DE102006027357B4

DE102006027357B4 - Verfahren zum Betreiben eines SCR-Katalysators sowie Abgasanlage

Info

Publication number: DE102006027357B4
Application number: DE102006027357.5A
Authority: DE
Inventors: André Horn; Dr. Bullert Jörn; Stefan Wendenburg; Dr. Ing. Gottschling Martina; Arne Brömer; Andreas Herr
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2006-06-13
Filing date: 2006-06-13
Publication date: 2015-12-03
Anticipated expiration: 2026-06-14
Also published as: FR2902139A1; DE102006027357A1; FR2902139B1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer in einer Abgasanlage (12) einer Verbrennungskraftmaschine (10) angeordneten SCR-Katalysatoreinrichtung (16), welche zumindest zwei beabstandet oder aneinandergrenzend hintereinandergeschaltete SCR-Katalysatorstufen (16a, 16b) umfasst, die jeweils geeignet sind, ein chemisches Reduktionsmittel zumindest teilweise zu speichern und unter dessen Beteiligung Stickoxide NOx des Abgases zu reduzieren, wobei das chemische Reduktionsmittel oder eine Vorstufe von diesem in ein Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) stromauf der SCR-Katalysatoreinrichtung (16) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Bemessungsgröße für eine Menge des zugeführten Reduktionsmittels oder seiner Vorstufe eine Speicherkapazität der in Strömungsrichtung ersten SCR-Katalysatorstufe (16a) herangezogen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines in einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, angeordneten Katalysators, der nach dem SCR-Verfahren (SCR = Selectiv Catalytic Reduction) arbeitet. Bei diesem Verfahren werden im Abgas der Verbrennungskraftmaschine enthaltene Stickoxide (NO_x) unter Beteiligung eines chemischen Reduktionsmittels, das von dem Reduktionskatalysator gespeichert wird, reduziert. Die Erfindung betrifft ferner eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Abgasanlage.
Neben Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffen (HC) gehören insbesondere Stickoxide (NO_x) zu den umweltgefährdenden, direkt emittierten Primärschadstoffen, die beim Betrieb von Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, entstehen. Ein Einsatz von Drei-Wege-Katalysatoren, wie sie bei λ = 1-geregelten Ottomotoren verwendet werden, ist auf Grund des Sauerstoffüberschusses im sehr magren dieselmotorischen Abgas nicht möglich. Aus diesem Grund wurde zur Reduktion der Stickoxidemission bei Dieselmotoren ein selektiv arbeitender SCR-Katalysator entwickelt, der mit einem zugeführten Reduktionsmittel Stickoxide (NO_x) zu N₂ und H₂O reduziert. Das Reduktionsmittel wird dabei direkt dem Abgas zugegeben oder es wird eine chemische Vorstufe des Reduktionsmittels zugegeben, die erst in der Abgasanlage das Reduktionsmittel freisetzt. Als Reduktionsmittel dient insbesondere Ammoniak (NH₃), das dem Abgas als Gas oder als wässrige Lösung zugeführt wird. Auf Grund des nicht ungefährlichen Umgangs mit NH₃ wird heute üblicherweise Harnstoff als chemische Vorstufe eingesetzt, der entweder in Form einer wässrigen Lösung oder als Feststoff vorliegt. Die thermohydrolytische Aufspaltung von Harnstoff unter Freisetzung von NH₃ erfolgt durch die Wärme des Abgasstroms bzw. des Katalysators oder in einem Verdampfer beziehungsweise einem Reaktor.
SCR-Katalysatoren verfügen über eine temperaturabhängige Speicherkapazität für das Reduktionsmittel (NH₃), wobei die Temperaturabhängigkeit bei niedrigen Katalysatortemperaturen besonders ausgeprägt ist. Auf der anderen Seite steigt die NO_x-Konvertierungsrate von SCR-Katalysatoren mit dem NH₃-Beladungsniveau. Deswegen wird insbesondere bei niedrigen Temperaturen angestrebt, das NH₃-Beladungsniveau möglichst nahe dem (temperaturabhängigen) maximal möglichen Beladungsniveau zu halten. Dabei ist die Einhaltung eines Sicherheitsabstandes zum maximalen Beladungsniveau üblich, um die Gefahr eines Reduktionsmittelschlupfes gering zu halten.
Entsprechende SCR-Verfahren und -Anlagen sind aus den Druckschriften DE 199 22 959 A1 , DE 100 38 741 A1 , und DE 102 51 498 A1 bekannt, die sich mit Problemen der Zuführung und Freisetzung des Reduktionsmittels im Abgas befassen. Die DE 199 22 959 A1 offenbart darüber hinaus einen SCR-Katalysator mit zwei aneinandergrenzend hintereinandergeschalteten SCR-Katalysatorstufen mit unterschiedlichen NH₃-Speichervermögen zur Erzielung einer möglichst vollständigen NO_x-Reduktion.
