DE10301603B4 - Verfahren zum Dosieren von Ammoniak oder eines Ammoniak freisetzenden Reagenzmittels in ein Abgas - Google Patents

Verfahren zum Dosieren von Ammoniak oder eines Ammoniak freisetzenden Reagenzmittels in ein Abgas Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Dosieren von Ammoniak oder eines Ammoniak freisetzenden Reagenzmittels (200) in ein Abgas einer Verbrennungsanlage (3), mit einem in einer Abgasleitung (20) angeordneten Oxidationskatalysator (11) und einem stromabwärts nach dem Oxidationskatalysator (11) angeordneten SCR-Katalysator (10), zur Reduktion von Stickoxiden (NO), bei dem eine Menge des Ammoniaks oder des Ammoniak freisetzenden Reagenzmittels (200) abhängig von wenigstens einer Betriebskenngröße des wenigstens einen Katalysators (10, 11) und/oder von wenigstens einer Betriebskenngröße der Verbrennungsanlage (3) dem Abgas zugemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des Ammoniaks oder des Ammoniak freisetzenden Reagenzmittels (200) ausgehend von einer Stickstoffdioxidkonzentration (NO2) in Abgasströmungsrichtung stromabwärts nach dem Oxidationskatalysator (11) bestimmt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dosieren wenigstens eines Reagens in ein Abgas gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
  • Stand der Technik
  • Um eine Emission von Schadstoffen in Abgasen einer Verbrennungsanlage, insbesondere einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, zu verringern, sind in einer Abgasleitung Katalysatoren vorgesehen.
  • Mit den Katalysatoren werden beispielsweise im Abgas enthaltene Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid zu einem Großteil verbrannt. Allerdings verbleiben hier noch schädliche Stickoxide im Abgas und werden der Umgebung zugeführt.
  • Aus der EP 1 024 254 A2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Abgasnachbehandlungssystems bekannt, bei dem vor dem Katalysator ein Reduktionsmittel zugeführt wird und ausgehend von einer Lastgröße und wenigstens einer ersten Betriebskenngröße eine Größe vorgegeben wird, die die Menge an zugeführten Reduktionsmitteln bestimmt. Diese Größe ist abhängig von wenigstens einer weiteren zweiten Betriebskenngröße korrigierbar. Die Korrektur erfolgt hier ausgehend von Kennfeldern, wobei möglichst viele Kennfelder verwendet werden, um eine möglichst genaue Korrektur vornehmen zu können. Die Kennfelder werden beispielsweise auf einem Prüfstand aufgenommen. Mit jedem Kennfeld vergrößert sich der Applikationsaufwand, insbesondere der zeitliche Aufwand. Dies ist besonders nachteilhaft wenn ein Katalysator und/oder die Verbrennungsanlage, beispielsweise die Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs ausgetauscht werden müssen. Weitere gattungsgemäße Verfahren sind aus der EP 1 106 799 A1 und DE 101 00 420 A1 bekannt.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt nun das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zum Dosieren wenigstens eines Reagens in eine Abgasleitung einer Vorrichtung zum Dosieren wenigstens eines Reagens in eine Abgasleitung einer Verbrennungsanlage mit einem Katalysator der gattungsgemäßen Art so weiterzubilden, daß die Erstellung von Kennfeldern, die für eine Korrektur der Menge des wenigstens einen Reagens verwendet werden, mit geringem Applikationsaufwand, insbesondere mit geringem Zeitaufwand möglich ist, so daß die Kennfelder auch bei einem Austausch des Katalysators und/oder der Verbrennungsanlage mit geringem technischen Aufwand veränderbar sind.
  • Die Menge des wenigstens einen Reagens, insbesondere eines Reduktionsmittels, soll dabei abhängig von wenigstens einer Betriebskenngröße des Katalysators bzw. einer Betriebskenngröße der Verbrennungsanlage dem Abgas zugemessen werden, wobei bei jedem durch die jeweilige Betriebskenngröße charakterisierten Betriebszustand des Katalysators beispielsweise bei unterschiedlichen Temperaturen und/oder der Verbrennungsanlage bei Brennkraftmaschinen, insbesondere bei unterschiedlichen Drehzahlen, Kraftstoffeinspritzmengen oder dergleichen, immer eine optimale Dosierung wenigstens eines Regagens möglich sein soll.
