DE19843960A1

DE19843960A1 - Verfahren und Vorrichtung zur katalytischen Verringerung des Schadstoffgehalts im Abgas einer Verbrennungsanlage

Info

Publication number: DE19843960A1
Application number: DE19843960A
Authority: DE
Inventors: Ronald Neufert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-09-24
Filing date: 1998-09-24
Publication date: 2000-03-30
Also published as: WO2000017499A1

Abstract

Bei geregelten Dieselkatalysatoren besteht das Problem des Reaktionsmittelschlupfes. Die Erfindung sieht vor, die Dosierung (S10) des Reaktionsmittels (10) mittels eines funktionalen Zusammenhangs an betriebsrelevante Parameter der Verbrennungsanlage zu koppeln (S2, S8), den funktionalen Zusammenhang mittels Schadstoffmessung durch Autoadaption zu korrigieren (S4, S5, S7) und das Reaktionsmittel (10) bezogen auf den berechneten Schadstoffgehalt des Abgases (6) unterstöchiometrisch zu dosieren (S9). Auf diese Weise wird ein Reaktionsmittelschlupf vermieden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur katalyti schen Verringerung des Schadstoffgehalts im Abgas einer Ver brennungsanlage, bei dem ein Reaktionsmittel dem Abgas zuge geben und an einem Katalysator mit dem Schadstoff umgesetzt wird. Mittels eines funktionalen Zusammenhangs wird aus be triebsrelevanten Parametern der Verbrennungsanlage die pro Zeit von der Verbrennungsanlage emittierte Schadstoffmenge und hieraus die Zugabemenge des Reaktionsmittels berechnet. Zusätzlich wird der funktionale Zusammenhang überprüft und entsprechend korrigiert.

Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur katalytischen Entfernung eines Schadstoffes im Abgas einer Verbrennungsanlage mit einem vom Abgas durchströmbaren Kata lysator zur Umsetzung eines Reaktionsmittels mit dem Schad stoff, einer Dosierungsvorrichtung zur Einbringung des Reak tionsmittels in das Abgas und mit einer Kontrolleinheit zur Steuerung des Reaktionsmitteldurchsatzes in der Dosierungs vorrichtung. Die Kontrolleinheit ist dafür ausgelegt, die pro Zeiteinheit von der Verbrennungsanlage emittierten Schad stoffmenge aus betriebsrelevanten Parametern der Verbren nungsanlage mittels eines funktionalen Zusammenhangs zu be rechnen. Ferner ist die Kontrolleinheit für die Überprüfung und die Korrektur des funktionalen Zusammenhangs ausgelegt.

Unter einem funktionalen Zusammenhang wird eine mathematische Funktion verstanden, die einem Zustand, der durch eine oder mehrere Variable festgelegt ist, einen Wert zuordnet. Der funktionale Zusammenhang kann insbesondere die Form einer Kennlinie oder eines mehrdimensionalen Kennfeldes haben.

Der Einsatz fossiler Energieträger in Verbrennungsanlagen, insbesondere in Verbrennungsmotoren zur Traktion eines Kraft fahrzeugs, wirft aufgrund des Schadstoffgehalts im Abgas große Probleme in Gebieten mit hohen Fahrzeugdichten, also vor allem in den Industriestaaten, auf. Zur Verminderung der Schadstoffe im Abgas von Ottomotoren sind edelmetallhaltige Katalysatoren bekannt, an denen Kohlenwasserstoffe und Koh lenmonoxid mit Stickoxiden und Restsauerstoff zu Kohlendi oxid, Stickstoff und Wasser umgewandelt werden. Zur Verringe rung des Schadstoffausstoßes von Dieselmotoren wird derzeit vielerorts an der Entwicklung eines geregelten Dieselkataly sators gearbeitet. Mit ihm soll es möglich sein, den Stickoxidgehalt im Abgas von Dieselmotoren erheblich zu sen ken. Bevorzugt wird ein sogenannter DeNOx-Katalysator einge setzt, welcher die im Abgas enthaltenen Stickoxide mit einem geeigneten Reaktionsmittel, meist Ammoniak, nach dem Verfah ren der Selektiven Katalytischen Reduktion (SCR) zu umwelt freundlichem Stickstoff und Wasser umsetzt. Hierbei wird das Reaktionsmittel oder eine Vorstufe des Reaktionsmittels in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Katalysator in das Ab gas eingebracht und tritt dann in vorzugsweise homogener Ver mischung mit den im Abgas enthaltenen Stickoxiden in den Ka talysator ein.