Problematisch bei der Verwendung von SCR-Katalysatoren, sind Betriebssituationen, die – insbesondere von einer niedrigen Abgastemperatur ausgehend – mit starken Temperaturanstiegen einhergehen, wie es insbesondere bei starken Lastsprüngen der Fall ist. Diese können zu einer unkontrollierten Freisetzung von im SCR-Katalysator gespeicherten NH₃ führen, welches unkonvertiert den Abgasstrang verlässt. Ebenfalls können derartige Betriebssituationen auftreten, wenn eine Regenerationsanforderung eines den SCR-Katalysator vor- oder nachgeschalteten Partikelfilters vorliegt oder wenn eine Heizmaßnahme zur Aufheizung eines noch nicht betriebsbereiten Katalysators bei einem Motorkaltstart erfolgt. In beiden Fällen werden motorische Maßnahmen zur Erhöhung der Abgastemperatur eingeleitet, die zu dem beschriebenen NH₃-Schlupf führen können. Ebenfalls können stark exotherme Prozesse bei der Partikelfilterregeneration oder bei katalytischen Konvertierungsvorgängen zur unerwünschten NH₃-Desorption führen. Diese Betriebssituationen sind umso kritischer, als für die Gewährleistung einer guten NO_x-Konvertierungsrate das Beladungsniveau SCR-Katalysators mit dem Reduktionsmittel möglichst auf dem maximalen (temperaturabhängigen) Niveau eingestellt wird (s. o.).
Zur Vermeidung von unerwünschten NH₃-Durchbrüchen ist bekannt, die benötigte Reduktionsmittelmenge über Dosiermodelle möglichst genau entsprechend der umzusetzenden NO_x-Menge zu berechnen und passend zuzuführen. Dabei wird als Sicherheit häufig eine leicht unterstöchiometrische Zudosierung vorgenommen, wodurch jedoch eine vollständige NO_x-Umsetzung nicht mehr gewährleistet ist. Eine andere Lösung sieht den Einsatz von edelmetallhaltigen Oxidationskatalysatoren als Sperrkatalysator vor, welche dem SCR-Katalysator nachgeschaltet werden und auftretende NH₃-Durchbrüche konvertieren. Dies ist jedoch mit einem erhöhten Kosten- und Bauraumbedarf verbunden. Darüber hinaus entsteht in kontraproduktiver Weise bei der NH₃-Konvertierung am nachgeschalteten Oxidationskatalysator wiederum NO_x, was einerseits unerwünscht ist und andererseits die Bilanzierung des NO_x-Umsatzes am SCR-Katalysator verfälscht, wenn diese mit einem nachgeschalteten NO_x-Sensor ermittelt wird.
Um einen Schlupf des Reduktionsmittels beim Betrieb einer SCR-Katalysatoreinrichtung einer Verbrennungskraftmaschine zu vermeiden, wird gemäß dem Dokument WO 96/04980 A1 das Reduktionsmittel während der Startphase der Verbrennungskraftmaschine und beim Betrieb mit sinkender Abgastemperatur unter Berücksichtigung der temperaturabhängigen Speicherkapazität der SCR-Katalysatoreinrichtung überstöchiometrisch in Bezug auf die Stickoxidkonzentration und ansonsten unterstöchiometrisch zudosiert.
Gemäß dem Dokument DE 42 03 219 A1 kann bei der SCR-Katalyse von Stickoxiden aus Abgas mit NH₃ die Zugabe von NH₃ unterbrochen werden, sobald die eingespeicherte NH₃-Menge einen oberen Schwellwert erreicht hat. Die eingespeicherte NH₃-Menge wird aus der Differenz der dosierten NH₃-Menge und der abgeschiedenen NOx-Menge berechnet. Die NH₃-Zugabe erfolgt dann wieder nachdem ein unterer Schwellwert der Menge erreicht wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Verfahren zum Betreiben eines SCR-Katalysators zur Verfügung zu stellen, bei dem ein unerwünschter Schlupf des gespeicherten Reduktionsmittels vermieden wird und das nicht mit den Nachteilen der bekannten Lösungen behaftet ist. Es soll ferner eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Abgasanlage bereitgestellt werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren sowie eine Abgasanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Erfindungsgemäß wird eine SCR-Katalysatoreinrichtung eingesetzt, welche zumindest zwei (beabstandet oder aneinandergrenzend) hintereinandergeschaltete SCR-Katalysatorstufen umfasst, die jeweils geeignet sind, ein chemisches Reduktionsmittel, insbesondere Ammoniak NH₃, zumindest teilweise zu speichern und unter dessen Beteiligung Stickoxide NO_x des Abgases zu reduzieren. Die Erfindung sieht dabei vor, als Bemessungsgröße für eine Menge des stromauf der ersten SCR-Katalysatorstufe zugeführten Reduktionsmittels beziehungsweise seiner Vorstufe allein eine absolute Speicherkapazität der in Strömungsrichtung ersten SCR-Katalysatorstufe heranzuziehen. Steuerungstechnisch dient somit die absolute Speicherkapazität der ersten SCR-Katalysatorstufe als Führungsgröße für die Reduktionsmitteldosierung in die Abgasanlage. Durch die Vernachlässigung der Speicherkapazität der zweiten (stromabwärtigen) SCR-Katalysatorstufe wird erreicht, dass die zweite SCR-Katalysatorstufe in vollem Umfang zur Verfügung steht, eventuell auftretende NH₃-Durchbrüche der ersten (stromaufwärtigen) SCR-Katalysatorstufe abzufangen. Dabei ist die absolute Speicherkapazität der zweiten SCR-Katalysatorstufe vorzugsweise so bemessen, dass sie den austretenden NH₃-Schlupf der ersten Stufe idealerweise vollständig zu speichern vermag und im Wege der katalytischen NO_x-Reduktion verbraucht. Auf diese Weise können unerwünschte Emissionen des Reduktionsmittels praktisch vollständig unterdrückt werden. Somit wird gemäß der vorliegenden Erfindung der im Stand der Technik bekannte, dem SCR-Katalysator nachgeschaltete Oxidationskatalysator als Sperrkatalysator durch die zweite SCR-Stufe ersetzt, was einerseits einen Kostenvorteil hat und andererseits die am Oxidationskatalysator stattfindende unerwünschte Konvertierung von NH₃ zu NO_x vermeidet.
