WO2018065141A1 - On-board diagnose für einen abgaskatalysator und alterungserkennung - Google Patents

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scr catalyst
catalyst
scr
catalytic converter
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Ralf Moos
Willibald Reitmeier
Markus Dietrich
Denny SCHÄDLICH
Markus HIEN
Katharina BURGER
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Continental Automotive Gmbh
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Definitions

  • Method is the use of an ammonia SCR system.
  • This system is particularly advantageous for reducing NOx emissions in both trucks and cars.
  • a urea water solution is injected as a reducing agent into the exhaust system of the vehicle.
  • This liquid reducing agent is vaporized in the exhaust system and ultimately converted into gaseous ammonia (NH3).
  • NH3 gaseous ammonia
  • the harmful nitrogen oxides NOx are converted into nitrogen N2 and water H20 in the ammonia-SCR catalyst.
  • ammonia-SCR reaction ammonia must first be adsorbed, ie stored, in the SCR catalyst.
  • the NOx conversion can, in particular at low catalyst temperatures, depend strongly on the amount of stored ammonia.
  • a first aspect of the present invention relates to a catalyst measuring system for on-board diagnosis and aging determination of an SCR catalyst for a vehicle.
  • the catalyst measuring system comprises the following components: a control unit for controlling the catalyst measuring system and for measuring data evaluation, an SCR catalytic converter for purifying the exhaust gases of a vehicle, a high-frequency measuring arrangement for determining the ammonia loading of an SCR catalytic converter, a NOx sensor arrangement for detecting the NOx concentration after the SCR catalyst and an ammonia dosing system for injecting ammonia into the exhaust system of the vehicle.
  • the control unit is executed to the ammonia-metering ⁇ conduct selectively inject ammonia at different rates in the exhaust system.
  • the control unit is further designed to evaluate the measured data of the NOx sensor arrangement and the high-frequency measuring arrangement and to calculate an upcoming, ie, for example, the ammonia dosing rate to be used next.
  • the catalyst measuring system should preferably be at the beginning of the
  • Measuring process have an ammonia-free SCR catalyst, which is located in a defined, stable operating point.
  • a defined, stable operating point can be present at a constant temperature, at a constant exhaust gas volume flow and / or at a constant EGR rate (exhaust gas recirculation rate).
  • the ammonia dosage of the ammonia dosing system can be switched off for this purpose.
  • the catalyst measuring system can be operated without ammonia metering until the high-frequency measuring arrangement has a constant value for the ammonia loaded.
  • the high-frequency measuring arrangement can, for example, couple electromagnetic waves into the exhaust gas line via small coupling elements, eg antennas, and measure the reflection or the transmission of the emitted electromagnetic waves. The electromagnetic waves correlate with the loading state of the SCR catalyst.
  • the metallic catalyst housing in this case represents an electrical ⁇ 's resonant cavity.
  • the sensors for example, coaxial pin coupler or loop couplers are introduced into the catalyst housing may serve, in one embodiment one or two simple antennas.
  • the di- / electrical properties of the SCR catalyst are determined by its ceramic honeycomb including the coating and the storage material and can be measured by the high-frequency measuring arrangement.
  • the change in the resonance behavior for example the resonance frequency obtained from the reflection coefficients
  • the transmission can be used as a signal feature, which however requires two antennas.
  • the reaction of the SCR system to the targeted metering by means of the high-frequency measuring device and the NOx can measure the NOx concentration in the exhaust gas after the SCR catalyst, whereby the effect of the injected ammonia is immediately visible through the NOx reduction in the exhaust gas.
  • the high frequency measurement arrangement can control the ammonia loading of the SCR catalyst Both measuring parameters of the high-frequency measuring arrangement, the resonance frequency and the dielectric losses, show a direct correlation to the stored ammonia in the SCR catalytic converter Once an injected metering rate results in the storage of ammonia in the SCR catalytic converter, it can be assumed that the injected ammonia dosing rate was too high and not there s entire injected ammonia was used for NOx conversion.
  • the aim is to use an iterative process to determine the highest possible dosing rate, without ammonia loading of the SCR catalytic converter, and to adjust this depending on the aging state of the SCR catalytic converter. For example, if by the first Do ⁇ sierrate a reduction in the NOx concentration, but no storage in the SCR catalyst apparent, can be performed by the control unit, the second with a higher dosing rate Ammoni ⁇ ak amount. If, by the second metering rate, a reduction in the NOx concentration is again evident, but also an increase in stored ammonia in the SCR catalytic converter, it can therefore be assumed that the ammonia quantity of the second gas can be reduced Dosing rate too high.
  • an ammonia-producing substance such as urea or a urea water solution (HWL) can be injected or metered into the exhaust system of the vehicle. Both alternatives can be used in conjunction with an SCR catalyst to reduce
  • NOx emissions can be used in the exhaust gases of a vehicle.
  • the controller can calculate the next Do ⁇ sierrate having an amount of ammonia between the first and the second dosing.
  • the process can be repeated until the highest possible dosing rate is found without ammonia being deposited in the SCR catalyst.
  • the highest possible dosing rate is characterized by the fact that the NOx concentration after the SCR catalyst is minimal and no or only minimal ammonia is stored in the SCR catalyst.
  • the highest possible dosing rate is also referred to as a stoichiometric point at which the Complete Ammonia reacts with the NOx, so that a minimum NOx concentration in the exhaust gas after the SCR catalyst occurs. As the catalyst ages, its catalytic activity and storage capacity decreases.
  • the storage capacity is a measure of the NOx conversion rate.
  • the aged SCR catalyst changes the maximum dosing rate.
  • the aging state of the SCR catalytic converter can also be deduced.
  • the ammonia loading of the SCR catalyst can be seen from the two measurement parameters of the high-frequency measuring arrangement.
  • the system can be designed to carry out the aging detection at specific, for example, regular intervals, so that the aging state of the catalytic converter can be monitored.
  • a NOx sensor for aging detection may be provided to reduce the minimum NOx concentration .
  • the complete emptying and the reaction of the SCR catalyst to the targeted metering rates can be determined independently in the preferably constant operating points by the catalyst measuring system. Alternatively, the aging determination by the catalyst measuring system in transient operation of the
  • Such high-frequency measuring systems are in principle also suitable for the determination of the oxygen loading of Dreiwegekatalysa ⁇ gates, lean NOx traps (LNT), diesel oxidation catalysts (DOC) or for the soot load measurement of particulate filters.
  • LNT lean NOx traps
  • DOC diesel oxidation catalysts
  • soot load measurement of particulate filters can also find application in these catalysts / particulate filters.
  • the ammonia dosing system can consist of an injection nozzle, inject the ammonia into the exhaust system, a storage tank for the ammonia, a pump, a heater for the storage tank and the lines. Furthermore, the ammonia dosing system may also comprise further components.
  • An embodiment of the invention provides that the ammonia dosing system sets the largest possible dosing rate of ammonia, which does not yet lead to an ammonia loading of the SCR catalyst.
  • the SCR catalyst can be completely freed from ammonia at the beginning of the aging measurement, so that no more ammonia is stored in the SCR catalyst.
  • the ammonia dosing system can inject targeted ammonia dosing rates into the exhaust system so that the reaction of the SCR catalytic converter can be measured to the targeted dosing rates.
  • the measured values are the NOx concentration after the SCR catalyst and the ammonia loading of the
  • the NOx concentration can be determined by the NOx sensor arrangement and the Ammoniakbe ⁇ charge of the SCR catalyst by the high-frequency Messan- order.
  • a further embodiment of the invention provides that the highest possible metering rate is characterized in that the exhaust gas has a minimum NOx concentration downstream of the SCR catalyst, without ammonia depositing in the SCR catalyst.
