DE102021213316A1 - Verfahren zum Abschätzen einer Ammoniakkonzentration stromabwärts mindestens eines in einem Abgasstrang angeordneten SCR-Katalysators in einem SCR-System einer Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Abschätzen einer Ammoniakkonzentration(xNH3est)stromabwärts mindestens eines in einem Abgasstrang (11) angeordneten SCR-Katalysators (22) in einem SCR-System (20) einer Verbrennungskraftmaschine (10), welches mindestens eine Reduktionsmitteldosiereinheit (21) stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators (22) aufweist,wobei stromaufwärts des SCR-Katalysators (22) ein erster NOx-Sensor (31) angeordnet ist, welcher ein erstes NOx-Signal (xsens,US) ermittelt,wobei stromabwärts des SCR-Katalysators (22) ein zweiter NOx-Sensor (32) angeordnet ist, welcher ein zweites NOx-Signal (xsens,DS) ermittelt, wobei eine Freigabe für das Verfahren erteilt wird, wenn ein Betriebszustand für die Verbrennungskraftmaschine (10) erkannt wird, und ausgehend von der erteilten Freigabe ein Startzeitpunkt (t0) für die Abschätzung der Ammoniakkonzentration(xNH3est)bestimmt wird, die Abschätzung der Ammoniakkonzentration(xNH3est)aus dem ersten und zweiten NOx-Signal (xsens, US,xsens,DS) und einem Effizienzmodell(ηNOxmdl)ermittelt wird und das SCR-System (20) in Abhängigkeit der abgeschätzten Ammoniakkonzentration(xNH3est)adaptiert wird.