  • Die Erfindung löst das Problem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, daß die Menge des wenigstens einen Reagens ausgehend von der Stickstoffdioxidkonzentration im Abgas, insbesondere in Abgasströmungsrichtung betrachtet hinter dem Oxidationskatalysator, bestimmt wird. Die Verwendung des Stickstoffdioxidmassenstroms als eine Führungsgröße hat den Vorteil, daß eine deutliche Verbesserung der Dosiergenauigkeit erreicht wird, denn die Stickstoffdioxidkonzentration in Abgasströmungsrichtung hinter dem Oxidationskatalysator ist für die Bestimmung der Reduktionsmittelmenge maßgebend und nicht die Gesamtkonzentration an Stickoxiden im Abgas. Insbesondere bei niedrigen Abgastemperaturen ist die Stickstoffdioxidmenge für den Stickoxidumsatz und somit für den Reduktionsmittelbedarf maßgebend.
  • Die Stickstoffdioxidkonzentration kann bei einer vorteilhaften Ausführungsform auf Basis der wenigstens einen Betriebskenngröße des Katalysators und/oder auf Basis der wenigstens einen Betriebskenngröße der Verbrennungsanlage ermittelt werden.
  • Bei einer anderen sehr vorteilhaften Ausführungsform wird die Stickstoffdioxidkonzentration aus einem Stickstoffdioxid-Kennfeld ausgehend von der wenigstens einen Betriebskenngröße des Katalysators und/oder ausgehend von der wenigstens einen Betriebskenngröße der Verbrennungsanlage entnommen.
  • Von Vorteil ist hierbei, daß lediglich ein Kennfeld, nämlich ein Stickstoffdioxidkennfeld benötigt wird, in dem die Menge an Stickstoffdioxid in Abgasströmungsrichtung betrachtet hinter dem Oxidationskatalysator als Funktion von Betriebskenngrößen des Katalysators, insbesondere der Temperatur des Abgases, und/oder von Betriebskenngrößen der Verbrennungsanlage, insbesondere als Funktion einer Motordrehzahl, einer Kraftstoffeinspritzmenge einer Brennkraftmaschine, hinterlegt ist.
  • Vorteilhafterweise wird das Stickstoffdioxidkennfeld aus einem Stickoxidkennfeld der Verbrennungsanlage und einem Konvertierungskennfeld des Oxidationskatalysators ermittelt. Das Stickoxidkennfeld bzw. das Konvertierungskennfeld sind charakteristisch für jede Verbrennungsanlage bzw. jeden Oxidationskatalysator, und beispielsweise herstellerseitig auf einem Prüfstand separat bestimmbar, so daß bei einem Austausch der Verbrennungsanlage und/oder des Oxidationskatalysators lediglich das jeweilige Kennfeld der ausgetauschten Komponente neu aufgenommen werden muß. Hierdurch wird der Applikationsaufwand deutlich verringert.
  • Um die Genauigkeit der Dosiermenge weiter zu verbessern, wird bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens die Menge des wenigstens einen Reagens mit wenigstens einer der folgenden Betriebskenngrößen korrigiert: der Temperatur des wenigstens einen Katalysators, der Luftfeuchte, der Raumgeschwindigkeit (Volumenstrom) des Abgases insbesondere im wenigstens einen Katalysator, dem Wirkungsgrad des wenigstens einen Katalysators bei einem durch die wenigstens eine Betriebskenngröße charakterisierten Betriebszustand der Verbrennungsanlage, dem Mengenverhältnis von im Abgas enthaltenem NO zu NO2, einer im Katalysator gespeicherten Menge des wenigstens einen Reagens, und/oder einem Korrekturwert der aus einem Vergleich, insbesondere der Differenz, zwischen der stationären Temperatur des Abgases in Strömungsrichtung betrachtet vor oder hinter dem wenigstens einen Katalysator bei einem Betriebszustand der Verbrennungsanlage und der Temperatur des wenigstens einen Katalysators ermittelt wird.
  • Als Reagens wird eine Ammoniak freisetzende Substanz oder Mischung, oder Ammoniak selbst verwendet. Die Menge des benötigten Ammoniaks (NH3) wird stöchiometrisch, gemäß der Formel: NO2 + NO + 2 NH3 ↔ 2 N2 + 3 H2O berechnet.
  • Zeichnung
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung.
  • In der Zeichnung zeigen:
    • 1 schematisch eine Vorrichtung zum Betreiben einer Dosiereinheit in Verbindung mit einer Kombination eines SCR-Katalysators mit einem Oxidationskatalysator,
    • 2 schematisch ein Diagramm zur Erläuterung eines von der Erfindung Gebrauch machenden Verfahrens zur Bestimmung einer Reduktionsmittelmenge aus einem Stickstoffdioxidkennfeld,
    • 3 schematisch ein Diagramm zur Erläuterung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem das Stickstoffdioxidkennfeld aus einem Stickoxidkennfeld bestimmt wird, und
    • 4 schematisch ein Diagramm zur Erläuterung eines dritten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens, bei dem eine bestimmte Reduktionsmittelmenge mit einem Korrekturkennfeld und einer Korrekturkenngröße korrigiert wird.
  • Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
  • Ein in 1 dargestellter SCR-Katalysator 10 und ein diesem vorgeschalteter und mit ihm eine Baueinheit bildender Oxidationskatalysator 11 sind über eine Abgasleitung 20 mit einer Brennkraftmaschine 3 verbunden. Der Oxidationskatalysator 11 ist möglichst nah an der Brennkraftmaschine 3 angeordnet. Bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine 3 ist nicht gereinigtes Abgas von der Brennkraftmaschine 3 in Richtung eines Pfeils 25 (Strömungsrichtung) dem Oxidationskatalysator 11 und dem SCR-Katalysator 10 zuführbar. Im Oxidationskatalysator 11 und im SCR-Katalysator 10 wird das nicht gereinigte Abgas in an sich bekannter Weise gereinigt. Gereinigtes Abgas wird in Richtung eines Pfeils 35 über einen Abgasstrang 30 in Strömungsrichtung hinter dem SCR-Katalysator 10 der Umgebung zugeführt.
  • Das im folgenden zu erläuternde Verfahren und die Vorrichtung sind nicht beschränkt auf den Einsatz in Verbindung mit einer Brennkraftmaschine 3, vielmehr können das Verfahren und die Vorrichtung auch in Verbindung mit einer beliebigen Verbrennungsanlage, beispielsweise einer Heizanlage oder dgl., eingesetzt werden.
  • Über eine Dosierleitung 40 ist ein Reagens, z.B. Ammoniak (NH3) 200 als Reduktionsmittel aus der Dosiereinheit 50 dem Abgas in einem Bereich zwischen dem SCR-Katalysator 10 und dem Oxidationskatalysator 11 zuführbar, um in an sich bekannter Weise eine Reduktion von im nicht gereinigten Abgas enthaltenen Stickoxiden zu erreichen.
  • Rein prinzipiell kann ein weiterer, nicht gezeigter, Oxidationskatalysator zur Vermeidung von NH3-Schlupf vorgesehen sein.
  • Anstatt des Ammoniaks 200 kann auch ein beliebiges anderes, insbesondere Ammoniak freisetzendes Reduktionsmittel oder eine Reduktionsmittelmischung, beispielsweise eine Hamstoff-Wasser-Lösung, dosiert werden.
  • Der Dosiereinheit 50 wiederum ist der Ammoniak 200 mittels einer Ammoniakzuleitung 205 aus einem Behältnis 206 zuführbar. Statt des Behältnisses 206 kann rein prinzipiell auch eine andere Einrichtung zur Zuführung des Ammoniaks 200 vorgesehen sein, beispielsweise eine Aufbereitungseinheit zur Erzeugung des Ammoniaks 200 beispielsweise aus einem ohnehin vorhandenen Betriebsmittel vor Ort.
  • Die Dosiereinheit 50 ist mit einer Steuereinheit 90 über eine Steuerleitung 110 steuerbar. Mit der Steuereinheit 90 ist die Menge des Ammoniaks 200 bestimmbar, vorzugsweise berechenbar.
  • Zur Berechnung der Menge des Ammoniaks 200 wird mit einem Temperatursensor 160 die in Verbindung mit 2 noch zu beschreibende Temperatur 230 des Abgases beispielsweise in Strömungsrichtung betrachtet hinter dem SCR-Katalysator 10 als eine Betriebskenngröße des SCR-Katalysators 10 und des Oxidationskatalysators 11 erfaßt und über eine erste Datenleitung 165 der Steuereinheit 90 übermittelt. Darüber hinaus werden die in Verbindung mit 2 noch zu beschreibende Motordrehzahl 210 und eine Kraftstoffeinspritzmenge 220 als Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine 3 mit einer Sensoreinheit 150 auf an sich bekannte Weise erfaßt und über eine zweite Datenleitung 155 der Steuereinheit 90 übermittelt. Der Einfachheit halber sind hier jeweils nur ein Temperatursensor 160 sowie eine Sensoreinheit 150 und jeweils eine Datenleitung 155 und 165 dargestellt. Rein prinzipiell können jedoch eine Vielzahl von unterschiedlichen Sensoren zur Bestimmung unterschiedlicher Betriebskenngrößen des SCR-Katalysators 10 und/oder des Oxidationskatalysators 11 und der Brennkraftmaschine 3 eingesetzt werden, deren Ausgangssignale über entsprechende Steuerleitungen der Steuereinheit 90 zugeführt werden.
