DE102008049099A1 - Verfahren zum Betreiben einer Abgasreinigungsanlage mit einem SCR-Katalysator - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer Abgasreinigungsanlage mit einem SCR-Katalysator Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasreinigungsanlage (28) einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine (1), in deren Abgasstrang (2) ein oxidationskatalytisch wirksames Abgasreinigungsbauteil (3) stromauf eines SCR-Katalysators (5) angeordnet ist, wobei ein Stickstoffdioxid-Gehalt im Abgas beeinflusst wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass bei Überschreiten eines vorgebbaren Stickstoffdioxid-Schwellenwerts im Abgas der Stickstoffdioxid-Gehalt vermindert wird, indem ein Kohlenwasserstoffanteil im Abgas stromauf des oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteils (3) erhöht wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasreinigungsanlage einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine, in deren Abgasstrang ein oxidationskatalytisch wirksames Abgasreinigungsbauteil stromauf eines SCR-Katalysators angeordnet ist, wobei ein Stickstoffdioxid-Gehalt im Abgas beeinflusst wird.
  • Aus der WO 99/39809 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt, bei welchem mittels eines Oxidationskatalysators im Abgas enthaltenes Stickstoffmonoxid (NO) durch Überleiten des Abgases über einen Oxidationskatalysator wenigstens teilweise zu Stickstoffdioxid (NO2) oxidiert wird. Infolge des erhöhten NO2-Gehalts ist ein verbesserter Umsatz von Stickoxid (NOx) am nachgeschalteten SCR-Katalysator ermöglicht. Die Erhöhung des NO2-Gehalts ist jedoch relativ unkontrolliert und kann geringer oder aber auch größer als wünschenswert ausfallen. Wie festgestellt werden konnte, besteht bei einem zu stark erhöhten NO2-Gehalt zudem die Gefahr eines unvollständigen NOx-Umsatzes, was zu einer unerwünschten Abgabe von NO2 an die Umgebung führen kann. Dabei ist zu beachten, dass NO2 als deutlich schädlicher einzustufen ist als NO.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasreinigungsanlage mit einem SCR-Katalysator und einem vorgeschalteten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteil anzugeben, mit welchem bei insgesamt möglichst umfassender und gründlicher Abgasreinigung die Gefahr einer unerwünschten NO2-Emission vermindert ist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Charakteristischerweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bei Überschreiten eines vorgebbaren NO2-Schwellenwerts im Abgas der NO2-Gehalt vermindert, indem ein Kohlenwasserstoffanteil im Abgas stromauf des oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteils erhöht wird.
  • Wie festgestellt werden konnte, ist es möglich, durch eine gezielte, d. h. quantitativ festgelegte Erhöhung des normalerweise vorhandenen Gehalts an Kohlenwasserstoffen (HC) im Abgas stromauf des oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteils die NO2-Bildung des oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteils zumindest unter bestimmten Betriebsbedingungen in gewissem Umfang zu beeinflussen, insbesondere zu vermindern, ohne dass hierbei die Reinigungsfunktion der Abgasreinigungsanlage insgesamt in unerwünschtem Maße beeinträchtigt wird. Somit kann durch Erhöhung des HC-Anteils im Abgas stromauf des oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteils der NO2-Gehalt im Abgas eingangsseitig des SCR-Katalysators begrenzt und insgesamt ein kritischer NO2-Gehalt im Abgas vermieden werden.
  • Generell ist unter einem oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteil jedes einer Abgasreinigung dienende Bauteil zu verstehen, welches zumindest eine Oxidation von NO unterstützt. Bei dem oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteil kann es sich beispielsweise um einen Oxidationskatalysator oder um einen Partikelfilter mit einer oxidationskatalytisch wirksamen Beschichtung oder um eine Kombination der genannten Bauteile handeln. Unter einem SCR-Katalysator wird wie üblich ein Katalysator verstanden, welcher eine Reduktion von NOx unter oxidierenden Bedingungen, insbesondere mittels Ammoniak (NH3) als selektivem Reduktionsmittel, katalysieren kann. Typischerweise handelt es sich um einen insbesondere eisenhaltigen zeolithischen SCR-Katalysator. Dabei ist eine NOx-Verminderung infolge einer katalysierten Reduktion von NOx mit HC in der Abgasreinigungsanlage generell und insbesondere durch den SCR-Katalysator nicht oder nur zu einem vernachlässigbaren Umfang vorhanden.
