EP3504407A1 - Verfahren zur qualitätskontrolle einer reduktionsmittellösung in einem scr-katalysator - Google Patents

Verfahren zur qualitätskontrolle einer reduktionsmittellösung in einem scr-katalysator

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EP3504407A1
EP3504407A1 EP17732885.3A EP17732885A EP3504407A1 EP 3504407 A1 EP3504407 A1 EP 3504407A1 EP 17732885 A EP17732885 A EP 17732885A EP 3504407 A1 EP3504407 A1 EP 3504407A1
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EP
European Patent Office
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mass
ammonia mass
ammonia
modeled
reducing agent
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17732885.3A
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English (en)
French (fr)
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Christian Heimann
Tobias Pfister
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the present invention relates to a method for quality control of a reducing agent solution in an S CR catalyst with a nitrogen oxide regulator. Furthermore, the present invention relates to a computer program that executes each step of the method according to the invention, when it runs on a computing device, as well as a machine-readable storage medium, which stores the computer program. Finally, the invention relates to an electronic control device which is set up to carry out the method according to the invention.
  • the S CR catalysts known today store ammonia at their catalyst surface.
  • the storage capacity is decisive for the temperature the catalyst surface and decreases with increasing temperature. The more ammonia bound to the catalyst surface and available for reduction, the higher the nitrogen oxide conversion rate. As long as the storage capacity of the S CR catalyst is not exhausted, excessively metered reducing agent is stored. On the other hand, if the metering unit makes available less reducing agent than would be necessary for the complete reduction of the nitrogen oxides present in the exhaust gas, the reduction of the CO 2, which continues to take place at the catalyst surface, becomes necessary
  • Nitrogen oxides which reduces ammonia level.
  • Today's standard dosing strategies for SCR systems include a level control, which sets an operating point in the form of a target value for the ammonia level in the S CR catalyst. This operating point is chosen so that the ammonia level is high enough to ensure both a high nitrogen oxide conversion rate, as well as a buffer against sudden excessive nitrogen oxide masses, so-called nitric oxide peaks.
  • the ammonia level is selected depending on a maximum ammonia mass that can store the S CR catalyst. As a result, especially at rapid temperature rises, avoiding excessively metered ammonia unused
  • a quality of the urea water solution is called quotient of a
  • a nitrogen or ammonia concentration in the exhaust gas is determined by an exhaust gas sensor arranged downstream of the S CR catalyst. Subsequently, these determined values are compared with comparative values and, in the case of a deviation, a reduced quality of the reducing agent is concluded.
  • Common nitric oxide sensors show a cross-sensitivity to ammonia, ie their sensor signal not only contains the nitric oxide concentration, but also shows a composite signal of nitrogen oxide and ammonia.
  • DE 10 2010 002 620 A1 describes an adjustment of the dosing mass by means of an adaptation factor, which indicates the ratio between nominal and actual dosing mass. This directly changes a precursor mass of the reducing agent and serves to regulate a nitrogen oxide concentration measured by the sensor downstream of the SCR catalyst to a modeled nitrogen oxide value.
  • the dosing strategy adapts to the respective system and to longer-lasting environmental influences with the aid of an I-controller and can thus contribute to the number of necessary adaptation interventions
  • the I controller acts very accurately, but also correspondingly slow and can, depending on the quality of the reducing agent and its dilution, several hours to detect a fault and to control needed.
  • the detection of the dilution of the reducing agent takes place here via the adaptation factor or via a threshold value which corresponds to the adaptation factor.
  • Another possibility for monitoring the quality of the reducing agent is a quality sensor, as described in DE 10 2014 211 010 A1. This quality sensor is arranged directly in the reducing agent tank and analyzes the ammonia concentration by means of acoustic and / or optical methods.
  • DE 10 2012 209 240 AI describes a method for
  • a third possibility to monitor the quality of the reducing agent is passive monitoring of the S CR catalyst, in which a nitrogen oxide concentration upstream and downstream of the S CR catalyst is detected by nitrogen oxide sensors and an efficiency is determined therefrom. Error detection occurs when a limit efficiency is exceeded for a set duration.
  • the process is especially suitable strong
  • This fast P-controller permanently compensates the modeled nitrogen oxide concentration downstream of the S CR catalyst with the corresponding signal from the corresponding nitrogen oxide sensor. In case of a deviation, the P-controller can within a few seconds the
  • the method is used for quality control of a reducing agent solution for a S CR catalyst comprising a nitrogen oxide regulator, which at the beginning of the
  • Process controls the S CR catalyst so that it meets a predetermined nitrogen oxide conversion rate, that is, that the S CR catalyst a
  • a maximum nitrogen oxide conversion rate is set.
  • a metering factor is calculated by a quotient of the two
  • Ammonia masses is formed.
  • the metered amount of the reducing agent is increased by the nitrogen oxide regulator to compensate for a poorer quality of the reducing agent and to achieve the high nitrogen oxide conversion rate. It follows that the increase in the dosage of the
  • Reducing agent leads to an increase in the metering factor. If this calculated metering factor exceeds a predetermined first threshold, an error condition is generated in the system, which ascribes a poor quality to the reducing agent solution. Finally, an error memory entry is made in an electronic control unit which controls the metering of the reducing agent.