  • Bei einem ersten, anhand des in 2 dargestellten Ablaufschemas dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nun die Motordrehzahl 210, die Kraftstoffeinspritzmenge 220 und die Temperatur 230 des Abgases in Strömungsrichtung betrachtet hinter dem SCR-Katalysator 10 einem Stickstoffdioxidkennfeld 250 zugeführt. Aus dem Stickstoffdioxidkennfeld 250 wird daraufhin abhängig von diesen Betriebskenngrößen eine in Strömungsrichtung betrachtet hinter dem Oxidationskatalysator 11 vorliegende Stickstoffdioxid-Menge 260 entnommen. Die Stickstoffdioxid-Menge 260 wird einer Recheneinheit 270 übermittelt, mit der daraus eine Ammoniakmenge 280 berechnet wird.
  • Die Berechnung der Ammoniakmenge 280 erfolgt nach der Formel: NO2 + NO + 2 NH3 ↔ 2 N2 + 3 H2O. (1)
  • Bei umfänglichen Tests hat sich herausgestellt, daß hierbei ein Verhältnis von NO zu NO2 von 1:1 zu einer optimalen Reduktion der Stickoxide führt.
  • Bei einem zweiten in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind diejenigen Elemente, die mit denen des ersten Ausführungsbeispiels in 2 identisch sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, so daß bezüglich deren Beschreibung auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel in 2 vollinhaltlich Bezug genommen wird. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten dadurch, daß die Motordrehzahl 210, die Kraftstoffeinspritzmenge 220 und die Temperatur 230 des Abgases in Strömungsrichtung betrachtet hinter dem SCR-Katalysator 10 nicht direkt dem Stickstoffdioxidkennfeld 250 zugeführt werden, sondern daß ein Stickoxidkennfeld 310 der Brennkraftmaschine 3 und ein Konvertierungskennfeld 320 des in Verbindung mit 1 beschriebenen Oxidationskatalysators 11 zwischengeschaltet sind. Ein Ausgangswert des Konvertierungskennfeldes 320 wird dann dem Stickstoffdioxidkennfeld 250 übermittelt. Die Motordrehzahl 210 und die Kraftstoffeinspritzmenge 220 werden hierbei zu Beginn dem Stickoxidkennfeld 310 zugeführt, aus dem die Menge 315 an Stickoxid ermittelt wird. Die Menge 315 an Stickoxid und die Temperatur 230 des Abgases in Strömungsrichtung betrachtet hinter dem SCR-Katalysator 10 werden dann dem Konvertierungsfeld 320 übermittelt.
  • Bei einem dritten in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind diejenigen Elemente, die mit denen des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels (2 bzw. 3) identisch sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, so daß bezüglich deren Beschreibung auf die Ausführungen zum ersten bzw. zweiten Ausführungsbeispiel in 2 bzw. 3 vollinhaltlich Bezug genommen wird. Bei dem in 4 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel wird die Ammoniakmenge 280 mit einem weiteren, beispielsweise herstellerseitig vorgegebenen Korrekturkennfeld 410 korrigiert. Hierzu werden dem weiteren Korrekturkennfeld 410, weiter unten aufzuzählende Zustandskenngrößen 460 und 470 als Eingangsgrößen übermittelt und die Ammoniakmenge 280 mit der Ausgangsgröße des Korrekturkennfeldes 410 zu einer ersten korrigierten Ammoniakmenge 430 korrigiert. Hierzu wird die Ammoniakmenge 280 beispielsweise bei einer Abweichung der Ammoniakmenge 280 von einem beispielsweise herstellerseitig vorgegebenen Sollwert mit einem aus dem Korrekturkennfeld 410 entnommenen Wert, der zwischen 0 und 1 liegt, multipliziert.
  • Für eine weitere Korrektur der ersten korrigierten Ammoniakmenge 430 wird anschließend die Temperatur 420 des SCR-Katalysators 10 als Korrekturkenngröße herangezogen. Bei einer Abweichung der Temperatur 420 des SCR-Katalysators 10 von einem weiteren, beispielsweise herstellerseitig vorgegebenen Sollwert, wird ein von der Abweichung abhängiger Korrekturwert zu der ersten korrigierten Ammoniakmenge 430 hinzu addiert bzw. von dieser subtrahiert. Das Ergebnis wird als eine zweite korrigierte, zu dosierende Ammoniakmenge 440 an die Dosiereinheit 50 übermittelt.
