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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgas mager
betriebener Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 bzw. 10 und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 4.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 42 37 705 A1 ist
eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entfernung von Stickoxiden
aus dem Abgas mager betriebener Brennkraftmaschinen bekannt, bei
welchem von einem Reduktionsmittel-Zugaberegler ein kontinuierlicher,
dem momentanen Stickoxidgehalt des Abgases angepasster Reduktionsmittelstrom
dem Abgas beigemischt wird. Die Reduktionsmittelzugaberegelung basiert
dabei auf der Größe der zeitlichen Änderung
des Reduktionsmittelabbaus innerhalb des Stickoxid- (NOx-) Reduktionskatalysators.
Als Reduktionsmittel findet Ammoniak (NH3) Verwendung.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 198 59 003 A1 ist
ebenfalls eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entfernung von
Stickoxiden aus dem Abgas mager betriebener Brennkraftmaschinen
bekannt. Vorgeschlagen wird hier ein mit Kraftstoff als Reduktionsmittel
arbeitender Denox-Katalysator als NOx-Reduktionskatalysator, welcher
mehrfach geteilt ist. Entsprechend der Katalysatorteilung sind mehrere
Reduktionsmittelzugabestellen vorgesehen.
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Aus der Patentschrift
DE 42 17 552 C1 ist eine
Abgasnachbehandlungseinrichtung für Kraftfahrzeugdieselmotoren
mit einem NOx-Reduktionskatalysator und einer NH3-Dosiervorrichtung
bekannt, bei dem die NH3-Zufuhr entsprechend einer vorgebbaren unteren
bzw. oberen NH3-Schwellenkonzentration im Abgas ein- bzw. ausgeschaltet
wird. Zur Ermittlung der Schwellenkonzentrationen sind ein die NH3-Konzentration
in der Gasphase messender Sensor und ein weiterer, das im NOx-Reduktionskatalysator
adsorbierte NH3 messende Sensor vorgesehen.
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An NOx-Reduktionskatalysatoren wird
NOx mit einem Reduktionsmittel zu unschädlichem Stickstoff (N2) reduziert.
Unter den oxidierenden Bedingungen im Abgas einer mager betriebenen
Brennkraftmaschine, wie z.B. eines Dieselmotors, erfordert dies
das Ablaufen einer selektiv verlaufenden Reduktionsreaktion zwischen
NOx und dem Reduktionsmittel, damit das Reduktionsmittel nicht in
unerwünschter
Weise mit dem mit hohem Überschuss
im Abgas vorhandenen Sauerstoff reagiert. Als NOx-Reduktionskatalysatoren
kommen hauptsächlich
sogenannte SCR-Katalysatoren (SCR = selective catalytic reduction)
zum Einsatz, an denen NOx unter oxidierenden Bedingungen in einer selektiven
Reduktionsreaktion mit dem Reduktionsmittel NH3 zu unschädlichem
N2 reduziert wird. Das Reduktionsmittel wird dem Abgas üblicherweise
von außen
zugegeben. Als Reduktionsmittel kommt NH3 oder eine im Abgas NH3-abspaltende
Substanz, wie z.B. Harnstoff in Frage.
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Bekannte SCR-Katalysatoren müssen eine ausreichende
Menge NH3 gespeichert haben, damit ein gewisser NOx-Umsatz realisiert
werden kann. Die Menge an speicherbarem NH3 ist sehr stark von der Temperatur
und der Strömungsgeschwindigkeit
des Abgases bzw. dem Abgasmassenstrom abhängig. Und zwar nimmt die im
NOx-Reduktionskatalysator speicherbare
NH3-Menge mit steigender Temperatur und mit steigendem Abgasdurchsatz
stark ab. Wird ein hoher NOx-Umsatz angestrebt, sollte der SCR-Katalysator
eine möglichst
hohe NH3-Menge gespeichert haben. Übersteigt die gespeicherte NH3-Menge
jedoch ein gewisses Maß,
so tritt begleitend zum NOx-Umsatz auch ein gewisser NH3-Austrag
(NH3-Schlupf) aus
dem Katalysator auf. Aufgrund der Schädlichkeit und des stechenden
Geruchs von NH3 ist dieser NH3-Schlupf unerwünscht und sollte auf einen
Wert von z.B. 10 ppm begrenzt bleiben. Die schlupffrei oder für einen
vorgegebenen Schlupfwert im Katalysator einspeicherbare NH3-Menge
ist demnach begrenzt und hauptsächlich von
der Abgastemperatur, bzw. der Katalysatortemperatur, dem Abgasmassenstrom
und dem NOx-Angebot abhängig.