  • the calculation of the metering factor is carried out only if it was determined in a query that the actual ammonia mass and / or the modeled ammonia mass has exceeded a predetermined limit mass.
  • This limit mass is dependent on the specified nitrogen oxide conversion rate. As a result, it is ensured that the quotient between the actual ammonia mass and the modeled
  • Ammonia mass is large enough so that an increase in the metering factor can be seen and this provides meaningful results.
  • the error state can be canceled again if the metering factor undershoots a specified second threshold. In this case, the quality of the reducing agent is again sufficiently good to again perform a conventional dosage.
  • an opening duration and an opening frequency of a metering valve, which injects the reducing agent upstream of the S CR catalyst may preferably be included.
  • the modeled ammonia mass can preferably correspond to a calculated pilot mass.
  • This pilot mass represents a calculated mass of ammonia that is injected to produce a desired ammonia mass Nitrogen oxide concentration downstream of the S CR catalyst to achieve. This is calculated by multiplying a nitrogen oxide concentration upstream of the SCR catalyst with an exhaust mass flow and a stoichiometric factor and a modeled nitrogen oxide efficiency, wherein the stoichiometric factor is a ratio between nitrogen oxide mass and
  • the integration of the actual and the modeled ammonia mass is permanently interrupted, but the calculation of the metering factor is time-discrete.
  • the frequency of calculating the dosing factor may be dependent on a duration until a predetermined limit is reached in the integration of the actual or modeled ammonia mass.
  • this limit corresponds to the previously described
  • a sensitivity of the filter is dependent on a time interval to a last night Nachankereignis the reducing agent.
  • the computer program is set up every step of the procedure
  • Control unit which is set up, the quality control of
  • FIG. 1 shows a diagram of a nitrogen oxide conversion rate depending on an ammonia level during filling and emptying of an SCR catalyst and ammonia slip, according to the prior art.
  • FIG. 2 shows a flow diagram of an embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a diagram of a time profile of an actual and a modeled ammonia mass in the S CR catalyst, according to FIG
  • Figure 4 shows a time course of a metering factor, according to a
  • Figure 5 shows a time course of a metering factor, according to another embodiment of the method according to the invention.
  • a metering valve meters a reducing agent in a metering module upstream of an S CR catalyst, on the surface of which nitrogen oxides, by means of ammonia liberated from the urea-water solution, are converted into elemental nitrogen (not shown).
  • a nitrogen oxide conversion rate NOxKonvert which indicates how much nitrogen oxide is converted, is dependent on an ammonia level FN H3 of the S CR catalyst and thus on the metered ammonia mass mN H3.
  • NOxKonvert is NOxKonvert over the ammonia level FNhta at a filling 100 and an emptying 101 of the S CR catalyst, according to one embodiment of a conventional one
  • a nominal value 102 for the ammonia level FN H3 is entered in the diagram and represents the optimum ammonia filling compound FN H3, in which the S CR catalyst is optimally operated in this exemplary embodiment.
  • a buffer region 103 with respect to nitrogen oxide peaks which is intended to compensate for a suddenly occurring excessive nitrogen oxide mass
  • a buffer region 104 with respect to an ammonia slip 105 in which ammonia unused passes through the catalyst surface, are entered around the desired value 102.
  • An ammonia mass m N H3, which is measured at said ammonia slip 105 downstream of the S CR catalyst, is also shown above the ammonia level FN H3.
  • ammonia mass mN H3 with a urea mass mChUIN O corresponds to the reducing agent, it depends on a quality Q of the reducing agent, wherein the quality Q represents a quotient of the mass of urea m CH N20 and the total mass m ge £ of the reducing agent:
  • FIG. 2 shows a flow chart according to an embodiment of the invention
  • the S CR catalyst is set to a predetermined high nitrogen oxide conversion rate NOxKonvert 200.
  • a query 201 is started if there is no relevant system error 202, all nitric oxide sensors used for the measurement are ready to measure 203, the dosing module 204 is active and the metered amount of reducing agent, for example by concurrent methods, is not limited 205. If all operating parameters are met, a measured actual ammonia mass flow is integrated into an actual ammonia mass mNHslst by means of an I regulator 206, the latter being opened over an opening time t open and a
  • Opening frequency föff the metering valve is estimated.
  • c NOx is a nitrogen oxide concentration upstream of the SCR catalyst
  • rh Ab an exhaust gas mass flow in the exhaust line
  • ⁇ ⁇ a modeled nitrogen oxide efficiency of the S CR catalyst
  • f stöch a stoichiometric factor.
  • the stoichiometric factor f stöch gives that
  • Ratio of the ammonia mass mNH3 to the nitrogen oxide mass mNOx A molar mass M NO ⁇ of nitrogen dioxide corresponds approximately to an effective molar mass M NO of the nitrogen oxides present in the exhaust gas.
  • Amount of nitrogen dioxide corresponds to N0 ⁇ and consequently the stoichiometric factor f stöch corresponds to a ratio of the molar masses M NH ⁇ of
  • a metering factor facDos is calculated 209 as the quotient of the actual ammonia mass mNHslst and the modeled ammonia mass mNHsMod, according to formula 4.
  • the limiting mass mNHsGrenz was chosen at this point at 6 g.
