DE102011004557A1 - Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, bei dem Stickoxid (NOx) durch einen SCR-Katalysator reduziert wird, und bei dem der Alterungszustand des SCR-Katalysators überwacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass während einer zeitlich begrenzten Phase mit einem hohen Anteil an Stickoxid (NOx) im Abgas ein Umsatz des SCR-Katalysators erfasst und ausgewertet und hieraus auf den Alterungszustand des SCR-Katalysators geschlossen wird.
Description
- Stand der Technik
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Computerprogramm und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach den Oberbegriffen der jeweiligen nebengeordneten Ansprüche.
- Vom Stand der Technik sind Abgasanlagen in Kraftfahrzeugen bekannt, welche mit verschiedenen Einrichtungen zur Abgasnachbehandlung ausgerüstet sind, um bestehende gesetzliche Vorschriften zu erfüllen. Die Funktionsfähigkeit solcher Einrichtungen muss während eines Betriebs des Kraftfahrzeugs mit bordeigenen Mitteln überwacht werden. Im Rahmen einer sogenannten „Onboard-Diagnose” (OBD) kann es beispielsweise erforderlich sein, einen SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction) zu überwachen und gegebenenfalls als defekt zu erkennen.
- Das Grundprinzip des SCR-Katalysators besteht darin, dass Stickoxidmoleküle (NOx) auf einer Katalysatoroberfläche bei Vorhandensein von Ammoniak (NH3) als Reduktionsmittel zu elementarem Stickstoff reduziert werden. Das Reduktionsmittel wird durch eine Dosiereinrichtung stromaufwärts des SCR-Katalysators bereitgestellt. Die Ermittlung der gewünschten Dosierrate erfolgt in einer elektronischen Steuer- und/oder Regeleinrichtung, in der Verfahren für den Betrieb und die Überwachung des SCR-Katalysators hinterlegt sind.
- Die Überwachung eines SCR-Katalysators kann unter Verwendung von mindestens einem NOx-Sensor erfolgen. Derzeit auf dem Markt erhältliche NOx-Sensoren zeigen eine Querempfindlichkeit für Ammoniak (NH3). Das heißt, ein Sensorsignal des NOx-Sensors zeigt nicht nur die jeweilige NOx-Konzentration, sondern ein Summensignal aus der NOx- und der NH3-Konzentration an. Im Falle eines NOx-Sensors, der stromabwärts des SCR-Katalysators angeordnet ist, kann beispielsweise ein Anstieg des Sensorsignals sowohl auf eine sinkende NOx-Konvertierungsrate (Anstieg der NOx-Konzentration) als auch auf einen Durchbruch von reinem Ammoniak (Anstieg der NH3-Konzentration) hinweisen. Eine direkte Unterscheidung von NOx und NH3 ist somit nicht möglich.
- Das Auftreten von reinem Ammoniak hinter dem SCR-Katalysator (so genannter NH3-Schlupf) sollte vermieden werden, weil Ammoniak in hoher Konzentration eine gesundheitsschädliche Wirkung aufweist.
- Derzeit vom Markt bekannte Überwachungsfunktionen ermitteln den Wirkungsgrad einer NOx-Reduktion (NOx-Konvertierungsrate) mit Hilfe je eines NOx-Sensors stromaufwärts und stromabwärts des SCR-Katalysators. Dabei kann der stromaufwärts angeordnete SCR-Katalysator auch durch eine modellbasierte Größe ersetzt sein. Aufgrund der Alterung des SCR-Katalysators nimmt die erreichbare Konvertierungsrate mit zunehmender Einsatzzeit ab und entsprechend nehmen die NOx-Emissionen hinter dem SCR-Katalysator zu. Anhand vorgegebener Grenzwerte für eine zulässige NOx-Emission lässt sich ein Schwellwert für den SCR-Wirkungsgrad bestimmen, bei dessen Unterschreiten auf einen Systemfehler der Abgasanlage geschlossen wird. Die Genauigkeit dieser Methode ist jedoch durch die mangelnde Genauigkeit der verfügbaren NOx-Sensoren begrenzt und kann in vielen Fällen nicht die Anforderungen der Gesetzgebung erfüllen.
