammenhang der im Abgas des Wasserstoffverbrennungsmotors der 1 befindlichen Stickoxidmenge und Wasserstoffmenge im Falle einer fehlerhaften Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung darstellt, und
    • 5 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln eines Fehlers des Abgasstrangs des Wasserstoffverbrennungsmotors der 1 zeigt.
  • Die 1 zeigt eine schematische Ansicht eines beispielhaften Wasserstoffverbrennungsmotors 10 mit einem erfindungsgemäßen Abgasstrang 100. Der Wasserstoffverbrennungsmotor 10 wird mit Wasserstoffgas als Kraftstoff betrieben und ist prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt. Insbesondere wird ein Wasserstoffgas-Luft-Gemisch in zumindest einem Verbrennungsraum (nicht explizit dargestellt) des Wasserstoffverbrennungsmotors 10 verbrannt und das erhaltene Abgas wird über den erfindungsgemäßen Abgasstrang 100 an die Umwelt abgegeben. Der Wasserstoffverbrennungsmotor 10 ist insbesondere ein Viertaktmotor mit den Phasen Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen.
  • Der Abgasstrang 100 weist eine Abgasleitung 102 auf, die mit dem zumindest einen Verbrennungsraum (nicht explizit dargestellt) des Verbrennungsmotors 10 fluidverbunden und dazu ausgebildet ist, das aus dem zumindest einen Verbrennungsraum ausströmenden Abgas zu leiten. Der Abgasstrang 100 weist ferner eine in der Abgasleitung 102 stromabwärts des zumindest einen Verbrennungsraums angeordnete Katalysatorvorrichtung 110 auf, die dazu ausgebildet ist, das Abgas zumindest teilweise nachzubehandeln. Die Katalysatorvorrichtung 110 ist vorzugsweise eine SCR-Katalysatorvorrichtung, die auf dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion mit Wasserstoffgas beruht.
  • Der Abgasstrang 100 weist ferner eine Sensorvorrichtung 120 auf, die stromabwärts der Katalysatorvorrichtung 110 in der Abgasleitung 102 angeordnet und dazu ausgebildet ist, das Abgas hinsichtlich seiner Bestandteile zu vermessen. Insbesondere ist die Sensorvorrichtung 120 dazu ausgebildet, ein die Stickoxidmenge im Abgas anzeigendes Stickoxidsignal und ein die Wasserstoffmenge im Abgas anzeigendes Wasserstoffsignal zu erzeugen. Die Sensorvorrichtung 120 kann beispielsweise als Stickoxidsensor mit zusätzlich integrierter Mischpotentialelektrode bzw. -sensor ausgebildet sein und auf dem elektrochemischen Prinzip basieren. Basierend auf der ermittelten Stickoxidmenge bzw. der ermittelten Wasserstoffmenge kann die im Abgas befindliche Stickoxidkonzentration bzw. die im Abgas befindliche Wasserstoffkonzentration ermittelt werden.
  • Ferner weist der Abgasstrang 100 der 1 eine Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 130 auf, die dazu ausgebildet ist, Wasserstoffgas in die Abgasleitung 102 an einer Position stromaufwärts der Katalysatorvorrichtung 110 und stromabwärts des zumindest einen Verbrennungsraums einzuspritzen. Das mittels der Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 130 eingespritzte Wasserstoffgas kann insbesondere als Reduktionsmittel für die Katalysatorvorrichtung 110 verwendet werden.
  • In einer alternativen erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann statt der Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 130 das als Reduktionsmittel für die Katalysatorvorrichtung 110 benötigte Wasserstoffgas von den Haupt-Wasserstoffgaseinspritzvorrichtungen erhalten werden, die dazu ausgebildet sind, Wasserstoffgas zum Betreiben des Wasserstoffverbrennungsmotors 10 in den zumindest einen Verbrennungsraum einzuspritzen. Während einer Arbeitsphase und/oder Ausstoßphase des Verbrennungsmotors 10 kann mittels dieser Haupt-Wasserstoffgaseinspritzvorrichtungen zusätzliches Wasserstoffgas in den zumindest einen Verbrennungsraum eingespritzt werden, der unverbrannt in die Abgasleitung 102 gelangt und in der Katalysatorvorrichtung 110 als Reduktionsmittel dienen kann.