  • the largest possible metering rate, which is to be injected by the Ammoni ⁇ ak dosing, can be described by two main points.
  • the first point is the minimum NOx concentration in the exhaust line and the second point is that there is no or minimal ammonia loading of the SCR catalyst.
  • a maximum re ⁇ production of NOx in the exhaust gases to be ensured and at the same time prevents overdosing of ammonia.
  • the ammonia consumption can be minimized and the customer does not have to replenish the ammonia so often.
  • the maximum possible metering rate is characterized in that the exhaust gas has a minimum
  • control unit is designed to compare the measured data of the NOx sensor arrangement and the high-frequency measuring arrangement of the preceding and the current metering rate.
  • the control unit can set the current dosing rate and the response of the SCR system to the previous dosing rates and the compare subsequent reactions of the system.
  • the ammonia dosing system injects a first dosing rate, the reaction of the SCR system to the injected amount of ammonia can be recorded by the NOx sensor arrangement and the high-frequency measuring arrangement.
  • the previous dosing rates and the respective reactions of the SCR system can be taken into account. For example, was carried by the first metering no Ammo ⁇ niakbeladung the SCR catalyst, by the second metering but already, the third metering rate may have an amount of ammonia between the two previous metering rates.
  • An embodiment of the present invention provides that the controller is designed to determine the highest possible dosing rate in an iterative process.
  • the controller of the catalyst measuring system can adjust the dosing rates of ammonia after each successful injection, until a sufficiently accurate result can be ensured. This is done in an iterative process. It can be provided that at least one metering rate does not cause ammonia loading in the SCR catalyst and at least one metering rate causes ammonia loading in the SCR catalyst
  • a further embodiment of the invention provides that the high-frequency measuring arrangement for determining the ammonia loading of the SCR catalytic converter measures the resonance frequency of the SCR catalytic converter. The resonant frequency of the SCR catalyst changes depending on the amount of ammonia stored in the SCR catalytic converter.
  • the resonance frequency remains constant.
  • the resonant frequency is also constant when the SCR Kataly ⁇ sator is empty. As ammonia is stored in the SCR catalyst, the resonance frequency begins to change.
  • a further embodiment of the invention provides that the high-frequency measuring arrangement measures the dielectric losses of the SCR catalytic converter.
  • the high frequency measurement arrangement may also measure the dielectric losses of the SCR catalyst to determine the ammonia loading of the SCR catalyst.
  • the dielectric losses of the SCR catalyst change depending on the amount of ammonia stored in the SCR catalyst. As ammonia is stored in the SCR catalyst, the dielectric losses begin to change.
  • control unit is designed to determine the aging state of the SCR catalytic converter from the measured NOx concentration and / or the measured ammonia load.
  • the controller of the catalyst measurement system can compare the measured response to the different metering rates and the resulting highest possible metering rates with a typical behavior for an SCR catalyst.
  • the maximum dosing rate and the measured values of NOx concentration and the ammonia concentrator ⁇ loading the SCR catalyst can be concluded that the aging state of the SCR catalyst. The older the SCR catalyst is, the lower its reactivity, thus reducing the highest possible metering rate, which does not cause ammonia loading in the SCR catalyst.
  • a further aspect of the invention relates to a vehicle having an SCR catalyst and a catalyst measuring system described above and below for determining the greatest possible metering rate of ammonia, which leads to the greatest possible reduction of the NOx concentration in the exhaust gas, without ammonia in the SCR catalyst. Catalyst is deposited.
  • a vehicle may be equipped with the catalyst measuring system to reduce the NOx output of the vehicle.
  • the catalytic converter measuring system is installed.
  • the catalyst measuring system can determine the aging state of the SCR Kataly ⁇ crystallizer and measure the stored amount of ammonia in the SCR catalyst. Based on the individual dosing rates, the catalyst measuring system can adjust its control so that the greatest possible reduction in NOx emissions can be ensured without an ammonia overdosing taking place.
  • the vehicle may be a gasoline, diesel, biofuel, synthetic fuel or gas vehicle. Also, the invention can be used in hybrid vehicles with an internal combustion engine.
  • the vehicle is designed with an SCR catalytic converter and a catalyst measuring system for determining a maximum possible metering rate of ammonia, which leads to the greatest possible reduction of the ammonia
  • NOx concentration in the exhaust gas leads so that only minimal ammonia is deposited in the SCR catalyst.
  • the vehicle is, for example, a
  • Another aspect of this invention relates to a method for on-board diagnosis and for determining the state of aging of an SCR catalyst, comprising the steps of:
  • the method for on-board diagnosis and for determining the state of aging of an SCR catalyst has several
  • Steps up At the beginning of the process, the reference ⁇ parameters can be generated for later comparison. For this purpose, the behavior of a SCR catalytic converter when new or the last valid measurement can be used. Subsequently, the actual measurement can be started; for this purpose, preferably a constant operating point of the SCR catalytic converter can be approached. At this constant operating point, the temperature, the volumetric flow and the
  • SCR catalyst is stored, i. to find the stoichiometric metering point.
  • Knowledge of the stoichiometric metering point is relevant in that it is a direct measure of the activity of the catalyst. With aging, the latter decreases, which already at lower dosing ammonia in
  • SCR catalyst is stored. Possible reasons for this aging are, for example, sintering effects in the coating or poisoning of the catalytic centers. Subsequently, the ammonia dosing system injects in defined
  • Dosing rates ammonia into the exhaust system The response of the SCR system to the injected metering rate is detected by the NOx sensor assembly and the radio frequency metering assembly. Based on the measured values, the control unit calculates the next dosing rate.
  • the method provides for the highest possible dosing rate, which leads to no or only minimal storage of ammonia in the SCR catalyst. For this purpose, several different dosing rates in the
  • Dosage rates can be found in an iterative process, the largest possible dosing rate, which still leads to no storage of ammonia in the SCR catalyst. Based on the determined maximum dosing rate, the aging condition of the SCR catalyst are closed. With increasing age the reactivity decreases and thus the highest possible dosing rate without ammonia loading of the SCR catalyst.
  • the method it is possible to determine the catalytic activity of the coating and to detect its aging over the lifetime of the catalyst.
  • the resonance frequency and the dielectric losses correlate directly with the ammonia loading on the catalyst surface. If this Ver ⁇ operate regularly applied, the aging of the catalytic AK- can the maximum dosing rate will be determined over the lifetime of the SCR catalyst tivity. In this way, for example, the operating strategy can be adapted and the optimum operation of the catalytic converter can be ensured.
  • thermal regeneration of the SCR catalyst could also be initiated in order to eliminate any reversible poisoning effects. Presumed prerequisite is a functioning, trouble-free ammonia dosing system.
  • the stoichiometric metering rates can be determined for different operating points, which makes it possible to adapt the metering strategy to the SCR catalytic converter and to always operate the SCR catalytic converter in its optimum operating window. For example, it may be possible to optimize for a minimum storage volume with maximum revenue.
  • Another aspect of the present invention relates to a program element that, when used by a controller of a
  • Catalyst measuring system is executed, the catalyst measuring ⁇ system instructs to perform the method described in the context of the present invention.
  • Another aspect of the present invention relates to a computer-readable medium on which a computer program is stored which, when executed by a controller of a Ka ⁇ talysatormesssystems, the catalyst measuring system instructs to carry out the process described in the context of the present invention.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a Kataly ⁇ satormesssystems according to an embodiment of the invention.
  • 2 shows a schematic representation of an engine with an exhaust system and the catalyst measuring system according to an exemplary embodiment of the invention.
  • FIG 3 shows a diagram in which the time profile of the NOx concentration, the ammonia injection and the ammonia loading of the SCR catalyst is shown.
