DE102009007763B4

DE102009007763B4 - Verfahren zur Bestimmung einer Wirkungsfähigkeit eines SCR-Katalysators

Info

Publication number: DE102009007763B4
Application number: DE102009007763.4A
Authority: DE
Inventors: Dominik Rothschuh
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2021-08-12
Anticipated expiration: 2029-02-07
Also published as: DE102009007763A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung einer Wirkungsfähigkeit eines mit einem Reduktionsmittel beaufschlagbaren SCR-Katalysators (12), welcher in einem Abgastrakt (10) einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, wobei mittels des SCR-Katalysators (12) wenigstens ein Stoff eines Abgasgemisches sorbiert wird, umfassend die Schritte:- Bestimmen einer von dem SCR-Katalysator (12) sorbierten Menge eines Stoffes des Abgasgemisches oder einer Temperaturänderung infolge der Sorption des Stoffes, wobei der Stoff von dem Reduktionsmittel verschieden ist und ungleich Sauerstoff und Wasser ist, und- Bestimmen der Wirkungsfähigkeit des SCR-Katalysators (12) in Abhängigkeit von der sorbierten Menge oder der Temperaturänderung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Wirkungsfähigkeit eines SCR-Katalysators, welcher in einem Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, wobei mittels des SCR-Katalysators wenigstens ein Stoff eines Abgasgemisches sorbiert wird.
Es existieren verschiedene Verfahren, um die Wirkungsfähigkeit von spezifischen Katalysatoren zu bestimmen. Dabei werden oft sehr spezifisch die speziellen Eigenschaften des Katalysators zu der Bestimmung ausgenutzt. So sind beispielsweise Verfahren zur Wirkungsgradbestimmung von HC-Adsorbern oder auch von Stickstoffspeicherkatalysatoren (NSK) bekannt. Diese Verfahren haben den Nachteil, dass sie nur angewendet werden können, um die Wirkungsfähigkeit der entsprechenden speziell gestalteten Katalysatoren zu bestimmen.
Es sind beispielsweise Verfahren für Stickstoffspeicherkatalysatoren (NSK) bekannt, bei denen auf exothermen Oxidationsreaktionen beruhende Temperaturänderungen für die Bestimmung der Wirkungsfähigkeit ausgenutzt werden. Solche Verfahren sind nicht für Katalysatoren anwendbar, bei denen keine exothermen Oxidationsreaktionen bekannt sind. In anderen Verfahren müssen Konzentrationen von Stickoxiden im Abgas nach dem Durchströmen des Katalysators gemessen werden. Dies ist beispielsweise nicht ohne weiteres auf Katalysatoren, welche auf der SCR (Selektive Katalytische Reaktion)-Technik beruhen, übertragbar, da hier ein auf einer Stickstoffverbindung basierendes Reduktionsmittel (häufig NH₃) zugeführt wird und entsprechende Sensoren zur Messung der Stickoxide eine Querempfindlichkeit gegenüber den im Reduktionsmittel vorhandenen Stickstoffverbindungen (z.B. NH₃) aufweisen, was zu Messungenauigkeiten führt.
Die nachveröffentlichte Druckschrift DE 10 2008 008 985 A1 beschreibt ein On-Board-Diagnoseverfahren beispielsweise eines SCR-Katalysators, wobei die Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC) des Katalysators bei verschiedenen Temperaturen während der Aufheizphase bestimmt wird und mit entsprechenden OSC-Werten eines ungeschädigten Referenzkatalysators verglichen wird.
Die ebenfalls nachveröffentlichte Druckschrift WO 2009/127941 A1 beschreibt ein Verfahren zur Diagnose der Funktion eines SCR-Katalysators, wobei die Wirkungsfähigkeit des SCR-Katalysators anhand seiner Feuchtigkeitsspeicherkapazität oder der Sorptionswärme infolge der Speicherung von Wasser bestimmt wird.
Die Druckschrift DE 10 2006 044 886 A1 beschreibt ein Verfahren zum Überwachen eines Abgasnachbehandlungssystems, insbesondere eines darin angeordneten SCR-Katalysators. In dem Verfahren wird zunächst während eines regulären Betriebs überprüft, ob eine mittlere Katalysatortemperatur für eine bestimmte Mindestdauer unterhalb einer vorbestimmten Temperaturschwelle liegt. Nur bei entsprechend niedrigen Katalysatortemperaturen wird die Diagnose für einen kommenden Kaltstart freigegeben; andernfalls wird die Diagnose ausgesetzt. Bei freigegebener Diagnose wird während eines Kaltstarts die Eingangstemperatur mit einem Temperatursensor gemessen und nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit die Ausgangstemperatur hinter dem Katalysator gemessen. Sofern die Differenz zwischen der Ausgangstemperatur und der Eingangstemperatur kleiner als 10 °C ist, wird der Katalysator als schlecht bewertet.