  • the actual ammonia mass mNHslst exceeds the predetermined limit mass mNHslimit for a time t of approximately 22.5 minutes.
  • the I-controllers used in the integrations 206 and 207 are reset in a sibling step 210. It should be noted that these two integrations 206 and 207 run permanently, but the calculation 209 of the dosing factor facDos is done discretely.
  • the frequency of the calculation 209 of the dosing factor facDos is dependent on a duration until, in step 208, the limit mass mNhtaGrenz has been exceeded, that is to say 22.5 minutes.
  • the calculation 209 of the dosing factor facDos takes place via an exponential weighted moving average (EWMA) filter 211, which works on the basis of the formula 5.
  • EWMA exponential weighted moving average
  • S t indicates the value of the EWMA at the time t
  • Y t are the input raw values
  • a represents a sensitivity coefficient of the EWMA filter, wherein this is varied as a function of a time interval of a last night Nachankereignisses the reducing agent.
  • this is possible on the basis of an integrator, which detects a nitrogen oxide mass mNOx and is reset in the case of refueling.
  • the evaluation by the EWMA filter is activated on initial initialization and / or resetting only when enough raw values Y t have been recorded.
  • the dosing factor facDos represents a manipulated variable for a nitric oxide regulator. To obtain a lower quality Q of the reducing agent, the predetermined high
  • the nitrogen oxide regulator must increase the ammonia filler mass FN H3 (see FIG. 1) by increasing the metered reducing agent mass. In other words, to achieve the same NOx conversion rate, NOxConvert is higher
  • a further step 212 it is checked whether the dosing factor facDos, as shown in Figure 4, has exceeded a first threshold 311. This takes place at marked point 312 at approx. 25 minutes.
  • a first threshold 311 This takes place at marked point 312 at approx. 25 minutes.
  • FIG. 2 it is subsequently provided to generate an error state in the system 213, which attributes a poor quality Q to the reductant solution and then creates a fault memory entry 214.
  • a decreasing metering factor facDos is further provided, which corresponds to an improvement in the quality Q, e.g. by replacing the reducing agent. It is checked in an additional step 215 whether the dosing factor facDos, as shown in Figure 5, has fallen below a second threshold 321. This takes place at the marked point 322 at approx. 70 minutes. Now, as shown in the flowchart of Figure 2, the error state is removed 216.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualitätskontrolle einer Reduktionsmittellösung für einen SCR-Katalysator, der einen Stickoxid-Regler umfasst. Zu Beginn des Verfahrens wird der SCR-Katalysator auf eine vorgegebene Stickoxid-Konvertierungsrate geregelt. Anschließend erfolgen eine Integration eines tatsächlichen Ammoniak-Massestroms zu einer tatsächlichen Ammoniakmasse sowie eine Integration eines modellierten Ammoniak-Massestroms zu einer modellierten Ammoniakmasse. Daraufhin wird eine Berechnung eines Dosiermassenfaktors als Quotient der tatsächlichen Ammoniakmasse und der modellierten Ammoniakmasse durchgeführt und schließlich, wenn der Dosiermassenfaktor (facDos) eine festgelegte erste Schwelle (311) überschritten hat (am Punkt 312), ein Fehlerzustand erzeugt, welcher der Reduktionsmittellösung eine schlechte Qualität zuschreibt.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zur Qualitätskontrolle einer Reduktionsmittellösung in einem SCR- Katalysator
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualitätskontrolle einer Reduktionsmittellösung in einem S CR- Katalysator mit einem Stickoxid-Regler. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn sie auf einem Rechengerät abläuft, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Stand der Technik
Heutzutage werden zur Reduktion von Stickoxiden (NOx) im Abgas von
Kraftfahrzeugen unter anderem S CR- Katalysatoren (Selective Catalytic
Reduction) verwendet. Hierbei werden Stickoxidmoleküle, die sich auf einer S CR- Katalysatoroberfläche befinden, bei Vorhandensein von Ammoniak (N H3) als Reduktionsmittel, zu elementarem Stickstoff reduziert. Das Reduktionsmittel wird in Form einer Harnstoff-Wasser-Lösung, bei der Ammoniak abgespalten wird, kommerziell auch als Ad Blue® bekannt, bereitgestellt und durch ein Dosiermodul stromaufwärts des S CR- Katalysators in einen Abgasstrang eingespritzt. Die Ermittlung einer gewünschten Dosierrate erfolgt in einem elektronischen Steuergerät, in dem Strategien für Betrieb und Überwachung des SCR-Systems hinterlegt sind.