  • In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der maßgebende NO2-Schwellenwert, ab welchem eine Erhöhung des HC-Anteils im Abgas stromauf des oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteils vorgesehen ist, als NO2/NOx-Konzentrationsverhältnis eingangsseitig des SCR-Katalysators und/oder als NO2-Gehalt ausgangsseitig des SCR-Katalysators festgelegt. Die entsprechenden betriebspunktabhängigen Werte können vorgehaltenen Kennfeldern entnommen oder auch direkt messtechnisch gewonnen sein. Durch eine entsprechende Erhöhung des HC-Anteils im Abgas stromauf des oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteils lässt sich typischerweise der NO2-Gehalt im Abgas sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig des SCR-Katalysators beeinflussen, ohne den NOx-Umsatz selbst zu beeinträchtigen.
  • Beispielsweise kann vorgesehen sein, bei einer modellbasiert oder messtechnisch festgestellten Überschreitung eines vorgebbaren Grenzwertes von z. B. 3 ppm für die NO2-Konzentration im Abgas ausgangsseitig des SCR-Katalysators eine Erhöhung des HC-Anteils im Abgas stromauf des oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteils derart vorzunehmen, dass der Grenzwert wieder unterschritten wird. Analog kann vorgesehen sein, bei einer modellbasiert oder messtechnisch festgestellten Überschreitung eines vorgebbaren Grenzwertes von z. B. 50% für das NO2/NOx-Konzentrationsverhältnis eingangsseitig des SCR-Katalysators eine Erhöhung des HC-Anteils im Abgas stromauf des oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteils derart vorzunehmen, dass der Grenzwert wieder unterschritten wird.
  • In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist eine Kennlinie für eine Korrelation von Kohlenwasserstoffanteil im Abgas stromauf des oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteils und NOx-Umsatz des SCR-Katalysators vorgehalten und bei der Erhöhung des Kohlenwasserstoffanteils wird für diesen ein Wert eingestellt, der entsprechend der Kennlinie einem vorgebbaren NOx-Umsatz zugeordnet ist. Infolge der vorgehaltenen Kennlinie ist es vorteilhafterweise ermöglicht, eine Beeinträchtigung des NOx-Umsatzes am SCR-Katalysator besonders sicher zu vermeiden.
  • Soll eine Erhöhung des HC-Anteils stromauf des oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteils vorgenommen werden, um den NO2-Gehalt im Abgas zu begrenzen bzw. zu vermindern, so ist es in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, den HC-Anteil auf einen Wert einzustellen, der entsprechend der Kennlinie so gewählt ist, dass ein Grenzwert unterschritten wird, oberhalb dem ein zunehmender Kohlenwasserstoffanteil im Abgas stromauf des oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteils mit einem abnehmenden NOx-Umsatz des SCR-Katalysators korreliert.
  • Besonders zuverlässig über die Gebrauchsdauer der Abgasreinigungsanlage lässt sich eine Beeinträchtigung des NOx-Umsatzes als Folge einer Erhöhung des HC-Gehalts vermeiden, wenn in weiterer Ausgestaltung des Verfahrens von Zeit zu Zeit eine Überprüfung und gegebenenfalls eine Adaptierung der Kennlinie an im Laufe der Zeit erfolgte Veränderungen durchgeführt wird.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Dabei sind die vorstehend genannten und nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmals kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Es zeigen:
  • 1 ein schematisches Blockbild eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors mit einer angeschlossenen Abgasreinigungsanlage mit einem SCR-Katalysator und einem stromauf angeordneten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteil,
  • 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Temperaturabhängigkeit des ausgangsseitig eines oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteils vorhandenen Konzentrationsverhältnisses von NO2 und NOx im Abgas,
  • 3 ein Diagramm zur Verdeutlichung eines typischerweise ausgangsseitig eines oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteil vorhandenen Konzentrationsverhältnisses von NO2 und NOx in Abhängigkeit vom HC-Gehalt eingangsseitig des oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteils,
  • 4 ein Diagramm zur Verdeutlichung einer typischerweise vorhandenen Abhängigkeit des NOx-Umsatzes eines SCR-Katalysators vom eingangsseitigen Konzentrationsverhältnis von NO2 und NOx im Abgas und
  • 5 ein Diagramm zur Verdeutlichung der für eine Abgasreinigungsanlage nach 1 typischerweise vorhandenen Abhängigkeit des NOx-Umsatzes des SCR-Katalysators vom HC-Gehalt stromauf eines vorgeschalteten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteils.