- Die
DE 10 2007 040 439 A1 beschreibt eine Überwachungsstrategie für einen SCR-Katalysator, bei der eine NH3-Speicherfähigkeit des SCR-Katalysators ermittelt wird. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass die Fähigkeit des Katalysators, NH3 zu adsorbieren, als Merkmal oder Indikator für die Alterung oder Schädigung des Katalysators verwendet werden kann. Bei dieser Strategie wird der SCR-Katalysator zunächst durch eine überstöchiometrische Reduktionsmitteldosierung bis zur maximal erreichbaren NH3-Speicherfähigkeit mit Reduktionsmittel befüllt, um einen definierten Ausgangspunkt für eine Diagnose zu erreichen. Das Erreichen der maximalen Speicherfähigkeit wird durch ein Durchbrechen von Ammoniak durch den SCR-Katalysator (NH3-Schlupf) erkannt, was auf Grund der bereits erwähnten Querempfindlichkeit des NOx-Sensors für NH3 indirekt messbar ist. - Anschließend wird die Reduktionsmitteldosierung gegenüber einer Normaldosierung vermindert oder ganz ausgeschaltet, so dass die im SCR-Katalysator gespeicherte NH3-Masse durch NOx-Reduktion allmählich wieder abgebaut wird (sogenannter Entleertest). Durch die Ermittlung des SCR-Wirkungsgrades oder anderer von der NOx-Konvertierungsrate abhängiger Größen während des Entleertest kann die nutzbare NH3-Speicherfähigkeit des SCR-Katalysators indirekt ermittelt werden, da bei einer geringeren gespeicherten NH3-Masse eine geringere NOx-Masse an der Katalysatoroberfläche konvertiert werden kann.
- Nachteilig an dieser Methode ist die lange Dauer, die zur Entladung des NH3-Speichers benötigt wird. Insbesondere bei zukünftigen Abgasnachbehandlungssystemen, denen zur weiteren Senkung der NOx-Emissionen, auch bei Kaltstart, ein motornaher NOx-Speicherkatalysator eingesetzt wird, kann die NOx-Konzentration vor dem SCR-Katalysator so gering sein, dass die zur Entladung des NH3-Speichers benötigte Zeit zu groß wird und diese Methode nicht mehr eingesetzt werden kann.
- Offenbarung der Erfindung
- Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung und ein Computerprogramm nach den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
- Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass der Alterungszustand eines SCR-Katalysators in einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine gerade bei einem vorgeschalteten NOx-Speicherkatalysator direkt und in wesentlich kürzerer Zeit diagnostiziert werden kann, als dies mit einem vorangehend beschriebenen Entleertest möglich ist. Erfindungsgemäß wird dabei die Tatsache ausgenutzt, dass ein Verhältnis von NO2 zu NOx von 1:1 im Abgas für die optimale Funktion des SCR-Katalysators vorliegen muss, andererseits jedoch die Fähigkeit des SCR-Katalysators auch bei ungünstigen NO2/NOx-Verhältnissen, einen hohen Umsatz von NOx zu Stickstoff (Konvertierungsrate) zu erzielen ein wesentliches Maß für dessen Zustand ist.
- Weil im Abgas einer Brennkraftmaschine üblicher Weise wesentlich mehr NOx als NO2 enthalten ist, übernehmen dem SCR-Katalysator vorgeschaltete katalytisch beschichtete, oxidierende Abgasnachbehandlungskomponenten, wie beispielsweise Oxidationskatalysatoren oder katalytisch beschichtete Partikelfilter, die Aufgabe, NOx zu NO2 zu oxidieren und so ein für die SCR-Konvertierungsrate günstiges NO2/NOx-Verhältnis herzustellen. Besonders effektiv arbeitet der SCR-Katalysator, wenn ihm ein NOx-Speicherkatalysator vorgeschaltet ist. Dieser speichert beispielsweise während eines Kaltstarts, wenn die oxidierenden Abgasnachbehandlungskomponenten ihre Betriebstemperatur noch nicht erreicht haben, die anfallenden Stickoxide (NOx) ein. Regeneriert wird der NOx-Speicherkatalysator indem das Luft/Kraftstoffgemisch angefettet wird (λ < 1). Dabei wird im NOx-Speicherkatalysator eingespeichertes NOx bei geeigneter Prozessführung teilweise desorbiert. Es oxidiert wegen des geringen Sauerstoffanteils und der niedrigen Temperatur (< 300°C) jedoch nicht zu NO2. Dadurch wird stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators ein zeitlich begrenzter Anstieg der NOx-Konzentration erzeugt. Bei einem solchen sogenannten NOx-Desorptionspeak kommt es in Kombination mit niedrigen Temperaturen im NOx-Speicherkatalysator selbst bei λ-Werten < 1 dazu, dass Sauerstoff den NOx-Speicherkatalysator verlässt, bzw. dass im SCR-Katalysator bei vorangehenden Betriebszuständen mit λ-Werten > 1 eingelagerter Sauerstoff ausreicht, um einen NO-Umsatz im SCR-Katalysator nach der folgenden Reaktionsgleichung zur ermöglichen:
4NO + O2 + 4NH3 => 4N2 + 6H2O - Weil ein Umsatz von NO nach obiger Reaktionsgleichung bei niedrigen λ-Werten schon bei geringer Schädigung des SCR-Katalysators stark absinkt, ist der Umsatz von NOx bei einem kleinen NO2/NOx-Verhältnis ein guter Indikator für einen Alterungszustand des SCR-Katalysators.