Die heute bekannten S CR- Katalysatoren speichern Ammoniak an deren Katalysatoroberfläche. Die Speicherfähigkeit ist maßgeblich von der Temperatur der Katalysatoroberfläche abhängig und nimmt bei steigender Temperatur ab. Je mehr Ammoniak an der Katalysatoroberfläche gebunden ist und zur Reduktion zur Verfügung steht, desto höher ist die Stickoxid -Konvertierungsrate. Solange die Speicherfähigkeit des S CR- Katalysators nicht ausgeschöpft ist, wird übermäßig eindosiertes Reduktionsmittel gespeichert. Stellt die Dosiereinheit hingegen weniger Reduktionsmittel zur Verfügung, als für die vollständige Reduktion der im Abgas vorhandenen Stickoxide notwendig wäre, so wird, durch die weiterhin an der Katalysatoroberfläche stattfindende Reduktion der
Stickoxide, der Ammoniakfüllstand verringert. Heute übliche Dosierstrategien für SCR-Systeme umfassen eine Füllstandsregelung, die einen Arbeitspunkt in Form eines Sollwertes für den Ammoniakfüllstand im S CR- Katalysator einstellt. Dieser Arbeitspunkt wird so gewählt, dass der Ammoniakfüllstand hoch genug ist, um sowohl eine hohe Stickoxid -Konvertierungsrate, als auch einen Puffer gegenüber plötzlich auftretenden überhöhten Stickoxidmassen, sogenannten Stickoxid- Spitzen, zu gewährleisten. Andererseits wird der Ammoniakfüllstand abhängig von einer maximalen Ammoniakmasse, die der S CR- Katalysator speichern kann, gewählt. Infolgedessen wird, insbesondere bei schnellen Temperaturanstiegen, vermieden, dass übermäßig eindosiertes Ammoniak ungenutzt die
Katalysatoroberfläche passiert; dies wird auch als Ammoniak-Schlupf bezeichnet.
Eine Qualität der Harnstoff-Wasser-Lösung wird als Quotient aus einer
Harnstoffmasse, aus der sich Ammoniak abspaltet, und der Gesamtmasse der Harnstoff-Wasser-Lösung definiert. In der DE 10 2006 055 235 AI wird ein Verfahren zur Erkennung der Qualität des Reduktionsmittels beschrieben.
Hierbei wird durch ein stromabwärts des S CR- Katalysators angeordneten Abgassensors eine Stickstoff bzw. Ammoniakkonzentration im Abgas ermittelt. Anschließend werden diese ermittelten Werte mit Vergleichswerten verglichen und bei einer Abweichung auf eine verminderte Qualität des Reduktionsmittels geschlossen. Gebräuchliche Stickoxid-Sensoren zeigen eine Querempfindlichkeit für Ammoniak, das heißt deren Sensorsignal enthält nicht nur die Stickoxid- Konzentration, sondern zeigt ein Summensignal aus Stickoxid und Ammoniak. Im Falle eines stromabwärts des S CR- Katalysators angeordneten Stickoxid-Sensors kann ein Anstieg des Sensorsignals sowohl auf eine sinkende Stickoxid- Konvertierungsrate, also auf einen Anstieg der Stickoxid-Konzentration, als auch auf einen Ammoniak-Schlupf und einem dementsprechenden Anstieg der Ammoniak-Konzentration, hinweisen. Eine direkte Unterscheidung von Stickoxid und Ammoniak ist infolgedessen mit diesen Sensoren nicht möglich.
Aus dem Zusammenhang zwischen Ammoniakfüllstand und Stickoxid- Konvertierungsrate ergibt sich zum einen ein Ansteigen der Stickoxid- Konvertierungsrate, wenn eine überstöchiometrische Dosierung des
Reduktionsmittels ein Anheben der im S CR- Katalysator gespeicherten
Ammoniakmasse bewirkt. Zum anderen bleibt die Stickoxid -Konvertierungsrate gleich, falls der S CR- Katalysator bereits optimal betrieben wird. Sinkt die gemessene Stickoxid-Konvertierungsrate in diesem Fall ab, das heißt steigt das vorstehend beschriebene Sensorsignal an, kann dies auf Ammoniak
stromabwärts des S CR- Katalysators zurückgeführt werden. Hierbei kann angenommen werden, dass die maximale Speicherfähigkeit des SCR- Katalysators ausgeschöpft ist und somit übermäßig eindosiertes Ammoniak ungenutzt die Katalysatoroberfläche passiert, also ein Ammoniak-Schlupf stattfindet.
Die DE 10 2010 002 620 AI beschreibt eine Einstellung der Dosiermasse mittels eines Adaptionsfaktors, welcher das Verhältnis zwischen nominaler und tatsächlicher Dosiermasse angibt. Dieser verändert direkt eine Vorsteuermasse des Reduktionsmittels und dient zur Einregelung einer durch den Sensor stromabwärts des S CR- Katalysators gemessenen Stickoxid-Konzentration auf einen modellierten Stickoxid -Wert. Die Dosierstrategie passt sich mit Hilfe eines I-Reglers an das jeweilige System und an länger andauernde Umwelteinflüsse an und kann damit die Anzahl der notwendigen Adaptionseingriffe bei
systematischen Fehlern verringern. Darüber hinaus kann die Regelung auch sehr große und spontane Änderungen, beispielsweise bei einer Betankung mit falschem Reduktionsmittel, berücksichtigen. Der I-Regler wirkt dabei sehr genau, jedoch auch dementsprechend langsam und kann, abhängig von der Qualität des Reduktionsmittels und dessen Verdünnung, mehrere Stunden zum Erkennen eines Fehlers und zur Regelung benötigen. Die Erkennung der Verdünnung des Reduktionsmittels erfolgt hierbei über den Adaptionsfaktor bzw. über einen Schwellwert, der mit dem Adaptionsfaktor korrespondiert. Eine weitere Möglichkeit die Qualität des Reduktionsmittels zu überwachen stellt ein Qualitätssensor, wie in der DE 10 2014 211 010 AI beschrieben, dar. Dieser Qualitätssensor wird unmittelbar im Reduktionsmitteltank angeordnet und analysiert mittels akustischer und/oder optischer Methoden die Ammoniak- Konzentration. Die DE 10 2012 209 240 AI beschreibt ein Verfahren zur
Plausibilisierung des Qualitätssensors, da dieser eine Störanfälligkeit, bedingt durch das Einwirken des Reduktionsmittels, aufweist.