Bei einer plötzlichen
Erhöhung
der Katalysatortemperatur und/oder des Abgasmassenstroms wird von üblichen
SCR-Katalysatoren NH3 durch Desorption in unerwünschter Weise freigesetzt.
Aus diesem Grund wird die im SCR-Katalysator gespeicherte NH3-Menge üblicherweise
kleiner gehalten, als dies für
einen optimalen NOx-Umsatz nötig
ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine
Vorrichtung und ein Verfahren mit verbesserter Wirksamkeit hinsichtlich
der selektiven Stickoxid- (NOx-) Verminderung bei gleichzeitig vermindertem
NH3-Schlupf anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 10 und mit einem Verfahren mit
den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich
dadurch aus, dass die Reduktionsmitteleinspeisung dosiert über einen
Regelkreis zur mengenmäßig kontinuierlich
regelbaren Reduktionsmittelzufuhr in das Abgas der Brennkraftmaschine
erfolgt. Vorzugsweise wird mit NH3 oder einer NH3-abspaltenden Substanz
als Reduktionsmittel gearbeitet. Unter einer mengenmäßig kontinuierlichen
Regelung ist hier zu verstehen, dass die Führungsgröße im Unterschied zu einer
Ein-Aus-Regelung oder einer Zweipunktregelung eine Vielzahl von
verschiedenen Werten, vorzugsweise ein Wertekontinuum innerhalb
eines bestimmten Wertebereichs, annehmen kann. Der Regelkreis ist
dabei so aufgebaut, dass als Regelgröße die von einem NH3-Sensor im Abgas gemessene
NH3-Konzentration dient, und als Führungsgröße ein NH3-Konzentrationswert
vorgebbar ist, der abhängig
vom jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine ist. Mit dieser
betriebspunktabhängig
vorgebbaren Führungsgröße kann
flexibel auf sich ändernde
Betriebszustände
der Brennkraftmaschine reagiert werden und die im Katalysator gespeicherte
NH3-Menge für
einen hohen NOx-Umsatz optimiert werden. Der Betriebspunkt der Brennkraftmaschine
ist hier z.B. durch Drehmoment und Drehzahl bestimmt, oder durch
andere charakteristische Größen, wie
die Konzentration der NOx-Emission
der Brennkraftmaschine im Abgas, die Abgastemperatur und den Abgasmassenstrom.
Für den
Aufbau des Regelkreises kommt jede dem Fachmann geläufige Struktur
in Frage.
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Erfindungsgemäß weist der NOx-Reduktionskatalysator
wenigstens zwei voneinander getrennte Teile auf, welche in Abgasströmungsrichtung hintereinander
angeordnet sind. Dabei ist der NOx-Reduktionskatalysator als üblicher
SCR-Katalysator ausgeführt.
Wenn der Katalysator geteilt ist, kann z.B. der erste Katalysatorteil
mit einer hohen NH3-Beladung versehen werden, weshalb an diesem
Katalysatorteil auch ein hoher NOx- Umsatz erzielt werden kann. Der dabei
notwendigerweise auftretende relativ große NH3-Schlupf kann vom nachfolgenden
Katalysatorteil abgefangen werden. Am ersten Katalysatorteil nicht
umgesetztes NOx kann dann ganz oder zum größten Teil mittels des NH3-Schlupfes
des ersten Katalysatorteils am zweiten Katalysatorteil umgesetzt
werden. Zweckmäßigerweise
wird das Volumen der einzelnen Katalysatorteile an die NH3-Speichereigenschaften
und den Dynamikbereich der Brennkraftmaschine angepasst. Vorteilhaft
ist ein Volumenverhältnis
der Katalysatorteile im Bereich von 1:10 bis 10:1.