Dabei wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter ”absoluter Speicherkapazität” eine maximal in dem SCR-Katalysator bzw. der SCR-Katalysatorstufe speicherbare Reduktionsmittelmenge (z. B. in g oder mol) verstanden, wohingegen ”relative Speicherkapazität” eine auf das Katalysatorvolumen bezogene speicherbare Reduktionsmittelmenge (z. B. in g/ml oder mol/ml) bedeutet.
Grundsätzlich kann die Zuführung des Reduktionsmittels in Intervallen oder kontinuierlich erfolgen.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird eine Menge des zugeführten Reduktionsmittels so bemessen und zugeführt, dass ein Beladungsniveau der ersten SCR-Katalysatorstufe zwischen einer vorbestimmten unteren und einer vorbestimmten oberen Beladungsgrenze liegt. Dabei entspricht die vorbestimmte obere Beladungsgrenze vorzugsweise der absoluten Speicherkapazität der ersten SCR-Katalysatorstufe abzüglich eines Sicherheitsabstandes. Beispielsweise kann der Sicherheitsabstand so gewählt werden, dass er 20% bezogen auf die absolute Speicherkapazität der ersten SCR-Katalysatorstufe beträgt, insbesondere 10% oder sogar 5%. Eine allgemeingültige Angabe der oberen Beladungsgrenze bzw. des Sicherheitsabstandes ist jedoch nicht möglich, da diese sehr von der Auslegung des Gesamtsystems und insbesondere von tolerierbaren Emissionswerten abhängt. Grundsätzlich ist jedoch dank der nachgeschalteten zweiten Stufe möglich, den Sicherheitsabstand geringer als im Stand der Technik üblich zu wählen. Ist zwischen den beiden SCR-Katalysatorstufen ein NH₃-empfindlicher Gassensor angeordnet (s. u.), so kann der Sicherheitsabstand besonders klein gewählt werden, ohne unerwünschte Reduktionsmittelemissionen zu riskieren. Die möglichst hohe Beladung der ersten Stufe hat den Vorteil, einerseits die volle Kapazität der ersten Stufe nutzen zu können und andererseits die vollständige Pufferkapazität der zweiten Stufe aufrechtzuerhalten. Dabei kann nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung angestrebt werden, dass die erste SCR-Katalysatorstufe stets bis zu der angegebenen oberen Beladungsgrenze mit Reduktionsmittel beladen ist. Da die Speicherkapazität der ersten SCR-Katalysatorstufe unter anderem von der Katalysatortemperatur abhängt, werden vorzugsweise das angestrebte Beladungsniveau der ersten SCR-Katalysatorstufe und/oder die obere und/oder die untere Beladungsgrenze der ersten SCR-Katalysatorstufe mit dem Reduktionsmittel in Abhängigkeit von einer Katalysator- oder Abgastemperatur vorbestimmt. Dabei kann die absolute Speicherkapazität der ersten SCR-Katalysatorstufe vorzugsweise aus temperaturabhängigen Kennfeldern entnommen werden, wobei auch alterungsbedingte Minderungen der Speicherkapazität berücksichtigt werden können.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, die Reduktionsmittelmenge in Abhängigkeit von einer angesaugten Luftmasse, einer durch die Motorsteuerung vorgegebenen Kraftstoffmasse und/oder einer modellierten oder (mit einem NO_x-Sensor) gemessenen NO_x-Konzentration im Abgas zu dosieren und in diesem Sinne mehr oder weniger kontinuierlich zuzuführen. Jede dieser Größen ist mit einem gewissen Mess- oder Bestimmungsfehler verbunden. Dies gilt ebenso für die Zudosierung selbst und den Wirkungsgrad für die Reduktionsmittelaufbereitung (Thermohydrolyse). Neben diesen Fehlern bzw. Unsicherheiten sollten vorzugsweise auch noch Alterungseffekte der SCR-Katalysatorstufe bei der Reduktionsmitteldosierung berücksichtigt werden.