  • 1 zeigt beispielhaft ein schematisches Blockbild eines Verbrennungsmotors 1 eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs mit zugehöriger Abgasreinigungsanlage 28. Der Verbrennungsmotor 1 ist vorzugsweise als luftverdichtende Brennkraftmaschine, nachfolgend vereinfacht als Dieselmotor bezeichnet, ausgebildet. Das vom Dieselmotor 1 ausgestoßene, typischerweise mehr oder weniger stark sauerstoffhaltige Abgas wird von einer Abgasleitung 2 aufgenommen und durchströmt nacheinander einen Oxidationskatalysator 3, einen Partikelfilter 4 und einen NOx-Reduktionskatalysator 5. Dem NOx-Reduktionskatalysator 5 ist bevorzugt ein nicht dargestellter zweiter Oxidationskatalysator als so genannter Sperrkatalysator zur Oxidation von durch den NOx-Reduktionskatalysator 5 schlüpfendem Reduktionsmittel nachgeschaltet. Oxidationskatalysator 3 und Partikelfilter 4 können eng benachbart in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Bevorzugt ist eine Anordnung von Oxidationskatalysator 3, Partikelfilter 4, NOx-Reduktionskatalysator 5 und gegebenenfalls vorhandenem Sperrkatalysator in einem gemeinsamen Gehäuse, womit gleichzeitig ein Schalldämpfer gebildet ist. Der Partikelfilter 4 ist vorzugsweise mit einer einen Rußabbrand und/oder einer NO-Oxidation fördernder kata lytischen Beschichtung versehen. Insofern stellen Oxidationskatalysator 3 und Partikelfilter 4 jeweils für sich oder auch als gemeinsame Baueinheit betrachtet, ein oxidationskatalytisch wirksames Abgasreinigungsbauteil im Sinne der Erfindung dar.
  • Zur Beheizung des Oxidationskatalysators 3 bzw. des Abgases kann wie dargestellt eine Heizeinrichtung 26 eingangsseitig des Oxidationskatalysators 3 in der Abgasleitung 2 angeordnet sein. Die Heizeinrichtung 26 kann als elektrisches Heizelement oder auch als ein Wärme liefernder Reformer oder Vorverbrenner ausgebildet sein. Eine Ausführung als Einspritzeinrichtung von Kraftstoff, der bei Oxidation am nachfolgenden Oxidationskatalysator 3 eine Abgasaufheizung bewirkt, ist ebenfalls möglich. Eine Aufheizung des Abgases kommt insbesondere bei einer erzwungenen Regeneration des Partikelfilters 4 durch Rußabbrand in Betracht. Zur Feststellung der Notwendigkeit einer solchen Regeneration ist dem Partikelfilter 4 ein Differenzdrucksensor 22 zugeordnet, welcher ein bezüglich einer Partikelbeladung auswertbares Signal liefert. Ferner ist ein Abgasturbolader 6 vorgesehen, dessen Turbine vom Abgasstrom angetrieben wird und dessen Verdichter über eine Ansaugluftleitung 7 angesaugte Luft über eine Luftzufuhrleitung 11 dem Dieselmotor 1 zuführt. Der Abgasturbolader 6 ist vorzugsweise als so genannter VTG-Lader mit einer variablen Einstellung seiner Turbinenschaufeln ausgebildet.
  • Zur Einstellung der dem Dieselmotor 1 zugeführten Luftmenge ist in der Luftzufuhrleitung 11 eine Drosselklappe 12 angeordnet. Zur Reinigung der Ansaugluft bzw. zur Messung der Ansaugluftmenge sind ein Luftfilter 8 bzw. ein Luftmassenmesser 9 in der Ansaugluftleitung 7 vorgesehen. Ein in der Luftzufuhrleitung angeordneter Ladeluftkühler 10 dient zur Kühlung der verdichteten Ansaugluft. Weiterhin ist eine nicht dargestellte, über ein Abgasrückführventil einstellbare Abgasrückführung vorgesehen, mit welcher eine vorgebbare Menge rückgeführten Abgases der Ansaugluft zugegeben werden kann.