  • Optional kann der Abgasstrang 110 der 1 eine weitere Sensorvorrichtung 140 aufweisen, die stromaufwärts der Katalysatorvorrichtung 110 in der Abgasleitung 102 angeordnet ist. Mittels der weiteren Sensorvorrichtung 140 kann die Roh-Emission (d.h. die Stickoxidmenge im unbehandelten Abgas) des Wasserstoffverbrennungsmotors 10 erfasst werden. Die Vorsteuerung der Wasserstoffgaseinspritzmenge ist proportional zu der ermittelten Stickoxidkonzentration und dem Abgasmassenstrom.
  • Die Sensorvorrichtung 120, die Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 130 und die weitere Sensorvorrichtung 140 sind jeweils mit einer Steuereinheit 150 verbunden, die dazu ausgebildet ist, die jeweiligen Signale zu empfangen und auch wiederum Signale zum Steuern bzw. Regeln der Wasserstoffgaseinspritzung mittels der Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 130 zu senden. Insbesondere ist die Steuereinheit 150 dazu ausgebildet, ein erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln eines Fehlers des Abgasstrangs auszuführen.
  • Die 2 zeigt ein Diagramm, aus dem der Zusammenhang der eingespritzten Wasserstoffgasmenge und der im Abgas des Wasserstoffverbrennungsmotors 10 der 1 befindlichen Stickoxidmenge und Wasserstoffmenge bei einem fehlerfreien Abgasstrang 100 hervorgeht. Die sich nach links erstreckende Abszisse zeigt die eingespritzte Menge an Wasserstoffgas an, wobei die sich nach oben erstreckende Ordinate das Stickoxidsignal (bzw. Stickoxidmenge bzw. Stickoxidkonzentration) 20 stromabwärts der Katalysatorvorrichtung 110 bzw. das Wasserstoffsignal (bzw. Wasserstoffmenge bzw. Wasserstoffkonzentration) 30 der Sensorvorrichtung 120 stromabwärts der Katalysatorvorrichtung 110 anzeigt.
  • Aus dem Diagramm der 2 geht hervor, dass das Stickoxidsignal 20 (siehe gestrichelte Linie in der 2) ausgehend von ungefähr 100 ppm ohne eingespritztem Wasserstoffgas stetig mit steigender Menge an eingespritztem Wasserstoffgas fällt und bei mehr als ungefähr 95 ppm eingespritztem Wasserstoffgas unter den beispielhaften vorbestimmten Schwellenwert von ungefähr 5 ppm fällt. Die Einheit [ppm] steht dabei für „parts per million“ (= Anzahl Teilchen pro 1.000.000 Teilchen) und beschreibt eine Konzentration des jeweiligen Bestandteils. In dem Bereich zwischen 0 ppm und 95 ppm eingespritzter Wasserstoffgasmenge ist die eingespritzte Wasserstoffgasmenge unzureichend, um die Stickoxide in der Katalysatorvorrichtung 110 hinreichend umzusetzen. Aus diesem Grund befindet sich in diesem Bereich der Wasserstoffgaseinspritzmenge das Stickoxidsignal 20 oberhalb des vorbestimmten unteren Stickoxidschwellenwerts von ungefähr 5 ppm.