- Besonders hilfreich ist es, wenn ein hoher Anteil an Stickoxid (NOx) im Abgas durch Desorption von NOx aus einem stromaufwärts angeordneten NOx-Speicherkatalysator erzielt wird. Durch die Regeneration des NOx-Speicherkatalysators, lässt sich in einfacher Art und Weise ein Desorptionspeak erzeugen, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird.
- Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Anteil von Stickstoffdioxid (NO2) am insgesamt desorbierten NOx im Abgas durch Wahl eines Lambda-Wertes λ eingestellt wird. Durch eine geeignete Wahl des Lambda Wertes während der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators kann das Verhältnis von NO2/NOx im Desorptionspeak variiert werden. So führt insbesondere ein Luft/Kraftstoffverhältnis (λ-Wert) das wenig größer ist als 1 ebenfalls zu einer Desorption, jedoch mit einem erheblich größerem NO2-Anteil als eine Regeneration bei λ-Werten < 1. Für die Diagnose des SCR-Katalysators sind λ-Werte < 1 besonders vorteilhaft, da wie vorangehend erläutert, der Umsatz des SCR-Katalysators besonders sensitiv reagiert wenn sich ein kleiner Anteil NO2 und wenig Sauerstoff im zugeführten Abgas befinden.
- Besonders hilfreich ist es auch, wenn der Anteil von Stickoxid im Abgas vor Eintritt in den SCR-Katalysator ermittelt wird. Damit kann die Menge des desorbierten NOx aus der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators direkt gemessen werden.
- Wird dann der Anteil von Stickoxid im Abgas nach Austritt aus dem SCR-Katalysator ebenfalls ermittelt, dann kann aus dem Vergleich der beiden Werte direkt auf den Alterungszustand des SCR-Katalysators geschlossen werden. Ergänzend wird vorgeschlagen, dass ein Schwellwert für den Anteil Stickoxid NOx im Abgas nach Austritt aus dem SCR-Katalysator vorgegeben ist. Ein solcher Schwellwert kann beispielsweise in der Steuer- und Regeleinrichtung der Brennkraftmaschine hinterlegt werden. Ergibt die Ermittlung des Anteils von Stickoxid im Abgas nach dem Austritt aus dem SCR-Katalysator eine Überschreitung des vorgegebenen Wertes, wird eine Fehlermeldung ausgegeben oder eine Warnlampe aktiviert.
- Günstig ist ferner, wenn das Verfahren bei geringen Abgastemperaturen angewendet wird. Bei niedrigen Abgastemperaturen (< 300°C) wird das im NOx-Speicherkatalysator gespeicherte Stickoxid zwar desorbiert, wird aber nicht zu NO2 oxidiert, so dass ein kleines NO2/NOx-Verhältnis im Abgas erzielt wird, bei welchem der NOx-Umsatz des SCR-Katalysators besonders empfindlich ist. Zusätzlich verstärkt wird dieser Effekt dadurch, dass die Abgaszusammensetzung bei Temperaturen von 180 bis 250°C im SCR-Katalysator einen größeren Einfluss auf den NOx-Umsatz hat, als dies bei höheren Temperaturen der Fall ist. Besonders vorteilhaft ist deshalb die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.
- Weiterhin wird vorgeschlagen, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine katalytisch beschichtete, oxidierende Abgasnachbehandlungskomponente diagnostiziert wird. Dazu wird zunächst, wie voranstehend beschrieben, mit einem ersten λ-Wert > 1 ein NOx-Desorptionspeak erzeugt, der ein großes NO2/NOx-Verhältnis aufweist und damit der Umsatz des SCR-Katalysators bestimmt. Im zweiten Schritt wird mit einem zweiten λ-Wert < ersten λ-Wert ein NOx-Desorptionspeak mit einem kleineren NO2/NOx-Verhältnis erzeugt und damit erneut der Umsatz des SCR-Katalysators bestimmt. Dabei ist der zweite λ-Wert kleiner als der erste λ-Wert.
