WO2020239733A1 - Verfahren zum betreiben einer abgasnachbehandlungsanlage einer brennkraftmaschine und abgasnachbehandlungsanlage - Google Patents

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WO2020239733A1
WO2020239733A1 PCT/EP2020/064518 EP2020064518W WO2020239733A1 WO 2020239733 A1 WO2020239733 A1 WO 2020239733A1 EP 2020064518 W EP2020064518 W EP 2020064518W WO 2020239733 A1 WO2020239733 A1 WO 2020239733A1
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nox
concentration
exhaust gas
catalytic converter
scr
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Fabian Fink
Paul Rodatz
Hong Zhang
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Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a
  • Exhaust aftertreatment system of an internal combustion engine in particular a diesel or Otto engine and an associated exhaust aftertreatment system, which has an SCR catalyst arranged in an exhaust pipe and a device for targeted, defined changing of the NFh concentration in the exhaust gas mass flow upstream in front of the SCR catalyst.
  • SCR particle filter or with the abbreviation SCR-PF use which is a particle filter with SCR function, i.e. a particle filter that has an additional coating made of a NOx / NFh conversion material. In other words, this is a particle filter with an integrated SCR function.
  • NFI3 ammonia
  • N2O elementary nitrogen
  • SCR catalysts store ammonia, NH3, on the surface of the catalyst.
  • the amount of NH3 that can be stored depends on the NH3 storage capacity of the SCR catalytic converter. The storage takes place as long as a
  • SCR catalytic converter is reduced until it is completely discharged and the NH3 deficiency leads to increased NOc emissions and also to an increase in the measured pollutant value downstream of the SCR catalytic converter.
  • the reducing agent is metered in as a rule in the form of an aqueous urea solution which is injected via a metering device upstream of the SCR catalytic converter.
  • the desired dosing rate is determined in an electronic control unit as required. However, depending on the system, it can be
  • the NFh storage capacity of an SCR catalytic converter can decrease with increasing operating time and depending on thermal loads, poisoning, for example through the accumulation of SO 3 , or mechanical damage.
  • poisoning for example through the accumulation of SO 3 , or mechanical damage.
  • Exhaust gas sensor is registered downstream of the SCR catalyst, the normal operating mode is interrupted and the flarnea metering rate is increased. If, as a result, the signal from the exhaust gas sensor falls above a lower limit value again, it is assumed that the SCR catalytic converter was only completely discharged and normal operation is switched back to. If the signal from the exhaust gas sensor continues to rise, it is assumed that the NFl3 storage capacity of the SCR catalytic converter has been exceeded and one
  • a conditioning phase is first carried out to set a predefinable operating point, in which a substoichiometric dosage of reducing agent is carried out until the nitrogen oxide conversion rate of the SCR catalytic converter drops to a value below the normal value, i.e. the SCR catalytic converter is completely discharged.
  • NFh storage capacity is still sufficient or no longer sufficient.
  • the SCR catalytic converter is first filled with a more than stoichiometric reducing agent dosage up to the maximum NFh storage capacity.
  • the catalyst is then charged with a reducing agent dosage which is reduced or switched off compared to a normal dosage.
  • the NFh storage capacity is determined indirectly by determining at least one characteristic value that is dependent on the NOx conversion rate.
  • the present invention is therefore based on the object of creating a method for operating an exhaust gas aftertreatment system of an internal combustion engine, which enables a quick and reliable diagnosis of an SCR catalytic converter of the exhaust gas aftertreatment system with regard to its NFh storage capacity and its current NFh load during normal operation , enables, and a corresponding exhaust aftertreatment system a
  • this object is achieved with a method and a
  • Exhaust aftertreatment system of an internal combustion engine presented having an exhaust pipe for guiding a
  • Has SCR catalytic converter wherein a device for the targeted, defined changing of a NFh concentration in the exhaust gas mass flow upstream in front of the SCR catalytic converter, and at least one first concentration sensor in
  • Exhaust gas mass flow is arranged downstream after the SCR catalytic converter, and a diagnosis of an SCR catalytic converter of the exhaust gas aftertreatment system is carried out with regard to its NFh storage capacity and its current NFh load.
  • the procedure is carried out in the following steps:
  • D-BP Diagnostic operating parameters
  • D-BP_set Diagnostic operating parameters
  • Measurement time window by means of the first concentration sensor which is a
  • Exhaust gas mass flow upstream of the SCR catalytic converter can be both an increase and a reduction in the NH 3 concentration and a sequence of increases and reductions. It is advantageous to do this
  • the gradient value of the NOx concentration change represents the
  • the delta value of the NOx concentration change represents the difference between a NOx concentration value measured downstream of the SCR catalyst before the
  • Measurement time window determined maximum value of the NOx concentration.
  • the duration of the measurement time window should advantageously be designed so that a maximum value for the NOx concentration can be achieved within the measurement time window.
  • the invention also relates to an exhaust gas aftertreatment system
  • SCR catalytic converter and at least one device for the targeted, defined changing of the Nhh concentration in the exhaust gas mass flow upstream of the SCR catalytic converter, and at least one first concentration sensor for measuring the NOx concentration in the exhaust gas mass flow downstream after the
  • the exhaust gas aftertreatment system is characterized in that it has an electronic computing and control unit which is set up for targeted, defined changing of the Nhh concentration in the exhaust gas mass flow upstream of the SCR catalytic converter by means of a device for targeted, defined changing of the Nhh concentration and for detection a first concentration measurement signal output by the at least one concentration sensor, the electronic computing and control unit also being set up to implement the claimed method for operating an exhaust gas aftertreatment system of an internal combustion engine according to FIG.
  • the invention is based on the knowledge that there is a clear, reproducible relationship between a specific one
  • the described method according to the invention and the exhaust gas aftertreatment system according to the invention advantageously enable a reliable diagnosis or determination time for the current NFh storage capacity and the current load status of the SCR catalytic converter that is shorter than conventional technology, since it is not complete or almost complete in preparation
  • the SCR catalytic converter must be filled or emptied. Another advantage is that both the current NFh storage capacity and the current load status of the SCR catalytic converter can be determined in the same process sequence and are available as a basis for an adaptation of the control parameters of the internal combustion engine or the exhaust gas aftertreatment system. Since the procedure does not include the upper or lower
  • Exceeding the load limit of the SCR catalytic converter also avoids increased pollutant emissions possibly caused by the diagnostic method, as well as increased consumption of reducing agent.
  • the named concentration sensor is, for example, an NOx sensor which, due to its cross-sensitivity to NH3, cannot detect both the NH3 and the NOx concentration, i.e. consequently also a combination of NOx and NH3.
  • Such a concentration sensor is anyway provided at the mentioned point of the exhaust gas aftertreatment system for monitoring the pollutant emissions during the operation of the internal combustion engine.
  • An advantageous embodiment of the method is characterized in that the gradient value and / or the delta value of the change in NOc concentration is determined on the basis of the change in a NOc conversion efficiency, the NOx conversion efficiency being based on the formula
  • Eff_NOx 1 - NOx_down / NOx_up results.
  • Eff_NOx represents the NOx conversion efficiency
  • NOx_down represents the measured NOc concentration downstream of the
  • SCR catalytic converter and NOx_up represents the NOc concentration upstream of the SCR catalytic converter.
  • the value of the NOx concentration required for this upstream of the SCR catalytic converter can be calculated from the current operating parameters, for example, using a computer model, or also using a additional NOx sensor in the exhaust gas flow upstream of the SCR catalytic converter.
  • the electronic computing and control unit being set up to execute the method for operating a Execute exhaust aftertreatment system of an internal combustion engine according to the embodiment described above.
  • Exhaust gas aftertreatment system is that disruptive influences due to changes in the raw NOx emissions of the internal combustion engine in transient operating states can be eliminated while the method according to the invention is being carried out. This also results in an additional degree of freedom with regard to operating modes suitable for the diagnosis and the relevant relevant ones
  • D-BP Diagnostic operating parameters
  • Gradient value of the change in NOx concentration is a mean value determined over the specified measurement time window or within the specified
  • Measurement time window determined maximum value of the gradient of the change in NOx concentration can be used. As a result, further interfering influences are attenuated or averaged out when determining the gradient value and the
  • Figure 1 is a schematic representation of an embodiment of a
  • FIG. 2 shows a block diagram to illustrate the process sequence of an embodiment of the method according to the invention
  • Figure 3 is a qualitative representation of the course curves
  • Figure 4 shows an example of a characteristic curve showing the relationship between
  • Figure 5 shows an example of a characteristic curve showing the relationship between
  • FIG. 6 shows a diagram to illustrate an example of the course of the NFh concentration, K_NFl3, and the course of the NOx conversion efficiency, Eff_NOx, dependent on it, with successive NFh concentration increase and NFh concentration reduction.
  • FIG. 1 shows schematically in a simplified representation an embodiment of an exhaust gas aftertreatment system according to the invention of an internal combustion engine, for example a diesel internal combustion engine.
  • the one from the internal combustion engine (not shown here) incoming exhaust gas mass flow 10 is guided in the direction of the arrow through an exhaust line 1 and in the process passes an SCR catalytic converter 3 (SCR catalytic converter).
  • SCR catalytic converter 3 SCR catalytic converter
  • This SCR catalytic converter 3 can in an alternative embodiment of the
  • Exhaust aftertreatment system can also be designed, for example, as a particle filter, in particular as a wall-flow filter with an SCR coating, and arranged in the exhaust pipe 1.
  • the SCR catalytic converter 3 is thus integrated in a so-called SCR particle filter (SCR-PF).
  • SCR-PF SCR particle filter
  • a modern exhaust gas aftertreatment system can have additional filter and / or catalytic converter components, such as a NOx storage catalytic converter. Such additional components are not shown here, since they appear to be irrelevant for the illustration of the invention.
  • NFh feed device 7 for feeding an NFh solution 7d into the
  • a storage container 7a for storing a suitable aqueous NFh solution 7d, which is also referred to as a flare solution or ammonia solution.
  • the storage container 7a is connected via a supply line to a metering device 7b, for example an injection valve, which in turn is arranged on the exhaust line 1 and is set up to dispense defined amounts of the NFh solution 7d into the exhaust gas mass flow 10.
  • the supplied NFh solution 7d produces NH3, which converts the NOx content contained in the exhaust gas in the SCR catalytic converter 3 into nitrogen and water.
  • an exhaust gas recirculation device 2 branching off from the exhaust gas line 1 upstream of the SCR catalytic converter 3 is a so-called exhaust gas recirculation device
  • Part exhaust gas mass flow 10a of the exhaust gas mass flow 10 emitted by the internal combustion engine via a first exhaust gas recirculation line 2a into the Intake area of the internal combustion engine is returned.
  • the size of the recirculated first partial exhaust gas mass flow 10a can be set via a first exhaust gas recirculation valve 2b arranged in the first exhaust gas recirculation line 2a.
  • the junction is expediently this
  • Nhh feed device 7 arranged, since the fed NFh solution 7d is to be fed completely to the SCR catalytic converter 3 for NOx reduction.
  • Treatment system is one of the exhaust pipe 1 for further influencing the raw NOx emissions of the internal combustion engine
  • the size of the recirculated further partial exhaust gas mass flow 10b can be set via a further exhaust gas recirculation valve 8b arranged in the further exhaust gas recirculation line 8a.
  • Emission reduction in particular to influence the NOx raw emissions of the internal combustion engine, that is to say the NOx concentration in the exhaust gas, is known to the person skilled in the art from the prior art and should not be explained further here.
  • Exhaust gas aftertreatment system both an NFh feed device 7 and a first exhaust gas recirculation device 2 and another
  • Has exhaust gas recirculation device 8 that is the basis for an embodiment of the exhaust gas aftertreatment system according to the invention
  • NFh feed device 7 The presence of the NFh feed device 7 is sufficient. Likewise, two or all three of these devices can also be used in combined operation quasi a facility for the targeted, defined influencing of the
  • Raw NOx emissions and for bringing about a change in the NH3 concentration in the exhaust gas mass flow 10 upstream of the SCR catalytic converter 3 are combined.