  • Stromauf des NOx-Reduktionskatalysators 5 ist eine Zugabestelle mit einer Dosiereinheit 27 zur Zugabe eines Reduktionsmittels in das Abgas angeordnet. Die Versorgung der Dosiereinheit 27 mit dem Reduktionsmittel erfolgt aus einem hier nicht dargestellten Behälter. Nachfolgend wird davon ausgegangen, dass es sich bei dem Reduktionsmittel um wässrige Harnstofflösung handelt, die dem Abgas über die Dosiereinheit 27 dosiert zugegeben wird. Im heißen Abgas wird durch Thermolyse und/oder Hydrolyse NH3 freigesetzt, welches selektiv bezüglich der Reduktion von im Abgas enthaltenen NOx wirkt. Dementsprechend ist vorliegend der NOx-Reduktionskatalysators 5 als klassischer SCR-Katalysator auf V2O5/WO3-Basis oder als Zeolith-beschichteter, geträgerter SCR- Katalysator ausgebildet. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch auch bei Dosierung anderer Reduktionsmittel in freier oder gebundener Form mit Vorteil anwendbar.
  • Zur Steuerung des Betriebs der Abgasreinigungsanlage 28 sowie des Dieselmotors 1 ist eine in 1 nicht dargestellte Steuereinheit vorgesehen. Die Steuereinheit erhält Informationen über Betriebszustandsgrößen des Dieselmotors 1 und der Abgasreinigungsanlage 28. Informationen über Motorbetriebsgrößen können z. B. ein abgegebenes Drehmoment oder eine Drehzahl betreffen. Die Steuereinheit umfasst vorzugsweise eine Recheneinheit und eine Speichereinheit sowie eine Ein-Ausgabeeinheit. Dadurch ist die Steuereinheit in der Lage, komplexe Signalverarbeitungsvorgänge vorzunehmen und den Betrieb des Dieselmotors 1 sowie der Abgasreinigungsanlage 28 zu erfassen und zu steuern bzw. zu regeln. Hierfür notwendige Kennfelder sind vorzugsweise in der Speichereineinheit abgelegt, wobei auch eine adaptive Anpassung der Kennfelder vorgesehen sein kann. Die Kennfelder betreffen hauptsächlich die maßgeblichen Zustandsgrößen des Abgases, wie Massenstrom, Rohemission, Temperatur in Abhängigkeit der Betriebszustandsgrößen des Dieselmotors 1 wie Last, Drehzahl, Luftverhältniszahl etc. Ferner sind Kennfelder für die maßgeblichen Zustandsgrößen des Oxidationskatalysators 3, des Partikelfilters 4 und des SCR-Katalysators 5 vorgesehen.
  • Hinsichtlich des SCR-Katalysators 5 betreffen diese Kennfelder insbesondere den NOx-Umsatz bzw. den Wirkungsgrad in Bezug auf den NOx-Umsatz und die NH3-Speicherfähigkeit in Abhängigkeit von den hierfür maßgebenden Einflussgrößen, insbesondere in Abhängigkeit vom Konzentrationsverhältnis von NO2 und NOx im Abgas. Für den Oxidationskatalysator 3 sind Kennlinien oder Kennfelder betreffend die Temperatur- und Durchsatzabhängigkeit seines Umsatzvermögens bzw. seiner Anspringtemperatur, insbesondere in Abhängigkeit von seinem Alterungszustand vorgesehen. Für den Partikelfilter 4 sind Kennlinien und Kennfelder betreffend seine Partikelbeladung in Abhängigkeit vom Abgasdruck bzw. vom Druckverlust sowie Kennfelder betreffend die Oxidation von angesammelten Rußpartikeln durch im Abgas enthaltenes NO2 vorgesehen.
  • Die Erfassung von Betriebszuständen des Dieselmotors 1 sowie der Abgasreinigungsanlage 28 und der zugeordneten Einheiten erfolgt vorzugsweise wenigstens teilweise mittels geeigneter Sensoren. Beispielhaft sind in 1 Drucksensoren 13 und 15 für einen Druck vor dem Verdichter und einen Druck vor der Turbine des Turboladers 6 sowie Temperatursensoren 14, 16, 18, 19, 21, 23 und 24 für jeweils eine Temperatur nach dem Ladeluftkühler 10, vor der Turbine, vor dem Oxidationskatalysator 3, vor und nach dem Partikelfilter 4 sowie vor und nach dem SCR-Katalysator 5 dargestellt. Weitere Sensoren, insbe sondere zur Erfassung von Abgaskomponenten können ebenfalls vorgesehen sein. Beispielsweise sind ein Lambdasensor 17 sowie Sensoren 20 und 25 für den Stickoxid- und/oder NH3-Gehalt im Abgas vorgesehen. Die Signale der Sensoren werden von der Steuereinheit verarbeitet, so dass die wesentlichen Zustandsgrößen jederzeit vorliegen und der Betriebspunkt des Dieselmotors 1 falls notwendig so verändert werden kann, dass ein optimaler Betrieb der Abgasreinigungsanlage 28 ermöglicht ist. Bevorzugt erfolgt eine rechnerische Modellierung des Verhaltens von Oxidationskatalysator 3, Partikelfilter 4 und SCR-Katalysator 5, welche auf die genannten Kennlinien und Kennfelder zurückgreift, wobei bevorzugt deren Adaption bei insbesondere alterungsbedingten Veränderungen vorgesehen ist. Dabei erfolgt ein laufendes Monitoring des Verhaltens mittels der vorgesehenen Sensoren.
  • Zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Vorgehensweise wird nachfolgend zunächst auf die 2 und 3 Bezug genommen.
  • 2 zeigt in einem Diagramm schematisch eine typischerweise gegebene Temperaturabhängigkeit eines ausgangsseitig des Oxidationskatalysators 3 vorhandenen Konzentrationsverhältnisses von NO2 und NOx im Abgas des mit Luftüberschuss betriebenen Dieselmotors 1. Wie ersichtlich, ergibt sich ein Maximum des NO2/NOx-Konzentrationsverhältnisses, welches typischerweise bei Temperaturen zwischen 200°C und 300° bei Erreichen der vollen katalytischen Aktivität ausgebildet ist. Unterhalb der dem Maximum zugeordneten Temperatur ist eine NO2-Bildung aufgrund fehlender katalytischer Aktivität kinetisch gehemmt, während bei höheren Temperaturen eine zunehmende thermodynamisch bedingte Limitierung der NO2-Bildung ein Absinken des NO2/NOx-Verhältnisses verursacht. Im Maximum beträgt das NO2/NOx-Konzentrationsverhältnis typischerweise annähernd eins, d. h. dass im Abgas ursprünglich vorhandenes NO nahezu vollständig zu NO2 oxidiert wurde.
  • Durch Oxidation von im Partikelfilter 4 abgelagertem Ruß durch NO2 kann ausgangsseitig des Partikelfilters 4 ein im Vergleich zum eingangsseitigen Wert verringertes NO2/NOx-Konzentrationsverhältnis vorhanden sein. Jedoch erfolgt diese Reaktion typischerweise erst bei Temperaturen oberhalb von etwa 350°C, so dass insbesondere in einem Temperaturbereich zwischen 200°C und 350°C für Oxidationskatalysator 3 bzw. Partikelfilter 4 ein sehr hohes NO2/NOx-Konzentrationsverhältnis ausgangsseitig des Partikelfilters 4 vorliegen kann. Im Falle eines mit einer oxidationskatalytisch wirksamen Beschichtung versehenen Partikelfilters 4 ist dieses gegebenenfalls noch erhöht bzw. die NO2-Anreicherungsgrenze zu niedrigeren Temperaturen verschoben. Hohe NOx-Anteile im Abgas sind jedoch allgemein kritisch, wenn diese beispielsweise infolge einer temperatur- oder alterungsbedingt niedrigen katalytischen Aktivität des SCR-Katalysators 5 nicht ausreichend vermindert werden können und daher NOx an die Umgebung abgegeben wird. Unter den beschriebenen Umständen ist dabei zudem der NO2-Anteil vergleichsweise hoch, was besonders unerwünscht ist.
  • Wird eingangs- oder ausgangsseitig des SCR-Katalysators 5 ein zu hoher NO2-Gehalt bzw. ein zu hohes NO2/NOx-Konzentrationsverhältnis festgestellt, so wird dem erfindungsgemäß begegnet, indem eingangsseitig des Oxidationskatalysators 3 der HC-Anteil im Abgas über den normalen Wert hinaus angehoben wird. Dadurch wird eine NO2-Bildung infolge von NO-Oxidation im Oxidationskatalysator 3 bzw. im Partikelfilter 4 behindert bzw. vermindert, wie durch das in 3 dargestellte Diagramm verdeutlicht ist. Dieses zeigt beispielhaft und lediglich schematisch eine typischerweise gegebene Abhängigkeit eines ausgangsseitig des Partikelfilters 4 vorhandenen Konzentrationsverhältnisses von NO2 und NOx im Abgas vom HC-Anteil im Abgas stromauf des Oxidationskatalysators. Wie ersichtlich, ergeben sich bei zunehmendem HC-Anteil abnehmende NO2/NOx-Konzentrationsverhältnisse.