Description

• Stand der Technik
• Die DE 10 2016 201 602 A1 offenbart ein Verfahren zur Ermittlung eines Ammoniakmassenstroms (dm(NH2)_32) zwischen zwei hintereinander in einem Abgasstrang (11) angeordneten SCR-Katalysatoren (22, 23) in einem SCR-Katalysatorsystem (20), welches nur eine Reduktionsmitteldosiereinheit (21) stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators (22) aufweist, wobei die Ermittlung aus dem Signal eines zwischen den beiden SCR-Katalysatoren angeordneten NOx-Sensors (32) und dem Signal eines stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators (23) angeordneten NOx-Sensors (33) erfolgt.
• Die DE 10 2014 201 304 A1 betrifft Bei einem Verfahren zum Betreiben eines zur Stickoxid-Verminderung von Abgasen einer Brennkraftmaschine vorgesehenen Katalysatorsystems, das zumindest einen SCR-Katalysator (150) umfasst, der mit einem Reaktionsmittel betrieben wird, welches im SCR-Katalysator (150) gespeichert werden kann, sodass ein bestimmter Reaktionsmittel-Füllstand im SCR-Katalysator (150) vorliegt, wobei die Zudosierung von Reaktionsmittel auf der Basis von Modellen (604, 606) mithilfe eines NH3-Füllstandsreglers (602) erfolgt, werden Modellierungsfehler mithilfe eines NH3-Füllstandsbeobachters (605) kompensiert.
• Offenbarung der Erfindung
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschätzen einer Ammoniakkonzentration stromabwärts mindestens eines in einem Abgasstrang angeordneten SCR-Katalysators in einem SCR-System einer Verbrennungskraftmaschine, welches mindestens eine Reduktionsmitteldosiereinheit stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators aufweist, wobei stromaufwärts des SCR-Katalysators ein erster NOx-Sensor angeordnet ist, welcher ein erstes NOx-Signal ermittelt, wobei stromabwärts des SCR-Katalysators ein zweiter NOx-Sensor angeordnet ist, welcher ein zweites NOx-Signal ermittelt, wobei eine Freigabe für das Verfahren erteilt wird, wenn ein Betriebszustand für die Verbrennungskraftmaschine erkannt wird, und ausgehend von der erteilten Freigabe ein Startzeitpunkt für die Abschätzung der Ammoniakkonzentration bestimmt wird, wobei die Abschätzung der Ammoniakkonzentration aus dem ersten und zweiten NOx-Signal und einem Effizienzmodell ermittelt wird und das SCR-System in Abhängigkeit der abgeschätzten Ammoniakkonzentration adaptiert wird.
• Das Verfahren hat den besonderen Vorteil, dass durch die Abschätzung der Ammoniakkonzentration stromabwärts des mindestens einen SCR-Katalysators, das NOx-Signal des eingesetzten NOx-Sensors, welcher eine Querempfindlichkeit für Ammoniak sowie auf Stickoxid aufweist, in Ammoniak (NH3) und Stickoxid (NOx) aufgeteilt werden kann. Diese Aufteilung des zweiten NOx-Signals in Ammoniak und Stickoxid ermöglicht anschließend eine genauere Adaption für das SCR-System und somit folglich zu einer verbesserten Umsetzung von Emissionen und einer besseren Effizienz für das SCR-System.
• Ferner kann der vorgebbare Betriebszustand für die Verbrennungskraftmaschine einem Betriebszustand entsprechen, bei dem entweder kein oder vorzugsweise nur ein geringer Ammoniakschlupf nach dem mindestens einen SCR-Katalysator vorliegt.
• Das Verfahren kann vorteilhaft in einem Betriebszustand gestartet werden, bei dem vorzugsweise nur NOx-Emissionen am Ort des zweiten NOx-Sensors vorhanden sind. Von diesem Betriebszustand kann das Verfahren zum Abschätzen der Ammoniakkonzentration robust und zuverlässig durchgeführt werden.
• Des Weiteren kann der vorgebbare Betriebszustand für die Verbrennungskraftmaschine einem Kaltstart für die Verbrennungskraftmaschine entsprechen.
• Ein Kaltstart stellt einen vorteilhaften Betriebszustand dar, da bei einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine vorzugsweise nur ein geringer oder kein Ammoniak am Ort des zweiten NOx-Sensors vorhanden ist.
• In einer weiteren Ausgestaltung kann der vorgebbare Betriebszustand für die Verbrennungskraftmaschine einem Betriebszustand entsprechen, bei dem nur geringe NOx-Emissionen stromabwärts des mindestens einen SCR-Katalysators vorliegen.
• Das Verfahren kann vorteilhaft in einem Betriebszustand gestartet werden, bei dem vorzugsweise keine NOx-Emissionen am Ort des zweiten NOx-Sensors und dafür ein Ammoniakschlupf bzw. Ammoniak vorhanden ist. Von diesem Betriebszustand kann das Verfahren zum Abschätzen der Ammoniakkonzentration robust und zuverlässig durchgeführt werden.
• In einer alternativen Ausgestaltung kann der vorgebbare Betriebszustand für die Verbrennungskraftmaschine einem Schubbetrieb für die Verbrennungskraftmaschine entsprechen, bei dem stromabwärts des mindestens einen SCR-Katalysators kaum oder vorzugsweise nur geringe NOx-Emissionen vorliegen.
• Ein Schubbetrieb stellt einen vorteilhaften Betriebszustand dar, da bei einem Schubbetrieb der Verbrennungskraftmaschine vorzugsweise nur Ammoniak (NH3) am Ort des zweiten NOx-Sensors vorhanden sind. Von diesem Betriebszustand kann das Verfahren zum Abschätzen der Ammoniakkonzentration robust und zuverlässig durchgeführt werden.
• Ferner kann wenn erneut ein vorgebbarer Betriebszustand, vorzugsweise nach dem zum Startzeitpunkt erkannten Betriebszustand, für die Verbrennungskraftmaschine erkannt wird, die Abschätzung der Ammoniakkonzentration ausgehend von einem neuen Startzeitpunkt durchgeführt werden.
• Es ist besonders vorteilhaft, bei einem erneuten Erkennen eines der vorgebbaren Betriebszustände den Startzeitpunkt zu resettieren und das Verfahren ausgehend von dem neu erkannten Betriebszustand zu starten. Dies ist besonders vorteilhaft, da somit die Robustheit des Verfahrens erhöht werden kann.
• In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird die Abschätzung der Ammoniakkonzentration stromabwärts mindestens eines in einem Abgasstrang angeordneten SCR-Katalysators in einem SCR-System für eine Verbrennungskraftmaschine nach der folgenden Formel ermittelt: $$\begin{array}{l}{x}_{NH3}^{est}\left(t\right)=x_{NH3}^{est}\left(t-\Delta t\right)+\frac{1}{\alpha }[\left(\frac{\Delta x_{sens,DS}}{{\Delta }_t}\right)-((1-{\eta }_{NOx}^{mdl}\left(t-{\Delta }_t\right))\frac{\partial x_{NOx}^{us}}{\partial t}-\\ x_{NOx}^{us}\frac{\partial x_{NOx}^{us}}{\partial t})]{\Delta }_t\end{array}$$

  

  wobei $x_{NH3}^{us}\left(t\right)$

  

  die geschätzte Ammoniakkonzentration zum Zeitpunkt t, α ein Proportionalitätsfaktor, ${\eta }_{NOx}^{mdl}$