  • An indispensable component for the method according to the invention is at least one first concentration sensor 6 for measuring the NOx concentration in the
  • This first concentration sensor 6 emits a corresponding first concentration measurement signal, NOx_Sig, on the basis of which a correlating gradient value, GW_NOx, the NOx concentration change and a correlating delta value, DW_NOx, the NOx concentration change can be provided.
  • Exhaust aftertreatment system has an additional concentration sensor 5, arranged upstream in exhaust gas mass flow 10, in front of SCR catalytic converter 3, for measuring the NOx concentration in front of SCR catalytic converter 3.
  • This is expediently in the exhaust gas mass flow 10 upstream of the NH3 feed device 7 and downstream of the junction of the first exhaust gas recirculation device 2, upstream of the SCR catalytic converter 3
  • Calculation of the NOx conversion efficiency, Eff_NOx and can be used on this basis to determine a gradient value, GW_NOx, and a delta value, DW_NOx, the change in NOx concentration.
  • concentration sensor 6 a value determined on the basis of the operating parameters of the internal combustion engine by means of an algebraic computer model for the NOx concentration upstream of the SCR catalytic converter 3 is assumed as the actual value.
  • the embodiment of the exhaust gas aftertreatment system according to the invention shown in FIG. 1 has an electronic computing and control unit 15 (also called an ECU). This is set up for the targeted, defined changing of the NFh concentration, K_NH3, in the exhaust gas mass flow 10
  • NFh feed device 7 for detecting a first concentration measurement signal, NOx_Sig, output by the at least one concentration sensor 6, and, in a further expansion stage, a second concentration measurement signal, NOx_Sig, of the additional concentration sensor 5.
  • the electronic computing and control unit 15 is at least about
  • Dosing device 7b of the NFh feed device 7 is electrically connected to
  • the computing and control unit is also electrically connected to the first exhaust gas recirculation valve 2b, the additional concentration sensor 5 and the further exhaust gas recirculation valve 8b via the signal lines 2c, 5c and 8c.
  • the electronic computing and control unit 15 is also set up to implement the method according to the invention for operating an exhaust gas aftertreatment system of an internal combustion engine according to one of the embodiments according to the invention on the basis of a first concentration measurement signal, NOx_Sig, of the first
  • Calculation algorithms as well as the required default values for controlling the exhaust gas aftertreatment system and the internal combustion engine, are stored in the form of executable program code in the electronic control unit 15 or in associated electronic storage units.
  • An embodiment of the exhaust gas aftertreatment system is characterized in that the electronic computing and control unit 15 is an integral part of a central control unit 16, CPU, the
  • characterized method step the setting, bringing about or recognizing an operating mode of the internal combustion engine suitable for the diagnosis, with certain decisive diagnostic operating parameters, D-BP, the
  • D-BP_set verified, set or adjusted.
  • an operating mode suitable for diagnosis is characterized by at least one of the following
  • the engine speed, RPM, of the internal combustion engine is between 1,100 and 1,900 revolutions / minute.
  • the operating temperature, T-SCR-Kat, of the SCR-catalytic converter 3 is between 250 ° C and 350 ° C.
  • the amount of NH3 added, NH3_st, in the exhaust gas mass flow 10 is at least approximately in a stoichiometric value in relation to the NOx concentration present in the exhaust gas upstream of the SCR catalyst,
  • the corresponding default values of the diagnostic operating parameters are stored, for example, in an electronic memory of the electronic computing and control unit 15, ECU, which is identified in FIG. 2 with “E_Sp1”, and can be easily read out and used to carry out this method step.
  • D-BP D-BP_set
  • the defined Nhh concentration change, DK_NH3, upstream of the SCR catalytic converter 3 can consist of a defined increase or reduction in the Nhh concentration, which is achieved by a defined increase or reduction in the amount of Nhh solution 7d added the sewing device 7 is set. This is done in particular by appropriate control of the metering device 7b by means of the electronic computing and control unit 15, ECU.
  • the NOx concentration change in the exhaust gas mass flow 10 after the SCR catalytic converter 3 within one, immediately following the aforementioned Nhh concentration change, DK_NH3, before the SCR catalytic converter 3, is now according to the process step marked with “NOx_Sig” , specified measurement time window, TW, measured.
  • NOx_Sig specified measurement time window
  • NH3 supply device 7 is arranged, a second concentration measurement signal, NOx_Sig, correlating to the NOx concentration change in exhaust gas mass flow 10 upstream of the SCR catalytic converter 3, is provided and fed via a signal line 5c to the electronic computing and control unit 15, ECU.
  • NOx_Sig correlating to the NOx concentration change in exhaust gas mass flow 10 upstream of the SCR catalytic converter 3
  • the values of the required for determining the NOx conversion efficiency, Eff_NOx can be used
  • NOx concentration upstream of the SCR catalytic converter 3, NOx_up can be calculated from the current operating parameters using a computer model. This can save an additional concentration sensor and the
  • Measurement time window, TW then become a gradient value, GW_NOx, and / or a delta value, DW_NOx, der in the further course of the method
  • the change in the NOx concentration is determined, which is represented by the process steps arranged in parallel and marked accordingly with “GW_NOx” and “DW_NOx”. This can be done in parallel, as shown, but also sequentially. Likewise, in a simplified embodiment, the method can be limited to the determination of a gradient value, GW_NOx, or a delta value, DW_NOx.
  • the named gradient value, GW_NOx can be considered to be within the
  • Measurement time window, TW determined maximum value of the gradient or as the mean value of the gradient of the NOx concentration change averaged over the duration of the measurement time window, TW, can be determined and used.
  • the delta value, DW_NOx, of the NOx concentration change results as a difference between two NOx concentration values measured downstream of the SCR catalytic converter 3 at successive times, one of which is the NOx concentration value shortly before or shortly after the start time is the change in the NH3 concentration and the second is a NOx concentration value determined as the maximum NOx concentration within the measurement time window, TW.
  • GW_NOx a current Nhh storage capacity value, SKW_SCR-Kat, of the SCR catalytic converter (3) is then quantified in the subsequent process step marked “SKW_SCR-Kat”.
  • a current Nhh loading value, BLW_SCR-Kat, of the SCR catalytic converter 3 can then be quantified in parallel or sequentially on the basis of the delta value, DW_NOx, in the process step marked with “BLW_SCR-Kat”.
  • Internal combustion engine is used to adapt control parameters of the internal combustion engine in order to ensure an optimized exhaust gas behavior of the internal combustion engine. This means that on the basis of the determined current Nhh storage capacity value, SKW_SCR-Kat, and / or the determined current Nhh-loading value, BLW_SCR-Kat, correlating control parameters of the internal combustion engine and the exhaust gas aftertreatment system are adapted.
  • the current Nhh storage capacity value, SKW_SCR-Kat, des is quantified
  • Nhh loading value, BLW_SCR-Kat, of the SCR catalytic converter (3) with the help of previously determined characteristic curves or maps in which the
  • NH3 storage capacity value, SKW_SCR-Kat, or the NH3-loading value, BLW_SCR-Kat, of the SCR catalytic converter 3 as a function of the gradient value, GW_NOx, or the delta value, DW_NOx, of the change in concentration
  • a further embodiment of the method according to the invention is characterized in that the gradient value, GW_NOx , the NOx concentration change and / or the delta value, DW_NOx, the NOx concentration change, for comparison with a respective gradient limit value, GW_TH, or a delta limit value, DW_TH, can be used.
  • this is shown by way of example on the basis of the comparison with a gradient limit value, GW_TH.
  • the comparison result the
  • SCR catalytic converter 3 can be recognized as defective, nOK, or intact, OK, whereby in the case of an SCR catalytic converter 3 recognized as defective, nOK, as shown in the method step marked with “BP_Not”, the
  • BP_Not Internal combustion engine, BP_Not, is initiated or, in the case of an SCR catalytic converter 3 recognized as intact, OK, as shown in the method step labeled “BP_Norm”, normal operation of the internal combustion engine is continued.
  • the required limit values are also specified in advance and stored in memory E_Sp2 for retrieval.
  • the method according to the invention can be repeated in all the versions described above and below in certain cycles during operation, these cycles being based on a certain operating time, a certain operating performance or on demand values determined during operation.
  • the diagram shown in FIG. 3 shows the determination of a gradient value, GW_NOx, and a delta value, DW_NOx, the NOx conversion efficiency, Eff_NOx, on the basis of a qualitative representation.
  • a sudden increase in the NFh concentration, K_NH3, at time T1 and the maintenance of the increased NFh concentration value at least until time T2, which represents the end of the defined measurement time window, TW, can be seen.
  • the difference is formed between that within the measurement time window TW determined maximum NOx conversion efficiency value K2 and the NOx conversion efficiency value K1 determined before the beginning of the measurement time window TW, immediately before time T1, that is, before the Nhh concentration change, DK_NH3.
  • the dependence of the delta value, DW_NOx, on the change in NOx concentration is inversely proportional to the NH3 load, BLW_SCR-Kat, of the SCR catalytic converter.
  • Another embodiment of the method is characterized in that, in the context of the change in the NH3 concentration, there is initially an increase in the NH3 concentration, AK_NH3_up, and an immediately following one
  • NH3 concentration reduction takes place. After the NH3 concentration has increased for a certain first period of time, the
  • the mean value of the NH3 concentration upstream of the SCR catalytic converter 3, resulting in the NH3 concentration increase and the NH3 concentration reduction, corresponds to the value of the NH3 concentration prevailing before the NH3 concentration increase. In this way, it is advantageously ensured that over the duration of the process, on average over time, there is no increase in pollutant emissions caused by the process.
  • Another embodiment of the method is characterized in that the NFh concentration change is an NFh concentration increase, AK_NH3_up, and an immediately following NFh concentration reduction,
  • AK_NH3_down upstream of the SCR catalytic converter 3 and the resulting gradient values, GW_NOx_up, GW_NOx_down, and
  • Delta values, DW_NOx_up, DW_NOx_down, in combination with one another to quantify a current NFh storage capacity value, SKW_SCR-Kat, the SCR catalytic converter (3) and / or to quantify a current NFh-load value, BLW_SCR-Kat , the SCR catalytic converter 3 can be used.
  • a positive and a negative gradient value, as well as a positive and a negative delta value, are used in combination.
  • the respective gradient value and the respective delta value can also be determined on the basis of the first NOc concentration signal or on the basis of the NOx conversion efficiency.
  • a gradient value GW_NOx_up, during an NFh concentration increase, AK_NH3_up, and a gradient value GW_NOx_down, during an NFh concentration reduction, AK_NH3_down can be combined and in relation to the value of the respective NFh concentration change to determine a higher-level Gradeinten value
  • GW_NOx can be used. This can be done according to the following formula:
  • GW_NO x ( GW_NOx_up / AK_NFh_up) + (GW_NO x _down / AK_NH 3 _down).
  • NFh concentration, K_NFl3, represents upstream of the SCR catalytic converter 3 and the lower represents the course of the normalized NOx conversion efficiency Eff_NOx.
  • AK_NFl3_up an increase in NFh concentration, AK_NFl3_up, starting from 100% by + 400%.
  • the NOx conversion efficiency, Eff_NOx begins to increase within the first measurement time window, TW1, and the gradient value, GW_NOx_up, of the increase can be determined at +5% / s.
  • time T2 which is also the end of the first Measuring time window TW1 then there is an NH3 concentration reduction, AK_NH3_down, by -400% and the reaction to this begins
  • NOx conversion efficiency, Eff_NOx also falls within the second measurement time window TW2 and the gradient value, GW_NOx_down, of the reduction can be determined at -8% / s.