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In Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch
2 ist die Reduktionsmittelzufuhr in das Abgas der Brennkraftmaschine
eingangsseitig des ersten Teils des NOx-Reduktionskatalysators in
Strömungsrichtung
vorgesehen und der NH3-Sensor zur Bestimmung bzw. Messung der NH3-Konzentration
im Abgas ist ausgangsseitig jeden Teils des NOx-Reduktionskatalysators
angebracht. Die Anbringung der NH3-Sensoren ausgangsseitig der einzelnen
Katalysatorteile eröffnet
die Möglichkeit,
den NH3-Schlupf des
gesamten Katalysators ortsaufgelöst
zu bestimmen und damit den Katalysatorzustand und insbesondere die
NH3-Beladung des
Katalysators besser zu erfassen. Somit kann die NH3-Beladung des
Katalysators insgesamt bis an die Grenze der für maximalen NOx-Umsatz noch
schlupffrei realisierbaren NH3-Beladungsgrenze
gesteigert werden und damit der NOx-Umsatz bis an den maximalen
Wert gesteigert werden. Insbesondere bei mehrfacher Unterteilung
des Katalysators besteht die Möglichkeit,
das Katalysatorverhalten differentiell zu erfassen. Demgegenüber ist
bei einem ungeteilten Katalysator gleichen Gesamtvolumens und NH3-Messung
nur ausgangsseitig des Katalysators nur die Erfassung des integralen
Katalysatorverhaltens möglich.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
gemäß Anspruch
3 ist die Reduktionsmittelzugabe eingangsseitig jeden Katalysatorteils
vorgesehen und der NH3-Sensor zur Bestimmung bzw. Messung der NH3-Konzentration
im Abgas ist ausgangsseitig des letzten Teils des NOx-Reduktionskatalysators
in Strömungsrichtung
angebracht. Durch die Möglichkeit, die
Reduktionsmittelzufuhr an verschiedenen Stellen des gesamten Katalysators
vorzunehmen, kann das in Strömungsrichtung
im Katalysator vorhandene NH3-Beladungsprofil ebenfalls in vorteilhafter
Weise beeinflusst werden. Ein weiterer Vorteil ist die Einsparung
ein oder mehrerer NH3-Sensoren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich
dadurch aus, dass die Zufuhr des Reduktionsmittels ins Abgas der
Brennkraftmaschine mittels eines Regelkreises mengenmäßig kontinuierlich
regelbar vorgenommen wird, wobei als Regelgröße die von dem NH3-Sensor gemessene
NH3-Konzentration verwendet wird und als Führungsgröße ein in Abhängigkeit
vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine vorgebbarer NH3-Konzentrationswert
verwendet wird. Dabei kann es natürlich notwendig sein, dass der
als Regelgröße dienende
NH3-Konzentrationsmesswert,
z.B. in der Regeleinrichtung des Regelkreises, in einen praxisgerecht
verarbeitbaren Signalwert umgeformt wird. Mit der mengenmäßig kontinuierlichen
Regelung der Reduktionsmittelzufuhr wird gegenüber einer diskontinuierlichen, Ein/Aus-gesteuerten
Reduktionsmittelzugabe oder gegenüber einer auf Kennfeldern basierten
gesteuerten Reduktionsmittelzugabe ein deutlicher Vorteil erzielt,
wie dahingehende Untersuchungen gezeigt haben. Der Vorteil besteht
hauptsächlich
darin, dass mit einer größeren, im
SCR-Katalysator
eingespeicherten NH3-Menge und damit mit einem höheren NOx-Umsatz gearbeitet
werden kann, ohne dass ein unzulässig
hoher NH3-Schlupf auftritt. In Verbindung mit der erfindungsgemäßen Teilung
des Katalysators kann insbesondere der bei plötzlichem Lastwechsel der Brennkraftmaschine
mögliche
NH3-Schlupf vermieden werden.
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In Ausgestaltung der Erfindung nach
Anspruch 5 wird ausgangsseitig jeden Katalysatorteils mittels eines
dort angebrachten NH3-Sensors die NH3-Konzentration im Abgas gemessen
und die Reduktionsmittelzufuhr eingangsseitig des in Strömungsrichtung
gesehen ersten Katalysatorteils vorgenommen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
gemäß Anspruch
6 wird derjenige NH3-Sensor, dessen NH3-Konzentrationsmesswert als
Regelgröße für die stetige
Regelung der Reduktionsmittelzufuhr dient, in Abhängigkeit
vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine ausgewählt und in weiterer Ausgestaltung
der Erfindung gemäß Anspruch
7 in Abhängigkeit
von den ausgangsseitig jeden Teils des NOx-Reduktionskatalysators
gemessenen NH3-Konzentrationswerten
ausgewählt.