  

  ein Effizienzmodell für den SCR-Katalysator, $x_{NOx}^{us}$

  

  die NOx-Konzentration stromaufwärts des SCR-Katalysators und Δ_t die Schrittweite ist.
• Das Verfahren hat den besonderen Vorteil, dass durch die Abschätzung der Ammoniakkonzentration stromabwärts des mindestens einen SCR-Katalysators, das NOx-Signal des eingesetzten NOx-Sensors, welcher eine Querempfindlichkeit für Ammoniak sowie auf Stickoxid aufweist, in Ammoniak (NH3) und Stickoxid (NOx) aufgeteilt werden kann. Diese Aufteilung des zweiten NOx-Signals in Ammoniak und Stickoxid ermöglicht anschließend eine genauere Adaption für das SCR-System und somit folglich zu einer verbesserten Umsetzung von Emissionen und einer besseren Effizienz für das SCR-System.
• In weiteren Aspekten betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, insbesondere ein Steuergerät und ein Computerprogramm, die zur Ausführung eines der Verfahren eingerichtet, insbesondere programmiert, sind. In einem noch weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
• Figurenliste
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
• 1 in einer schematischen Darstellung ein SCR-System mit einem SCR-Katalysator einer Verbrennungskraftmaschine,
• 2 ein schematisches Ablaufdiagramm einer beispielhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abschätzung der Ammoniakkonzentration stromabwärts des mindestens einen SCR-Katalysators.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung
• Eine Verbrennungskraftmaschine 10 weist in seinem Abgasstrang 11 ein SCR-System 20 auf, welches in 1 dargestellt ist. Dieses verfügt über eine Reduktionsmitteldosiereinheit 21, mit welcher eine Harnstoffwasserlösung (AdBlue) in den Abgasstrang 11 eingespritzt werden kann. Aus dieser wird bei den hohen Temperaturen des Abgases Ammoniak freigesetzt. Stromabwärts der Reduktionsmitteldosiereinheit 21 ist ein erster SCR-Katalysator 22 angeordnet. Weitere SCR-Katalysatoren können stromabwärts des ersten SCR-Katalysators 22 angeordnet werden. Ein erster NOx-Sensor 31 ist stromaufwärts der Reduktionsmitteldosiereinheit 21 und stromabwärts einer Verbrennungskraftmaschine 10 im Abgasstrang 11 angeordnet. Der erste NOx-Sensor 31 misst dabei ein erstes NOx-Signal x_sens,US, vorzugsweise als NOx-Konzentration oder als ein NOx-Massenstrom. Ein zweiter NOx-Sensor 32 ist stromabwärts des ersten SCR-Katalysators 22 angeordnet und misst dabei ein zweites NOx-Signal x_sens,DS'. Alle NOx-Sensoren 31, 32 geben ihre Signale an ein elektronisches Steuergerät 100 weiter. Da die NOx-Sensoren 31, 32 neben Stickoxiden weiterhin querempfindlich auf Ammoniak reagieren, handelt es sich bei ihren Signalen um Summensignale von Stickoxiden und Ammoniak. Der erste NOx-Sensor 31 ist allerdings stromaufwärts der Reduktionsmitteldosiereinheit 21 angeordnet, so dass er zuverlässig nur die Stickoxidmenge im Abgas misst. Die Reduktionsmitteldosiereinheit 21 meldet die in den Abgasstrang 11 eindosierte Ammoniakmenge ebenfalls an das Steuergerät 100 weiter.
• Auf dem Steuergerät 100 wird weiterhin ein Effizienzmodell ${\eta }_{NOx}^{mdl}$

  

  berechnet, welches eine NOx-Konvertierungsrate bzw. eine Effizienz für den ersten SCR-Katalysator bei der Umsetzung von Stickoxiden ermittelt und einer auf dem Steuergerät 100 gespeichert Dosierstrategie für Harnstoffwasserlösung zur Verfügung stellt.
• Das Effizienzmodell ${\eta }_{NOx}^{mdl}$

  

  kann dabei als ein reaktionskinetisches Modell oder als ein Kennfeld ausgestaltet sein, wobei das Effizienzmodell in bekannter Weise in Abhängigkeit einer Temperatur für den ersten SCR-Katalysator 22, einer Harnstoff Dosiermenge, einem Abgasmassenstrom und dem ersten NOx-Signal stromaufwärts des SCR-Katalysators 22 ermittelt wird.
• Das Verfahren ist besonders Vorteilhaft für Verbrennungskraftmaschinen mit einem Diesel- oder Benzinmotoren. Das zweite NOx-Signal x_sens,_DS des stromabwärts des SCR-Katalysators 22 angeordneten NOx-Sensors 32 lässt sich aufgrund der Querempfindlichkeit für Stickoxid und Ammoniak wie folgt darstellen: $$x_{sens,DS}\left(t\right)=x_{NOx,DS}\left(t\right)+\alpha \cdot x_{NH\mathrm{3,}DS}\left(t\right).$$