Verbrennungsanlagen zur Traktion von Fahrzeugen werden mit variabler Last und Drehzahl betrieben. Das bedeutet, daß die pro Zeiteinheit erzeugten Stickoxidmengen und die Abgas massenströme und -temperaturen großen Schwankungen unterlie gen. Es ist derzeit keine Lösung bekannt, die pro Zeiteinheit in das Abgas einzubringende Reaktionsmittelmenge in einer Weise einzustellen, daß unabhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors hohe Abscheideraten für die Stickoxide er reicht werden bei gleichzeitig verschwindendem Ausstoß des Reaktionsmittels in die Umwelt. Erschwerend kommt hinzu, daß ein Reaktionsmittel wie Ammoniak giftig ist und bereits bei Konzentrationen von nur wenigen ppm eine erhebliche Geruchs belästigung für den Menschen darstellt. Aus diesem Grund ist der Ausstoß von Ammoniak in die Umwelt, der sogenannte Reak tionsmittelschlupf, unbedingt zu vermeiden.

Aus der DE 43 15 278 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die pro Zeiteinheit in das Abgas eingebrachte Reaktionsmit telmenge in Abhängigkeit von betriebsrelevanten Parametern des Motors, des Katalysators und des Abgases eingestellt wird. In einer zum Katalysator zugehörigen Kontrolleinheit ist ein funktionaler Zusammenhang in Form eines Kennfelds ab gespeichert, mit dessen Hilfe aus den betriebsrelevanten Pa rametern der Stickoxidausstoß des Motors und die pro Zeitein heit einzudüsende Menge des Reaktionsmittels berechnet wird. Bei diesem Verfahren bleibt jedoch unberücksichtigt, daß die tatsächlich vom Motor erzeugte Stickoxidmenge z. B. aufgrund von Alterungserscheinungen oder sonstigen Langzeiteffekten von der mittels Kennfeld berechneten Menge abweichen kann. Es ist daher bei diesem Verfahren nicht gewährleistet, daß ein Reaktionsmittelschlupf ausgeschlossen ist.

In der DE 195 36 571 A1 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem ein Kennfeld laufend korrigiert wird. Ein Sensor mißt un ter geeigneten Bedingungen die Schadstoffkonzentration im Ab gas des Verbrennungsmotors und vergleicht diese mit einem Wert, der mittels des Kennfelds aus den betriebsrelevanten Parametern errechnet wurde. Bei einer Abweichung des errech neten vom gemessenen Wert jenseits einer Toleranzgrenze wird eine Korrektur des Kennfelds vorgenommen. Die vom Verbren nungsmotor erzeugte Stickoxidmenge und die zu deren Abbau be nötigte Reaktionsmittelmenge unterliegen jedoch so schnellen und starken Schwankungen und sind von so vielen Parametern abhängig, daß auch mit diesem Verfahren ein Reaktionsmittel schlupf nicht sicher vermieden wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrich tung zur katalytischen Verringerung des Schadstoffgehalts im Abgas einer Verbrennungsanlage anzugeben, mit dem der Reakti onsmittelschlupf sicher vermieden werden kann.

Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe durch ein Verfah ren gelöst, bei dem

a) ein Reaktionsmittel dem Abgas zugegeben und an einem Kata lysator mit dem Schadstoff umgesetzt wird,
b) mittels eines funktionalen Zusammenhangs aus betriebsrele vanten Parametern der Verbrennungsanlage die pro Zeitein heit von der Verbrennungsanlage emittierte Schadstoffmenge berechnet wird,
c) aus der berechneten Schadstoffmenge die Zugabemenge des Reaktionsmittels berechnet wird,
d) der funktionale Zusammenhang überprüft und entsprechend korrigiert wird,

wobei erfindungsgemäß dem Abgas pro Zeiteinheit eine, bezogen auf die für die Zeiteinheit berechnete Schadstoffmenge, un terstöchiometrische Menge des Reaktionsmittels zudosiert wird.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß ein Re aktionsmittelschlupf dann auftreten kann, wenn eine größere Menge Reaktionsmittel dem Abgas zugegeben wird, als am Kata lysator umgesetzt oder eingespeichert werden kann. Bei einem auf vollständige Umsetzung des Schadstoffes ausgelegten Kata lysator ist das möglich, wenn innerhalb des Katalysators mehr als die stöchiometrische Menge des Reaktionsmittels bezogen auf den Schadstoff vorliegt. Dies kann dadurch geschehen, daß das Reaktionsmittel in überstöchiometrischer Menge dem Abgas zugegeben wurde. Oder es geschieht dadurch, daß im Katalysa tor gespeichertes Reaktionsmittel aufgrund von Parameterände rungen des Katalysators frei wird. Beide Umstände lassen sich wegen der enormen Komplexität der ihnen zugrunde liegenden Ursachen nur äußerst schwer aus Messungen und Berechnungen erkennen. Daher ist es sinnvoll, die Lösung des Problems nicht, wie es bisher getan wurde, im Messen und Berechnen zu suchen, sondern direkt bei der Dosierung des Reaktionsmittels anzusetzen.