  • Ab einer vorbestimmten eingespritzten Wasserstoffmenge, wie beispielsweise mehr als ungefähr 100 ppm in der 2, befindet sich das Stickoxidsignal zwar unterhalb des vorbestimmten Stickoxidschwellenwerts bei nahezu 0 ppm, wohingegen aber bei weiter zunehmendem eingespritztem Wasserstoffgas das Wasserstoffsignal 30 stromabwärts der Katalysatorvorrichtung 110 ansteigt. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass mit steigender eingespritzter Wasserstoffgasmenge sämtliche Stickoxide in der Katalysatorvorrichtung 110 umgesetzt werden, wobei jedoch hierfür eine zu große Menge an Wasserstoffgas eingespritzt wird und das überschüssige Wasserstoffgas ungenutzt durch die Katalysatorvorrichtung 110 strömen kann und in die Umgebung ausgestoßen wird.
  • Die 3 zeigt ein der 2 ähnliches Diagramm, jedoch bei einem fehlerbehafteten Abgasstrang 100. Insbesondere zeigt die 3 die Verläufe der Signale der Sensorvorrichtung 120 (Stickoxidsignal 20 und Wasserstoffsignal 30) bei einer fehlerbehafteten Katalysatorvorrichtung 110. Der 3 kann entnommen werden, dass sich zwar das Stickoxidsignal 20 mit steigender eingespritzter Wasserstoffgasmenge reduziert, jedoch nicht ausreichend genug. Beispielsweise beträgt bei einer eingespritzten Wasserstoffgasmenge von 130 ppm die Stickoxidmenge im Abgas stromabwärts der Katalysatorvorrichtung 110 ungefähr 50 ppm und die Wasserstoffgasmenge stromabwärts der Katalysatorvorrichtung 110 ungefähr 80 ppm. Somit kann trotz eingespritztem Wasserstoffgas als Reduktionsmittel für die Katalysatorvorrichtung 110 die Katalysatorvorrichtung 110 nicht mehr ausreichend die Umsetzung der Stickoxide durchführen, weshalb ein Fehler derselben ermittelt werden kann. Das Stickoxidsignal 20 verbleibt dabei oberhalb eines vorbestimmten oberen Stickoxidschwellenwerts von beispielsweise ungefähr 40 ppm. Somit kann anhand der Signale der Sensorvorrichtung 120 eine quantitative Aussage darüber gemacht werden, welche Komponente des Abgasstrangs 100, nämlich in dem Beispiel der 2 die Katalysatorvorrichtung 110, einem Fehler unterliegt.
  • Die 4 zeigt ein weiteres Diagramm, welches den Diagrammen der 2 und 3 ähnlich ist. Bei der 4 liegt beispielsweise ein Fehler der Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 130 vor. Bei der 4 wird angenommen, dass mittels der Steuereinheit 150 die Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 130 deaktiviert ist und somit die Wasserstoffgaseinspritzung unterbrochen werden soll. Wenn jedoch in diesem Fall bei Deaktivierung der Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 130 das Wasserstoffsignal stromabwärts der Katalysatorvorrichtung 110, wie in der 4 gezeigt, weiterhin ansteigt, wobei gleichzeitig das Stickoxidsignal 20 unterhalb des vorbestimmten unteren Stickoxidschwellenwerts von 5 ppm liegt, kann dies beispielsweise ein Indiz dafür sein, dass die Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 130 undicht ist und Wasserstoffgas in die Abgasleitung 102 unbeabsichtigt durch die Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 130 strömt. In diesem Fall kann davon ausgegangen werden, dass eine Leckage der Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 130 vorliegt. Jedoch kann auch eine fehlerhafte Messung der Sensorvorrichtung 120 vorliegen. Letztendlich kann aber ein Fehler des Abgasstrangs 100 detektiert werden. Die Unterscheidung, um welchen Fehler es sich dabei handelt, kann dann während einer Schubabschaltungsphase gemacht werden, auf das im Folgenden mit Bezug auf die 5 näher eingegangen wird.
  • Die 5 zeigt ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln eines Fehlers des Abgasstrangs 100 der 1.