Die zweite (stromabwärtige) SCR-Katalysatorstufe hat insbesondere aus Bauraumgründen bevorzugt ein kleineres Volumen als die vorgeschaltete erste SCR-Katalysatorstufe. Dabei hat sie vorteilhaft eine relative (d. h. auf das Katalysatorvolumen bezogene) Speicherkapazität für das Reduktionsmittel (insbesondere NH₃), die größer ist als die der ersten SCR-Katalysatorstufe. Dies kann etwa durch eine höhere Beladungsdichte des Katalysatorträgers mit Speicherplätzen erreicht werden, d. h. mit der für die Speicherung des Reduktionsmittels verantwortlichen Beschichtung (washcoat). In dieser Weise vermag die zweite Stufe trotz ihres geringeren Volumens eine relativ große Menge Reduktionsmittel (z. B. NH₃) zu speichern und umzusetzen und zwar auch unter Bedingungen, unter denen an der ersten Stufe bereits eine Desorption von Reduktionsmitteln stattfindet. Die (absolute) Speicherkapazität der zweiten SCR-Katalysatorstufe kann dabei aber geringer sein als die der vorgeschalteten ersten Stufe, da die Wahrscheinlichkeit einer vollständigen Reduktionsmitteldesorption der ersten Stufe gering ist. Beispielsweise kann die absolute Speicherkapazität der zweiten SCR-Katalysatorstufe maximal 80% der Speicherkapazität der ersten SCR-Katalysatorstufe betragen, insbesondere maximal 60%, vorzugsweise maximal 50%. Auch hier lässt sich die Größe oder die absolute Speicherkapazität der zweiten SCR-Stufe nicht allgemeingültig angeben, da auch diese Größe sehr von der Auslegung des Gesamtsystems, tolerierbarer Endemissionen, der angewendeten Dosierstrategie und anderen Faktoren abhängt.
Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das aktuelle Beladungsniveau (RM_a) der SCR-Katalysatoreinrichtung, insbesondere der ersten SCR-Katalysatorstufe, mit dem Reduktionsmittel kontinuierlich ermittelt. Dies erfolgt bevorzugt durch Bestimmung der kumulierten, in der SCR-Katalysatoreinrichtung gespeicherten Reduktionsmittelmenge (RM_ΣS) und Subtraktion der kumulierten, durch den NO_x-Umsatz der SCR-Katalysatoreinrichtung verbrauchten Reduktionsmittelmenge (RM_ΣNOx) von der gespeicherten Menge nach der Gleichung RM_a = RM_ΣS – RM_ΣNOx. Zur Bestimmung der kumulierten gespeicherten Reduktionsmittelmenge der SCR-Katalysatoreinrichtung RM_ΣS wird die zugeführte Reduktionsmittelmenge über die Zeit integriert (d. h. RM_ΣS = RM_ΣD, worin RM_ΣD die integrierte zudosierte Reduktionsmittel bedeutet), wobei eine temperaturabhängige Speicherkapazität der SCR-Katalysatoreinrichtung berücksichtigt werden kann. Im Fall eines NH₃-Durchbruchs der ersten Stufe, beispielsweise infolge eines plötzlichen Temperatursprungs, wird vorzugsweise die kumulierte gespeicherte Reduktionsmittelmenge RM_ΣS der ersten Stufe über den NO_x-Umsatz der zweiten Stufe korrigiert. Der NH₃-Durchbruch kann mittels eines zwischen den beiden SCR-Stufen angeordneten NH₃-empfindlicher Sensors gemessen werden, der entweder ein NH₃-Sensor sein kann oder NO_x-Sensor. NO_x-Sensoren weisen nämlich eine NH₃-Querempfindlichkeit auf, sodass über geeignete Plausibilitätsprüfungen, die eine Differenzierung zwischen NO_x und NH₃ erlauben, die NH₃-Konzentration im Abgas ermittelt werden kann. Beispielsweise kann eine Reaktion des Sensors auf eine Veränderung der zudosierten Reduktionsmittelmenge eine solche Differenzierung ermöglichen.
Die Bilanzierung des NO_x-Umsatzes der SCR-Katalysatoreinrichtung zur Ermittlung der verbrauchten Reduktionsmittelmenge RM_ΣNOx, das heißt der Vergleich des stromauf und stromab der Einrichtung vorliegenden NO_x-Gehaltes des Abgases, kann rechnerisch oder unter Anwendung insbesondere von temperaturabhängigen Kennfeldern modelliert werden oder mittels stromauf und/oder, stromab der SCR-Katalysatoreinrichtung oder zwischen den einzelnen Stufen angeordneten NO_x-Sensoren gemessen werden. Möglich ist beispielsweise, die NO_x-Rohemission stromauf der SCR-Katalysatoreinrichtung zu modellieren und den NO_x-Gehalt stromab der SCR-Katalysatoreinrichtung und/oder zwischen den beiden SCR-Stufen mittels eines NO_x-Sensors zu messen oder umgekehrt. Vorzugsweise erfolgt die Bilanzierung des NO_x-Umsatzes über die erste und die zweite SCR-Katalysatorstufe gemeinsam, das heißt beide Stufen werden als ein einziger SCR-Katalysator betrachtet.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Abgasanlage für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer SCR-Katalysatoreinrichtung, welche zumindest zwei beabstandet oder aneinandergrenzend hintereinandergeschaltete SCR-Katalysatorstufen umfasst, die jeweils geeignet sind, ein chemisches Reduktionsmittel zumindest teilweise zu speichern und unter dessen Beteiligung Stickoxide NO_x des Abgases zu reduzieren, wobei das chemische Reduktionsmittel oder eine Vorstufe von diesem in ein Abgas der Verbrennungskraftmaschine stromauf der SCR-Katalysatoreinrichtung zugeführt wird. Die Anlage verfügt über einen Programmalgorithmus, der insbesondere in einer Motorsteuerung gespeichert vorliegen kann, zum Betreiben der SCR-Katalysatoreinrichtung der Abgasanlage gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 schematisch eine Anordnung einer Verbrennungskraftmaschine mit nachgeschalteter Abgasreinigungsanlage nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung und
2 schematisch eine Anordnung einer Verbrennungskraftmaschine mit nachgeschalteter Abgasreinigungsanlage nach einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung.