Dadurch wird insbesondere vermieden, dass auf einen NH3-Konzentrationswert
von Null geregelt werden muss, was erfahrungsgemäß große regelungstechnische Schwierigkeiten
mit sich bringt. Wird nämlich
von einem NH3-Sensor ein NH3-Schlupf von Null gemessen, so bedeutet
dies, dass ab einer gewissen Entfernung stromaufwärts des
Sensors im Katalysator nur eine geringe oder gar keine NH3-Beladung
vorhanden ist. Daher wird dieser Katalysatorteil für den NOx-Umsatz
auch nicht genutzt, wodurch Potential zur NOx-Verminderung verloren
geht. Wird daher von dem NH3-Sensor, dessen Messwert als Regelgröße herangezogen
wird, eine sehr geringe NH3-Konzentration oder eine NH3-Konzentration von
Null gemessen, so wird der Messwert des NH3-Sensors, der ausgangsseitig des weiter
stromaufwärts
gelegenen Katalysatorteils angebracht ist, als Regelgröße für die kontinuierlich
geregelte NH3-Zufuhr herangezogen. Dieser NH3-Konzentrationswert ist aufgrund der
zur Katalysatoreingangsseite hin zunehmenden NH3-Beladung von Null
verschieden und kann somit in vorteilhafter Weise als Regelgröße herangezogen
werden. Umgekehrt wird auf einen weiter stromabwärts angebrachten NH3-Sensor
gewechselt, wenn ein hoher NH3-Schlupf gemessen wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
gemäß Anspruch
8 ist ausgangsseitig des letzten Teils des NOx-Reduktionskatalysators
in Strömungsrichtung
ein NH3-Sensor zur Messung der NH3-Konzentration im Abgas untergebracht
und die Reduktionsmittelzufuhr in das Abgas der Brennkraftmaschine
erfolgt eingangsseitig jeden Teils des NOx-Reduktionskatalysators. Insbesondere
wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 9 der Teil des NOx-Reduktionskatalysators,
eingangsseitig dessen die Reduktionsmittelzufuhr erfolgt, in Abhängigkeit
vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine ausgewählt. Dieser Betriebspunkt kann
durch seine Lage im Drehmoment-Drehzahl-Kennfeld oder durch Größen wie
die Konzentration der NOx-Emission
der Brennkraftmaschine im Abgas, die Abgastemperatur und den Abgasmassenstrom
gegeben sein. Dadurch kann ebenfalls das gesamte Katalysatorvolumen
in vorteilhafter Weise zur NH3-Speicherung
eingesetzt werden. Ferner wird durch den variablen Ort der Reduktionsmittelzufuhr
erreicht, dass am Ausgang des letzten Katalysatorteils meist ein
zwar geringer, aber messbarer NH3-Schlupf vorhanden ist, und damit
der dort angebrachte NH3-Sensor einen Messwert ungleich Null liefert.
Somit kann dieser Messewert als Regelgröße zur Reduktionsmittelzufuhr
in vorteilhafter Weise herangezogen werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Anspruch
10 zeichnet sich dadurch aus, dass im einteilig ausgeführten NOx-Reduktionskatalysator
wenigstens zwei NH3-Sensoren angebracht sind und dass die Reduktionsmitteleinspeisung
dosiert über einen
Regelkreis zur mengenmäßig kontinuierlich
regelbaren Reduktionsmittelzufuhr in das Abgas der Brennkraftmaschine
erfolgt und die Reduktionsmittelzufuhr eingangsseitig des NOx-Reduktionskatalysators
erfolgt. Auch in dieser Variante wird die Führungsgröße der Regelung betriebspunktabhängig vorgegeben.
Als Regelgröße dient
der von einem der NH3-Sensoren gelieferte Messwert. Die Anbringung von
zwei oder mehr NH3-Sensoren
im Katalysator erlaubt eine gut aufgelöste Bestimmung des im SCR-Katalysator
vorhandenen NH3-Konzentrationsgefälles. Damit kann das Verhalten
der Regelstrecke, deren wesentlicher Bestandteil der SCR-Katalysator ist,
besser beschrieben und die Regelung optimiert werden. Ferner wird
durch den Verzicht auf eine Trennung des Katalysators in zwei oder
mehrere Teile eine kompaktere Bauweise erreicht.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung nach
Anspruch 11 sind die NH3-Sensoren in den Katalysator integriert.
Der vorzugsweise als Wabenkörper
ausgestaltete Katalysator kann z.B. sensitiv wirksame Bereiche in
einigen Kanälen
aufweisen oder die NH3-Sensoren sind Bestandteil der katalytisch wirksamen
Beschichtung wodurch die maßgeblichen NH3-Konzentrationsmesswerte
genauer ermittelt werden können.
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Auch hier wird in weiterer Ausgestaltung
der Erfindung nach Anspruch 12 derjenige der NH3-Sensoren, dessen
NH3-Konzentrationsmesswert
als Regelgröße herangezogen
wird, in Abhängigkeit
vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine ausgewählt oder gemäß Anspruch
13 in Abhängigkeit
von den jeweiligen NOx-Konzentrationsmesswerten ausgewählt.
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Es gibt nun verschieden Möglichkeiten,
die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten
und weiterzubilden. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Hierbei zeigen:
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1 ein
schematisches Blockbild eines Regelkreises zur mengenmäßig kontinuierlich
regelbaren Reduktionsmittelzufuhr,
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2 ein
schematisches Blockbild einer Brennkraftmaschine mit zugehöriger Abgasreinigungsanlage
mit zweifach geteiltem Katalysator in der Abgasleitung,
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3 ein
weiteres schematisches Blockbild einer Brennkraftmaschine mit zugehöriger Abgasreinigungsanlage
mit zweifach geteiltem Katalysator in der Abgasleitung,
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4 ein
weiteres schematisches Blockbild einer Brennkraftmaschine mit zugehöriger Abgasreinigungsanlage
mit ungeteiltem Katalysator in der Abgasleitung.