  • Das Verfahren der 5 startet beim Schritt 200 und gelangt dann zum Schritt 202, an dem der Wasserstoffverbrennungsmotor 10 betrieben wird. In einem darauffolgenden Schritt 204 wird mittels der Sensorvorrichtung 120 ein die Stickoxidmenge im Abgas anzeigendes Stickoxidsignal 20 erzeugt. In einem weiteren darauffolgenden Schritt 206 wird mittels der Sensorvorrichtung 120 ein die Wasserstoffmenge stromabwärts der Katalysatorvorrichtung 110 anzeigendes Wasserstoffsignal 30 erzeugt. In einem weiteren optionalen Schritt 208 wird mittels der Sensorvorrichtung 140 ein die Stickoxidmenge im Abgas stromaufwärts der Katalysatorvorrichtung 110 anzeigendes Stickoxidsignal erzeugt, welches die Stickoxid-Rohemission des Wasserstoffverbrennungsmotors 10 anzeigt.
  • In einem darauffolgenden Schritt 210 wird überprüft, ob eine Wasserstoffgaseinspritzung derzeit erfolgt oder etwa eine Schubabschaltungsphase des Wasserstoffverbrennungsmotors 10 vorliegt, während der die Wasserstoffgaseinspritzung in den Abgasstrang 100 unterbrochen werden kann. Wird beim Schritt 210 ermittelt, dass eine normale Steuerung der Wasserstoffgaseinspritzung bzw. Dosierung der Wasserstoffgaseinspritzung erfolgt, gelangt das Verfahren zum Schritt 210, an dem ermittelt wird, ob der beim Schritt 204 ermittelte Stickoxidwert stromabwärts der Katalysatorvorrichtung 110 einen vorbestimmten oberen Stickoxidschwellenwert überschreitet. Wird beim Schritt 212 ermittelt, dass der beim Schritt 204 ermittelte Stickoxidwert stromabwärts der Katalysatorvorrichtung 110 den vorbestimmten oberen Stickoxidschwellenwert nicht überschreitet, gelangt das Verfahren zum Schritt 230, an dem der Abgasstrang 100 als fehlerfrei diagnostiziert wird. Das Verfahren endet dann beim Schritt 300.
  • Wird jedoch beim Schritt 212 ermittelt, dass die beim Schritt 204 ermittelte Stickoxidmenge den vorbestimmten oberen Stickoxidschwellenwert überschreitet, gelangt das Verfahren zum Schritt 220, an dem ein Fehler der Katalysatorvorrichtung 110 ermittelt wird. Zudem gelangt das Verfahren zum Schritt 214, an dem ermittelt wird, ob die beim Schritt 206 ermittelte Wasserstoffmenge den vorbestimmten oberen Wasserstoffschwellenwert überschreitet (siehe 3). Wird beim Schritt 214 ermittelt, dass die beim Schritt 206 ermittelte Wasserstoffmenge den vorbestimmten oberen Wasserstoffschwellenwert überschreitet und die berechnete Wasserstoffgaseinspritzmenge einen vorbestimmten Wasserstoffgaseinspritzschwellenwert überschreitet, gelangt das Verfahren zum Schritt 232, an dem die Sensorvorrichtung 120, insbesondere die Wasserstoffmessung, als fehlerfrei diagnostiziert wird, bevor das Verfahren beim Schritt 300 endet.
  • Wird beim Schritt 214 ermittelt, dass die beim Schritt 206 ermittelte Wasserstoffmenge den vorbestimmten oberen Wasserstoffschwellenwert nicht überschreitet, jedoch die berechnete Wasserstoffgaseinspritzmenge einen vorbestimmten Wasserstoffgaseinspritzschwellenwert überschreitet, gelangt das Verfahren wieder zum Schritt 222, an dem ein Fehler der Sensorvorrichtung 120, insbesondere der Wasserstoffmessung, ermittelt wird. Daraufhin endet das Verfahren wieder beim Schritt 300. Die berechnete Wasserstoffgaseinspritzmenge kann dabei aus der Vorsteuerung abhängig von der Stickoxid-Rohemission und Regelung abhängig von der Differenz zwischen Stickoxid-Solllwert und ermittelten Stickoxidwert stromabwärts der Katalysatorvorrichtung 110 ermittelt werden.