  • the second measurement time window TW2 ends at time T3, at which the method is also completed, and the process continues with an Nhh concentration K_NH3_BP_Norm calculated for normal operation, BP_Norm, of the internal combustion engine.
  • GW_NOx a higher-level gradient value
  • the associated current NFh storage capacity of the SCR catalytic converter can then be determined with this value, for example via a corresponding characteristic map.
  • Measurement time window, TW for determining the gradient value, GW_NOx, and / or the delta value DW_NOx a duration of less than or equal to 10 seconds
  • the length of this time window ensures that only a direct reaction of the NOx concentration value following the change in NH3 concentration after the SCR catalytic converter 3, when determining the respective gradient value, GW_NOx, or delta value, DW_NOx, be considered, whereby the

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Abstract

Es werden ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine und eine entsprechende Abgasnachbehandlungsanlage beschrieben. Dabei wird eine Diagnose eines SCR-Katalysators (3) der Abgasnachbehandlungsanlage in Bezug auf seine NH3-Speicherkapazität und seine aktuelle NH3-Beladung durchgeführt, indem eine definierte NH3-Konzentrationsänderung stromaufwärts des SCR-Katalysators (3) herbeigeführt und in einem unmittelbar auf die genannte Konzentrationsänderung folgenden festgelegten Mess-Zeitfenster (TW) die NOX-Konzentrationsänderung nach dem SCR-Katalysator (3) gemessen wird. Darauf basierend wird ein Gradienten-Wert der NOx-Konzentrationsänderung ermittelt und auf Basis dieses Gradienten-Wertes ein aktueller NH3-Speicherkapazitäts-Wertes des SCR-Katalysators (3) quantifiziert und/oder es wird ein Delta-Wert der NOx-Konzentrationsänderung ermittelt und auf Basis dieses Delta-Wertes ein aktueller NH3-Beladungs-Wert des SCR-Katalysators (3) quantifiziert. Mit Hilfe des vorgenannten Verfahrens sowie der Abgasnachbehandlungsanlage kann die aktuelle NH3-Speicherkapazität und/oder die aktuelle NH3-Beladung des SCR-Katalysators während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Brennkraftmaschine schnell und zuverlässig ermittelt und gegebenenfalls die abgasrelevanten Betriebsparameter der Brennkraftmaschine angepasst werden.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage einer
Brennkraftmaschine und Abgasnachbehandlungsanlage
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer
Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Diesel- oder Otto-Brennkraftmaschine und eine zugehörige Abgasnachbe handlungsanlage, die einen in einer Abgasleitung angeordneten SCR-Katalysator und eine Einrichtung zum gezielten, definierten Verändern der NFh-Konzentration im Abgasmassenstrom stromaufwärts vor dem SCR-Katalysator aufweist.
Insbesondere Fahrzeuge mit Diesel-Brennkraftmaschinen (Dieselmotor), jedoch auch Fahrzeuge mit Otto-Brennkraftmaschinen (Benzinmotor), weisen heutzutage einen sogenannten SCR-Katalysator (Katalysator mit selektiver Reduktion) zur Verringerung des NOx-Anteiles in den Abgasemissionen auf. Dabei findet immer mehr auch ein kombinierter Filter-Katalysator, im Weiteren hier auch als
SCR-Partikelfilter oder mit dem Kürzel SCR-PF bezeichnet, Verwendung, bei dem es sich um einen Partikelfilter mit SCR-Funktion handelt, d.h. einen Partikelfilter, der eine zusätzliche Beschichtung aus einem NOx/NFh-Konvertierungsmaterial aufweist. Mit anderen Worten handelt es sich daher hierbei um einen Partikelfilter mit integrierter SCR-Funktion.
Bei einem SCR-Katalysator entsteht durch Zugabe einer wässrigen Flarnstofflösung zum Abgas NFI3 (Ammoniak), das mit dem NOx im Abgas zu elementarem Stickstoff (N2) und Wasser (FI2O) reagiert.
Der Gesetzgeber senkt die Emissionsgrenzwerte der Abgase von Fahrzeugen mit Brennkraftmaschinen (Verbrennungsmotoren) immer weiter ab und erlässt
Vorschriften zur Überwachung deren vorschriftsmäßiger Funktion. Dies betrifft insbesondere auch die sogenannte OBD-Diagnose (On-Board-Diagnose, laufende, automatische Selbstdiagnose im bestimmungsgemäßen Betrieb des Fahrzeugs) bei derartigen Fahrzeugen. So müssen heutzutage auch die SCR-Katalysatoren oder SCR-Partikelfilter einer solchen, häufigen und genauen OBD-Diagnose unterzogen werden.
Hierzu ist es hilfreich sich die Funktionsweise eines SCR-Katalysators und entsprechende Zusammenhänge zu verdeutlichen. In Dokument DE 10 2012 201 749 A1 ist dazu erläutert, dass die Reduktion der Stickoxidmoleküle aus dem Abgas auf der Katalysatoroberfläche in Gegenwart von Ammoniak als Reduktionsmittel erfolgt. Die Reduzierung der Stickoxide zu elementarem Stickstoff, also die
NOx-Konvertierung, im SCR-Katalysator ist umso erfolgreicher, je größer das Reduktionsmittelangebot im Katalysator ist. Üblicherweise verwendete
SCR-Katalysatoren speichern Ammoniak, NH3, an der Katalysatoroberfläche. Die Menge an NH3 die gespeichert werden kann hängt von der NH3-Speicherkapazität des SCR-Katalysators ab. Die Einspeicherung erfolgt so lange, wie ein
Überangebot an NH3 im Abgas vorhanden ist (überstöchiometrische Dosierung) und die NH3-Speicherkapazität des SCR-Katalysators noch nicht ausgeschöpft ist. Nach Überschreitung der maximal möglichen NH3-Beladung des SCR-Katalysators und weiter andauernder Überdosierung von NH3, kommt es zu einem sogenannten NH3-Schlupf und der NH3-Anteil im Abgas stromabwärts des SCR-Katalysators steigt auf ebenso unerwünschte wie unzulässige Werte, wodurch sich aufgrund einer Querempfindlichkeit des Abgas-Sensors auch der Schadstoff-Messwert stromabwärts des SCR-Katalysators erhöht. Wenn weniger Reduktionsmittel durch die Dosiereinheit bereitgestellt wird, als für die Konvertierung des aktuellen
NOx-Anteils im Abgas erforderlich ist (unterstöchiometrische Dosierung), so kommt das gespeicherte NH3 zum Einsatz, sodass sich die NH3-Beladung des
SCR-Katalysators verringert, bis zur vollständigen Entladung und es kommt augrund des NH3-Mangels zu einem erhöhten NOc-Ausstoss und ebenfalls zu einer Erhöhung des Schadstoff-Messwerts stromabwärts des SCR-Katalysators.
Die Eindosierung des Reduktionsmittels erfolgt in der Regel in Form von wässriger Harnstofflösung, die über eine Dosiereinrichtung stromaufwärts des SCR-Kataly sators eingespritzt wird. Die gewünschte Dosierrate wird in einer elektronischen Steuereinheit bedarfsabhängig ermittelt. Systembedingt kann es jedoch zu
Abweichungen bei der NH3-Dosierung kommen. Es ist deshalb das Ziel die NH3-Beladung des SCR-Katalysators auf einen Wert einzustellen, der kurzzeitige Abweichungen der NFh-Dosierung, sowohl positiv als auch negativ, abfedern kann. Je größer also die NFh-Speicherkapazität, desto zuverlässiger arbeitet der
SCR-Katalysator bei kurzzeitig abweichenden Betriebsbedingungen.
Wie jedoch dem Fachmann bekannt ist, kann die NFh-Speicherkapazität eines SCR-Katalysators mit zunehmender Betriebsdauer und abhängig von thermischen Belastungen, Vergiftungen zum Beispiel druch Anlagerung von SO3, oder mechanische Beschädigungen abnehmen. Um einen zuverlässigen Betrieb des SCR-Katalysators zu gewährleisten bzw. mögliche Fehlfunktionen bereits im Vorfeld zu erkennen wäre es also sinnvoll sowohl seine NFh-Beladung als auch seine NFh-Speicherkapazität im Betrieb zu überwachen und daraus Rückschlüsse auf den Alterungszustand und die Funktionsfähigkeit zu ziehen.
Aus dem Stand der Technik bereits bekannte Verfahren zur Ermittlung oder Abschätzung der NFh-Speicherkapazität eines SCR-Katalysators beruhen dabei in der Regel auf der messbaren Erhöhung der Schadstoffwerte (NOx bzw. NFI3) wenn die unter oder obere NFh-Beladungsgrenze des SCR-Katalysators überschritten wird. Dies erfordert in der Regel zunächst eine zeitintensive komplette
Beladungsphase oder Entladungsphase mit anschließender Diagnosephase.
So ist beispielsweise aus dem Dokument DE 10 2007 040 439 A1 eine solches Betriebs- und Diagnoseverfahren für einen SCR-Katalysator bekannt, wobei, wenn ein einen vorgebbaren ersten Grenzwert überschreitendes Signal eines
Abgassensors stromabwärts des SCR-Katalysators registriert wird, der normale Betriebsmodus unterbrochen und die Flarnstoffdosierrate erhöht wird. Wenn in in Folge davon das Signal des Abgassensors wieder über einen unteren Grenzwert hinweg ab, so wird davon ausgegangen, dass der SCR-Katalysator lediglich komplett entladen war und es wird wieder in den Normalbetrieb gewechselt. Wenn das Signal des Abgassensors weiter steigt, wird davon ausgegangen, dass die NFl3-Speicherkapazität des SCR-Katalysators überschritten ist und eine
Diagnosebetriebsart wird eingeleitet, wobei in der Diagnosebetriebsart ein
Katatlysatorkennwert und dessen Abweichung von einem Referenzwert ermittelt wird. Übersteigt die Abweichung einen Grenzwert, wird die Funktiond des
SCR-Katalysators als fehlerhaft erkannt.
Das oben bereits genannte Dokument DE 10 2012 201 749 A1 schlägt dagegen ein weiteres Verfahren zur Überwachung eines SCR-Katalysators auf Basis der NFh-Speicherkapazität vor. Dazu wird zunächst eine Konditionierphase zur Einstellung eines vorgebbaren Betriebspunktes durchgeführt, in der eine unterstöchiometrische Dosierung von Reduktionsmittel vorgenommen wird, bis die Stickoxidkonvertierungsrate des SCR-Katalysators auf einen Wert unterhalb des Normalwertes absinkt, der SCR-Katalysator also komplett entladen ist. Darauf folgend wird eine überstöchiometrische Dosierung von Reduktionsmittel in den SCR-Katalysator vorgenommen und in Abhängigkeit von wenigstens einem Kennwert, der von der Stickoxidkonvertierungsrate des SCR-Katalysators abhängig ist, auf die NFh-Speicherkapazität des SCR-Katalysators geschlossen. Auch bei diesem Verfahren kann jedoch lediglich eine Aussage in Form von
NFh-Speicherkapazität noch ausreichend oder nicht mehr ausreichend getroffen werden.
Ebenso offenbart Dokument DE 10 2010 029 740 A1 ein Verfahren zur
Überwachung eines SCR-Katalysators, bei dem die NFh-Speicherkapazität des SCR-Katalysators überwacht wird. Der SCR-Katalysator wird in diesem Fall zunächst mit einer überstöchiometrischen Reduktionsmitteldosierung bis zur maximalen NFh-Speicherkapazität gefüllt. Anschließend wird der Katalysator mit einer gegenüber einer Normaldosierung verminderten oder ausgeschalteten Reduktionsmitteldosierung beaufschlagt. Während der Unterdosierungsphase wird die NFh-Speicherkapazität indirekt durch Ermittlung wenigstens eines von der NOx -Konvertierungsrate abhängigen Kennwerts ermittelt. Auch hier ist nicht offenbart wie eine Quantifizierung der NFh-Speicherkapazität erfolgen kann.