  
• Mit x_sens,DS(t) dem zweiten NOx-Signal, x_NOx,DS(t) einer NOx-Konzentration, x_NH3,DS(t) einer NH3-Konzentration zum Zeitpunkt t und α einem Proportionalitätsfaktor für die Ammoniak-Querempfindlichkeit. Die Größe x_i stellt dabei einen Molenbruch bzw. den Volumenanteil der betrachteten Spezies i des Abgases dar. Der Proportionalitätsfaktor ist vorzugsweise abhängig von physikalischen Größen, wie z. B. einem Sauerstoffpartialdruck oder einer Abgastemperatur abhängig ist.
• Die stetige Funktion Gleichung (1), also x_sens,DS(t) lässt sich in einem Intervall [t,t + Δ_t] als Potenzreihe (Taylorreihe) entwickeln: $$x_{sens,DS}\left(t+{\Delta }_t\right)={\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }\frac{x_{sens,DS}^{\left(n\right)}\left(t\right)}{n!}}{\left({\Delta }_t\right)}^n$$

  
• Mit $x_{sens}^{\left(n\right)}\left(t\right)$

  

  der n-ten Ableitung des zweiten NOx-Signals x_sens,DS. In diesem Zusammenhang wird ersichtlich, dass die Funktion im Intervall auch stetige Ableitungen voraussetzt. Ferner kann die Gleichung (2) mit der Laufzahl n → ∞ nur als formal gesehen werden und muss in der Anwendung für reale Systeme bis zu einer endlichen Ordnung n - 1 approximiert werden. In der betrachteten Funktionalität ergibt sich die Reihe in der 1.Ordnung zu: $$x_{sens,DS}\left(t+{\Delta }_t\right)=x_{sens,DS}\left(t\right)+\left(\frac{\partial x_{sens,DS}\left(t\right)}{\partial t}\right){\Delta }_t+0\left({\Delta }_t^2\right)$$

  

  $0\left({\Delta }_{\text{t}}^2\right)$

  

  ist dabei der Fehlerfaktor, welcher in sich in einer Größenordnung von ${\Delta }_{\text{t}}^2$

  

  bewegt bzw. wächst und $\frac{\partial {\text{x}}_{\text{sens}\text{,DS}}\left(\text{t}\right)}{\partial \text{t}}$

  

  der ersten zeitlichen Ableitung des stromabwärts des SCR-Katalysators 22 angeordneten NOx-Sensors 32, also des zweiten NOx-Signals x_sens,DS. D.h. die Gleichung kann weiter vereinfacht werden zu: $$x_{sens,DS}\left(t+{\Delta }_t\right)\approx x_{sens,DS}\left(t\right)+\left(\frac{\partial x_{sens,DS}\left(t\right)}{\partial t}\right){\Delta }_t$$

  
• Da sich das zweite NOx-Signal x_Sens,DS aufgrund der Querempfindlichkeiten als Summensignal aus NOx- und NH3-Anteilen ergibt, ergibt sich mit Gleichungen (4) und Gleichung (1) folgende Beziehung: $$\begin{array}{l}{x}_{sens,DS}\left(t+{\mathrm{\Delta }}_t\right)=x_{sens,DS}\left(t\right)+\\ \left[\left(\frac{\partial x_{NOx,DS}\left(t\right)}{\partial t}\right)+\alpha \left(\frac{\partial x_{NH\mathrm{3,}DS}\left(t\right)}{\partial t}\right)+x_{NH\mathrm{3,}DS}\left(t\right)\underset{\approx 0}{\underbrace{\left(\frac{\partial \alpha }{\partial t}\right)}}\right]{\mathrm{\Delta }}_t\end{array}$$

  
• Die zeitliche Änderung des Proportionalitätsfaktor α ist mit ${\mathrm{\Delta }}_{\text{t}}=\mathcal{O}\left(20\text{ms}\right),$

  

  oder mit einer schnelleren Abtastrate, annährend infinitesimal und kann daher vernachlässigt werden.
• In Anlehnung an die Gleichung (4) kann das geschätzte NH3-Signal $x_{NH3}^{est}$

  

  stromabwärts des SCR-Katalysators 22 bzw. die Zielgröße als Taylorreihe 1. Ordnung approximiert werden: $$x_{NH3}^{est}\left(t+{\mathrm{\Delta }}_t\right)=x_{NH3}^{est}\left(t\right)+\left(\frac{\partial x_{NH3}^{est}\left(t\right)}{\partial t}\right){\mathrm{\Delta }}_t$$