In einer weiteren Überlegung geht die Erfindung davon aus, daß nicht unbedingt die vollständige Beseitigung des im Abgas vorliegenden Schadstoffes anzustreben ist, sondern eine deut liche Verminderung des Schadstoffes schon eine wesentliche Verbesserung darstellt. Besonders gilt dies bei der Reduzie rung von Stickoxiden im Abgas von Dieselmotoren in Fahrzeu gen. Bislang entweichen die Abgase von Dieselmotoren in der Regel ohne Stickoxidbeseitigung in die Umwelt. Daher bedeutet eine deutliche Verminderung der Stickoxide im Abgas von Die selmotoren in Fahrzeugen eine erhebliche Entlastung der Um welt. Voraussetzung hierfür ist, daß das seit langem bekannte Problem des Reaktionsmittelschlupfes gelöst wird. Der Erfin dung gelingt beides auf effektive Weise: Die Stickoxide wer den durch die Zudosierung des Reaktionsmittels am Katalysator verringert und ein Reaktionsmittelschlupf wird durch die un terstöchiometrische Dosierung unterbunden.

Die Unterstöchiometrie bezieht sich auf die aus einem funk tionalen Zusammenhang berechnete Schadstoffmenge im Abgas. Sie wirkt einer auf fehlerhafte Berechnung zurückgehende Überdosierung des Reaktionsmittels entgegen. Zur Vermeidung eines Reaktionsmittelschlupfes ist es daher durch die Erfin dung nicht mehr zwingend notwendig, daß die von der Verbren nungsanlage pro Zeiteinheit emittierte Schadstoffmenge genau mit der berechneten Schadstoffmenge übereinstimmt. Das ist insbesondere beim Einbau einer Dosierungsvorrichtung, bei spielsweise in ein Fahrzeug, von Vorteil: Vor der ersten Inbe triebnahme der Dosierungsvorrichtung muß der in der Kontroll einheit der Dosierungsvorrichtung zu speichernde funktionale Zusammenhang nicht an die betreffende Verbrennungsanlage in dividuell angepaßt werden. Es genügt, wenn der funktionale Zusammenhang an die betreffende Serie der Verbrennungsanlage angepaßt wird. Ein zu einer Serie zugehöriger funktionaler Zusammenhang läßt sich leicht beim Hersteller der Verbren nungsanlage ermitteln. Diese Tatsache erleichtert die Ausrü stung von Fahrzeugen mit der Dosierungsvorrichtung ganz er heblich. Insbesondere ist die Nachrüstung bei alten Fahrzeu gen ohne aufwendige Analyse der betriebsrelevanten Parameter des Motors möglich.

Durch die Alterung der Verbrennungsanlage ist es notwendig, den funktionalen Zusammenhang von Zeit zu Zeit zu überprüfen und zu korrigieren. Dies geschieht durch Messung der Schad stoffmenge im Abgas und Vergleich des gemessenen Wertes mit dem aus den betriebsrelevanten Parametern berechneten Wert. Hierzu werden geeignete Bedingungen, wie z. B. stationärer Be trieb, gewählt. Anschließend wird der funktionale Zusammen hang in der Weise korrigiert, daß Meßwert und berechneter Wert innerhalb eines Toleranzbereichs beieinander liegen. Auch dieser Vorgang wird durch die Erfindung erheblich er leichtert: Während es ohne die Erfindung notwendig ist, den funktionalen Zusammenhang laufend, zumindest in kurzen Inter vallen zu überprüfen, um ein eventuelles Auseinanderlaufen von berechneter und tatsächlicher Schadstoffmenge wegen Alte rung oder Funktionsstörung des Motors zu vermeiden, ist dies bei genereller unterstöchiometrischer Dosierung nicht mehr nötig. Durch die unterstöchiometrische Dosierung ist ein ge nügend großer Spielraum vorhanden, der bei fehlerhafter Be rechnung einen Reaktionsmittelschlupf verhindert. Die Korrek tur ist daher nur noch in größeren Zeitintervallen nötig. Sie kann beispielsweise bei gesetzlich vorgeschriebenen Abgasun tersuchungen, bei Routinekontrollen, oder im Falle von Fahr zeugen bei anfallenden Werkstattbesuchen durchgeführt werden. Somit entfällt durch die Erfindung die Notwendigkeit, einen Schadstoffsensor fest in den Abgaskanal einzubauen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird dem Abgas eine gegenüber der berechneten stöchiometrischen Menge um einen Faktor von 0,1 bis 0,8 verringerte Menge des Reakti onsmittels zudosiert. Hierdurch, und insbesondere wenn die zudosierte Menge nur 60% oder weniger von der berechneten stöchiometrischen Menge beträgt, ist gewährleistet, daß auch durch größere Ungenauigkeiten bei der Dosierung des Reakti onsmittels kein Reaktionsmittelschlupf im Abgas entsteht.