Des Weiteren wird in Dokument WO 2010 015 327 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasreinigungsanlage mit einem SCR-Katalysator (5) vorgestellt, bei welchem mittels eines Rechenmodells ein NFh-Füllstandswert für das im
SCR-Katalysator gespeichertem NFI3 und eine Modell-Dosierrate für die Zudosierung des Reduktionsmittels ins Abgas berechnet werden. Eine
Überwachung oder Diagnose der Funktionsfähigkeit des SCR-Katalysators anhand von reellen Messwerten ist nicht offenbart.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine zu schaffen, das eine schnelle und zuverlässige Diagnose eines SCR-Katalysators der Abgasnachbehandlungsanlage in Bezug auf seine NFh-Speicherkapazität und seine aktuelle NFh-Beladung, während des bestimmungsgemäßen Betriebs, ermöglicht, und eine entsprechende Abgasnachbehandlungsanlage einer
Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, die eine besonders rasche und genaue Überwachung eines SCR-Katalysators in Bezug auf seine
NFh-Speicherkapazität und seine aktuelle NH3-Beladung, gemäß des
vorgenannten Verfahrens, im Betrieb der Brennkraftmaschine ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren und einer
Abgasnachbehandlungsanlage gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben einer
Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine vorgestellt, wobei die Abgasnachbehandlungsanlage eine Abgasleitung zur Führung eines
Abgasmassenstroms und einen in der Abgasleitung angeordneten
SCR-Katalysator aufweist, wobei eine Einrichtung zum gezielten, definierten Verändern einer NFh-Konzentration im Abgasmassenstrom stromaufwärts vor dem SCR-Katalysator, und zumindest ein erster Konzentrationssensor, im
Abgasmassenstrom stromabwärts nach dem SCR-Katalysator, angeordnet ist und wobei eine Diagnose eines SCR-Katalysators der Abgasnachbehandlungsanlage in Bezug auf seine NFh-Speicherkapazität und seine aktuelle NFh-Beladung durchgeführt wird. Das Verfahren wird in den folgenden Schritten durchgeführt:
- Einstellen, herbeiführen oder erkennen einer für die Diagnose geeigneten
Betriebsart der Brennkraftmaschine, wobei bestimmte maßgebliche
Diagnose-Betriebsparameter (D-BP) der Brennkraftmaschine auf Übereinstimmung mit Diagnose-Vorgabewerten (D-BP_set) verifiziert, eingestellt oder eingeregelt werden;
bei Vorliegen einer für die Diagnose geeigneten Betriebsart,
- gezielte, definierte Herbeiführung einer NH3-Konzentrationsänderung im
Abgasmassenstrom stromaufwärts des SCR-Katalysators in Bezug auf die in der für die Diagnose geeigneten Betriebsart vorliegenden Werte der
NH3-Konzentration;
- Erfassen der NOx -Konzentrationsänderung im Abgasmassenstrom
stromabwärts des SCR-Katalysators innerhalb eines, unmittelbar auf die vorgenannte NH3-Konzentrationsänderung folgenden, festgelegten
Mess-Zeitfensters, mittels des ersten Konzentrationssensors, der ein
entsprechendes erstes Konzentrationsmesssignal abgibt; und auf Basis zumindest des ersten Konzentrationsmesssignals innerhalb des festgelegten Zeitfensters:
- Ermitteln eines Gradienten-Wertes der NOx-Konzentrationsänderung und quantifizieren eines aktuellen NH3-Speicherkapazitäts-Wertes des
SCR-Katalysators auf Basis dieses Gradienten-Wertes; und/oder
- Ermitteln eines Delta-Wertes der NOx-Konzentrationsänderung und
quantifizieren eines aktuellen NH3-Beladungs-Wertes des SCR-Katalysators auf Basis dieses Delta-Wertes.
Die gezielte Herbeiführung der NH3-Konzentrationsänderung im
Abgasmassenstrom stromaufwärts des SCR-Katalysators kann sowohl eine Erhöhung als auch eine Reduzierung der NH3-Konzentration sowie eine Abfolge von Erhöhung und Reduzierung sein. Dabei ist es vorteilhaft die
NH3-Konzentrationsänderung sprunghaft oder zumindest annähernd sprunghaft vorzunehmen, zumindest jedoch mit einem im Vergleich zu der zu erwartenden NOx-Konzentrationsänderung stromabwärts des SCR-Katalysators wesentlich steileren Verlauf.
Der Gradienten-Wert der NOx-Konzentrationsänderung repräsentiert die
Veränderungsgeschwindigkeit des NOx-Konzentrationswertes stromabwärts des SCR-Katalysators nach der NH3-Konzentrationsänderung im Abgasmassenstrom stromaufwärts des SCR-Katalysators. Dagegen repräsentiert der Delta-Wert der NOx-Konzentrationsänderung die Differenz zwischen einem stromabwärts des SCR-Katalysators gemessenen NOx-Konzentrationswert vor der
Nhh-Konzentrationsänderung und einem innerhalb des festgelegten
Mess-Zeitfensters ermittelten Maximalwert der NOx-Konzentration. Dabei ist die Dauer des Mess-Zeitfensters vorteilhaft so auszulegen, dass ein Maximalwert der NOx-Konzentration innerhalb des Mess-Zeitfensters erreicht werden kann.
Die Erfindung betrifft ferner eine Abgasnachbehandlungsanlage einer
Brennkraftmaschine, die einen in einer Abgasleitung angeordneten
SCR-Katalysator und zumindest eine Einrichtung zum gezielten, definierten Verändern der Nhh-Konzentration im Abgasmassenstrom stromaufwärts vor dem SCR-Katalysator, und zumindest einen ersten Konzentrationssensor, zum Messen der NOx-Konzentration im Abgasmassenstrom stromabwärts nach dem
SCR-Katalysator aufweist. Die Abgasnachbehandlungsanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine elektronische Rechen- und Steuereinheit aufweist, die eingerichtet ist zum gezielten, definierten Verändern der Nhh-Konzentration im Abgasmassenstrom stromaufwärts des SCR-Katalysators mittels einer Einrichtung zum gezielten, definierten Verändern der Nhh-Konzentration und zur Erfassung eines von dem zumindest einen Konzentrationssensor ausgegebenen ersten Konzentrationsmesssignals, wobei die elektronische Rechen- und Steuereinheit weiterhin dazu eingerichtet ist, das beanspruchte Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine gemäß der
vorausgehend oder nachfolgend beschriebenen Ausführungen auszuführen.
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass es einen eindeutigen, reproduzierbaren Zusammenhang gibt zwischen einer bestimmten
Nhh-Konzentrationsänderung vor dem SCR-Katalysator, dem Gradienten-Wert der daraus folgenden NOx-Konzentrationsänderung nach dem SCR-Katalysator und der Nhh-Speicherkapazität des SCR-Katalysators, sowie dem Delta-Wert der NOx-Konzentrationsänderung nach dem SCR-Katalysator und dem aktuellen Beladungszustand des SCR-Katalysators mit NH3. Das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsanlage ermöglichen vorteilhaft eine gegenüber der herkömmlichen Technik verkürzte zuverlässige Diagnose- bzw. Bestimmungszeit für die aktuelle NFh-Speicherkapazität und den aktuellen Beladungszustand des SCR-Katalysators, da vorbereitend keine komplette oder nahezu komplette
Befüllung bzw. Entleerung des SCR-Katalysators erfolgen muß. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass sowohl die aktuelle NFh-Speicherkapazität und der aktuelle Beladungszustand des SCR-Katalysators im gleichen Verfahrensablauf ermittelt werden können und als Grundlage für eine Adaption der Steuerparameter der Bennkraftmaschine bzw. der Abgasnachbehandlungsanlage zur Verfügung stehen. Da im Ablauf des Verfahrens nicht vorgesehen ist, die obere oder untere
Beladungsgrenze des SCR-Katalysators zu überschreiten, wird auch ein ggf. durch das Diagnoseverfahren verursachter erhöhter Schadstoffausstoss, sowie ein erhöhter Reduktionsmittelverbrauch vermieden.
Bei dem benannten Konzentrationssensor handelt es sich beispielsweise um einen NOx-Sensor, der aufgrund seiner Querempfindlichkeit für NH3, sowohl die NH3- als auch die NOx -Konzentration also folglich auch eine Kombination aus NOx und NH3 erfassen, jedoch nicht unterscheiden kann. Ein solcher Konzentrationssensor ist an der genannten Stelle der Abgasnachbehandlungsanlage ohnehin vorgesehen, zur Überwachung des Schadstoffausstosses im Betrieb der Brennkraftmaschine.
Eine vorteilhafte Ausführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Gradienten-Wert und/oder der Delta-Wert der der NOc-Konzentrationsänderung auf Basis der Änderung einer NOc-Konvertierungseffizienz ermittelt wird, wobei sich die NOx-Konvertierungseffizienz gemäß der Formel
Eff_NOx = 1 - NOx_down / NOx_up ergibt.
Dabei repräsentiert Eff_NOx die NOx-Konvertierungseffizienz, NOx_down repräsentiert die gemessene NOc-Konzentration stromabwärts des
SCR-Katalysators und NOx_up repräsentiert die NOc-Konzentration stromaufwärts des SCR-Katalysators. Der dazu erforderliche Wert der NOx-Konzentration stromaufwärts des SCR-Katalysators kann beispielsweise über ein Rechenmodell aus den aktuellen Betriebsparametern errechnet werden, oder auch mittels eines zusätzlichen NOx-Sensors im Abgasstrom stromaufwärts des SCR-Katalysators gemessen werden.
Eine an die vorgenannten Ausführung des Verfahrens angepasste Ausführung der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsanlage, wie vorausgehend
beschrieben, ist dadurch gekennzeichnet, dass sie einen, im Abgasmassenstrom vor dem SCR-Katalysator angeordneten, zusätzlichen Konzentrationssensor zum Messen der NOx-Konzentration vor dem SCR-Katalysator aufweist, wobei die elektronische Rechen- und Steuereinheit dazu eingerichtet ist, das Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine gemäß der vorausgehend beschriebenen Ausführung auszuführen.
Der Vorteil der vorausgehend beschriebenen Ausführung des Verfahrens unter Nutzungder NOx-Konvertierungseffizienz, sowie der zugehörigen
Abgasnachbehandlungsanlage ist, dass Störeinflüsse durch Änderungen der NOx-Rohemission der Brennkraftmaschine in transienten Betriebszuständen während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eliminiert werden können. Dies ergibt auch einen zusätzlichen Freiheitsgrad in Bezug auf für die Diagnose geeigneten Betriebsarten und die zugehörigen maßgeblichen
Diagnose-Betriebsparameter (D-BP) der Brennkraftmaschine.
Unabhängig davon, ob nun lediglich der gemessene NOx-Konzentrationswert stromabwärts des SCR-Katalysators oder die NOx-Konvertierungseffizienz zur Ermittlung des jeweiligen Gradienten-Wertes und des jeweiligen Delta-Wertes herangezogen wird, kann in einer weiteren Ausführung des Verfahrens als
Gradienten-Wert der NOx-Konzentrationsänderung ein über das festgelegte Mess-Zeitfenster ermittelter Mittelwert oder ein innerhalb des festgelegten
MessZeitfensters ermittelter Maximalwert des Gradienten der NOx-Konzentra tionsänderung herangezogen werden. Hierdurch werden weitere Störeinflüsse bei der Ermittlung des Gradienten-Wertes gedämpft oder ausgemittelt und die
Zuverlässigkeit des Verfahrens wird erhöht. Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele und Weiterbildungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Ausführung einer
erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsanlage;
Figur 2 ein Blockdiagramm zur Darstellung des Verfahrensablaufs einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahens;
Figur 3 eine qualitative Darstellung von Verlaufskurven der
NFh-Konzentration vor und der NOx-Konzentration nach dem SCR-Partikelfilter bei 100% und bei 50% NFh-Speicherkapazität; und
Figur 4 ein Beispiel einer Kennlinie die den Zusammenhang zwischen
Gradienten-Wert der NOx-Konzentrationsänderung, GW_NOx, und dem
NFh-Speicherkapazitäts-Wert, SKW_SCR-Kat, des SCR-Katalysators darstellt.