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Der in 1 schematisch
gezeigte Regelkreis dient zur kontinuierlich geregelten Reduktionsmittelzufuhr
in das Abgas einer in 2 dargestellten Brennkraftmaschine 10.
Eine Führungsgröße 1 des Regelkreises
ist ein elektrisches Signal, welches sich, vorzugsweise durch einen
proportionalen Zusammenhang, aus einem vorgebbaren NH3-Konzentrationswert
ableitet. Die Führungsgröße 1 stellt
den Sollwert für
die NH3-Konzentration
dar, welche als Regelgröße 6 nach
Messung mittels der Messeinrichtung 8, im Regelkreis zurückgeführt wird.
Die Messeinrichtung 8 wird hierbei durch einen NH3-Sensor
dargestellt. Eine gegebenenfalls notwendige Umformung des vom NH3-Sensor
gelieferten Signals wird durch einen separaten nicht eingezeichneten
Messumformer oder in einer Regeleinrichtung 2 vorgenommen.
Das resultierende Signal stellt somit den Ist-Wert der NH3-Konzentration
an der Stelle im Abgas dar, an der der NH3-Sensor untergebracht
ist. Soll-Wert und Ist-Wert der NH3-Konzentration werden subtraktiv verknüpft und
der resultierende Wert als Regelabweichung der Regeleinrichtung 2 zugeführt. Mit
Hilfe der in der Regeleinrichtung 2 implementierten Funktionalität wird eine
Stellgröße 3 als
Steuersignal erzeugt, welches auf ein Stellglied 4 einwirkt.
Die Stellgröße 3 ist
ein Signal, das z.B. in proportionalem Zusammenhang zum Reduktionsmittelmengenstrom
steht, welcher dem Abgas zugegeben werden soll. Durch das Stellglied 4 wird
die Zufuhr des Reduktionsmittels in das Abgas im angestrebten Sinne
beeinflusst. Das Stellglied 4 ist z.B. als Dosierventil
ausgebildet, dessen Öffnungsdauer
oder Öffnungsweite
durch die Stellgröße 3 derart
beeinflusst wird, dass die Reduktionsmittelzufuhr in das Abgas in
der vorgegebenen Höhe
realisiert wird. Dadurch wird der Zustand einer gesamten Regelstrecke 5 in
der vorgesehenen Weise beeinflusst. Die Regelstrecke 5 wird
im wesentlichen durch den SCR-Katalysator gebildet und ist hauptsächlich durch
dessen NOx- Reduktionsverhalten,
dessen gespeicherte NH3-Menge und seinen NH3-Schlupf charakterisiert.
Der Einfluss von Störgrößen 7,
welche auf die gesamte Regelstrecke 5 einwirken, ist beispielhaft
durch eine subtraktive Verknüpfung
mit der Ausgangsgröße der Regelstrecke 5 berücksichtigt.
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Von besonderer Bedeutung ist, dass
der Wert der Führungsgröße 1 in
Abhängigkeit
vom, Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 10 vorgebbar
ist. Der Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 10 ist z.B. durch
seine Lage im Drehmoment-Drehzahl-Kennfeld gegeben. Daraus lassen
sich in einer nicht eingezeichneten elektronischen Motorsteuerung
zur Steuerung der Brennkraftmaschine 10, z.B. durch weitere Kennfelder
die NOx-Emission,
die Abgastemperatur und weitete Größen ableiten, welche ebenfalls
zur Bildung der vorgebbaren Führungsgröße 1 herangezogen
werden können.
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Die in 1 angegebene
schematische Darstellung des Regelkreises dient zur abstrahierenden Verdeutlichung
und ist deshalb nicht als exaktes Abbild der wechselseitigen physikalischen
Verknüpfung aller
Systemkomponenten zu verstehen. Insbesondere kann z.B. die Regeleinrichtung 2 über weitere, hier
nicht eingezeichnete Signaleingänge
weiterer Systemkomponenten verfügen,
oder weitere Funktionalitäten
wie Signalverstärker,
Signalwandler oder Schaltkontakte besitzen, die jedoch für die prinzipielle
Tatsache der kontinuierlich geregelten Reduktionsmittelzufuhr von
untergeordneter Bedeutung sind.