Eine dritte Möglichkeit die Qualität des Reduktionsmittels zu überwachen stellt eine passive Überwachung des S CR- Katalysators dar, bei der eine Stickoxid- Konzentration stromaufwärts und stromabwärts des S CR- Katalysators durch Stickoxid-Sensoren erfasst und daraus ein Wirkungsgrad ermittelt wird. Eine Fehlererkennung erfolgt, wenn ein Grenzwirkungsgrad über eine festgelegte Dauer überschritten wird. Das Verfahren ist vor allem geeignet starke
Verdünnungen des Reduktionsmittels zu erkennen, da durch die relativ große Toleranz des Systems, insbesondere der Stickoxid-Sensoren, nur sehr große Abweichungen im Wirkungsgrad erkannt werden. Um diese großen und schnell auftretenden Änderungen des Wirkungsgrads, z.B. in Folge einer Betankung mit Wasser, zu kompensieren, wurde in der DE 10 2012 221 574 AI ein
Füllstandsbeobachter aufgezeigt. Dieser schnelle P-Regler gleicht permanent die modellierte Stickoxid-Konzentration stromabwärts des S CR- Katalysator mit dem zugehörigen Signal des entsprechenden Stickoxid-Sensors ab. Im Falle einer Abweichung kann der P-Regler innerhalb von wenigen Sekunden die
Füllstandsregelung durchführen, bis der nominale Wirkungsgrad wieder erreicht ist.
Offenbarung der Erfindung
Das Verfahren dient zur Qualitätskontrolle einer Reduktionsmittellösung für einen S CR- Katalysator, der einen Stickoxid-Regler umfasst, welcher zu Beginn des
Verfahrens den S CR- Katalysator so regelt, dass er eine vorgegebene Stickoxid- Konvertierungsrate erfüllt, das heißt, dass dem S CR- Katalysator eine
entsprechend hohe Menge Reduktionsmittel zur Verfügung gestellt wird.
Vorzugsweise wird eine maximale Stickoxid-Konvertierungsrate eingestellt. In einem weiteren Schritt werden sowohl ein tatsächlicher Ammoniak-Massestrom, als auch ein modellierter Ammoniak-Massestrom, insbesondere über einen I-Regler, zu einer tatsächlichen Ammoniakmasse bzw. einer modellierten Ammoniakmasse aufintegriert. Im Anschluss wird ein Dosierfaktor berechnet, indem ein Quotient der beiden
Ammoniakmassen gebildet wird. Die Dosiermenge des Reduktionsmittels wird dabei durch den Stickoxid-Regler erhöht, um eine schlechtere Qualität des Reduktionsmittels auszugleichen und die hohe Stickoxid -Konvertierungsrate zu erreichen. Daraus folgt, dass die Erhöhung der Dosiermenge des
Reduktionsmittels zu einem Anstieg des Dosierfaktors führt. Überschreitet dieser berechnete Dosierfaktor eine festgelegte erste Schwelle, wird ein Fehlerzustand im System erzeugt, welcher der Reduktionsmittellösung eine schlechte Qualität zuschreibt. Schließlich erfolgt ein Fehlerspeichereintrag in einem elektronischen Steuergerät, welches die Dosierung des Reduktionsmittels steuert.
Vorzugsweise wird die Berechnung des Dosierfaktors nur ausgeführt, wenn in einer Abfrage ermittelt wurde, dass die tatsächliche Ammoniakmasse und/oder die modellierte Ammoniakmasse eine vorgegebene Grenzmasse überschritten hat. Diese Grenzmasse ist dabei abhängig von der festgelegten Stickoxid- Konvertierungsrate. Als Folge daraus wird sichergestellt, dass der Quotient zwischen der tatsächlichen Ammoniakmasse und der modellierten
Ammoniakmasse groß genug ist, damit ein Ansteigen des Dosierfaktors erkennbar ist und dieser sinnvolle Resultate bietet.
Zusätzlich kann der Fehlerzustand wieder aufgehoben werden, wenn der Dosierfaktor eine festgelegte zweite Schwelle unterscheitet. In diesem Fall ist die Qualität des Reduktionsmittels wieder ausreichend gut, um erneut eine herkömmliche Dosierung durchzuführen.
Bevorzugt können bei der Ermittlung der tatsächlichen Ammoniakmasse eine Öffnungsdauer und eine Öffnungsfrequenz eines Dosierventils, welche das Reduktionsmittel stromaufwärts des S CR- Katalysators einspritzt, miteinbezogen werden. Zudem kann die modellierte Ammoniakmasse bevorzugt einer berechneten Vorsteuermasse entsprechen. Diese Vorsteuermasse stellt eine berechnete Ammoniakmasse dar, die eingespritzt wird, um eine gewünschte Stickoxid-Konzentration stromabwärts des S CR- Katalysators zu erreichen. Diese wird durch Multiplikation einer Stickoxid-Konzentration stromaufwärts des SCR- Katalysators mit einem Abgasmassestrom sowie einem stöchiometrischen Faktor und einem modellierten Stickoxid-Wirkungsgrad berechnet, wobei der stöchiometrische Faktor ein Verhältnis zwischen Stickoxidmasse und
Ammoniakmasse darstellt, infolgedessen die Reduktion abläuft.