  • Optional kann anstelle der Schritte 212, 214 der Wirkungsgrad der Katalysatorvorrichtung 110 aus der beim Schritt 204 ermittelten Stickoxidmenge stromabwärts der Katalysatorvorrichtung 110 und der beim Schritt 208 ermittelten Stickoxidmenge stromaufwärts der Katalysatorvorrichtung 110 ermittelt und mit einem vorbestimmten Wirkungsgradschwellenwert verglichen werden. Unterschreitet der ermittelte Wirkungsgrad der Katalysatorvorrichtung 110 den vorbestimmten Wirkungsgradschwellenwert von beispielsweise 80 %, kann ebenfalls beim Schritt 220 ein Fehler der Katalysatorvorrichtung 110 ermittelt werden.
  • Wird jedoch beim Schritt 210 ermittelt, dass keine normale Wasserstoffgaseinspritzung erfolgt, da beispielsweise die Wasserstoffeinspritzvorrichtung 130 deaktiviert ist, gelangt das Verfahren zum Schritt 250, an dem ermittelt wird, ob die beim Schritt 206 ermittelte Wasserstoffgasmenge einen vorbestimmten oberen Wasserstoffschwellenwert überschreitet oder nicht. Wird beim Schritt 250 ermittelt, dass die beim Schritt 206 ermittelte Wasserstoffgasmenge größer ist als der vorbestimmte obere Wasserstoffgasschwellenwert, gelangt das Verfahren zum Schritt 252, an dem ermittelt wird, ob eine Schubabschaltungsphase des Wasserstoffverbrennungsmotors 10 vorliegt oder nicht. Dies kann beispielsweise anhand der Gaspedalstellung ermittelt werden.
  • Wenn beim Schritt 252 eine Schubabschaltungsphase des Wasserstoffverbrennungsmotors 10 ermittelt wird, gelangt das Verfahren zum Schritt 260, an dem erneut eine Wasserstoffmenge mittels der Sensorvorrichtung 120 ermittelt wird. In einem darauffolgenden Schritt 270 wird ermittelt, ob die mittels der Sensorvorrichtung 120 neu ermittelte Wasserstoffgasmenge bei deaktivierter Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 130 und während der Schubabschaltungsphase des Wasserstoffverbrennungsmotors 10 unterhalb eines vorbestimmten unteren Wasserstoffgasschwellenwerts liegt. Wird beim Schritt 270 ermittelt, dass die ermittelte Wasserstoffgasmenge unterhalb des vorbestimmten unteren Wasserstoffschwellenwerts, wie beispielsweise 20 ppm, liegt, gelangt das Verfahren zum Schritt 240, an dem die Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 130 als fehlerfrei diagnostiziert wird.
  • Wird jedoch beim Schritt 270 ermittelt, dass die ermittelte Wasserstoffgasmenge nicht unterhalb des vorbestimmten unteren Wasserstoffschwellenwerts, wie beispielsweise 20 ppm, liegt (d.h. diesen vorbestimmten unteren Wasserstoffschwellenwert überschreitet), gelangt das Verfahren zum Schritt 280, an dem ermittelt wird, ob die ermittelte Wasserstoffmenge sich ändert oder im Wesentlichen konstant bleibt. Wird beim Schritt 280 ermittelt, dass während der Schubabschaltungsphase bei unterbrochener Wasserstoffgaseinspritzung wegen fehlender Stickoxid Roh-Emission das Wasserstoffsignal steigt (d.h. ändert), gelangt das Verfahren zum Schritt 242, an dem die Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 130 als fehlerbehaftet und undicht diagnostiziert wird, weshalb wohl Wasserstoffgas in die Abgasleitung 102 unbeabsichtigt ausströmt.