  • Die Erhöhung des HC-Anteil im Abgas erfolgt bevorzugt durch Aktivierung einer späten Kraftstoffnacheinspritzung in die Brennräume des Dieselmotors 1 oder durch Aktivierung einer Einrichtung zur Sekundäreinspritzung von Kraftstoff in die Abgasleitung 2. Ein Bedarf hierzu wird durch messtechnische oder modellbasierte Ermittlung und Bewertung des NO2-Gehalts bzw. des NO2/NOx-Konzentrationsverhältnisses festgestellt. Hierzu wird bevorzugt auf abgespeicherte Kennlinien bzw. -Kennfelder betreffend den NO2-Gehalt im Abgas beeinflussende Bauteileigenschaften und Betriebsgrößen zurückgegriffen. Die entsprechenden Kennlinien bzw. -Kennfelder werden beispielsweise von der Steuereinheit für Oxidationskatalysator 3, Partikelfilter 4 und SCR-Katalysator 5 vorgehalten und werden vorzugsweise in Abhängigkeit einer modellbasiert oder messtechnisch ermittelten Alterung dieser Bauteile adaptiert und auf allfällige, im Laufe der Zeit auftretende Veränderungen angepasst.
  • Das im Abgas ausgangsseitig des Partikelfilters 4 und somit eingangsseitig des SCR-Katalysators 5 im Abgas vorhandene NO2/NOx-Konzentrationsverhältnis im Abgas hat typischerweise Einfluss auf die NOx-Umsatzfähigkeit des SCR-Katalysators 5. Im Diagramm von 4 sind diese Verhältnisse schematisch dargestellt. Wie ersichtlich, nimmt der NOx-Umsatz ausgehend von niedrigen NO2/NOx-Konzentrationsverhältnissen mit zunehmendem NO2/NOx-Konzentrationsverhältnis zunächst zu und bleibt bei weiter zunehmendem NO2/NOx-Konzentrationsverhältnis annähernd konstant und maximal. Dabei wird davon ausgegangen, dass der SCR-Katalysator 5 in Bezug auf die Reduktionsmittelzufuhr optimal und wenigstens annähernd schlupffrei betrieben wird. Charakteristischerweise kann ab einem NO2/NOx-Konzentrationsverhältnis von etwa 0,5 mit zunehmendem NO2-Anteil keine signifikante Erhöhung des NOx-Umsatzes mehr erzielt werden. Die im Diagramm von 4 dargestellte Abhängigkeit ist typischerweise bei vergleichsweise niedrigen Abgastemperaturen im Bereich von 180°C und 350°C, insbesondere bei etwa 200°C, und Abgasraumgeschwindigkeiten von 50000 1/h oder mehr besonders stark ausgeprägt.
  • Aufgrund der erläuterten Verhältnisse wird zur Erzielung eines möglichst hohen NOx-Umsatzes ein NO2/NOx-Konzentrationsverhältnis von etwa 0,5 beim Betrieb der Abgasreinigungsanlage 28 und insbesondere bei Temperaturen des SCR-Katalysators 5 von weniger als etwa 350°C angestrebt. Bei einem höheren NO2/NOx-Konzentrationsverhältnis besteht unter bestimmten Bedingungen die Gefahr eines unvollständigen Umsatzes von NO2. Falls bei Überschreiten des oder der vorgebbaren maßgeblichen NO2-Schwellenwerts oder der Schwellenwerte ein Bedarf zur Erhöhung des HC-Anteils im Abgas stromauf des Oxidationskatalysators 3 festgestellt wird, um den NO2-Gehalt im Abgas zu verringern, so wird die HC-Anreicherung des Abgases daher mengenmäßig bevorzugt so festgelegt, dass zwischen Oxidationskatalysator 3 und Partikelfilter 4 bzw. eingangsseitig des SCR-Katalysators 5 eine vorgebbares NO2/NOx-Konzentrationsverhältnis, von bevorzugt etwa 0,5 resultiert.