Figur 5 ein Beispiel einer Kennlinie die den Zusammenhang zwischen
Delta-Wert der NOx-Konzentrationsänderung, GW_NOx, und dem aktuellen NFh-Beladungs-Wert (BLW_SCR-Kat) des SCR-Katalysators darstellt.
Figur 6 ein Diagramm zur Darstellung eines Beispiels des Verlaufes der NFh-Konzentration, K_NFl3, und dem davon abhängigen Verlauf der NOx-Kon- vertierungseffizienz, Eff_ NOx, bei aufeinanderfolgender NFh-Konzentrationser- höhung und NFh-Konzentrationsreduzierung.
Funktions- und Benennungsgleiche Objekte sind in den Figuren durchgehend mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Figur 1 zeigt schematisch in einer vereinfachten Darstellung eine Ausführung einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine, beispielsweise einer Diesel-Brennkraftmaschine. Der von der Brennkraftmaschine (hier nicht dargestellt) kommende Abgasmassenstrom 10 wird in Pfeilrichtung durch eine Abgasleitung 1 geführt und passiert dabei einen SCR-Katalysator 3 (SCR-Kat).
Dieser SCR-Katalysator 3 kann in einer alternativen Ausführung der
Abgasnachbeahndlungsanlage beispielsweise auch als Partikelfilter, insbesondere als Wandstromfilter mit SCR-Beschichtung ausgebildet und in der Abgasleitung 1 angeordnet sein. Somit ist der SCR-Katalysator 3 also in einem sogenannten SCR-Partikelfilter (SCR-PF) integriert. Eine solche Ausführung zeichnet sich als besonders platzsparend aus. Eine moderne Abgasnachbehandlungsanlage kann zusätzliche Filter- ond/oder Katalysator-Komponenten, wie zum Beispiel eine NOx-Speicherkatalysator. Auf die Darstellung solcher weiterer Komponenten wurde hier verzichtet, da diese zur Darstellung der Erfindung unerheblich scheinen.
Zum gezielten, definierten Flerbeiführen einer NFh-Konzentrationsänderung, AK_NFl3, im Abgasmassenstrom 10 stromaufwärts vor dem SCR-Katalysator 3 ist an der Abgasleitung 1 stromaufwärts vor dem SCR-Katalysator 3 eine
NFh-Zuführeinrichtung 7, für die Zuführung einer NFh-Lösung 7d in die
Abgasleitung 1 , angeordnet. Die NFh-Zuführeinrichtung 7 weist in diesem
Ausführungsbeispiel einen Vorratsbehälter 7a, zur Bevorratung einer geeigneten wässrigen NFh-Lösung 7d auf, die auch als Flarnstofflösung oder Amoniaklösung bezeichnet wird. Über eine Zuführleitung steht der Vorratsbehälter 7a mit einer Dosiereinrichtung 7b, beispielsweise einem Einspritzventil, in Verbindung, das wiederum an der Abgasleitung 1 angeordnet und dazu eingerichtet ist, definierte Mengen der NFh-Lösung 7d in den Abgasmassenstrom 10 abzugeben. Durch die zugeführte NFh-Lösung 7d entsteht NH3, das den im Abgas enthaltenen NOx-Anteil im SCR-Katalysator 3 in Stickstoff und Wasser umwandelt.
Weiterhin ist zur Beeinflussung der NOx-Rohemission der Brennkraftmaschine eine von der Abgasleitung 1 stromaufwärts vor dem SCR-Katalysator 3 abzweigende Abgasrückführungseinrichtung 2, ein sogenanntes
Flochdruckabgasrückführungssystem, angeordnet, über das ein erster
Teil-Abgasmassenstrom 10a des von der Brennkraftmaschine abgegebenen Abgasmassestroms 10 über eine erste Abgasrückführleitung 2a in den Ansaugbereich der Brennkraftmaschine zurückgeführt wird. Die Größe des zurückgeführten ersten Teil-Abgasmassenstroms 10a kann dabei über ein in der ersten Abgasrückführleitung 2a angeordnetes erstes Abgasrückführventil 2b eingestellt werden. In zweckmäßiger Weise ist die Abzweigung dieser
Abgasrückführungseinrichtung 2 an der Abgasleitung 1 stromaufwärts der
Nhh-Zuführeinrichtung 7 angeordnet, da die zugeführte NFh-Lösung 7d vollständig dem SCR-Katalysator 3 zur NOx-Reduktion zugeführt werden soll.
In einer weiteren Ausbaustufe der erfindungsgemäßen Abgasnach
behandlungsanlage, wie in Figur 1 dargestellt, ist zur weiteren Beeinflussung der NOx-Rohemission der Brennkraftmaschine eine von der Abgasleitung 1
stromabwärts nach dem SCR-Partikelfilter 3 abzweigende weitere
Abgasrückführungseinrichtung 8, ein sogenanntes
Niederdruckabgasrückführungssystem, angeordnet, über das ein weiterer
Teil-Abgasmassenstrom 10b des von der Brennkraftmaschine abgegebenen Abgasmassestroms 10 über eine weitere Abgasrückführleitung 8a in den
Ansaugbereich der Brennkraftmaschine zurückgeführt wird. Die Größe des zurückgeführten weiteren Teil-Abgasmassenstroms 10b kann dabei über ein in der weiteren Abgasrückführleitung 8a angeordnetes, weiteres Abgasrückführventil 8b eingestellt werden.
Die Funktionsweise derartiger Abgasrückführungseinrichtungen zur
Emissionsreduzierung, insbesondere zur Beeinflussung der NOx-Rohemissionen der Brennkraftmaschine, also der NOx-Konzentration im Abgas ist dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt und soll hier nicht weiter erläutert werden.
Obwohl die in der in Figur 1 gezeigte Ausbaustufe der erfindungsgemäßen
Abgasnachbehandlungsanlage sowohl eine NFh-Zuführeinrichtung 7 als auch eine erste Abgasrückführungseinrichtung 2 als auch eine weitere
Abgasrückführungseinrichtung 8 aufweist, so ist für eine erfindungsgemäße Ausführung der Abgasnachbehandlungsanlage als Basis bereits das
Vorhandensein der NFh-Zuführeinrichtung 7 ausreichend. Ebenso können auch zwei oder alle drei dieser Einrichtungen im kombinierten Betrieb eingesetzt und quasi zu einer Einrichtung zur gezielten definierten Beeinflussung der
NOx-Rohemission und zum Herbeiführen einer NH3-Konzentrationsänderung im Abgasmassenstrom 10 stromaufwärts des SCR-Katalysators 3 zusammengefasst werden.
Als für das erfindungsgemäße Verfahren unabdingbare Komponente, ist zumindest ein erster Konzentrationssensor 6, zum Messen der NOx-Konzentration im
Abgasmassenstrom 10 stromabwärts, nach dem SCR-Katalysator 3, im
Abgasmassenstrom 10 angeordnet. Dieser erste Konzentrationssensor 6 gibt ein entsprechendes erstes Konzentrationsmesssignal, NOx_Sig, ab, auf dessen Basis ein korrelierender Gradineten-Wert, GW_NOx, der NOx-Konzentrationsänderung und ein korrelierender Delta-Wert, DW_NOx, der NOx-Konzentrationsänderung bereitgestellt werden kann.
Ferner weist die hier gezeigte Ausführung der erfindungsgemäßen
Abgasnachbehandlungsanlage, gemäß einer weiteren Ausbaustufe, einen, im Abgasmassenstrom 10 stromaufwärts, vor dem SCR-Katalysator 3, angeordneten zusätzlichen Konzentrationssensor 5 zum Messen der NOx-Konzentration vor dem SCR-Katalysator 3 auf. Dieser ist in zweckmäßiger Weise im Abgasmassenstrom 10 stromaufwärts der NH3-Zuführeinrichtung 7 sowie stromabwärts der Abzweigung der ersten Abgasrückführungseinrichtung 2, vor dem SCR-Katalysator 3
angeordnet, so dass mit diesem zusätzlichen Konzentrationssensor 5 nur die NOx-Konzentration im Abgasmassenstrom vor Eintritt in den SCR-Katalysator 3 erfasst werden kann. Dieser zusätzliche Konzentrationssensor 5 gibt ein
entsprechendes zweites Konzentrationsmesssignal, NOx_Sig, ab, das zur
Berechnung der NOx-Konvertierungseffizienz, Eff_NOx, und auf dieser Basis zur Ermittlung eines Gradienten-Wertes, GW_NOx, und eines Delta-Wertes, DW_NOx, der NOx-Konzentrationsänderung, mit herangezogen werden kann.
Auf diese Weise kann zur Ausführung des Verfahrens ein tatsächlich gemessener Wert für die NOx-Konzentration im Abgasmassenstrom 10 stromaufwärts des SCR-Katalysators 3 für die Berechnung der NOx-Konvertierungseffizienz, Eff_NOx, herangezogen werden, was die Sicherheit der Diagnose des SCR-Katalysators 3 erhöht. Andernfalls, wenn nur der stromabwärts des SCR-Katalysators 3
angeordnete Konzentrationssensor 6 zur Verfügung steht, wird beispielsweise ein auf Grundlage der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine mittels eines algebraischen Rechenmodells ermittelter Wert für die NOx-Konzentration stromaufwärts des SCR-Katalysators 3 als Istwert angenommen.
Weiterhin weist die in Figur 1 dargestellte Ausführung der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsanlage eine elektronische Rechen- und Steuereinheit 15 (auch als ECU benannt) auf. Diese ist eingerichtet zum gezielten, definierten Verändern der NFh-Konzentration, K_NH3, im Abgasmassenstrom 10
stromaufwärts des SCR-Katalysators 3, mittels der oben genannten
NFh-Zuführeinrichtung 7 und zur Erfassung eines, von dem zumindest einen Konzentrationssensor 6 ausgegebenen ersten Konzentrationsmesssignals, NOx_Sig, und in weiterer Ausbaustufe eines zweiten Konzentrationsmesssignals, NOx_Sig, des zusätzlichen Konzentrationssensors 5.
Dazu ist die elektronische Rechen- und Steuereinheit 15 zumindest über
Signalleitungen 6c und 7c mit dem ersten Konzentrationssensor 6 und der
Dosiereinrichtung 7b der NFh-Zuführeinrichtung 7 elektrisch verbunden um
Steuersignale an die entsprechenden System komponenten zu geben oder Signale, insbesondere Messsignale von den entsprechenden Systemkomponenten zu erhalten. In der in Fig. 1 dargestellten Ausführung der
Abgasnachbehandlungsanlage ist die Rechen- und Steuereinheit zusätzlich über die Signalleitungen 2c, 5c und 8c mit dem ersten Abgasrückführventil 2b, dem zusätzlichen Konzentrationssensor 5 und dem weiteren Abgasrückführventil 8b elektrisch verbunden.
Die elektronische Rechen- und Steuereinheit 15 ist weiterhin dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine gemäß einer der erfindungsgemäßen Ausführungen auf Basis eines ersten Konzentrationsmesssignals, NOx_Sig, des ersten
Konzentrationssensors 6 oder auf Basis der beiden Konzentrationsmesssignale, NOx_Sig, des ersten und des zusätzlichen Konzentrationssensors 6, 5 auszuführen. Dazu ist der Ablauf des Verfahrens, entsprechende
Berechnungsalgorithmen, sowie die erforderlichen Vorgabewerte zur Ansteuerung der Abgasnachbehandlungsanlage sowie der Brennkraftmaschine, in Form von ausführbarem Programmcode in der elektronischen Steuereinheit 15 bzw. in zugeordneten elektronischen Speichereinheiten hinterlegt.