Aus der Druckschrift US 2008/0092522 A1 ist ein Diagnoseverfahren für einen SCR-Katalysator bekannt, wobei während eines Betriebs eine Temperatur überwacht wird, um eine kumulierte Zeit für jede Katalysatorzone zu erhalten, aus der ein Alterungskoeffizient für jede Zone ermittelt wird. Der Alterungskoeffizient wird mit einer NOx-Konvertierungsleistung jeder Zone multipliziert, um diese fortlaufend zu aktualisieren.
Gemäß Druckschrift DE 10 2004 043 933 A1 wird ein Feuchtigkeitssensor genutzt, der einem Abgaskatalysator vorgeschaltet ist, um die Feuchte des Abgasstroms zu erfassen und die Aktivität des Katalysators zu überwachen.
Druckschrift JP H06-159111 A beschreibt, als Maß für die Absorptionswärme eines NOx-Katalysators eine Temperaturdifferenz einer Substrat- und einer Eingangstemperatur des Katalysators zu bestimmen und aus der Temperaturdifferenz eine HC-Absorptionsleistung des Katalysators zu ermitteln. In dem NOx-Katalysator wirken Kohlenwasserstoffe (HC) als Reduktionsmittel.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung einer Wirkungsfähigkeit eines SCR-Katalysators der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit welchem auf einfache und kostensparende Art und Weise die Wirkungsfähigkeit von SCR-Katalysatoren bestimmbar ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Patentansprüchen angegeben.
Um ein Verfahren zur Bestimmung einer Wirkungsfähigkeit eines mit einem Reduktionsmittel beaufschlagbaren SCR-Katalysators, welcher in einem Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, wobei mittels des SCR-Katalysators wenigstens ein Stoff eines Abgasgemisches sorbiert wird, zur Verfügung zu stellen, mit welchem einfach und kostengünstig die Wirkungsfähigkeit von SCR-Katalysatoren bestimmt werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine von dem SCR-Katalysator sorbierte Menge eines Stoffes des Abgasgemisches oder einer Temperaturänderung infolge der Sorption des Stoffes bestimmt wird (wobei der Stoff von dem Reduktionsmittel verschieden und ungleich Sauerstoff und Wasser ist), und die Wirkungsfähigkeit des SCR-Katalysators in Abhängigkeit von der sorbierten Menge oder der Temperaturänderung bestimmt wird. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise kein Umsatz des aus dem Abgasgemisch zu entfernenden Stoffes oder eines Reduktionsmittels bestimmt werden muss. Das Verfahren kann somit ohne Zugabe von beispielsweise einem Reduktionsmittel durchgeführt werden. Das Verfahren ist somit unabhängig vom Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine. Unter einem Reduktionsmittel ist hier bevorzugt ein Ammoniak in freier oder gebundener Form aufweisendes, für eine Stickoxidreduktion einsetzbares Reduktionsmittel zu verstehen, welches der SCR-Katalysator zur Ausübung seiner Funktion der selektiven Reduktion von Stickoxiden benötigt. Unter Stickoxiden sind hierbei die gasförmigen Oxide des Stickstoffs, im Wesentlichen NO und NO₂, zu verstehen.
In weiterer Ausgestaltung wird das Verfahren dabei mit einem Zeolith-SCR-Katalysator durchgeführt. Dies hat den Vorteil, dass auch die zurzeit und in Zukunft im Neufahrzeugbau eingesetzten Zeolith-SCR-Katalysatoren bezüglich ihrer Wirkungsfähigkeit beurteilt werden können.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Verfahren derart vonstatten geht, dass zunächst wenigstens ein Parameter des Abgasgemisches gemessen wird, welcher sich in Abhängigkeit von der Wirkungsfähigkeit des SCR-Katalysators während eines Durchströmens des Abgasgemisches durch den SCR-Katalysator verändert, wobei der Parameter ausgewählt ist aus einer Temperatur des Abgasgemisches und einer Konzentration des Stoffes im Abgasgemisch, damit ein Messwert erhalten wird. Zwischen diesem Messwert und einem Vergleichswert wird eine Differenz berechnet. Diese Differenz wird mit wenigstens einem Sollwert verglichen. Es wird ein Testwert aus dem Vergleich der Differenz mit dem Sollwert ermittelt. Dieser Testwert wird mit einem Grenzwert verglichen. Ein Ergebnis des Vergleichs des Testwerts mit dem Grenzwert wird in Form eines Signals ausgegeben. Somit kann das Verfahren auf sehr einfache Weise durchgeführt werden. Es ist nur ein einziger Messwert erforderlich, um die Wirkungsfähigkeit des SCR-Katalysators zu bestimmen.