Mit Vorteil wird das Abgas hinter dem Katalysator auf Vorhan densein des Reaktionsmittels überprüft. Die Zugabemenge des Reaktionsmittels wird zweckmäßigerweise so eingestellt, daß im wesentlichen kein Reaktionsmittel im Abgas hinter dem Ka talysator vorhanden ist. Durch diese Kontrolle des Reaktions mittelschlupfes wird auch bei einem Defekt des Motors, des Katalysators oder der Dosierungsvorrichtung ein Reaktionsmit telschlupf unterbunden. Ferner kann durch eine Kontrolle ein eventuell entstandener Defekt entdeckt und eine weitere Emis sionen von Reaktionsmittel verhindert werden.

Die Messung des Reaktionsmittelschlupfes wird vorteilhafter weise bei Bedarf mit einem externen Meßgerät durchgeführt. Dies kann ohne großen Aufwand während der gesetzlich vorge schriebenen Abgasuntersuchungen oder bei Fahrzeugen bei einem Aufenthalt in der Werkstatt geschehen. Besonders bei mit der Dosierungsvorrichtung nachgerüsteten Fahrzeugen ist dies zweckmäßig, da auf die Nachrüstung eines auf das Raktions mittel empfindlichen Sensors verzichtet werden kann.

Alternativ kann der Reaktionsmittelschlupf selbstverständlich von einem im Abgaskanal hinter dem Katalysator fest instal lierten Sensor überwacht werden. Bei diesem Verfahren wird ein eventuell durch einen Defekt verursachter Reaktionsmit telschlupf sofort erkannt und kann durch die Korrektur der Dosierung des Reaktionsmittels schnell und selbsttätig korri giert werden.

Das angegebene Verfahren eignet sich insbesondere zur Entfer nung von Stickoxiden gemäß dem Verfahren der Selektiven Kata lytischen Reduktion (SCR). Als ein geeignetes Reaktionsmittel ist hierbei Ammoniak oder eine Ammoniak freisetzende Sub stanz, insbesondere Harnstoff, von Vorteil.

Ferner eignet sich das angegebene Verfahren besonders für den Einsatz zusammen mit einem mit Luftüberschuß betriebenen Ver brennungsmotor zur Traktion eines Kraftfahrzeugs, insbeson dere zusammen mit einem Dieselmotor.

Bezüglich der Vorrichtung wird die Aufgabe durch eine Vor richtung gelöst, die

a) eine Dosierungsvorrichtung zur Einbringung des Reaktions mittels in das Abgas,
b) einen vom Abgas durchströmbaren Katalysator (8) zur Umset zung des Reaktionsmittels mit dem Schadstoff und
c) eine Kontrolleinheit zur Steuerung des Reaktionsmittel durchsatzes in der Dosierungsvorrichtung umfaßt,

wobei die Kontrolleinheit für die Berechnung der pro Zeitein heit von der Verbrennungsanlage emittierten Schadstoffmenge mittels eines funktionalen Zusammenhangs aus betriebsrelevan ten Parametern der Verbrennungsanlage und für die Überprüfung und die Korrektur des funktionalen Zusammenhangs ausgelegt ist, und wobei die Kontrolleinheit erfindungsgemäß für die unterstöchiometrische Dosierung des Reaktionsmittels in Bezug auf den berechneten Schadstoffgehalt ausgelegt ist.

Mit einer auf diese Weise ausgelegten Kontrolleinheit kann die aus der berechneten Schadstoffmenge resultierende stöchiometrische Menge des Reaktionsmittels verringert werden und diese verringerte Menge in das Abgas der Verbrennungsan lage eingegeben werden. Solche unterstöchiometrische Dosie rung führt zur sicheren Vermeidung eines Reaktionsmittel schlupfes.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Kontrolleinheit mit einer Eingabevorrichtung ausgestattet, mit der ein Verringerungsfaktor eingegeben werden kann, der zur Berechnung der gewünschten unterstöchiometrischen Einga bemenge herangezogen wird. Die Unterstöchiometrie bezieht sich auf die berechnete Schadstoffmenge. Diese Eingabevor richtung kann in Form einer Schnittstelle ausgestaltet sein, an die eine externe Steuerungseinheit, beispielsweise eine Steuerungseinheit einer Abgasprüfanlage oder ein Computer an geschlossen werden kann. Diese externe Steuerungseinheit übermittelt der Kontrolleinheit der Dosierungsvorrichtung den gewünschten Verringerungsfaktor. Die Eingabevorrichtung kann jedoch auch in der Form ausgestaltet sein, daß der Verringe rungsfaktor direkt, beispielsweise manuell an der Kontroll einheit der Dosierungsvorrichtung, eingestellt wird.