1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine 10, die hier insbesondere ein Dieselmotor ist. Ein von der Verbrennungskraftmaschine 10 kommendes Abgas wird in eine insgesamt mit 12 bezeichnete Abgasanlage geleitet. Die Abgasanlage 12 umfasst einen Abgaskanal 14, der verschiedene Komponenten zur Abgasnachbehandlung enthält. Insbesondere beherbergt der Abgaskanal 14 eine SCR-Katalysatoreinrichtung 16, die gemäß dem dargestellten Beispiel zwei Stufen, nämlich eine in Abgasströmungsrichtung erste SCR-Katalysatorstufe 16a sowie eine dieser beabstandet nachgeschaltete zweite SCR-Katalysatorstufe 16b, umfasst. Bei beiden SCR-Katalysatorstufen 16a, 16b handelt es sich um selektive Reduktionskatalysatoren, die unter Beteiligung eines Reduktionsmittels, hier Ammoniak (NH₃), Stickoxide (NO_x) des Abgases zu N₂ und H₂0 umsetzen. Das Katalysatorvolumen der nachgeschalteten zweiten SCR-Katalysatorstufe 16b ist gemäß der dargestellten Ausführungsform deutlich kleiner als das der ersten Stufe 16a. Auf der anderen Seite ist jedoch die relative (volumenbezogene) NH₃ Speicherkapazität der zweiten SCR-Katalysatorstufe (16b) größer als die der ersten SCR-Katalysatorstufe (16a), sodass sich dennoch eine relativ große absolute NH₃-Speicherkapazität der zweiten SCR-Katalysatorstufe 16b ergibt, die beispielsweise etwa 50% der NH₃-Speicherkapazität der ersten Stufe 16a entspricht.
Das Reduktionsmittel NH₃ wird vorzugsweise in Form einer wässrigen Harnstofflösung als chemische Vorstufe für Ammoniak über eine Zudosiereinheit 18, die mit einem hier nicht dargestellten Vorratsbehälter für die wässrige Harnstofflösung verbunden ist, in den Abgaskanal 14 eingedüst. Die Harnstofflösung gelangt in einen beheizbaren Verdampfer 20, wo das NH₃ im Wege von Thermolyse und Hydrolyse der gebildeten Isocyansäure freigesetzt wird. Der optionale Verdampfer 20 ist von Vorteil, da die Kinetik der Harnstoffzersetzungsreaktion bei niedrigen Abgastemperaturen sehr langsam ist und mit Bildung von unerwünschten Polymerisationsprodukten gerechnet werden muss. Das so erzeugte NH₃ wird in dem SCR-Katalysator 16 gespeichert, insbesondere in der ersten Stufe 16a.
Statt einer Harnstofflösung kann auch Festharnstoff (beispielsweise in Form von Pellets oder Prills) eingesetzt werden, der mechanisch oder thermisch aufbereitet wird. Bei thermischer Aufbereitung ist ein Reaktor erforderlich, der außerhalb oder innerhalb der Abgasanlage 12 angeordnet sein kann. Grundsätzlich kann auch gasförmiges NH₃ oder eine wässrige Ammoniaklösung in die Abgasanlage 12 eingedüst werden. Aufgrund der problematischen Handhabung von NH₃ sowie seiner toxischen Eigenschaften ist jedoch die Verwendung einer NH₃-abspaltenden Vorstufe bevorzugt.
Stromauf der SCR-Katalysatoreinrichtung 16 ist ein Oxidationskatalysator 22 im Abgaskanal 14 angeordnet der eine Konvertierung von Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffen (HC) vornimmt. Die Anordnung des Oxidationskatalysators 22 vor dem SCR-Katalysator 16 ist besonders vorteilhaft, da hierdurch insbesondere im niedrigen Temperaturbereich die Aktivität der SCR-Katalysatoreinrichtung 16 deutlich verbessert wird. Optimal ist in diesem Zusammenhang, wenn durch die Oxidation von NO ein NO₂-Anteil von etwa 50% bezogen auf die gesamten Stickoxide NO_x hinter dem Oxidationskatalysator 22 erzeugt wird. Zudem wird durch den vorgeschalteten Oxidationskatalysator 22 eine Deaktivierung des SCR-Katalysators 16 infolge erhöhter HC-Emissionen vermieden, die besonders bei niedrigen Temperaturen ausgeprägt ist. Des Weiteren kann stromab der SCR-Katalysatoreinrichtung 16 ein Partikelfilter 24 angeordnet sein, der Rußpartikel des Abgases filtert und von Zeit zu Zeit thermisch regeneriert wird. Die Reihenfolge und Ausgestaltung der verschiedenen Komponenten der Abgasanlage 12 kann von der hier dargestellten abweichen. Beispielsweise kann der Partikelfilter 24 vor der SCR-Katalysatoreinrichtung 16 angeordnet sein oder ein Partikelfilter mit integriertem Oxidationskatalysator dem SCR-Katalysator 16 vorgeschaltet sein.