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Für
den Fachmann ist daher ersichtlich, dass der in 1 schematisch skizzierte Regelkreis durch das
Ergreifen verschiedener formaler Maßnahmen eine andere Struktur
erhalten kann. So ist z.B. die Aufnahme der Funktion des Stellgliedes 4 in
die Regelstrecke 5 oder die Aufnahme der Funktion der Messeinrichtung 8 in
die Regeleinrichtung 2 denkbar, wodurch die entsprechenden
Strukturblöcke
entfallen. Weiterhin ist auch die Ergreifung regelungstechnischer
Maßnahmen
möglich,
wodurch die Struktur des Regelkreises ebenfalls geändert wird.
Z.B. kann eine Störgrößenaufschaltung
als regelungstechnische Maßnahme
durchgeführt
werden, wodurch die Struktur des Regelkreises und die regelungstechnische
Wirkungsweise entsprechende Veränderung
erfahren.
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2 zeigt
beispielhaft ein schematisches Blockbild einer Brennkraftmaschine 10 mit
zugehöriger
Abgasreinigungsanlage. Das von der Brennkraftmaschine 10 ausgestoßene Abgas
wird in einer Abgasleitung 11 aufgenommen und durchströmt nacheinander
die beiden hintereinander angeordneten Katalysatorteile 12 und 13.
Eingangsseitig des ersten Katalysatorteils 12 ist ein Temperatursensor 15 zur Messung
der Abgastemperatur in der Abgasleitung 11 und weiter stromaufwärts des
Temperatursensors 15 ein Dosierventil 14 zur Reduktionsmittelzugabe
in das Abgas eingebracht. Die Versorgung des Dosierventils 14 mit
Reduktionsmittel erfolgt aus einem Behälter 20. Jeweils ausgangsseitig
der Katalysatorteile 12 bzw. 13 befinden sich
NH3-Sensoren 16 und 17 in der Abgasleitung 11.
Diese NH3-Sensoren 16 und 17 dienen
zur Messung des NH3-Schlupfes der jeweiligen Katalysatorteile 12 und 13.
Die NH3-Sensoren 16, 17, der Temperatursensor 15 sowie
das Dosierventil 14 sind über Signalleitungen 18 mit
der Regeleinrichtung 2 verbunden. Die Regeleinrichtung 2 ist ferner über eine
weitere Signalleitung 19 mit der Brennkraftmaschine 10 verbunden. Über diese
Signalleitung 19 erhält
die Regeleinrichtung 2 Informationen über wichtige Betriebszustandsgrößen der Brennkraftmaschine 10.
Dies können
z.B. Informationen über
das abgegebene Drehmoment oder die Drehzahl sein. Ebenso können von
der nicht eingezeichneten elektronischen Steuereinheit der Brennkraftmaschine 10 weitere
errechnete Größen oder
in Kennfeldern gespeicherte Größen wie
z.B. die NOx-Emission oder die Abgastemperatur über die erwähnte Signalleitung 19 an
die Regeleinrichtung 2 übermittelt
werden.
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Es ist klar, dass in der Abgasleitung 11 weitere,
für die
stetig geregelte Reduktionsmittelzugabe prinzipiell nicht bedeutsame
und daher nicht eingezeichnete Komponenten enthalten sein können. So z.B.
ein zusätzlicher
Oxidationskatalysator oder ein Partikelfilter, die stromab oder
stromauf der eingezeichneten Katalysatorteile 12 und 13 in
der Abgasleitung 11 verbaut sein können. Ferner können weitere
Sensoren, wie z.B. ein NOx-Sensor oder Temperatursensoren in der
Abgasleitung 11 untergebracht sein und mit der Regeleinrichtung 2 zur
Verbesserung des Regelverhaltens verbunden sein.
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Die Reduktionsmitteldosierung erfolgt
nun beispielsweise so, dass innerhalb eines bestimmten Kennfeldbereichs
der Brennkraftmaschine 10 der Messwert des stromab des
ersten Katalysatorteils 12 angebrachten NH3-Sensors 16 von
der Regeleinrichtung 2 als Regelgröße 6 herangezogen
wird. Dieser Kennfeldbereich ist z.B. dadurch gekennzeichnet, dass
er den Leistungsbereich mit einer Leistung kleiner als die Hälfte der
Brennkraftmaschinen-Nennleistung umfasst. Als Führungsgröße 1 wird die Regeleinrichtung 2 z.B.