  • Wird beim Schritt 280 hingegen ermittelt, dass das Wasserstoffsignal im Wesentlichen konstant bleibt und sich nicht ändert, gelangt das Verfahren wieder zum Schritt 222, an dem ein Fehler der Wasserstoffmessung mittels der Sensorvorrichtung 120 ermittelt wird.
  • Im Hinblick auf die 5 ist zu erwähnen, dass die Reihenfolge der gezeigten Schrittabfolge beispielhaft ist und es ebenso erfindungsgemäß ist, eine andere Reihenfolge zu wählen.
  • An dieser Stelle ist zu erwähnen, dass die Schritte 250 und die sich dann anschließenden Schritte auch nach dem Schritt 212 erfolgen können. Beispielsweise kann auch beim Ermitteln einer fehlerfreien Katalysatorvorrichtung 110 die Diagnose der Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 130 und/oder der Sensorvorrichtung 120 erfolgen. Insbesondere können die Diagnosen der Katalysatorvorrichtung 110, der Sensorvorrichtung 120 und der Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung auch unabhängig und separat voneinander erfolgen.
  • Ferner kann mittels der vorliegenden Erfindung nach dem Ermitteln von einem fehlerfreien Abgasstrang 100 eine Offsetkorrektur der Wasserstoffgasmessung während der Schubabschaltungsphase oder während einem Motorstopp erfolgen. Dabei wird die Wasserstoffgaseinspritzung unterbrochen und sobald das Stickoxidsignal stromabwärts der Katalysatorvorrichtung 100 einen Schwellenwert unterschreitet (beispielsweise 5 ppm) und das Wasserstoffsignal nicht mehr weiter absinkt, kann dann der ermittelte Stickoxidwert und/oder Wasserstoffwert zur Adaption des Offsets verwendet werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102007021827 A1 [0003]

Claims (9)

  1. Verfahren zum Ermitteln eines Fehlers eines Abgasstrangs (100) eines Wasserstoffverbrennungsmotors (10), der dazu ausgebildet ist, mit Wasserstoffgas als Kraftstoff betrieben zu werden, wobei das Wasserstoffgas in zumindest einem Verbrennungsraum mit Luft verbrannt wird, wobei der Abgasstrang (100) eine Abgasleitung (102) zum Leiten des aus dem zumindest einen Verbrennungsraum ausströmenden Abgases, eine in der Abgasleitung (102) stromabwärts des zumindest einen Verbrennungsraums angeordnete Katalysatorvorrichtung (110), die dazu ausgebildet ist, das Abgas zumindest teilweise nachzubehandeln, eine in der Abgasleitung (102) stromabwärts der Katalysatorvorrichtung (110) angeordnete Sensorvorrichtung (120), die dazu ausgebildet ist, ein die Stickoxidmenge im Abgas anzeigendes Stickoxidsignal und ein die Wasserstoffmenge im Abgas anzeigendes Wasserstoffsignal zu erzeugen, und eine stromaufwärts der Katalysatorvorrichtung (110) angeordnete Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung (130), die dazu ausgebildet ist, Wasserstoffgas einzuspritzen, wobei das Verfahren aufweist: - Ermitteln einer Stickoxidmenge stromabwärts der Katalysatorvorrichtung (110) mittels des von der Sensorvorrichtung (120) erzeugten Stickoxidsignals, - Ermitteln einer Wasserstoffmenge stromabwärts der Katalysatorvorrichtung (110) mittels des von der Sensorvorrichtung (120) erzeugten Wasserstoffsignals, und - Ermitteln eines Fehlers des Abgasstrangs (100) zumindest teilweise basierend auf der ermittelten Stickoxidmenge und/oder auf der ermittelten Wasserstoffmenge.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Fehler des Abgasstrangs (100) ermittelt wird, wenn die ermittelte Stickoxidmenge größer ist als ein vorbestimmter oberer Stickoxidwert und/oder die ermittelte Wasserstoffmenge größer ist als ein vorbestimmter oberer Wasserstoffschwellenwert.