Der Abgaskanal 14 beherbergt zudem eine Reihe von Sensoren. So kann im Fall eines Ottomotors an einer motornahen Position eine Lambdasonde 26 angeordnet sein, die in bekannter Weise der Lambdaregelung der Verbrennungskraftmaschine 10 dient. Ferner ist gemäß dem dargestellten Beispiel der SCR-Katalysatoreinrichtung 16 ein NO_x-Sensor 28 nachgeschaltet, welcher den NO_x-Gehalt des Abgases stromab der Katalysatoreinrichtung 16 misst. Optional kann ein weiterer NO_x-Sensor 28' zwischen den SCR-Katalysatorstufen 16a, 16b und/oder ein weiterer NO_x-Sensor 30 stromauf der Reduktionskatalysatoreinrichtung 16 vorgesehen sein. NO_x-Sensoren verfügen grundsätzlich über eine Querempfindlichkeit für NH₃, das heißt das von dem NO_x-Sensor bereitgestellte Signal ist sowohl von dem NO_x-Gehalt des Abgases als auch von dem NH₃-Gehlat abhängig. Unter Anwendung geeigneter Plausibilitätsprüfungen kann die Höhe des Signals auf NO_x oder NH₃ zurückgeführt werden. So kann etwa überprüft werden, wie sich das Signal in Antwort auf eine veränderte NH₃-Zudosierung (bei konstantem NO_x-Gehalt) verhält. Auf diese Weise ist es möglich mittels der NO_x-Sensoren 28, 28' und 30 neben der NO_x-Konzentration gegebenenfalls auch die NH₃-Konzentration des Abgases zu erfassen. Alternativ können statt oder zusätzlich zu den NO_x-Sensoren 28, 28' und 30 auch NH₃-Sensoren vorgesehen sein.
Die Versorgung der Verbrennungskraftmaschine 10 mit Luft erfolgt über einen Ansaugkanal 32, in dem eine stellbare Drosselklappe 34 angeordnet ist.
Die Signale der Gassensoren 26, 28, 28', 30 sowie eventuell vorhandener weiterer Sensoren, wie etwa Temperatursensoren oder weiteren Lambdasonden, gehen in eine Motorsteuerung 36 ein. Weiterhin werden von der Motorsteuerung 36 verschiedene Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 10 eingelesen, beispielsweise Motordrehzahl, Kühlmitteltemperatur oder ein Pedalwert des Fahrpedals Entsprechende Signalleitungen sind vorliegend durch unterbrochene Linien dargestellt. In Abhängigkeit von den eingehenden Parametern steuert die Motorsteuerung 36 den Betrieb des Motors 10, beispielsweise Kraftstoffeinspritzmengen und Einspritzzeitpunkte, die Stellung der Drosselklappe 34 sowie die Reduktionsmittelzudosiereinheit 18 (entsprechende Steuerleitungen sind durch durchgezogene Pfeile dargestellt).
Die Motorsteuerung 36 weist eine Steuereinheit 38 auf, die den Betrieb der SCR-Katalysatoreinheiit 16 in nachfolgend beschriebener Weise steuert. Die Steuereinheit 38 beinhaltet zu diesem Zweck einen Programmalgorithmus zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie hierfür notwendige Kennfelder.
Die in 2 dargestellte Anlage unterscheidet sich von der in 1 gezeigten darin, dass die erste SCR-Katalysatorstufe 16a und die nachgeschaltete zweite SCR-Katalysatorstufe 16b aneinander angrenzend, das heißt ohne Abstand zueinander, angeordnet sind. Dies kann einerseits durch zwei getrennte Katalysatorträger realisiert sein. Alternativ kann die SCR-Katalysatoreinrichtung 16 jedoch aus einem einzigen Katalysatorträger bestehen, der in seiner vorderen Zone eine andere Beschichtung trägt als auf der hinteren Zone, wodurch die SCR-Katalysatorstufen 16a und 16b ausgebildet werden. Die weiteren Elemente in 2 sind mit gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet und werden daher nicht noch einmal im Einzelnen erläutert.
Der in der Steuereinheit 38 hinterlegte Programmalgorithmus steuert die SCR-Katalysatoreinrichtung 16 und insbesondere die Reduktionsmittel-Zufuhreinheit 18 in nachfolgend beschriebener Weise.
Als Führungsgröße für die in die Abgasanlage einzuspeisende NH₃-Menge wird erfindungsgemäß allein die absolute Speicherkapazität der ersten SCR-Katalysatorstufe 16a zugrunde gelegt. Insbesondere wird die NH₃-Menge so dosiert, dass eine in der gesamten SCR-Katalysatoreinrichtung 16 gespeicherte NH₃-Menge im Wesentlichen entsprechend der absoluten Speicherkapazität der ersten SCR-Katalysatorstufe 16a abzüglich eines vorbestimmten Sicherheitsabstandes eingestellt wird. Dabei wird bevorzugt das NH₃-Beladungsniveau der ersten SCR-Katalysatorstufe 16a auf einen Wert zwischen einer unteren und einer oberen Beladungsgrenze eingeregelt, wobei beide Grenzen in Abhängigkeit von einer gemessenen oder modellierten Temperatur der SCR-Katalysatorstufe 16a vorgegeben werden.
Zur Steuerung der Zudosierung von Harnstoff bzw. NH₃ wird die aktuell in die erste SCR-Katalysatorstufe 16a gespeicherte NH₃-Menge kontinuierlich bilanziert, d. h. das aktuelle NH₃-Beladungsniveau. Dies erfolgt grundsätzlich durch Ermittlung der kumulierten, in die SCR-Stufe 16a eingespeicherten NH₃-Menge (in g oder mol), Ermittlung der kumulierten, durch NO_x-Umsatz verbrauchten NH₃-Menge (in g oder mol) und schließlich durch Subtraktion der verbrauchten von der eingespeicherten NH₃-Menge gemäß der Gleichung RM_a = RM_ΣS – RM_ΣNOx worin RM_a das aktuelle NH₃-Beladungsniveau der ersten SCR-Katalysatorstufe 16a bedeutet, RM_ΣS die kumulierte, in die SCR-Stufe 16a eingelagerte NH₃-Menge und RM_ΣNOx die durch NO_x-Umsatz verbrauchte NH₃-Menge.
