DE19944009A1 - Verfahren zum Betrieb eines SCR-Katalysators - Google Patents

Verfahren zum Betrieb eines SCR-Katalysators

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Abstract

Zum Betrieb eines NOx-Katalysators im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine wird der Ist-Wirkungsgrad (NOx2/NOx1) ermittelt und mit einem betriebstemperaturabhängigen Soll-Wirkungsgrad (H_S) verglichen. Die Reduktionsmitteldosierung erfolgt dann so, daß der Ist-Wirkungsgrad (NOx2/NOx1) sich dem Soll-Wirkungsgrad (H_S) annähert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines SCR- Katalysators im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine.
Zur Verringerung des NOx-Gehaltes im Abgas einer mit Luftüberschuß betriebenen Brennkraftmaschine ist das soge­ nannte Selectiv-Catalytic-Reduction-Verfahren bekannt. Dabei wird an einer Stelle vor einem Katalysator ein Reduktionsmit­ tel in das Abgas eingespritzt und so im Abgas enthaltenes NOx in einem sogenannten SCR-Katalysator zu N2 reduziert. Hierzu sei auf die Veröffentlichung Schöppe et al. "Ein geregeltes Abgasnachbehandlungssystem zur Erfüllung zukünftiger Emissi­ onsgrenzwerte bei PKW-Dieselmotoren", 17. Internat. Wiener Motorensymposium, 1996, Bd. 1, verwiesen. Als Reduktionsmit­ tel kann Ammoniak dienen, aus Gründen der Handhabbarkeit wird üblicherweise eine wässrige Harnstofflösung oder pulverförmi­ ger Harnstoff eingesetzt. Es ist auch bekannt, Kraftstoff oder Derivate als Reduktionsmittel zu verwenden.
Beim SCR-System, wie es beispielsweise aus DE 43 15 278 A1 bekannt ist, wird vom Steuergerät der Brennkraftmaschine fortlaufend die Sollmenge der Reduktionsmitteldosierung be­ rechnet. Dazu benötigt das Steuergerät den momentanen Reduk­ tionsmittelbedarf. Dieser wird aus Betriebsparametern der Brennkraftmaschine, wie Luftmasse, Betriebstemperatur oder Last berechnet, indem der Füllstand an Reduktionsmittel im SCR-Katalysator modelliert wird.
Um etwaige Ungenauigkeiten in der Modellierung dieses Füll­ standes tolerieren zu können, wird zum real möglichen Maxi­ malfüllstand ein Sicherheitsabstand eingehalten, damit eine Ammoniakemission sicher verhindert ist. Dadurch ist die Lei­ stungsfähigkeit des SCR-Katalysators nicht voll ausgenutzt.
Darüber hinaus ist die Modellierung des Füllstandes, für die die Beladungsfähigkeit des SCR-Katalysators berechnet werden muß, relativ datenverarbeitungsaufwendig.
Aus der DE 43 34 071 C1 ist eine Abgasreinigungsanlage be­ kannt, bei der der Datenverarbeitungsaufwand zur Reduktions­ mitteldosierung herabgesetzt ist. Dies wird dadurch erreicht, daß ein spezieller NO/NH3-Detektor im Abgastrakt hinter dem SCR-Katalysator angeordnet ist. Der elektrische Widerstand des durch ein spezielles Sputter-Verfahren hergestellten De­ tektors ist dann am größten, wenn die Umsetzung von Stick­ stoffmonoxid zu Stickstoff und Wasser stöchiometrisch ab­ läuft. Das Konzept der DE 43 34 071 C1 erkauft sich den Vor­ teil einfacherer Datenverarbeitung somit durch den Einsatz eines besonderen, relativ teueren Detektors.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines SCR-Katalysators zu schaffen, mit dem die Leistungsfähigkeit des Katalysators voll ausgenutzt wird und das dennoch nicht den Datenverarbeitungsaufwand des Standes der Technik mit sich bringt ohne auf spezielle Detektoren an­ gewiesen zu sein.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß der Wirkungs­ grad des SCR-Katalysators u. a. von der Reduktionsmitteldosie­ rung abhängt. Deshalb wird der Ist-Wirkungsgrad, beispiels­ weise aus NOx-Konzentrationen stromauf und stromab des SCR- Katalysators bestimmt und mit einem betriebsabhängigen Soll- Wirkungsgrad verglichen, um die Reduktionsmitteldosierung so zu steuern, daß der Ist-Wirkungsgrad den Soll-Wirkungsgrad erreicht. Dadurch wird zum einen die Leistungsfähigkeit des SCR-Katalysators voll ausgenützt, zum anderen ist der Rechen­ aufwand relativ gering. Die Bestimmung des Beladungsgrades des SCR-Katalysators oder Füllstandsberechnungen können ent­ fallen. Statt dessen muß lediglich der Ist-Wirkungsgrad be­ rechnet werden, was beispielsweise durch eine simple Verhält­ nisbildung der NOx-Konzentration stromauf und stromab des SCR-Katalysators erreicht werden kann. Der Soll-Wirkungsgrad ergibt sich auf einfache Weise aus dem NOx-Gehalt stromauf des SCR-Katalysators und dessen Betriebstemperatur und kann beispielsweise einem geeigneten Kennfeld entnommen werden.
Weiter ermöglicht das Verfahren die Diagnose eines defekten Katalysators, wenn der Ist-Wirkungsgrad einen Schwellenwert unterschreitet. Wählt man weiter einen bestimmten Betriebszu­ stand mit konstanter Last und dosiert dabei eine vorbestimm­ te, konstante Harnstoffmenge zu, so kann man den beispiels­ weise kennfeldhinterlegten Soll-Wirkungsgrad an diesem Be­ triebspunkt korrigieren, wenn der Ist-Wirkungsgrad den Schwellenwert zwar nicht unterschreitet, aber dennoch unter dem Soll-Wirkungsgrad bleibt. Der dabei ermittelte Korrektur­ faktor kann beim weiteren Betrieb des SCR-Katalysators Be­ rücksichtigung finden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wir nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeich­ nung in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit SCR-Abgasreinigungssystem und