  • Die Einstellung eines geeigneten HC-Anteils im Abgas zur Einhaltung eines maximalen NO2-Gehalts für möglichst hohen und von NO2-Schlupf freien NOx-Umsatz des SCR-Katalysators 5 ist von den Betriebsbedingungen wie Abgastemperatur und Abgasdurchsatz abhängig. Insbesondere besteht eine Abhängigkeit von der Katalysatoralterung. Im Diagram von 5 ist beispielhaft eine vom Alterungszustand des Oxidationskatalysators 3 bzw. der oxidationskatalytisch wirksamen Beschichtung des Partikelfilters 4 abhängige Korrelation von NOx-Umsatz des SCR-Katalysators 5 und einem stromauf des Oxidationskatalysator 3 im Abgas vorhandenen HC-Gehalt schematisch dargestellt. Die entsprechenden Kennlinien zeigen als typischen Verlauf einen annähernd konstanten und maximalen NOx-Umsatz bei niedrigen HC-Anteilen des Abgases. Mit ansteigendem HC-Anteil wird typischerweise an einem von der Alterung des Oxidationskatalysators 3 und/oder der oxidationskatalytisch wirksamen Beschichtung des Partikelfilters 4 abhän gigen Punkt 50, 51, 52 ein Absinken des NOx-Umsatzes bei ansonsten unveränderten Bedingungen festgestellt. Charakteristisch ist insbesondere bei vergleichsweise niedrigen Abgastemperaturen im Bereich von 180°C und 350°C und Abgasraumgeschwindigkeiten von etwa 50000 1/h oder mehr ein mehr oder weniger scharfes und beispielsweise mittels einer geeigneten NOx-Sensorik detektierbares Abknicken der Kennlinien. Am Knickpunkt ist typischerweise ein NO2/NOx-Konzentrationsverhältnis von etwa 0,5 eingangsseitig des SCR-Katalysators 5 vorhanden, während links vom Knickpunkt höhere NO2/NOx-Konzentrationsverhältnisse bzw. höhere und gegebenenfalls kritische NO2-Gehalte vorhanden sind. Mittels zuvor empirisch ermittelter Vergleichskennlinien kann einem jeweiligen Knickpunkt 50, 51, 52 ein entsprechender HC-Gehalt zugeordnet werden. Wird ein Überschreiten eines kritischen NO2-Gehalts im Abgas erkannt, kann daher durch Erhöhung des HC-Anteils im Abgas stromauf des Oxidationskatalysators 3 entsprechend eines für den jeweiligen Knickpunkt maßgeblichen Werts der NO2-Gehalt ohne Verringerung des NOx-Umsatzes vermindert werden.
  • Bevorzugt stehen Kennlinien entsprechend 5 der Steuereinheit für unterschiedliche Abgasbedingungen und/oder Alterungszustände von Oxidationskatalysator 3, Partikelfilter 4 und/oder SCR-Katalysator 5 zur Verfügung. Es kann jedoch auch lediglich eine für den jeweiligen Neuzustand maßgebende Kennlinie vorgesehen sein, welche von Zeit zu Zeit adaptiert wird. Hierzu wird vorzugsweise wie folgt vorgegangen.
  • Bei normalem Betrieb des Dieselmotors 1 wird der SCR-Katalysator 5 mit Ammoniak bzw. Harnstofflösung vorzugsweise unter Rückgriff auf eine modellbasierten Steuerung bzw. Regelung derart versorgt, dass sich ein maximaler NOx-Umsatz bei gleichzeitiger Einhaltung eines vorgebbaren Grenzwerts für einen Ammoniakschlupf ergibt. Wird ein Betriebspunkt mit vorgebbaren Betriebsparametern festgestellt, so wird der HC-Gehalt des Abgases eingangsseitig des Oxidationskatalysators 3 schrittweise mit vorgebbarem zeitlichen Abstand um vorgebbare Mengen bis zu einer vorgebbaren Höchstmenge erhöht. Dies erfolgt bevorzugt durch Aktivierung einer späten Kraftstoffnacheinspritzung in die Brennräume des Dieselmotors 1 oder durch Aktivierung einer Einrichtung zur Sekundäreinspritzung von Kraftstoff in die Abgasleitung 2. Mittels des von der Steuereinheit ermittelbaren Abgasdurchsatzes wird der jeweilige HC-Anteil im Abgas ermittelt.
  • Für jeden wie geschildert definiert eingestellten HC-Anteil im Abgas eingangsseitig des Oxidationskatalysators 3 wird ein zugeordneter NOx-Umsatz des SCR-Katalysators 5 ermittelt. Bevorzugt wird hierfür das Signal des Stickoxidsensors 25 und ein messtechnisch gewonnener oder anhand von Kennlinien gegebener Stickoxidgehalt stromauf des SCR-Katalysators 5 von der Steuereinheit ausgewertet. HC-Anteile und zugeordnete NOx-Umsätze werden wie oben anhand des Diagramms von 5 erläutert, in eine Kennlinie übertragen und abgespeichert. Nach Aufnahme der Kennlinie wird die Prüfroutine beendet und zu einem normalen Motorbetrieb ohne Nacheinspritzung oder Sekundäreinspritzung zurückgekehrt.