Gemäß einem weiteren Aspekt läuft die Integration der tatsächlichen und der modellierten Ammoniakmasse permanent ab, die Berechnung des Dosierfaktors jedoch zeitlich diskret. Als Folge kann die Häufigkeit der Berechnung des Dosierfaktors abhängig von einer Dauer, bis bei der Integration der tatsächlichen oder modellierten Ammoniakmasse ein vorgegebener Grenzwert erreicht wird, sein. Bevorzugt entspricht dieser Grenzwert der vorher beschriebenen
Grenzmasse. Ebendann kann ein diskreter Filter zur Berechnung des
Dosiermassenfaktors eingesetzt werden.
Bevorzugt ist eine Empfindlichkeit des Filters von einem zeitlichen Abstand zu einem zuletzt erfolgten Nachtankereignis des Reduktionsmittels abhängig.
Besonders bevorzugt wird die Empfindlichkeit des Filters über einen
Empfindlichkeitskoeffizienten ausgedrückt und, der bei der Berechung des Dosiermassenfaktors mittels des Filters miteinbezogen wird.
Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens
durchzuführen, insbesondere, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät durchgeführt wird. Es ermöglicht die Implementierung des Verfahrens in einem herkömmlichen elektronischen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren
Speichermedium gespeichert.
Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches
elektronisches Steuergerät, wird das erfindungsgemäße elektronische
Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, die Qualitätskontrolle der
Reduktionsmittellösung durchzuführen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Figur 1 zeigt ein Diagramm einer Stickoxid-Konvertierungsrate abhängig von einem Ammoniakfüllstand beim Befüllen und Entleeren eines SC R- Katalysators sowie einen Ammoniak-Schlupf, gemäß dem Stand der Technik.
Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 3 zeigt ein Diagramm eines zeitlichen Verlaufs einer tatsächlichen und einer modellierten Ammoniakmasse im S CR- Katalysator, gemäß eines
Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 4 zeigt einen zeitlichen Verlauf eines Dosierfaktors, gemäß eines
Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 5 zeigt einen zeitlichen Verlauf eines Dosierfaktors, gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsbeispiel der Erfindung
In herkömmlichen Verfahren dosiert ein Dosierventil in einem Dosiermodul ein Reduktionsmittel in einen Abgasstrang stromaufwärts eines S CR- Katalysators ein, an dessen Oberfläche Stickoxide, mittels aus der Harnstoff-Wasser-Lösung freigesetzten Ammoniaks, in elementaren Stickstoff umgewandelt werden (nicht dargestellt). Eine Stickoxid-Konvertierungsrate NOxKonvert, die angibt, wie viel Stickoxid umgewandelt wird, ist abhängig von einem Ammoniakfüllstand FN H3 des S CR- Katalysators und somit von der eindosierten Ammoniakmasse mN H3. In Figur 1 ist eine solche Stickstoff- Konvertierungsrate NOxKonvert über den Ammoniakfüllstand FNhta bei einem Befüllen 100 und einem Entleeren 101 des S CR- Katalysators, gemäß einer Ausführungsform eines herkömmlichen
Verfahrens, aufgetragen. Ein Sollwert 102 für den Ammoniakfüllstand FN H3 ist im Diagramm eingetragen und stellt die optimale Ammoniakfüllmasse FN H3 dar, bei der der S CR- Katalysator in diesem Ausführungsbeispiel optimal betrieben wird. Außerdem sind um den Sollwert 102 eine Pufferregion 103 gegenüber Stickoxid- Spitzen eingetragen, die eine plötzlich auftretende überhöhte Stickoxidmasse ausgleichen soll, sowie eine Pufferregion 104 gegenüber einem Ammoniak- Schlupf 105, bei dem Ammoniak ungenutzt die Katalysatoroberfläche passiert. Eine Ammoniakmasse m N H3, die bei besagtem Ammoniak-Schlupf 105 stromabwärts des S CR- Katalysators gemessen wird, ist ebenfalls über dem Ammoniakfüllstand FN H3 dargestellt.