- Sind die beiden mit den verschieden großen NO2/NOx-Verhältnissen ermittelten Umsätze des SCR-Katalysators in etwa gleich, so kann daraus geschlossen werden, dass die oxidierende Beschichtung der vorgeschalteten Abgasnachbehandlungskomponente das Stickoxid zu NO2 umgewandelt hat und somit noch in ausreichendem Maße in der Lage ist ein günstiges NO2/NOx-Verhältnis herzustellen. Andernfalls kann man daraus schließen, dass die oxidierende Beschichtung der vorgeschalteten Abgasnachbehandlungskomponente nur noch in geringem Umfang das Stickoxid zu NO2 umgewandelt hat.
- Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
-
1 ein Schema einer Brennkraftmaschine und einer Abgasanlage; -
2 ein Zeitdiagramm der NOx-Sondensignale während einer Regenerationsphase eines NOx-Speicherkatalysators; - Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
-
1 zeigt im unteren Bereich der Zeichnung ein vereinfachtes Schema einer Abgasanlage10 eines Kraftfahrzeugs. Oberhalb der Abgasanlage10 ist eine Brennkraftmaschine12 symbolisch dargestellt, die über eine Rohrverbindung14 Abgas in die Abgasanlage10 einströmt. Eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung16 mit einem darauf ablaufenden Computerprogramm18 ist über ankommende und abgehende Steuerleitungen20 und22 mit der Brennkraftmaschine12 sowie über ankommende und abgehende Steuerleitungen24 und26 mit Komponenten der Abgasanlage10 verbunden. Die Verbindungen sind in der Zeichnung lediglich angedeutet und nicht ausführlich dargestellt. - In der Abgasanlage
10 wird das Abgas im Wesentlichen von links nach rechts durch geleitet und aufbereitet. Vorliegend handelt es sich um die Abgasanlage10 eines Dieselkraftfahrzeugs. Die Abgasanlage10 weist dazu in Flussrichtung des Abgases einen NOx-Speicherkatalysator28 , eine katalytisch beschichtete, oxidierende Abgasnachbehandlungskomponente30 , beispielsweise einen Dieselpartikelfilter, eine Zuführeinrichtung31 für harnstoffbasierte Zusätze, und einen SCR-Katalysator32 auf. Stromaufwärts und stromabwärts des SCR-Katalysators32 ist je ein NOx-Sensor36 im Abgasstrom angeordnet. - Die NOx-Sensoren
36 sind mit der Steuer- und/oder Regeleinrichtung16 elektrisch über die ankommenden und abgehenden Leitungen24 und26 verbunden. Dies ist in der Zeichnung der1 jedoch nicht einzeln dargestellt. Die Lambdasonde34 erfasst im Betrieb der Brennkraftmaschine12 die Sauerstoffkonzentration im Abgas. Die NOx-Sensoren36 erfassen einen NOx-Anteil (Stickoxid-Anteil) im Abgas jeweils vor und hinter dem SCR-Katalysator32 und sind somit geeignet, die Funktionsfähigkeit des SCR-Katalysators32 zu überwachen und insbesondere einen so genannten SCR-Umsatz zu ermitteln. Über die Zuführeinrichtung31 kann ein Reduktionsmittel (Ammoniak) in das Abgas eingebracht werden. Nachfolgend wird der Begriff ”SCR-Umsatz” auch kurz als ”Umsatz” bezeichnet. - Es versteht sich, dass die
1 nur beispielhaft ist und dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf Dieselmotoren beschränkt ist, sondern ebenso auf Ottomotoren und sonstige vergleichbare Brennkraftmaschinen12 bzw. auf deren Abgasanlagen10 anwendbar ist. -
2 zeigt einen zeitlichen Verlauf der NOx-Sondensignale. Zunächst startet bei einem Zeitpunkt t1 die Regeneration des NOx-Speicherkatalysators. Dargestellt durch eine Kurve38 steigt dabei durch Desorption des gespeicherten NOx eine NOx-Konzentration im Abgas sprunghaft an. Weil NOx-Speicherkatalysator28 noch kalt ist und die Sauerstoffkonzentration im Abgas klein (λ < 1) oxidiert das desorbierte NOx nicht zu NO2. Auch in der nachgeschalteten katalytisch beschichteten, oxidierenden Abgasnachbehandlungskomponente30 findet aufgrund der niedrigen Abgastemperaturen, wie sie beim Kaltstart oder im Schubbetrieb vorliegen, keine nennenswerte Oxidation von NOx zu NO2 statt. Deshalb liefert der NOx-Sensor36 vor dem