Die Messung der Temperatur als Parameter des Abgasgemisches ist auf sehr einfache Weise kostensparend und schnell durchführbar.
Wenn nun die Temperatur des Abgasgemisches nach dem Durchströmen des SCR-Katalysators gemessen wird, und als Vergleichswert eine Modelltemperatur des Abgasgemisches nach Durchströmen eines voll wirkungsfähigen SCR-Katalysators genutzt wird, kann die Wirkungsfähigkeit des SCR-Katalysators sehr genau und einfach bestimmt werden.
In weiterer Ausgestaltung wird die Temperatur des Abgasgemisches im SCR-Katalysator gemessen und als Vergleichswert eine Modelltemperatur in einem voll wirkungsfähigen SCR-Katalysator genutzt. Dies hat den Vorteil, dass die Messung in unmittelbarer Nähe des SCR-Katalysators oder im SCR-Katalysator stattfindet und somit eventuell das Messergebnis beeinflussende Parameter minimiert sind.
Alternativ kann als Vergleichswert eine Temperatur des Abgasgemisches vor dem Durchströmen des SCR-Katalysators gemessen werden. Dies hat den Vorteil, dass lediglich zwei Messwerte einer Temperatur unabhängig von weiteren Parametern oder Modellberechnungen zur Bestimmung der Wirkungsfähigkeit des SCR-Katalysators genutzt werden.
Wenn nun zum Messen der Temperatur des Abgasgemisches vor dem Durchströmen des SCR-Katalysators bereits im Abgasbereich vorhandene Temperaturmessvorrichtungen genutzt werden, können die Kosten des Verfahrens weiter minimiert werden.
Alternativ zur Messung einer Temperatur wird als Parameter des Abgasgemisches eine Konzentration eines vom SCR-Katalysator sorbierbaren Stoffes des Abgasgemisches gemessen. Auch hierdurch ist auf einfache Weise durch Messung, vorzugsweise nur einer einzigen Größe, die Wirkungsfähigkeit des SCR-Katalysators bestimmbar.
In weiterer Ausgestaltung wird dabei die Konzentration des sorbierbaren Stoffes nach dem Durchströmen des Abgasgemisches durch den SCR-Katalysator gemessen und als Vergleichswert eine Modellkonzentration des sorbierbaren Stoffes nach Durchströmen eines voll wirkungsfähigen SCR-Katalysators genutzt. Hierdurch kann durch die einfach zu bestimmende Modellkonzentration eine exakte Bestimmung der Wirkungsfähigkeit des SCR-Katalysators anhand eines Messwerts durchgeführt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann als Vergleichswert eine Konzentration des sorbierbaren Stoffes des Abgasgemisches vor dem Durchströmen des SCR-Katalysators gemessen werden. Somit kann man nun ohne Modellkonzentrationen einfach und kostensparend anhand lediglich zweier Messungen die Wirkungsfähigkeit des SCR-Katalysators bestimmen.
Dabei ist es von Vorteil, wenn der Stoff eine Verbindung der allgemeinen Formel NO_x ist. Somit wird zur Bestimmung der Wirkungsfähigkeit eines SCR-Katalysators eine von dem SCR-Katalysator sorbierbare Verbindung zur Messung genutzt, was die Exaktheit der Bestimmung vergrößert und das Verfahren weiter vereinfacht.
Alternativ oder zusätzlich kann der Stoff auch eine Kohlenwasserstoff (HC)-Verbindung sein. Auch HC-Verbindungen sind in der Regel von SCR-Zeolith-Katalysatoren sorbierbar.