Fig. 2 ein Flußdiagramm der Durchführung eines erfindungsge­ mäßen Verfahrens.
In Fig. 1 ist schematisch eine Brennkraftmaschine mit SCR- Abgasreinigungsanlage dargestellt, wobei nur diejenigen Kom­ ponenten gezeigt sind, die für das Verständnis der Erfindung wesentlich sind. Eine Brennkraftmaschine 1 hat einen Abga­ strakt 3, in dem sich ein SCR-Katalysator 4 befindet. Strom­ auf des SCR-Katalysators 4 ist eine Einspritzdüse 7 angeord­ net, die von einem Harnstoffbehälter 8 gespeist wird. Strom­ auf dieser Einspritzdüse 7 befindet sich im Abgastrakt 3 ein NOx-Meßaufnehmer 6. Ein weiterer NOx-Meßaufnehmer 5 ist stromab des SCR-Katalysators 4 angeordnet. Ein Steuergerät 2 steuert den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 und ist über nicht näher bezeichnete Leitungen zusätzlich mit der Ein­ spritzdüse 7 und den NOx-Meßaufnehmern 5 und 6 verbunden. Am SCR-Katalysator 4 befindet sich noch ein Temperaturfühler 9, der ebenfalls an das Steuergerät 2 angeschlossen ist.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wird über die Einspritz­ düse 7 aus dem Harnstoffbehälter 8 Harnstoff in das Abgas eingespritzt. Dieser Harnstoff wird im heißen Abgastrakt 3 hydrolisiert. Zur Verbesserung dieser Hydrolyse kann zwischen Einspritzdüse 7 und SCR-Katalysator 4 noch ein (nicht darge­ stellter) Hydrolyse-Katalysator vorgesehen sein. Es ist aber auch möglich, andere Reduktionsmittel anstelle von Harnstoff zu verwenden, z. B. Kohlenwasserstoffe wie Kraftstoff.
Zur Ermittlung der optimalen Harnstoffdosis, die von der Ein­ spritzdüse 7 entsprechen der Ansteuerung durch das Steuerge­ rät 2 abgegeben wird, führt das Steuergerät 2 das folgende, in einem Flußdiagramm in Fig. 2 dargestellte Verfahren durch:
In einem Schritt S1 liest das Steuergerät 2 den NOx- Meßaufnehmer 5 aus und erfaßt die NOx-Konzentration NOx2. Als nächstes liest das Steuergerät 2 in einem Schritt S2 den NOx- Meßaufnehmer 6 aus und erfaßt die NOx-Konzentration NOx1 stromauf des SCR-Katalysators 4. In einem Schritt S3 berech­ net das Steuergerät 2 das Verhältnis von NOx2 zu NOx1.
Parallel bestimmt es in einem Schritt S4 den Massenstrom an NOx M_NOx1, die dem SCR-Katalysator 4 zugeführt wird. Dazu ermittelt das Steuergerät 2 zuerst aus ihm bekannten Be­ triebsparametern die durch den Abgastrakt 3 strömende Abgas­ masse. Aus Abgasmassenstrom und der NOx-Konzentration NOx1 ergibt sich dann M_NOx1. Weiter erfaßt das Steuergerät in ei­ nem Schritt S5 die Betriebstemperatur T_KAT des SCR- Katalysators 4 durch Auslesen des Temperaturfühlers 9. Aus M_NOx1 und T_KAT berechnet das Steuergerät 2 den Soll- Wirkungsgrad H_S in Schritt S6. Dieser Soll-Wirkungsgrad H_S kann beispielsweise aus einem Kennfeld entnommen werden, das über M_NOx1 und T_KAT aufgespannt ist. Dieses Kennfeld trägt der Tatsache Rechnung, daß ein SCR-Katalysator einen betrieb­ stemperatur- und konzentrationsabhängigen Wirkungsgrad auf­ weist.
Als nächstes wird in Schritt S7 die Harnstoffdosis NH_DOS be­ stimmt. Dazu bildet das Steuergerät 2 das Verhältnis aus Ist- Wirkungsgrad, der sich aus NOx2/NOx1 ergab, und dem Soll- Wirkungsgrad H_S. Die Reduktionsmitteldosierung erfolgt nun so, daß dieses Verhältnis Eins annimmt. Das heißt, NH_DOS wird um so stärker erhöht, je weiter dieses Verhältnis von Eins entfernt liegt.
Da die Hydrolyse von Harnstoff temperaturabhängig ist, wird die Harnstoffdosierung temperaturabhängig nach oben begrenzt.
Zur Diagnose des SCR-Katalysators 4 wird in einem bestimmten Betriebspunkt, an dem die Brennkraftmaschine 1 mit konstanter Last betrieben wird, eine konstante Harnstoffmenge zudosiert. Zu dieser konstanten Harnstoffmenge ist der Soll-Wirkungsgrad H_S bekannt oder kann wie oben anhand der Fig. 2 erläutert errechnet werden. Unterschreitet der Ist-Wirkungsgrad, der auf bekannte Weise berechnet werden kann, einen Schwellen­ wert, ist der SCR-Katalysator 4 als defekt zu kennzeichnen. Überschreitet der Ist-Wirkungsgrad diesen Schwellenwert nicht, bleibt er jedoch dennoch unter dem Soll-Wirkungsgrad H_S. wird ein Korrekturfaktor ermittelt, der mit dem Soll- Wirkungsgrad H_S verrechnet wird, so daß das Verhältnis aus korrigiertem Soll-Wirkungsgrad und Ist-Wirkungsgrad Eins er­ reicht. Dieser Korrekturfaktor wird dann bei der weiteren Er­ mittlung des Soll-Wirkungsgrades H_S in Schritt S6 berück­ sichtigt. Dieses Vorgehen trägt der Tatsache Rechnung, daß ein SCR-Katalysator 4 im stationären Betrieb sehr viel exak­ ter auf den Soll-Wirkungsgrad geführt werden kann als im dy­ namischen Betrieb.