  • Fig. 5 shows by way of example a vehicle with a built-in catalytic converter measuring system according to an exemplary embodiment of the invention.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of one Katalysa ⁇ tormesssystems 100.
  • the Ammoniakbe ⁇ charge can be calculated by means of models which are based on signals confusester sensors and actuators of the exhaust system. Furthermore, engine operating state data enter the models as an input variable. Since the accuracy of the models is limited and the parameters also change over time, an ammonia slip strategy can be used.
  • the problems arising here are above all the inaccuracy of the model, since an error chain of the individual components exists, eg in the engine control, the temperature measurement, the sensor inaccuracies and the determination of the different actuator positions.
  • the indicated for the determination of ammonia loading of an SCR catalyst 110 is a direct measurement of the Bela ⁇ -making state by means of a high-frequency measuring device 130 (RF Measurement System), also known as microwave method will be done.
  • the catalyst measuring system 100 comprises an SCR catalytic converter 110, a control unit 120, a high-frequency measuring arrangement 130, a NOx sensor arrangement 150 and an ammonia dosing system 140.
  • the SCR catalytic converter 110 serves to purify the exhaust gas of a vehicle from harmful NOx emissions.
  • ammonia is additionally required, which is injected in liquid form into the exhaust system of the vehicle through the ammonia dosing system 140.
  • the injected ammonia vaporizes and converts the NOx into nitrogen and water in the SCR catalyst 110.
  • the controller 120 is used controlling the injection of ammonia by the ammonia dosing system 140 and, moreover, the controller 120 monitors the aging condition of the SCR catalyst 110.
  • the controller 110 may also be partially or wholly part of another control unit, such as the ECU.
  • the controller 120 requires the current ammonia loading of the SCR catalyst 110 and the NOx concentration in the exhaust gas, this is ensured by the RF measurement assembly 130 and the NOx sensor assembly 150.
  • the Hochfre acid sequence measuring arrangement 130 to measure the resonance frequency and the dielectric loss of the SCR catalyst in the situation. Both measured parameters change depending on the amount of ammonia stored in the SCR catalytic converter.
  • NOx sensor assembly 150 is capable of remaining
  • the control unit 120 can determine from the measured parameters in an iterative process the highest possible metering rate of ammonia at which no ammonia is yet stored in the SCR catalytic converter 110. From the determined highest possible metering rates, the controller 120 may conclude the aging condition of the SCR catalyst 110. As aging increases, the highest possible metering rate, at which no ammonia is stored in the SCR catalyst 110, decreases.
  • Fig. 2 shows the catalyst measuring system 100 of FIG. 1 is installed in an exhaust system 220 of a vehicle, said Kataly ⁇ sator measuring system includes an antenna for loading measurement of the SCR catalyst 110 in the embodiment of FIG. 2, 100.
  • the internal combustion engine 210 generates in the combustion of
  • NOx nitrogen oxides
  • the exhaust gases are discharged through the exhaust system 220 into the environment.
  • the exhaust system 220 exhaust gas purification systems, such as an SCR catalyst 110 installed.
  • the catalyst installed measuring system 100 in the ab ⁇ gas system 220 to monitor the aging of the SCR catalyst 110 and to optimize the control of the SCR catalyst 110th
  • the two dosing rates 1 and 2 differ in their respective amount of injected ammonia. Corresponding to the amount of stored ammonia in the SCR catalyst, the resonance frequency and the dielectric losses behave.
  • Fig. 3 shows two different dosing rates, where: Rate 1 ⁇ rate 2. At rate 1, the NOx conversion is about 75%, but it is visibly no ammonia is deposited in the SCR catalyst. When using the metering rate 2 comes to a recognizable ammonia loading of the SCR catalyst, whereby it can be seen that this dosage is more than stoichiometric. Likewise, the NOx conversion is at a consistently high level.
  • step 401 the reference parameters are determined for a later comparison. For this, the response of the SCR system to a defined ammonia dosing rate measured.
  • the initialization of the measurement takes place in step 402.
  • the SCR catalyst is operated at a constant operating point without ammonia injection, so that ideally no ammonia is incorporated in the SCR catalyst, or only to a small extent. Injection of ammonia in defined metering rates takes place in step 403.
  • step 404 the measurement of the
  • step 405 shows a vehicle 500 with a catalyst measuring system 100.
  • the catalyst measuring system 100 is used for on-board diagnosis and determination of the aging state of the SCR catalytic converter.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Katalysatormesssystem zur On-Board-Diagnose und zur Alterungsbestimmung eines SCR-Katalysators für ein Fahrzeug. Das Katalysatormesssystem weist folgende Bestandteile auf: ein Steuergerät, zum Steuern des Katalysatormesssystems und zur Messdatenauswertung, ein SCR-Katalysator zur Reinigung der Abgase eines Fahrzeugs, eine Hochfrequenz-Messanordnung zur Bestimmung der Ammoniakbeladung eines SCR-Katalysators, eine NOx-Sensoranordnung, zur Erfassung der NOx-Konzentration nach dem SCR-Katalysator und ein Ammoniak-Dosiersystem zum Einspritzen von Ammoniak in die Abgasanlage eines Fahrzeugs. Das Steuergerät ist ausgeführt, das Ammoniak-Dosiersystem anzuleiten, gezielt Ammoniak mitunterschiedlichen Dosierraten in die Abgasanlage einzuspritzen. Das Steuergerät ist weiter ausgeführt, die gemessenen Daten der NOx-Sensoranordnung und der Hochfrequenz-Messanordnung auszuwerten und daraus die kommende Ammoniak-Dosierrate zu berechnen.

Description

Beschreibung
On-Board Diagnose für einen Abgaskatalysator und Alterungs¬ erkennung
Mit Verbrennungsmotoren betriebene Pkw oder Lkw sind zu einem festen Bestandteil der modernen Gesellschaft geworden. Die Automobilindustrie hat es sich zur Aufgabe gemacht Fahrzeuge zu entwickeln die sich durch niedrige Schadstoffemissionen aus- zeichnen und gleichzeitig kostengünstig herstellbar sind.
Insbesondere sind derzeit Stickoxidminderungstechnologien im Entwicklungsfokus .
Zur Reduktion der Stickoxidkonzentration (NOx) im Abgas werden deshalb neue Methoden zur Abgasreinigung entwickelt. Eine
Methode ist die Verwendung eines Ammoniak-SCR-Systems . Dieses System ist insbesondere zur Senkung des NOx-Ausstoßes sowohl bei LKWs als auch bei PKWs vorteilhaft. In einer Ausführungsform des SCR-Systems wird eine Harnstoffwasserlösung als Reduktionsmittel in die Abgasanlage des Fahrzeugs eingespritzt. Dieses flüssige Reduktionsmittel wird in der Abgasanlage verdampft und letztendlich in gasförmigen Ammoniak (NH3) umgewandelt. Mit Hilfe dieses Ammoniaks werden im Ammoniak-SCR-Katalysator die schädlichen Stickoxide NOx zu Stickstoff N2 und Wasser H20 umgewandelt. Damit die Ammoni- ak-SCR-Reaktion stattfinden kann, muss zunächst Ammoniak im SCR-Katalysator adsorbiert, also eingelagert, werden. Der NOx Umsatz kann, insbesondere bei niedrigen Katalysatortempera- turen, stark von der Menge an eingespeichertem Ammoniak abhängen .
Es ist die Aufgabe der Erfindung, die NOx-Emissionen eines Fahrzeugs zu senken. Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst . Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen .
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Katalysatormesssystem zur On-Board-Diagnose und zur Alterungsbestimmung eines SCR-Katalysators für ein Fahrzeug. Das Katalysatormesssystem weist folgende Bestandteile auf: ein Steuergerät, zum Steuern des Katalysatormesssystems und zur Messdatenauswertung, ein SCR-Katalysator zur Reinigung der Abgase eines Fahrzeugs, eine Hochfrequenz-Messanordnung zur Bestimmung der Ammoniakbeladung eines SCR-Katalysators, eine NOx-Sensoranordnung, zur Erfassung der NOx-Konzentration nach dem SCR-Katalysator und ein Ammoniak-Dosiersystem zum Einspritzen von Ammoniak in die Abgasanlage des Fahrzeugs. Das Steuergerät ist ausgeführt, das Ammoniak-Dosiersystem anzu¬ leiten, gezielt Ammoniak mit unterschiedlichen Dosierraten in die Abgasanlage einzuspritzen. Das Steuergerät ist weiter ausgeführt, die gemessenen Daten der NOx-Sensoranordnung und der Hochfrequenz-Messanordnung auszuwerten und daraus eine kommende, also beispielsweise die als nächstes zu verwendende Ammoniak-Dosierrate zu berechnen. Das Katalysatormesssystem sollte vorzugsweise zu Beginn des
Messvorgangs einen Ammoniak freien SCR-Katalysator aufweisen, der sich in einem definierten, stabilen Betriebspunkt befindet. Ein definierter, stabiler Betriebspunkt kann bei konstanter Temperatur, bei konstantem Abgasvolumenstrom und/oder bei gleichbleibender AGR-Rate (Abgasrückführungsrate) vorhanden sein. Die Ammoniak-Dosierung des Ammoniak-Dosiersystem kann hierfür ausgeschaltet werden. Das Katalysatormesssystem kann ohne Ammoniak-Dosierung betrieben werden, bis die Hochfrequenz-Messanordnung einen konstanten Wert für die Ammoniak- beladung erfasst. Die Hochfrequenz-Messanordnung kann beispielsweise über kleine Koppelelemente, z.B. Antennen, elektromagnetische Wellen in den Abgasstrang einkoppeln und die Reflexion oder die Transmission der ausgesendeten elektro- magnetischen Wellen messen. Die elektromagnetischen Wellen korrelieren mit dem Beladungszustand des SCR-Katalysators . Das metallische Katalysatorgehäuse stellt hierbei einen elektri¬ schen Hohlraumresonator dar. Als Sensoren können in einem Ausführungsbeispiel ein oder zwei einfache Antennen dienen, beispielsweise koaxiale Stiftkoppler oder Loop-Koppler, die in das Katalysatorgehäuse eingebracht werden. Die di-/elektrischen Eigenschaften des SCR-Katalysators werden durch seinen keramischen Wabenkörper inkl. der Be- Schichtung und des Speichermaterials bestimmt und können durch die Hochfrequenz-Messanordnung gemessen werden.
Bei Abgaskatalysatoren kann die Änderung des Resonanzverhaltens, beispielsweise die aus den Reflexionskoeffizienten erhaltene Resonanzfrequenz, als Signalmerkmal genutzt werden. Alternativ kann die Transmission als Signalmerkmal verwendet werden, welches jedoch zwei Antennen erfordert.
Werden durch eine Antenne hochfrequente elektromagnetische Wellen in einen Hohlraumresonator eingekoppelt, bilden sich in diesem mehrere stehende Wellen aus, die als Moden bezeichnet werden. Jede Mode weist ein eigenes Schwingungsbild bei der jeweiligen Resonanzfrequenz auf. Diese ausgeprägten Resonanzstellen ändern ihre Frequenz und Dämpfung in Abhängigkeit des Beladungszustandes des SCR-Katalysators. Somit kann es möglich sein, mit Hilfe dieser Hochfrequenz-Messanordnung die Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators direkt zu messen.
Für die On-Board-Diagnose und die Alterungserkennung kann Ammoniak in gezielten Dosierraten, welche variiert werden, in die Abgasanlage des Fahrzeugs eingespritzt werden. Unter „Do¬ sierrate" ist hierbei sowohl die eigentliche Zugaberate als auch die Dauer der Zugabe zu verstehen, sodass die Dosierrate einer zugegebenen Menge an Ammoniak entspricht. Die Reaktion des SCR-Systems auf die gezielten Dosierraten wird mittels der Hochfrequenz-Messanordnung und der NOx-Sensoranordnung gemessen . Die NOx-Sensoranordnung kann die NOx-Konzentration im Abgas nach dem SCR-Katalysator messen. Hierbei wird der Effekt des eingespritzten Ammoniaks sofort durch die NOx-Reduktion im Abgas sichtbar. Die Hochfrequenz-Messanordnung kann die Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators messen. Beide Messparameter der Hochfrequenz-Messanordnung, die Resonanzfrequenz und die dielektrischen Verluste, zeigen eine direkte Korrelation zu dem eingelagerten Ammoniak im SCR-Katalysator. Sobald durch eine eingespritzte Dosierrate eine Einlagerung von Ammoniak im SCR-Katalysator stattfindet, kann davon ausgegangen werden, dass die eingespritzte Ammoniak-Dosierrate zu hoch war und nicht das gesamte eingespritzte Ammoniak für die NOx-Konvertierung genutzt wurde .
Ziel ist es durch einen iterativen Prozess die größtmögliche Dosierrate, ohne Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators, zu bestimmen und diese abhängig von dem Alterungszustand des SCR-Katalysators anzupassen. Z.B. wenn durch die erste Do¬ sierrate eine Reduktion der NOx-Konzentration, jedoch noch keine Einlagerung im SCR-Katalysator ersichtlich ist, kann durch das Steuergerät die zweite Dosierrate mit einer höheren Ammoni¬ ak-Menge erfolgen. Ist durch die zweite Dosierrate wiederum eine Verringerung der NOx-Konzentration ersichtlich, jedoch auch ein Anstieg an eingelagertem Ammoniak im SCR-Katalysator, kann somit davon ausgegangen werden, dass die Ammoniak-Menge der zweiten Dosierrate zu hoch erfolgte. Alternativ zu Ammoniak kann eine Ammoniak erzeugende Substanz wie z.B. Urea oder eine Harnstoffwasserlösung (HWL) in die Abgasanlage des Fahrzeuges eingespritzt bzw. dosiert werden. Beide Alternativen können in Verbindung mit einem SCR-Katalysator zur Minderung von
NOx-Emissionen in den Abgasen eines Fahrzeuges verwendet werden.
Aus den gewonnen Daten kann das Steuergerät die kommende Do¬ sierrate berechnen, welche eine Ammoniak-Menge zwischen der ersten und der zweiten Dosierrate aufweist. Der Prozess kann so lange wiederholt werden, bis die größtmögliche Dosierrate gefunden wurde, ohne dass Ammoniak im SCR-Katalysator abgelagert wird . Die größtmögliche Dosierrate zeichnet sich dadurch aus, dass die NOx-Konzentration nach dem SCR-Katalysator minimal wird und noch kein oder nur minimal Ammoniak in den SCR-Katalysator eingelagert wird. Die größtmögliche Dosierrate wird auch als stöchiomet- rischer Punkt bezeichnet, an welchem das Komplette Ammoniak mit dem NOx reagiert , sodass eine minimale NOx-Konzentration im Abgas nach dem SCR-Katalysator auftritt. Ist der Katalysator gealtert, so nimmt dessen katalytische Wirkung und Speicherfähigkeit ab. Umgekehrt ist die Speicherfähigkeit also ein Maß für die NOx-Konvertierungsrate . Durch den gealterten SCR-Katalysator verändert sich die größtmögliche Dosierrate. Somit kann aufgrund der geänderten größtmöglichen Dosierrate auch auf den Alterungszustand des SCR-Katalysators geschlossen werden. Die Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators ist aus den beiden Messparametern der Hochfrequenz-Messanordnung ersichtlich. Das System kann ausgeführt sein, die Alterungserkennung in bestimmten, bspw. regelmäßigen Abständen durchzuführen, sodass der Alterungszustand des Katalysators überwacht werden kann. Für das Katalysatormesssystem kann ein NOx-Sensor zur Alterungserkennung vorgesehen sein, um die minimale NOx-Konzentration nach ,
b dem SCR-Katalysator festzustellen. Die vollständige Entleerung sowie die Reaktion des SCR-Katalysators auf die gezielten Dosierraten können in den vorzugsweisen konstanten Betriebspunkten eigenständig durch das Katalysatormesssystem ermittelt werden. Alternativ kann die Alterungsbestimmung durch das Katalysatormesssystem auch im transienten Betrieb des
SCR-Katalysators erfolgen, also während der Fahrt des Fahr¬ zeuges . Solche Hochfrequenz-Messsysteme eignen sich prinzipiell auch für die Bestimmung der Sauerstoffbeladung von Dreiwegekatalysa¬ toren, Lean NOx Traps (LNT) , Dieseloxidationskatalysatoren (DOC) oder für die Rußbeladungsmessung von Partikelfiltern. Somit kann das vorhergehend und nachfolgend beschriebene System auch bei diesen Katalysatoren / Partikelfiltern Anwendung finden.