In weiterer Ausgestaltung ist es dabei von Vorteil, wenn die jeweiligen Messungen während einer Kaltstartphase und/oder während einer sich an einen Kaltstart anschließenden Warmlaufphase der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt werden. Insbesondere Zeolith-SCR-Katalysatoren können bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise nach Motorkaltstart oder in einem Warmlauf, Stickoxidverbindungen der allgemeinen Formel NO_x, d.h. NO und NO₂ sowie gegebenenfalls weitere Stickoxide und/oder HC sorbieren. Bei einem Kaltstart und/oder einem darauf folgenden Warmlauf erfolgt häufig eine Sorption dieser Stoffe bis zum Ausschöpfen der Beladungskapazität. Mit Bestimmung der vom Katalysator sorbierten Menge einer oder mehrerer der genannten Stoffe kann ein Beladungszustand bzw. eine Beladungskapazität bestimmt werden, welche sich als korrelierend mit der Wirkungsfähigkeit bzw. dem Alterungszustand des Katalysators erwiesen hat. Die Bestimmung des mit der Wirkungsfähigkeit korrelierenden Beladungszustandes bzw. der Beladungskapazität kann dabei in Verbindung mit einem Kaltstart und/oder Warmlauf erfolgen, noch bevor der Katalysator seine katalytische Wirksamkeit in nennenswertem Umfang erreicht hat. Die Bestimmung des Beladungszustandes bzw. der Beladungskapazität erfolgt mit Vorteil durch Ermittlung einer bei der Sorption frei werdenden Sorptionswärme. Somit ist auf schnelle und einfache Weise die Wirkungsfähigkeit des SCR-Katalysators bestimmbar.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen.
Dabei zeigen:

1 eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine, wobei im Abgastrakt ein SCR-Katalysator angeordnet ist, mittels welchem wenigstens ein Stoff eines Abgasgemisches sorbierbar ist, wobei die Wirkungsfähigkeit des Katalysators durch ein Verfahren bestimmt werden kann, wobei ein Beladungszustand des Katalysators mit wenigstens einem sorbierten Stoff des Abgasgemisches bestimmt wird.
2 eine graphische Darstellung einer veränderten Wirkungsfähigkeit eines gealterten SCR-Katalysators im Vergleich zu einem neuen SCR-Katalysator, wobei die Wirkungsfähigkeit durch das Messen wenigstens eines Parameters des Abgasgemisches, welches sich in Abhängigkeit von der Wirkungsfähigkeit des SCR-Katalysators während eines Durchströmens des Abgasgemisches durch den SCR-Katalysator verändert, bestimmbar ist, wobei der gemessene und sich in Abhängigkeit von der Wirkungsfähigkeit des SCR-Katalysators verändernde Parameter eine Temperatur ist;
3 eine graphische Darstellung einer veränderten Wirkungsfähigkeit eines gealterten SCR-Katalysators im Vergleich zu einem Katalysator mit kompletter Wirkungsfähigkeit, wobei der jeweilige SCR-Katalysator Verbindungen der allgemeinen Formel NO_x sorbieren kann, wobei die Veränderung der Wirkungsfähigkeit anhand eines Parameters eines Abgasgemisches, welcher sich in Abhängigkeit von der Wirkungsfähigkeit des SCR-Katalysators während eines Durchströmens des Abgasgemisches durch den SCR-Katalysator verändert, dargestellt ist, wobei der zu messende Parameter eine Konzentration einer Verbindungen der allgemeinen Formel NO_x ist.

In 1 ist in stark vereinfachter Form die Skizze eines Abgastrakts 10 einer Verbrennungskraftmaschine dargestellt. In dem Abgastrakt 10 ist dabei ein SCR-Katalysator 12 angeordnet. Während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine strömt nun ein Abgasgemisch durch den SCR-Katalysator 12 (siehe Pfeil in 1). Der SCR-Katalysator 12 sorbiert die Verbindungen mit der allgemeinen Formel NO_x. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um einen Zeolith-SCR-Katalysator 14. Zeolith-SCR-Katalysatoren bestehen aus einer Aluminium- und Silizium-Gerüststruktur. Dabei ist jedes Al- und Si-Atom von vier Sauerstoffatomen umgeben. Die in einem Alumosilikat-Gerüst vorhandenen AlO₄-Tetraeder bringen jeweils eine negative Ladung ein. Durch die anionische Gerüstladung lagern sich Kationen am Zeolith an. Daneben können auch polare Moleküle wie Wasser gebunden werden. Die Kationen sind leicht zugänglich und austauschbar. Somit kann der Zeolith-SCR-Katalysator neben Wasser und weiteren Dipolmolekülen auch beispielsweise HC-Verbindungen, NO oder NO₂ adsorbieren. Theoretisch kann es sich aber natürlich auch um einen anderen SCR-Katalysator 12 handeln, der ebenfalls die Verbindungen der allgemeinen Formel NO_x bzw. andere im Abgas vorhandene Stoffe sorbieren kann.