Eine Ausführung der Abgasnachbehandlungsanlage, wie zuvor beschrieben, zeichnet sich dadurch aus, dass die elektronische Rechen- und Steuereinheit 15 integraler Bestandteil einer zentralen Steuereinheit 16, CPU, der
Brennkraftmaschine ist, wobei das auszuführende Verfahren Teil eines
On-Board-Diagnose-Systems zur Überwachung der abgasrelevanten
Funktionseinheiten der Brennkraftmaschine im bestimmungsgemäßen Betrieb ist.
Eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer
Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine in einer der
vorausgehend beschriebenen Ausführungen ist anhand des in Figur 2 dargestellten vereinfachten Block-Ablaufprogramms in den wesentlichen Verfahrensschritten dargestellt.
Nach dem Start des Verfahrens erfolgt in dem ersten, mit„D-BP_set“
gekennzeichneten Verfahrensschritt, das Einstellen, herbeiführen oder erkennen einer für die Diagnose geeigneten Betriebsart der Brennkraftmaschine, wobei bestimmte maßgebliche Diagnose-Betriebsparameter, D-BP, der
Brennkraftmaschine auf Übereinstimmung mit Diagnose-Vorgabewerten,
D-BP_set, verifiziert, eingestellt oder eingeregelt werden.
In einer Ausführungsvariante des Verfahrens ist eine für Diagnose geeignete Betriebsart gekennzeichnet durch zumindest einen der folgenden
Diagnose-Betriebsparameter, D-BP:
- Die Motordrehzahl, RPM, der Brennkraftmaschine beträgt zwischen 1 100 und 1900 Umdrehungen/Minute.
- Die Betriebstemperatur, T-SCR-Kat, des SCR-Katalysators 3 liegt bei einem Wert zwischen 250°C und 350°C. - Die NH3-Zugabemenge, NH3_st, in den Abgasmassenstrom 10 liegt zumindest annähernd in einem, in Bezug auf die stromaufwärts des SCR-Katalysators im Abgas vorliegende NOx-Konzentration, stöchiometrischen Wert vor,
das heißt, dass die NH3-Zugabemenge einer Menge entspricht, die zur
vollständigen Umsetzung des NOx-Anteils im Abgas im SCR-Katalysator erforderlich ist.
Die Gewährleistung dieser Diagnose-Betriebsparameter gewährleistet einen stabilen Betrieb der Brennkraftmaschine, reduziert Störeinflüsse auf das Verfahren und erhöht somit die Sicherheit der Aussagekraft der Diagnose des
SCR-Katalysators.
Die entsprechenden Vorgabewerte der Diagnose-Betriebsparameter sind dazu beispielsweise in einem elektronischen Speicher der elektronischen Rechen- und Steuereinheit 15, ECU, der in Figur 2 mit„E_Sp1“ gekennzeichnet ist, abgelegt und können zur Ausführung dieses Verfahrensschrittes auf einfache Weise ausgelesen und herangezogen werden.
Da die Einregelung, Einstellung bzw. Verifizierung der zur Diagnose vorteilhaften Diagnose-Betriebsparameter, D-BP, eine gewisse Zeit in Anspruch nehmen kann wird in dem folgenden Verfahrensschritt, der mit„D-BP = D-BP_set“
gekennzeichnet ist, überprüft, ob die aktuellen Diagnose-Betriebsparameter, D-BP, mit den Diagnose-Vorgabewerten, D-BP_set, übereinstimmen. Solange das nicht der Fall ist wird weiterhin versucht die Diagnose-Betriebsparameter, D-BP, an die zur Diagnose vorteilhaften Vorgabewerte, D-BP_set, anzugleichen. Liegen die gewünschten Diagnose-Betriebsparameter, D-BP, vor, so kann der nächste Verfahrensschritt folgen.
Im folgenden, mit„AK_NH3“ gekennzeichneten Verfahrensschritt erfogt dann die gezielte, definierte Herbeiführung einer NH3-Konzentrationsänderung, DK_NH3, im Abgasmassenstrom 10 stromaufwärts des SCR-Katalysators 3. Dies erfolgt, durch entsprechende Ansteuerung der NH3-Zuführeinrichtung 7, wie in Figur 2 mit gestrichelten Linien dargestellt, durch die elektronische Rechen- und Steuereinheit 15, ECU.
Je nach Ausführung des Verfahrens kann die definierte Nhh-Konzentrationsänder- ung, DK_NH3, vor dem SCR-Katalysator 3 in einer definierten Erhöhung oder Reduzierung der Nhh-Konzentration bestehen, die durch eine definierte Erhöhung bzw. Reduzierung der Zugabemenge der Nhh-Lösung 7d mittels der Nhh-Zuführ- einrichtung 7, eingestellt wird. Dies erfolgt insbesondere durch entsprechende Ansteuerung der Dosiereinrichtung 7b mittels der elektronischen Rechen- und Steuereinheit 15, ECU.
Im weiteren Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun gemäß dem mit „NOx_Sig“ gekennzeichneten Verfahrensschritt, die NOx-Konzentrationsänderung im Abgasmassenstrom 10 nach dem SCR-Katalysator 3 innerhalb eines, unmittelbar auf die vorgenannte Nhh-Konzentrationsänderung, DK_NH3, vor dem SCR-Katalysator 3 folgenden, festgelegten Mess-Zeitfensters, TW, gemessen. Dies erfolgt mittels des zumindest einen ersten Konzentrationssensors 6, der ein entsprechendes erstes Konzentrationsmesssignal, NOx_Sig, abgibt, das über die Signalleitung 6c der elektronischen Rechen- und Steuereinheit 15 zur weiteren Verarbeitung zugeführt wird.
In einer Ausführung des Verfahrens wird im Rahmen des vorgenannten
Verfahrensschrittes im gleichen Mess-Zeitfenster, TW, zusätzlich die
NOx-Konzentrationsänderung stromaufwärts, vor dem SCR-Katalysator 3 gemessen. Dazu wird mittels eines zusätzlichen Konzentrationssensors 5, der im Abgasmassenstrom 10 stromaufwärts vor dem SCR-Katalysator 3 und der
NH3-Zuführeinrichtung 7 angeordnet ist, ein zu der NOx-Konzentrationsänderung im Abgasmassenstrom 10 vor dem SCR-Katalysator 3 korrelierendes zweites Konzentrationsmesssignal, NOx_Sig, bereitgestellt und über eine Signalleitung 5c der elektronischen Rechen- und Steuereinheit 15, ECU, zugeführt. Dies ermöglicht die anschließende Ermittlung der NOx-Konvertierungseffizienz, Eff_NOx, mittels der Rechen- und Steuereinheit 15, ECU und deren Verwendung für die weitere
Diagnose, wodurch die Diagnosesicherheit des Verfahrens gesteigert werden kann. Dieser fakultativ zur Anwendung kommende Verfahrensschritt ist durch den gestrichelt dargestellten und mit„Eff_NOx“ gekennzeichneten Verfahrensschritt symbolisiert.
Alternativ können, in einer anderen Ausführung des Verfahrens, die zur Ermittlung der NOx-Konvertierungseffizienz, Eff_NOx, erforderlichen Werte der
NOx-Konzentration stromaufwärts des SCR-Katalysators 3, NOx_up, über ein Rechenmodell aus den jeweils aktuellen Betriebsparametern berechnet werden. Dadurch kann ein zusätzlicher Konzentrationssensor eingespart und die
Systemkosten reduziert werden.
Auf Basis des Signalverlaufs der NOx-Konzentrationsänderung bzw. aus dem Verlauf des Wertes der NOx-Konvertierungseffizienz innerhalb des
Mess-Zeitfensters, TW, werden dann im weiteren Verlauf des Verfahrens ein Gradienten-Wert, GW_NOx , und/oder ein Delta-Wert, DW_NOx, der
NOx-Konzentrationsänderung ermittelt, was durch die parallel angeordneten, entsprechend mit„GW_NOx“ und„DW_NOx“ gekennzeichneten Verfahrensschritte dargestellt ist. Dies kann parallel, wie dargestellt, aber auch sequenziell erfolgen. Ebenso kann das Verfahren in einer vereinfachten Ausführung auf die Ermittlung eines Gradienten-Wertes, GW_NOx, oder eines Delta-Wertes, DW_NOx, beschränkt sein.
Der genannte Gradienten-Wert, GW_NOx, kann dabei als innerhalb des
Mess-Zeitfensters, TW, ermittelter Maximalwert des Gradienten oder als über die Dauer des Mess-Zeitfensters, TW, hinweg gemittelter Mittelwert des Gradienten der NOx-Konzentrationsänderung ermittelt und herangezogen werden.
Der Delta-Wert, DW_NOx, der NOx-Konzentrationsänderung ergibt sich als eine Differenz zwischen zwei stromabwärts des SCR-Katalysators 3, zu aufeinander folgenden Zeitpunkten gemessenen NOx-Konzentrationswerten, wovon einer der NOx-Konzentrationswert zeitlich kurz vor oder kurz nach dem Beginn-Zeitpunkt der NH3-Konzentrationsänderung ist und der zweite ein innerhalb des Mess-Zeitfens- ters, TW, als maximale NOx-Konzentration ermittelter NOx-Konzentrationswert ist. Auf Basis des genannten Gradienten-Wertes, GW_NOx, erfolgt dann in dem darauffolgenden, mit„SKW_SCR-Kat“ gekennzeichneten Verfahrensschritt eine Quantifizierung eines aktuellen Nhh-Speicherkapazitats-Wertes, SKW_SCR-Kat, des SCR-Katalysators (3).
Ergänzend oder alternativ kann dann parallel oder sequenziell auf Basis des genannten Delta-Wertes, DW_NOx, in dem mit„BLW_SCR-Kat“ gekennzeichneten Verfahrensschritt eine Quantifizierung eines aktuellen Nhh-Beladungs-Wertes, BLW_SCR-Kat, des SCR-Katalysators 3 erfolgen.
Die ermittelten Werte für die Nhh-Speicherkapazität, SKW_SCR-Kat, und die NH3-Beladung, BLW_SCR-Kat, können dann in dem mit„BP_Norm“
gekennzeichneten Verfahrensschritt, der den Normalbetrieb der
Brennkraftmaschine kennzeichnet, zu einer Adaption von Steuerparametern der Brennkraftmaschine herangezogen werden, um ein optimiertes Abgasverhalten der Brennkraftmaschine zu gewährleisten. Das heißt, dass auf Grundlage des bestimmten aktuellen Nhh-Speicherkapazitäts-Wertes, SKW_SCR-Kat, und/oder des bestimmten aktuellen Nhh-Beladungs-Wertes, BLW_SCR-Kat, korrelierende Steuerparameter der Brennkraftmaschine und der Abgasnachbehandlungsanlage angepasst werden.
Dies ist in Fig.2 mit den an die Verfahrensschritte„SKW_SCR-Kat“ und
„BLW_SCR-Kat“ anschließenden gestrichelten Pfeilen symbolisiert.
In einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Quantifizierung des aktuellen Nhh-Speicherkapazitäts-Wertes, SKW_SCR-Kat, des
SCR-Katalysators (3) und/oder die Quantifizierung des aktuellen
Nhh-Beladungs-Wertes, BLW_SCR-Kat, des SCR-Katalysators (3), mit Hilfe von vorausgehend ermittelten Kennlinien oder Kennfeldern, in denen der
NH3-Speicherkapazitäts-Wert, SKW_SCR-Kat, oder der NH3-Beladungs-Wert, BLW_SCR-Kat, des SCR-Katalysators 3 in Abhängigkeit vom Gradienten-Wert, GW_NOx, oder vom Delta-Wert, DW_NOx, der Konzentrationsänderung
abgespeichert ist. Dies ist in Fig. 2 mittels eines als„E_Sp2“ gekennzeichneten Speichers dargestellt. Im Speicher E_Sp2 sind entsprechende Kennlinien,
Kennfelder und auch Grenzwerte, GW_TH, DW_TH, abgespeichert, aus denen in den vorausgehend genannten Verfahrensschritten die gesuchten Werte
ausgelesen werden können. Dies ermöglicht eine schnelle und präzise
Quantifizierung des aktuellen NFh-Speicherkapazitäts-Wertes, SKW_SCR-Kat, und des aktuellen NFh-Beladungs-Wertes, BLW_SCR-Kat, des SCR-Katalysators 3.
Eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Gradienten-Wert, GW_NOx, der NOx-Konzentra- tionsänderung oder/und der Delta-Wert, DW_NOx, der NOx-Konzentrations- änderung, zum Vergleich mit einem jeweiligen Gradienten-Grenzwert, GW_TH, bzw.einem Delta-Grenzwert, DW_TH, herangezogen werden. In Fig. 2 ist dies beispielhaft anhand des Vergleichs mit einem Gradienten-Grenzwert, GW_TH, dargestellt. In Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis kann dann der
SCR-Katalysator 3 als defekt, nOK, oder intakt, OK, erkannt werden, wobei im Falle eines als defekt, nOK, erkannten SCR-Katalysators 3, wie in dem mit„BP_Not“ gekennzeichneten Verfahrensschritt dargestellt, ein Notbetrieb der
Brennkraftmaschine, BP_Not, eingeleitet wird oder im Falle eines als intakt, OK, erkannten SCR-Katalysators 3, wie in dem mit„BP_Norm“ gekennzeichneten Verfahrensschritt dargestellt, der Normalbetrieb der Brennkraftmaschine fortgeführt wird. Die erforderlichen Grenzwerte sind ebenfalls vorausgehend festgelegt und im Speicher E_Sp2 zum Abruf hinterlegt.
Um einen dauerhaft fehlerfreien Betrieb der Abgasnachbehandlungsanlage sicherzustellen kann das erfindungsgemäße Verfahren in allen vorausgehend und nachfolgend beschriebenen Ausführungen in bestimmten Zyklen im Betrieb wiederholt werden, wobei diese Zyklen basieren können auf einer bestimmten Betriebs-Zeitdauer, einer bestimmten Betriebsleistung oder auf im Betrieb ermittelten Bedarfswerten.
Das in Fig. 3 dargestellte Diagramm zeigt die Ermittlung eines Gradienten-Wertes, GW_NOx, und eines Delta-Wertes, DW_NOx, der NOx-Konvertierungseffizienz, Eff_NOx, anhand einer qualitativen Darstellung. Dargestellt ist die NH3-Konzentrationsänderung, DK_NH3, im Abgasmassenstrom 10 stromaufwärts des SCR-Katalysators 3, in Bezug auf die in der für die Diagnose geeigneten Betriebsart vorliegenden Werte der NFh-Konzentration, K_NH3, über der zeit, t, anhand der mit K_NH3 gekennzeichneten Kurve. Zu erkennen ist ein sprunghafter Anstieg der NFh-Konzentration, K_NH3, zum Zeitpunkt T1 und die Beibehaltung des erhöhten NFh-Konzentrationswertes zumindest bis zum Zeitpunkt T2, der das Ende des definierten Mess-Zeitfensters, TW, darstellt.
Weiterhin sind zwei unterschiedliche Verläufe der NOx-Konvertierungseffizienz eingezeichnet, wobei die mit Eff_ NOx_100 gekennzeichnete Kurve den Verlauf der NOx-Konvertierungseffizienz eines neuwertigen SCR-Katalysators mit 100% NH3-Speicherkapazität repräsentiert und die mit Eff_ NOx_50 gekennzeichnete Kurve zum Vergleich die NOx-Konvertierungseffizienz eines bereits gealterten SCR-Katalysators 3 mit beispielsweise nurmehr 50% NFh-Speicherkapazität repräsentiert. Deutlich zu erkennen sind die unterschiedlichen Steigungen, also die Gradienten-Werte GW_NOx und GW_NOx‘ innerhalb des Mess-Zeitfensters TW. Daraus ist der prinzipielle Zusammenhang zwischen dem Gradienten-Wert, GW_NOx, und der NFh-Speicherkapazität, SKW_SCR-Kat, zu erkennen. Je größer der Betrag des Gradienten-Wertes, GW_NOx, desto größer ist auch die
NH3-Speicherkapazität, SKW_SCR-Kat, anzunehmen. Dieser Zusammenhang ist auch in dem Kennlinien-Diagramm in Fig. 4 in einem Beispiel dargestellt. In Fig. 4 ist auch ein Gradienten-Grenzwert, GW_TFI, eingezeichnet, anhand dessen eine Erkennung des SCR-Katalysators als defekt, nOK, unterhalb des
Gradienten-Grenzwert, GW_TFI oder als intakt, OK, oberhalb des
Gradienten-Grenzwert, GW_TFI, erfolgen kann.
Wird die dargestellte Kennlinie, die als einfachste Form eines Kennfeldes betrachtet werden kann, in Abhängigkeit von weiteren, Einfluss nehmenden
Betriebsparametern, insbesondere unterschiedlichen Diagnose-Betriebsparameter aufgezeichnet, so entsteht ein mehrdimensionales Kennfeld.
Zur Ermittlung des Delta-Wertes der NOx-Konzentrationsänderung DW_NOx wird zum Beispiel die Differenz gebildet zwischen dem innerhalb des Mess-Zeitfensters TW ermittelten maximalen NOx-Konvertierungseffizienz-Wert K2 und dem vor Beginn des Mess-Zeitfensters TW, unmittelbar vor dem Zeitpunkt T1 , also noch vor der Nhh-Konzentrationsänderung, DK_NH3, ermittelten NOx-Konvertierungseffi- zienz-Wert K1 . Hier zeigt sich jedoch, dass die Abhängigkeit des Delta-Wertes, DW_NOx, der NOx-Konzentrationsänderung umgekehrt proportional ist zu der NH3-Beladung, BLW_SCR-Kat, des SCR-Katalysators. Geht man also davon aus, dass der in Fig. 2, anhand der Kurve der NOx-Konvertierungseffizienz bei 100% NH3-Speicherkapazität, Eff_ NOx_100, ermittelte Delta-Wert, DW_NOx, einen NH3-Beladungs-Wert, BLW_SCR-Kat, von 30% seiner Maximalbeladung darstellt, so ergäbe sich für einen NH3-Beladungs-Wert, BLW_SCR-Kat, von beispielsweise 90% ein wesentlich kleinerer Maximalwert der NOx-Konvertierungseffizienz, Eff_NOx, und somit auch ein kleinerer Delta-Wert, DW_NOx. Dieser
Zusammenhang ist auch in dem Kennlinien-Diagramm in Fig. 5 in einem Beispiel dargestellt. Auch hier gilt, dass die dargestellte Kennlinie als einfachste Form eines Kennfeldes betrachtet werden kann, wobei unter Variation weiterer, Einfluss nehmender Betriebsparametern, insbesondere unterschiedlicher
Diagnose-Betriebsparameter, ein mehrdimensionales Kennfeld entsteht.
Eine weitere Ausführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der NH3-Konzentrationsänderung zunächst eine NH3-Konzentrations- erhöhung, AK_NH3_up, und eine unmittelbar darauffolgende
NH3-Konzentrationsreduzierung, AK_NH3_down, erfolgt. Dabei erfolgt, nach der NH3-Konzentrationserhöhung für eine bestimmte erste Zeitdauer, die
NH3-Konzentrationsreduzierung auf einen derart gewählten Wert und für eine derart gewählte zweite Zeitdauer, sodass ein sich über die Dauer der
NH3-Konzentrationserhöhung und der NH3-Konzentrationsreduzierung hinweg ergebender Mittelwert der NH3-Konzentration stromaufwärts des SCR-Katalysators 3, dem vor der NH3-Konzentrationserhöhung vorherrschenden Wert der NH3-Kon- zentration entspricht. Auf diese Weise wird vorteilhaft gewährleistet, dass es über die Verfahrensdauer hinweg, im zeitlichen Mittel, zu keiner durch das Verfahren verursachten Erhöhung des Schadstoffausstoßes kommt. Eine weitere Ausführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die NFh-Konzentrationsänderung eine NFh-Konzentrationserhöhung, AK_NH3_up, und eine unmittelbar darauf folgende NFh-Konzentrationsreduzierung,
AK_NH3_down, stromaufwärts des SCR-Katalysators 3 aufweist und die sich daraus ergebenden Gradienten-Werte, GW_NOx_up, GW_NOx_down, und
Delta-Werte, DW_NOx_up, DW_NOx_down, in Kombination miteinander zur Quantifizierung eines aktuellen NFh-Speicherkapazitäts-Wertes, SKW_SCR-Kat, des SCR-Katalysators (3) und/oder zur Quantifizierung eines aktuellen NFh-Bela- dungs-Wertes, BLW_SCR-Kat, des SCR-Katalysators 3 herangezogen werden. Es wird also jeweils ein positiver und ein negativer Gradienten-Wert, sowie ein positiver und ein negativer Delta-Wert, in Kombination herangezogen. Dabei kann auch der jeweilige Gradienten-Wert, sowie der jeweilige Delta-Wert, auf Basis des ersten NOc-Konzentrationssignals oder auch auf Basis der NOx-Konvertierungseffizienz ermittelt werden.
Zur weiteren Steigerung der Zuverlässigkeit des Verfahrens können in Fortführung des Gedankens, in einer weiteren Ausführung des Verfahrens, ein Gradienten-Wert GW_NOx_up, während einer NFh-Konzentrationserhöhung, AK_NH3_up, und ein Gradienten-Wert GW_NOx_down, während einer NFh-Konzentrationsreduzierung, AK_NH3_down, zusammen und in Relation zum Wert der jeweiligen NFh-Konzen- trationsänderung zur Ermittlung eines übergeordneten Gradeinten-Wertes
GW_NOx herangezogen werden. Dies kann gemäß folgender Formel erfolgen:
GW_NOx = (GW_NOx_up / AK_NFh_up) + (GW_NOx_down / AK_NH3_down).
Die genannten Variablen sind ergänzend in Fig. 6 verdeutlicht. Zu erkennen sind zwei über der Zeit t aufgetragene Kurven, wobei die obere den Verlauf der
NFh-Konzentration, K_NFl3, stromaufwärts des SCR-Katalysators 3 darstellt und die untere den Verlauf der normalisierten NOx-Konvertierungseffizienz Eff_NOx darstellt. Zum Zeitpunkt T1 erfolgt eine NFh-Konzentrationserhöhung, AK_NFl3_up, ausgehend von 100% um +400%. Als Reaktion darauf beginnt die NOx-Konver- tierungseffizienz, Eff_NOx, innerhalb des ersten Mess-Zeitfensters, TW1 , zu steigen und der Gradienten-Wert, GW_NOx_up, des Anstiegs kann mit +5 %/s ermittelt werden. Zum Zeitpunkt T2, der gleichzeitig das Ende des ersten Mess-Zeitfensters TW1 darstellt erfolgt dann eine NH3-Konzentrationsreduzierung, AK_NH3_down, um -400% und als Reaktion darauf beginnt die
NOx-Konvertierungseffizienz, Eff_NOx, innerhalb des zweiten Mess-Zeitfensters TW2 ebenfalls zu fallen und der der Gradienten-Wert, GW_NOx_down, der Reduzierung kann mit -8 %/s ermittelt werden. Das zweite Mess-Zeitfenster TW2 endet zum Zeitpunkt T3, an dem auch das Verfahren abgeschlossen ist und es wird mit einer für den Nomalbetrieb, BP_Norm, der Brennkraftmaschine berechneten Nhh-Konzentration K_NH3_BP_Norm fortgefahren.