  
• Mit $x_{NH3}^{est}$

  

  dem geschätzten NH3-Signal stromabwärts des SCR-Katalysators 22 und der entsprechenden ersten Ableitung.
• Mit der Annahme, dass die n-te Ableitung des geschätzten NH3-Signals ${\text{x}}_{\text{NH3}}^{\text{est}\text{,}\left(\text{n}\right)}$

  

  per Definition gleich der n-ten Ableitung des gemessenen NH3-Signals ${\text{x}}_{\text{NH3}}^{\left(\text{n}\right)}$

  

  ist, kann mit Gleichung (5), die Berechnungsvorschrift für das geschätzte NH3-Signal $x_{NH3}^{est}$

  

  stromabwärts des SCR-Katalysators 22 zum Zeitpunkt t + Δ_t ermittelt werden: $$x_{NH3}^{est}\left(t+{\mathrm{\Delta }}_t\right)=x_{NH3}^{est}\left(t\right)+\frac{1}{\alpha }\left[\left(\frac{\mathrm{\Delta }{x}_{sens,DS}}{{\mathrm{\Delta }}_t}\right)-\left(\frac{\partial x_{NOx,DS\left(t\right)}}{\partial t}\right)\right]{\mathrm{\Delta }}_t,$$

  

  dabei wurde mit Δx_sens,DS = x_sens,DS(t + Δ_t) - x_sens,DS(t) gekürzt.
• Zur Bestimmung des geschätzten NH3-Signals $x_{NH3}^{est}$

  

  stromabwärts des SCR-Katalysators 22 wird noch die zeitliche Änderung des zweiten NOx-Signals x_NOx,DS approximiert. Die zeitliche Änderung des zweiten NOx-Signals x_NOx,DS kann in Abhängigkeit des ersten NOx-Signals x_NOx,Us und mit Hilfe des Effizienzmodells ${\mathrm{\eta }}_{\text{NOx}}^{\text{mdl}}$

  

  für den SCR-Katalysator 22 wie folgt approximiert werden: $$\frac{\partial x_{NOx,DS}\left(t\right)}{\partial t}\approx \frac{\partial }{\partial t}\left(x_{NOx}^{us}\left(t\right)\cdot \left(1-{\eta }_{NOx}^{mdl}\left(t\right)\right)\right)$$

  
• Mit x_NOx,DS(t) dem zweiten NOx-Signal, x_NOx,US(t) dem ersten NOx-Signal und einer modellierten NOx-Konvertierungsrate ${\eta }_{NOx}^{mdl}\left(t\right)$

  

  aus dem Effizienzmodell des SCR-Katalysators 22 zum Zeitpunkt t.
• Systembedingt wird das erste NOx-Signal $x_{NOx}^{us}$

  

  nicht durch NH3 beaufschlagt bzw. verfälscht, da der erste NOx-Sensor 31 stromaufwärts der Reduktionsmitteldosiereinheit 21 angeordnet ist.
• Die geschätzte Ammoniakkonzentration $x_{NH3}^{est}$

  

  kann nun auf Basis eines Startwertes zum Zeitpunkt t durch folgende Gleichung ermittelt werden: $$\begin{array}{l}{x}_{NH3}^{est}\left(t\right)=x_{NH3}^{est}\left(t-\Delta t\right)+\frac{1}{\alpha }[\left(\frac{\Delta x_{sens,DS}}{{\Delta }_t}\right)-((1-{\eta }_{NOx}^{mdl}(t-\\ {\Delta }_t))\frac{\partial x_{NOx}^{us}\left(t-\Delta t\right)}{\partial t}-x_{NOx}^{us}\left(t-{\Delta }_t\right)\frac{\partial x_{NOx}^{us}\left(t-\Delta t\right)}{\partial t})]{\Delta }_t\end{array}$$

  

  mit $x_{NH3}^{est}$

  

  der geschätzten Ammoniakkonzentration, α dem Proportionalitätsfaktor, der ersten zeitlichen Ableitung des ersten NOx-Signals $x_{NOx}^{us},$

  

  der ersten zeitlichen Ableitung der modellierten NOx-Konvertierungsrate ${\eta }_{NOx}^{mdl}$