Der Zeolith-SCR-Katalysator 14 verfügt nun über eine bestimmte Anzahl an Sorptionsplätzen, welche maßgeblich abhängig von einer Oberfläche des Zeoliths ist. Dabei wird bei der Sorption von Stoffen je nach Stärke der Wechselwirkungen zwischen dem Zeolith und einem Sorptiv Energie in Form von Sorptionswärme frei. Dieser Vorgang ist in der Regel jedoch nicht mit einem Stoffumsatz verbunden. Die Wärme wird an die Umgebung und an das Abgasgemisch abgegeben. Diese Wärme ist somit ein Maß für die Sorption von Stoffen mit dem Zeolith bzw. für die Menge des oder der vom Zeolith sorbierten Stoffe (Sorptionsmenge).
Die Sorptionsmenge ist außerdem Temperaturabhängig und nimmt im Allgemeinen mit zunehmender Temperatur ab. Deshalb ist ein Beladungszustand des Zeolith-SCR-Katalysators 14 zum Zeitpunkt eines Kaltstarts der Verbrennungskraftmaschine von einer Temperatur des Zeolith-SCR-Katalysators 14 am Ende des vorangegangenen Betriebs der Verbrennungskraftmaschine abhängig. Eine typische Temperatur des Zeolith-SCR-Katalysators 14 ist im Betrieb ca. 300°C. Nach Abstellen der Verbrennungskraftmaschine kühlt der Zeolith-SCR-Katalysator auf ca. 25°C Umgebungstemperatur ab. Bei einer um 275°C geringeren Temperatur ist die mögliche Sorptionsmenge um ein Vielfaches, beispielsweise um den Faktor 10 höher, d.h. der Beladungszustand des Zeolith-SCR-Katalysator 14 beim Betrieb beträgt 10% der möglichen Sorptionsmenge bei 25°C. Somit können nun nach dem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine Stoffe des Abgasgemisches sorbiert werden. Die dabei freiwerdende, oben beschriebene Sorptionswärme ist demnach ein Maß für die Zunahme des Beladungszustands des SCR-Zeolith-Katalysators 14. Die Änderung des Beladungszustands wiederum korreliert mit der Wirkungsfähigkeit des Zeolith-SCR-Katalysators, unerwünschte Stoffe in dem Abgasgemisch mit Hilfe des Verfahrens der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) unter Zugabe eines Reduktionsmittels zu mindern.
Um nun einen defekten oder gealterten SCR-Katalysator 12 zu erkennen, wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung einer Wirkungsfähigkeit des SCR-Katalysators vorgenommen. In einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel wird hierzu eine Temperatur des Abgases gemessen. Die Hintergründe dieser Messung sind in 2 dargestellt.
In 2 ist in einer graphischen Darstellung die Entwicklung einer Temperatur T in Grad Celsius (°C) in Abhängigkeit von einer Zeit t in Sekunden (s) nach einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine dargestellt. Beispielhaft sind dabei die Temperaturverläufe von Abgasgemischen vor dem Durchströmen des Abgasgemisches durch den SCR-Katalysator 12 dargestellt (vgl. Bezugszeichen 16 in 2). Des Weiteren ist ein Temperaturverlauf eines Abgasgemisches nach dem Durchströmen eines frischen und somit zu 100% seiner Leistung befähigten Zeolith-SCR-Katalysators 14 dargestellt (vgl. Bezugszeichen 18 in 2). Eine Vielzahl solcher Messungen von Temperaturen des Abgasgemisches nach Durchströmen eines voll funktionsfähigen Zeolith-SCR-Katalysators 14 wird beispielsweise verwendet, um einen Modellwert zu ermitteln, welcher zur Berechnung einer Wirkungsfähigkeit des SCR-Katalysators 12, insbesondere des Zeolith-SCR-Katalysators 14, benutzt wird.
Außerdem ist der Temperaturverlauf eines Abgasgemisches nach Durchströmen eines Zeolith-SCR-Katalysators 14 dargestellt, wobei der Zeolith-SCR-Katalysator 14 durch Abnutzung bzw. Alterung nicht mehr seine komplette Wirkungsfähigkeit besitzt (vgl. 2, Bezugszeichen 20). In 2 ist gut erkennbar, dass die Temperatur des Abgasgemisches infolge exothermer Sorption direkt nach Durchströmen des Zeolith-SCR-Katalysators 14 größer ist als die Temperatur des Abgasgemisches vor dem Durchströmen des Zeolith-SCR-Katalysators 14 (vgl. 2, Bezugszeichen 22). Diese Temperaturzunahme des Abgasgemisches ist sehr gut in der Kaltstartphase der Verbrennungskraftmaschine circa 65 s bis 120 s nach dem Motorstart im vorliegenden graphischen Beispiel erkennbar. Diese Temperaturzunahme korreliert mit der Sorption von wenigstens einem Stoff am Zeolith und damit mit einer Änderung, also einer Zunahme des Beladungszustandes des Zeolith-SCR-Katalysators 14.