Das Ammoniak-Dosiersystem kann aus einer Einspritzdüse, zum einspritzen des Ammoniaks in die Abgasanlage, einem Vorratstank für den Ammoniak, einer Pumpe, einer Heizung für den Vorratstank und den Leitungen bestehen. Ferner kann das Ammoniak-Dosiersystem auch weitere Komponenten aufweisen.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Ammoniak-Dosiersystem die größtmögliche Dosierrate an Ammoniak, welche noch nicht zu einer Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators führt, einstellt.
Der SCR-Katalysator kann zu Beginn der Alterungsmessung komplett von Ammoniak befreit werden, sodass kein Ammoniak mehr in dem SCR-Katalysator eingelagert ist. Sobald der SCR-Katalysator vom Ammoniak befreit ist, kann das Ammoniak-Dosiersystem gezielte Ammoniak-Dosierraten in die Abgasanlage einspritzen, sodass die Reaktion des SCR-Katalysators auf die gezielten Dosierraten gemessen werden kann. Als Messwerte werden die NOx-Konzentration nach dem SCR-Katalysator und die Ammoniakbeladung des
SCR-Katalysators herangezogen. Die NOx-Konzentration kann durch die NOx-Sensoranordnung ermittelt werden und die Ammoniakbe¬ ladung des SCR-Katalysators durch die Hochfrequenz-Messan- Ordnung.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die größtmögliche Dosierrate dadurch gekennzeichnet ist, dass das Abgas eine minimale NOx-Konzentration nach dem SCR-Katalysator aufweist, ohne dass sich Ammoniak im SCR-Katalysator ablagert.
Die größtmögliche Dosierrate, welche durch das Ammoni¬ ak-Dosiersystem eingespritzt werden soll, kann durch zwei wesentliche Punkte beschrieben werden. Der erste Punkt ist die minimale NOx-Konzentration im Abgasstrang und der zweite Punkt ist, dass keine oder nur eine minimale Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators erfolgt. Somit kann eine größtmögliche Re¬ duktion von NOx in den Abgasen sichergestellt werden und gleichzeitig eine Überdosierung an Ammoniak verhindert werden. Somit kann der Ammoniak-Verbrauch minimiert werden und der Kunde muss den Ammoniak nicht so oft nachfüllen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die größtmögliche Dosierrate dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas eine minimale
NOx-Konzentration nach dem SCR-Katalysator aufweist, sodass sich nur minimal Ammoniak im SCR-Katalysator ablagert.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Steuergerät ausgeführt, die gemessenen Daten der NOx-Sensoranordnung und der Hochfre- quenz-Messanordnung der vorhergehenden und der aktuellen Dosierrate zu vergleichen.
Das Steuergerät kann die aktuelle Dosierrate und die Reaktion des SCR-Systems hierauf mit den vorhergehenden Dosierraten und den darauffolgenden Reaktionen des Systems vergleichen. Das Ammoniak-Dosiersystem spritzt eine erste Dosierrate ein, die Reaktion des SCR-System auf die eingespritzte Menge an Ammoniak kann durch die NOx-Sensoranordnung und die Hochfre- quenz-Messanordnung aufgenommen werden. Für die Berechnung der kommenden Dosierrate können die bisherigen Dosierraten und die jeweils aufgetretenen Reaktionen des SCR-System berücksichtigt werden. Z.B. erfolgte durch die erste Dosierrate keine Ammo¬ niakbeladung des SCR-Katalysators , durch die zweite Dosierrate jedoch schon, kann die dritte Dosierrate eine Ammoniakmenge zwischen den beiden vorhergehenden Dosierraten aufweisen.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass das Steuergerät ausgeführt ist, die größtmögliche Dosierrate in einem iterativen Verfahren zu bestimmen.
Mit anderen Worten, das Steuergerät des Katalysatormesssystems kann die Dosierraten an Ammoniak nach jeder erfolgten Einspritzung anpassen, so lange bis ein hinreichend genaues Ergebnis sichergestellt werden kann. Dies geschieht in einem iterativen Verfahren. Es kann vorgesehen sein, dass mindestens eine Dosierrate keine Ammoniakbeladung im SCR-Katalysator hervorruft und mindestens eine Dosierrate eine Ammoniakbeladung im
SCR-Katalysator hervorruft. Die kommende Dosierrate weist eine Ammoniakmenge auf, welche zwischen den beiden vorherigen Do¬ sierraten liegt. Der Prozess wird so lange wiederholt, bis die größtmögliche Dosierrate gefunden wurde, welche noch keine Ammoniakbeladung im SCR-Katalysator hervorruft. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Hochfrequenz-Messanordnung zur Bestimmung der Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators die Resonanzfrequenz des SCR-Katalysators misst. Die Resonanzfrequenz des SCR-Katalysators ändert sich abhängig von der Menge an eingelagertem Ammoniak im SCR-Kataly- _
y sator. Kann kein Ammoniak mehr durch den SCR-Katalysator aufgenommen werden, bleibt die Resonanzfrequenz konstant. Die Resonanzfrequenz ist ebenfalls konstant, wenn der SCR-Kataly¬ sator leer ist. Sobald Ammoniak in dem SCR-Katalysator ein- gelagert wird, beginnt sich die Resonanzfrequenz zu ändern.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Hochfrequenz-Messanordnung die dielektrischen Verluste des SCR-Katalysators misst.
Die Hochfrequenz-Messanordnung kann zur Bestimmung der Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators auch die dielektrischen Verluste des SCR-Katalysators messen. Die dielektrischen Verluste des SCR-Katalysators ändern sich abhängig von der Menge an eingelagertem Ammoniak im SCR-Katalysator . Sobald Ammoniak in dem SCR-Katalysator eingelagert wird, beginnen sich die dielektrischen Verluste zu ändern.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das Steuergerät ausgeführt ist, den Alterungszustand des SCR-Katalysators aus der gemessenen NOx-Konzentration und/oder der gemessenen Ammoniakbeladung zu bestimmen.