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abgasstrang (100) ferner eine in der Abgasleitung (102) stromaufwärts der Katalysatorvorrichtung (110) angeordnete weitere Sensorvorrichtung (140) aufweist, die dazu ausgebildet ist, ein die Stickoxidmenge im Abgas anzeigendes Stickoxidsignal zu erzeugen, wobei das Verfahren ferner umfasst: - Ermitteln einer Stickoxidmenge stromaufwärts der Katalysatorvorrichtung (110) mittels des von der weiteren Sensorvorrichtung (140) erzeugten Stickoxidsignals, - Ermitteln eines Wirkungsgrads der Katalysatorvorrichtung (110) basierend auf der ermittelten Stickoxidmenge stromabwärts der Katalysatorvorrichtung (110) und der ermittelten Stickoxidmenge stromaufwärts der Katalysatorvorrichtung (110), und - Ermitteln eines Fehlers der Katalysatorvorrichtung (110), wenn der ermittelte Wirkungsgrad der Katalysatorvorrichtung (110) kleiner ist als ein vorbestimmter Wirkungsgradschwellenwert.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit: - Unterbrechen der Wasserstoffgaseinspritzung während einer Schubabschaltungsphase des Wasserstoffverbrennungsmotors (10), und - Ermitteln eines Fehlers der Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung (130) und/oder der Sensorvorrichtung (120), wenn die ermittelte Stickoxidmenge kleiner ist als ein vorbestimmter unterer Stickoxidschwellenwert und die ermittelte Wasserstoffmenge größer ist als der vorbestimmte obere Wasserstoffschwellenwert.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, ferner mit: - Betreiben des Wasserstoffmotors (10) in einer Schubabschaltungsphase, und - Ermitteln eines Fehlers der Sensorvorrichtung (120), wenn die ermittelte Wasserstoffmenge im Wesentlichen konstant bleibt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit: - Ausgeben einer Warnung an den Betreiber des Wasserstoffmotors (10), wenn ein Fehler des Abgasstrangs (100) ermittelt wurde.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit: - Abschalten des Wasserstoffverbrennungsmotors (10), wenn die ermittelte Wasserstoffmenge einen vorbestimmten kritischen Wasserstoffschwellenwert überschreitet, der größer ist als der vorbestimmte obere Wasserstoffschwellenwert.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der kritische Wasserstoffschwellenwert ungefähr 3 % beträgt.
  9. Abgasstrang (100) für einen Wasserstoffverbrennungsmotor (10), der dazu ausgebildet ist, mit Wasserstoffgas als Kraftstoff betrieben zu werden, wobei das Wasserstoffgas in zumindest einem Verbrennungsraum mit Luft verbrannt wird, wobei der Abgasstrang (100) aufweist: - eine Abgasleitung (102) zum Leiten des aus dem zumindest einen Verbrennungsraum ausströmenden Abgases, - eine in der Abgasleitung (102) stromabwärts des zumindest einen Verbrennungsraums angeordnete Katalysatorvorrichtung (110), die dazu ausgebildet ist, das Abgas zumindest teilweise nachzubehandeln, - eine in der Abgasleitung (102) stromabwärts der Katalysatorvorrichtung (110) angeordnete Sensorvorrichtung (120), die dazu ausgebildet ist, ein die Stickoxidmenge im Abgas anzeigendes Stickoxidsignal und ein die Wasserstoffmenge im Abgas anzeigendes Wasserstoffsignal zu erzeugen, - eine stromaufwärts der Katalysatorvorrichtung (110) angeordnete Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung (130), die dazu ausgebildet ist, Wasserstoffgas einzuspritzen, und - eine Steuereinheit (150), die dazu ausgebildet, ein Verfahren zum Ermitteln eines Fehlers des Abgasstrangs (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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