mit einem NH3-Konzentrationswert
von 10 ppm beaufschlagt und die Reduktionsmittelzugabe wird von
der Regeleinrichtung 2 so geregelt, dass sich dieser NH3-Konzentrationswert
am Ausgang des Katalysatorteils 12 einstellt. Durch diese
Maßnahme
besitzt bei den angesprochenen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine 10 der stromabwärts des
Katalysatorteils 12 liegende Katalysatorteil 13 nur
eine geringe Menge an gespeichertem NH3 und weist demgemäß eine relativ
große Aufnahmekapazität an NH3
auf. Tritt nun eine plötzliche
Lasterhöhung
bei der Brennkraftmaschine 10 ein, so wird dadurch die
Abgastemperatur und der Abgasdurchsatz plötzlich erhöht. Dies hat zur Folge, dass
vom Katalysatorteil 12 eine große Menge an NH3 freigesetzt
wird. Dieser plötzlich
erhöhte NH3-Schlupf des Katalysatorteils 12 kann
aber nicht durch die Katalysatoranordnung durchschlagen, da er vom
stromabwärtigen
Katalysatorteil 13 aufgenommen werden kann. Daher wird
auf diese Weise bei plötzlichem
Anstieg der Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine 10 eine
unerwünschte
Freisetzung von NH3 in die Atmosphäre vermieden. Nach Auftreten
des Lastsprungs wird von der Regeleinrichtung 2 versucht,
die Folgen der wirksam gewordenen Störgröße 7 (Lastsprung)
auszuregeln und die zugeführte
Reduktionsmittelmenge wird daher erniedrigt.
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In dem Kennfeldbereich, der durch
eine Leistung größer als
die Hälfte
der Brennkraftmaschinen-Nennleistung gekennzeichnet ist, wird in
dem betrachteten Beispiel das Signal des NH3-Sensors 17 als
Regelgröße von der
Regeleinrichtung 2 herangezogen. Da nun eine weitere sehr
große
Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine 10 nicht auftreten kann,
wird auf einen relativ hohen, aber noch tolerierbaren NH3-Konzentrationswert
von z.B. 10 ppm als Führungsgröße 1 geregelt.
Damit wird auch ein hoher NOx-Umsatz erreicht, da der NOx-Umsatz
direkt an den NH3-Schlupf gekoppelt ist und das gesamte Katalysatorvolumen
zur NOx-Verminderung ausgenutzt wird.
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Wird das Signal des NH3-Sensors 17 als
Regelgröße 6 von
der Regeleinrichtung 2 herangezogen und ist ausgangsseitig
des Katalysatorteils 13 kein NH3-Schlupf vorhanden, so
tritt eine regelungstechnische Schwierigkeit dadurch auf, dass auf
einen NH3-Konzentrationswert von Null geregelt werden muss. Diesem
Problem wird dadurch begegnet, dass in diesem Fall auf den NH3-Sensor 16 als
Quelle für die
Regelgröße 6 umgeschaltet
wird. Da der NH3-Sensor 16 den NH3-Schlupf eines weiter
stromauf liegenden Katalysatorteils 12 erfasst, wird hier
ein NH3-Schlupf
größer Null
gemessen und eine Regelung kann problemlos erfolgen. Umgekehrt wird
bei einem großen
gemessenen NH3-Schlupf
z.B. vom NH3-Sensor 16 auf den weiter stromab liegenden NH3-Sensor 17 als
Quelle für
die Regelgröße 6 umgeschaltet.
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Eine weiter verbesserte Anpassung
des Regelverhaltens an das NH3-Speicherverhalten und NH3-Schlupfverhalten
der Katalysatorteile 12, 13 wird dadurch erreicht,
dass der als Führungsgröße 1 eingesetzte
NH3-Konzentrationswert in Abhängigkeit vom
Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 10. vorgegeben wird.
Dabei werden als den Betriebspunkt charakterisierende Größen die
Abgastemperatur, der Abgasmassenstrom, die NOx-Emission der Brennkraftmaschine 10 oder
Drehmoment und Drehzahl der Brennkraftmaschine 10 verwendet.
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3 zeigt
als Blockbild ein weiteres Beispiel für den schematischen Aufbau
einer Vorrichtung zur Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgas einer
Brennkraftmaschine 10. Dieses Blockbild entspricht in wesentlichen
Teilen dem in 2 gezeigten Blockbild.
Die übereinstimmenden
und gleichwirkenden Bauteile sind deshalb in 3 mit den auch in 2 verwendeten Bezugszeichen versehen.
Im Unterschied zu der in 2 gezeigten
Anordnung befindet sich eingangsseitig der Katalysatorteile 12 bzw. 13 jeweils
ein Reduktionsmittel-Dosierventil 14a bzw. 14b.
Die in 3 gezeigte Vorrichtung
enthält jedoch
nur einen NH3-Sensor 17 ausgangsseitig des Katalysatorteils 13 in
der Abgasleitung 11.
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Ein sehr guter NOx-Umsatz bei gleichzeitig geringem
NH3-Schlupf wird in der in 3 gezeigten Anordnung
durch folgendes Betriebsverfahren erreicht. Als Regelgröße 6 wird
der vom NH3-Sensor 17 gelieferte
Messwert verwendet und die NH3-Zufuhr in das Abgas erfolgt abhängig vom
Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 10 entweder durch Aktivierung
des Dosierventils 14a oder des Dosierventils 14b.