Ein weiterer Vorteil läßt sich dadurch erreichen, daß die Kontrolleinheit eine Schnittstelle für eine Übertragung von Daten aufweist, die mittels eines Schadstoffsensors und/oder eines Reaktionsmittelsensors gewonnen wurden. Durch eine sol che Schnittstelle können Meßwerte oder die Ergebnisse von Messungen in die Kontrolleinheit der Dosierungsvorrichtung eingegeben werden. Dies ist vorteilhaft beispielsweise für die Durchführung des Verfahrens der Korrektur des Kennfelds anhand von Schadstoffmessungen, die mit einem externen Meßge rät durchgeführt werden. Auch bei der Prüfung des Abgases auf Reaktionsmittelschlupf durch einen externen Sensors ist diese Schnittstelle von Vorteil, da der Verringerungsfaktor dann von der Kontrolleinheit sofort in der Weise eingestellt wer den kann, daß kein Reaktionsmittelschlupf mehr auftritt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von drei Fi guren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Flußdiagramm des Verfahrens, das die Verfahrens schritte der Berechnung des Schadstoffgehalts des Abgases an hand eines Kennfelds, der Korrektur des Kennfeldes und der Berechnung der unterstöchiometrischen Dosierung umfaßt;

Fig. 2 ein Flußdiagramm, das zusätzlich zu den in Fig. 1 dar gestellten Verfahrensschritten die Kontrolle des Reaktions mittelschlupfes umfaßt;

Fig. 3 einen Dieselmotor mit einer nachgeschalteten Vorrich tung zur katalytischen Verringerung des Stickoxidgehalts im Abgas.

Beim Verfahren gemäß Fig. 1 werden in einem Schritt S1 von einer Kontrolleinheit, welche einer Reaktionsmittel-Dosie rungsvorrichtung zugeordnet ist, betriebsrelevante Parameter der Verbrennungsanlage abgefragt. Die Verbrennungsanlage ist ein Dieselmotor eines Kraftfahrzeuges. Die betriebsrelevanten Parameter des Motors stehen in einer eventuell vorhandenen elektronischen Steuerung des Motors oder an entsprechenden Sensoren zur Verfügung. Diese für den Betrieb des Motors re levanten Parameter können beispielsweise Brennstoffverbrauch, Abgasmassenstrom, Abgastemperatur und Luftdurchsatz sein und zusätzlich Drehzahl, Drehmoment und Fahrpedalstellung umfas sen. Aus diesen Parametern wird in einem Verfahrensschritt S2 mittels eines Kennfeldes die vom Motor pro Zeit emittierte Schadstoffmenge berechnet. Das Kennfeld ist vom Hersteller des Motors für die Motorserie ermittelt worden und in der Kontrolleinheit der Dosierungsvorrichtung gespeichert.

In einem dritten Schritt S3 des Verfahrens wird entschieden, ob die Überprüfung des funktionalen Zusammenhangs durchge führt werden soll. Dies geschieht beispielsweise, wenn eine Abgaskontrolle durch eine externe Abgasprüfanlage durchge führt wird und die Steuereinheit der Abgasprüfanlage mit der Kontrolleinheit der Dosierungsvorrichtung verbunden ist. Ist ein Schadstoffsensor fest in den Abgaskanal des Motors einge baut, so wird der Meßwert des Schadstoffsensors, der sich im Abgaskanal vor dem Katalysator befindet, von der Kontrollein heit der Dosierungsvorrichtung von Zeit zu Zeit abgefragt. Die Entscheidung hängt von der Art des Schadstoffsensors ab. Ist der Sensor ein träger Sensor, so geschieht dessen Abfrage in zeitlich größeren Intervallen immer dann, wenn vom Sensor ein verwertbarer Meßwert zu erwarten ist. Ob die Abfrage durchgeführt wird, kann z. B. auch von den betriebsrelevanten Parametern des Motors abhängen. Beispielsweise kann das Zu standekommen eines verwendbaren Meßwerts erfordern, daß län gere Zeit konstante Betriebsbedingungen vorliegen.

Wird der Meßwert des Schadstoffsensors nicht abgefragt, so wird im Schritt S8 des Verfahrens von der Kontrolleinheit der Dosierungsvorrichtung die in Bezug zur berechneten Abgasmenge stöchiometrische Dosis des Reaktionsmittels für eine Zeitein heit berechnet. Diese berechnete Dosis wird in Verfahrens schritt S9 um den Faktor 0,4 verringert, so daß die verrin gerte Dosis nur 60% der stöchiometrischen Dosis ausmacht. Im anschließenden Verfahrensschritt S10 wird das Reaktionsmittel in unterstöchiometrischer Dosierung in den Abgaskanal des Mo tors eingegeben. Die Eingabe kann kontinuierlich unter stöchiometrisch oder in kurzen Schüben überstöchiometrisch erfolgen.