  

  des SCR-Katalysators 22 und Δx_sens,DS = x_sens,DS(t) - x_sens,DS(t - Δ_t).
• In einer besonderen Ausgestaltung kann die Abschätzung der Ammoniakkonzentration besonders robust bei definierten Anfangsbedingungen durchgeführt werden:
• Eine bevorzugte Anfangsbedingung ist z. B. ein Kaltstart für die Verbrennungskraftmaschine 10, wobei in diesem Betriebszustand kaum Ammoniakanteile stromabwärts des SCR-Katalysators 22, also im zweiten NOX-Signal x_sens,_DS vorhanden sind, so dass die geschätzte Ammoniakkonzentration $x_{NH3}^{est}\left(t_{start}\right)$
  
  zum Startzeitpunkt gleich Null angenommen werden kann.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung liegt die Anfangsbedingung in einem Schubbetrieb des Verbrennungskraftmaschine 10 vor. In einem Schubbetrieb werden kaum bzw. sehr geringe NOx-Emissionen von der Verbrennungskraftmaschine 10 produziert, so dass sich das zweite NOx-Signal x_sens,DS näherungsweise zu $x_{sens,DS}=\alpha \cdot x_{NH3}^{est}$

  

  ergibt. Die benötigten Ableitungen können numerisch als Differenzenquotienten approximiert werden. D.h. es geht um Anfangsbedingungen für das Verfahren, in denen jeweils ein Signalanteil, d.h. also entweder der Ammoniak-Signalanteil $\alpha \cdot x_{NH3}^{est}$

  

  oder der NOx-Signalanteil x_NOx,DS zu einem Startzeitpunkt nahezu Null oder kaum vorhanden ist.
• Da bei dieser Methodik Messfehler direkten Einfluss nehmen, ist es ggf. notwendig die betrachteten Messsignale zu filtern (z.B. mit einem gleitenden Mittelwert etc.). Eine weitere Möglichkeit besteht in der Polynominterpolation oder durch polynominale Ausgleichsregressionen der entsprechenden Signale. Letzteres hätte den Vorteil, dass durch die Polynome und deren Koeffizienten die Ableitungen nicht numerisch approximiert werden müssten.
• In der 2 ist der beispielhafte Ablauf des Verfahren zum Abschätzen einer Ammoniakkonzentration $x_{NH3}^{est}$

  

  stromabwärts mindestens eines in einem Abgasstrang (11) angeordneten SCR-Katalysators 22 in einem SCR-System 20 einer Verbrennungskraftmaschine 10 anhand eines Ablaufdiagramms gezeigt.
• In einem ersten Schritt 200 wird eine Freigabe für das Verfahren durch das Steuergerät 100 erteilt, wenn eine vorgebbare Betriebsbedingung für die Verbrennungskraftmaschine 10 erkannt wird.
• Zusätzlich wird mit der Erteilung der Freigabe oder mit dem Erkennen des vorgebbaren Betriebszustand ein Startzeitpunkt t₀ erkannt und im Steuergerät 100 abgespeichert. Dieser Startzeitpunkt t₀ dient somit als Ausgangspunkt für die Berechnung der geschätzten Ammoniakkonzentration $x_{NH3}^{est}.$

  
• In einer ersten Ausgestaltung wird, wenn für die Verbrennungskraftmaschine 10 einen Betriebszustand erkannt, bei dem entweder kein, oder vorzugsweise kaum, Ammoniakschlupf nach dem mindestens einen SCR-Katalysator (22) am zweiten NOx-Sensor (32) vorliegt die Freigabe für das Verfahren erteilt.
• Das Vorliegen des Betriebszustandes wird dabei vorzugsweise über das zweite NOx-Signal 32 und/oder über die Kombination von Betriebsgrößen der Verbrennungskraftmaschine 10, wie z. B. der Temperatur des SCR-Katalysators 22, dem Füllungsgrad des SCR-Katalysators ermittelt. Vorzugsweise werden die Betriebsgrößen über einen längeren Zeitraum gefiltert und wenn ein vorgebbarer Schwellenwert nicht überschritten wird, die Freigabe für das Verfahren erteilt. Ein solcher Betriebszustand, bei dem kaum oder nur sehr wenig Ammoniak stromabwärts des SCR-Katalysators 22 vorliegt ist z.B. ein Kaltstart für die Verbrennungskraftmaschine 10.
• In einer vorteilhaften zweiten Ausgestaltung kann das Verfahren freigegeben werden, wenn für die Verbrennungskraftmaschine 10 ein Betriebszustand erkannt wird, bei dem nur geringe NOx-Emissionen stromabwärts des SCR-Katalysators 22 vorliegen. Ein derartiger Betriebszustand kann mittels bekannter Betriebsgrößen für die Verbrennungskraftmaschine 10 ermittelt werden, die einen Rückschluss auf die Erzeugung von Stickoxiden zulassen. Vorteilhafterweise sind dies Betriebsgrößen wie die Drehzahl und Last der Verbrennungskraftmaschine, Abgasrückführungsrate, Einspritzmenge, zweite NOx-Signal 32.
• Vorteilhafterweise werden diese Betriebsgrößen über einen längeren Zeitraum gefiltert und wenn ein vorgebbarer Schwellenwert nicht überschritten wird, die Freigabe für das Verfahren erteilt.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung liegt ein solcher Betriebszustand vor, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine 10 in einem Schubbetrieb befindet. Dieser Betriebszustand kann in bekannter Weise über einen Betriebskoordinator der Verbrennungskraftmaschine 10 ermittelt werden.
• Anschließend wird das Verfahren in einem Schritt 210 fortgeführt.
• In einem Schritt 210 wird mit der Erteilung der Freigabe, d.h. vorzugsweise zum definierten Startzeitpunkt t₀, das erste und das zweite NOx-Signal 31,32 sowie das Effizienzmodell ${\eta }_{NOx}^{mdl}$