SCR-Katalysator32 Ausgangssignale, wie in einer ersten Kurve40 dargestellt. Eine zweite Kurve42 stellt ein Ausgangssignal des NOx-Sensors nach dem SCR-Katalysator32 dar. Dabei steht eine durchgezogene Linie für das Signal bei einem intakten SCR-Katalysator32 , während eine gestrichelte Linie das Signal für einen gealterten SCR-Katalysator32 wiedergibt. Die Ausgangssignale sind dabei proportional zur NOx-Konzentration im Abgas. Weil ein intakter SCR-Katalysator32 auch bei einem ungünstigen NO2/NOx-Verhältnis noch einen gewissen Umsatz erzielt, fällt die durchgezogen Kurve42 deutlich flacher aus. Somit stellt eine direkte Messung des Umsatzes in einem derartigen Desorptionspeak ein geeignetes Verfahren zur Diagnose des Zustandes eines SCR-Katalysators32 dar. - Denkbar ist auch, dass ein Schwellwert x in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung
16 hinterlegt wird, bei dessen Überschreiten beispielsweise eine Fehlermeldung ausgegeben wird. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102007040439 A1 [0007]
Claims (11)
- Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage (
10 ) einer Brennkraftmaschine (12 ), bei dem Stickoxid (NOx) durch einen SCR-Katalysator (32 ) reduziert wird, und bei dem der Alterungszustand des SCR-Katalysators (32 ) überwacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass während einer zeitlich begrenzten Phase mit einem hohen Anteil an Stickoxid (NOx) im Abgas ein Umsatz des SCR-Katalysators (32 ) erfasst und ausgewertet und hieraus auf den Alterungszustand des SCR-Katalysators (32 ) geschlossen wird. - Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein hoher Anteil an Stickoxid (NOx) im Abgas durch Desorption von NOx aus einem stromaufwärts angeordneten NOx-Speicherkatalysator (
28 ) erzielt wird. - Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil von Stickstoffdioxid (NO2) im Abgas durch Einstellen eines Lambda-Werts (λ) des Kraftstoff-Luft-Gemisches eingestellt wird.
- Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil Stickoxid (NOx) im Abgas vor Eintritt in den SCR-Katalysator (
32 ) ermittelt wird. - Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil Stickoxid (NOx) im Abgas nach Austritt aus dem SCR-Katalysator (
32 ) ermittelt wird. - Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schwellwert (x) für den Anteil Stickoxid (NOx) im Abgas nach Austritt aus dem SCR-Katalysator (
32 ) vorgegeben ist. - Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es bei niedrigen Abgastemperaturen, bevorzugt bei Temperaturen unterhalb von 300°C, angewendet wird.
- Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass damit die Funktionsfähigkeit einer katalytisch beschichteten, oxidierenden Abgasnachbehandlungskomponente (
30 ) diagnostiziert wird. - Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem ersten λ-Wert > 1 ein erster NOx-Desorptionspeak erzeugt wird, der ein großes NO2/NOx-Verhältnis aufweist, und damit der Umsatz des SCR-Katalysators (
32 ) bestimmt wird, dass mit einem zweiten λ-Wert ein NOx-Desorptionspeak mit einem kleineren NO2/NOx-Verhältnis erzeugt wird, und dass damit erneut der Umsatz des SCR-Katalysators (32 ) bestimmt wird, dass die beiden mit den verschieden großen NO2/NOx-Verhältnissen ermittelten Umsätze des SCR-Katalysators (32 ) verglichen werden, und dass durch die Auswertung der Umsätze des SCR-Katalysators die Funktionsfähigkeit der oxidierenden Beschichtung der vorgeschalteten Abgasnachbehandlungskomponente (30 ) erkannt detektiert wird. - Computerprogramm (
18 ), dadurch gekennzeichnet, dass es zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche programmiert ist. - Steuer- und/oder Regeleinrichtung (
16 ) für eine Brennkraftmaschine (12 ), dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 programmiert ist.
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