Des Weiteren ist erkennbar, dass die Temperatur des Abgasgemisches nach Durchströmen eines frischen Zeolith-SCR-Katalysators 14 größer ist als die Temperatur des Abgasgemisches nach Durchströmen eines gealterten Zeolith-SCR-Katalysators 14, welcher nur noch in reduziertem Ausmaß zu exothermer Sorption befähigt ist (vgl. 2, Bezugszeichen 24). Dies korreliert mit einem niedrigeren Beladungszustand bei einem gealterten SCR-Katalysator 14 im Vergleich zu einem frischen Zeolith-SCR-Katalysator 14. Somit reicht die Messung eines einzigen Parameters, in diesem Ausführungsbeispiel einer einzigen Temperatur aus, um die Wirkungsfähigkeit des Zeolith-SCR-Katalysators 14 zu bestimmen, indem der Beladungszustand des Zeolith-SCR-Katalysators 14 durch seine Korrelation mit der gemessenen Temperatur bestimmt wird.
Hierzu misst man entsprechend eine Temperatur des Abgasgemisches beispielsweise nach dem Durchströmen des SCR-Katalysators. Ein zuvor im Durchschnitt gemittelter und vielfach gemessener Modellwert beziehungsweise eine Modelltemperatur wird erstellt, indem das Abgasgemisch nach Durchströmen des Zeolith-SCR-Katalysators 14 gemessen wird, wobei der Zeolith-SCR-Katalysator 14 unverbraucht und damit im Besitz seiner vollen Wirkungsfähigkeit ist. Ein solcher Wert kann beispielsweise in Testreihen ermittelt und dem Anwender des Verfahrens in Form eines Modellwerts zur Verfügung gestellt werden. Nun vergleicht man den Messwert mit dem Modellwert und errechnet die Differenz. Entsprechend beispielsweise gesetzlicher Vorschriften für die Abgasnachbehandlung kann die Differenz nun mit einem festzulegenden Sollwert verglichen werden. Aus dem Vergleich der Differenz mit diesem Sollwert, durch einen geeigneten mathematischen Vorgang, beispielsweise wiederum eine Subtraktion, entsteht ein Testwert, welcher mit einem festzulegenden Grenzwert verglichen wird. Der Grenzwert ist dabei das Maß, ob der Zeolith-SCR-Katalysator 14 gerade noch oder nicht mehr funktionsfähig bzw. im Besitz seiner Wirkungsfähigkeit ist oder nicht. Somit kann der Grenzwert z.B. an Richtlinien oder Erfahrungswerten orientiert sein. Der Grenzwert kann vorteilhaft anhand eines gealterten Zeolith-SCR-Katalysators, welcher bezüglich des Umsatzes einer bestimmten Schadstoffkomponente eine vorgebbare Grenzwirksamkeit erreicht oder unterschritten hat, bestimmt werden.
Das Ergebnis des Vergleichs des Testwerts mit dem Grenzwert wird beispielsweise in Form eines Signals ausgegeben. Dies kann beispielsweise ein Warnleuchtsignal am Armaturenbrett oder auch irgendein anderes Signal sein, welches den Anwender des Verfahrens bzw. einen Fahrzeugnutzer über das Ergebnis der Bestimmung der Wirkungsfähigkeit des Zeolith-SCR-Katalysators 14 informiert.
Natürlich kann anstelle des Modellwertes als Vergleichswert auch eine weitere Temperatur des Abgasgemisches gemessen werden, wobei die weitere Temperatur des Abgasgemisches bevorzugt vor dem Durchströmen des Katalysators 12 gemessen wird. Auch der eigentliche Messwert, welcher entweder mit einer zweiten Temperatur oder einer anderen zweiten Messgröße oder einem Modellwert des Abgasgemisches verglichen wird, kann an einer Stelle nach dem Durchströmen des Zeolith-SCR-Katalysators 14, oder auch direkt im Zeolith-SCR-Katalysator 14 gemessen werden. Es ist vorstellbar, dass zum Messen der Temperaturen bereits im Abgastrakt 10 vorhandene Temperaturmessvorrichtungen genutzt werden.