  • Rein prinzipiell können alternativ oder zusätzlich zu der Temperatur 420 des SCR-Katalysators 10 wenigstens eine der folgenden Korrekturkenngrößen, die auch als Zustandskenngrößen 460 und 470 eingesetzt werden, verwendet werden: die Temperatur des Oxidationskatalysators 11, die Luftfeuchte, die Raumgeschwindigkeit des Abgases, insbesondere im SCR-Katalysator 10 und/oder im Oxidationskatalysator 11, der Wirkungsgrad des SCR-Katalysators 10 und/oder des Oxidationskatalysators 11 bei einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 3, das Mengenverhältnis von im Abgas enthaltenem Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid, eine im SCR-Katalysator 10 und/oder im Oxidationskatalysator 11 gespeicherte Menge an Ammoniak 200, und/oder ein Korrektur-Vergleichswert, insbesondere die Differenz zwischen der stationären Temperatur des Abgases in Strömungsrichtung betrachtet vor oder hinter dem SCR-Katalysator 10 bei einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 3 und der Temperatur 420 des SCR-Katalysators 10 bzw. des Oxidationskatalysators 11.
  • Statt der beiden Zustandskenngrößen 460 und 470 können auch nur eine oder auch mehr als zwei Zustandskenngrößen vorgesehen sein.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Dosieren von Ammoniak oder eines Ammoniak freisetzenden Reagenzmittels (200) in ein Abgas einer Verbrennungsanlage (3), mit einem in einer Abgasleitung (20) angeordneten Oxidationskatalysator (11) und einem stromabwärts nach dem Oxidationskatalysator (11) angeordneten SCR-Katalysator (10), zur Reduktion von Stickoxiden (NOx), bei dem eine Menge des Ammoniaks oder des Ammoniak freisetzenden Reagenzmittels (200) abhängig von wenigstens einer Betriebskenngröße des wenigstens einen Katalysators (10, 11) und/oder von wenigstens einer Betriebskenngröße der Verbrennungsanlage (3) dem Abgas zugemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des Ammoniaks oder des Ammoniak freisetzenden Reagenzmittels (200) ausgehend von einer Stickstoffdioxidkonzentration (NO2) in Abgasströmungsrichtung stromabwärts nach dem Oxidationskatalysator (11) bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stickstoffdioxidkonzentration (NO2) auf Basis der wenigstens einen Betriebskenngröße des wenigstens einen Katalysators (10, 11) und/oder auf Basis der wenigstens einen Betriebskenngröße der Verbrennungsanlage (3) ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stickstoffdioxidkonzentration (NO2) aus einem Stickstoffdioxid-Kennfeld (250), ausgehend von der wenigstens einen Betriebskenngröße des wenigstens einen Katalysators (10, 11) und/oder ausgehend von der wenigstens einen Betriebskenngröße der Verbrennungsanlage (3) entnommen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stickstoffdioxid-Kennfeld (250) aus einem Stickoxid-Kennfeld (310) der Verbrennungsanlage (3) und einem Konvertierungskennfeld (320) des Oxidationskatalysators (11) ermittelt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Ammoniak(NH3)-Menge auf der Basis folgender Reaktionsgleichung erfolgt: NO2 + NO + 2 NH3 ↔ 2 N2 + 3 H2O.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des Ammoniaks oder des Ammoniak freisetzenden Reagenzmittels (200) mit wenigstens einer der folgenden Korrekturkenngrößen korrigiert wird: Der Temperatur des wenigstens einen Katalysators (10, 11), der Luftfeuchte, der Raumgeschwindigkeit des Abgases insbesondere in dem wenigstens einen Katalysator (10, 11), dem Wirkungsgrad des wenigstens einen Katalysators (10, 11) bei einem durch die wenigstens eine Betriebskenngröße charakterisierten Betriebszustand der Verbrennungsanlage (3), dem Mengenverhältnis von im Abgas enthaltenem NO zu NO2, einer im wenigstens einen Katalysator (10, 11) gespeicherten Menge des Ammoniaks oder des Ammoniak freisetzenden Reagenzmittels (200), und/oder einem Korrekturwert, der aus einem Vergleich, insbesondere der Differenz, zwischen der stationären Temperatur des Abgases in Abgasströmungsrichtung betrachtet stromaufwärts vor oder stromabwärts nach dem wenigstens einen Katalysator (10, 11) bei einem Betriebszustand der Verbrennungsanlage (3) und der Temperatur des wenigstens einen Katalysators (10, 11) ermittelt wird.
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