Mit anderen Worten, das Steuergerät des Katalysatormesssystems kann die gemessene Reaktion auf die unterschiedlichen Dosierraten und die resultierende größtmögliche Dosierraten mit einem typischen Verhalten für einen SCR-Katalysator vergleichen. Durch die größtmögliche Dosierrate und die Messwerte der NOx-Konzen¬ tration und der Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators kann auf den Alterungszustand des SCR-Katalysators geschlossen werden . Je älter der SCR-Katalysator ist, desto geringer ist dessen Reaktionsfreudigkeit, somit sinkt die größtmögliche Dosierrate, welche keine Ammoniakbeladung im SCR-Katalysator hervorruft. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem SCR-Katalysator und einem oben und im Folgenden beschriebenen Katalysatormesssystem zur Bestimmung einer größtmöglichen Dosierrate an Ammoniak, welche zu einer größtmöglichen Redu- zierung der NOx-Konzentration im Abgas führt, ohne dass Ammoniak im SCR-Katalysator abgelagert wird.
Ein Fahrzeug kann mit dem Katalysatormesssystem ausgerüstet sein, um den NOx-Ausstoß des Fahrzeugs zu senken. Damit eine einwandfreie Funktionsweise des SCR-Katalysators sichergestellt werden kann, wird das Katalysatormesssystem verbaut. Das Katalysatormesssystem kann den Alterungszustand des SCR-Kataly¬ sators bestimmen und die eingelagerte Menge an Ammoniak im SCR-Katalysator messen. Basierend auf den einzelnen Dosierraten kann des Katalysatormesssystem seine Regelung anpassen, sodass eine größtmögliche Reduktion an NOx-Emissionen sichergestellt werden kann, ohne das eine Ammoniak-Überdosierung stattfindet. Das Fahrzeug kann ein Benzin-, Diesel-, Bio-Fuels, synthetische Kraftstoffe oder Gasfahrzeug sein. Auch kann die Erfindung in Hybridfahrzeugen mit einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Fahrzeug mit einem SCR-Katalysator und einem Katalysatormesssystem zur Bestimmung einer größtmöglichen Dosierrate an Ammoniak aus- geführt, welche zu einer größtmöglichen Reduzierung der
NOx-Konzentration im Abgas führt, sodass nur minimal Ammoniak im SCR-Katalysator abgelagert wird.
Bei dem Fahrzeug handelt es sich beispielsweise um ein
Kraftfahrzeug, wie Auto, Bus oder Lastkraftwagen, oder aber auch um ein Schienenfahrzeug, ein Schiff, ein Luftfahrzeug, wie ein Helikopter oder ein Flugzeug. Ein weiterer Aspekt dieser Erfindung betrifft ein Verfahren zur On-Board-Diagnose und zur Bestimmung des Alterungszustandes eines SCR-Katalysators, folgende Schritte aufweisend:
Ermitteln der NOx-Konzentration bei dosierter Ammoniak Einspritzung eines SCR-Katalysators als Referenz.
Initialisieren der Messung, indem der SCR-Katalysator in einem konstanten Betriebspunkt ohne Ammoniak-Einspritzung betrieben wird, sodass kein oder nur wenig Ammoniak im
SCR-Katalysator eingelagert ist.
- Einspritzen von Ammoniak in die Abgasanlage gemäß einer definierten Dosierrate.
Messen der NOx-Konzentration nach dem SCR-Katalysator und der Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators.
Ermitteln der größtmöglichen Ammoniak Dosierrate, bei welcher die NOx-Konzentration nach dem SCR-Katalysator minimal wird, ohne dass eine oder nur eine minimale Ammoniakbeladung in dem SCR-Katalysator auftritt.
Bestimmen des Alterungszustands des SCR-Katalysators unter Berücksichtigung der größtmöglichen Dosierrate.
Das Verfahren zur On-Board-Diagnose und zur Bestimmung des Alterungszustandes eines SCR-Katalysators weist mehrere
Schritte auf. Zu Beginn des Verfahrens können die Referenz¬ parameter für einen späteren Vergleich generiert werden. Hierfür können sowohl das Verhalten eines SCR-Katalysators im Neuzustand oder die letzte gültige Messung herangezogen werden. Anschließend kann mit der eigentlichen Messung begonnen werden, hierzu kann vorzugsweise ein konstanter Betriebspunkt des SCR-Katalysators angefahren werden. In diesem konstanten Be- triebspunkt sollte die Temperatur, der Volumenstrom und die
AGR-Rate konstant gehalten werden. Des Weiteren wird in dieser Phase kein Ammoniak durch das Ammoniak-Dosiersystem in die Abgasanlage eingespritzt, sodass der eingelagerte Ammoniak im SCR-Katalysator mit dem NOx aus den Abgasen reagiert. Der SCR-Katalysator ist somit frei von Ammoniak. Es können hierfür auch verschiedene Betriebspunkte hinterlegt sein, die für das Verfahren herangezogen werden. Dabei wird das Signal der NOx-Sensoranordnung benötigt, damit die NOx-Emissionen für den jeweiligen Betriebspunkt gemessen werden können. Da der Katalysator komplett entleert wird, genügt hierfür auch eine NOx-Sensoranordnung nach dem SCR-Katalysator. Mit Hilfe der Hochfrequenz-Messanordnung, die ein direktes Maß der Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators ist, ist es möglich die größtmögliche Ammoniak Dosierrate zu finden, bei der das komplette Ammoniak reagiert, aber noch kein Ammoniak im
SCR-Katalysator eingelagert wird, d.h. den stöchiometrischen Dosierpunkt zu finden. Die Kenntnis über den stöchiometrischen Dosierpunkt ist insofern relevant, da er ein direktes Maß für die Aktivität des Katalysators ist. Bei Alterung nimmt letztere ab, wodurch schon bei niedrigeren Dosierraten Ammoniak im
SCR-Katalysator eingelagert wird. Mögliche Gründe für diese Alterung sind beispielsweise Sinterungseffekte in der Be- schichtung oder Vergiftungen der katalytischen Zentren. Im Anschluss spritzt das Ammoniak-Dosiersystem in definierten
Dosierraten Ammoniak in die Abgasanlage ein. Die Reaktion des SCR-Systems auf die eingespritzte Dosierrate wird von der NOx-Sensoranordnung und der Hochfrequenz-Messanordnung erfasst. Basierend auf den Messwerten berechnet das Steuergerät die kommende Dosierrate. Das Verfahren sieht vor die größtmögliche Dosierrate, welche zu keiner oder nur zu einer minimalen Einlagerung von Ammoniak im SCR-Katalysator führt, zu finden. Hierfür werden mehrere verschiedene Dosierraten in das
SCR-System eingebracht und jeweils die Reaktion des SCR-Systems auf die jeweiligen Dosierraten erfasst. Durch die mehreren
Dosierraten kann in einem iterativen Prozess die größtmögliche Dosierrate gefunden werden, welche noch zu keiner Einlagerung von Ammoniak in dem SCR-Katalysator führt. Auf Grundlage der ermittelten größtmöglichen Dosierrate kann auf den Alterungs- zustand des SCR-Katalysators geschlossen werden. Mit zunehmen Alter verringert sich die Reaktivität und somit nimmt die größtmögliche Dosierrate ohne Ammoniakbeladung des
SCR-Katalysators über die Zeit ab. Das vorhergehend und nachfolgend beschriebene Verfahren kann auch im transienten Betrieb des SCR-Katalysators angewandt werden.