Wird hingegen der Meßwert des Schadstoffsensors im Verfah rensschritt S4 abgefragt, so wird im anschließenden Verfah rensschritt S5 der Meßwert mit dem berechneten Wert vergli chen. In Verfahrensschritt S6 wird entschieden, ob der be rechnete Wert innerhalb eines Toleranzbereichs um den Meßwert liegt. Ist das der Fall, so ist der Verfahrensschritt S8 der nächstfolgende Schritt. Ansonsten wird in Verfahrensschritt S7 der funktionale Zusammenhang in der Weise korrigiert, daß der berechnete Schadstoffwert im Toleranzbereich um den Meß wert zu liegen kommt. Im weiteren Verlauf des Verfahrens wird wie oben beschrieben die Dosierung in den Verfahrensschritten S8 und S9 berechnet und anschließend im Verfahrensschritt S10 unterstöchiometrisch dosiert.

Bei starken Lastwechseln des Motors, die zu starken Schwan kungen des Schadstoffmassenstroms führen, kann die Berechnung der Schadstoffmenge im Abgas fehlerhaft sein. Außerdem kann in solchem Fall wegen fehlender verwendbarer Meßwerte die Korrektur der Berechnung unmöglich sein. In diesem Fall ge währleistet die unterstöchiometrische Dosierung (Verfahrensschritt S9) durch die gering gehaltene Zugabemenge des Reaktionsmittels, daß trotz fehlerhafter Berechnung und Unmöglichkeit der Korrektur kein Reaktionsmittelschlupf auf tritt.

Ferner ist es bei dem in Fig. 1 beschriebenen Verfahren ganz allgemein nicht nötig, daß ein berechneter Schadstoffmengen wert innerhalb eines engen Toleranzbereiches um den tatsäch lich vorhandenen Wert liegt. Durch die generelle unter stöchiometrische Dosierung wird eine zu große Zugabe von Re aktionsmittel und ein damit verbundener Reaktionsmittel schlupf verhindert. Dies ist von besonderer Bedeutung bei der Durchführung des Verfahrens in älteren Fahrzeugen, bei denen beispielsweise keine elektronische Motorsteuerung vorhanden ist. Bei diesen Fahrzeugen sind wenig betriebsrelevante Para meter des Motors abrufbar, was die Berechnung des Schadstoff mengenwerts schwierig und ungenau macht. Durch die unter stöchiometrische Dosierung wird ein weiterer Fehlerbereich des berechneten Werts um den tatsächlich vorliegenden Schad stoffmengenwert tolerierbar.

Das in den Verfahrensschritten S4 bis S7 dargestellte Korrek turverfahren des funktionalen Zusammenhangs gewährleistet, daß die berechnete und tatsächlich vorliegende Schadstoff menge des Abgases sich im Laufe der Zeit nicht wesentlich auseinanderbewegen. Diese Gefahr besteht beispielsweise bei einem alten Motor, bei dem manche betriebsrelevanten Parame ter, wie beispielsweise Fahrpedalstellung und Drehzahl, nicht zu den gleichen Schadstoffmengen im Abgas führen wie bei ei nem neuen Motor. Die Korrektur kann entweder selbständig von der Kontrolleinheit der Dosierungsvorrichtung gestartet wer den wenn ein Schadstoffsensor fest im Abgaskanal eingebaut ist, oder sie wird bei einer Abgasuntersuchung bei einem Werkstattaufenthalt durchgeführt. Diese Möglichkeit ist be sonders bei der Nachrüstung der Dosierungsvorrichtung in alte Fahrzeuge von Vorteil, da in diesem Falle kein Schadstoffsen sor nachträglich eingebaut werden muß.