Für den Betrieb des S CR- Katalysators ist daher eine genaue Kenntnis des Ammoniakfüllstands FN H3 und somit der Ammoniakmasse mN H3, die mittels der
Reduktionsmittellösung eindosiert wurde, erforderlich. Da die Ammoniakmasse mN H3 mit einer Harnstoffmasse mChUIN O der Reduktionsmittel korrespondiert, hängt sie von einer Qualität Q des Reduktionsmittels ab, wobei die Qualität Q einen Quotienten aus der Harnstoffmasse mCH N20 und der Gesamtmasse mge£ des Reduktionsmittels repräsentiert:
mCH4N20
Q
(Formel 1) m ges
Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm gemäß einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens. Zu Beginn wird der S CR- Katalysator auf eine vorgegebene hohe Stickoxid-Konvertierungsrate NOxKonvert eingestellt 200. Anschließend wird eine Abfrage 201 gestartet, ob kein relevanter Systemfehler vorliegt 202, alle zur Messung eingesetzten Stickoxid-Sensoren messbereit 203 sind, das Dosiermodul 204 aktiv ist und die eindosierte Menge Reduktionsmittel, beispielsweise durch nebenläufige Verfahren, nicht beschränkt 205 ist. Sind alle Betriebsparameter erfüllt, wird durch einen I-Regler ein gemessener tatsächlicher Ammoniak-Massestrom zu einer tatsächlichen Ammoniakmasse mNHslst aufintegriert 206, wobei diese über eine Öffnungszeit töff und eine
Öffnungsfrequenz föff des Dosierventils abgeschätzt wird. Gleichzeitig wird ein modellierter Ammoniak-Massestrom zu einer modellierten Ammoniakmasse mNHsMod aufintegriert 207. Diese entspricht einer Ammoniak-Vorsteuermasse mN H3Vor, die über folgende Formel 2 berechnet wird: mNH3vor = fstöch (Formel 2)
' NOx ' m Abgas ' Ή NOx Hierbei ist cNOx eine Stickoxidkonzentration stromaufwärts des SCR- Katalysators, rhAb ein Abgasmassestrom im Abgasstrang, ηΝΟχ ein modellierter Stickoxid-Wirkungsgrad des S CR- Katalysators und fstöch ein stöchiometrischer Faktor. Der der stöchiometrische Faktor fstöch gibt das
Verhältnis der Ammoniakmasse mNH3 zur Stickoxidmasse mNOx an. Eine Molare Masse MNO^ von Stickstoffdioxid entspricht näherungsweise einer effektiven Molaren Masse MNO der im Abgas vorhandenen Stickoxide.
Weiterhin resultiert aus den nicht aufgezeigten Reaktionsgleichungen der ablaufenden SCR-Reaktionen, dass die Ammoniakstoff menge nm der
Stoffmenge von Stickstoffdioxid nN0^ entspricht und infolgedessen der stöchiometrische Faktor fstöch ein Verhältnis der Molaren Massen M NH^ von
Ammoniak und MNO^ von Stickstoffdioxid bildet.
Demzufolge wird der stöchiometrische Faktor fstöch gemäß Formel 3 berechnet:
_ mNH3 _ Mms - nms _ Mms (Formel 3) mNOx ΜΝθ2 - ηΝθ2 MNOi
Überschreitet 208 entweder die tatsächliche Ammoniakmasse mN Halst oder die modellierte Ammoniakmasse mNHsMod eine festgelegte Grenzmasse
mNHsGrenz, die abhängig von der Stickoxid-Konvertierungsrate NOxKonvert ist, wird ein Dosierfaktor facDos als Quotient aus der tatsächlichen Ammoniakmasse mNHslst und der modellierten Ammoniakmasse mNHsMod, gemäß Formel 4, berechnet 209.
. ^ mNH st , , facDos = (Formel 4) mNH3Mod
In Figur 3 wird dies anhand eines Ausführungsbeispiels dargelegt. Hier ist der zeitliche Verlauf der tatsächlichen mNHslst und der modellierten
Ammoniakmasse mNHsMod dargestellt. Die Grenzmasse mNHsGrenz wurde an dieser Stelle bei 6 g gewählt. Am Punkt 301 überschreitet die tatsächliche Ammoniakmasse mNHslst bei einer Zeit t von ca. 22,5 Minuten die vorgegebene Grenzmasse mNHsGrenz. Im Ablaufdiagramm aus Figur 2 werden in einem nebengeordneten Schritt 210 die bei den Integrationen 206 und 207 verwendeten I-Regler zurückgesetzt. Es ist anzumerken, dass diese beiden Integrationen 206 und 207 permanent ablaufen, die Berechnung 209 des Dosierfaktors facDos jedoch diskret erfolgt. Dabei ist die Häufigkeit der Berechnung 209 des Dosierfaktors facDos von einer Dauer abhängig, bis in Schritt 208 die Grenzmasse mNhtaGrenz überschritten wurde, also besagte 22,5 Minuten. In diesem Fall erfolgt die Berechnung 209 des Dosierfaktors facDos über einen EWMA-Filter 211 (Exponential Weighted Moving Average), der auf Basis der Formel 5 arbeitet.
St = a - Yt + (l - a) - St_, , wobei S, = Yl ßr t > \ (Formel 5)
St gibt den Wert des EWMA zum Zeitpunkt t an, Yt sind die eingegebenen Rohwerte und a stellt einen Empfindlichkeitskoeffizienten des EWMA-Filters dar, wobei dieser in Abhängigkeit eines zeitlichen Abstands eines zuletzt erfolgten Nachtankereignisses des Reduktionsmittels variiert wird. In einer beispielhaften Ausführungsform ist dies auf Grundlage eines Integrators möglich, welcher eine Stickoxidmasse mNOx erfasst und im Falle des Nachtankens zurückgestellt wird. Die Auswertung durch den EWMA-Filter wird bei einer Erstinitialisierung und/oder bei einem Zurücksetzen erst aktiviert, wenn genügend Rohwerte Yt aufgenommen wurden.