Die Abhängigkeit
vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 10 ist vorzugsweise
so gestaltet, dass in einem unteren Leistungsbereich der Brennkraftmaschine 10 die
Reduktionsmittelzugabe ausschließlich eingangsseitig des zweiten
Katalysatorteils 13 vom Dosierventil 14b vorgenommen
wird. Im anderen, oberen Leistungsbereich der Brennkraftmaschine 10 wird
die Reduktionsmittelzugabe vom Dosierventil 14a eingangsseitig
des ersten Katalysatorteils 12 übernommen. Der Übergang
zwischen den beiden angesprochenen Leistungsbereichen ist z.B. durch
den Wert der halben Nennleistung der Brennkraftmaschine 10 definiert.
Durch diese betriebspunktabhängige
Wahl des Orts der Reduktionsmittelzufuhr wird ebenfalls die Freisetzung
von NH3 in die Atmosphäre
bei plötzlichem
Lastwechsel der Brennkraftmaschine 10 sehr effektiv vermieden.
Ein besonderer Vorteil ist hierbei die Einsparung eines NH3-Sensors
gegenüber
der in 2 gezeigten Vorrichtung.
Bei mehr als zweifacher Unterteilung des SCR-Katalysators werden natürlich entsprechend mehr
NH3-Sensoren eingespart, da auch in diesem Fall nur ein NH3-Sensor
ausgangsseitig des in Abgasströmungsrichtung
gesehen letzten Katalysatorteils 13 angebracht ist. Dabei
besteht gleichzeitig eine erhöhte
Flexibilität
hinsichtlich des Orts der Reduktionsmittelzugabe, da eingangsseitig
jeden Katalysatorteils ein Reduktionsmittel-Dosierventil eingesetzt
wird. Dies erlaubt die Zuordnung von verschiedenen Kennfeldbereichen
zu Reduktionsmittelzugabestellen, wodurch das NH3-Speicherverhalten
und das NH3-Schlupfverhalten des SCR-Katalysators besonders gut dem dynamischen
Brennkraftmaschinenbetrieb angepasst werden kann.
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Eine erhöhte Flexibilität und ein
verbessertes NOx-Umsatzverhalten
wird auch dadurch erzielt, dass der als Führungsgröße 1 eingesetzte NH3-Konzentrationswert
in Abhängigkeit
vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 10 vorgegeben
wird oder das Volumenverhältnis
der Katalysatorteile 12, 13 in geeigneter Weise
gewählt
wird.
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4 zeigt
als Blockbild ein weiteres Beispiel für den schematischen Aufbau
einer Vorrichtung zur Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgas einer
Brennkraftmaschine 10. Dabei entsprechen gleiche Bezugszeichen
in Hinsicht auf die 2 und 3 auch den gleichen Bauteilen,
so dass hier auf die Erläuterung
der Funktion der bereits genannten Bauteile verzichtet werden kann.
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Im vorliegend betrachteten Beispiel
ist der als Nox-Reaktionskatalysator (21), dieser SCR-Katalysator
einteilig ausgeführt
und enthält
zwei NH3-Sensoren 16 und 17. Für die Genauigkeit der Regelung
ist es von besonderem Vorteil, wenn die NH3-Sensoren 16, 17 in
den Katalysatorkörper
oder sogar in die katalytische Beschichtung des SCR-Katalysators 21 integriert
sind. Der Ort im SCR-Katalysator 21, in dem die NH3-Sensoren 16, 17 eingebracht
sind, ist dabei entsprechend den Katalysatoreigenschaften gewählt. Vorzugsweise
befindet sich der NH3-Sensor 17 in der Nähe der Ausgangseite des
SCR-Katalysators 21, um dort den für die NH3-Freisetzung in die
Atmosphäre
maßgebenden NH3-Schlupf
des SCR-Katalysators 21 messen zu können. Zur weiteren Optimierung
des NOx-Umsatzes bei gleichzeitig geringem NH3-Schlupf wird derjenige
der NH3-Sensor 16 oder 17, dessen Signal als Regelgröße zur Reduktionsmittelzufuhr
verwendet wird, in Abhängigkeit
des Betriebspunkts der Brennkraftmaschine 10 oder in Abhängigkeit
von den NH3-Konzentrationsmesswerten
der NH3-Sensoren 16, 17 ausgewählt. Dabei ist außerdem der
als Führungsgröße eingesetzte
NH3-Konzentrationswert
in Abhängigkeit
vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 10 vorgegeben.