Claims (9)

1. Verfahren zum Betrieb eines SCR-Katalysators im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, bei dem
  • a) der Ist-Wirkungsgrad des SCR-Katalysators ermittelt wird,
  • b) betriebsparameterabhängig ein Sollwirkungsgrad bestimmt wird, und
  • c) eine Reduktionsmitteldosierung stromauf des SCR- Katalysators abhängig von Soll- und Ist-Wirkungsgrad erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Soll-Wirkungsgrad unter Rückgriff auf die Betriebstemperatur des SCR-Katalysators bestimmt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß stromauf und stromab des SCR-Katalysators eine NOx-Konzentration im Abgas erfaßt und daraus der Ist- Wirkungsgrad des SCR-Katalysators ermittelt wird, aus Betriebsparametern der Brennkraftmaschine die Abgasmasse ermittelt wird, die durch den Abgastrakt strömt, die Betriebstemperatur des SCR-Katalysators erfaßt wird und aus Betriebstemperatur, Abgasmasse und NOx-Konzentration stromauf des SCR-Katalysators der Soll-Wirkungsgrad ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der SCR-Katalysator als defekt diagnosti­ ziert wird, wenn der Ist-Wirkungsgrad bei bestimmten Be­ triebsbedingungen der Brennkraftmaschine einen Schwellwert unterschreitet.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmten Betriebsbedingungen eine Phase mit konstanter Last sind, bei denen eine konstante Reduktionsmittelmenge zudo­ siert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn der Ist-Wirkungsgrad den Schwellwert nicht unterschrei­ tet, aber dennoch unter dem Soll-Wirkungsgrad bleibt, ein Korrekturfaktor für den Soll-Wirkungsgrad ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Reduktionsmitteldosierung so bemessen wird, daß der Ist-Wirkungsgrad den Soll-Wirkungsgrad er­ reicht.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Reduktionsmitteldosierung temperaturab­ hängig nach oben begrenzt wird.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Reduktionsmitteldosierung abhängig vom Verhältnis zwischen Ist-Wirkungsgrad und Soll-Wirkungsgrad erfolgt.
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