Der Dosierfaktor facDos stellt eine Stellgröße für einen Stickoxid-Regler dar. Um bei schlechterer Qualität Q des Reduktionsmittels die vorgegebene hohe
Stickoxid-Konvertierungsrate NOxKonvert zu erreichen, muss der Stickoxid- Regler die Ammoniakfüllmasse FN H3 erhöhen (vgl. Figur 1), indem er die eindosierte Reduktionsmittelmasse erhöht. Mit anderen Worten wird, um dieselbe Stickoxid-Konvertierungsrate NOxKonvert zu erreichen, eine höhere
Reduktionsmittelmasse benötigt, was zu einem Anstieg des Dosierfaktors facDos führt.
In einem weiteren Schritt 212 wird geprüft, ob der Dosierfaktor facDos, wie in Figur 4 dargestellt, eine erste Schwelle 311 überschritten hat. Dies erfolgt am markierten Punkt 312 bei ca. 25 Minuten. Im Ablaufdiagramm in Figur 2 ist im Anschluss vorgesehen, einen Fehlerzustand im System zu erzeugen 213, welcher der Reduktionsmittellösung eine schlechte Qualität Q zuschreibt und daraufhin ein Fehlerspeichereintrag anzulegen 214.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel wird des Weiteren ein absinkender Dosierfaktor facDos bereitgestellt, was mit einer Verbesserung der Qualität Q korrespondiert, z.B. durch Austausch des Reduktionsmittels. Es wird in einem zusätzlichen Schritt 215 geprüft, ob der Dosierfaktor facDos, wie in Figur 5 dargestellt, eine zweite Schwelle 321 unterschritten hat. Dies erfolgt am markierten Punkt 322 bei ca. 70 Minuten. Nun wird, wie im Ablaufdiagramm aus Figur 2 dargestellt, der Fehlerzustand aufgehoben 216.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Qualitätskontrolle einer Reduktionsmittellösung für einen S CR- Katalysator mit Stickoxid-Regler, umfassend die folgenden Schritte:
Regelung (200) des S CR- Katalysators auf eine vorgegebene
Stickoxid-Konvertierungsrate (NOxKonvert);
Integration (206) eines tatsächlichen Ammoniak-Massestroms zu einer tatsächlichen Ammoniakmasse (mlNH-Ust);
Integration (207) eines modellierten Ammoniak-Massestroms zu einer modellierten Ammoniakmasse (mNHsMod);
Berechnung (208) eines Dosierfaktors (facDos) als Quotient der tatsächlichen Ammoniakmasse (mN Halst) und der modellierten
(mNHsMod) Ammoniakmasse; und
Erzeugen (213) eines Fehlerzustands, welcher der
Reduktionsmittellösung eine schlechte Qualität (Q) zuschreibt, wenn der Dosierfaktor (facDos) eine festgelegte erste Schwelle (311) überschritten (212) hat.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Abfrage (208) erfolgt, ob die tatsächliche Ammoniakmasse (mN Halst) und/oder die modellierte Ammoniakmasse (mNHsMod) eine
vorgegebene Grenzmasse (mNHsGrenz) überschreitet und die
Berechnung (208) des Dosierfaktors (facDos) nur ausgeführt wird, wenn die tatsächliche Ammoniakmasse (mN Halst) und/oder die modellierte Ammoniakmasse (mNHsMod) die Grenzmasse (mNHsGrenz) überschritten hat. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerzustand aufgehoben wird (216), wenn der Dosierfaktor (facDos) eine festgelegte zweite Schwelle (321) unterschreitet (215).
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Öffnungsdauer (töff) und eine
Öffnungsfrequenz (föff) eines Reduktionsmitteldosierventils bei der Ermittlung (206) der tatsächlichen Ammoniakmasse (m lNH-Ust) miteinbezogen wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die modellierte Ammoniakmasse (m N HsMod) einer berechneten Vorsteuermasse (m N htavor) entspricht, welche durch Multiplikation einer Stickoxid-Konzentration { cNOx ) stromaufwärts des
S CR- Katalysators mit einem Abgasmassenstrom {rhAb ) sowie einem stöchiometrischen Faktor {fstöch ) und einem modellierten Stickoxid- Wirkungsgrad {ηΝΟχ ) berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Integration (206, 207) der tatsächlichen Ammoniakmasse (mlNH-Ust) und der modellierten (m N HsMod)
Ammoniakmasse permanent abläuft und die Berechnung (209) des Dosierfaktors (facDos) zeitlich diskret erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
Häufigkeit der Berechnung (209) des Dosierfaktors (facDos) abhängig ist von einer Dauer bis bei der Integration (206, 207) der tatsächlichen Ammoniakmasse (mN Hslst) oder der modellierten Ammoniakmasse (mN HsMod) ein vorgegebener Grenzwert (mN H3Grenz) überschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein diskreter Filter zur Berechnung (208) des Dosierfaktors (facDos) eingesetzt wird (211).
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Empfindlichkeit des Filters von einem zeitlichen Abstand zu einem zuletzt erfolgten Nachtankereignis des Reduktionsmittels abhängt.
10. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des
Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.
11. Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein
Computerprogramm nach Anspruch 10 gespeichert ist.
12. Elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 eine Qualitätskontrolle einer Reduktionsmittellösung durchzuführen.
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