Mit dem Verfahren ist es möglich die katalytische Aktivität der Beschichtung zu bestimmen und über der Lebenszeit des Kata- lysators seine Alterung zu detektieren. Die Resonanzfrequenz und die dielektrischen Verluste korrelieren direkt mit der Ammoniakbeladung auf der Katalysatoroberfläche. Wird dieses Ver¬ fahren in regelmäßigen Abständen angewandt, so kann über die größtmögliche Dosierrate die Alterung der katalytischen Ak- tivität über der Lebenszeit des SCR-Katalysators bestimmt werden. Damit kann beispielsweise die Betriebsstrategie an- gepasst und der optimale Betrieb des Katalysators sichergestellt werden. Ebenso könnte auch eine thermische Regenerierung des SCR-Katalysators initiiert werden, um ggf. reversible Ver- giftungseffekte zu beseitigen. Vermutete Voraussetzung ist ein funktionsfähiges, störungsfreies Ammoniak-Dosiersystem. Es können für unterschiedliche Betriebspunkte die stöchiometri- schen Dosierraten bestimmt werden, wodurch es möglich ist die Dosierstrategie an den SCR-Katalysator anzupassen und den SCR-Katalysator immer in seinem optimalen Betriebsfenster zu betreiben. So kann beispielsweise eine Optimierung auf eine minimale Speichermenge bei maximalem Umsatz möglich sein.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Programmelement, das, wenn es von einem Steuergerät eines
Katalysatormesssystems ausgeführt wird, das Katalysatormess¬ system anleitet, das im Kontext der vorliegenden Erfindung beschriebene Verfahren durchzuführen. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein computerlesbares Medium, auf dem ein Computerprogramm gespeichert ist, das, wenn es von einem Steuergerät eines Ka¬ talysatormesssystems ausgeführt wird, das Katalysatormesssystem anleitet, das im Kontext der vorliegenden Erfindung beschriebene Verfahren durchzuführen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und Figuren.
Die Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu. Sind in der nachfolgenden Beschreibung in verschiedenen Figuren die gleichen Bezugszeichen angegeben, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kataly¬ satormesssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Motors mit einer Abgasanlage und dem Katalysatormesssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm in welchem der zeitliche Verlauf der NOx-Konzentration, der Ammoniakeinspritzung und der Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators dargestellt ist.
Fig. 4 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur
On-Board-Diagnose und zur Alterungsbestimmung eines
SCR-Katalysators gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 5 zeigt exemplarisch ein Fahrzeug mit einem verbauten Katalysatormesssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung . Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eins Katalysa¬ tormesssystems 100. Um eine bestmögliche Umwandlung des NOx zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, die gespeicherte Ammoni- akmenge im SCR-Katalysator 110 zu bestimmen. Die Ammoniakbe¬ ladung kann mit Hilfe von Modellen berechnet werden, die auf Signalen verschiedenster Sensoren und Aktoren der Abgasanlage basieren. Weiterhin gehen Motorbetriebszustandsdaten als Eingangsgröße in die Modelle ein. Da die Genauigkeit der Modelle begrenzt ist und sich die Parameter auch mit der Zeit ändern, kann eine Ammoniak-Schlupf-Strategie angewendet werden. Die hierbei entstehenden Probleme sind vor allem die Ungenauigkeit des Modelles, da eine Fehlerkette der einzelnen Bestandteile existiert, z.B. in der Motorsteuerung, der Temperaturmessung, der Sensorungenauigkeiten und der Bestimmung der verschiedenen Aktorpositionen .
Um den oben beschriebenen Problemen der indirekten Messung und der Modelle zu begegnen, kann zur Bestimmung der Ammoniakbeladung eines SCR-Katalysators 110 eine direkte Messung des Bela¬ dungszustandes mit Hilfe von einer Hochfrequenz-Messanordnung 130 (HF-Messsystem) , das auch als Mikrowellenverfahren bezeichnet wird, erfolgen. Das Katalysatormesssystem 100 weist einen SCR-Katalysator 110, ein Steuergerät 120, eine Hochfrequenz-Messanordnung 130, eine NOx-Sensoranordnung 150 und ein Ammoniak-Dosiersystem 140 auf. Der SCR-Katalysator 110 dient der Reinigung des Abgases eines Fahrzeugs von schädlichen NOx-Emissionen . Zur Reinigung des Abgases von NOx-Emissionen wird zusätzlich Ammoniak benötigt, dieser wird in flüssiger Form in die Abgasanlage des Fahrzeugs durch das Ammoniak-Dosiersystem 140 eingespritzt. Der eingespritzte Ammoniak verdampft und wandelt im SCR-Katalysator 110 das NOx in Stickstoff und Wasser um. Das Steuergerät 120 dient der Steuerung der Einspritzung des Ammoniaks durch das Ammoniak-Dosiersystem 140 und zudem überwacht das Steuergerät 120 den Alterungszustand des SCR-Katalysators 110. Das Steuergerät 110 kann auch teilweise oder komplett einen Bestandteil einer anderen Steuereinheit darstellen, wie z.B. der ECU. Für die gezielte Steuerung und die Alterungsbestimmung des SCR-Katalysators benötigt das Steuergerät 120 die aktuelle Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators 110 und die NOx-Konzentration im Abgas, dies wird durch die Hochfrequenz-Messanordnung 130 und durch die NOx-Sensoranordnung 150 sichergestellt. Die Hochfre¬ quenz-Messanordnung 130 ist in der Lage die Resonanzfrequenz und die dielektrischen Verluste des SCR-Katalysators zu messen. Beide gemessenen Parameter verändern sich abhängig von der eingelagerten Ammoniak Menge im SCR-Katalysator . Die
NOx-Sensoranordnung 150 ist in der Lage die verbleibende
NOx-konzentration im Abgas zu messen. Das Steuergerät 120 kann aus den gemessenen Parametern in einem iterativen Verfahren die größtmögliche Dosierrate an Ammoniak bestimmen, bei welcher noch kein Ammoniak in dem SCR-Katalysator 110 eingelagert wird. Aus der ermittelten größtmöglichen Dosierraten kann das Steuergerät 120 auf den Alterungszustand des SCR-Katalysators 110 schließen. Mit zunehmender Alterung nimmt die größtmögliche Dosierrate, bei welcher kein Ammoniak in dem SCR-Katalysator 110 eingelagert wird, ab.
Fig. 2 zeigt das Katalysatormesssystem 100 aus Fig. 1 eingebaut in einer Abgasanlage 220 eines Fahrzeugs, wobei das Kataly¬ satormesssystem 100 in dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 2 eine Antenne zur Beladungsmessung des SCR-Katalysators 110 aufweist. Der Verbrennungsmotor 210 erzeugt bei der Verbrennung von
Kraftstoff Energie und Abgase/Partikel. Als Bestandteil der Abgase treten unter anderem auch Stickoxide (NOx) auf. Die Abgase werden durch die Abgasanlage 220 in die Umwelt entlassen. Damit nicht alle schädlichen Abgase in die Umwelt gelangen, werden in der Abgasanlage 220 Abgasreinigungssysteme, wie z.B. ein SCR-Katalysator 110, eingebaut. Des Weiteren wird in die Ab¬ gasanlage 220 das Katalysatormesssystem 100 verbaut, um die Alterung des SCR-Katalysators 110 zu überwachen und die Regelung des SCR-Katalysators 110 zu optimieren.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm im welchen die NOx-Konzentration im Abgas nach dem SCR-Katalysator, die Menge des eingespritzten Ammoniaks in den jeweiligen Dosierraten, die Resonanzfrequenz des SCR-Katalysators und die dielektrischen Verluste des
SCR-Katalysators über der Zeit aufgetragen sind. Die beiden Dosierraten 1 und 2 unterscheiden sich in ihrer jeweiligen Menge an eingespritzten Ammoniak. Korrespondierend zur der Menge an gespeicherten Ammoniak im SCR-Katalysator verhalten sich die Resonanzfrequenz und die dielektrischen Verluste. Fig. 3 zeigt zwei unterschiedliche Dosierraten, wobei gilt: Rate 1 < Rate 2. Bei Rate 1 beträgt der NOx-Umsatz ca. 75%, es wird aber sichtlich noch kein Ammoniak im SCR-Katalysator abgelagert wird. Bei Verwendung der Dosierrate 2 kommt zu einer erkennbaren Ammo- niakbeladung des SCR-Katalysators, wodurch ersichtlich ist, dass diese Dosierung überstöchiometrisch ist. Ebenso verläuft der NOx-Umsatz auf einen konstant hohen Wert. Werden noch weitere Dosierraten zwischen Rate 1 und Rate 2 angefahren, so kann mit diesem Verfahren eine exakt stöchiometrische Dosierrate ein- gestellt werden, also die größtmögliche Dosierrate ohne Am¬ moniakbeladung des SCR-Katalysators. Des Weiteren ist dem Diagramm zu entnehmen, dass wenn die Ammoniak-Einspritzung gestoppt wird, sich der im SCR-Katalysator eingelagerte Ammoniak abbaut und verbraucht wird.