  

  ermittelt und im Steuergerät 100 abgespeichert. Anschließend kann das Verfahren im Schritt 220 fortgesetzt werden.
• In einem Schritt 220 wird zu einem nächsten Zeitschritt t₀ + Δ_t, welcher vorzugsweise mit einem vorgebbaren Abtastraster Δ_t zwischen 1-100 ms durchgeführt wird, erneut das erste und das zweite NOx-Signal (31,32) sowie das Effizienzmodell ${\eta }_{NOx}^{mdl}$

  

  ermittelt und im Steuergerät 100 abgespeichert.
• Der n-te Zeitschritt ergibt sich somit zu t_n = t₀ + n · Δ_t.
• Anschließend wird das Verfahren in einem nächsten Schritt 230 fortgesetzt.
• In einem Schritt 230 kann, da das erste und das zweite NOx-Signal (31,32) sowie die das Effizienzmodell ${\eta }_{NOx}^{mdl}$

  

  zum Zeitpunkt t₀ sowie zum nächsten Zeitpunkt t₁ bekannt sind, mittels der Formel 9 die geschätzte Ammoniakkonzentration $x_{NH3}^{est}\left(t\right)$

  

  zum Zeitpunkt t wie folgt durch das Steuergerät 100 ermittelt werden: $$\begin{array}{l}{x}_{NH3}^{est}\left(t_1\right)=x_{NH3}^{est}\left(t_0\right)+\frac{1}{\alpha }[\left(\frac{\Delta x_{sens,DS}}{{\Delta }_t}\right)-((1-{\eta }_{NOx}^{mdl}\left(t_0\right))\frac{\partial x_{NOx}^{us}\left(t_0\right)}{\partial t}-\\ x_{NOx}^{us}\left(t_0\right)\frac{\partial x_{NOx}^{us}\left(t_0\right)}{\partial t})]{\Delta }_t.\end{array}$$

  
• Das Verfahren kann anschließend in einem Schritt 240 fortgesetzt werden.
• In einem Schritt 240 wird die geschätzte Ammoniakkonzentration $x_{NH3}^{est}\left(t\right)$

  

  zur Adaption der SCR-Strategie verwendet, d.h. es können vorzugsweise Einspritzzeiten, Einspritzmenge der Reduktionsmittellösung verbessert bzw. adaptiert werden.
• Anschließend kann das Verfahren in einem Schritt 210 von vorne begonnen werden, wobei t₀=t₁ für die nächste Abschätzung der Ammoniakkonzentration gesetzt wird. Alternativ kann das Verfahren beendet werden.
• In einer besonderen Ausgestaltung kann, wenn erneut ein vorgebbarer Betriebszustand für die Verbrennungskraftmaschine 10 erkannt wird, vorzugsweise nach dem bereits ein vorgebbarer Betriebszustand zu einem früheren Zeitpunkt erkannt wurde, die Abschätzung der Ammoniakkonzentration $x_{NH3}^{est}\left(t\right)$

  

  basierend auf dem neu erkannten Startzeitpunkt t_neu durchgeführt wird. Da der Fehler beim Abschätzen der Ammoniakkonzentration $x_{NH3}^{est}\left(t\right)$

  

  mit jedem weiteren durchgeführten Zeitschritt, vorzugsweise wie in der Formel 3 definiert, zunimmt, ist es vorteilhaft, den Startzeitpunkt in Abhängigkeit des vorgebbaren Betriebszustands der Verbrennungskraftmaschine 10 neu zu starten. Die Genauigkeit und die Robustheit des Verfahrens kann somit erhöht werden.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102016201602 A1 [0001]
• DE 102014201304 A1 [0002]