Zur Bestimmung der kumulierten, eingespeicherten NH₃-Menge RM_ΣS wird die durch die Zufuhreinheit 18 erfolgte NH₃-Einspeisung durch Integration über die Zeit ermittelt und eine quantitative Speicherung im SCR-Katalysator 16 angenommen. Noch genauer kann die gespeicherte NH₃-Masse ermittelt werden, indem zusätzlich der temperaturabhängige Einspeicherwirkungsgrad in den NH₃-Speicher der ersten SCR-Katalysatorstufe 16a, d. h. die Bilanz der zudosierten zur nicht eingelagerten NH₃-Menge, berücksichtigt wird, wobei auch Alterungseffekte der SCR-Katalysatorstufe 16a mit Hilfe von Korrekturgrößen berücksichtigt werden können. Bei Auftreten einer Desorption von NH₃ aus der ersten Stufe 16a (NH₃-Schlupf), die etwa mit dem Sensor 28' erfasst werden kann, wird die Beladungsmenge der ersten Stufe entsprechend korrigiert.
Ferner wird der Verbrauch der gespeicherten NH₃-Masse RM_ΣNOx über den NO_x-Umsatz in der gesamten SCR-Katalysatoreinrichtung 16 bestimmt. Die Bilanzierung des NO_x-Umsatzes in der SCR-Katalysatoreinrichtung 16 erfolgt durch Vergleich des NO_x-Gehaltes stromauf und stromab der Katalysatoreinrichtung 16, welche jeweils mit den NO_x-Sensoren 28, 30 gemessen oder unter Verwendung geeigneter Rechenmodelle modelliert werden können. Beispielsweise kann der NO_x-Gehaltes stromauf der ersten SCR-Katalysatorstufe 16a als NO_x-Rohemission in Abhängigkeit von einem aktuellen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 10 aus abgespeicherten Kennfeldern ermittelt oder durch direkte Messung mit dem NO_x-Sensor 30 erfasst werden und der NO_x-Gehalt stromab der zweiten SCR-Katalysatorstufe 16b mit dem NO_x-Sensor 28 gemessen werden. Alternativ kann der Verbrauch der gespeicherten NH₃-Masse über den NO_x-Umsatz nur der ersten SCR-Stufe 16a ermittelt werden, wofür insbesondere der NH₃-empflindliche Sensor 28' zwischen den Stufen 16a und 16b sinnvoll ist. Eine Verbesserung der Genauigkeit der Umsatzbilanzierung wird erzielt, wenn mögliche NO_x-Adsorptions- und NO_x-Desorptionsvorgänge im SCR-Katalysator 16 bzw. der ersten SCR-Stufe 16a berücksichtigt werden. Das Beladungsniveau ergibt sich schließlich aus der Differenz der kumulierten, in die SCR-Stufe 16a eingespeicherten NH₃-Menge RM_ΣS und der so ermittelten kumulierten, durch NO_x-Umsatz verbrauchen NH₃-Masse RM_ΣNOx nach vorstehender Gleichung. Das so ermittelte aktuelle NH₃-Beladungsniveau RM_a der SCR-Katalysatoreinrichtung 16 wird in der Steuereinheit 38 auch nach Abstellen der Verbrennungskraftmaschine 10 gespeichert und dient als Eingangsgröße für die Bilanzierung beim nächsten Motorstart.
Sofern die NO_x-Sensoren 28, 28' und 30 noch nicht ihre Arbeitstemperatur und damit Systembereitschaft erreicht haben, was insbesondere nach einem Motorkaltstart bei Anforderung von motorischen Heizmaßnahmen der Fall ist, erfolgt die Ermittlung des Beladungsniveaus der SCR-Katalysatoreinrichtung 16 bis zum Erreichen der Systembereitschaft der NO_x-Sensoren 28, 30 durch Modellierung, wobei eine temperaturabhängige Umsatzkennlinie verwendet wird.
Kommt es zu einem NH₃-Schlupf der ersten Stufe 16a, so wird die desorbierte NH₃-Menge insbesondere durch die hohe NH₃-Speicherfähigkeit der zweiten Stufe 16b praktisch vollständig von dieser gespeichert und durch die Stickoxide des Abgases umgesetzt. Somit kann eine Emission von unkonvertiertem Ammoniak praktisch vollständig verhindert werden.