Fig. 4 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Bestimmung des Alterungszustandes eines SCR-Katalysators. In Schritt 401 erfolgt die Ermittlung der Referenzparameter für einen späteren Vergleich. Hierfür wird die Reaktion des SCR-System auf eine definierte Ammoniak-Dosierrate gemessen. Die Initialisierung der Messung erfolgt in Schritt 402. Hier wird der SCR-Katalysator in einem konstanten Betriebspunkt ohne Ammoniak-Einspritzung betrieben, sodass idealerweise kein Ammoniak mehr oder nur in geringer Menge in dem SCR-Katalysator eingelagert ist. Einspritzung von Ammoniak in definierten Dosierraten erfolgt in Schritt 403. In Schritt 404 erfolgt die Messung der
NOx-Konzentration nach dem SCR-Katalysator und die Messung der Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators. Die Bestimmung der größtmöglichen Dosierrate, bei welcher noch kein Ammoniak in dem SCR-Katalysator abgelagert wird, erfolgt in Schritt 405. Zuletzt wird in Schritt 406, unter Berücksichtigung der größtmöglichen Dosierrate, der Alterungszustand des SCR-Katalysators bestimmt. Fig. 5 zeigt ein Fahrzeug 500 mit einem Katalysatormesssystem 100. Das Katalysatormesssystem 100 dient der On-Board-Diagnose und der Bestimmung des Alterungszustands des SCR-Katalysators.

Claims

Patentansprüche
1. Katalysatormesssystem (100) zur On-Board-Diagnose und zur Alterungsbestimmung eines SCR-Katalysators (110) für ein Fahrzeug, aufweisend:
ein Steuergerät (120), zum Steuern des Katalysatormess¬ systems (100) und zur Auswertung der Messdaten,
einen SCR-Katalysator (110), zur Reinigung des Abgases des Fahrzeugs ,
eine Hochfrequenz-Messanordnung (130), zur Bestimmung der
Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators (110),
eine NOx-Sensoranordnung (150), zur Erfassung der
NOx-Konzentration nach dem SCR-Katalysator (110), und
ein Ammoniak-Dosiersystem (140), zum Einspritzen von Ammoniak in die Abgasanlage (220) des Fahrzeugs,
wobei das Steuergerät (120) ausgeführt ist, das Ammoni¬ ak-Dosiersystem (140) anzuleiten gezielt Ammoniak mit unterschiedlichen Dosierraten in die Abgasanlage (220) einzuspritzen, und
wobei das Steuergerät (120) ausgeführt ist, die gemessenen
Daten der NOx-Sensoranordnung (150) und der Hochfrequenz-Messanordnung (130) auszuwerten und daraus die kommende Ammoniak-Dosierrate zu berechnen.
2. Katalysatormesssystem (100) gemäß Anspruch 1,
wobei das Steuergerät (120) ausgeführt ist, das Ammoni¬ ak-Dosiersystem (140) anzuleiten, die größtmögliche Dosierrate an Ammoniak, welche noch nicht zu einer Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators (110) führt, einzuspritzen.
3. Katalysatormesssystem (100) gemäß Anspruch 1 oder 2,
wobei die größtmögliche Dosierrate dadurch gekennzeichnet ist, dass das Abgas eine minimale NOx-Konzentration nach dem SCR-Katalysator (110) aufweist, ohne dass sich Ammoniak im SCR-Katalysator (110) ablagert.
4. Katalysatormesssystem (100) gemäß Anspruch 1 oder 2,
wobei die größtmögliche Dosierrate dadurch gekennzeichnet ist, dass das Abgas eine minimale NOx-Konzentration nach dem SCR-Katalysator (110) aufweist und sich nur minimal Ammoniak im SCR-Katalysator (110) ablagert.
5. Katalysatormesssystem (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Steuergerät (120) ausgeführt ist, die gemessenen Daten der NOx-Sensoranordnung (150) und der Hochfrequenz-Messanordnung (130) bei der vorhergehenden Dosierrate und der aktuellen Dosierrate zu vergleichen.
6. Katalysatormesssystem (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Steuergerät (120) ausgeführt ist, die größt- mögliche Dosierrate in einem iterativen Verfahren zu bestimmen.
7. Katalysatormesssystem (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Hochfrequenz-Messanordnung (130) ausgeführt ist, die Resonanzfrequenz des SCR-Katalysators (110) zu messen.
8. Katalysatormesssystem (100) gemäß einem der Ansprüche Ibis 5,
wobei die Hochfrequenz-Messanordnung (130) ausgeführt ist, die dielektrischen Verluste im SCR-Katalysator (110) zu messen.
9. Katalysatormesssystem (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Steuergerät (120) ausgeführt ist, den Alte¬ rungszustand des SCR-Katalysators (110) aus der gemessenen NOx-Konzentration und/oder der gemessenen Ammoniakbeladung zu bestimmen .
10. Fahrzeug (500) mit einem SCR-Katalysator (110) und einem Katalysatormesssystem (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur Bestimmung einer größtmöglichen Dosierrate an Ammoniak, welche zu einer größtmöglichen Reduzierung der NOx-Konzentration im Abgas führt, ohne dass Ammoniak im
SCR-Katalysator (110) abgelagert wird.
11. Fahrzeug (500) mit einem SCR-Katalysator (110) und einem Katalysatormesssystem (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Bestimmung einer größtmöglichen Dosierrate an Ammoniak, welche zu einer größtmöglichen Reduzierung der NOx-Konzentration im Abgas führt, sodass nur minimal Ammoniak im SCR-Katalysator (110) abgelagert wird.
12. Verfahren zur On-Board-Diagnose und zur Bestimmung des Alterungszustandes eines SCR-Katalysators, folgende Schritte aufweisend :
Ermitteln (401) der NOx-Konzentration bei dosierter Ammoniak Einspritzung eines SCR-Katalysators als Referenz;
- Initialisieren (402) der Messung, indem der SCR-Katalysator in einem konstanten Betriebspunkt ohne Ammoniak-Einspritzung betrieben wird, sodass kein oder sehr wenig Ammoniak im
SCR-Katalysator eingelagert ist;
Einspritzen (403) von Ammoniak in die Abgasanlage gemäß einer definierten Dosierrate;
Messen (404) der NOx-Konzentration nach dem SCR-Katalysator und der Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators;
Ermitteln (405) der größtmöglichen Ammoniak Dosierrate, bei welcher die NOx-Konzentration nach dem SCR-Katalysator minimal wird, ohne das eine oder nur eine minimale Ammoniakbeladung in dem SCR-Katalysator auftritt;
Bestimmen (406) des Alterungszustandes des
SCR-Katalysators unter Berücksichtigung der größtmöglichen Dosierrate.
13. Programmelement, das, wenn es auf einem Steuergerät (120) eines Katalysatormesssystems (100) ausgeführt wird, das Ka¬ talysatormesssystem (100) anleitet, das Verfahren gemäß Anspruch 12 durchzuführen.
14. Computerlesbares Medium, auf dem ein Programmelement gemäß Anspruch 13 gespeichert ist.
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