Daraus lässt sich ein übergeordneter Gradienten-Wert, GW_NOx, gemäß der oben genannten Formel berechnen, wie folgt:
(5 %/s / +400%) +(-8 %/s / -400%) = 0,0125 /s + 0,02 /s = 0,0325 /s.
Mit diesem Wert kann dann beispielsweise über ein entsprechendes Kennfeld die zugehörige aktuelle NFh-Speicherkapazität des SCR-Katalysators ermittelt werden.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens weist das jeweilige festgelegte
Mess-Zeitfenster, TW, zur Ermittlung des Gradienten-Wertes, GW_NOx, und/oder des Delta-Wertes DW_NOx eine Dauer von kleiner gleich 10 Sekunden,
insbesondere kleiner gleich 5 Sekunden oder 3 Sekunden auf. Die Länge dieses Zeitfensters gewährleistet, dass lediglich eine direkte, auf die NH3- Konzentrationsänderung folgende Reaktion des NOx-Konzentrations-Wertes nach dem SCR-Katalysator 3, bei der Ermittlung des jeweiligen Gradienten-Wertes, GW_NOx, bzw. Delta-Wertes, DW_NOx, betrachtet werden, wodurch die
Zuverlässigkeit bzw. die Aussagekraft des Verfahrens erhöht.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage einer
Brennkraftmaschine, wobei die Abgasnachbehandlungsanlage eine Abgasleitung (1 ) zur Führung eines Abgasmassenstroms (10) und einen in der Abgasleitung (1 ) angeordneten SCR-Katalysator (3) aufweist, wobei eine Einrichtung zum gezielten, definierten Verändern einer NFh-Konzentration im Abgasmassenstrom (10) stromaufwärts vor dem SCR-Katalysator (3), und zumindest ein erster
Konzentrationssensor (6), im Abgasmassenstrom (10) stromabwärts nach dem SCR-Katalysator (3), angeordnet ist und wobei eine Diagnose des
SCR-Katalysators (3) der Abgasnachbehandlungsanlage in Bezug auf seine NFh-Speicherkapazität und seine aktuelle NFh-Beladung durchgeführt wird, mit den folgenden Schritten:
- Einstellen, herbeiführen oder erkennen einer für die Diagnose geeigneten
Betriebsart der Brennkraftmaschine, wobei bestimmte maßgebliche
Diagnose-Betriebsparameter (D-BP) der Brennkraftmaschine auf
Übereinstimmung mit Diagnose-Vorgabewerten (D-BP_set) verifiziert, eingestellt oder eingeregelt werden;
bei Vorliegen einer für die Diagnose geeigneten Betriebsart,
- gezielte, definierte Herbeiführung einer NH3-Konzentrationsänderung (DK_NH3) im Abgasmassenstrom (10) stromaufwärts des SCR-Katalysators (3) in Bezug auf die in der für die Diagnose geeigneten Betriebsart vorliegenden Werte der NH3-Konzentration (K_NH3);
- Erfassen der NOx-Konzentrationsänderung im Abgasmassenstrom (10)
stromabwärts des SCR-Katalysators (3) innerhalb eines, unmittelbar auf die vorgenannte NH3-Konzentrationsänderung (DK_NH3) folgenden, festgelegten Mess-Zeitfensters (TW), mittels des ersten Konzentrationssensors (6), der ein entsprechendes erstes Konzentrationsmesssignal (NOx_Sig) abgibt; und auf Basis zumindest des ersten Konzentrationsmesssignals (NOx_Sig) innerhalb des festgelegten Mess-Zeitfensters (TW):
- Ermitteln eines Gradienten-Wertes (GW_NOx) der NOx-Konzentrationsänderung und quantifizieren eines aktuellen NH3-Speicherkapazitäts-Wertes (SKW_SCR-Kat) des SCR-Katalysators (3) auf Basis dieses Gradienten-Wertes (GW_NOx); und/oder
- Ermitteln eines Delta-Wertes (DW_NOx) der NOx-Konzentrationsänderung und quantifizieren eines aktuellen Nhh-Beladungs-Wertes (BLW_SCR-Kat) des SCR-Katalysators (3) auf Basis dieses Delta-Wertes (DW).
2. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gradienten-Wert (GW_NOx) und/oder der Delta-Wert (DW_NOx) auf Basis der Änderung einer NOx-Konvertierungseffizienz (Eff_NOx) ermittelt wird, wobei sich die NOx-Konvertierungseffizienz (Eff_NOx) gemäß der Formel
Eff_NOx = 1 - NOx_down / NOx_up ergibt, wobei
Eff_NOx die NOx-Konvertierungseffizienz,
NOx_down die NOx-Konzentration stromabwärts des SCR-Katalysators (3) und NOx_up die NOx-Konzentration stromaufwärts des SCR-Katalysators (3)
repräsentiert.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Gradienten-Wert (GW_NOx) der NOx-Konzentrationsänderung ein über das festgelegte Mess-Zeitfenster (TW) ermittelter Mittelwert oder ein innerhalb des festgelegten Mess-Zeitfensters (TW) ermittelter Maximalwert des Gradienten der NOx-Konzentrationsänderung herangezogen wird.
4. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quantifizierung des aktuellen
NH3-Speicherkapazitäts-Wertes (SKW_SCR-Kat) des SCR-Katalysators (3) und/oder die Quantifizierung des aktuellen NFh-Beladungs-Wertes
(BLW_SCR-Kat) des SCR-Katalysators (3) mit Hilfe von vorausgehend ermittelten Kennlinien oder Kennfeldern, in denen der NH3-Speicherkapazitäts-Wert
(SKW_SCR-Kat) oder der NH3-Beladungs-Wert (BLW_SCR-Kat) des
SCR-Katalysators (3) in Abhängigkeit vom Gradienten-Wert (GW_NOx) oder vom Delta-Wert (DW_NOx) der NOx-Konzentrationsänderung abgespeichert ist.
5. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gradienten-Wert (GW_NOx) der NOx-Konzentra- tionsänderung oder der Delta-Wert (DW_NOx) der NOx-Konzentrationsänderung zum Vergleich mit einem jeweiligen Gradienten-Grenzwert (GW_TH) oder einem Delta-Grenzwert (DW_TH) herangezogen werden und in Abhängigkeit vom
Vergleichsergebnis der SCR-Katalysator (3) als defekt erkannt und ein Notbetrieb (BP_Not) der Brennkraftmaschine eingeleitet wird oder als intakt erkannt und der Normalbetrieb (BP_Norm) der Brennkraftmaschine fortgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Nhh-Konzentrationsänderung (DK_NH3) eine Nhh-Konzentrationserhöhung (AK_NH3_up) und eine unmittelbar darauf folgende Nhh-Konzentrationsreduzierung (AK_NH3_down) erfolgt, wobei nach der
NH3-Konzentrationserhöhung für eine bestimmte erste Zeitdauer die
Nhh-Konzentrationsreduzierung auf einen derart gewählten Wert und für eine derart gewählte zweite Zeitdauer erfolgt, sodass ein sich über die Dauer der
NH3-Konzentrationserhöhung und der Nhh-Konzentrationsreduzierung hinweg ergebender Mittelwert der Nhh-Konzentration, dem vor der
NH3-Konzentrationserhöhung vorherrschenden Wert der Nhh-Konzentration entspricht.
7. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nhh-Konzentrationsänderung (DK_NH3) eine
NH3-Konzentrationserhöhung (AK_NH3_up) und eine unmittelbar darauf folgende Nhh-Konzentrationsreduzierung (AK_NH3_down) stromaufwärts des
SCR-Katalysators 3 aufweist und die sich daraus ergebenden Gradienten-Werte (GW_NOx) und Delta-Werte (DW_NOx) in Kombination miteinander zur
Quantifizierung eines aktuellen Nhh-Speicherkapazitäts-Wertes (SKW_SCR-Kat) des SCR-Katalysators (3) und/oder zur Quantifizierung eines aktuellen
Nhh-Beladungs-Wertes (BLW_SCR-Kat) des SCR-Katalysators (3) herangezogen werden.
8. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
wobei die für die Diagnose geeignete Betriebsart gekennzeichnet ist durch zumindest einen der folgenden Diagnose-Betriebsparameter:
- Motordrehzahl (RPM) der Brennkraftmaschine zwischen 1 100 und 1900
Umdrehungen/Minute;
- Betriebstemperatur (T-SC-PF) des SCR-Katalysators (3) zwischen 250°C und
350°C;
- NFh-Zugabemenge in einem, in Bezug zur NOx-Konzentration im Abgas
stromaufwärts des SCR-Katalysators (3), stöchiometrischen Verhältnis.
9. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige festgelegte Mess-Zeitfenster (TW) eine Dauer von kleiner gleich 10 Sekunden oder kleiner gleich 5 Sekunden oder kleiner gleich 3 Sekunden aufweist.
10. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grundlage des bestimmten aktuellen
NFh-Speicherkapazitäts-Wertes (SKW_SCR-Kat) und/oder des bestimmten aktuellen NFh-Beladungs-Wertes (BLW_SCR-Kat), korrelierende Steuerparameter der Brennkraftmaschine und der Abgasnachbehandlungsanlage angepasst werden.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Ermittlung der NOx-Konvertierungseffizienz (Eff_NOx) erforderlichen Werte der NOx-Konzentration (NOx_up) stromaufwärts des SCR-Katalysators (3), über ein Rechenmodell aus den jeweils aktuellen Betriebsparametern berechnet werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Ermittlung der NOx-Konvertierungseffizienz (Eff_NOx) erforderlichen Werte der NOx-Konzentration (NOx_up), stromaufwärts des SCR-Katalysators (3), mittels eines zusätzlichen, stromaufwärts des SCR-Katalysators (3) angeordneten Konzentrationssensors (5) ermittelt werden.
13. Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine, die einen in einer Abgasleitung (1 ) angeordneten SCR-Katalysator (3) und zumindest eine Einrichtung zum gezielten, definierten Verändern der Nhh-Konzentration im
Abgasmassenstrom (10) stromaufwärts vor dem SCR-Katalysator (3), und zumindest einen ersten Konzentrationssensor (6), zum Messen der
NOx-Konzentration im Abgasmassenstrom (10) stromabwärts nach dem
SCR-Katalysator (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die
Abgasnachbehandlungsanlage eine elektronische Rechen- und Steuereinheit (15) aufweist, die eingerichtet ist zum gezielten, definierten Verändern der
Nhh-Konzentration im Abgasmassenstrom (10) stromaufwärts des
SCR-Katalysators (3) mittels einer Einrichtung zum gezielten, definierten Verändern der Nhh-Konzentration und zur Erfassung eines von dem zumindest einen
Konzentrationssensor (6) ausgegebenen ersten Konzentrationsmesssignals (1 10), wobei die elektronische Rechen- und Steuereinheit (15) weiterhin dazu eingerichtet ist, das Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 1 1 auszuführen.
14. Abgasnachbehandlungsanlage nach Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, dass sie einen, im Abgasmassenstrom (10) vor dem
SCR-Katalysator (3) angeordneten zusätzlichen Konzentrationssensor (5) zum Messen der NOx-Konzentration vor dem SCR-Katalysator (3) aufweist, wobei die elektronische Rechen- und Steuereinheit (15) dazu eingerichtet ist, das Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 13 auszuführen.
15. Abgasnachbehandlungsanlage nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der SCR-Katalysator (3) ein in einem Partikelfilter integrierter SCR-Katalysator (3) ist.
16. Abgasnachbehandlungsanlage nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Rechen- und Steuereinheit (15) integraler Bestandteil einer zentralen Steuereinheit (16) der Brennkraftmaschine ist und das auszuführende Verfahren Teil eines On-Board-Diagnose-Systems zur Überwachung der abgasrelevanten Funktionseinheiten der Brennkraftmaschine im bestimmungsgemäßen Betrieb ist.
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