In 3 sind die prinzipiellen Grundlagen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Vornahme einer alternativen Messung einer Konzentration einer Verbindung der allgemeinen Formel NO_x dargestellt. Dabei beschreibt der obere Graph die Messwerte eines Zeolith-SCR-Katalysators 14, welcher unbenutzt ist und somit über seine komplette Wirkungsfähigkeit verfügt, während der untere Graph Messungen bei Benutzung eines gealterten, nicht mehr 100% wirkungsfähigen Zeolith-SCR-Katalysators 14 beschreibt. Dabei sind anhand der Bezugszeichen 28, 30 die jeweiligen Kurven für die entsprechenden NO_x-Konzentrationen der Abgasgemische vor dem Durchströmen des Zeolith-SCR-Katalysators 14 bezeichnet. Wiederum ist dabei die Konzentration von NO_x in ppm in Abhängigkeit von einer Zeit (in s) nach dem Durchführen eines Kaltstarts dargestellt.
Im oberen und im unteren Graph sind des Weiteren die entsprechenden Konzentrationen von NO_x der Abgasgemische nach dem Durchströmen des Zeolith-SCR-Katalysators 14 dargestellt (32, 34). Während eine entsprechende Konzentration (32) an NO_x beim frischen, voll wirkungsfähigen SCR-Katalysator 12 erst ca. 50 s nach Durchführung des Kaltstarts erkennbar ist, ist eine entsprechende Konzentration (34) an NO_x im Abgasgemisch nach dem Durchströmen des Katalysators bei einem abgenutzten Zeolith-SCR-Katalysator 14 bereits nach ca. 25 s messbar (vgl. 3, Bezugszeichen 36). Des Weiteren sind die bei bereits abgenutztem Zeolith-SCR-Katalysator 14 gemessenen Konzentrationen an NO_x größer als bei einem frischen Zeolith-SCR-Katalysator 14 (siehe Kurven in 3). Die NO_x-Konzentration stromaufwärts des Zeolith-SCR-Katalysators 14, also vor dem Durchströmen des Zeolith-SCR-Katalysators 14, kann modelliert werden, so dass auch hier nur eine einzige Messung einer Konzentration zur Bestimmung der Wirkungsfähigkeit des Katalysators 12 nötig ist.
Dabei wird die Differenz zwischen der gemessenen NO_x-Konzentration des Abgasgemisches nach Durchströmen des Zeolith-SCR-Katalysators 14 und der Modell-NO_x-Konzentration vor dem Durchströmen des Abgasgemisches durch den Katalysator während der Kaltstartphase gebildet. Diese Differenz entspricht der Zunahme des Beladungszustands des Zeolith-SCR-Katalysators mit der Menge an sorbiertem NO_x. Es ist somit nicht notwendig, einen Umsatz von NO_x durch ein Reduktionsmittel zu berechnen. Ein Testwert für die Wirkungsfähigkeit des Zeolith-SCR-Katalysators ist also ohne Zugabe eines Reduktionsmittels bestimmbar. Der auf diese Weise gebildete Testwert kann nun mit einem Grenzwert verglichen werden, welcher für einen gerade noch ausreichend funktionsfähigen SCR-Katalysator 12 steht. Der Grenzwert kann dabei durch den Anwender des Verfahrens beispielsweise gemäß gültiger Abgasrichtlinien ausgewählt werden. Bei Unterschreitung des Schwellenwerts wird der Zeolith-SCR-Katalysator 14 als defekt erkannt. Ein entsprechendes Signal kann dem Anwender auf beliebige Art und Weise zugeführt werden, beispielsweise wieder über eine Alarmbeleuchtung am Armaturenbrett.
Vorteilhaft wird die wenigstens eine Messung in der Kaltstartphase der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt. Direkt nach Motorkaltstart ist beispielsweise die Sorption von NOx-Verbindungen durch Zeolith am größten, es stehen die meisten Sorptionsplätze zur Verfügung. Eventuelle Messungenauigkeiten durch ungenaue Sensoren oder Modellungenauigkeiten fallen dadurch weniger stark ins Gewicht. Außerdem wird in der Regel in der Motorkaltstartphase bei SCR-Katalysatoren 12 noch kein Reduktionsmittel, insbesondere noch kein Ammoniak in den Abgastrakt 10 eingeleitet, so dass eine Querempfindlichkeit der NOx-Sensoren gegenüber Ammoniak sich nicht störend auswirkt.