Das in Fig. 1 dargestellte Verfahren gewährleistet, daß bei intakten Komponenten der Katalysatoreinheit kein Reaktions mittel durch den Katalysator hindurchtritt. Ist der Katalysa tor oder ein Teil der Kontrolleinheit der Dosierungsvorrich tung allerdings defekt, so ist ein Reaktionsmittelschlupf nicht auszuschließen. In Fig. 2 ist ein Prüf- und Korrektur verfahren angegeben, das den Reaktionsmittelschlupf auch in diesem Fall unterbindet. Die Verfahrensschritte S1 bis ein schließlich S10 der Fig. 2 sind identisch mit denen in Fig. 1. Die zu verringernden Schadstoffe sind Stickoxide, das Re aktionsmittel ist Ammoniak und der Katalysator ist ein DeNOx- Katalysator. In Schritt S15 des Verfahrens wird geprüft, ob die Bedingung für eine Reaktionsmittelmessung hinter dem Ka talysator erfüllt ist. Diese Bedingung ist, daß ein Sensor einer stationären, also externen Abgasprüfanlage in den Ab gaskanal eingebracht wurde und die Steuereinheit der Ab gasprüfanlage mit der Kontrolleinheit der Dosierungsvorrich tung verbunden wurde. Ist die Bedingung erfüllt, wird im nachfolgenden Schritt S16 die Messung auf Reaktionsmittel im Abgas hinter dem Katalysator durchgeführt. Fällt die Prüfung S17, ob ein Reaktionsmittelschlupf vorhanden ist, positiv aus, so wird die Berechnung der Dosierung des Reaktionsmit tels (Verfahrensschritt S9) in einem Verfahrensschritt S18 in der Weise korrigiert, daß die Dosierung (Verfahrensschritt S10) verringert wird. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß - gegebenenfalls nach einigen Zyklen S1 bis S18 - die Dosie rung so verringert wurde, daß kein Reaktionsmittelschlupf mehr vorhanden ist.

In Fig. 3 wird ein Dieselmotor mit einer angeschlossenen Vorrichtung zur katalytischen Stickoxidreduzierung erläutert, welche nach dem angegebenen Verfahren arbeitet. Der mit Luftüberschuß betriebene Dieselmotor 1 zur Traktion eines Kraftfahrzeuges weist eine Schnittstelle 3 auf, an welcher die aktuellen Werte betriebsrelevanter Parameter abgegriffen werden können. Über eine Brennstoffzuführung 4 und eine Luft zuführung 5 wird dem Dieselmotor ein Brennstoff/Luftgemisch zur Verbrennung zur Verfügung gestellt. Das Abgas 6 des Die selmotors wird über einen Krümmer in einen Abgaskanal 7 und weiter durch einen Katalysator 8 geleitet. Der Katalysator 8 ist als ein sogenannter DeNOx-Katalysator ausgebildet, wel cher nach dem bekannten SCR-Verfahren Stickoxide mit Hilfe des Reaktionsmittels Ammoniak zu molekularem Stickstoff und Wasser zersetzt. Die benötigte Menge an Ammoniak wird durch Hydrolyse aus zudosiertem Harnstoff gewonnen. Mit einer an den Abgaskanal 7 angeschlossenen Vorrichtung 30 und Steuer einheit 31 einer stationären Abgasprüfanlage werden Schad stoff- und Reaktionsmittelmenge im Abgas überwacht.

Für die Dosierung des Harnstoffs ist eine Dosierungsvorrich tung 9 vorgesehen, welche für das Reaktionsmittel 10 (= Harnstoff) einen Vorratsbehälter 11, eine Zuführleitung 12, ein Dosierventil 13 und eine Einspritzdüse 14 umfaßt. Zur Steuerung der Dosierungsvorrichtung 9 ist eine Kontrollein heit 18 vorgesehen. Über die Ausgänge 19, 20 und 21 der Schnittstelle des Dieselmotors stehen der Kontrolleinheit die aktuellen Werte für Drehzahl, Stellung des Fahrpedals und Mo tortemperatur zur Verfügung.

Die Kontrolleinheit 18 steuert das Dosierventil 13 der Dosie rungsvorrichtung 9 gemäß dem in Fig. 1 beschriebenen Verfah ren. Pro Zeiteinheit wird entsprechend einem einstellbaren Verringerungsfaktor gegenüber der stöchiometrischen Menge an Reaktionsmittel 10 eine entsprechend verringerte Menge an Re aktionsmittel 10 dem Abgas 6 beigegeben. Der Verringerungs faktor ist über eine Eingabevorrichtung 22 der Kontrollein heit 18 eingebbar. Der zudosierte Harnstoff zerfällt im Abgas 6 durch Hydrolyse in Ammoniak und Reste, wobei Ammoniak als ein Reaktionsmittel mit den Stickoxiden an dem Katalysator 8 reagiert.

Eine Untersuchung des Abgases der Verbrennungsanlage wird von einer Abgasprüfanlage durchgeführt, die eine Vorrichtung 30 zum Anschluß an den Abgaskanal 7, eine Steuereinheit 31 und einen Schadstoffsensor 32 zur Erfassung der Stickoxidkonzen tration durch Leitfähigkeitsänderung umfaßt. Der Schad stoffsensor 32 mißt die Stickoxidmenge im Abgas 6 des Motors 1. Über eine Schnittstelle 33 ist er mit der Steuereinheit 31 der Abgasprüfanlage verbunden. Die Steuereinheit 31 der Ab gasprüfanlage ist über eine Schnittstelle 35 mit der Kontrolleinheit 18 der Dosierungsvorrichtung 9 verbunden und gibt den Schadstoffmengenwert an die Kontrolleinheit 18. Die Kontrolleinheit 18 führt das in Fig. 1 beschriebene Verfah ren zur Korrektur des funktionalen Zusammenhangs durch.