Eine Verbesserung des Verfahrens kann dadurch bewirkt werden, dass bei Detektion eines Austritts von NH₃ aus der ersten SCR-Katalysatorstufe 16a mittels des zwischengeschalteten NH₃-empfindlichen Gassensors 28' die NH₃-Zuführung durch die Zufuhreinrichtung 18 reduziert oder deaktiviert wird. In diesem Fall kann zusätzlich vorgesehen sein, das Dosierungsmodell für die Reduktionsmittelzuführung anzupassen, um zukünftige NH₃-Durchbrüche zu vermeiden. Dies kann beispielsweise erforderlich sein, wenn die NH₃-Speicherkapazität aufgrund Alterungseffekte reduziert wird, was eine entsprechende Absenkung der Beladungsgrenzen erforderlich macht.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschine
12: Abgasanlage
14: Abgaskanal
16: SCR-Katalysatoreinrichtung
16a: erste SCR-Katalysatorstufe
16b: zweite SCR-Katalysatorstufe
18: Zufuhreinheit
20: Verdampfer
22: Oxidationskatalysator
24: Partikelfilter
26: Lambdasonde
28: NO_x-Sensor
28: NO_x-Sensor
30: NO_x-Sensor
32: Ansaugkanal
34: Drosselklappe
36: Motorsteuerung
38: Steuereinheit

Claims

Verfahren zum Betreiben einer in einer Abgasanlage (12) einer Verbrennungskraftmaschine (10) angeordneten SCR-Katalysatoreinrichtung (16), welche zumindest zwei beabstandet oder aneinandergrenzend hintereinandergeschaltete SCR-Katalysatorstufen (16a, 16b) umfasst, die jeweils geeignet sind, ein chemisches Reduktionsmittel zumindest teilweise zu speichern und unter dessen Beteiligung Stickoxide NO_x des Abgases zu reduzieren, wobei das chemische Reduktionsmittel oder eine Vorstufe von diesem in ein Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) stromauf der SCR-Katalysatoreinrichtung (16) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Bemessungsgröße für eine Menge des zugeführten Reduktionsmittels oder seiner Vorstufe eine Speicherkapazität der in Strömungsrichtung ersten SCR-Katalysatorstufe (16a) herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktionsmittelzufuhr so gesteuert wird, dass ein Beladungsniveau der ersten SCR-Katalysatorstufe (16a) zwischen einer vorbestimmten unteren Beladungsgrenze und einer vorbestimmten oberen Beladungsgrenze liegt, wobei die obere Beladungsgrenze der absoluten . Speicherkapazität der ersten SCR-Katalysatorstufe (16a) abzüglich eines Sicherheitsabstandes entspricht.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktuelles Beladungsniveau der ersten SCR-Katalysatorstufe (16a) und/oder die untere Beladungsgrenze und/oder die obere Beladungsgrenze der ersten SCR-Katalysatorstufe (16a) mit dem Reduktionsmittel und/oder der Sicherheitsabstand in Abhängigkeit von einer Katalysator- oder Abgastemperatur vorbestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktuelles Beladungsniveau der SCR-Katalysatoreinrichtung (16) mit dem Reduktionsmittel kontinuierlich ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das aktuelle Beladungsniveau der SCR-Katalysatoreinrichtung (16) mit dem Reduktionsmittel als Differenz einer kumulierten gespeicherten Reduktionsmittelmenge und eines durch NO_x-Umsatz über die gesamte SCR-Katalysatoreinrichtung (16) verbrauchte Reduktionsmittelmenge bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilanzierung des NO_x-Umsatzes der ersten und der zweiten SCR-Katalysatorstufe (16a, 16b) gemeinsam erfolgt, wobei ein NO_x-Gehalt des Abgases stromauf und/oder stromab der SCR-Katalysatoreinrichtung (16) modelliert und/oder gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Austritt des Reduktionsmittels aus der ersten SCR-Katalysatorstufe (16a) mittels eines zwischen den SCR-Katalysatorstufen (16a, 16b) angeordneten NH₃-empfindlichen Gassensors (28, 30) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Feststellung eines Austritts des Reduktionsmittels aus der ersten SCR-Katalysatorstufe (16a) die Zuführung des Reduktionsmittels reduziert oder deaktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Feststellung eines Austritts des Reduktionsmittels aus der ersten SCR-Katalysatorstufe (16a) ein Dosierungsmodell für die Reduktionsmittelzuführung angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das chemische Reduktionsmittel Ammoniak NH3 ist, das aus dem Abgas zugegebenem Harnstoff als Vorstufe erzeugt wird oder dem Abgas direkt zugegeben wird.
Abgasanlage (12) für eine Verbrennungskraftmaschine (10) mit einer SCR-Katalysatoreinrichtung (16), welche zumindest zwei beabstandet oder aneinandergrenzend hintereinendergeschaltete SCR-Katalysatorstufen (16a, 16b) umfasst, die jeweils geeignet sind, ein chemisches Reduktionsmittel zumindest teilweise zu speichern und unter dessen Beteiligung Stickoxide NO_x des Abgases zu reduzieren, wobei das chemische Reduktionsmittel oder eine Vorstufe von diesem in ein Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) stromauf der SCR-Katalysatoreinrichtung (16) zugeführt wird, gekennzeichnet durch einen Programmalgorithmus zum Betreiben der SCR-Katalysatoreinrichtung (16) der Abgasanlage (12) gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Abgasanlage (12) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine relative Speicherkapazität der zweiten SCR-Katalysatorstufe (16b) größer ist als die der ersten SCR-Katalysatorstufe (16a).
Abgasanlage (12) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer der Positionen stromauf der ersten SCR-Katalysatorstufe (16a), stromab der letzten SCR-Katalysatorstufe (16b) und zwischen der ersten und der letzten SCR-Katalysatorstufe ein NO_x- und/oder ein NH₃-empfindlicher Gassensor (28, 30) angeordnet ist.