Natürlich kann anstelle der NO_x-Konzentration auch beispielsweise eine HC-Konzentration gemessen werden. Ein Zeolith-SCR-Katalysator sorbiert nach Motorkaltstart die Feuchte des Abgases, bis sich ein Gleichgewicht an sorbierter und desorbierter Feuchte einstellt. Die sorbierte Menge an Wasser im Zeolith-SCR-Katalysator bzw. dessen Beladungszustand korreliert deshalb mit der Anzahl verfügbarer Sorptionsplätze und somit mit dessen katalytischer Wirkungsfähigkeit beispielsweise bezüglich der Minderung der NO_x-Konzentration im Abgasgemisch mittels Reduktion. In Bezug auf Kohlenwasserstoff (HC)-Verbindungen als Sorptiv gelten die gleichen Verhältnisse.
Damit ist ein Verfahren geschaffen, durch welches die Wirkungsfähigkeit eines Katalysators, insbesondere eines Zeolith-SCR-Katalysators 14, unabhängig vom Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine bestimmt wird. Es kann sogar vorteilhaft während der Kaltstartphase des Motors durchgeführt werden. Es ist keine Zugabe von Reduktionsmitteln zur Bestimmung der Wirkungsfähigkeit notwendig.

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Wirkungsfähigkeit eines mit einem Reduktionsmittel beaufschlagbaren SCR-Katalysators (12), welcher in einem Abgastrakt (10) einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, wobei mittels des SCR-Katalysators (12) wenigstens ein Stoff eines Abgasgemisches sorbiert wird, umfassend die Schritte: - Bestimmen einer von dem SCR-Katalysator (12) sorbierten Menge eines Stoffes des Abgasgemisches oder einer Temperaturänderung infolge der Sorption des Stoffes, wobei der Stoff von dem Reduktionsmittel verschieden ist und ungleich Sauerstoff und Wasser ist, und - Bestimmen der Wirkungsfähigkeit des SCR-Katalysators (12) in Abhängigkeit von der sorbierten Menge oder der Temperaturänderung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der SCR-Katalysator (12) ein Zeolith-SCR-Katalysator (14) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch - Messen wenigstens eines Parameters des Abgasgemisches, welcher sich in Abhängigkeit von der Wirkungsfähigkeit des SCR-Katalysators (12) während eines Durchströmens des Abgasgemisches durch den SCR-Katalysator (12) verändert, wobei der Parameter ausgewählt ist aus einer Temperatur des Abgasgemisches und einer Konzentration des Stoffes im Abgasgemisch, zum Erhalten wenigstens eines Messwertes, - Berechnen einer Differenz zwischen dem Messwert und einem Vergleichswert, - Vergleichen der Differenz mit wenigstens einem Sollwert, - Ermitteln eines Testwertes aus dem Vergleich der Differenz mit dem Sollwert, - Vergleichen des Testwertes mit einem Grenzwert, - Ausgeben eines Ergebnisses des Vergleichs des Testwertes mit dem Grenzwert in Form eines Signals.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter des Abgasgemisches die Temperatur des Abgasgemisches nach dem Durchströmen des SCR-Katalysators (12) gemessen wird, und als Vergleichswert eine Modelltemperatur des Abgasgemisches nach Durchströmen eines voll wirkungsfähigen SCR-Katalysators genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter des Abgasgemisches die Temperatur des Abgasgemisches im SCR-Katalysator (12) gemessen wird und als Vergleichswert eine Modelltemperatur in ein einem voll wirkungsfähigen SCR-Katalysator (12) genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter des Abgasgemisches die Temperatur des Abgasgemisches nach dem Durchströmen des SCR-Katalysators (12) oder im SCR-Katalysator (12) gemessen wird und als Vergleichswert eine Temperatur des Abgasgemisches vor dem Durchströmen des SCR-Katalysators (12) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter des Abgasgemisches die Konzentration des sorbierbaren Stoffes nach dem Durchströmen des Abgasgemisches durch den SCR-Katalysator (12) gemessen wird und als Vergleichswert eine Modellkonzentration des sorbierbaren Stoffes nach Durchströmen eines voll wirkungsfähigen SCR-Katalysators genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter des Abgasgemisches die Konzentration des sorbierbaren Stoffes nach dem Durchströmen des Abgasgemisches durch den SCR-Katalysator (12) gemessen wird und als Vergleichswert eine Konzentration des sorbierbaren Stoffes des Abgasgemisches vor dem Durchströmen des SCR-Katalysators (12) gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoff eine Verbindung der allgemeinen Formel NO_x ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoff eine Kohlenwasserstoff-Verbindung (HC) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Messungen während einer Kaltstartphase und/oder während einer sich an einen Kaltstart anschließenden Warmlaufphase der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt werden.