Zusätzlich wird mittels eines Reaktionsmittelsensors 36 in der Vorrichtung 30 der Abgasprüfanlage der Reaktionsmittel schlupf gemessen. Der Meßwert wird über eine Schnittstelle 37 an die Steuereinheit 31 der Abgasprüfanlage weitergegeben. Die Reaktionsmittelmenge im Abgas 6 hinter dem Katalysator 8 wird über die Schnittstelle 35 an die Kontrolleinheit 18 der Dosierungsvorrichtung gegeben. Nach dem in Fig. 2 beschrie benen Verfahren wird von der Kontrolleinheit 18 die Reakti onsmitteldosierung so eingestellt, daß kein Reaktionsmittel schlupf auftritt.

Claims

1. Verfahren zur katalytischen Verringerung des Schadstoffge halts im Abgas (6) einer Verbrennungsanlage (1), bei dem

a) ein Reaktionsmittel (10) dem Abgas (6) zugegeben (S10) und an einem Katalysator (8) mit dem Schadstoff umgesetzt wird,
b) mittels eines funktionalen Zusammenhangs aus betriebsrele vanten Parametern der Verbrennungsanlage die pro Zeitein heit von der Verbrennungsanlage emittierte Schadstoffmenge berechnet wird
c) aus der berechneten Schadstoffmenge eine Zugabemenge des Reaktionsmittels (10) berechnet wird (S2, S8),
d) der funktionale Zusammenhang überprüft (S4-S6) und ent sprechend korrigiert wird (S7),

dadurch gekennzeichnet, daß dem Abgas (6) innerhalb der Zeiteinheit eine, bezogen auf die für die Zeiteinheit berechnete Schadstoffmenge, unterstöchiometrische Menge des Reaktionsmittels (10) zudosiert wird (S9, S10).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß eine gegenüber der berechneten stöchiometrischen Menge um einen Faktor von 0,1 bis 0,8 ver ringerte Menge des Reaktionsmittels (10) zudosiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß das Abgas (6) hinter dem Kata lysator (8) auf Vorhandensein des Reaktionsmittels (10) über prüft wird (S16), und daß die Zugabemenge in der Weise einge stellt wird (S18, S2, S8, S9), daß im wesentlichen kein Reakti onsmittel (10) im Abgas hinter dem Katalysator (8) vorhanden ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Überprüfung (S16) bei Bedarf mit einem externen Prüfgerät (17) durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß das Reaktions mittel (10) Ammoniak oder eine Ammoniak freisetzende Sub stanz, insbesondere Harnstoff, ist, und als Schadstoff Stickoxide gemäß dem Verfahren der Selektiven Katalytischen Reduktion an einem DeNOx-Katalysator (8) beseitigt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß die Verbren nungsanlage ein mit Luftüberschuß betriebener Verbrennungsmo tor (1) zur Traktion eines Kraftfahrzeuges ist.

7. Vorrichtung zur katalytischen Entfernung eines Schadstof fes im Abgas (6) einer Verbrennungsanlage (1),

a) mit einem vom Abgas (6) durchströmbaren Katalysator (8) zur Umsetzung eines Reaktionsmittels (10) mit dem Schad stoff,
b) mit einer Dosierungsvorrichtung (9) zur Einbringung des Reaktionsmittels (10) in das Abgas (6) und
c) mit einer Kontrolleinheit (18) zur Steuerung des Reakti onsmitteldurchsatzes in der Dosierungsvorrichtung,

wobei die Kontrolleinheit (18) für die Berechnung der pro Zeiteinheit von der Verbrennungsanlage emittierten Schad stoffmenge mittels eines funktionalen Zusammenhangs aus be triebsrelevantenten Parametern der Verbrennungsanlage (1) und für die Überprüfung und die Korrektur des funktionalen Zusam menhangs ausgelegt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kon trolleinheit (18) für die unterstöchiometrische Dosierung des Reaktionsmittels (10) in Bezug auf den berechneten Schad stoffgehalt ausgelegt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kontrolleinheit (18) eine Eingabevorrichtung (22) aufweist, mit der ein Verringerungs faktor eingebbar ist, der zur Berechnung der unterstöchiome trischen Eingabemenge herangezogen wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrolleinheit (18) eine Schnittstelle (35) für eine Übertragung von Daten auf weist, die mittels eines Schadstoffsensors (32) und/oder ei nes Reaktionsmittelsensors (36) gewonnen wurden.