Claims (10)

1. Verfahren zum Abschätzen einer Ammoniakkonzentration $\left(x_{NH3}^{est}\right)$

   

   stromabwärts mindestens eines in einem Abgasstrang (11) angeordneten SCR-Katalysators (22) in einem SCR-System (20) einer Verbrennungskraftmaschine (10), welches mindestens eine Reduktionsmitteldosiereinheit (21) stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators (22) aufweist, wobei stromaufwärts des SCR-Katalysators (22) ein erster NOx-Sensor (31) angeordnet ist, welcher ein erstes NOx-Signal (x_Sens,US) ermittelt, wobei stromabwärts des SCR-Katalysators (22) ein zweiter NOx-Sensor (32) angeordnet ist, welcher ein zweites NOx-Signal (x_Sens,DS) ermittelt, wobei eine Freigabe für das Verfahren erteilt wird, wenn ein Betriebszustand für die Verbrennungskraftmaschine (10) erkannt wird, und ausgehend von der erteilten Freigabe ein Startzeitpunkt (t₀) für die Abschätzung der Ammoniakkonzentration $\left(x_{NH3}^{est}\right)$

   

   bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschätzung der Ammoniakkonzentration $\left(x_{NH3}^{est}\right)$

   

   aus dem ersten und zweiten NOx-Signal (x_{sens,US, Xsens,DS}) und einem Effizienzmodell $\left({\eta }_{NOx}^{mdl}\right)$

   

   ermittelt wird und das SCR-System (20) in Abhängigkeit der abgeschätzten Ammoniakkonzentration $\left(x_{NH3}^{est}\right)$

   

   adaptiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgebbare Betriebszustand für die Verbrennungskraftmaschine (10) einem Betriebszustand entspricht, bei dem entweder kein oder vorzugsweise nur ein geringer Ammoniakschlupf nach dem mindestens einen SCR-Katalysator (22) vorliegt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgebbare Betriebszustand für die Verbrennungskraftmaschine (10) einem Kaltstart für die Verbrennungskraftmaschine (10) entspricht.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgebbare Betriebszustand für die Verbrennungskraftmaschine (10) einem Betriebszustand entspricht, bei dem nur geringe NOx-Emissionen stromabwärts des mindestens einen SCR-Katalysators (22) vorliegen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass vorgebbare Betriebszustand für die Verbrennungskraftmaschine (10) einem Schubbetrieb für die Verbrennungskraftmaschine (10) entspricht, bei dem stromabwärts des mindestens einen SCR-Katalysators (22) kaum oder vorzugsweise nur geringe NOx-Emissionen vorliegen.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenn erneut ein vorgebbarer Betriebszustand, vorzugsweise nach dem zum Startzeitpunkt (t₀) erkannten Betriebszustand, für die Verbrennungskraftmaschine (10) erkannt wird, die Abschätzung der Ammoniakkonzentration $\left(x_{NH3}^{est}\right)$

   

   ausgehend von einem neuen Startzeitpunkt (t_neu) durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschätzung der Ammoniakkonzentration $\left(x_{NH3}^{est}\right)$

   

   stromabwärts mindestens eines in einem Abgasstrang (11) angeordneten SCR-Katalysators (22) in einem SCR-System (20) für eine Verbrennungskraftmaschine (10) nach folgender Formel erfolgt: $$\begin{array}{l}{x}_{NH3}^{est}\left(t\right)=x_{NH3}^{est}\left(t-\Delta t\right)+\frac{1}{\alpha }[\left(\frac{\Delta x_{sens,DS}}{{\Delta }_t}\right)-((1-{\eta }_{NOx}^{mdl}\left(t-{\Delta }_t\right))\frac{\partial x_{NOx}^{us}}{\partial t}-\\ x_{NOx}^{us}\frac{\partial x_{NOx}^{us}}{\partial t})]{\Delta }_t\end{array}$$

   

   wobei $x_{NH3}^{est}\left(t\right)$

   

   die geschätzte Ammoniakkonzentration zum Zeitpunkt t, a ein Proportionalitätsfaktor, $x_{NOx}^{us}$

   

   ein Effizienzmodell für den SCR-Katalysator (22), $x_{NOx}^{us}$

   

   die NOx-Konzentration stromaufwärts des SCR-Katalysators (22) und Δ_t die Schrittweite ist.
8. Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
9. Elektronisches Speichermedium mit einem Computerprogramm nach Anspruch 8.
10. Vorrichtung, insbesondere Steuergerät (100), welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.

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