  • Die ermittelte Kennlinie für den NOx-Umsatz in Abhängigkeit des eingestellten HC-Anteils wird in Bezug auf einen ein Unterschreiten eines vorgebbaren NOx-Umsatzes zugeordneten HC-Anteil ausgewertet. Bevorzugt wird ein Kennwert HC* ermittelt, der den größten eingestellten HC-Anteil des Abgases angibt, bei welchem der festgestellte NOx-Höchstumsatz um ein vorgebbares Maß unterschritten ist. Eine vorteilhafte alternative oder zusätzlich Auswertungsroutine umfasst eine rechnerische Ableitung der Kennlinie, d. h. die Ermittlung der Kennliniensteigung. Dabei tritt ein abknickendes Verhalten einer Kennlinie gemäß 5 durch einen Sprung deutlicher in Erscheinung, was die Auswertungszuverlässigkeit und -Genauigkeit verbessert. Als Kennwert HC* wird in diesem Fall ein Unterschreiten eines vorgebbaren Werts für die Kennliniensteigung definiert.
  • Ist ein gegebenenfalls hinsichtlich einer statistischen Sicherheit überprüfter Kennwert HC* ermittelt, wird diesem ein Alterungszustand des Oxidationskatalysator 3 und/oder der oxidationskatalytisch wirksamen Beschichtung des Partikelfilters 4 in Form eines Alterungsfaktors AF zugeordnet.
  • Dies ermöglicht wiederum eine Anpassung einer Dosierung von Reduktionsmittel zur NOx-Verminderung am SCR-Katalysator 5 hinsichtlich Menge und unterer Freigabetemperatur an die alterungsbedingt geänderte Bereitstellung von NO2. Weiterhin ist es vorgesehen, eine alterungsbedingt verminderte Menge von bereitgestelltem NO2 in ein Umsatzmodell für den NOx-Umsatz des SCR-Katalysators 5 und/oder in ein Rußbeladungsmodell des Partikelfilters 4 einfließen zu lassen. Dadurch kann eine gegebenenfalls notwendige Verkürzung von Zeitintervallen für erzwungene Partikelfilterregenerationen optimal festgelegt werden. Gleichfalls vorgesehen ist es, eine aufgrund einer festgestellten Alterung verminderte Anspringtemperatur zur Oxidation von Kraftstoff bzw. HC bei einer Festelegung einer Freigabetemperatur für eine HC- bzw. Kraftstoffsekundärzugabe für eine erzwungene Partikelfilterregeneration anzupassen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - WO 99/39809 A1 [0002]

Claims (5)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Abgasreinigungsanlage einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine (1), in deren Abgasstrang (2) ein oxidationskatalytisch wirksames Abgasreinigungsbauteil (3) stromauf eines SCR-Katalysators (5) angeordnet ist, wobei ein Stickstoffdioxid-Gehalt im Abgas beeinflusst wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten eines vorgebbaren Stickstoffdioxid-Schwellenwerts im Abgas der Stickstoffdioxid-Gehalt vermindert wird, indem ein Kohlenwasserstoffanteil im Abgas stromauf des oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteils (3) erhöht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoffdioxid-Schwellenwert als NO2/NOx-Konzentrationsverhältnis eingangsseitig des SCR-Katalysators (5) und/oder als Stickstoffdioxid-Gehalt ausgangsseitig des SCR-Katalysators (5) festgelegt ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kennlinie für eine Korrelation von Kohlenwasserstoffanteil im Abgas stromauf des oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteils (3) und NOx-Umsatz des SCR-Katalysators (5) vorgehalten ist und bei der Erhöhung des Kohlenwasserstoffanteils für diesen ein Wert eingestellt wird, der entsprechend der Kennlinie einem vorgebbaren NOx-Umsatz zugeordnet ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenwasserstoffanteil auf einen Wert eingestellt wird, der entsprechend der Kennlinie so gewählt ist, dass ein Grenzwert unterschritten wird, oberhalb dem ein zunehmender Kohlenwasserstoffanteil im Abgas stromauf des oxidationskatalytisch wirksamen Abgasreinigungsbauteils (3) mit einem abnehmenden NOx-Umsatz des SCR-Katalysators (5) korreliert.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass von Zeit zu Zeit eine Überprüfung und gegebenenfalls eine Adaptierung der Kennlinie an im Laufe der Zeit erfolgte Veränderungen durchgeführt wird.
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